Gate tanımlı GaAs / AlGaAs Yanal Kuantum Noktalarının nano fabrikasyon
Summary
Bu kağıt galyum arsenit heteroyapıların üzerinde kapı tanımlı yarı iletken yan kuantum noktaları için ayrıntılı bir imalat protokolü sunar. Bu nano cihazlar kuantum bilgi işlem ya da tutarlı bir iletkenlik ölçümleri gibi diğer mezoskopik deneyler için kuantum bit olarak kullanımı için birkaç elektron yakalamak için kullanılır.
Abstract
Bir kuantum bilgisayar klasik bir bilgisayarda en iyi bilinen algoritmaları ile katlanarak daha hızlı bazı sorunları çözmek için, bu devletler ve dolanması süperpozisyon gibi, kuantum etkileri yararlanır kuantum bit (qubits) oluşan bir bilgisayardır. Gate tanımlı GaAs / AlGaAs üzerinde yan kuantum noktaları bir qubit uygulanması için araştırdı birçok yollar vardır. Düzgün fabrikasyon zaman, böyle bir cihaz alan belirli bir bölgede elektron az sayıda tuzak yapabiliyor. Bu elektron spin durumları daha sonra kuantum biti mantıksal 0 ve 1 uygulamak için kullanılabilir. Bu kuantum noktaları nanometre ölçeği göz önüne alındığında, temiz oda tesisleri özel ekipman-bu elektron mikroskopları ve e-ışın evaporatör-onların üretim için gerekli tarama olarak sunuyor. Büyük bir dikkatle numune yüzeyinin temizliği korumak ve yapının kırılgan kapıları zarar vermemek için üretim süreci boyunca alınmalıdır. Bu kağıtçalışan bir cihaza gofret kapı tanımlı yan kuantum noktaları ayrıntılı imalat protokolü sunar. Karakterizasyonu yöntemleri ve temsilcisi sonuçları da kısaca tartışılmıştır. Bu çalışmada çift kuantum noktaları üzerinde yoğunlaşmaktadır rağmen, üretim süreci tek veya üç nokta ya da kuantum noktaları bile diziler için aynı kalır. Ayrıca, protokol, Si / SiGe gibi diğer alt-tabakalara, yanal kuantum nokta üretmek için adapte edilebilir.
Introduction
Bu kuantum algoritmaları katlanarak hızlı en iyi bilinen klasik algoritmaları 1 ile daha bazı sorunları çözmek için kullanılabilir göstermiştir bu yana Kuantum bilgi bilim ilgi çok çekti. Bir iki seviyeli sistem olduğu için bir kuantum bit (qubit) önde gelen aday bir kuantum nokta sınırlı tek bir elektronun spin. Çok sayıda mimarileri nanoteller 2, karbon nanotüpler 3, Kendi oluşturduğunuz bir kuantum noktaları 4, ve yarı iletken dikey 5 ve yan kuantum noktaları 6 yarı iletken dahil olmak üzere kuantum noktaları, uygulanması için önerilmiştir. GaAs Gate tanımlı yan kuantum noktaları / AlGaAs heteroyapıların nedeniyle çok yönlü çok başarılı olmuştur ve üretim süreci bu makalenin odak noktasıdır.
Yan kuantum noktaları, örnek yüzeyine dik yönde elektronların hapsi (z yönü) iin uygun bir alt tabaka seçerek elde etti. GaAs / AlGaAs modülasyon katkılı heteroyapı AlGaAs ve GaAs katmanları arasında arabirim sınırlı bir iki boyutlu elektron gazı (2DEG) sunar. Bu örnekler, modülasyon-doping tekniği ile birlikte, düşük kirlilik yoğunluğu elde etmek için moleküler demet epitaksi tarafından yetiştirilen 2DEG yüksek elektron hareketlilik yol açar edilir. Heteroyapı yanı sıra bant yapısı farklı katmanların Şekil 1'de şematik olarak gösterilmektedir. Yüksek bir elektron hareket kuantum nokta, tüm yüzey üzerinde elektronik devletlerin tutarlılığı sağlamak için 2DEG gereklidir. Aşağıda açıklanan üretim süreci için kullanılan substrat Kanada Ulusal Araştırma Konseyi satın alınan ve 2.2 x 10 11 cm -2 ve 1.69 x 10 6 cm 2 / Vsec bir elektron hareketlilik bir elektron yoğunluğu sunar edildi.
