Nanofabrication de Puerta definidos GaAs / AlGaAs laterales puntos cuánticos
Summary
En este trabajo se presenta un protocolo detallado para la fabricación de puertas definidas por puntos cuánticos semiconductores laterales en heteroestructuras de arseniuro de galio. Estos dispositivos a nanoescala se utilizan para atrapar a pocos electrones para su uso como bits cuánticos en el procesamiento de información cuántica o de otros experimentos mesoscópicas tales como mediciones de conductancia coherentes.
Abstract
Un ordenador cuántico es un equipo compuesto por bits cuánticos (qubits) que se aprovecha de los efectos cuánticos, tales como superposición de estados y el entrelazamiento, para resolver ciertos problemas exponencialmente más rápido que con los mejores algoritmos conocidos en un ordenador clásico. Puerta definido por los puntos cuánticos laterales sobre GaAs / AlGaAs son una de las muchas vías exploradas para la aplicación de un qubit. Cuando está correctamente fabricado, tal dispositivo es capaz de atrapar un pequeño número de electrones en una determinada región del espacio. Los estados de espín de estos electrones se pueden utilizar para implementar la lógica 0 y 1 del bit cuántico. Dada la escala del nanómetro de estos puntos cuánticos, instalaciones de salas limpias ofreciendo equipos especializados, tales como microscopios electrónicos de barrido y e-haz-evaporadores se requieren para su fabricación. Gran se debe tener cuidado en todo el proceso de fabricación para mantener la limpieza de la superficie de la muestra y para evitar daños en las puertas frágiles de la estructura. En este trabajo sepresenta el protocolo de fabricación detallados de la puerta definidas por los puntos cuánticos laterales de la oblea a un dispositivo de trabajo. También se discuten brevemente los métodos de caracterización y los resultados representativos. Aunque este documento se concentra en los puntos cuánticos dobles, el proceso de fabricación sigue siendo el mismo para los puntos individuales o triples o incluso matrices de puntos cuánticos. Por otra parte, el protocolo puede ser adaptado para la fabricación de puntos cuánticos laterales sobre otros substratos, tales como Si / SiGe.
Introduction
Ciencia de la información cuántica ha llamado mucho la atención desde que se demostró que los algoritmos cuánticos pueden ser utilizados para resolver ciertos problemas exponencialmente más rápido que con los mejores algoritmos clásicos conocidos 1. Un candidato obvio para un bit cuántico (qubit) es el espín de un solo electrón confinado en un punto cuántico, ya que es un sistema de dos niveles. Numerosos arquitecturas se han sugerido para la aplicación de los puntos cuánticos semiconductores, incluyendo nanocables 2, nanotubos de carbono 3, puntos cuánticos auto-ensambladas 4, 5 y semiconductores verticales y los puntos cuánticos laterales 6. Puntos cuánticos laterales Puerta definidos en GaAs / AlGaAs heteroestructuras han tenido mucho éxito debido a su versatilidad y su proceso de fabricación es el foco de este artículo.
En los puntos cuánticos laterales, el confinamiento de los electrones en la dirección perpendicular a la superficie de la muestra (dirección z) is lograrse mediante la elección del sustrato adecuado. La heteroestructura modulación-GaAs dopado / AlGaAs presenta un gas de electrones bidimensional (2DEG) confinado a la interfaz entre los AlGaAs y las capas de GaAs. Estas muestras se cultivan por epitaxia de haz molecular para obtener una baja densidad de impurezas que, en combinación con la técnica de modulación-dopaje, conduce a la alta movilidad de electrones en el 2DEG. Un esquema de las diferentes capas de la heteroestructura, así como su estructura de bandas se muestran en la Figura 1. Se necesita una alta movilidad de electrones en el 2DEG para garantizar la coherencia de los estados electrónicos en toda la superficie del punto cuántico. El sustrato utilizado para el proceso de fabricación se describe a continuación se adquirió en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá y presenta una densidad de electrones de 2,2 x 10 11 cm -2 y una movilidad de electrones de 1,69 x 10 6 cm 2 / VSEC.
