Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Nanowytwarzanie bocznych kropek kwantowych GaAs/AlGaAs zdefiniowanych przez bramkę

16.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50581

⸱

1 listopada 2013

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

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł przedstawia szczegółowy protokół wytwarzania półprzewodnikowych bocznych kropek kwantowych zdefiniowanych przez bramkę na heterostrukturach arsenku galu. Te nanoskalowe urządzenia są używane do wychwytywania kilku elektronów w celu wykorzystania ich jako bitów kwantowych w kwantowym przetwarzaniu informacji lub do innych eksperymentów mezoskopowych, takich jak pomiary przewodności koherentnej.

Streszczenie

Komputer kwantowy to komputer złożony z bitów kwantowych (kubitów), który wykorzystuje efekty kwantowe, takie jak superpozycja stanów i splątanie, do rozwiązywania pewnych problemów wykładniczo szybciej niż za pomocą najbardziej znanych algorytmów na klasycznym komputerze. Boczne kropki kwantowe zdefiniowane przez bramkę na GaAs/AlGaAs są jedną z wielu ścieżek badanych w celu implementacji kubitu. Prawidłowo wykonane takie urządzenie jest w stanie uwięzić niewielką liczbę elektronów w określonym obszarze przestrzeni. Stany spinowe tych elektronów można następnie wykorzystać do realizacji logicznych 0 i 1 bitu kwantowego. Biorąc pod uwagę nanometrową skalę tych kropek kwantowych, do ich produkcji potrzebne są pomieszczenia czyste oferujące specjalistyczny sprzęt, taki jak skaningowe mikroskopy elektronowe i parowniki wiązki elektronów. W całym procesie wytwarzania należy zachować szczególną ostrożność, aby utrzymać czystość powierzchni próbki i uniknąć uszkodzenia delikatnych bram konstrukcji. W artykule przedstawiono szczegółowy protokół wytwarzania zdefiniowanych przez bramkę bocznych kropek kwantowych z płytki do działającego urządzenia. Pokrótce omówiono również metody charakterystyki i reprezentatywne wyniki. Chociaż niniejszy artykuł koncentruje się na podwójnych kropkach kwantowych, proces wytwarzania pozostaje taki sam dla pojedynczych lub potrójnych kropek, a nawet układów kropek kwantowych. Co więcej, protokół można dostosować do wytwarzania bocznych kropek kwantowych na innych podłożach, takich jak Si/SiGe.

Wprowadzenie

Informatyka kwantowa cieszy się dużym zainteresowaniem odkąd pokazano, że algorytmy kwantowe mogą być używane do rozwiązywania pewnych problemów wykładniczo szybciej niż za pomocą najbardziej znanych algorytmów klasycznych1. Oczywistym kandydatem na bit kwantowy (kubit) jest spin pojedynczego elektronu zamkniętego w kropce kwantowej, ponieważ jest to układ dwupoziomowy. Zaproponowano liczne architektury do implementacji kropek kwantowych, w tym nanodruty półprzewodnikowe2, nanorurki węglowe3, samoorganizujące się kropki kwantowe4 oraz półprzewodnikowe pionowekropki kwantowe 5 i boczne6. Boczne kropki kwantowe definiowane przez bramkę w heterostrukturach GaAs/AlGaAs odniosły duży sukces ze względu na swoją wszechstronność, a proces ich wytwarzania jest przedmiotem tego artykułu.

W bocznych kropkach kwantowych, uwięzienie elektronów w kierunku prostopadłym do powierzchni próbki (kierunek z) osiąga się poprzez wybór odpowiedniego podłoża. Heterostruktura domieszkowana modulacją GaAs/AlGaAs przedstawia dwuwymiarowy gaz elektronowy (2DEG) ograniczony do granicy faz między warstwami AlGaAs i GaAs. Próbki te są hodowane za pomocą epitaksji wiązki molekularnej w celu uzyskania niskiej gęstości zanieczyszczeń, co w połączeniu z techniką domieszkowania modulacyjnego prowadzi do wysokiej ruchliwości elektronów w 2DEG. Schemat różnych warstw heterostruktury oraz jej struktury pasmowej przedstawiono na rysunku 1. W 2DEG potrzebna jest duża ruchliwość elektronów, aby zapewnić spójność stanów elektronowych na całej powierzchni kropki kwantowej. Podłoże użyte do opisanego poniżej procesu produkcyjnego zostało zakupione od National Research Council of Canada i charakteryzuje się gęstością elektronów 2,2 x 1011 cm-2 oraz ruchliwością elektronów 1,69 x 106 cm2/Vsec.

