Nanofabrication von Tor-definiert GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots
Summary
Dieser Beitrag stellt eine detaillierte Fertigung Protokoll für Gate-Halbleiter definierten seitlichen Quantenpunkte auf Galliumarsenid Heterostrukturen. Diese nanoskaligen Geräte werden verwendet, um einige Elektronen für die Verwendung als Quantenbits in Quanten-Informationsverarbeitung oder für andere mesoskopischen Experimente wie kohärente Leitwertmessungen abzufangen.
Abstract
Ein Quantencomputer ist ein Computer von Quantenbits (Qubits), die ausnutzt Quanteneffekte wie Superposition und Verschränkung Staaten, um bestimmte Probleme zu lösen exponentiell schneller als die besten bekannten Algorithmen auf einem klassischen Computer zusammengesetzt. Gate-definierten seitlichen Quantenpunkte auf GaAs / AlGaAs sind eine von vielen Möglichkeiten zur Durchführung eines Qubits untersucht. Wenn sie richtig hergestellt ist, ist eine solche Vorrichtung in der Lage, eine kleine Anzahl von Elektronen in einem bestimmten Raumbereich abzufangen. Die Spin-Zustände dieser Elektronen können dann verwendet werden, um die logische 0 und 1 des Quanten-Bit realisieren. Angesichts der Nanometerskala dieser Quantenpunkte mit Reinraum-Spezialausrüstung wie Rasterelektronenmikroskope und e-beam-Verdampfer sind für ihre Herstellung erforderlich. Große Sorgfalt muss während des gesamten Herstellungsprozesses getroffen werden, um Sauberkeit der Probenoberfläche zu erhalten und damit eine Beschädigung der empfindlichen Toren der Struktur. Dieses Papierstellt die detaillierte Herstellung von Gate-Protokoll definierten seitlichen Quantenpunkte aus dem Wafer zu einer Arbeitsvorrichtung. Charakterisierung Methoden und repräsentative Ergebnisse sind ebenfalls kurz diskutiert. Obwohl dieses Papier konzentriert sich auf Doppel-Quantenpunkte, bleibt der Herstellungsprozess die gleichen für Einzel-oder Dreifach-Punkte oder sogar Arrays von Quantenpunkten. Darüber hinaus kann das Protokoll angepasst ist, um eine seitliche Quantenpunkte auf anderen Substraten, wie z. B. Si / SiGe herzustellen.
Introduction
Quantum Informatik hat eine Menge Aufmerksamkeit auf sich gezogen, seitdem es wurde gezeigt, dass Quanten-Algorithmen verwendet werden, um bestimmte Probleme exponentiell schneller als mit den besten bekannten klassischen Algorithmen 1 lösen. Ein offensichtlicher Kandidat für einen Quanten-Bit (Qubit) ist der Spin der einzelnen Elektronen in einem Quantenpunkt beschränkt, da es ein Zwei-Niveau-System ist. Zahlreiche Architekturen für die Durchführung von Quantenpunkten, einschließlich Halbleiter-Nanodrähte 2, 3 Kohlenstoff-Nanoröhren, selbstorganisierten Quantenpunkte 4 und 5 Halbleiter vertikalen und lateralen Quantenpunkte 6 vorgeschlagen. Tor-definierten seitlichen Quantenpunkte in GaAs / AlGaAs Heterostrukturen sehr erfolgreich gewesen wegen ihrer Vielseitigkeit und ihrer Herstellungsverfahren ist der Schwerpunkt dieser Arbeit.
In seitlichen Quantenpunkte der Einschluss von Elektronen in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Probe (z-Richtung) is durch die Wahl der richtigen Substrat erreicht. Die GaAs / AlGaAs Modulations-dotierten Heterostruktur zeigt ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) beschränkt sich auf die Grenzfläche zwischen den AlGaAs und GaAs-Schichten. Diese Proben werden durch Molekularstrahlepitaxie, um eine niedrige Störstellendichte, die mit der Modulation-Doping-Technik kombiniert zu erhalten, führt zu einer hohen Elektronenbeweglichkeit in dem 2DEG. Eine schematische Darstellung der einzelnen Schichten der Heterostruktur sowie deren Bandstruktur sind in Abbildung 1 dargestellt. Ein hoher Elektronenbeweglichkeit in dem 2DEG zur Sicherstellung der Kohärenz von elektronischen Zuständen über die gesamte Oberfläche der Quantenpunkt gewährleisten. Das Substrat für die Herstellung nachfolgend beschriebene Verfahren verwendet wurde vom National Research Council of Canada erworben und stellt eine Elektronendichte von 2,2 x 10 11 cm -2 und einer Elektronenmobilität von 1,69 x 10 6 cm 2 / Vs.
