הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

Nanofabrication של השער שהוגדרו GaAs / AlGaAs נקודות קוונטיות רוחביות

16.3K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/50581

⸱

1 בנובמבר 2013

 ,  , 
1Département de Physique, Faculté des Sciences, Université de Sherbrooke

במאמר זה

סיכום

מאמר זה מציג פרוטוקול ייצור מפורט לשער שהוגדרו נקודות קוונטיות של מוליכים למחצה לרוחב על heterostructures arsenide גליום. התקני ננו אלה משמשים כדי ללכוד כמה אלקטרונים לשימוש כביטים קוונטיים בעיבוד אינפורמציה קוונטית או לניסויים אחרים Mesoscopic כגון מדידות מוליכות קוהרנטית.

תקציר

מחשב קוונטים הוא מחשב המורכב מביטים קוונטיים (קווביטים) שמנצל אפקטים קוונטיים, כגון סופרפוזיציה של מדינות והסתבכות, כדי לפתור בעיות מסוימות מהר יותר מאשר באופן אקספוננציאלי עם האלגוריתמים הידועים ביותר במחשב קלסית. שער מוגדר נקודות קוונטיות לרוחב על GaAs / AlGaAs הן אחד דרכים רבות חקרו ליישום של קיוביט. כאשר מפוברק כמו שצריך, מכשיר כזה הוא מסוגל ללכוד מספר קטן של אלקטרונים באזור מסוים של שטח. מדינות הספין של אלקטרונים אלה לאחר מכן ניתן להשתמש כדי ליישם 0 הגיוניים ו1 של ביט הקוונטים. בהתחשב בקנה המידה ננומטרי של נקודות קוונטיות אלה, מתקני cleanroom מציעים ציוד מיוחד, כגון כסריקת מיקרוסקופ אלקטרונים וקרן אלקטרונית מאיידים-נדרשים לייצורם. בזהירות רבה יש לנקוט בכל תהליך הייצור כדי לשמור על ניקיון של שטח המדגם וכדי למנוע נזק לשערים הרעועים של המבנה. מאמר זהמציג את הפרוטוקול מפורט של ייצור שער שהוגדרו נקודות קוונטיות לרוחב מהרקיק למכשיר עובד. שיטות אפיון ותוצאות מייצגות גם הם דנו בקצרה. למרות שמאמר זה מתמקד בנקודות קוונטיות כפולות, תהליך הייצור נשאר זהה לנקודות בודדות או משולשת או אפילו מערכים של נקודות קוונטיות. יתר על כן, ניתן להתאים את הפרוטוקול לפברק נקודות קוונטיות לרוחב על מצעים אחרים, כגון סי / SiGe.

מבוא

מדע המידע הקוונטי משך הרבה תשומת לב מאז שהראה כי ניתן להשתמש באלגוריתמי קוונטים כדי לפתור בעיות מסוימות מהר יותר מאשר באופן אקספוננציאלי עם האלגוריתמים הקלסיים הידועים ביותר 1. מועמד מובן מאליו לביט קוונטים (קיוביט) הוא הספין של אלקטרון הבודד מוגבלים בנקודה קוונטית שכן הוא הוא מערכת של שתי רמות. ארכיטקטורות רבות הוצעו ליישום של נקודות קוונטיות, כולל מוליכים למחצה nanowires 2, צינורות פחמן 3, נקודות קוונטיות עצמית התאספו 4, ומוליכים למחצה אנכי 5 נקודות קוונטיות ורוחב 6. נקודות קוונטיות לרוחב שער, שהוגדר בGaAs / heterostructures AlGaAs היה מאוד מוצלח בגלל הרבגוניות שלהם ותהליך הייצור שלהם הוא המוקד של מאמר זה.

בנקודות קוונטיות לרוחב, הכליאה של אלקטרונים בכיוון ניצבת למשטח המדגם (z כיוון) אניהמושגת על ידי בחירה של המצע הראוי. Heterostructure אפנון המסומם GaAs / AlGaAs מציג גז אלקטרונים דו ממדים (2DEG) מוגבלים לממשק בין AlGaAs ואת שכבות GaAs. דגימות אלה גדלו בepitaxy הקרן המולקולרי כדי להשיג צפיפות נמוכה טומאה אשר, בשילוב עם טכניקת אפנון הסימום, מובילה לניידות אלקטרונים גבוהה ב2DEG. סכמטי של שכבות heterostructure, כמו גם מבנה להקתה השונות מוצגים באיור 1. יש צורך בניידות אלקטרונים גבוהה ב2DEG על מנת להבטיח העקביות של מצבים אלקטרוניים על כל פני השטח של הנקודה קוונטית. המצע המשמש לתהליך הייצור המתואר להלן נרכש ממועצת המחקר הלאומי של קנדה, ומציג את צפיפות אלקטרונים של 2.2 x 10 11 ס"מ -2 וניידות אלקטרונים של 1.69 x 10 6 ס"מ 2 / Vsec.

