गेट से परिभाषित GaAs / AlGaAs पार्श्व क्वांटम डॉट्स की nanofabrication
Summary
इस पत्र गैलियम आर्सेनाइड heterostructures पर गेट से परिभाषित अर्धचालक पार्श्व क्वांटम डॉट्स के लिए एक विस्तृत निर्माण प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है. इन उपकरणों nanoscale क्वांटम सूचना संसाधन में या ऐसी सुसंगत चालकता माप के रूप में अन्य mesoscopic प्रयोगों के लिए क्वांटम बिट के रूप में इस्तेमाल के लिए कुछ इलेक्ट्रॉनों फंसाने के लिए उपयोग किया जाता है.
Abstract
एक क्वांटम कंप्यूटर एक शास्त्रीय कंप्यूटर पर सबसे अच्छा ज्ञात एल्गोरिदम के साथ तेजी से तेजी से कुछ समस्याओं को हल करने के लिए, इस तरह के राज्यों और उलझाव के superposition के रूप में, क्वांटम प्रभाव का लाभ लेता है कि क्वांटम बिट (qubits) से बना एक कंप्यूटर है. गेट से परिभाषित GaAs / AlGaAs पर पार्श्व क्वांटम डॉट्स एक qubit के कार्यान्वयन के लिए पता लगाया कई रास्तों में से एक हैं. ठीक से गढ़े हैं, तो इस तरह के एक उपकरण अंतरिक्ष की एक निश्चित क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों की एक छोटी संख्या में फंसाने के लिए सक्षम है. इन इलेक्ट्रॉनों की स्पिन राज्यों तब क्वांटम बिट की तार्किक 0 और 1 को लागू करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. इन क्वांटम डॉट्स की नैनोमीटर पैमाने को देखते हुए, cleanroom सुविधाओं विशेष उपकरणों, जैसे इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप और ई बीम वाष्पीकरण से कर रहे हैं उनके निर्माण के लिए आवश्यक स्कैनिंग के रूप में की पेशकश. महान देखभाल नमूना सतह की सफाई बनाए रखने के लिए और संरचना की नाजुक फाटकों हानिकारक से बचने के निर्माण की प्रक्रिया के दौरान लिया जाना चाहिए. इस पत्रएक काम युक्ति मे से गेट से परिभाषित पार्श्व क्वांटम डॉट्स की विस्तृत निर्माण प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है. लक्षण तरीकों और प्रतिनिधि परिणाम भी संक्षेप में चर्चा कर रहे हैं. इस पत्र डबल क्वांटम डॉट्स पर केंद्रित है, निर्माण की प्रक्रिया एक या ट्रिपल डॉट्स या क्वांटम डॉट्स की भी सरणियों के लिए ही रहता है. इसके अलावा, प्रोटोकॉल ऐसे सी / SiGe के रूप में अन्य substrates, पर पार्श्व क्वांटम डॉट्स के निर्माण के लिए अनुकूलित किया जा सकता है.
Introduction
यह क्वांटम एल्गोरिदम तेजी से तेजी से सबसे प्रसिद्ध शास्त्रीय एल्गोरिदम 1 के साथ तुलना में कुछ समस्याओं को हल करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है दिखाया गया है कि जब से क्वांटम सूचना विज्ञान ध्यान की एक बहुत आकर्षित किया है. यह एक दो स्तरीय प्रणाली है के बाद से एक क्वांटम बिट (qubit है) के लिए एक स्पष्ट उम्मीदवार एक क्वांटम डॉट सीमित में एक इलेक्ट्रॉन के स्पिन है. कई आर्किटेक्चर nanowires के 2, कार्बन नैनोट्यूब 3, आत्म इकट्ठे क्वांटम डॉट्स 4, और अर्धचालक खड़ी 5 और पार्श्व क्वांटम डॉट्स 6 semiconducting सहित क्वांटम डॉट्स के कार्यान्वयन के लिए सुझाव दिया गया है. GaAs में गेट से परिभाषित पार्श्व क्वांटम डॉट्स / AlGaAs heterostructures क्योंकि उनकी बहुमुखी प्रतिभा का बहुत सफल रहे हैं और उनके निर्माण की प्रक्रिया इस पत्र का ध्यान केंद्रित है.
