게이트 정의 갈륨 비소 / AlGaAs 측면 양자점 나노
Summary
본 논문에서는 갈륨 비소 헤테로 구조에서 게이트 정의 반도체 측면 양자 도트에 대한 자세한 제조 프로토콜을 제공합니다. 이러한 나노 장치는 양자 정보 처리 또는 일관된 전도도 측정과 같은 다른 중시 실험을위한 양자 비트로 사용하기 위해 몇 가지 전자를 포획하는 데 사용됩니다.
Abstract
양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터에서 가장 잘 알려진 알고리즘 기하 급수적으로보다 빠르게 특정 문제를 해결하기 위해, 이러한 국가와 얽힘의 중첩으로, 양자 효과를 활용 양자 비트 (큐 비트)로 구성된 컴퓨터입니다. 게이트 정의 갈륨 비소 / AlGaAs에 측면 양자점 큐 비트의 이행을위한 탐험 많은 도로 중 하나입니다. 제대로 조작 할 때, 이러한 장치 공간의 특정 영역에서 전자의 소수 트랩 할 수 있습니다. 이러한 전자의 스핀 상태는 다음 양자 비트의 논리 0과 1을 구현하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 양자점 나노 미터 스케일을 감안할 때, 클린 룸 시설 전문 장비와 같은 전자 현미경과 전자 빔 증발기는 – 그들의 제조에 필요한 스캔 등을 제공합니다. 신중은 시료 표면의 청결을 유지하고 구조의 허약 게이트 손상을 방지하기 위해 제조 과정 전반에 걸쳐 수행해야합니다. 본 논문작업 장치로 웨이퍼에서 게이트 정의 측면 양자 도트의 상세 제작 프로토콜을 제공합니다. 특성화 방법과 대표적인 결과는 간략하게 설명합니다. 본 논문은 이중 양자점에 집중하지만, 제조 과정은 하나 또는 세 점 또는 양자 도트도 배열 동일하게 유지됩니다. 또한, 프로토콜은 같은시 / SiGe의 다른 기판에 수평 양자점을 제조에 적용 할 수 있습니다.
Introduction
이 양자 알고리즘이 기하 급수적으로 빠르게 가장 잘 알려진 고전적인 알고리즘 1에 비해 특정 문제를 해결하는 데 사용할 수있는 것으로 나타났습니다 된 이래 양자 정보 과학은 많은 관심을 모으고있다. 이 두 가지 수준의 시스템이기 때문에 양자 비트 (큐 비트)에 대한 명백한 후보는 양자점에 국한 단일 전자의 스핀이다. 다양한 아키텍처는 나노 와이어 2, 탄소 나노 튜브 3, 자기 조립 양자점 4, 반도체 세로 5 횡 양자점 6 반도체 등 양자점의 구현을 위해 제안되었다. 갈륨 비소의 게이트 정의 측면 양자 도트 / AlGaAs 헤테로 때문에 자신의 다재 다능 한 매우 성공하고 그들의 제조 공정이 논문의 초점이다.
측면 양자 도트, 시료 표면에 수직 방향으로 전자의 구속 (Z 방향)으로 나s는 적절한 기판을 선택하여 달성했다. 갈륨 비소 / AlGaAs 변조 도핑 헤테로은 AlGaAs 및 갈륨 비소 층 사이의 인터페이스에 국한 2 차원 전자 가스 (2DEG)를 제공합니다. 이러한 샘플은, 변조 도핑 기술과 결합, 낮은 불순물 밀도를 얻기 위해 분자 빔 에피 택시로 성장 2DEG에서 높은 전자 이동도에 이르게된다. 이종뿐만 아니라 밴드 구조의 다른 레이어의 회로도는 그림 1에 표시됩니다. 높은 전자 이동도는 양자점의 전체 표면 전자 상태의 일관성을 보장하기 위해 2DEG에 필요합니다. 아래에 설명 된 제조 공정에 사용되는 기판은 캐나다의 국립 연구위원회에서 구입 한 2.2 × 10 11cm -2 1.69 × 10 6cm 2 / Vsec의 전자 이동의 전자 밀도를 제공 하였다.