הכליאה של אלקטרונים בParal הכיווניםlel אל פני השטח המדגם מושגת על ידי הנחת אלקטרודות מתכתיות על פני השטח של המצע. כאשר אלקטרודות אלה שהופקדו על פני השטח של מדגם GaAs, מחסומי שוטקי נוצרים 7. מתחים שליליים יושמו לאלקטרודות כאלה יובילו למחסומים מקומיים ב2DEG שמתחתיו רק אלקטרונים עם מספיק אנרגיה יכולים לחצות. דלדול של 2DEG מתרחש כאשר המתח המיושם הוא שלילי מספיק, כי אין להם אלקטרונים מספיק אנרגיה כדי לחצות את המחסום. לכן, על ידי בחירה בגיאומטריה של אלקטרודות בזהירות, זה אפשרי כדי ללכוד מספר קטן של אלקטרונים בין האזורים מדולדלים של המדגם. שליטה על מספר האלקטרונים בנקודה, כמו גם את האנרגיה מנהור בין הנקודה ו2DEG בשאר המדגם יכולה להיות מושגת על ידי כיוון עדין המתחים על האלקטרודות. סכמטי של אלקטרודות השער וגז האלקטרונים המדולדל מוצג באיור 2. העיצוב למבני השער יוצרים נקודה הוא בspired על ידי העיצוב בשימוש על ידי Barthel et al. 8

כדי לשלוט ולקרוא את מידע בנוגע למספר האלקטרונים בנקודה, הוא שימושי כדי לגרום ולמדוד את הזרם דרך הנקודה. Readout יכול להיעשות גם על ידי שימוש בקשר עם נקודה קוונטית (QPC), אשר דורש גם זרם דרך 2DEG. הקשר בין מקורות 2DEG ומתח מובטח על ידי אנשי קשר ohmic. אלה הם רפידות מתכתיות המתפזרות מפני השטח של המדגם כל הדרך למטה ל2DEG באמצעות תהליך לחשל 7 תרמית מהיר סטנדרטי (ראה 3a דמויות ו4 ב). כדי להימנע ממעגלים קצרים בין המקור והניקוז, פני השטח של המדגם חקוק כך ש2DEG תיגמר באזורים מסוימים והנוכחי הוא נאלץ לנסוע דרך ערוצים ספציפיים מסוימים (ראו באור 3 דמויות ו4 א). האזור שבו עדיין נשאר 2DEG שמכונה "מסה".

פרטי הפרוטוקול הבאים תהליך הייצור כולו של שער מוגדר נקודה קוונטית לרוחב על מצע GaAs / AlGaAs. התהליך הוא מדרגי שכן הוא נשאר אותו הדבר, ללא קשר אם המכשיר שהמפוברק הוא יחידה, כפולה, משולשת או נקודה קוונטית או אפילו מערך של נקודות קוונטיות. מניפולציה, מדידה ותוצאות עבור נקודות קוונטיות כפולות מפוברקות בשיטה זו הם דנו בסעיפים נוספים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

תהליך הייצור המתואר להלן נעשה על מצע AlGaAs GaAs / עם ממדים של 1.04 ס"מ x 1.04. עשרים מכשירים זהים מיוצרים על מצע בגודל זה. כל השלבים של התהליך מתבצעים בחדר נקי וציוד מגן מתאים, יש להשתמש בכל העת. מים deionized משמש לאורך כל התהליך, אבל הוא פשוט מכונים "מים" בפרוטוקול שלהלן.

1. תחריט של מסה

התוצאה של צעד זה ייצור מוצגת באיור 4 א.