पार्श्व क्वांटम डॉट्स में, नमूना की सतह के लिए दिशा सीधा में इलेक्ट्रॉनों का कारावास (Z दिशा) मैंs सही सब्सट्रेट का चयन करके हासिल की. GaAs / AlGaAs मॉडुलन डाल दिया गया heterostructure AlGaAs और GaAs परतों के बीच इंटरफेस तक ही सीमित एक दो आयामी इलेक्ट्रॉन गैस (2DEG) प्रस्तुत करता है. ये नमूने, मॉडुलन डोपिंग तकनीक के साथ संयुक्त है, जो एक कम अशुद्धता घनत्व प्राप्त करने के लिए आणविक बीम epitaxy द्वारा उगाई 2DEG में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता की ओर जाता है कर रहे हैं. Heterostructure के साथ ही अपने बैंड संरचना के विभिन्न परतों का एक योजनाबद्ध चित्र 1 में दिखाया जाता है. एक उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता क्वांटम डॉट की पूरी सतह पर इलेक्ट्रॉनिक राज्यों के अनुकूल होना सुनिश्चित करने के लिए 2DEG में की जरूरत है. नीचे वर्णित निर्माण की प्रक्रिया के लिए इस्तेमाल किया सब्सट्रेट कनाडा के राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद से खरीदी और 2.2 x 10 11 सेमी -2 और 1.69 6 x 10 सेमी 2 / Vsec की एक इलेक्ट्रॉन गतिशीलता का एक इलेक्ट्रॉन घनत्व प्रस्तुत किया गया था.
दिशाओं PARAL में इलेक्ट्रॉनों का कारावासनमूना की सतह के लिए लेल सब्सट्रेट की सतह पर धातु इलेक्ट्रोड रखकर हासिल की है. इन इलेक्ट्रोड GaAs नमूना की सतह पर जमा हो रहे हैं, Schottky बाधाओं 7 बनते हैं. इस तरह के इलेक्ट्रोड के लिए लागू नकारात्मक वोल्टेज पर्याप्त ऊर्जा के साथ ही इलेक्ट्रॉनों को पार कर सकते हैं जो नीचे 2DEG में स्थानीय बाधाओं को जन्म दे. वोल्टेज लागू नहीं इलेक्ट्रॉनों बाधा पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा है कि काफी नकारात्मक है जब 2DEG की कमी होती है. इसलिए, ध्यान से इलेक्ट्रोड की ज्यामिति को चुनने के द्वारा, यह नमूना के समाप्त क्षेत्रों के बीच इलेक्ट्रॉनों की एक छोटी संख्या में फंसाने के लिए संभव है. डॉट के साथ ही नमूने के बाकी हिस्सों में बिंदी और 2DEG के बीच सुरंग ऊर्जा पर इलेक्ट्रॉनों की संख्या के नियंत्रण इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज ठीक ट्यूनिंग के द्वारा प्राप्त किया जा सकता है. गेट इलेक्ट्रोड और समाप्त इलेक्ट्रॉन गैस का एक योजनाबद्ध चित्रा 2 में दिखाया गया है. बिंदी बनाने गेट संरचनाओं के लिए डिजाइन में हैबार्देल एट अल द्वारा इस्तेमाल किया डिजाइन द्वारा spired. 8
नियंत्रित करने और डॉट पर इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बारे में जानकारी बाहर पढ़ने के लिए, यह डॉट के माध्यम से वर्तमान को प्रेरित करने और मापने के लिए उपयोगी है. Readout भी 2DEG के माध्यम से एक वर्तमान की आवश्यकता है जो एक क्वांटम प्वाइंट संपर्क (QPC), का उपयोग करके किया जा सकता है. 2DEG और वोल्टेज स्रोतों के बीच संपर्क ओमिक संपर्कों द्वारा सुनिश्चित की है. ये (आंकड़े 3a और 4b देखें) एक मानक तेजी से थर्मल पानी रखना प्रक्रिया 7 का उपयोग 2DEG लिए नमूना की सतह से नीचे सभी तरह दूर तक फैला रहे हैं कि धातु पैड हैं. स्रोत और नाली के बीच शॉर्ट सर्किट से बचने के लिए, नमूना की सतह (देखें आंकड़े 3b और 4 अ) 2DEG कुछ क्षेत्रों में समाप्त हो गया है और वर्तमान में कुछ विशेष चैनल के माध्यम से यात्रा करने के लिए मजबूर कर रहा है कि इतना etched है. 2DEG अभी भी बनी हुई है जहां क्षेत्र "मेसा" के रूप में जाना जाता है.
