Nanofabrikasjon av Gate-definerte GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots
Summary
Dette notatet presenterer en detaljert fabrikasjon protokoll for gate-definerte halvleder lateral quantum prikker på galliumarsenid heterostruktur. Disse nanoskala enheter brukes til å felle noen elektroner til bruk som quantum bits i quantum informasjonsbehandling eller for andre mesoskopisk eksperimenter som sammenhengende ledningsevne målinger.
Abstract
En kvantedatamaskin er en datamaskin består av quantum bits (qubits) som tar seg av kvanteeffekter, slik som superposisjon av stater og forviklinger, for å løse visse problemer eksponentielt raskere enn med de mest kjente algoritmer på en klassisk datamaskin. Gate-definert lateral quantum prikker på GaAs / AlGaAs er en av mange veier utforsket for gjennomføringen av en qubit. Når de er riktig fremstilt, men en slik enhet er i stand til å felle et lite antall elektroner i en viss region plass. Den spin tilstander av disse elektroner kan så brukes til å implementere den logisk 0 og en av kvante bit. Gitt nanometer skala av disse quantum dots, renrom anlegg som tilbyr spesialisert utstyr, for eksempel skanning elektronmikroskop og e-bjelke fordampere-er nødvendige for fabrikasjon deres. Stor forsiktighet må utvises hele fabrikasjon prosessen for å opprettholde renslighet av prøven overflaten og for å unngå å skade den skjøre porter av strukturen. Dette papiretpresenterer detaljerte fabrikasjon protokollen av gate-definerte lateral quantum prikker fra wafer til en fungerende enhet. Karakterisering metoder og representative resultatene er også kort omtalt. Selv om denne artikkelen konsentrerer seg om doble quantum dots, forblir fabrikasjon prosessen den samme for enkelt-eller trippel prikker eller matriser av quantum prikker. Videre kan protokollen kan tilpasses for å fremstille laterale quantum prikker på andre substrater, slik som Si / SiGe.
Introduction
Quantum informatikk har trukket mye oppmerksomhet helt siden det ble vist at Quantum algoritmer kan brukes til å løse visse problemer eksponentielt raskere enn med de mest kjente klassiske algoritmer en. En opplagt kandidat for et kvantesprang bit (qubit) er å snurre enkelt elektron innesperret i en kvante prikk siden det er en to-nivå system. Tallrike arkitekturer har blitt foreslått for gjennomføringen av quantum dots, inkludert halvledende nanotråder 2, karbon nanorør 3, selvkonfeksjonerte quantum prikker fire, og halvledere vertikale fem og lateral quantum prikker seks. Gate-definerte lateral quantum prikker i GaAs / AlGaAs heterostruktur har vært svært vellykket på grunn av sin allsidighet og deres fabrikasjon prosessen er fokus for denne utredningen.
I lateral kvanteprikker, innesperring av elektroner i retning vinkelrett på prøveoverflaten (z-retning) i.s oppnås ved å velge den passende substrat. Den GaAs / AlGaAs modulasjon-dopet heterostructure presenterer en todimensjonal elektron gass (2DEG) begrenset til grensesnittet mellom AlGaAs og GaAs lag. Disse prøvene blir dyrket ved molekylær stråle epitaxy til å skaffe en lav tetthet urenhet som sammen med modulering-doping teknikk, fører til høy elektron bevegelighet i 2DEG. En skjematisk av de forskjellige lag av den heterostructure så vel som dens bandet struktur er vist i figur 1. En høy elektron mobilitet som er nødvendig i 2DEG for å sikre sammenheng i elektroniske tilstander over hele overflaten av kvante dot. Underlaget som brukes for fabrikasjon prosessen beskrevet nedenfor ble kjøpt fra National Research Council of Canada og presenterer et elektron tetthet på 2,2 x 10 11 cm -2 og et elektron mobilitet av 1,69 x 10 6 cm 2 / Vsec.
Innesperring av elektroner i retninger parallelllel til sampeloverflaten oppnås ved å plassere metalliske elektroder på overflaten av substratet. Når disse elektrodene er avsatt på overflaten av GaAs prøven, er Schottky-barrierene dannes 7.. Negative spenninger brukes på slike elektroder føre til lokale barrierer i 2DEG nedenfor som bare elektroner med tilstrekkelig energi kan krysse. Nedbryting av 2DEG oppstår når spenning er negativ nok at ingen elektroner har nok energi til å krysse barrieren. Derfor, ved omhyggelig valg av geometrien av elektrodene, er det mulig å felle et lite antall elektroner mellom utarmet regioner av prøven. Kontroll av det antall elektroner på prikken samt tunnelering energi mellom prikker og den 2DEG i resten av prøven kan oppnås ved finjustering av spenninger på elektrodene. En skjematisk av portens elektrodene og utarmet elektron gass er vist i figur 2.. The design for gate strukturer danner prikken er ispired av design brukes av Barthel et al. 8
For å kontrollere og lese ut informasjon vedrørende det antall elektroner på dot, er det nyttig å indusere og måle strøm gjennom dot. Avlesning kan også gjøres ved hjelp av en Quantum punkts kontakt (QPC), som også krever en strøm gjennom 2DEG. Kontakten mellom de 2DEG og spenningskilder sikres av ohmske kontakter. Disse er metalliske elektroder som spaltet seg fra overflaten av prøven hele veien ned til 2DEG hjelp av en standard hurtig termisk prosess basepartilpasses 7 (se Fig. 3a og 4b). For å unngå kortslutning mellom kilden og sluket, er overflaten av prøven etset slik at 2DEG er oppbrukt i visse regioner, og strømmen tvinges til å reise gjennom visse bestemte kanaler (se figurene 3b og 4a). Det området der 2DEG fremdeles er referert til som "mesa".
Følgende protokoll detaljer hele fabrikasjon prosessen med en gate-definert lateral quantum dot på en GaAs / AlGaAs underlaget. Prosessen er skalerbar siden det er den samme uansett om enheten blir fabrikkert er en enkel, dobbel eller trippel quantum dot eller en rekke quantum dots. Manipulasjon, måling og resultater for dobbel quantum dots fabrikkert ved hjelp av denne metoden er omtalt i flere seksjoner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Prosessen presentert ovenfor beskriver fremstillingen av et dobbelt-protokollen kvante dot i stand til å nå de få elektron-regime. Imidlertid kan de parametere som er gitt variere avhengig av modellen og kalibrering av utstyret som brukes. Derfor vil parametere som doser for eksponeringer i løpet av e-bjelke og photolithography skritt må kalibreres før fabrikasjon av enheter. Prosessen kan enkelt tilpasses til fabrikasjon av gate-definert quantum dots på andre typer underlag, for eksempel Si / SiGe, som også pre…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker Michael Lacerte for teknisk støtte. MP-L. erkjenner Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR), Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), den kanadiske Foundation for Innovations (CFI) og Fonds de Recherche Québec – Nature et Technologies (FRQNT) for økonomisk støtte. Enheten presenteres her ble fabrikkert på CRN2 og IMDQ fasiliteter, finansiert delvis av NanoQuébec. De GaAs / AlGaAs substrat ble fabrikkert av ZR Wasilewski fra Institutt for mikrostruktur Sciences ved National Research Council Canada. JCL og CB-O. erkjenner CRSNG og FRQNT for økonomisk støtte.
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).