  1. הנח את הדוגמא בפלזמה אשר עם O 2 בפלזמה 75 W למשך 2 דקות כדי להסיר כל עקבות של תרכובות לא רצויות להתנגד או אורגניות.
  2. נקה את המדגם באמבט קולי עם אצטון (2x) וIPA במשך 5 דקות כל אחד. מכה יבשה עם אקדח דחוס N 2. לאורך כל פרוטוקול הייצור, בעת שימוש באמבטיה קולית, להימנע משימוש בסמכויות גבוהות כדי למנוע פגיעה ברקיק GaAsשיש לו נטייה להידבק.
  3. אופים את המדגם בתנור ב 125 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות לפחות כדי ליבש את פני השטח. התייבשות יכולה גם להיות מושגת על ידי הנחת המדגם על צלחת חמה ב 180 מעלות צלזיוס במשך לפחות 5 דקות.
  4. ספין מעיל המדגם עם photoresist יפלי S1818 ב 3500 סל"ד במשך 30 שניות ואופים על צלחת חמה ב 115 מעלות צלזיוס למשך 60 שניות. השכבה כתוצאה של פיתוי צריכה להיות כ -2.5 מיקרומטר עבה. S1818 משמש כי הוא עבה והוא מושפע מעט מאוד על ידי הפתרון בשימוש בצעד 1.11 לחרוט את המצע. לאורך כל תהליך הייצור, חשוב להימנע מoverbaking photoresist וקרן אלקטרונית להתנגד כדי להבטיח הסרה קלה בשלבים הבאים.
  5. השתמש aligner מסכת photolithographic ומסכת חרוז קצה לחשוף להתנגד בקצה החיצוני של המדגם. המסכה מורכבת מחרוז קצה x 1 ס"מ מרובע כרום 1 על צלחת זכוכית. להשתמש באור עם אורך גל של 436 ננומטר ולחשוף להתנגד ל10 שניות ב15m W / 2 ס"מ. Wavelength וכוח הם קבועים ועשויים להשתנות עם המכונה בשימוש. התאם את זמני חשיפה ופיתוח כדי להשיג תכונות מוגדרות היטב בגודל הנכון.
  6. לפתח חשוף בפני ידי טבילה במדגם MF-319 למשך 2 דקות 10 שניות. להתסיס לאט במהלך שלב זה. יש לשטוף במים במשך 15 שניות ולפוצץ יבשים עם אקדח דחוס N 2. יש להסיר את קצה חרוז בסוף השלב זה, והשאיר את משטח ס"מ 1 X 1 עם עובי אחיד של להתנגד באמצע של המדגם. קצה חרוז יוסר לפני חשיפת מסכת Mesa להשיג מגע טוב יותר בין המסכה לבין המדגם, מה שמוביל לתוצאות טובות יותר.
  7. עדיין משתמש aligner מסכת photolithographic, לחשוף להתנגד באמצעות מסיכת מסה ואור ננומטר 436 ל7 שניות ב 15 mW / 2 ס"מ.
  8. לפתח חשוף בפני ידי הטבילה במדגם MF-319 למשך 2 דקות 10 שניות ולהסעיר לאט. יש לשטוף במשך 15 שניות במים ולפוצץ יבשים עם אקדח דחוס N 2. להתנגד remaininעכשיו יש G על מדגם צורה של מסה. להתנגד יגן על אזור זה של המדגם מלהיות חרוטים משם בשלבים הבאים.
  9. כדי להסיר את כל העקבות של להתנגד באזור נחשף בעבר, המדגם ממוקם בפלזמה אשר והיא חשופה לO 2 פלזמה 1 דקות ב75 W.
  10. פתרון של H 2 SO 4: H 2 O 2: H 2 O (05:01:55) משמש כדי לחרוט המדגם. מערבבים את הפרופורציות הנאות של H 2 O 2 ומים ולאחר מכן להוסיף H 2 SO 4. פתרון זה הוא מאוד תגובתי, כאשר היא מוכנה ראשונה. חכה 20 דקות לפני שתמשיך לשלב הבא כדי למנוע overetching.
  11. לחרוט את המדגם על ידי טבילתו בתמיסת החומצה למשך מספר שניות ומייד שטיפה במים למשך 30 שניות כדי לעצור את התגובה. פני השטח של המדגם צריך להיות חקוק בעבר שכבת dopants Si וכמעט כל הדרך למטה ל2DEG כדי להבטיח דלדול באזורים אלה (SEדואר איור 1). העומק לחרוט יכול להשתנות בהתאם למצע. באופן כללי, לסוג של מצע השתמש, טבילת שניות 34 מובילה לעומק לחרוט הרצוי של 90-100 ננומטר. עם זאת, חשוב שלא overetch כדי למנוע נזק ל2DEG. מאז השיעור לחרוט משתנה מאוד עם היחס של H 2 SO 4 ו-H 2 O 2 בפתרון, כמו גם עם זמן ההמתנה לפני לחרוט, מומלץ לבצע את התחריט על ידי מספר התעמקות של שניות 5-10, במקום של 34 שניות בודדים לחרוט, ולמדוד את העומק חרוט עם profilometer לאחר כל לחרוט. השיעור לחרוט האיטי יחסית של פתרון זה מאפשר שליטה טובה של העומק לחרוט. קירור פתרון התחריט מתחת לטמפרטורת חדר יכול להוביל להורדת מחירים לחרוט. עם זאת, מכיוון שמדובר בלחרוט רדוד והפרופיל לחרוט הוא חסר חשיבות, יכולים לשמש גם פתרונות תחריט שונים.
  12. הרצועה להתנגד ידי טבילת המדגם בשנת 1165 מסיר על 65 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות. לשטוףבאצטון וIPA במשך 5 דקות כל אחד. מדוד את הפרופיל לחרוט עם profilometer.

