Nanofabrication de la porte définis-GaAs / AlGaAs latéraux Quantum Dots
Summary
Cet article présente un protocole de fabrication détaillé pour porte-définies semi-conducteurs latéraux points quantiques sur des hétérostructures d'arséniure de gallium. Ces dispositifs nanométriques sont utilisés pour piéger quelques électrons pour être utilisé comme bits quantiques dans le traitement quantique de l'information ou pour d'autres expériences mésoscopiques telles que les mesures de conductance cohérentes.
Abstract
Un ordinateur quantique est un ordinateur composé de bits quantiques (qubits) qui tire profit des effets quantiques, comme superposition d'états et l'intrication, de résoudre certains problèmes de façon exponentielle plus rapide qu'avec les meilleurs algorithmes connus sur un ordinateur classique. Porte-défini points quantiques latéraux sur GaAs / AlGaAs sont l'une des nombreuses pistes explorées pour la mise en œuvre d'un qubit. Lorsqu'il est correctement fabriqué, un tel dispositif est capable de piéger un petit nombre d'électrons dans une certaine région de l'espace. Les états de spin de ces électrons peuvent alors être utilisés pour mettre en œuvre la logique 0 et 1 du bit quantique. Compte tenu de l'échelle nanométrique de ces quantum dots, les installations salles blanches offrant des équipements, tels spécialisé comme microscopes électroniques à balayage et par faisceau d'électrons évaporateurs sont nécessaires à leur fabrication. Un grand soin doit être pris tout au long du processus de fabrication pour maintenir la propreté de la surface de l'échantillon et pour éviter d'endommager les portes fragiles de la structure. Ce papierprésente le protocole de fabrication détaillés de la porte définis par les points quantiques latéraux de la plaquette à un dispositif de travail. Méthodes de caractérisation et les résultats représentatifs sont également brièvement discuté. Bien que ce document se concentre sur les doubles points quantiques, le processus de fabrication reste le même pour les points uniques ou triple ou même les tableaux de points quantiques. Par ailleurs, le protocole peut être adapté pour la fabrication de points quantiques latéraux sur d'autres substrats, tels que Si / SiGe.
Introduction
Quantum sciences de l'information a attiré beaucoup d'attention depuis qu'il a été montré que les algorithmes quantiques peuvent être utilisés pour résoudre certains problèmes de façon exponentielle plus rapide qu'avec les meilleurs algorithmes classiques connus 1. Un candidat évident pour un bit quantique (qubit) est le spin de l'électron unique confiné dans une boîte quantique, car il s'agit d'un système à deux niveaux. De nombreuses architectures ont été proposées pour la mise en œuvre des points quantiques, y compris les semi-conducteurs nanofils 2, nanotubes de carbone 3, les points quantiques auto-assemblées 4 et 5 semi-conducteurs verticaux et les points quantiques latéraux 6. Points quantiques latéraux porte-définies dans GaAs / AlGaAs hétérostructures ont eu beaucoup de succès en raison de leur polyvalence et de leur processus de fabrication est au centre du présent document.
Dans les boîtes quantiques latéraux, le confinement des électrons dans la direction perpendiculaire à la surface de l'échantillon (direction z) is obtenu en choisissant le substrat approprié. La modulation hétérostructure GaAs dopé / AlGaAs présente un gaz d'électrons bidimensionnel (2 DEG) confiné à l'interface entre les AlGaAs et les couches de GaAs. Ces échantillons sont cultivés par épitaxie par jets moléculaires pour obtenir une faible densité d'impuretés qui, combinée à la technique de modulation-dopage, conduit à une forte mobilité des électrons dans le 2DEG. Un schéma des différentes couches de l'hétérostructure ainsi que sa structure de bande sont présentés dans la figure 1. Une grande mobilité électronique est nécessaire dans le 2DEG pour assurer la cohérence des états électroniques sur toute la surface de la boîte quantique. Le substrat utilisé pour le processus de fabrication décrit ci-dessous a été acheté par le Conseil national de recherches du Canada et présente une densité d'électrons de 2,2 x 10 11 cm -2 et une mobilité des électrons de 1,69 x 10 6 cm 2 / Vsec.
