Nanofabrication של השער שהוגדרו GaAs / AlGaAs נקודות קוונטיות רוחביות
Summary
מאמר זה מציג פרוטוקול ייצור מפורט לשער שהוגדרו נקודות קוונטיות של מוליכים למחצה לרוחב על heterostructures arsenide גליום. התקני ננו אלה משמשים כדי ללכוד כמה אלקטרונים לשימוש כביטים קוונטיים בעיבוד אינפורמציה קוונטית או לניסויים אחרים Mesoscopic כגון מדידות מוליכות קוהרנטית.
Abstract
מחשב קוונטים הוא מחשב המורכב מביטים קוונטיים (קווביטים) שמנצל אפקטים קוונטיים, כגון סופרפוזיציה של מדינות והסתבכות, כדי לפתור בעיות מסוימות מהר יותר מאשר באופן אקספוננציאלי עם האלגוריתמים הידועים ביותר במחשב קלסית. שער מוגדר נקודות קוונטיות לרוחב על GaAs / AlGaAs הן אחד דרכים רבות חקרו ליישום של קיוביט. כאשר מפוברק כמו שצריך, מכשיר כזה הוא מסוגל ללכוד מספר קטן של אלקטרונים באזור מסוים של שטח. מדינות הספין של אלקטרונים אלה לאחר מכן ניתן להשתמש כדי ליישם 0 הגיוניים ו1 של ביט הקוונטים. בהתחשב בקנה המידה ננומטרי של נקודות קוונטיות אלה, מתקני cleanroom מציעים ציוד מיוחד, כגון כסריקת מיקרוסקופ אלקטרונים וקרן אלקטרונית מאיידים-נדרשים לייצורם. בזהירות רבה יש לנקוט בכל תהליך הייצור כדי לשמור על ניקיון של שטח המדגם וכדי למנוע נזק לשערים הרעועים של המבנה. מאמר זהמציג את הפרוטוקול מפורט של ייצור שער שהוגדרו נקודות קוונטיות לרוחב מהרקיק למכשיר עובד. שיטות אפיון ותוצאות מייצגות גם הם דנו בקצרה. למרות שמאמר זה מתמקד בנקודות קוונטיות כפולות, תהליך הייצור נשאר זהה לנקודות בודדות או משולשת או אפילו מערכים של נקודות קוונטיות. יתר על כן, ניתן להתאים את הפרוטוקול לפברק נקודות קוונטיות לרוחב על מצעים אחרים, כגון סי / SiGe.
Introduction
מדע המידע הקוונטי משך הרבה תשומת לב מאז שהראה כי ניתן להשתמש באלגוריתמי קוונטים כדי לפתור בעיות מסוימות מהר יותר מאשר באופן אקספוננציאלי עם האלגוריתמים הקלסיים הידועים ביותר 1. מועמד מובן מאליו לביט קוונטים (קיוביט) הוא הספין של אלקטרון הבודד מוגבלים בנקודה קוונטית שכן הוא הוא מערכת של שתי רמות. ארכיטקטורות רבות הוצעו ליישום של נקודות קוונטיות, כולל מוליכים למחצה nanowires 2, צינורות פחמן 3, נקודות קוונטיות עצמית התאספו 4, ומוליכים למחצה אנכי 5 נקודות קוונטיות ורוחב 6. נקודות קוונטיות לרוחב שער, שהוגדר בGaAs / heterostructures AlGaAs היה מאוד מוצלח בגלל הרבגוניות שלהם ותהליך הייצור שלהם הוא המוקד של מאמר זה.
בנקודות קוונטיות לרוחב, הכליאה של אלקטרונים בכיוון ניצבת למשטח המדגם (z כיוון) אניהמושגת על ידי בחירה של המצע הראוי. Heterostructure אפנון המסומם GaAs / AlGaAs מציג גז אלקטרונים דו ממדים (2DEG) מוגבלים לממשק בין AlGaAs ואת שכבות GaAs. דגימות אלה גדלו בepitaxy הקרן המולקולרי כדי להשיג צפיפות נמוכה טומאה אשר, בשילוב עם טכניקת אפנון הסימום, מובילה לניידות אלקטרונים גבוהה ב2DEG. סכמטי של שכבות heterostructure, כמו גם מבנה להקתה השונות מוצגים באיור 1. יש צורך בניידות אלקטרונים גבוהה ב2DEG על מנת להבטיח העקביות של מצבים אלקטרוניים על כל פני השטח של הנקודה קוונטית. המצע המשמש לתהליך הייצור המתואר להלן נרכש ממועצת המחקר הלאומי של קנדה, ומציג את צפיפות אלקטרונים של 2.2 x 10 11 ס"מ -2 וניידות אלקטרונים של 1.69 x 10 6 ס"מ 2 / Vsec.