방향 paral 전자의 구속시료 표면에 LEL은 기판의 표면에 금속 전극을 배치하여 얻을 수 있습니다. 이러한 전극의 GaAs 시료의 표면에 증착하는 경우, 쇼트 키 장벽은 7 형성된다. 이러한 전극에 적용 부정적인 전압은 충분한 에너지 만 전자가 통과 할 수있는 아래의 2DEG 현지 장벽으로 이어질. 인가되는 전압이 더 전자가 장벽을 통과 할 수있는 충분한 에너지가없는 충분한 음수 일 때 2DEG의 고갈이 발생합니다. 따라서 신중하게 전극의 형상을 선택하여, 그 샘플의 고갈 영역 사이의 전자의 작은 숫자를 트랩 할 수 있습니다. 점뿐만 아니라 샘플의 나머지 점과 2DEG 사이의 터널링 에너지에서 전자의 수의 제어 전극에 전압에게 미세 조정에 의해 달성 될 수있다. 게이트 전극과 고갈 전자 가스의 개략도는 그림 2에 표시됩니다. 점을 형성하는 게이트 구조의 설계에바델 등으로 사용되는 디자인 spired 8.
제어 점에서 전자의 수에 관한 정보를 읽으려면,이 점을 통해 전류를 유도하고 측정하는 데 유용합니다. 읽기는 또한 2DEG를 통해 전류를 필요로하는 양자 점 접촉 (QPC)를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 2DEG 및 전압 소스 사이의 접촉 저항 접촉에 의해 보장됩니다. 이들은 (그림 3A의 및 4B 참조) 표준 급속 열처리 어닐링 과정 7을 사용 2DEG에 시료의 표면에서 모든 방법을 아래로 확산되는 금속 패드입니다. 소스와 드레인 사이의 단락을 방지하기 위해 시료의 표면하십시오 (그림 3B 및 4A) 2DEG는 특정 지역에서 소진되어 현재는 일부 특정 채널을 통해 여행 강제되도록 새겨 져있다. 2DEG는 여전히 남아있는 지역은 "메사"이라고합니다.
갈륨 비소 / AlGaAs 기판 상에 게이트 정의 측면 양자 도트의 다음과 같은 프로토콜 세부 사항은 전체 제조 공정. 제작되는 장치도 싱글, 더블 또는 트리플 양자점이나 양자 도트의 배열 인 경우에 관계없이 동일하게 유지 때문에 프로세스가 확장됩니다. 조작, 측정 및이 방법을 사용하여 제조 된 이중 양자점에 대한 결과는 더욱 섹션에 설명되어 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
위에 제시된 프로세스는 몇 가지 – 전자 정권에 도달 할 수 이중 양자점의 제조 프로토콜을 설명합니다. 그러나 주어진 매개 변수가 사용되는 장비의 모델 및 보정에 따라 다를 수 있습니다. 따라서, 전자 빔 리소그래피 단계에서 노출의 복용과 같은 매개 변수는 장치의 제작 전에 보정해야합니다. 이 과정은 쉽게의 제조에 적용 할 수 있습니다 게이트 정의도 2DEG을 제시 같은시 / SiGe의 같은 기질?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 기술 지원을 마이클 Lacerte 감사합니다. MP-L. 재정 지원에 대한 자연 등 기술 (FRQNT) – 고급 연구 (CIFAR), 자연 과학 및 캐나다의 공학 연구위원회 (NSERC), 혁신에 대한 캐나다 재단 (CFI)과 드퐁 드 공들인 퀘벡의 캐나다 연구소 인정합니다. 여기에 제시된 장치는 나노 퀘벡에 의해 일부 자금 CRN2 및 IMDQ 시설에서 제작되었다. 갈륨 비소 / AlGaAs 기판은 국가 연구위원회 캐나다에서 미세 과학 연구소에서 ZR 바실 레프 스키에 의해 제작되었다. JCL 및 CB-O. 재정 지원 CRSNG 및 FRQNT을 인정합니다.
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).