एक GaAs / AlGaAs सब्सट्रेट पर एक गेट से परिभाषित पार्श्व क्वांटम डॉट के निम्न प्रोटोकॉल विवरण पूरे निर्माण की प्रक्रिया. गढ़े जा रहा डिवाइस भी एक सिंगल, डबल, या ट्रिपल क्वांटम डॉट या क्वांटम डॉट्स की एक सरणी है अगर यह परवाह किए बिना ही रहता है क्योंकि प्रक्रिया स्केलेबल है. जोड़ – तोड़, माप, और इस विधि का उपयोग कर निर्मित डबल क्वांटम डॉट्स के लिए परिणाम आगे वर्गों में चर्चा कर रहे हैं.
Protocol
Representative Results
Discussion
ऊपर प्रस्तुत प्रक्रिया कुछ इलेक्ट्रॉन शासन तक पहुँचने में सक्षम एक डबल क्वांटम डॉट का निर्माण प्रोटोकॉल का वर्णन करता है. हालांकि, दिए गए मापदंडों इस्तेमाल उपकरणों के मॉडल और अंशांकन के आधार पर भिन्न…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों के तकनीकी समर्थन के लिए माइकल Lacerte धन्यवाद. सांसद एल. वित्तीय सहायता के लिए प्रकृति एट टेक्नोलॉजीज (FRQNT) – एडवांस्ड रिसर्च (CIFAR), प्राकृतिक विज्ञान और कनाडा के इंजीनियरिंग रिसर्च काउंसिल () NSERC नवाचार के लिए कनाडा फाउंडेशन (CFI) और Fonds डे Recherche क्यूबेक के लिए कनाडा संस्थान मानता है. यहाँ प्रस्तुत डिवाइस NanoQuébec द्वारा वित्त पोषित में भाग CRN2 और IMDQ सुविधाओं में निर्मित किया गया था. GaAs / AlGaAs सब्सट्रेट राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद कनाडा में Microstructural विज्ञान संस्थान से ZR Wasilewski द्वारा निर्मित किया गया था. जेसीएल और सीबी हे. वित्तीय सहायता के लिए CRSNG और FRQNT को स्वीकार करते हैं.
Materials
| Name of the reagent/material | Company | Product number | CAS number |
| Acetone – CH3COCH3 | Anachemia | AC-0150 | 67-64-1 |
| Isopropyl Alcohol (IPA) – (CH3)2CHOH | Anachemia | AC-7830 | 67-63-0 |
| 1165 Remover | MicroChem Corp | G050200 | 872-50-4 |
| Microposit MF-319 Developer | Shipley | 38460 | 75-59-2 |
| Sulfuric Acid – H2SO4 | Anachemia | AC-8750 | 766-93-9 |
| Hydrogen Peroxide (30%) – H2O2 | Fisher Scientific | 7722-84-1 | |
| LOR 5A Lift-off resist | MicroChem Corp | G516608 | 120-92-3 |
| Microposit S1813 Photo Resist | Shipley | 41280 | 108-65-6 |
| Microposit S1818 Photo Resist | Shipley | 41340 | 108-65-6 |
| PMMA LMW 4% in anisole | MicroChem Corp | 100-66-3, 9011-14-7 | |
| PMMA HMW 2% in anisole | MicroChem Corp | 100-66-3, 9011-14-7 | |
| GaAs/AlGaAs wafer | National Research Council Canada | See detailed layer structure in Figure 1. | |
| Ni (99.0%) | Anachemia | ||
| Ge (99.999%) | CERAC inc. | ||
| Au (99.999%) | Kamis inc. | ||
| Ti (99.995%) | Kurt J Lesker | ||
| Al | Kamis inc. | ||
| Silver Epoxy | Epoxy Technology | H20E |
References
- Shor, P. W. Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer. SIAM J. Sci. Comput. 26 (5), 1484-1509 (1997).
- Björk, M. T., Thelander, C., et al. Few-Electron Quantum Dots in Nanowires. Nano Lett. 4 (9), 1621-1625 (2004).
- Dekker, C. Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires. Phys. Today. 52 (5), 22-28 (1999).