Uwięzienie elektronów w kierunkach równoległych do powierzchni próbki osiąga się poprzez umieszczenie metalowych elektrod na powierzchni podłoża. Kiedy te elektrody osadzają się na powierzchni próbki GaAs, tworzą się bariery Schottky'ego7. Ujemne napięcia przyłożone do takich elektrod prowadzą do lokalnych barier w 2DEG, poniżej których mogą przecinać się tylko elektrony o wystarczającej energii. Wyczerpanie 2DEG następuje, gdy przyłożone napięcie jest na tyle ujemne, że żadne elektrony nie mają wystarczającej energii, aby przekroczyć barierę. Dlatego też, starannie dobierając geometrię elektrod, możliwe jest uwięzienie niewielkiej liczby elektronów między zubożonymi obszarami próbki. Kontrolę liczby elektronów w kropce, jak również energii tunelowania między kropką a 2DEG w pozostałej części próbki można osiągnąć poprzez precyzyjne dostrojenie napięć na elektrodach. Schemat elektrod bramkowych i zubożonego gazu elektronowego pokazano na rysunku 2. Projekt konstrukcji bram tworzących kropkę jest inspirowany projektem zastosowanym przez Barthel i wsp. 8

Aby kontrolować i odczytywać informacje dotyczące liczby elektronów w kropce, warto indukować i mierzyć prąd przepływający przez kropkę. Odczyt można również wykonać za pomocą Quantum Point Contact (QPC), który również wymaga prądu przepływającego przez 2DEG. Kontakt między 2DEG a źródłami napięcia zapewniają styki omowe. Są to metalowe podkładki, które są dyfundowane od powierzchni próbki aż do 2 stopni Celsjusza przy użyciu standardowego procesu szybkiego wyżarzania termicznego7 (patrz rysunki 3a i 4b). Aby uniknąć zwarć między źródłem a odpływem, powierzchnia próbki jest wytrawiana w taki sposób, że 2DEG jest wyczerpywany w określonych obszarach, a prąd jest zmuszany do przepływu przez określone kanały (patrz rysunki 3b i 4a). Region, w którym nadal pozostaje 2DEG, jest określany jako "mesa".

Poniższy protokół szczegółowo opisuje cały proces wytwarzania zdefiniowanej przez bramkę bocznej kropki kwantowej na podłożu GaAs/AlGaAs. Proces jest skalowalny, ponieważ pozostaje taki sam niezależnie od tego, czy wytwarzane urządzenie jest pojedynczą, podwójną lub potrójną kropką kwantową, czy nawet tablicą kropek kwantowych. Manipulacja, pomiary i wyniki dla podwójnych kropek kwantowych wytworzonych tą metodą zostały omówione w dalszych sekcjach.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Proces produkcji opisany poniżej odbywa się na podłożu GaAs/AlGaAs o wymiarach 1,04 x 1,04 cm. Dwadzieścia identycznych urządzeń jest produkowanych na podłożu tej wielkości. Wszystkie etapy procesu odbywają się w pomieszczeniu czystym i przez cały czas należy używać odpowiedniego sprzętu ochronnego. Woda dejonizowana jest używana w całym procesie, ale w poniższym protokole jest po prostu określana jako "woda".

1. Akwaforta Mesa

Wynik tego etapu produkcji jest pokazany na rysunku 4a.