2. המצאה של אנשי קשר ohmic

התוצאה של צעד זה ייצור מוצגת באיור 4.

  1. נקה את המדגם באמבט קולי על ידי טבילה באצטון (2x) וIPA במשך 5 דקות כל אחד. תייבש עם אקדח דחוס N 2.
  2. אופים את המדגם בתנור ב 125 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות כדי ליבש את פני השטח.
  3. ספין מעיל עם LOR5A ב 2500 סל"ד במשך 30 שניות ואופים על צלחת חמה ב 150 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות. ואז, עם מעיל ספין S1813 ב 5000 סל"ד במשך 30 שניות ואופים על צלחת חמה ב 110 מעלות צלזיוס למשך 60 שניות. וכתוצאה מעוביים להתנגד הם ~ 600 ננומטר ו ~ 1.3 מיקרומטר, בהתאמה. שתי שכבות של להתנגד משמשות כדי להקל על ההמראה של המתכת שתופקד בשלב 2.10.
  4. שימוש במסכת aligner photolithographic ומסכת חרוז הקצה, לחשוף בפני באד החיצוניGE של המדגם עם אור 436 ננומטר במשך 10 שניות ב 15 mW / 2 ס"מ.
  5. לפתח חשוף בפני ידי הטבילה במדגם MF-319 למשך 2 דקות 10 שניות בזמן התססה בצורה חלקה. יש לשטוף במים במשך 15 שניות ולפוצץ יבשים עם אקדח דחוס N 2.
  6. עדיין משתמש aligner מסכת photolithographic, אבל הפעם עם מסיכת קשר ohmic, ליישר את הדפוסים עבור אנשי קשר ohmic על Mesa חרוט. לחשוף עם אור ננומטר 436 ל6 שניות ב 15 mW / 2 ס"מ.
  7. לפתח להתנגד בMF-319 למשך 2 דקות 10 שניות בזמן התססה בצורה חלקה. יש לשטוף במים במשך 15 שניות ולפוצץ יבשים עם אקדח דחוס N 2. אין יותר להתנגד באזורים שבו אנשי קשר ohmic יופקדו. היזם מתמוסס מהר יותר מאשר 5A רה"ט S1813, עוזב לערער מתחת לשכבה העליונה של פיתוי. פרופיל זה בלהתנגד מונע מתכת (שיופקד בשלב 2.10) מהקמת קירות בקצוות להתנגד וגם יאפשר remova קלl של הנותרים להתנגד ולא רצוי מתכת.
  8. כדי להסיר את כל העקבות של להתנגד באזור נחשף בעבר, הנח את הדוגמא בפלזמה ואשר חושף אותה לפלזמת O 2 דקות 1 ב -75 וו חשוב לא לתת הדגימה לשבת יותר מדי זמן בפלזמה בגלל כ 75 ננומטר / דקה של להתנגד חקוק בשלב זה.
  9. הסר את תחמוצת יליד GaAs ידי טבילת המדגם בפתרון של H 2 SO 4: H 2 O (1:5) למשך 30 שניות ושטיפה במים למשך 30 שניות. תייבש עם אקדח דחוס N 2. שלב 2.10 יש לבצעו בהקדם האפשרי כדי למנוע את תחמוצת היליד מלהופיע מחדש.
  10. השתמש במאייד אלקטרוני קורה להפקיד 25 ננומטר של NI, 55 ננומטר של GE, ו -80 ננומטר של Au. את השיעורים בתצהיר הם בהתאמה 0.2 ננומטר / sec, 0.5 ננומטר / שנייה ו0.5 ננומטר / sec. את השיעורים בתצהיר שנבחרו, כך שזמן האידוי קצר מספיק כדי להימנע מחימום החדר בלי להיות כל כך קצר כמו לאבד את הדיוק של העובי של לאהוא הופקד שכבה. Bilayer של גה וAu יכול להיות מוחלף על ידי שכבה אחת של GeAu eutectic אם הוא זמין 9.
  11. השלב הקודם הופקד מתכת על כל פני השטח של המדגם. הסרת המתכת שהופקדה על להתנגד נעשית על ידי ההמסה באפשרות השנייה. כדי לעשות זאת, לטבול את המדגם בשנת 1165 מסיר על 65 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות. כדי להסיר כל מתכת לא רצויה שייתכן שלא הרימה בכוחות עצמו, השתמש בפיפטה כדי לרסס את פני השטח של המדגם עם מסיר חם באורח קל. יש לשטוף את המדגם באצטון וIPA במשך 5 דקות כל אחד.
  12. תהליך לחשל תרמית מהירה בגז להרכיב משמש כדי לפזר את המתכת שהופקדה ל2DEG של המדגם. הטמפרטורה היא גדל בשיעור של 50 מעלות צלזיוס / שניות עד לטמפרטורה של 415 מעלות צלזיוס הוא הגיע. המדגם שנשאר בטמפרטורה זו במשך 20 שניות ולאחר מכן התקרר במהירות. המשך והטמפרטורה של לחשל נבחרו לקבל את ההתנגדות הקטנה ביותר באנשי הקשר בohmic נמוךטמפרטורה. הזמן לחשל האופטימלי יכול להשתנות בהתאם לעומק של 2DEG במצע.

