Nanofabrication von Tor-definiert GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, laterale Quantenpunkte herzustellen, die in der Lage sind, den Einzelelektronenbereich zu erreichen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein geeignetes Substrat ausgewählt und ein Mesa geätzt wird, um einen Bereich der Probe abzugrenzen, in dem das zweidimensionale Elektronengas vorhanden sein wird. Der zweite Schritt besteht in der Herstellung von ommischen Kontakten mit Hilfe von photolithographischen und thermischen Schnellverfahren.

Als nächstes werden die Leitungen und Gates, die den Punkt definieren, durch Elektronenstrahllithographie hergestellt. Der letzte Schritt besteht darin, die Klebepads und die größeren Leitungen mittels Fotolithographie herzustellen. Letztendlich werden Stabilitätsdiagramme bei niedrigen Temperaturen gemessen, um zu zeigen, dass das Regime von wenigen Elektronen erreicht werden kann.

Der Hauptvorteil dieses Bauelements gegenüber bestehenden Spin-Qubits, wie z. B. vertikalen Quantenpunkten, besteht darin, dass die Eigenschaften der lateralen Quantenpunkte abstimmbar sind. Obwohl dieses Protokoll zur Herstellung von lateralen Quantenpunkten auf Gallium-Maronit-Aluminium-, Gallium-Maronit- und Hetero-Strukturen verwendet wird, kann es auch leicht angepasst werden, um Geräte auf anderen Substraten wie Silizium herzustellen. Silizium-Germanium.

Beginnen Sie mit einem Substrat aus Modulation, dotiert, Galliumarsenid, Aluminium, Galliumarsenid, Heterostruktur, aus dem Spuren von Resist und organischen Verbindungen entfernt wurden. Dieses Beispiel, ein Quadrat mit Seiten, die etwas länger als einen Zentimeter sind, fasst 20 identische gefertigte Geräte. Reinigen Sie die Probe zweimal fünf Minuten lang in einem Schallbad mit geringer Leistung mit Aceton.

Reinigen Sie es dann weitere fünf Minuten im Schallbad mit Isopropylalkohol. Föhnen Sie die Probe mit Stickstoff aus einer komprimierten Stickstoffpistole. Als nächstes backen Sie die Probe in einem Ofen bei 125 Grad Celsius für mindestens 15 Minuten, um die Oberfläche nach der Dehydrierung zu dehydrieren, lassen Sie die Probe auf Raumtemperatur abkühlen und schleudern Sie sie dann mit Shipley S 1818 Fotolack bei 3.500 U/min für 30 Sekunden.

Anschließend die Probe auf einer heißen Platte bei 115 Grad Celsius 60 Sekunden backen. Während des Spinnens des Resists hat die Probe eine Randraupe auf ihren Konturen gebildet. Ein fotolithographisches Verfahren wird verwendet, um diese Randraupe zu entfernen und einen besseren Kontakt zwischen der Maske und der Probenoberfläche zu ermöglichen.

Während der Entwicklung wird nur der belichtete Lack am Rand der Probe entfernt, so dass in der Mitte eine perfekt ebene Oberfläche des Resists verbleibt. Fahren Sie fort, indem Sie einen Aligner für fotolithische Grafikmasken verwenden, um eine Kantenperlenmaske zu positionieren, die aus einem ein Zentimeter mal einen Zentimeter großen Chromquadrat auf einer Glasplatte besteht. Setzen Sie den Resist am äußeren Rand der Probe 10 Sekunden lang UV-Licht aus.

In diesem Aufbau hat das UV-Licht eine Wellenlänge von 436 Nanometern und eine Leistung von 15 Milliwatt pro Quadratzentimeter. Wenn die Ausrüstung variiert, sollte die Belichtung so angepasst werden, dass sie gut definierte Merkmale erhält, den belichteten Resist auf der Probe entwickeln, indem die Probe zwei Minuten und 10 Sekunden lang in MF drei 19 Entwickler getaucht wird, während sie gerührt wird, die Probe langsam 15 Sekunden lang in Wasser abspülen und mit komprimiertem Stickstoff trocken blasen. Nachdem Sie die Randraupe entfernt haben, fahren Sie mit dem fotolithografischen Masken-Aligner fort, jetzt in Verbindung mit der Mesa-Maske, die den Bereich für das zweidimensionale Elektronengas erstellt.