Yönde gövdeye paralel elektronların hapsinumune yüzeyine lel alt-tabakanın yüzeyi üzerine, metalik elektrot yerleştirilmesi ile elde edilir. Bu elektrotlar GaAs numunenin yüzeyi üzerinde biriktirilir ve zaman Schottky engeller 7 oluşturulmuştur. Bu elektrotlar uygulanan negatif gerilim yeterli enerji ile sadece elektronların çapraz hangi aşağıdaki 2DEG yerel engelleri yol açar. Uygulanan gerilim hiçbir elektron bariyerini geçtiği için yeterli enerjiye sahip yeterli negatif olduğunda 2DEG tükenmesi oluşur. Bu nedenle, dikkatli bir şekilde elektrot geometrisi seçerek, bu numunenin tükenmiş bölgeleri arasında bir elektron az sayıda yakalamak mümkündür. Nokta olarak numunenin geri kalan nokta ve 2DEG arasındaki tünel enerji elektron sayısı kontrolü elektrotlar üzerindeki gerilim ince ayarlanması sureti ile elde edilebilir. Kapının elektrotlar ve tükenmiş elektron gazının bir şeması Şekil 2 'de gösterilmiştir. Nokta oluşturan kapı yapıları için tasarımlarındadırBarthel ve arkadaşları tarafından kullanılan tasarımı ile sivri. 8
Kontrol ve nokta üzerinde elektron sayısı ile ilgili bilgi okumak için, bu nokta üzerinden akım teşvik ve ölçmek için yararlıdır. Okuma aynı zamanda 2DEG üzerinden bir akım gerektiren bir Kuantum Nokta İletişim (QPC), kullanılarak yapılabilir. 2DEG ve gerilim kaynakları arasındaki temas omik kişiler tarafından sağlanmaktadır. Bu (Şekil 3a ve 4b bakınız) standart bir hızlı termal tavlama işlemi 7 kullanarak 2DEG için örnek yüzeyinden tüm yol aşağı yayılır olan metalik yastıkları bulunmaktadır. Kaynak ve drenaj arasında kısa devre yapmasından kaçınmak için, örnek yüzeyi (bkz. Şekil 3b ve 4a) 2DEG bazı bölgelerde tükenmiş ve mevcut bazı özel kanallar aracılığıyla seyahat etmek zorunda şekilde kazınmış. 2DEG hala devam bölge "mesa" olarak adlandırılır.
Bir GaAs / AlGaAs yüzeye bir kapı tanımlı yan kuantum nokta, aşağıdaki protokol ayrıntıları, tüm üretim süreci. Fabrikasyon olan cihaz bile bir tek, çift veya üçlü kuantum nokta veya kuantum noktaları bir dizi ise ne olursa olsun aynı kalır çünkü süreç ölçeklenebilir. Manipülasyon, ölçüm, ve bu yöntem kullanılarak üretilen çift kuantum noktaları için sonuçlar daha bölümlerde tartışılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yukarıda sunulan işlemi birkaç elektron rejim ulaşmak mümkün bir çift kuantum nokta yapımını protokol açıklar. Bununla birlikte, verilen parametreler kullanılan ekipman model ve kalibrasyon bağlı olarak değişebilir. Bu nedenle, E-ışını ve fotolitografi adımları sırasında maruz kaldığı için doz gibi parametrelerin cihazların imalatı önce kalibre edilmesi gerekir. Işlemi kolayca imalatı için adapte edilebilir kapı tanımlı başka bir 2DEG bulunmaları Si / SiGe gibi taşıyıcı yüzey…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar teknik destek için Michael Lacerte teşekkür ederim. MP-L. mali destek için Nature et Teknolojileri (FRQNT) – İleri Araştırma (Kötü İyi cifar), Doğa Bilimleri ve Kanada'nın Mühendislik Araştırma Kurumu (NSERC), Yenilikler için Kanada Vakfı (CFI) ve Fonds de Recherche Québec için Kanada Enstitüsü kabul etmektedir. Burada sunulan cihaz NanoQuébec tarafından finanse CRN2 ve IMDQ tesisleri, de üretildi. GaAs / AlGaAs yüzey Ulusal Araştırma Konseyi Kanada'da Mikroyapı Bilimler Enstitüsü ZR Wasilewski tarafından üretildi. JCL ve CB-O. mali destek için CRSNG ve FRQNT kabul.
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).