  1. Umieścić próbkę w urządzeniu do napełniania plazmą O2 z plazmąO2 o mocy 75 W na 2 minuty w celu usunięcia wszelkich śladów niepożądanego oporu lub związków organicznych.
  2. Oczyść próbkę w kąpieli sonicznej z acetonem (2x) i IPA przez 5 minut każde. Wysuszyć suszarką za pomocą skompresowanego pistoletu N2. W całym protokole produkcyjnym, podczas korzystania z kąpieli sonicznej, należy unikać używania dużych mocy, aby zapobiec uszkodzeniu płytki GaAs, która ma tendencję do pękania.
  3. Piec próbkę w piecu w temperaturze 125 °C przez co najmniej 15 minut w celu odwodnienia powierzchni. Dehydratację można również uzyskać, umieszczając próbkę na płycie grzejnej w temperaturze 180 °C na co najmniej 5 minut.
  4. Wirować próbkę fotorezystem Shipley S1818 z prędkością 3 500 obr./min przez 30 sekund i piec na gorącej płycie w temperaturze 115 °C przez 60 sekund. Powstała warstwa rezystu powinna mieć grubość około 2,5 μm. S1818 jest używany, ponieważ jest gruby i roztwór użyty w kroku 1.11 do wytrawiania podłoża ma na niego bardzo mały wpływ. W całym procesie produkcji ważne jest, aby unikać przepalania fotorezystu i oporu wiązki elektronicznej, aby zapewnić łatwe usunięcie w kolejnych krokach.
  5. Użyj wyrównywacza maski fotolitograficznej i maski krawędziowej, aby odsłonić rezystancję na zewnętrznej krawędzi próbki. Maska koralików krawędziowych składa się z chromowanego kwadratu o wymiarach 1 x 1 cm na szklanej płycie. Użyj światła o długości fali 436 nm i naświetl rezystor na 10 sekund na 15 m W/cm2. Długość fali i moc są stałe i mogą się różnić w zależności od używanej maszyny. Dostosuj czas ekspozycji i wywoływania, aby uzyskać dobrze zdefiniowane cechy o odpowiednim rozmiarze.
  6. Rozwinąć odsłonięty rezystanc, zanurzając próbkę w MF-319 na 2 minuty i 10 sekund. Na tym etapie mieszaj powoli. Płucz w wodzie przez 15 sekund i wysusz suszarką za pomocą skompresowanego pistoletuN2. Na końcu tego etapu należy usunąć ścieg krawędziowy, pozostawiając powierzchnię o wymiarach 1 x 1 cm o jednolitej grubości oporu w środku próbki. Koralik krawędziowy jest usuwany przed naświetleniem maski mesa, aby uzyskać lepszy kontakt między maską a próbką, co prowadzi do lepszych wyników.
  7. Wciąż używając wyrównywacza maski fotolitograficznej, naświetl rezystor za pomocą maski mesa i światła 436 nm przez 7 sekund przy 15 mW/cm2.
  8. Rozwinąć odsłonięty rezystanc, zanurzając próbkę w MF-319 na 2 minuty i 10 sekund i powoli mieszając. Płucz przez 15 sekund w wodzie i wysusz suszarką za pomocą skompresowanego pistoletuN2. Opór pozostały na próbce ma teraz kształt mesy. Rezystor ochroni ten obszar próbki przed wytrawieniem w kolejnych krokach.
  9. Aby usunąć wszelkie ślady oporu w uprzednio odsłoniętym obszarze, próbkę umieszcza się w asherze plazmowym i poddaje działaniu plazmyO2 przez 1 minutę przy mocy 75 W.
  10. Do wytrawiania próbki stosuje się roztwór H2SO4:H2O2:H2O (5:1:55). Połącz odpowiednie proporcjeH2O2i wody, a następnie dodajH2SO4. To rozwiązanie jest bardzo reaktywne, gdy jest przygotowywane po raz pierwszy. Odczekaj 20 minut przed przejściem do następnego kroku, aby uniknąć przetrawienia.
  11. Wytrawić próbkę, zanurzając ją w roztworze kwasu na kilka sekund i natychmiast spłukując w wodzie przez 30 sekund, aby zatrzymać reakcję. Powierzchnia próbki powinna być wytrawiona poza warstwę domieszek krzemu i prawie aż do 2 stopni, aby zapewnić zubożenie w tych obszarach (patrz rysunek 1). Głębokość wytrawiania może się różnić w zależności od podłoża. Ogólnie rzecz biorąc, dla rodzaju użytego podłoża, zanurzenie w ciągu 34 sekund prowadzi do pożądanej głębokości wytrawiania 90-100 nm. Jednak ważne jest, aby nie przesadzać, aby uniknąć uszkodzenia 2DEG. Ponieważ szybkość trawienia różni się znacznie w zależności od stosunkuH2SO4 iH2O2w roztworze, a także od czasu oczekiwania przed wytrawieniem, zaleca się wykonanie trawienia przez kilka zanurzeń po 5-10 sekund, zamiast pojedynczego 34-sekundowego wytrawiania i mierzenie głębokości trawienia za pomocą profilometru po każdym wytrawieniu. Stosunkowo powolne tempo wytrawiania tego rozwiązania pozwala na dobrą kontrolę głębokości wytrawiania. Chłodzenie roztworu do trawienia poniżej temperatury pokojowej może prowadzić do obniżenia szybkości wytrawiania. Ponieważ jednak jest to płytkie wytrawianie, a profil wytrawiania nie ma znaczenia, można również zastosować różne rozwiązania do wytrawiania.
  12. Usunąć rezystant, zanurzając próbkę w 1165 Remover w temperaturze 65 °C na 3 godziny. Płukać w acetonie i IPA przez 5 minut każde. Zmierz profil wytrawiania za pomocą profilometru.