Setzen Sie die Probe sieben Sekunden lang UV-Licht aus. Entwickeln Sie den belichteten Resist erneut, indem Sie ihn zwei Minuten und 10 Sekunden lang in den Entwickler eintauchen. Spülen Sie es 15 Sekunden lang in Wasser ab und blasen Sie es mit komprimiertem Stickstoff trocken.

Der verbleibende Resist auf der Probe hat nun die Form des Mesa. Entfernen Sie alle Lackspuren im zuvor belichteten Bereich, indem Sie die Probe eine Minute lang mit Sauerstoffplasma bei 75 Watt in einen Plasma-Asher legen. Bereiten Sie als nächstes eine Ätzlösung aus Wasser, Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure im Verhältnis 55 zu eins zu fünf vor.

Lassen Sie die Lösung 20 Minuten ruhen, bevor Sie fortfahren. Es ist notwendig, die Oberfläche der Probe über die Schicht der Siliziumpunkte fast vollständig bis zum zweidimensionalen Elektronengas zu ätzen, um sicherzustellen, dass sich im geätzten Bereich kein zweidimensionales Gas mehr befindet. Tauchen Sie dazu die Probe fünf bis 10 Sekunden lang in die saure Lösung und spülen Sie sie dann sofort 30 Sekunden lang in Wasser ab.

Um die Reaktion zu stoppen, messen Sie die Ätztiefe mit einem Profilometer. Führen Sie nach jeder Immersion mehrere fünf- bis zehnsekündige Tauchgänge und Tiefenmessungen durch, bis die gewünschte Ätztiefe erreicht ist. Bei diesem Substrat führen insgesamt 34 Sekunden Eintauchen zu einer Ätztiefe von 90 bis 100 Nanometern.

Entfernen Sie den Resist, indem Sie die Probe drei Stunden lang bei 65 Grad Celsius in 1165-Entferner tauchen. Spülen Sie die Probe fünf Minuten lang mit Aceton und anschließend weitere fünf Minuten mit Isopropylalkohol. Hier ist eine Vorrichtung an dieser Stelle des Protokolls, um der Probe mit einer Mesa-Spin-Beschichtung, einer Schicht aus LOR fünf A, dann S 1813, omische Kontakte hinzuzufügen und die Randperle zu entfernen.

Verwenden Sie als Nächstes den Aligner der fotolithografischen Maske mit der omischen Kontaktmaske, um die Muster für die omischen Kontakte auf dem geätzten Mesa auszurichten, der sechs Sekunden lang mit UV-Licht belichtet wurde. Entwickeln, spülen und trocknen Sie die Probe. Verwenden Sie dann Sauerstoffplasma, um den verbleibenden Resist aus dem exponierten Bereich zu entfernen.

Bereiten Sie eine Lösung aus Schwefelsäure und Wasser im Verhältnis eins zu fünf vor. Entfernen Sie das native Galliumarsenidoxid, indem Sie die Probe 30 Sekunden lang in die Lösung eintauchen. Anschließend 30 Sekunden lang in Wasser spülen und dann so schnell wie möglich mit komprimiertem Stickstoff trocken föhnen.

Legen Sie die Probe in eine E-Beam-Verdampferablagerung, 25 Nanometer Nickel, 56 Nanometer Germanium und 80 Nanometer Gold. Der Vorteil der Verwendung einer doppelten Lackschicht wird in diesem Schritt deutlich, wenn die belichtete Probe in den Entwickler eingelegt wird.

Die untere Schicht von LOR five A löst sich schneller auf als die obere Schicht von S 1813, wodurch ein Hinterschnitt entsteht, wenn das Metall über die gesamte Oberfläche der Probe abgeschieden wird. Dieses Profil im Resist verhindert, dass sich an den Rändern der Metallformen Wände aus Metall bilden. Durch den Hinterschnitt kann auch das auf dem Lack abgelagerte Metall leicht entfernt werden.