Le confinement des électrons dans les directions Parallel à la surface de l'échantillon est obtenue en plaçant des électrodes métalliques sur la surface du substrat. Lorsque ces électrodes sont déposées sur la surface de l'échantillon de GaAs, les barrières de Schottky sont formées 7. Tensions négatives appliquées à ces électrodes conduisent à des obstacles locaux dans le 2DEG dessous de laquelle seuls les électrons avec une énergie suffisante peut traverser. L'appauvrissement de la 2DEG se produit lorsque la tension appliquée est assez négatif qu'aucun électrons ont assez d'énergie pour franchir la barrière. Par conséquent, en choisissant soigneusement la géométrie des électrodes, il est possible de piéger un petit nombre d'électrons entre les régions appauvries de l'échantillon. Le contrôle du nombre d'électrons sur le point, ainsi que l'énergie à effet tunnel entre le point et la 2DEG dans le reste de l'échantillon peut être obtenue par réglage fin des tensions sur les électrodes. Un schéma des électrodes de grille et le gaz d'électrons appauvri est montré à la figure 2. Le design des structures de grille formant le point se trouve dansinspiré par le design utilisé par Barthel et al. 8
Pour contrôler et consulter les informations concernant le nombre d'électrons sur le point, il est utile pour induire et mesurer le courant à travers la dot. Lecture peut aussi être fait en utilisant un Quantum Point de Contact (QPC), qui exige également un courant à travers le 2DEG. Le contact entre les sources 2DEG et la tension est assurée par les contacts ohmiques. Ce sont des tampons métalliques qui sont diffusés à partir de la surface de l'échantillon tout en bas de la 2DEG l'aide d'un rapide processus de recuit thermique standard 7 (voir figures 3a et 4b). Pour éviter les courts-circuits entre la source et le drain, la surface de l'échantillon est gravée de manière que le 2DEG est épuisée dans certaines régions et le courant est forcé de voyager à travers certains canaux spécifiques (voir les figures 3b et 4a). La région où le 2DEG reste est considéré comme le «Mesa».
Les détails du protocole ci-après l'intégralité du processus de fabrication d'un porte-défini de points quantiques latéraux sur un substrat de GaAs / AlGaAs. Le processus est évolutif, car il reste le même, peu importe si le dispositif est fabriqué est un simple, double, triple ou quantum dot ou même un réseau de points quantiques. Manipulation, la mesure, et les résultats de doubles points quantiques fabriqués en utilisant cette méthode sont décrits dans d'autres sections.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le processus présenté ci-dessus décrit le protocole de fabrication d'un double point quantique capable d'atteindre le régime quelques électrons. Toutefois, les paramètres indiqués peuvent varier selon le modèle et l'étalonnage de l'équipement utilisé. Par conséquent, les paramètres tels que les doses pour les expositions durant les étapes e-beam et photolithographie devront être étalonné avant la fabrication de dispositifs. Le processus peut facilement être adapté à la fabrication de …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient Michael Lacerte pour le support technique. MP-L. reconnaît l'Institut canadien de recherches avancées (ICRA), en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), la Fondation canadienne pour l'innovation (FCI) et le Fonds de Recherche Québec – Nature et technologies (FRQNT) pour leur soutien financier. Le dispositif présenté ici a été fabriqué à CRN2 et IMDQ installations, financées en partie par NanoQuébec. Les GaAs / AlGaAs substrat a été fabriqué par ZR Wasilewski de l'Institut des sciences des microstructures au Conseil national de recherches Canada. JCL et CB-O. reconnaître CRSNG et FRQNT d'un soutien financier.
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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