Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-01T19:15:00.000+00:00
Duration: 15 min 47 s
Description: 学ぶゲート定義型横量子ドットのナノファブリケーション手法。GaAs/AlGaAsヘテロ構造を用いて単一電子領域に到達可能な量子デバイスを作製し、安定性ダイアグラム測定で性能を評価する。量子情報処理の基盤技術として応用可能です。

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著者は、テクニカルサポートにマイケルLacerteに感謝します。 MP-L。財政支援のための自然らテクノロジーズ（FRQNT） - 先端研究（CIFAR）、自然科学とカナダの工学研究評議会（NSERC）、イノベーションのためのカナダの財団（CFI）とフォン·ド·ルシェルシュケベックのためのカナダの研究所を認めるものです。ここで紹介するデバイスはNanoQuébecによって部分的に資金提供CRN2とIMDQ施設で製造されました。たGaAs / AlGaAs系基板は国立研究評議会カナダにおける微細構造科学研究所からZR Wasilewskiによって作製した。 JCLとCB-O。財政支援のためのCRSNGとFRQNTを認める。

<ol><li>Shor, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polynomial-time+algorithms+for+prime+factorization+and+discrete+logarithms+on+a+quantum+computer%5BTitle%5D)+AND+%22SIAM+J.+Sci.+Comput%22%5BJournal%5D)">Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer.</a> SIAM J. Sci. Comput. 26 (5), 1484-1509 (1997).</li>
<li>Björk, M. T., Thelander, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Few-Electron+Quantum+Dots+in+Nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Few-Electron Quantum Dots in Nanowires.</a> Nano Lett. 4 (9), 1621-1625 (2004).</li>
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<li>Klein, D. L., McEuen, P. L., Bown Katari, J. E., Roth, R., Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+Approach+to+Electrical+Studies+of+Single+Nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">An Approach to Electrical Studies of Single Nanocrystals.</a> Appl. Phys. Lett. 68 (18), 2574-2576 (1996).</li>
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<li>Elzerman, J. M., Hanson, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Few-Electron+Quantum+Dot+Circuit+with+Integrated+Charge+Read+Out%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Few-Electron Quantum Dot Circuit with Integrated Charge Read Out.</a> Phys. Rev. B. 67 (16), 161308(2003).</li>
<li>Johnson, A. C., Petta, J. R., Marcus, C. M., Hanson, M. P., Gossard, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Singlet-Triplet+Spin+Blockade+and+Charge+Sensing+in+a+Few-Electron+Double+Quantum+Dot%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Singlet-Triplet Spin Blockade and Charge Sensing in a Few-Electron Double Quantum Dot.</a> Phys. Rev. B. 72 (16), 165308(2005).</li>
<li>Hanson, R., Kouwenhoven, L. P., Petta, J. R., Tarucha, S., Vandersypen, L. M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spins+in+Few-Electron+Quantum+Dots%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Mod.+Phys%22%5BJournal%5D)">Spins in Few-Electron Quantum Dots.</a> Rev. Mod. Phys. 79 (4), 1217-1265 (2007).</li>
<li>Long, A. R., Pioro-Ladrière, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Origin+of+Switching+Noise+in+GaAs%2FAlGaAs+Lateral+Gated+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+E+Low+Dimens.+Syst.+Nanostruct%22%5BJournal%5D)">The Origin of Switching Noise in GaAs/AlGaAs Lateral Gated Devices.</a> Physica E Low Dimens. Syst. Nanostruct. 34 (1-2), 553-556 (2006).</li>