Um das unerwünschte Metall zu entfernen, lösen Sie den Lack auf, indem Sie die Probe drei Stunden lang bei 65 Grad Celsius in einen Entferner tauchen. Um unerwünschtes Metall anzuheben, besprühen Sie die Oberfläche der Probe mit einer Pipette vorsichtig mit warmem Entferner. Spülen Sie die Probe in Aceton, dann diffundieren Sie das abgeschiedene Metall mit Isopropylalkohol jeweils fünf Minuten lang in das zweidimensionale Elektronengas mit einem schnellen thermischen Glühprozess in Formiergas Während des schnellen thermischen Glühenprozesses diffundiert das Gold, das auf der Oberfläche der Probe abgeschieden wurde, durch eine bestimmte Anzahl von Kanälen in das Galliumarsenid-Aluminium-Galliumarsenid-Substrat.

Diese metallischen Kanäle stellen die elektrische Kontinuität zwischen dem zweidimensionalen Elektronengas und den Kontaktpads sicher, die sich in späteren Schritten auf der Oberfläche der Probe ablagern. Hier ist eine Vorrichtung nach der Glühstufe zu sehen. Die Herstellung der Titan-Gold-Schockschlüsselkabel beginnt mit der Vorbereitung der Probe, so dass sie eine Schicht aus PMMA-Resist mit hohem Molekulargewicht über einer Schicht aus PMMA-Resist mit niedrigem Molekulargewicht aufweist.

Die Elektroden verwenden ein Rasterelektronenmikroskop, das für die Elektronenstrahllithographie ausgerüstet ist. Legen Sie die Probe in das Rasterelektronenmikroskop, stellen Sie die Mikroskopparameter wie den Fokus und den Stigmatismus ein und messen Sie den Strahlstrom mit einem Faradayschen Becher. Halten Sie eine zuvor vorbereitete CAD-Datei bereit, die das Muster für die Elektroden enthält, die durch das Mikroskop belichtet werden.

Richten Sie den Strahl auf die omischen Kontakte aus und stellen Sie die Vergrößerung auf das 300-fache ein. Das Rasterelektronenmikroskop ist so programmiert, dass es die gewünschten Bereiche belichtet, indem es eine Anordnung von Punkten darin belichtet. Eine Flächendosis von 43 Mikrokula pro Quadratzentimeter wird gewählt, um scharfe Merkmale der gewünschten Abmessungen zu erhalten. Bereiten Sie eine Lösung aus neun Teilen, Isopropylalkohol und einem Teil Wasser bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius vor.

Entwickeln Sie den Resist, indem Sie die Probe 30 Sekunden lang in die Lösung eintauchen. 30 Sekunden lang in Wasser spülen und mit komprimiertem Stickstoff trocken föhnen. Um alle Spuren von Resist von den belichteten Mustern zu entfernen, legen Sie die Probe vier Sekunden lang in ein Sauerstoffplasma.

Entfernen Sie bei 50 Watt das Galliumarsenid-Aluminium-Galliumarsenid-native Oxid, indem Sie die Probe in Schwefelsäurelösung eintauchen. Als nächstes wird die Probe in einen ebeam-Verdampfer gegeben und 10 Nanometer Titan sowie 20 Nanometer Gold abgeschieden. Dann wird die Probe in einen Entferner bei 65 Grad Celsius gegeben, um den restlichen Lack und das überschüssige Metall zu entfernen.

Ein Gerät in dieser Phase wird hier gezeigt. Aluminium-Schrot-Schlüsselminen und -Gates, die den Punkt definieren, werden nach dem gleichen Verfahren hergestellt, das auch für die Herstellung der Titan-Gold-Schrot-Schlüsselminen verwendet wird. Sobald diese an Ort und Stelle sind, verwenden Sie das Ultraschallbad nicht zum Reinigen der Probe, da dies die endgültigen Aluminiumanschnitte beschädigen kann.

Zur Herstellung der Bonding-Pads wird die Probe mit einer Schicht LOR fünf A Resist vorbereitet, gefolgt von S 1813.Resist. Entfernen Sie dann die Randraupe mit einem fotolithografischen Masken-Aligner mit dem Schuss. Maske für wichtige Leads.

Richten Sie die Muster für die Klebepads sechs Sekunden lang an den zuvor hergestellten Strukturen aus, die freigelegt wurden. Nach der Entwicklung der freigelegten Muster wird die Probe in einen Elektronenstrahlverdampfer gegeben und 30 Nanometer Titan und 350 Nanometer Gold abgeschieden. Nachdem überschüssiges Metall entfernt und die Probe gespült wurde, sollte ein Gerät wie hier abgebildet aussehen.