הכליאה של אלקטרונים בParal הכיווניםlel אל פני השטח המדגם מושגת על ידי הנחת אלקטרודות מתכתיות על פני השטח של המצע. כאשר אלקטרודות אלה שהופקדו על פני השטח של מדגם GaAs, מחסומי שוטקי נוצרים 7. מתחים שליליים יושמו לאלקטרודות כאלה יובילו למחסומים מקומיים ב2DEG שמתחתיו רק אלקטרונים עם מספיק אנרגיה יכולים לחצות. דלדול של 2DEG מתרחש כאשר המתח המיושם הוא שלילי מספיק, כי אין להם אלקטרונים מספיק אנרגיה כדי לחצות את המחסום. לכן, על ידי בחירה בגיאומטריה של אלקטרודות בזהירות, זה אפשרי כדי ללכוד מספר קטן של אלקטרונים בין האזורים מדולדלים של המדגם. שליטה על מספר האלקטרונים בנקודה, כמו גם את האנרגיה מנהור בין הנקודה ו2DEG בשאר המדגם יכולה להיות מושגת על ידי כיוון עדין המתחים על האלקטרודות. סכמטי של אלקטרודות השער וגז האלקטרונים המדולדל מוצג באיור 2. העיצוב למבני השער יוצרים נקודה הוא בspired על ידי העיצוב בשימוש על ידי Barthel et al. 8
כדי לשלוט ולקרוא את מידע בנוגע למספר האלקטרונים בנקודה, הוא שימושי כדי לגרום ולמדוד את הזרם דרך הנקודה. Readout יכול להיעשות גם על ידי שימוש בקשר עם נקודה קוונטית (QPC), אשר דורש גם זרם דרך 2DEG. הקשר בין מקורות 2DEG ומתח מובטח על ידי אנשי קשר ohmic. אלה הם רפידות מתכתיות המתפזרות מפני השטח של המדגם כל הדרך למטה ל2DEG באמצעות תהליך לחשל 7 תרמית מהיר סטנדרטי (ראה 3a דמויות ו4 ב). כדי להימנע ממעגלים קצרים בין המקור והניקוז, פני השטח של המדגם חקוק כך ש2DEG תיגמר באזורים מסוימים והנוכחי הוא נאלץ לנסוע דרך ערוצים ספציפיים מסוימים (ראו באור 3 דמויות ו4 א). האזור שבו עדיין נשאר 2DEG שמכונה "מסה".
פרטי הפרוטוקול הבאים תהליך הייצור כולו של שער מוגדר נקודה קוונטית לרוחב על מצע GaAs / AlGaAs. התהליך הוא מדרגי שכן הוא נשאר אותו הדבר, ללא קשר אם המכשיר שהמפוברק הוא יחידה, כפולה, משולשת או נקודה קוונטית או אפילו מערך של נקודות קוונטיות. מניפולציה, מדידה ותוצאות עבור נקודות קוונטיות כפולות מפוברקות בשיטה זו הם דנו בסעיפים נוספים.
Protocol
Representative Results
Discussion
התהליך שהוצג לעיל מתאר את פרוטוקול הייצור של נקודה קוונטית כפולה מסוגלת להגיע לשלטון מעטים האלקטרון. עם זאת, הפרמטרים נתון עשויים להשתנות בהתאם לדגם והכיול של הציוד המשומש. לכן, פרמטרים כגון מינונים לחשיפות במהלך השלבים אלקטרוני הקורה וphotolithography יצטרכו להיות מכוילי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים למיכאל Lacerte לקבלת תמיכה טכנית. MP-L. מכיר במכון הקנדי למחקר מתקדם (CIFAR), מדעי הטבע והנדסת מועצת המחקר של קנדה (NSERC), הקרן הקנדית לחידושים (CFI), וFonds דה משוכלל ונדיר קוויבק – טבע et טכנולוגיות (FRQNT) לתמיכה כספית. המכשיר שהוצג כאן היה מפוברק בCRN2 וIMDQ מתקנים, שמומנו בחלקו על ידי NanoQuebec. מצע AlGaAs GaAs / היה מפוברק על ידי ZR ססילסקי מהמכון למדעי Microstructural במועצה הלאומי למחקר בקנדה. JCL וCB-O. להכיר CRSNG וFRQNT לתמיכה כספית.
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).