2. Produkcja styków omowych

Wynik tego etapu produkcji jest pokazany na rysunku 4b.

  1. Oczyść próbkę w kąpieli sonicznej przez zanurzenie w acetonie (2x) i IPA na 5 minut każde. Wysuszyć suszarką za pomocą skompresowanego pistoletu N2.
  2. Piec próbkę w piecu w temperaturze 125 °C przez 15 minut w celu odwodnienia powierzchni.
  3. Wirować z LOR5A przy 2 500 obr./min przez 30 sekund i piec na gorącej płycie w temperaturze 150 °C przez 10 min. Następnie wiruj S1813 przy 5 000 obr./min przez 30 sekund i piecz na gorącej płycie w temperaturze 110 °C przez 60 sekund. Uzyskane grubości rezystu wynoszą odpowiednio ~600 nm i ~1,3 μm. Dwie warstwy rezystu są używane w celu ułatwienia unoszenia metalu, który zostanie osadzony w kroku 2.10.
  4. Za pomocą wyrównywacza maski fotolitograficznej i maski koralików krawędziowych naświetlić rezystor na zewnętrznej krawędzi próbki światłem o długości fali 436 nm przez 10 sekund przy 15 mW/cm2.
  5. Rozwinąć odsłonięty rezystant, zanurzając próbkę w MF-319 na 2 minuty i 10 sekund, płynnie mieszając. Płucz w wodzie przez 15 sekund i wysusz suszarką za pomocą skompresowanego pistoletuN2.
  6. Nadal używając wyrównywacza maski fotolitograficznej, ale tym razem z omową maską kontaktową, wyrównaj wzory dla styków omowych na wytrawionej mesie. Naświetlać światłem o długości fali 436 nm przez 6 sekund przy 15 mW/cm2.
  7. Rozwiń rezystor w MF-319 przez 2 minuty i 10 sekund, płynnie mieszając. Płucz w wodzie przez 15 sekund i wysusz suszarką za pomocą skompresowanego pistoletuN2. Nie ma już oporu w obszarach, w których zostaną osadzone styki omowe. Deweloper rozpuszcza LOR 5A szybciej niż S1813, pozostawiając podcięcie poniżej górnej warstwy rezystu. Taki profil w rezyście zapobiega tworzeniu się ścianek przez metal (który zostanie osadzony w kroku 2.10) na krawędziach rezystu, a także umożliwia łatwe usunięcie pozostałego oporu i niepożądanego metalu.
  8. Aby usunąć wszelkie ślady oporu w uprzednio naświetlanym obszarze, należy umieścić próbkę w asherze plazmowym i wystawić ją na działanie plazmyO2 przez 1 minutę przy mocy 75 W. Ważne jest, aby nie pozostawić próbki zbyt długo w plazmie, ponieważ na tym etapie trawione jest około 75 nm/min rezystu.
  9. Usunąć rodzimy tlenek GaAs, zanurzając próbkę w roztworzeH2SO4:H2O (1:5) na 30 sekund i spłukując w wodzie przez 30 sekund. Wysuszyć suszarką za pomocą sprężonego pistoletuN2. Krok 2.10 należy wykonać tak szybko, jak to możliwe, aby zapobiec ponownemu pojawieniu się natywnego tlenku.
  10. Użyj parownika wiązki elektronicznej, aby zdeponować 25 nm Ni, 55 nm Ge i 80 nm Au. Szybkości stapiania wynoszą odpowiednio 0,2 nm/s, 0,5 nm/s i 0,5 nm/s. Szybkości stapiania są tak dobrane, aby czas parowania był na tyle krótki, aby uniknąć nagrzewania się komory, a jednocześnie był tak krótki, aby stracić precyzję grubości osadzonej warstwy. Dwuwarstwa Ge i Au może być zastąpiona pojedynczą warstwą eutektycznego GeAu, jeśli jest dostępna9.
  11. W poprzednim etapie metal został osadzony na całej powierzchni próbki. Usuwanie metalu, który osadza się na rezystu, odbywa się poprzez rozpuszczenie tego ostatniego. W tym celu należy zanurzyć próbkę w 1165 Remover w temperaturze 65 °C na 3 godziny. Aby usunąć niechciany metal, który mógł nie unieść się samoczynnie, użyj pipety, aby delikatnie spryskać powierzchnię próbki gorącym zmywaczem. Przepłukać próbkę w acetonie i IPA przez 5 minut każdy.
  12. Szybki proces wyżarzania termicznego w gazie formującym jest stosowany do dyfuzji osadzonego metalu do 2 stopni próbki. Temperaturę zwiększa się z szybkością 50 °C/s, aż do osiągnięcia temperatury 415 °C. Próbkę pozostawia się w tej temperaturze na 20 sekund, a następnie szybko schładza. Czas trwania i temperatura wyżarzania są dobrane tak, aby uzyskać jak najmniejszą rezystancję przez styki omowe w niskiej temperaturze. Optymalny czas wyżarzania może się różnić w zależności od głębokości 2 stopni w podłożu.