3. המצאה של טי / Au Schottky הובלות

התוצאה של צעד זה ייצור מוצגת באיור 4 ג'.

  1. נקה את המדגם באמבט קולי על ידי טבילה באצטון (2x) וIPA במשך 5 דקות כל אחד. תייבש עם אקדח דחוס N 2.
  2. אופים את המדגם בתנור ב 125 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות כדי ליבש את פני השטח.
  3. ספין PMMALMW4% במעייל 5000rpm במשך 30 שניות ואופים על צלחת חמה ב 180 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות. ואז, ספין 2% HMW מעיל PMMA ב 5000 סל"ד במשך 30 שניות ואופים על צלחת חמה ב 180 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות. וכתוצאה מעוביים להתנגד הם ~ 75 ננומטר ו ~ 40 ננומטר, בהתאמה. מאז מוביל Ti / Au יהיה דק מאוד, ניתן להשתמש בו שכבה אחת של PMMA, אבל פרמטרים ספינינג, חשיפה ופיתוח צריכים להיות מותאמים בתוצאה. הערה זו חלה גם על לאהוא מוביל ושערים (שלב 4) אל.
  4. תהליך קורה אלקטרוני: חלק זה של התהליך תלוי מאוד בציוד המשמש את הפרוטוקול וצורך כך יכול להיות שונה מאוד מזה שתואר להלן. את הדפוסים למוביל נמשכים בקובץ CAD. בקובץ זה, מוביל צריך להיות מסומן כמצולעים סגורים כי הם 2 מיקרומטר רחב. מוביל יש צורך ליצור קשר עם רפידות מליטה (מפוברק בשלב 5) לשערי אל (מפוברק בשלב 4). חייבים גם להיות חשופים ארבעה סימני יישור כדי לאפשר את היישור האנכי, אופקי, ורוטציה של הפניות אל ושערים על גבי טי / Au Schottky מוביל.
    1. הנח את הדוגמא במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) כי הוא מצויד לעשות יתוגרפיה אלקטרוני קורה. השתמש בצמצם של 10 מיקרומטר כדי להקטין את גודל נקודת הקרן וקבע את מתח ההאצה עד 10 קילו וולט כדי להבטיח ניגודיות טובה במהלך היישור על המבנים מפוברקים בעבר. התאם את המיקוד, stigmatism, ויישור הצמצם.מדוד את הקרן הנוכחית עם כוס פאראדיי.
    2. יישר את הקורה עם Mesa חרוט בעבר ולהגדיר את ההגדלה ל300X.
    3. לחשוף את מוביל. SEM מתוכנת לחשוף את האזורים הרצויים על ידי מילוי אותם עם מערך של נקודות שנחשפו. המרחק בין הנקודות האלה (מרחק מרכז למרכז) הוא 5.5 ננומטר והמנה היא 43 μC / 2 ס"מ (את זמן החשיפה יהיה תלויה בקרן הנוכחית נמדדו בשלב 3.5.1). תחשוף סימני יישור כמו גם כדי לאפשר את היישור של השערים אל עם מוביל Ti / Au בשלב 4.