El confinamiento de los electrones en las direcciones Parallel a la superficie de la muestra se logra mediante la colocación de electrodos metálicos en la superficie del sustrato. Cuando estos electrodos se depositan sobre la superficie de la muestra de GaAs, barreras de Schottky se forman 7. Voltajes negativos aplicados a dichos electrodos conducen a las barreras locales en el 2DEG debajo de la cual sólo los electrones con suficiente energía pueden cruzar. El agotamiento de la 2DEG se produce cuando la tensión aplicada es lo suficientemente negativo que no hay electrones tienen la energía suficiente para cruzar la barrera. Por lo tanto, eligiendo cuidadosamente la geometría de los electrodos, es posible atrapar un pequeño número de electrones entre las regiones de agotamiento de la muestra. Control del número de electrones en el punto, así como la energía de túnel entre el punto y el 2DEG en el resto de la muestra se puede lograr mediante el ajuste de los voltajes en los electrodos. Un diagrama esquemático de los electrodos de puerta y el gas de electrones agotado se muestra en la Figura 2. El diseño de las estructuras de compuertas que forman el punto está eninspirado por el diseño utilizado por Barthel et al. 8
Para controlar y leer información sobre el número de electrones en el punto, es útil para inducir y medir la corriente a través del punto. Lectura también se puede hacer mediante el uso de un punto de contacto Quantum (QPC), que también requiere una corriente a través de la 2DEG. El contacto entre las fuentes de 2 grados y la tensión está asegurada por los contactos óhmicos. Estas son pastillas metálicas que se difunden desde la superficie de la muestra hasta el fondo de la 2DEG usando un rápido proceso de recocido térmico estándar 7 (ver figuras 3a y 4b). Para evitar cortocircuitos entre la fuente y el drenaje, la superficie de la muestra se graba de manera que el 2DEG está agotado en ciertas regiones y la corriente se ve obligado a viajar a través de ciertos canales específicos (véanse las figuras 3b y 4a). La región en la que la 2DEG todavía queda se conoce como la "meseta".
Los siguientes datos de protocolo de todo el proceso de fabricación de una puerta definida por punto cuántico lateral en un sustrato de GaAs / AlGaAs. El proceso es escalable ya que sigue siendo la misma independientemente de si el dispositivo que está siendo fabricada es una sola, doble, o triple punto cuántico o incluso una serie de puntos cuánticos. La manipulación, medición, y los resultados de los puntos cuánticos dobles fabricados con este método se tratan en otras secciones.
Protocol
Representative Results
Discussion
El proceso presentado anteriormente describe el protocolo de fabricación de un punto cuántico doble capaz de alcanzar el régimen de unos pocos electrón. Sin embargo, los parámetros indicados pueden variar en función del modelo y la calibración de los equipos utilizados. Por lo tanto, los parámetros tales como las dosis para las exposiciones durante las etapas de haz de electrones y la fotolitografía tendrán que ser calibrados antes de la fabricación de dispositivos. El proceso se puede adaptar fácilmente a l…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen a Michael Lacerte para soporte técnico. MP-L. reconoce el Instituto Canadiense para la Investigación Avanzada (Cifar), las Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá (NSERC), la Fundación Canadiense para la Innovación (CFI) y el Fonds de Recherche Québec – Nature et Technologies (FRQNT) para el apoyo financiero. El dispositivo que aquí se presenta fue fabricado en las instalaciones de CRN2 y IMDQ, financiado en parte por NanoQuébec. Los GaAs / AlGaAs sustrato fue fabricado por ZR Wasilewski, del Instituto de Ciencias microestructurales en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá. JCL y CB-O. reconocer CRSNG y FRQNT de apoyo financiero.
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
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