Nanofabrikation af gate-definerede GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots
Summary
Denne artikel præsenterer en detaljeret fabrikation protokol for gate-definerede halvleder laterale kvante prikker på galliumarsenid heterostrukturer. Disse nanoskala enheder bruges til at fælde nogle elektroner til brug som kvante bits i kvanteinformation forarbejdning eller for andre mesoskopiske eksperimenter såsom kohærente konduktans målinger.
Abstract
En kvantecomputer er en computer består af kvante bits (qubits), der drager fordel af kvanteeffekter såsom superposition af tilstande og entanglement, at løse visse problemer eksponentielt hurtigere end med de bedste kendte algoritmer på en klassisk computer. Gate-definerede laterale kvante prikker på GaAs / AlGaAs er en af mange muligheder udforskes for gennemførelse af en qubit. Ved korrekt fremstillet, sådan en enhed er i stand til at fange et lille antal af elektroner i et bestemt område af rummet. Spin tilstande af disse elektroner kan derefter anvendes til at implementere logiske 0 og 1 af den kvantebit. Da nanometer omfanget af disse kvantepunkter, der tilbyder renrumsfaciliteter specialudstyr-såsom scanning elektron mikroskoper og e-beam fordampere-der kræves for deres fabrikation. Stor omhu skal tages under hele produktionsprocessen for at bevare renlighed af prøven overflade og for at undgå at beskadige de skrøbelige porte strukturen. Dette papirpræsenterer den detaljerede fremstilling protokollen gate-definerede laterale quantum dots fra wafer til en fungerende enhed. Metoder til påvisning og repræsentative resultater er også kort drøftet. Selv om dette dokument koncentrerer sig om dobbelt quantum dots, fremstillingsprocessen forbliver den samme for enlige eller tredobbelt prikker eller endda arrays af quantum dots. Endvidere kan protokollen tilpasses til at fremstille laterale kvantepunkter på andre substrater såsom Si / SiGe.
Introduction
Kvanteinformationsvidenskaben har trukket en masse opmærksomhed, siden det blev vist, at kvantealgoritmer kan bruges til at løse visse problemer eksponentielt hurtigere end med de mest kendte klassiske algoritmer 1.. En oplagt kandidat til en kvante bit (qubit) er den spin enkelt elektron begrænset i en kvantepunkt da det er en to-niveau system. Talrige arkitekturer er blevet foreslået til gennemførelse af kvantepunkter, herunder halvledende nanotråde 2, kulstof nanorør 3, selvsamlede kvanteprikker 4 og halvleder lodret 5 og laterale kvanteprikker 6.. Gate-definerede laterale kvantepunkter i GaAs / AlGaAs heterostrukturer har haft stor succes på grund af deres alsidighed og deres fremstillingsproces er fokus for dette papir.
I laterale quantum dots, jeg indespærring af elektroner i retning vinkelret på prøveoverfladen (Z-retning)s opnås ved at vælge den rigtige substrat. GaAs / AlGaAs modulation-doteret heterostruktur præsenterer en todimensional elektron gas (2DEG) begrænset til grænsefladen mellem AlGaAs og GaAs lag. Disse prøver vokset med molekylær epitaxy at opnå en lav urenhed tæthed, som kombineret med modulation-doping teknik fører til høj elektron mobilitet i 2DEG. En skematisk af de forskellige lag af heterostruktur samt dets band struktur er vist i figur 1.. En høj elektron mobilitet er nødvendig i 2DEG at sikre sammenhæng i elektroniske tilstande over hele overfladen af quantum dot. Substratet, der anvendes til fremstilling processen beskrevet nedenfor blev købt fra National Research Council of Canada og præsenterer en elektron tæthed på 2,2 x 10 11 cm -2 og en elektron mobilitet 1,69 x 10 6 cm 2 / udgangsspænding.
Indespærring af elektroner i retninger parallel til prøveoverfladen opnås ved at placere metalliske elektroder på overfladen af substratet. Når disse elektroder er anbragt på overfladen af GaAs stikprøve Schottky barrierer dannet 7.. Negative spændinger anvendes på sådanne elektroder medføre lokale barrierer i 2DEG hvorunder kun elektroner med tilstrækkelig energi kan krydse. Nedbrydning af 2DEG opstår, når den påtrykte spænding er negativ nok at ingen elektroner har nok energi til at krydse barrieren. Derfor, ved omhyggeligt at vælge geometrien af elektroderne, er det muligt at fange et lille antal af elektroner mellem forarmet regioner af prøven. Styring af antallet af elektroner på dot samt tunneleffekten energi mellem prik og 2DEG i resten af prøven kan opnås ved at finjustere spændingerne på elektroderne. En skematisk af gateelektroderne og forarmet elektron gas er vist i figur 2.. Designet til portstrukturer danner prik er iinspireret af design anvendt af Barthel et al. 8.
Til at styre og udlæse oplysninger om antallet af elektroner på prik, er det nyttigt at inducere og måle strøm gennem prik. Udlæsning kan også gøres ved hjælp af en Quantum punktkontakt (QPC), som også kræver en strøm gennem 2DEG. Kontakten mellem 2DEG og spænding kilder sikres ved ohmske kontakter. Disse er metalliske puder, der er diffunderet fra overfladen af prøven hele vejen ned til 2DEG hjælp af en standard hurtig termisk anneale proces 7 (se figur 3a og 4b). For at undgå kortslutninger mellem kilden og afløbet, er overfladen af prøven ætset så 2DEG er opbrugt i visse regioner, og den nuværende er tvunget til at rejse gennem bestemte kanaler (se figur 3b og 4a). Den region, hvor 2DEG stadig betegnes som "mesa".
Følgende protokol detaljer hele produktionsprocessen af en gate-defineret lateral kvantepunktet på en GaAs / AlGaAs substrat. Processen er skalerbart, da det forbliver den samme, uanset om den enhed, der fabrikerede er en enkelt, dobbelt eller tredobbelt kvantepunkt eller endda en vifte af kvantepunkter. Manipulation, måling og resultater for dobbelt kvantepunkter fremstillet ved hjælp af denne metode diskuteres i yderligere sektioner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Processen er præsenteret ovenfor, beskriver fremstillingen protokollen for en dobbelt kvantepunkt stand til at nå de få-elektron regime. Dog kan de givne parametre varierer afhængigt af modellen og kalibrering af det anvendte udstyr. Derfor vil parametre såsom doser for påvirkninger under e-stråle og fotolitografi skridt, der skal kalibreres før fremstillingen af enheder. Fremgangsmåden kan let tilpasses til fremstilling af gate-definerede kvantepunkter på andre typer af substrater såsom Si / SiGe, der …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker Michael Lacerte for teknisk support. MP-L. anerkender den canadiske Institute for Advanced Research (CIFAR), Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), den canadiske Foundation for Innovations (CFI), og Fonds de Recherche Québec – Nature et Technologies (FRQNT) for finansiel støtte. Enheden præsenteres her blev fabrikeret på CRN2 og IMDQ faciliteter, finansieret delvist af NanoQuébec. De GaAs / AlGaAs substrat blev fabrikeret af ZR Wasilewski fra Institut for mikrostrukturelle Fakultet ved National Research Council Canada. JCL og CB-O. anerkender CRSNG og FRQNT for finansiel støtte.
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).
