2-1 分子束磊晶
本實驗採用砷化鎵半絕緣( semi-insulating)基板利用分子束磊晶
( Molecular Beam Epitaxy , MBE )成長二維電子氣系統結構，如圖 2-1。進入 分子束磊晶系統腔體前，先在緩衝腔(buffer chamber)在高真空的環境下熱烤，
將表面的雜質去除。接的放入分子束磊晶系統成長腔體內，在開啟砷分子束的環 境下進行熱烤，去除原生的氧化層。對於電子遷移率而言表面的平整度是很重要 的因素，所以在進行二維電子氣通道成長前先成長 1um 砷化鎵的緩衝層，讓表面 變的更加平整。在高溫的電子遷移率主要是受到極性光聲子(Polar optical phonon)散射的影響，而在低於 100K 的低溫下電子遷移率主要受到電子與施體間 的庫倫作用力(Coulombic interaction)與背景的離子雜質散射影響。所以利用 調變式參雜法成長約 20nm Al0.33Ga0.63As 的沒有參雜的隔離層(spacer layer)，讓 電子與施體間有此距離得減少彼此間的庫倫作用力，以降低電子受離子雜質散射 影響。然後成長 Al0.33Ga0.63As 的矽參雜層，最後在表面蓋一層砷化鎵層避免砷化 鎵鋁的鋁原子與大氣接觸會因為時間而氧化。
圖 2-1 樣品結構圖
2-2 元件製程
2-2-1 平台蝕刻(mesa etching)
在晶片上沿著砷化鎵的<100>方向切下大約 1cmx0.7cm 的長方形，進行第一 道的平台蝕刻製作。首先以 120 oC / 5 min 的硬烤去除水份，接著以第一轉 1000rpm / 10s 使光阻(5214E)均勻，第二轉 6000rpm / 45s 得到所要的光阻 (Photoresist)厚度。去完邊緣光阻(以免因為四周的光阻較高而造成曝光時的不 均勻性)後接著以 90 oC / 90s 軟烤去除光阻多餘的水份，然後利用紫外光曝光機 將光罩上的平台(Hall-Bar)形狀轉移到晶片上。
顯影、定影之後，硬烤 120 oC / 90s 以增加蝕刻選擇比，也就是增加光阻對 蝕刻液的抵抗力。以 H2SO4：H2O2:H2O=1：4：40 配成的蝕刻液，放置約三十分鐘 讓蝕刻液蝕刻速率穩定，以 15nm/s 蝕刻速率蝕刻 25s 得到大約 375nm 高，長 1100um，寬 80um 的高台，如圖 2-2。
圖 2-2 第一道平台蝕刻示意圖
2-2-2 歐姆金屬接觸 ( ohmic contact )
緊接著重覆上光阻的過程，進行第二道的金屬接觸的製程，有別於第一道將 5214E 當正光阻使用；曝完光後進行 120 oC / 90s 的硬烤將光阻反轉成負光阻，
然後再在沒有光罩的情況下進行空曝。顯影，定影後利用電子槍濺鍍上 n-type 的 Ni(35nm)/Ge(70nm)/Au(200nm)金屬，如圖 2-3。為了讓金屬能二維電子氣通 道接觸，所以要在通 H2(10%)/N2(90%)的氣體環境下進行 390 oC / 35s 的快速熱 退火。
確認在低溫下還是良好的歐姆接觸後便可以，利用切割機將每個元件切下，
用銲線機將元件每個金屬接觸點用金線連接到陶瓷基板上，透過將陶瓷基板上的 金屬接觸點焊接到量測的載座後，便可進行霍爾量測。
圖 2-3 n-type 歐姆金屬
2-2-3 表面閘極蕭基金屬接觸
可以透過製作表面閘極來調變二維電子氣通道的載子濃度，知道電子遷移率 與載子濃度的關係。於是進行第三道表面閘極的製程，選用 Ti(20nm)/Au(150nm) 金屬與砷化鎵表面形成的蕭基接觸(schottky contact)，如圖 2-4。利用蕭基能 障與砷化鎵/砷化鎵鋁的能障在低溫下表面閘極偏壓在(1.4K) 4v~-0.3v 間與二 維電子氣系統Il ≤10nA的漏電流。
圖 2-4 蕭基接觸之表面電極
2-2-4 分離閘極
研究一維電子的彈道傳輸特性，需要製作分離閘極(Split Gate)加負偏壓空 乏通道，讓通道側向量子化而形成量子點接觸(Quantum Point Contact)。
在完成第二道歐姆金屬後，先製作一道連接分離閘極的蕭基金屬，其必須考 量分離閘極在樣品通道與此連接金屬的高地落差可能造成，分離閘極的斷裂。所 以此層選擇較薄的金屬分配其 Ti(10nm)/Au(100nm)，如圖 2-5。
接著利用熱場發射電子束維影系統 ELS-7500EX 進行分離閘極的電子束維 影。首先硬烤 120 oC / 5min 去除樣品多餘水氣，接著以第一轉 1000rpm 10s，
第二轉 6100rpm25s，旋上均勻約 250nm 厚度的 PMMA 光阻劑。然後進行寬度 0.7um
長度 0.4um 的分離閘極微影。顯影成功後，再進入電子槍濺鍍機濺鍍上
Ti(10nm)/Au(100nm)金屬，如圖 2-6。濺鍍需要注意的地方是，PMMA 對熱相當的 敏感，而電子束濺鍍是在 10-6的高真空的環境下，所以光阻需要擔心的熱源是輻 射熱。別以往濺鍍金屬時利用較低的鍍率，好讓金屬與半導體有較好的接觸，PMMA 需要在開啟金屬源與樣品的隔離後以較高的鍍率鋪上一層金屬，當作 PMMA 的輻 射阻隔層。
圖 2-5 連接分離閘極之蕭基金屬
圖 2-6 銲完線後尖端放電的分離閘極-17&14 接腳
2-2-5 分離閘極樣品打線技巧
利用 SPB-TS6682 的金線銲線機(bonder)將樣品上的歐姆接觸與分離閘極連 接到陶瓷基板，如圖 2-7。銲線機的操作原理是，在第一下金球銲上樣品後第二 下利用超音波將金線壓上陶瓷基板，緊接著會透過高壓放電讓金線結成金球。而 因為分離閘極極為細長，會因為高壓放電這個過程產生尖端放電，而將分離閘極 燒壞。所以將銲線機內負電荷產生盒的電源做一個外接開關，以便在銲樣品的分 離閘極時關掉開關，移走樣品再開啟高壓放電讓金線結球。圖 2-6 中的 17 和 14 接腳便是因為尖端放電後，燒壞了分離閘極。
圖 2-7 樣品銲線到陶瓷基板上示意圖