Nanotekniklaboratoriet av Gate-definierade GaAs / AlGaAs Lateral kvantprickar
Summary
Denna uppsats presenterar en detaljerad tillverkning protokoll för gate-definierade halvledare laterala kvantprickar på galliumarsenid heterostrukturer. Dessa nanoskala enheter används för att fånga några elektroner för användning som kvantbitar i quantum informationsbehandling eller för andra mesoskopisk experiment såsom koherenta konduktans mätningar.
Abstract
En kvantdator är en dator består av quantum bitar (kvantbitar) som drar nytta av kvantmekaniska effekter, t.ex. överlagring av stater och trasslar in sig, för att lösa vissa problem exponentiellt snabbare än med de mest kända algoritmer på en klassisk dator. Gate-definierade laterala kvantprickar på GaAs / AlGaAs är en av många vägar utforskas för att genomföra en qubit. När rätt tillverkas, är en sådan anordning kunna fånga ett litet antal elektroner i en viss region av rymden. De spinntillstånd hos dessa elektroner kan sedan användas för att genomföra den logiska 0 och en av den kvantmekaniska bit. Med tanke på nanometerskala av dessa kvantprickar, renrumsfaciliteter erbjuder specialiserad utrustning-såsom svepelektronmikroskop och e-beam förångare-krävs för deras tillverkning. Stor försiktighet måste iakttas under hela tillverkningsprocessen för att upprätthålla renlighet i provytan och för att undvika att skada de ömtåliga portar strukturen. Detta papperpresenterar detaljerad tillverkning protokollet av gate-definierade laterala kvantprickar från skivan till en fungerande enhet. Metoder för karakterisering och resultat representativa också kortfattat. Även om denna uppsats fokuserar på dubbel kvantprickar, förblir tillverkningsprocessen densamma för ensamstående eller tredubbla prickar eller ens system av kvantprickar. Dessutom kan protokollet anpassas för att tillverka laterala kvantprickar på andra substrat, såsom Si / SiGe.
Introduction
Quantum informationsvetenskap har dragit mycket uppmärksamhet ända sedan det visat sig att kvantalgoritmer kan användas för att lösa vissa problem exponentiellt snabbare än med de mest kända klassiska algoritmer 1. En självklar kandidat för en quantum bit (qubit) är spinn enda elektron instängd i ett stort prick eftersom det är ett system med två nivåer. Många arkitekturer har föreslagits för genomförandet av kvantprickar, inklusive halvledande nanotrådar 2, kolnanorör 3, egentillverkad kvantprickar 4 och halvledare vertikala 5 och laterala kvantprickar 6. Gate-definierade laterala kvantprickar i GaAs / AlGaAs heterostrukturer har varit mycket framgångsrika på grund av sin mångsidighet och deras tillverkningsprocess är i fokus för denna uppsats.
I laterala kvantprickar, inneslutning av elektroner i riktningen vinkelrätt mot provytan (z-riktningen) i.s uppnås genom att välja rätt substrat. GaAs / AlGaAs modulation-dopade heterostruktur presenterar en tvådimensionell elektron gas (2DEG) begränsas till gränsytan mellan AlGaAs och GaAs skikt. Dessa prover odlas av molekylär strålepitaxi att erhålla en låg förorening densitet, vilket i kombination med den modulering-dopning teknik, leder till hög elektron mobilitet i 2DEG. Ett schema över de olika skikten i heterostrukturen liksom dess bandstruktur visas i Figur 1. En hög elektron mobilitet behövs i 2DEG att säkerställa samstämmigheten mellan elektroniska stater över hela ytan av quantum dot. Underlaget används för tillverkningsprocessen beskrivs nedan köptes från National Research Council of Canada och presenterar en elektron täthet av 2,2 x 10 11 cm -2 och en elektron rörlighet på 1,69 x 10 6 cm 2 / Vsek.
Den inneslutning av elektroner i riktningar parallel till provytan uppnås genom att placera metalliska elektroder på ytan av substratet. När dessa elektroder är avsatt på ytan hos GaAs-provet, är Schottky-barriärer bildas 7. Negativa spänningar tillämpats för sådana elektroder leder till lokala hinder i 2DEG under vilken endast elektroner med tillräcklig energi kan passera. Utarmning av 2DEG inträffar när den spänning som appliceras är negativ nog att inga elektroner har tillräckligt med energi för att korsa barriären. Därför, genom att noggrant välja geometrin hos elektroderna, är det möjligt att fånga ett litet antal elektroner mellan utarmat regioner av provet. Kontroll av antalet elektroner på pricken liksom den tunneldrivande energi mellan punkten och den 2DEG i resten av provet kan åstadkommas genom att finjustera spänningarna på elektroderna. Ett schema över styrelektroderna och den utarmade elektron gas visas i figur 2. Designen för porten strukturer som bildar pricken är ispired genom konstruktion användes av Barthel et al. åtta
För att styra och läsa ut information om antalet elektroner på pricken, är det användbart att inducera och mäta strömmen genom pricken. Avläsning kan också göras med hjälp av en Quantum punktkontakt (QPC), vilket också kräver en ström genom 2DEG. Kontakten mellan 2DEG-och spänningskällor säkerställs av ohmska kontakter. Dessa är metallplattor som är diffunderat från ytan av provet hela vägen ner till 2DEG med en vanlig snabb termisk glödgning process 7 (se fig 3a och 4b). För att undvika kortslutning mellan source och drain är ytan av provet etsas så att 2DEG är slut i vissa regioner och strömmen tvingas färdas genom vissa specifika kanaler (se figur 3b och 4a). Den region där 2DEG fortfarande kallas den "mesa".
Följande protokoll detaljer hela tillverkningsprocessen av en grind definierad-laterala quantum dot på en GaAs / AlGaAs substrat. Processen är skalbar eftersom det förblir detsamma oavsett om enheten som tillverkas är en enkel, dubbel eller trippel quantum dot eller ens en samling av kvantprickar. Manipulation, mätning och resultat för dubbel kvantprickar tillverkade med denna metod diskuteras i ytterligare sektioner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Processen som presenteras ovan beskriver tillverkningen protokollet för en dubbel quantum dot kunna nå de få-elektron regimen. Dock får de givna parametrarna varierar beroende på modell och kalibrering av utrustningen som används. Därför kommer parametrar såsom de doser för exponeringar under e-beam och fotolitografi steg måste kalibreras innan tillverkningen av anordningar. Processen kan lätt anpassas till tillverkningen av gate-definierade kvantprickar på andra typer av substrat, såsom Si / SiGe, som ock…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar Michael Lacerte för teknisk support. MP-L. erkänner den kanadensiska Institute for Advanced Research (CIFAR), naturvetenskaplig och teknisk forskning Council of Canada (NSERC), den kanadensiska institutet för Innovations (CFI) och Fonds de Recherche Québec – Nature et Technologies (FRQNT) för finansiellt stöd. Anordningen som presenteras här var tillverkat vid CRN2 och IMDQ anläggningar, som finansieras delvis av NanoQuébec. GaAs / AlGaAs substrat tillverkades av ZR Wasilewski från Institutet för microstructural vetenskaper vid National Research Council Canada. JCL och CB-O. erkänna CRSNG och FRQNT för ekonomiskt stöd.
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).