3. Produkcja przewodów Ti/Au Schottky

Wynik tego etapu produkcji jest pokazany na rysunku 4c.

  1. Oczyść próbkę w kąpieli sonicznej przez zanurzenie w acetonie (2x) i IPA na 5 minut każde. Wysuszyć suszarką za pomocą skompresowanego pistoletu N2.
  2. Piec próbkę w piecu w temperaturze 125 °C przez 15 minut w celu odwodnienia powierzchni.
  3. Wiruj na PMMALMW4% przy 5000 obr./min przez 30 sekund i piecz na gorącej płycie w temperaturze 180 °C przez 90 sekund. Następnie wirować PMMA HMW 2% przy 5 000 obr./min przez 30 sekund i piec na gorącej płycie w temperaturze 180 °C przez 90 sekund. Uzyskane grubości rezystu wynoszą odpowiednio ~75 nm i ~40 nm. Ponieważ przewody Ti/Au będą bardzo cienkie, można zastosować pojedynczą warstwę PMMA, ale w związku z tym konieczne będzie dostosowanie parametrów przędzenia, ekspozycji i wywoływania. Uwaga ta dotyczy również przewodów i bramek Al (krok 4).
  4. Proces wiązki elektronicznej: Ta część procesu jest w dużym stopniu zależna od używanego sprzętu, a zatem wymagany protokół może się znacznie różnić od opisanego poniżej. Wzory dla przewodów są rysowane w pliku CAD. W tym pliku wyprowadzenia muszą być rysowane jako zamknięte wielokąty o szerokości 2 μm. Przewody są potrzebne do połączenia podkładek łączących (wykonanych w kroku 5) z bramkami Al (wyprodukowanymi w kroku 4). Cztery znaki wyrównania muszą być również odsłonięte, aby umożliwić pionowe, poziome i obrotowe wyrównanie przewodów i bramek Al na przewodach Ti/Au Schottky.
    1. Umieść próbkę w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM), który jest wyposażony w litografię wiązką elektronów. Użyj apertury 10 μm, aby zmniejszyć rozmiar plamki wiązki i ustaw napięcie przyspieszenia na 10 kV, aby zapewnić dobry kontrast podczas wyrównywania na wcześniej wykonanych konstrukcjach. Dostosuj ostrość, stygmatyzm i wyrównanie przysłony. Zmierz prąd wiązki za pomocą kubka Faradaya.
    2. Wyrównaj wiązkę z wcześniej wytrawioną mesą i ustaw powiększenie na 300X.
    3. Odsłoń przewody. SEM jest zaprogramowany tak, aby naświetlać żądane obszary, wypełniając je szeregiem odsłoniętych kropek. Odległość między tymi punktami (odległość od środka do środka) wynosi 5,5 nm, a dawka wynosi 43 μC/cm2 (czas ekspozycji będzie zależał od prądu wiązki zmierzonego w kroku 3.5.1). Odświetl również znaczniki wyrównania, aby umożliwić wyrównanie bramek Al z przewodami Ti/Au w kroku 4.
