Nanofabbricazione di Porta definiti-GaAs / AlGaAs laterali Quantum Dots
Summary
Questo articolo presenta un protocollo di fabbricazione dettagliato per cancelli definiti punti quantici di semiconduttori laterali su eterostrutture di arseniuro di gallio. Questi dispositivi in nanoscala sono utilizzati per intrappolare alcuni elettroni per l'uso come bit quantici in elaborazione quantistica o per altri esperimenti mesoscopiche quali misure di conduttanza coerenti.
Abstract
Un computer quantistico è un computer composto da bit quantistici (qubit) che sfrutta effetti quantistici, come la sovrapposizione di stati e di entanglement, per risolvere alcuni problemi esponenzialmente più veloce con i migliori algoritmi conosciuti su un computer classico. Gate-definito quantum dots laterali sul GaAs / AlGaAs sono una delle molte strade esplorate per la realizzazione di un qubit. Se correttamente fabbricato, un tale dispositivo è in grado di intrappolare un piccolo numero di elettroni in una certa regione dello spazio. Gli stati di spin di questi elettroni possono poi essere utilizzati per implementare la logica 0 e 1 del bit quantistico. Data la scala nanometrica di questi punti quantici, camere bianche, offrendo attrezzature-così particolare come microscopi elettronici a scansione ed e-beam-evaporatori sono necessari per la loro fabbricazione. Grande cura deve essere presa durante il processo di fabbricazione per mantenere la pulizia della superficie del campione e per evitare di danneggiare i cancelli fragili della struttura. Questa cartapresenta il protocollo dettagliato di fabbricazione cancelli-definiti punti quantici laterali sul wafer per un dispositivo funzionante. Metodi di caratterizzazione e risultati rappresentativi sono brevemente discussi. Sebbene questo documento si concentra su punti quantici doppi, il processo di fabbricazione rimane la stessa per punti singoli o tripli o anche matrici di punti quantici. Inoltre, il protocollo può essere adattato per fabbricare punti quantici laterali su altri substrati, quali Si / SiGe.
Introduction
Scienza dell'informazione quantistica ha attirato molta attenzione da quando è stato dimostrato che gli algoritmi quantistici possono essere utilizzati per risolvere alcuni problemi esponenzialmente più veloce che con i più noti algoritmi classici 1. Un candidato naturale per un bit quantistico (qubit) è lo spin del singolo elettrone confinato in un punto quantico poiché è un sistema a due livelli. Numerose le architetture sono state proposte per l'attuazione di punti quantici, tra nanofili semiconduttori 2, nanotubi di carbonio 3, punti quantici auto-assemblati 4 e semiconduttori verticali 5 e punti quantici laterali 6. Quantum dots laterali Porta-definiti in GaAs / AlGaAs eterostrutture hanno avuto molto successo a causa della loro versatilità e il loro processo di fabbricazione è al centro di questo lavoro.
In punti quantici laterali, il confinamento degli elettroni nella direzione perpendicolare alla superficie del campione (direzione z) is ottenuta scegliendo il corretto substrato. La modulazione eterostruttura-drogato GaAs / AlGaAs presenta un gas bidimensionale di elettroni (2DEG) confinato l'interfaccia tra le AlGaAs e gli strati GaAs. Questi campioni sono coltivate da epitassia a fascio molecolare per ottenere una bassa densità di impurità che, combinato con la tecnica di modulazione-doping, porta ad elevata mobilità di elettroni nella 2DEG. Una schematica dei diversi strati della eterostruttura nonché la sua struttura a bande sono mostrati in Figura 1. Una elevata mobilità degli elettroni è necessaria nel 2DEG per assicurare la coerenza di stati elettronici su tutta la superficie del punto quantico. Il substrato utilizzato per il processo di fabbricazione descritto di seguito è stato acquistato presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche del Canada e presenta una densità elettronica di 2,2 x 10 11 cm -2 e una mobilità degli elettroni di 1,69 x 10 6 centimetri 2 / Vsec.
Il confinamento degli elettroni nella direzione parallel alla superficie del campione si ottiene posizionando elettrodi metallici sulla superficie del substrato. Quando questi elettrodi sono depositati sulla superficie del campione di GaAs, barriere Schottky sono formate 7. Tensioni negative applicate a tali elettrodi portano a barriere locali nel 2DEG di sotto del quale solo gli elettroni con energia sufficiente possono attraversare. Deplezione del 2DEG si verifica quando la tensione applicata è sufficientemente negativo che nessuna elettroni hanno energia sufficiente per attraversare la barriera. Pertanto, scegliendo accuratamente la geometria degli elettrodi, è possibile intrappolare un piccolo numero di elettroni tra regioni impoverito del campione. Controllo del numero di elettroni sulla dot nonché l'energia tunnel tra il punto e il 2DEG nel resto del campione può essere ottenuto mediante affinamento delle tensioni sugli elettrodi. Uno schema di elettrodi di gate e il gas impoverito elettrone è mostrato in Figura 2. Il disegno per le strutture di gate che formano il puntino è inspired dal circuito usato da Barthel et al. 8
Di controllare e leggere informazioni riguardanti il numero di elettroni sulla dot, è utile per indurre e misurare la corrente attraverso il puntino. Lettura può essere effettuata anche utilizzando un Quantum Point Contact (QPC), che richiede anche una corrente attraverso il 2DEG. Il contatto tra le sorgenti 2DEG e tensione è garantita da contatti ohmici. Si tratta di pastiglie metalliche che si diffondono dalla superficie del campione fino in fondo alla 2DEG utilizzando un rapido processo di ricottura termica di serie 7 (vedi figure 3a e 4 ter). Per evitare cortocircuiti tra la sorgente e lo scarico, la superficie del campione è inciso in modo che il 2DEG è impoverito in certe regioni e la corrente è costretto a viaggiare attraverso certi canali specifici (vedere figure 3b e 4a). La regione dove il 2DEG rimane viene denominato "mesa".
I seguenti dettagli di protocollo l'intero processo di fabbricazione di un cancello definito quantum dot laterale su un GaAs / AlGaAs substrato. Il processo è scalabile in quanto rimane lo stesso indipendentemente se il dispositivo viene fabbricato è una singola, doppia o tripla quantum dot o anche un array di punti quantici. La manipolazione, la misura e risultati doppi punti quantici fabbricati con questo metodo sono discussi in altre sezioni.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il processo sopra riportato descrive il protocollo fabbricazione di un doppio punto quantico in grado di raggiungere il regime pochi elettroni. Tuttavia, i parametri indicati possono variare a seconda del modello e taratura delle apparecchiature utilizzate. Pertanto, parametri quali le dosi per esposizioni durante le fasi di e-beam e fotolitografia dovranno essere calibrato prima della fabbricazione dei dispositivi. Il processo può essere facilmente adattato alla fabbricazione di gate-definita punti quantici su altri t…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano Michael Lacerte per il supporto tecnico. MP-L. riconosce il Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR), le scienze naturali e ingegneria Research Council del Canada (NSERC), la Fondazione canadese per l'innovazione (CFI) e il Fonds de Recherche Québec – Nature et Technologies (FRQNT) per il sostegno finanziario. Il dispositivo qui presentato è stato fabbricato a CRN2 e IMDQ impianti, finanziati in parte dalla NanoQuébec. Le GaAs / AlGaAs substrato è stato fabbricato da ZR Wasilewski presso l'Istituto di Scienze microstrutturali presso il National Research Council Canada. JCL e CB-O. riconoscere CRSNG e FRQNT per il sostegno finanziario.
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).
