研究分享 | 兰卡斯特大学在牛津仪器纳米科学部应用实验室的研究进展

位于英国牛津Tubney的应用实验室于去年开放，使牛津仪器纳米科学部能够与学术研究人员和同行合作，旨在开发我们的产品和技术，并支持低温和强磁场环境领域的更多研究。在实验室中，我们拥有带有 12 T 磁体的TelsatronPT低温恒温器。TeslatronPT 是一款带有可变温度插杆的干式低温恒温器，能够将温度稳定在 1.5 – 300 K 之间，稳定性为50 mK。除了低温恒温器本身，我们还拥有一系列用于进行电输运测量的电子设备，包括 LakeShore M81 同步源表测量系统和LakeShore M91 FastHallTM测量控制器（拓展阅读：突破性的测量技术 | 牛津仪器纳米科学部和 Lake Shore Cryotronics 之间的长期合作伙伴关系）。

近日，牛津仪器纳米科学部测量科学家 Abi Graham 博士与兰卡斯特大学的 George Ridgard 以及Micheal Thompson 博士和 Jonathon Prance 教授有机会坐在一起，并接受牛津仪器的访谈。George博士分享了他们最近在牛津仪器纳米科学应用实验室进行的低温研究，以飨各位读者。

提问：能否告诉我们您的研究方法和目标，以及为何会开始这个研究？

我们的研究是由于人们对于低温下功能性的低功率电子器件的需求，尤其是放大器。

主要目标是找到在低温（小于4 K）下工作的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），但也可用于低电压和低功率电路。低功耗和低电压是必不可少的，以免器件加热低温恒温器并破坏温度稳定性或增加冷却设备的压力并影响样品性能。

低温放大器通过提高信噪比和降低样品的输出阻抗来帮助测量，增加测量的带宽。这样做可以在更大的频率范围内测量更小的信号，从而丰富低温环境中可测量的物理量。

我们测试的特定MOSFET是为室温下的超低功耗电路而设计的。这些测试能让我们确定对电路设计重要的关键特性，例如阈值电压、亚阈值斜率和低温下的跨导。

我们的最终目标是找到一些在低温下工作的MOSFET，然后我们可以对它们进行表征，并最终将它们用作放大器。

提问：您为什么选择使用牛津仪器纳米科学部的应用实验室？

我们选择使用牛津仪器的应用实验室进行测量的主要原因是因为它使我们能够使用TeslatronPT。该系统中的静态氦气气氛对于充分冷却场效应晶体管 （FET） 至关重要，这是我们在兰卡斯特大学的干式制冷机的真空环境中很难做到的。

这对于FET的低温测量尤为重要，因为沟道的发热会使FET温度远高于基板的温度。大电流会使 I-V 特性失真并阻碍温度依赖的测量。

提问：您在应用实验室中使用了哪些仪器？

我们使用 TeslatronPT 作为低温恒温器，并使用两台 Keithley2450 SMU 进行输运测量。器件通过氮化铝陶瓷PCB 上的16引脚DIP接头安装，以帮助散热。

兰卡斯特大学应用实验室的团队

（从左到右是Michael Thompson博士、

Jonathan Prance教授和George Ridgard博士）

与牛津仪器纳米科学的Abi Graham和Ben Yager。

提问：您得到了什么样的结果？对未来的研究可能产生什么影响？

所有场效应管都表现出众所周知的低温变化，例如更好的亚阈值斜率、增加了饱和电流、增强了跨导和翘曲效应(Kink Effect)。

我们的结果表明，三个FET中的两个阈值电压上升，使其不适合低温下的低压电路。第三个在低温下具有负阈值电压的 FET，在低温下的阈值大约为0 V，因此非常适合低电压电路。

对未来可能产生的影响是，通过适当的掺杂/室温阈值电压，可以构建更低功耗、更高效的电路。从事为量子计算等应用构建电路，设计低温互补金属氧化物半导体 （CMOS）的工程师可能会对这感兴趣。在这些应用中，需要最大限度地降低功耗以保持量子比特的相干性。

提问：您在牛津仪器纳米科学部应用实验室做实验的体验及感受如何？

在应用实验室做实验时非常轻松高效。牛津仪器与我们事先的沟通使我们能够在到达牛津仪器纳米科学部的实验室之前就准备好样品，当我们到达时，由于低温恒温器可以使用 DIP 安装座，因此测试实际上只需按一下按钮即可。

提问：您的研究下一步是什么？

我们希望看到我们的研究发表在IEEE电子器件学会杂志上。

此外，还可以调试CMOS运行，以设计在低温下阈值电压接近于零的FET。这样做的目的是使用更小节点减轻我们在 FET 中发现的翘曲效应等影响，使其更适合许多低温、低噪声、低功耗应用。

*Abi Graham 是纳米科学部的测量科学家

*乔治·里德加德（George Ridgard）是兰开斯特大学的物理学博士生