    4. Powtórzyć kroki 3.5.2 i 3.5.3 dla każdego z 20 urządzeń w próbce.
  5. Rozwinąć rezystancję, zanurzając próbkę w IPA:H2O (9:1) na 30 sekund. Roztwór musi mieć temperaturę 20 °C. Płukać w wodzie przez 30 sekund i wysuszyć suszarką za pomocą sprężonego pistoletuN2. W razie potrzeby rezystancję PMMA można wytworzyć przy użyciu roztworu IPA:MIBK i płukać w IPA w celu zatrzymania reakcji. Jeśli ta opcja zostanie wybrana, potrzebny będzie inny czas rozwoju.
  6. Umieścić próbkę w urządzeniu do sytania plazmą i wystawić ją na działanie plazmyO2 przez 4 sekundy przy 50 W. Usuwa to 5 nm oporu i zapewnia, że na dnie rowów powstałych podczas procesu wiązki elektronicznej nie pozostaje żaden opór.
  7. Usunąć rodzimy tlenek GaAs, zanurzając próbkę w roztworzeH2SO4:H2O (1:5) na 30 sekund i płukać w wodzie przez 30 sekund. Wysuszyć suszarką za pomocą skompresowanego pistoletuN2. Krok 3.8 należy wykonać tak szybko, jak to możliwe, aby zapobiec ponownemu pojawieniu się natywnego tlenku.
  8. Umieścić próbkę w parowniku z wiązką elektroniczną i umieścić 10 nm Ti i 20 nm Au, w obu przypadkach z szybkością 0,1 nm/s. Ważne jest, aby uchwyt próbki był dobrze uziemiony i umieszczony w odległości co najmniej 60 cm od źródła, aby zapobiec gromadzeniu się ładunków na próbce podczas procesu osadzania.
  9. Usunąć nadmiar metalu, zanurzając próbkę w zmywaczu 1165 w temperaturze 65 °C na 15 minut. Aby usunąć niechciany metal, który mógł nie unieść się samoczynnie, użyj pipety, aby delikatnie spryskać powierzchnię próbki gorącym zmywaczem. Płukać w acetonie i IPA po 5 minut.

4. Produkcja przewodów i bramek Al Schottky

Wynik tego etapu produkcji jest pokazany na rysunku 4d.

Produkcja przewodów i bramek Al Schottky stanowi najbardziej krytyczny etap procesu produkcji, ponieważ to właśnie te bramki definiują kropkę. Ważne jest, aby wiązka elektronów była dobrze skupiona, a prąd wiązki dobrze wyregulowany w kroku 4.2. Czasy ekspozycji i rozwoju muszą być również dobrze dostosowane, aby uzyskać małe, ciągłe i dobrze zdefiniowane bramki. W wielu protokołach te bramki i przewody są wytwarzane w Ti/Au i są uwidaczniane jednocześnie z poprzednimi przewodami w kroku 3. Jednak zaletą stosowania Al jest to, że może on ulec utlenieniu, co pozwala na osadzanie elementów takich jak górne bramki bezpośrednio na powierzchni próbki bez konieczności stosowania dużej warstwy izolacyjnej10.