    4. חזור על שלבים 3.5.2 ו3.5.3 לכל אחת מ20 ההתקנים במדגם.
  5. לפתח להתנגד ידי טבילה במדגם IPA: H 2 O (9:01) למשך 30 שניות. הפתרון חייב להיות בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס יש לשטוף במים במשך 30 שניות ולפוצץ יבשים עם אקדח דחוס N 2. אם העדיף, PMMA להתנגד ניתן לפתח באמצעות IPA: פתרון MIBK ושטיפה בIPA כדי לעצור את התגובה. ד שונהזמן evelopment יהיה צורך, אם אפשרות זו נבחרה.
  6. הנח את הדוגמא בפלזמה ואשר חושף אותה לפלזמת O 2 עבור 4 שניות ב -50 וו זו מסירה 5 ננומטר של להתאפק ומבטיחה שאין להתנגד השאיר בתחתית התעלות שנוצרו במהלך תהליך הקורה אלקטרוני.
  7. הסר את תחמוצת יליד GaAs ידי טבילת המדגם בפתרון של H 2 SO 4: H 2 O (1:5) למשך 30 שניות ולשטוף במים למשך 30 שניות. תייבש עם אקדח דחוס N 2. שלב 3.8 צריכה להתבצע בהקדם האפשרי כדי למנוע את תחמוצת היליד מלהופיע מחדש.
  8. הנח את הדוגמא בקרן אלקטרונית מאייד וההפקדה 10 ננומטר של טי ושל 20 ננומטר Au, הן בשיעור של 0.1 ננומטר / sec. זה חשוב לבעל המדגם להיות מעוגן היטב והניח לפחות 60 ס"מ מהמקור כדי למנוע חיובים מצבירת על המדגם במהלך תהליך הדחה.
  9. המראת מתכת עודפת ידי טבילת המדגם בשנת 1165 מסיר על 65 מעלותצלזיוס למשך 15 דקות. כדי להסיר כל מתכת לא רצויה שייתכן שלא הרימה בכוחות עצמו, השתמש בפיפטה כדי לרסס את פני השטח של המדגם עם מסיר חם באורח קל. יש לשטוף באצטון וIPA במשך 5 דקות כל אחד.

4. המצאה של המוביל וגייטס אל שוטקי

התוצאה של צעד זה ייצור מוצגת באיור 4d.

הייצור של Schottky אל מוביל ושערים מהווים שלב הקריטי ביותר של תהליך הייצור מאז אלה הם שערים שמגדירים את הנקודה. חשוב שאלומת האלקטרונים להיות ממוקדת היטב ואת הקרן הנוכחית מותאמת היטב בשלב 4.2. החשיפה וזמני פיתוח גם חייבת להיות מותאמות היטב כדי להשיג שערים קטנים, רציפים ומוגדרים היטב. בפרוטוקולים רבים, שערים והמוביל אלה מיוצרים בטי / Au ונחשפים בו זמנית עם מוביל הקודם במהלך שלב 3. עם זאת, יתרון של שימוש באל הוא שניתן חמצון זה, Therefעפרות המאפשרות לאלמנטים כגון שערים עליונים להיות מופקדים ישירות על פני השטח של המדגם, ללא צורך של שכבת בידוד 10 גדולה.