<li>Koppens, F. H. L., Buizert, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Driven+Coherent+Oscillations+of+a+Single+Electron+Spin+in+a+Quantum+Dot%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Driven Coherent Oscillations of a Single Electron Spin in a Quantum Dot.</a> Nature. 442 (7104), 766-771 (2006).</li>
<li>Foletti, S., Bluhm, H., Mahalu, D., Umansky, V., Yakobi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Universal+Quantum+Control+of+Two-Electron+Spin+Quantum+Bits+Using+Dynamic+Nuclear+Polarization%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phys%22%5BJournal%5D)">Universal Quantum Control of Two-Electron Spin Quantum Bits Using Dynamic Nuclear Polarization.</a> Nat. Phys. 5 (12), 903-908 (2009).</li>
<li>Petta, J. R., Lu, H., Gossard, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Coherent+Beam+Splitter+for+Electronic+Spin+States%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A Coherent Beam Splitter for Electronic Spin States.</a> Science. 327 (5966), 669-672 (2010).</li>
<li>Shulman, M. D., Dial, O. E., Harvey, S. P., Bluhm, H., Umansky, V., Yacoby, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Demonstration+of+Entanglement+of+Electrostatically+Coupled+Singlet-Triplet+Qubits%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Demonstration of Entanglement of Electrostatically Coupled Singlet-Triplet Qubits.</a> Science. 336 (6078), 202-205 (2012).</li>
<li>Khaetskii, A. V., Loss, D., Glazman, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron+Spin+Decoherence+in+Quantum+Dots+Due+to+Interaction+with+Nuclei%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Electron Spin Decoherence in Quantum Dots Due to Interaction with Nuclei.</a> Phys. Rev. Lett. 88 (18), 186802(2002).</li>
<li>Sakr, M. R., Jiang, H. W., Yablonovitch, E., Croke, E. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+characterization+of+electrostatic+Si%2FSiGe+Quantum+Dots+with+an+Integrated+Read-Out+Channel%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Fabrication and characterization of electrostatic Si/SiGe Quantum Dots with an Integrated Read-Out Channel.</a> Appl. Phys. Lett. 87 (22), 223104(2005).</li>
<li>Liu, X. L., Hug, D., Vandersypen, L. M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gate-Defined+Graphene+Double+Quantum+Dot+and+Excited+State+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Gate-Defined Graphene Double Quantum Dot and Excited State Spectroscopy.</a> Nano Lett. 10 (5), 1623-1627 (2010).</li>
<li>Frey, T., Leek, P. J., Beck, M., Blais, A., Ihn, T., Ensslin, K., Wallraff, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dipole+Coupling+of+a+Double+Quantum+Dot+to+a+Microwave+Resonator%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Dipole Coupling of a Double Quantum Dot to a Microwave Resonator.</a> Phys. Rev. Lett. 108, 046807(2012).</li>
<li>Pioro-Ladrière, M., Tokyra, Y., Obata, T., Kubo, T., Tarucha, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micromagnets+for+coherent+control+of+spin-charge+qubit+in+lateral+quantum+dots%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Micromagnets for coherent control of spin-charge qubit in lateral quantum dots.</a> Appl. Phys. Lett. 90 (2), 024105(2007).</li>
</ol>

著者らは、開示することは何もありません。

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...

