ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

サマリー

本論文では、ガリウム砒素ヘテロ構造上のゲート定義の半導体量子ドットの横の詳細な製造プロトコルを提示します。これらのナノスケールのデバイスは、量子情報処理やコヒーレントコンダクタンス測定などの他のメゾ実験のための量子ビットとして使用するためのいくつかの電子をトラップするために使用される。

要約

量子コンピュータは、古典的なコンピュータ上で最もよく知られているアルゴリズムで指数関数的により速く特定の問題を解決するために、そのような状態とエンタングルメントの重ね合わせとして、量子効果を活用して、量子ビット（量子）から構成されるコンピュータである。ゲートが定義したGaAs / AlGaAs系で横量子ドットは、量子ビットの実装のために多くの探検道の一つです。適切に製造されたときに、そのようなデバイスは、空間のある領域内の電子の数が少ないをトラップすることができる。これらの電子のスピン状態は、次に量子ビットの論理値0と1を実装するために使用することができる。これらの量子ドットのナノメートルスケールを考えると、特殊な装置 - などの電子顕微鏡や電子ビーム走査として提供クリーンルーム施設その製造に必要な蒸発をラインアップしています。細心の注意は、試料表面の清浄度を維持し、構造の脆弱なゲートの損傷を防ぐために、製造プロセス全体に注意しなければならない。この論文作業装置へのウェハからゲート定義の横量子ドットの詳細な製造プロトコルを提示します。特性評価方法および代表的な結果も簡単に説明されている。本稿では二重の量子ドットに集中していますが、製造プロセスもシングルまたはトリプルドットや量子ドットの配列に対して同じまま。また、プロトコルは、例えば、Si / SiGeのような他の基板上に横方向の量子ドットを製造するために適合させることができる。

概要

量子情報科学は、それが量子アルゴリズムが最もよく知られている古典的なアルゴリズム¹を^用いてより速く急激に特定の問題を解決するために使用することができることが示されて以来、注目を集めている。それは2つのレベルのシステムであるため、量子ビット（キュービット）のための明白な候補者は、量子ドットに閉じ込められた単一電子のスピンです。多数のアーキテクチャは²ナノワイヤー、カーボンナノチューブ^3、自己組織化量子ドット⁴と、半導体⁵縦方向と横方向の量子ドット⁰⁶を含む量子ドット半導体の実装の ​​ために提案されている。たGaAs / AlGaAs系で横量子ドットをゲート定義のヘテロ構造があるため、その汎用性の非常に成功しているとその製造プロセスは、この論文の焦点である。

横方向の量子ドット、試料表面に垂直な方向の電子の閉じ込め（Z方向）に一sが適切な基質を選択することによって達成した。のGaAs / AlGaAsの変調ドープされたヘテロ構造には、AlGaAs系とGaAs層との界面に閉じ込められ、二次元電子ガス（2DEG）を提示する。これらのサンプルは変調ドーピング技術と組み合わせることで、低不純物濃度を得るために、分子線エピタキシー法によって成長させ、2DEGの高い電子移動度をもたらす。異なるヘテロ構造の層だけでなく、そ....

プロトコル

後述の製造プロセスは1.04 X 1.04センチメートルの寸法のGaAs / AlGaAsの基板上で行われます。二同一のデバイスは、このサイズの基板上に製造される。プロセスのすべてのステップはクリーンルームで行われており、適切な防護服は、すべての回で使用しなければなりません。脱イオン水は、プロセス全体を通して使用されるが、以下、単にプロトコルにおける "水"と呼ばれる。

1。メサのエッチング

この製造工程の結果は、 図4aに示されている。

1. 抵抗する望ましくないまたは有機化合物の痕跡を除去するために2分間75 WでO ₂プラズマでプラズマアッシャーでサンプルを置きます。
2. 5分ごとに、アセトン（2倍）とIPAとの音波風呂でサンプルを清掃してください。ブロー乾燥した圧縮N ₂銃を持つ。製造プロトコルを通して、音波風呂を使用するとき、GaAsのウエハーの損傷を防ぐために、高出力の使用を避けるすなわち切断する傾向がある。
3. 表面を脱水するために、少なくとも15分間125℃のオーブンでサンプルを焼く。脱水は、少なくとも5分間、180℃のホットプレート上で試料を置くことによって達成することができる。
4. 115 60℃で秒間ホットプレート上で30秒、焼くための3,50....

結果

上述のプロセスの重要なステップの1つは、メサ（工程1）のエッ​​チングである。オーバーエッチングを回避しながら以下2DEGを除去するのに十分なエッチングすることが重要である。したがって、それは、GaAs / AlGaAs系サンプルでエッチを実行する前に、エッチング液をテストするために、バルクGaAsのダミーサンプルを使用することをお勧めします。のGaAs / AlGaAsのヘテロ構造のエッチング速度は、GaAsに比べて大きいが、ダミーのエッチング溶液は、多かれ少なかれ、通常よりも反応性であり、実際のサンプルのエッチング時間を適宜調整することができるかどうかに指示を与えることができる。

デバイスが作製されたら、それらは、銀エポキシ樹脂を使用してサンプルホルダに装着する準備ができている。サンプルのボンディングパッド及び試料ホルダの接続端子との間のワイヤボンディングが25μmのAlワイヤを用いて行われる。それらを損傷する恐れがあるので、走査型電子顕微鏡（SEM）で観察​​する装置を避けるのが最善である。代わりに、かなり高い温度（〜4 K）で行うことができ、ゲートのいずれかがさらなる特性の.......

ディスカッション

上記の提示処理には数電子政権を達することができる二重量子ドットの作製プロトコルについて説明します。しかし、与えられたパラメータが使用される機器のモデルとキャリブレーションによって異なる場合があります。したがって、このような電子ビームおよびフォトリソグラフィ工程中のエクスポージャーのために投与量などのパラメータは、デバイスの製作の前にキャリブレーションする必要があります。プロセスは、容易にまた2DEGを提示例えば、Si / SiGeのような基材、他のタイプの上にゲート定義量子ドットの製造に適合させることができる。

このような垂直量子ドットなどのデバイスの特定のタイプについては、ドットにソース及びドレインからトンネル障壁は、製造時に決定され、その後⁵変化させることはできない。ゲート定義の横方向量子ドットの利点は、トンネルドットに対する障壁だけでなく、ドット間を電気的に制御することができるということである。しかし、このために、注意が必要であるドットを定義する他のゲートの電圧を操作中にこれらの値を維持する。

これ.......

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
アセトン - CH3COCH3	Anachemia	AC-0150	67-64-1
イソプロピルアルコール (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
硫酸 - H2SO4	Anachemia	AC-8750	766-93-9
過酸化水素 (30%) - H2O2	Fisher Scientific		7722-84-1
LOR 5A リフトオフレジスト	MicroChem Corp	G516608	120-92-3
Microposit S1813 フォトレジスト	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	Figure 1 の詳細な層構造を参照してください。
Ni (99.0%)	Anachemia
Ge (99.999%)	CERAC inc.
au(99.999%)	(株)カミス
Ti (99.995%)	Kurt J Lesker
Al Kamis	inc.
シルバーエポキシ	エポキシ技術	H20E