Single bismuth atom transistor for solid state atomic clock applications

The purpose of this master thesis is the realization of a multigate transistor with a nanometric inner channel, used for atomic clock applications due to the single bismuth donor atoms implanted in its proximity. In this work are shown in detail all the fabrication steps that bring to the device realization, whose final aim is to work as an electrostatic detector by using the channel to take over the charge of the donor atoms at 3K. The material used is a silicon-on-insulator(SOI) of 145 nm, on which are performed at first electron beam lithography and dry etching for create the Si-based transistor structure. Then two ion beam implantations are done, one of Sb to obtain the doping of the source and the drain, the second one of single Bi atoms, performed in Melbourne, to place the donor atoms next to the transistor channel. After that e-beam evaporation tool create the oxide and the metal layers. Another successful doping method for source and drain regions is performed in parallel with the Spin-on-Dopant (SOD). The electrical characterization is done both at room temperature and at cryogenic temperature; the preliminary results shows a correct transistor behaviour at 3 K that gives high expectation on the next measurements for the detection of the charge state of bismuth atoms.

Lo scopo di questa tesi magistrale è la realizzazione di un transistor multigate con un canale nanometrico interno, che vista la presenza di singoli atomi donori di bismuto nelle sue vicinanze, viene usato per applicazioni di orologi atomici. In questo lavoro sono mostrati nel dettaglio tutti gli step di fabbricazione che portano alla realizzazione del dispositivo, il cui scopo finale è di lavorare come un rilevatore elettrostatico di cariche usando il canale per osservare la carica degli atomi donori a 3 K. Il materiale usato è un silicon-on-insulator(SOI) di 145 nm, sul quale sono inizialmente praticate litografia elettronica e dry etching per creare la struttura base del transistor in silicio. Successivamente due impiantazioni con fascio di ioni son state fatte, la prima in antimonio per dopare le regioni del source e del drain; mentre la seconda, fatta a Melbourne, consisteva nell’ impiantare singoli atomi di bismuto in modo da posizionare i donori accanto al canale del transistor. Successivamente attraverso l’evaporatore sono stati creati i strati di ossido e di metallo per completare il dispositivo. Un altro efficace metodo di doping per il source e il drain è quello performato parallelamente con il cosiddetto Spin-on-Dopant (SOD). La caratterizzazione elettrica è stata svolta sia a temperatura ambiente che a temperature criogeniche. I risultati preliminari mostrano un corretto comportamento del transistor a 3 K che permette di avere alte aspettative riguardo le imminenti misure pianificate per rilavare la stato di carica degli atomi di bismuto.