  1. Powtórz kroki od 3.1 do 3.4.2. Nie należy jednak używać kąpieli sonicznej podczas czyszczenia próbki, aby uniknąć uszkodzenia przewodów Ti/Au.
  2. Proces wiązki elektronicznej: Wzory przewodów i bramek Al są rysowane w pliku CAD. Przewody Al służą do stykania się z przewodami Ti/Au do bramek Al i są rysowane jako zamknięte wielokąty o szerokości 200 nm. Bramy Al nie są jednak rysowane jako wielokąty, ale raczej jako dwie pojedyncze linie oddalone od siebie o 20 nm.
    1. Po wyrównaniu wiązki z mesą, ustaw powiększenie na 1,500X i wyrównaj wiązkę z przewodami Ti/Au Schottky'ego.
    2. Odsłoń przewody. Stosować dawkę 43 μC/cm2 i odległość od środka do środka 3,3 nm.
    3. Odsłoń bramy. Stosować dawkę liniową 0,149 nC/cm i odległość od środka do środka 1,1 nm. Doprowadzi to do uzyskania końcowej szerokości bramki wynoszącej 60 nm.
    4. Powtórzyć kroki 4.2.1 - 4.2.3 dla każdego z 20 urządzeń w próbce.
  3. Powtórz kroki 3.5 - 3.7.
  4. Umieścić próbkę w parowniku z wiązką elektronową i nanieść 30 nm Al z szybkością 0,3 nm/s.
  5. Powtórz krok 3.10. Ważne jest, aby od tego etapu zachować dużą ostrożność w stosunku do próbki, aby uniknąć uszkodzenia małych bramek Al.

5. Produkcja przewodów Schottky'ego i podkładek klejących

Wynik tego etapu produkcji jest pokazany na rysunku 4e.

  1. Powtórz kroki 2.1 - 2.9, używając maski fotolitograficznej dla przewodów Schottky'ego zamiast maski dla padów omowych.
  2. Umieścić próbkę w parowniku z wiązką elektroników i umieścić 30 nm Ti i 350 nm Au z szybkością odpowiednio 0,3 nm/s i 1 nm/s. Gruba warstwa osadzonego Au ułatwia wiązanie próbki z uchwytem próbki, ponieważ jest mniej podatna na rozdarcie niż cieńsze warstwy.
  3. Usunąć nadmiar metalu i pozostały rezystant, zanurzając próbkę w zmywaczu 1165 w temperaturze 65 °C na 3 godziny. Aby usunąć niechciany metal, który mógł nie unieść się samoczynnie, użyj pipety, aby delikatnie spryskać powierzchnię próbki gorącym zmywaczem. Przepłukać próbkę w acetonie i IPA przez 5 minut każdy.