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、そのバンド構造の模式図を図1に示す。高電子移動度は、量子ドットの表面全体にわたって電子状態の一貫性を確保するために2DEG必要である。後述の製造プロセスのために使用される基板は、カナダ国立研究評議会から購入し、2.2×10 11 cm -2とし、1.69×10 6 cm 2と / Vsecでの電子移動度の電子密度を示した。 並列方向の電子の閉じ込め試料表面へのLELを、基板の表面上に金属電極を配置することによって達成される。これらの電極は、GaAsの試料の表面に堆積されている場合、ショットキー障壁が7が形成されている。このような電極に印加される負電圧は、十分なエネルギーを持つ電子のみが交差することができ、その下2DEGでローカル障壁につながる。印加電圧がない電子が障壁を横断するのに十分なエネルギーを持っていないことを十分に負である場合に2DEGの枯渇が発生する。したがって、慎重に電極の形状を選択することによって、試料の空乏領域との間の電子の数が少ないをトラップすることができる。ドットならびに試料の残りのドットとの間の2DEGトンネルエネルギーに電子の数の制御は、電極の電圧を微調整することによって達成することができる。ゲート電極の空乏化と電子ガスの概略を図2に示されている。ドットを形成するゲート構造のための設計がされているバーセルらによって使用されたデザインで尖塔のある。8 制御およびドットに電子の数に関する情報を読み出すためには、ドットを介して誘導し、電流を測定することが有用である。読み出しもまた、2DEGを介して電流を必要とする量子点接触（QPC）を使用して行うことができる。 2DEGと電圧源との間の接触はオーミック接触によって保証される。これらには、（ 図3a及び図4bを参照）標準の急速熱アニール工程7を使用して2DEGに試料の表面からのすべての方法を下に拡散される金属製のパッドです。ソースとドレイン間の短絡を回避するために、試料の表面は、2DEGは、特定の領域に空乏化され、電流が特定のチャネル（ 図3b及び図4aを参照）を通過するように強制されるようにエッチングされる。 2DEGは依然として残っている領域は、 &quot;メサ&quot;と呼ばれる。以下のプロトコルの詳細のGaAs / AlGaAsの基板上にゲート定義の横量子ドットの全体の製造プロセス。製造されているデバイスがあっても、シングル、ダブル、またはトリプル量子ドットや量子ドットの配列である場合、それは関係なく、同じままであるため、プロセスはスケーラブルです。操作、測定、およびこの方法を用いて製造された二重量子ドットの結果はさらに、各項に記載されている。

<table><tbody><tr><td>アセトン - CH3COCH3</td><td>Anachemia</td><td>AC-0150</td><td>67-64-1</td></tr><tr><td>イソプロピルアルコール (IPA) - (CH3)2CHOH</td><td>Anachemia</td><td>AC-7830</td><td>67-63-0</td></tr><tr><td>1165 Remover</td><td>MicroChem Corp</td><td>G050200</td><td>872-50-4</td></tr><tr><td>Microposit MF-319 Developer</td><td>Shipley</td><td>38460</td><td>75-59-2</td></tr><tr><td>硫酸 - H2SO4</td><td>Anachemia</td><td>AC-8750</td><td>766-93-9</td></tr><tr><td>過酸化水素 (30%) - H2O2</td><td>Fisher Scientific</td><td></td><td>7722-84-1</td></tr><tr><td>LOR 5A リフトオフレジスト</td><td>MicroChem Corp</td><td>G516608</td><td>120-92-3</td></tr><tr><td>Microposit S1813 フォトレジスト</td><td>Shipley</td><td>41280</td><td>108-65-6</td></tr><tr><td>Microposit S1818 Photo Resist</td><td>Shipley</td><td>41340</td><td>108-65-6</td></tr><tr><td>PMMA LMW 4% in anisole</td><td>MicroChem Corp</td><td></td><td>100-66-3, 9011-14-7</td></tr><tr><td>PMMA HMW 2% in anisole</td><td>MicroChem Corp</td><td></td><td>100-66-3, 9011-14-7</td></tr><tr><td>GaAs/AlGaAs wafer</td><td>National Research Council Canada</td><td>Figure 1 の詳細な層構造を参照してください。</td><td></td></tr><tr><td>Ni (99.0%)</td> <td>Anachemia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ge (99.999%)</td> <td>CERAC inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>au(99.999%)</td><td>(株)カミス</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ti (99.995%)</td> <td>Kurt J Lesker</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Al Kamis</td><td>inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>シルバーエポキシ</td><td>エポキシ技術</td><td>H20E</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

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。

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...

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。

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

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and ...

