Nanofabricage van Gate-gedefinieerde GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots
Summary
Dit document presenteert een gedetailleerde fabricage protocol voor gate-gedefinieerde halfgeleider laterale quantum dots op galliumarsenide heterostructuren. Deze nanoschaal apparaten worden gebruikt om enkele elektronen vangen voor gebruik als quantum bits in quantum information processing of voor andere mesoscopic experimenten zoals coherent geleidingsmetingen.
Abstract
Een quantum computer is een computer samengesteld uit quantum bits (qubits) die gebruik maakt van de quantum effecten, zoals superpositie van toestanden en verstrengeling, om bepaalde problemen exponentieel sneller dan op te lossen met de bekendste algoritmen op een klassieke computer. Gate-gedefinieerde laterale quantum dots op GaAs / AlGaAs zijn een van de vele mogelijkheden verkend voor de uitvoering van een qubit. Bij juiste gefabriceerd, een dergelijke inrichting kan een klein aantal elektronen houden in een bepaald gebied van de ruimte. De spintoestanden van deze elektronen kunnen vervolgens worden gebruikt voor het implementeren van de logische 0 en 1 van de quantum bit. Gezien de nanometerschaal van deze quantum dots, cleanroom faciliteiten aanbieden van gespecialiseerde apparatuur-zoals scanning elektronenmicroscopen en e-beam-verdampers nodig zijn voor hun fabricage. Grote zorg moet tijdens het fabricageproces worden genomen om reinheid van het monsteroppervlak handhaven en schade aan de fragiele poorten van de constructie te voorkomen. Deze paperpresenteert de gedetailleerde fabricage protocol van gate-gedefinieerde laterale quantum dots van de wafer tot een werkend apparaat. Karakteriseringsmethodes en representatieve resultaten worden ook kort besproken. Hoewel dit document richt zich op dubbele quantum dots, het fabricageproces blijft hetzelfde voor enkele of drievoudige punten of zelfs arrays van quantum dots. Bovendien kan het protocol worden aangepast laterale quantum dots fabriceren op andere substraten, zoals Si / SiGe.
Introduction
Quantum informatica heeft getrokken veel aandacht sinds het werd aangetoond dat quantum algoritmes gebruikt kunnen worden om bepaalde problemen exponentieel sneller dan met de bekendste klassieke algoritmes 1 lossen. Een voor de hand liggende kandidaat voor een quantum bit (qubit) is de spin van enkel elektron opgesloten in een quantum dot omdat het een twee-level systeem. Talrijke architecturen zijn voorgesteld voor de uitvoering van quantum dots, waaronder halfgeleidende nanodraden 2, koolstof nanobuisjes 3, zelf-georganiseerde kwantum-dots 4, en halfgeleiders verticale 5 en laterale quantum dots 6. Gate-gedefinieerde laterale quantum dots in GaAs / AlGaAs heterostructuren zijn zeer succesvol geweest vanwege hun veelzijdigheid en hun fabricageproces is de focus van deze paper.
In laterale quantum dots, de opsluiting van elektronen in de richting loodrecht op het monsteroppervlak (z-richting) is bereikt door het kiezen van de juiste substraat. Het GaAs / AlGaAs modulatie gedoteerde heterostructuur presenteert een tweedimensionaal electron gas (2DEG) beperkt tot het raakvlak tussen de AlGaAs en GaAs lagen. Deze monsters worden geteeld door moleculaire bundel epitaxie een lage onzuiverheidsdichtheid die in combinatie met de modulatie-doping techniek te verkrijgen, leidt tot hoge elektronenmobiliteit in de 2DEG. Een schema van de verschillende lagen van de heterostructuur en de bandstructuur zijn getoond in figuur 1. Een hoge beweeglijkheid van de elektronen is nodig in de 2DEG om de samenhang van de elektronische toestanden over het gehele oppervlak van de quantum dot te garanderen. Het substraat voor het fabricageproces hieronder beschreven werd gekocht van de National Research Council of Canada en fungeert elektronendichtheid van 2,2 x 10 11 cm-2 en een elektronenmobiliteit van 1,69 x 10 6 cm 2 / Vsec.