  1. חזור על שלבים 3.1 עד 3.4.2. עם זאת, אין להשתמש באמבטיה קולית בעת ניקוי את המדגם כדי למנוע נזק למוביל Ti / Au.
  2. תהליך קורה אלקטרוני: הדפוסים למוביל והשערים Al נמשכים בקובץ CAD. מוביל Al משמש כדי ליצור קשר עם Ti / Au מוביל לשערי אל ונמשכים כמצולעים סגורים עם רוחב של 200 ננומטר. אל שערי אולם אינם נמשכים כמצולעים, אלא כשני קווים בודדים מופרדים על ידי 20 ננומטר.
    1. ברגע שהקרן כבר מיושרת עם מסה, להגדיר את ההגדלה ל -1,500 X וליישר את הקורה עם טי / Au Schottky מוביל.
    2. לחשוף את מוביל. השתמש במינון של 43 μC / 2 ס"מ ובמרחק מרכז למרכז 3.3 ננומטר.
    3. לחשוף את השערים. השתמש במנת שורה של 0.149 ס"מ / NC ומרחק מרכז למרכז של 1.1 ננומטר. זה יובילרוחב שער סופי של 60 ננומטר.
    4. חזור על שלבים 4.2.1 - 4.2.3 לכל אחת מ20 ההתקנים במדגם.
  3. חזור על שלבים 3.5-3.7.
  4. הנח את הדוגמא במאייד וההפקדה ננומטר קרן אלקטרונית של אל 30 בשיעור של 0.3 ננומטר / sec.
  5. חזור על שלב 3.10. חשוב להיות מאוד עדין עם מדגם מואילך שלב זה כדי למנוע נזק לשערי Al הקטנים.

5. המצאה של הובלות שוטקי ורפידות Bonding

התוצאה של צעד זה ייצור מוצגת באיור 4E.

  1. חזור על שלבים 2.1-2.9, באמצעות מסכת photolithographic לSchottky מוביל במקום מסיכה לרפידות ohmic.
  2. הנח את הדוגמא במאייד וההפקדה ננומטר אלקטרוני קורה של 30 טי ו350 ננומטר של Au בשיעורים של 0.3 ננומטר / שני וננומטר / 1 שניות בהתאמה. השכבה העבה של Au הופקדה מאפשרת מליטה של ​​המדגם לבעל המדגם משום שהוא נוטה פחות מאשר thi לקריעהשכבות nner.
  3. המראת המתכת העודף שנותר להתנגד ידי טבילת המדגם בשנת 1165 מסיר על 65 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות. כדי להסיר כל מתכת לא רצויה שייתכן שלא הרימה בכוחות עצמו, השתמש בפיפטה כדי לרסס את פני השטח של המדגם עם מסיר חם באורח קל. יש לשטוף את המדגם באצטון וIPA במשך 5 דקות כל אחד.

6. חיתוך של הדגימות

  1. אופים את המדגם בתנור ב 125 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות כדי ליבש את פני השטח.
  2. ספין מעיל עם S1818 ב 3500 סל"ד במשך 30 שניות ואופים על צלחת חמה ב 115 מעלות צלזיוס במשך דקות 1. עובי שכבה זו של פיתוי לא חשוב, כל עוד זה הוא עבה מספיק כדי להגן על פני השטח של המדגם במהלך החיתוך.
  3. מניחים שכבה של חיתוך קלטת על פניהם העליונים ותחתונים של המדגם. השכבה של סרט על פני למעלה מציעה שכבה נוספת של הגנה למכשיר בזמן החיתוך.
  4. הנח את הפנים כלפי מעלה במדגם קוצץ. חותכים את המדגם למכשירים שונים על ידי חיתוךלאורך כל דרך שכבה העליונה של קלטת חיתוך ורקיק GaAs את / AlGaAs בלי לחתוך דרך השכבה התחתונה של חיתוך קלטת.
  5. הסר את סרט החיתוך והמגן להתנגד על ידי הנחת המדגם באצטון לכמה דקות. להשתמש בפינצטה כדי לשלוף בעדינות חתיכות של נייר חיתוך שלא להרים בעצמם. יש לשטוף את המכשירים בIPA ולפוצץ יבש באמצעות אקדח N 2.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

אחד מהשלבים הקריטיים בתהליך שתואר לעיל הוא התחריט של מסה (שלב 1). חשוב לחרוט מספיק כדי להסיר מתחת 2DEG תוך הימנעות overetching. לכן, מומלץ להשתמש במדגם דמה GaAs בתפוצה רחבה כדי לבחון את פתרון התחריט לפני ביצוע לחרוט על מדגם AlGaAs GaAs /. השיעור לחרוט מheterostructure AlGaAs GaAs / הוא גדול יותר מזה של GaAs, אבל התחריט של הבובה יכול לתת אינדיקציה לשאלה האם הפתרון הוא פחות או יותר תגובתי יותר מהרגיל ולחרוט הזמן של המדגם בפועל יכול להיות בהתאם.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

התהליך שהוצג לעיל מתאר את פרוטוקול הייצור של נקודה קוונטית כפולה מסוגלת להגיע לשלטון מעטים האלקטרון. עם זאת, הפרמטרים נתון עשויים להשתנות בהתאם לדגם והכיול של הציוד המשומש. לכן, פרמטרים כגון מינונים לחשיפות במהלך השלבים אלקטרוני הקורה וphotolithography יצטרכו להיות מכוילים לפני הייצור של מכשירים. התהליך יכול בקלות להיות מותאם לייצור של שער מוגדר נקודות קוונטיות על סוגים אחרים של מצעים, כגון סי / SiGe, שגם בהווה 2DEG.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

יש מחברים אין לחשוף.