本手順の全体的な目的は、単一電子領域に到達可能な側方量子ドットを作製することである。まず、適切な基板を選択し、二次元電子ガスが存在する試料領域を限定するためのメサエッチングを行うことでこれを達成する。第二のステップでは、フォトリソグラフィおよび急速熱アニールプロセスを用いて、オーミックコンタクトを作製する。次に、電子ビームリソグラフィーを用いて、ドットを定義するリードとゲートを作製します。最終ステップとして、フォトリソグラフィーを用いてボンディングパッドとより大きなリードを作製します。最終的に、低温で安定性ダイアグラムを測定し、少数電子領域に到達できることを示します。垂直量子ドットなどの既存のスピン量子ビットに対する本デバイスの主な利点は、横方向量子ドットの特性を調整可能であることです。本プロトコルは、ガリウム砒化アルミニウム/ガリウム砒化物のヘテロ構造上に横方向量子ドットを作製するために使用されますが、シリコンやシリコンゲルマニウムなどの他の基板上のデバイス作製に容易に適応させることができます。レジストおよび有機化合物の痕跡を除去した、変調ドープGaAs/AlGaAsヘテロ構造基板を用意します。1cmよりわずかに長い一辺を持つこの正方形の試料には、20個の同一に作製されたデバイスが含まれています。アセトンを用いて、低出力の超音波洗浄機で試料を5分間、2回洗浄します。その後、超音波洗浄機を用いてイソプロピルアルコールでさらに5分間洗浄します。圧縮窒素ガンの窒素を用いて、サンプルの水分を吹き飛ばして乾燥させます。次に、表面を脱水させるため、オーブンを用いて125 °Cで少なくとも15分間加熱します。脱水後、サンプルを室温まで冷却し、Shipley S 1818フォトレジストを塗布して3,500 RPMで30秒間スピンコートします。次に、ホットプレートを用いてサンプルを115 °Cで60秒間加熱します。レジストのスピンコート中に、サンプルの輪郭にエッジビードが形成されています。フォトリソグラフィープロセスを用いてこのエッジビードを除去し、マスクとサンプル表面の接触を改善します。現像過程では、サンプルのエッジ部分にある露光されたレジストのみが除去され、中央部分には完全に平坦なレジスト表面が残ります。次に、フォトリソグラフィ用マスクアライナーを使用して、ガラスプレート上の1 cm × 1 cmのクロム正方形で構成されるエッジビードマスクを配置します。サンプルの外周エッジにあるレジストに、UV光を10秒間照射します。このセットアップでは、UV光の波長は436 nanometers、強度は15 milliwatts per squared centimeterです。装置によって異なるため、明確なパターンが得られるように露光時間を調整してください。サンプルをMF thre

nanofabrication-of-gate-defined-gaasalgaas-lateral-quantum-dots

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工学

テンプレートとしてアルミニウムや銀または自己組織化単分子膜の犠牲層のいずれかを使用して、単一ナノメートルのギャップによって分離され、電気的にアドレス可能な、高アスペクト比（&gt;...

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この記事では、高度に調整可能なカスタムビルドの転写セットアップに基づく修正ドライ転写技術を利用して、正確なねじれ角を持つ高品質のグラフェンベースのモアレ超格子デバイスを製造するための最適化された経験に基づいたプロトコルを紹介します。...

高品質グラフェン系モアレ超格子デバイスの作製法の最適化

我々は、単一分子蛍光イメージングのための最小限に流体力学的サイズを有するコロイド量子ドットの調製を記載している。従来の量子ドットに比べ、これらのナノ粒子はサイズが球状タンパク質と類似しており、単一分子の明るさ、光分解に対する安定性、タンパク質や細胞への非特異的な結合への抵抗のために最適化されています。...

1分子蛍光イメージングのためのコンパクトな量子ドット

グラディエントエコーメモリは、原子アンサンブルで光の光の量子状態を格納するためのプロトコルです。量子メモリは、量子鍵配送の範囲を拡張することができ、量子中継器の重要な要素である。 3レベルの原子集団に実装されている場合、私たちは、方式の動作の概要を説明します。...

暖かい原子蒸気に勾配エコー量子メモリ

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