De opsluiting van elektronen in de richtingen parallel aan het monster oppervlak bereikt door metalen elektroden op het oppervlak van het substraat. Wanneer deze elektroden op het oppervlak van het GaAs monster worden Schottky barrières gevormd 7. Negatieve spanningen toegepast op deze elektroden leiden tot lokale barrières in de 2DEG hieronder die alleen elektronen met voldoende energie kan steken. Uitputting van de 2DEG treedt op wanneer de spanning negatief genoeg zodat elektronen voldoende energie om de barrière. Daarom door het zorgvuldig kiezen van de geometrie van de elektroden, is het mogelijk om een klein aantal elektronen tussen verarmd gebieden van het monster houden. Controle van het aantal elektronen van de stip en de tunneling energie tussen de punt en de 2DEG in de rest van het monster kan worden bereikt door het afstemmen van de spanningen op de elektroden. Een schema van de poortelektroden en de verarmde gas elektronen wordt weergegeven in fig. 2. Het ontwerp voor de poort structuren vormen de stip ingeïnspireerd door het ontwerp wordt gebruikt door Barthel et al.. 8
Om controle en uitlezen van informatie over het aantal elektronen op het punt, is het nuttig voor inductie en meten stroom door de stip. Uitlezing kan ook met een Quantum worden Contact (QPC), waarvoor ook een stroom door de 2DEG. Het contact tussen de 2DEG en spanningsbronnen verzekert ohmse contacten. Dit zijn metalen elektroden die worden verspreid vanaf het oppervlak van het monster helemaal naar beneden om de 2DEG met een standaard snelle thermische gloeien proces 7 (zie figuren 3a en 4b). Om kortsluiting tussen de source en de drain te voorkomen, wordt het oppervlak van het monster zo geëtst dat de 2DEG is uitgeput in bepaalde regio's en de huidige wordt gedwongen om te reizen via bepaalde kanalen (zie de figuren 3b en 4a). Het gebied waar de 2DEG nog steeds aangeduid als de "mesa".
Het volgende protocol beschrijft de gehele fabricageproces van een poort-gedefinieerde laterale quantum dot op een GaAs / AlGaAs substraat. Het proces is schaalbaar omdat het blijft hetzelfde, ongeacht of het apparaat wordt gefabriceerd is een enkele, dubbele of driedubbele quantum dot of zelfs een array van quantum dots. Manipulatie, meet-, en de resultaten voor de dubbele quantum dots gefabriceerd met behulp van deze methode worden besproken in verdere hoofdstukken.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hierboven gepresenteerde beschrijft de fabricage-protocol van een dubbele quantum dot in staat om de paar-elektron regime bereiken. Echter, kunnen de parameters gegeven afhankelijk van het model en de ijking van de gebruikte apparatuur. Daarom zal parameters zoals de doses van blootstelling tijdens de e-beam en fotolithografie stappen worden gekalibreerd vóór de vervaardiging van apparaten. De werkwijze kan gemakkelijk worden aangepast aan de vervaardiging van gate gedefinieerde quantum dots van andere soorten subs…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken Michael Lacerte voor technische ondersteuning. MP-L. erkent het Canadese Institute for Advanced Research (CIFAR), de Natuurwetenschappen en Engineering Research Council of Canada (NSERC), de Canadese Stichting voor Innovatie (CFI) en het Fonds de Recherche Quebec – Nature et Technologies (FRQNT) voor financiële steun. Het apparaat hier gepresenteerd werd gefabriceerd op CRN2 en IMDQ faciliteiten, deels gefinancierd door NanoQuébec. Het GaAs / AlGaAs substraat werd gefabriceerd door ZR Wasilewski van het Instituut voor Microstructuurbeheersing Wetenschappen aan de National Research Council Canada. JCL en CB-O. erkennen CRSNG en FRQNT voor financiële steun.
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).