- Klein, D. L., McEuen, P. L., Bown Katari, J. E., Roth, R., Alivisatos, A. P. An Approach to Electrical Studies of Single Nanocrystals. Appl. Phys. Lett. 68 (18), 2574-2576 (1996).
- Kouwenhoven, L. P., Oosterkamp, T. H., et al. Excitation Spectra in Circular Few-Electron Quantum Dots. Science. 278 (5344), 1788-1792 (1997).
- Ciorga, M., Sachrajda, A. S. Z., et al. Addition Spectrum of a Lateral Dot from Coulomb and Spin-Blockade Spectroscopy. Phys. Rev. B. 61 (24), R16315-R16318 (2000).
- Baca, A. G., Ashby, C. I. H. . Fabrication of GaAs Devices. , 350 (2005).
- Barthel, C., Reilly, D. J., Marcus, C. M., Hanson, M. P., Gossard, A. C. Rapid Single-Shot Measurement of a Singlet-Triplet Qubit. Phys. Rev. Lett. 103 (16), 160503 (2009).
- S, A Survey of Ohmic Contacts to III-V Compound Semiconductors. Thin Solid Films. 308, 599-606 (1997).
- Lim, W. H., Huebl, H., et al. Electrostatically Defined Few-Electron Double Quantum Dot in Silicon. Appl. Phys. Lett. 94 (17), 173502 (2009).
- Elzerman, J. M., Hanson, R., et al. Few-Electron Quantum Dot Circuit with Integrated Charge Read Out. Phys. Rev. B. 67 (16), 161308 (2003).
- Johnson, A. C., Petta, J. R., Marcus, C. M., Hanson, M. P., Gossard, A. C. Singlet-Triplet Spin Blockade and Charge Sensing in a Few-Electron Double Quantum Dot. Phys. Rev. B. 72 (16), 165308 (2005).
- Hanson, R., Kouwenhoven, L. P., Petta, J. R., Tarucha, S., Vandersypen, L. M. K. Spins in Few-Electron Quantum Dots. Rev. Mod. Phys. 79 (4), 1217-1265 (2007).
- Long, A. R., Pioro-Ladrière, M., et al. The Origin of Switching Noise in GaAs/AlGaAs Lateral Gated Devices. Physica E Low Dimens. Syst. Nanostruct. 34 (1-2), 553-556 (2006).
- Koppens, F. H. L., Buizert, C., et al. Driven Coherent Oscillations of a Single Electron Spin in a Quantum Dot. Nature. 442 (7104), 766-771 (2006).
- Foletti, S., Bluhm, H., Mahalu, D., Umansky, V., Yakobi, A. Universal Quantum Control of Two-Electron Spin Quantum Bits Using Dynamic Nuclear Polarization. Nat. Phys. 5 (12), 903-908 (2009).
- Petta, J. R., Lu, H., Gossard, A. C. A Coherent Beam Splitter for Electronic Spin States. Science. 327 (5966), 669-672 (2010).
- Shulman, M. D., Dial, O. E., Harvey, S. P., Bluhm, H., Umansky, V., Yacoby, A. Demonstration of Entanglement of Electrostatically Coupled Singlet-Triplet Qubits. Science. 336 (6078), 202-205 (2012).
- Khaetskii, A. V., Loss, D., Glazman, L. Electron Spin Decoherence in Quantum Dots Due to Interaction with Nuclei. Phys. Rev. Lett. 88 (18), 186802 (2002).
- Sakr, M. R., Jiang, H. W., Yablonovitch, E., Croke, E. T. Fabrication and characterization of electrostatic Si/SiGe Quantum Dots with an Integrated Read-Out Channel. Appl. Phys. Lett. 87 (22), 223104 (2005).
- Liu, X. L., Hug, D., Vandersypen, L. M. K. Gate-Defined Graphene Double Quantum Dot and Excited State Spectroscopy. Nano Lett. 10 (5), 1623-1627 (2010).
- Frey, T., Leek, P. J., Beck, M., Blais, A., Ihn, T., Ensslin, K., Wallraff, A. Dipole Coupling of a Double Quantum Dot to a Microwave Resonator. Phys. Rev. Lett. 108, 046807 (2012).
- Pioro-Ladrière, M., Tokyra, Y., Obata, T., Kubo, T., Tarucha, S. Micromagnets for coherent control of spin-charge qubit in lateral quantum dots. Appl. Phys. Lett. 90 (2), 024105 (2007).