תודות

המחברים מודים למיכאל Lacerte לקבלת תמיכה טכנית. MP-L. מכיר במכון הקנדי למחקר מתקדם (CIFAR), מדעי הטבע והנדסת מועצת המחקר של קנדה (NSERC), הקרן הקנדית לחידושים (CFI), וFonds דה משוכלל ונדיר קוויבק - טבע et טכנולוגיות (FRQNT) לתמיכה כספית. המכשיר שהוצג כאן היה מפוברק בCRN2 וIMDQ מתקנים, שמומנו בחלקו על ידי NanoQuebec. מצע AlGaAs GaAs / היה מפוברק על ידי ZR ססילסקי מהמכון למדעי Microstructural במועצה הלאומי למחקר בקנדה. JCL וCB-O. להכיר CRSNG וFRQNT לתמיכה כספית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
אצטון - CH3COCH3AnachemiaAC-015067-64-1
איזופרופיל אלכוהול (IPA) - (CH3)2CHOHAnachemiaAC-783067-63-0
1165 RemoverMicroChem CorpG050200872-50-4
Microposit MF-319 מפתחShipley3846075-59-2
חומצה גופרתית - H2SO4AnachemiaAC-8750766-93-9
מי חמצן (30%) - H2O2Fisher Scientific7722-84-1
LOR 5A התנגדות להרמהMicroChem CorpG516608120-92-3
Microposit S1813 Photo ResistShipley41280108-65-6
Microposit S1818 Photo ResistShipley41340108-65-6
PMMA LMW 4% באניסולMicroChem Corp100-66-3, 9011-14-7
PMMA HMW 2% באניסולMicroChem Corp100-66-3, 9011-14-7
GaAs/AlGaAs פרוסותמועצת המחקר הלאומית קנדהראה מבנה שכבה מפורט ב<חזק>איור 1.
Ni (99.0%)Anachemia
Ge (99.999%)CERAC inc.
Au (99.999%)Kamis inc.
Ti (99.995%)קורט ג'יי לסקר
אלקמיס בע"מ
טכנולוגיית אפוקסי כסףH20E

מקורות

  1. 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).
  2. Björk, M. T., Thelander, C., et al. Few-Electron Quantum Dots in Nanowires. Nano Lett. 4 (9), 1621-1625 (2004).
  3. Dekker, C. Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires. Phys. Today. 52 (5), 22-28 (1999).
  4. 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).
  5. Kouwenhoven, L. P., Oosterkamp, T. H., et al. Excitation Spectra in Circular Few-Electron Quantum Dots. Science. 278 (5344), 1788-1792 (1997).
  6. 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).
  7. Baca, A. G., Ashby, C. I. H. Fabrication of GaAs Devices. , The Institute of Electrical Engineers. London, United Kingdom. 350(2005).
  8. 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).
  9. S, A Survey of Ohmic Contacts to III-V Compound Semiconductors. Thin Solid Films. 308 (0), 599-606 (1997).
  10. Lim, W. H., Huebl, H., et al. Electrostatically Defined Few-Electron Double Quantum Dot in Silicon. Appl. Phys. Lett. 94 (17), 173502(2009).
  11. Elzerman, J. M., Hanson, R., et al. Few-Electron Quantum Dot Circuit with Integrated Charge Read Out. Phys. Rev. B. 67 (16), 161308(2003).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Petta, J. R., Lu, H., Gossard, A. C. A Coherent Beam Splitter for Electronic Spin States. Science. 327 (5966), 669-672 (2010).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

נקודות קוונטיות המוגדרות על ידי שעריםמצע GaAs/AlGaAsליתוגרפיית אלומה אלקטרוניתתהליך פוטוליתוגרפיהחישול תרמי מהירייצור מגעים אוהמייםהליך תערוץ מסהשיקוע פדי חיבוראפיון בטמפרטורה נמוכהמדידת דיאגרמת יציבות
Nanofabrication של השער שהוגדרו GaAs / AlGaAs נקודות קוונטיות רוחביות
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.