Der Einschluss der Elektronen in der Richtung parallel zu der Probenoberfläche ist, indem metallischen Elektroden auf der Oberfläche des Substrats erreicht. Wenn diese Elektroden auf der Oberfläche der GaAs-Probe abgeschieden werden Schottky-Barrieren 7 gebildet. Negative Spannungen, die an solchen Elektroden führen zu lokalen Barrieren im 2DEG unter denen nur Elektronen mit ausreichender Energie zu überqueren. Abbau der 2DEGs auftritt, wenn die angelegte Spannung negativ ist genug, dass keine Elektronen genügend Energie, um die Schranke zu überqueren. Daher ist es durch sorgfältige Auswahl der Geometrie der Elektroden ist es möglich, eine kleine Anzahl von Elektronen zwischen abgereichertem Bereiche der Probe abzufangen. Die Steuerung der Anzahl der Elektronen auf den Punkt sowie die Tunnel-Energie zwischen dem Punkt und dem 2DEG in dem Rest der Probe kann durch Feinabstimmung der Spannungen an den Elektroden erreicht werden. Eine schematische Darstellung der Gate-Elektroden und die abgereichertes Elektronengases in Abbildung 2 dargestellt. Der Entwurf für den Gate-Strukturen bilden den Punkt ist inInspiriert durch die Gestaltung von Barthel et al. 8
Zur Steuerung und Auslesen Informationen über die Anzahl der Elektronen auf den Punkt, ist es sinnvoll zu induzieren und messen Strom durch den Punkt. Auslesen können auch durch die Verwendung eines Quantum-Point Contact (QV), das erfordert auch ein Strom durch die 2DEG erfolgen. Der Kontakt zwischen den 2DEGs und Spannungsquellen durch ohmsche Kontakte gewährleistet. Dies sind die metallischen Pads, die von der Oberfläche der Probe hin diffundiert werden bis auf die Verwendung eines Standard-2DEGs schnellen thermischen Ausheizprozesses 7 (siehe Fig. 3a und 4b). Um Kurzschlüsse zwischen dem Source und dem Drain vermeiden, wird die Oberfläche der Probe, so dass die 2DEG in bestimmten Regionen aufgestockt und der Strom gezwungen, durch bestimmte Kanäle zu reisen (siehe Fig. 3b und 4a) geätzt. Der Bereich, wo die 2DEGs bleibt, wird als "Mesa" bezeichnet.
Das folgende Protokoll Details der gesamte Herstellungsprozess eines Gate-definierten seitlichen Quantenpunkt auf einem GaAs / AlGaAs Substrat. Das Verfahren ist skalierbar, da sie die gleiche bleibt unabhängig davon, ob das Gerät, das hergestellt wird ist ein Einzel-, Doppel-oder Dreifach-Quantenpunkt oder sogar eine Reihe von Quantenpunkten. Manipulation, Messung und Ergebnisse für Doppel-Quantenpunkte hergestellt unter Verwendung dieses Verfahrens sind in weiteren Abschnitten besprochen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die oben vorgestellten Verfahren beschreibt die Herstellung Protokoll einer doppelten Quantenpunkt in der Lage, die wenigen Elektronen-Regime zu erreichen. Jedoch können die angegebenen Parameter variieren je nach Modell und Kalibrierung der Geräte verwendet. Daher werden Parameter wie die Dosen für Belichtungen während der E-Strahl und Photolithographieschritte müssen vor der Herstellung von Vorrichtungen kalibriert werden. Das Verfahren kann leicht auf die Herstellung angepasst werden Gate-definierte Quantenpunkt…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Michael Lacerte für technische Unterstützung. MP-L. erkennt die Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR), dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), der kanadischen Stiftung für Innovation (CFI) und Fonds de Recherche Québec – Nature et Technologies (FRQNT) für finanzielle Unterstützung. Die hier vorgestellte wurde bei CRN2 und IMDQ Einrichtungen, zum Teil durch NanoQuébec finanziert hergestellt. Die GaAs / AlGaAs Substrat wurde durch ZR Wasilewski vom Institut für Mikrostrukturphysik Wissenschaften an der National Research Council Canada hergestellt. JCL und CB-O. anerkennen und CRSNG FRQNT für finanzielle Unterstützung.
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 |
Referências
- 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).