Der letzte Schritt des Protokolls besteht darin, die Probe zu würfeln, um die einzelnen Geräte zu trennen. Spinco S 1818 resistieren bei niedriger Geschwindigkeit auf der Oberfläche der Probe. Diese dicke Lackschicht schützt die hergestellten Strukturen während des Würfelns.

Legen Sie eine Schicht Würfelband auf die Ober- und Unterseite der Probe. Legen Sie dann die Probe in die Notaufnahme, sobald die Probe gewürfelt ist, legen Sie sie einige Minuten lang in Aceton, um das Würfelband und den Schutzlack zu entfernen, spülen Sie die einzelnen Geräte in Isopropylalkohol und föhnen Sie sie vorsichtig mit komprimiertem Stickstoff trocken. Hier sind die 20 erhaltenen Endprodukte neben einem Ausgangssubstrat aus Galliumarsenid zu sehen.

Die Probe ist nun bereit, montiert und auf einen Probenhalter geklebt zu werden. Sobald dies geschehen ist, legen Sie die Probe zur Charakterisierung bei niedrigen Temperaturen in einen Heliumkryostaten. Ein einfacher Test der Gangintegrität kann durchgeführt werden, indem eine Spannungsvorspannung zwischen zwei omic-Kontakten angelegt und der durch die Probe geleitete Strom in Abhängigkeit von der an einem Gate-Paar angelegten Spannung gemessen wird. Gezeigt.

Hier ist ein Beispiel für solche Messungen, die bei 1,4 Kelvin mit einer Spannungsvorspannung von 500 Mikrovolt zwischen Source und Drain durchgeführt wurden. Die Bedeutung der Gangmarkierungen ist auf der rechten Seite zu sehen: Die Verarmung der 200 Nanometer breiten Elektroden ist bei etwa minus 300 Millivolt zu sehen. Die Erschöpfung der 60-Nanometer-Gates ist bei etwa minus 750 Millivolt abgeschlossen.

Die Plateaus, die bei niedrigeren Spannungen zu sehen sind, entsprechen der Quantisierung des Leitwerts. Typische Werte für Pinch-Off-Punkte zwischen Gate-Paaren liegen zwischen minus 500 Millivolt und minus zwei Volt. In dieser Stichprobe sind die Gatter wahrscheinlich geometrisch ähnlich, da die Paare oben in der Mitte und oben in der Mitte oben rechts den Strom bei ungefähr gleichen Spannungen abschalten.

Das Gleiche gilt für die obere Mitte mit den unteren linken Paaren und die obere Mitte mit den unteren Rechts-Paaren. Die Tatsache, dass bei hohen Spannungen immer noch der Strom zwischen dem oberen mittleren und dem unteren mittleren Gate fließt, deutet jedoch darauf hin, dass das untere mittlere Gate entweder defekt ist oder fehlt. In der Regel verfügen ca. 50% der getesteten Geräte über voll funktionsfähige Gates und OMI-Kontakte.

Sobald ein voll funktionsfähiges Gerät gefunden wurde, messen Sie ein Stabilitätsdiagramm, um zu bestätigen, dass das Nullelektronenregime erreicht werden kann. In diesem Diagramm geben die linken und rechten Zahlen in Klammern die Anzahl der Elektronen in den linken bzw. rechten Punkten für unterschiedliche Spannungswerte auf dem unteren linken und unteren rechten Tor an. Die grünen Linien werden verwendet, um Bereiche mit einer konstanten Anzahl von Elektronen zu löschen.

Die Farbskala stellt den Stromfluss durch das Gate bei unterschiedlichen Gate-Spannungen dar. Nach diesem Verfahren können Mikrom-Magnete auf dem Gerät angebracht werden, um eine ultraschnelle Manipulation des Elektronenspins mit Mikrowellenpulsen nach seiner Entwicklung zu ermöglichen.

Diese Technik ebnete Forschern auf dem Gebiet des experimentellen Quantencomputings den Weg, um die Wechselwirkung zwischen Mehrfachelektronen- und Doppelquantenpunkten zu erforschen.