6. Krojenie próbek w kostkę

  1. Piec próbkę w piecu w temperaturze 125 °C przez 15 minut w celu odwodnienia powierzchni.
  2. Wirować S1818 przy 3 500 obr./min przez 30 sekund i piec na gorącej płycie w temperaturze 115 °C przez 1 min. Grubość tej warstwy rezystu nie ma znaczenia, o ile jest wystarczająco gruba, aby chronić powierzchnię próbki podczas krojenia w kostkę.
  3. Umieść warstwę taśmy do krojenia w kostkę na górnej i dolnej powierzchni próbki. Warstwa taśmy na górnej powierzchni zapewnia dodatkową warstwę ochrony urządzenia podczas krojenia w kostkę.
  4. Umieść próbkę stroną zadrukowaną do góry w kostkownicy. Pokrój próbkę na poszczególne urządzenia, krojąc w kostkę przez górną warstwę taśmy do krojenia w kostkę i wafel GaAs/AlGaAs bez przecinania dolnej warstwy taśmy do krojenia w kostkę.
  5. Usuń taśmę do krojenia w kostkę i opór ochronny, umieszczając próbkę w acetonie na kilka minut. Użyj pęsety, aby delikatnie odciągnąć kawałki taśmy do krojenia w kostkę, które nie unoszą się same. Opłucz urządzenia w IPA i wysusz suszarką za pomocą pistoletu N2.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Jednym z krytycznych etapów opisanego powyżej procesu jest trawienie stołu (krok 1). Ważne jest, aby wytrawić warstwę w stopniu umożliwiającym usunięcie 2DEG poniżej, unikając jednocześnie przetrawienia. Dlatego zaleca się użycie próbki kontrolnej z litego GaAs w celu przetestowania roztworu trawiącego przed wykonaniem trawienia na próbce GaAs/AlGaAs. Szybkość trawienia heterostruktury GaAs/AlGaAs jest większa niż w przypadku GaAs, jednak trawienie próbki kontrolnej pozwala określić, czy roztwór jest bardziej lub mniej r...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Przedstawiony powyżej proces opisuje protokół wytwarzania podwójnej kropki kwantowej zdolnej do osiągnięcia reżimu kilkuelektronowego. Podane parametry mogą się jednak różnić w zależności od modelu i kalibracji używanego sprzętu. W związku z tym parametry, takie jak dawki ekspozycji na etapie wiązki elektronicznej i fotolitografii, będą musiały zostać skalibrowane przed wyprodukowaniem urządzeń. Proces ten można łatwo dostosować do wytwarzania kropek kwantowych zdefiniowanych przez bramkę na innych typach podłoży, takich...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują Michaelowi Lacerte za wsparcie techniczne. M.P.-L. wyraża wdzięczność Kanadyjskiemu Instytutowi Badań Zaawansowanych (CIFAR), Kanadyjskiej Radzie ds. Badań Przyrodniczych i Inżynieryjnych (NSERC), Kanadyjskiej Fundacji Innowacji (CFI) oraz Fonds de Recherche Québec - Nature et Technologies (FRQNT) za wsparcie finansowe. Prezentowane tutaj urządzenie zostało wyprodukowane w zakładach CRN2 i IMDQ, częściowo finansowanych przez NanoQuébec. Podłoże GaAs/AlGaAs zostało wyprodukowane przez firmę Z.R. Wasilewski z Instytutu Nauk Mikrostrukturalnych przy National Research Council Canada. J.C.L oraz C.B.-O. podziękować CRSNG i FRQNT za wsparcie finansowe.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Aceton - CH3COCH3AnachemiaAC-015067-64-1
Alkohol izopropylowy (IPA) - (CH3)2CHOHAnachemiaAC-783067-63-0
1165 ZmywaczMicroChem CorpG050200872-50-4
Microposit MF-319 DeweloperShipley3846075-59-2
Kwas siarkowy - H2SO4AnachemiaAC-8750766-93-9
Nadtlenek wodoru (30%) - H2O2Fisher Scientific7722-84-1
LOR 5A Odporność na zrywanieMicroChem CorpG516608120-92-3
Microposit S1813 Rezystuj fotograficznyShipley41280108-65-6
Microposit S1818 Photo ResistShipley41340108-65-6
PMMA LMW 4% w anizoluMicroChem Corp100-66-3, 9011-14-7
PMMA HMW 2% w anizoluMicroChem Corp100-66-3, 9011-14-7
Wafel GaAs/AlGaAsNational Research Council CanadaZobacz szczegółową strukturę warstw na Rysunek 1.
Ni (99.0%)Anachemia
Ge (99.999%)CERAC inc.
Au (99.999%)Kamis inc.
Ti (99,995%)Kurt J Lesker
AlKamis inc.
Technologia epoksydowo-epoksydowasrebrnaH20E

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Kropki kwantowe definiowane bramkamipodłoże GaAs/AlGaAslitografia wiązką elektronówproces fotolitografiiszybkie wyżarzanie termicznewytwarzanie kontaktów omowychprocedura trawienia stołowegoosadzanie pól przyłączeniowychcharakterystyka w niskiej temperaturzepomiar diagramu stabilności
Nanowytwarzanie bocznych kropek kwantowych GaAs/AlGaAs zdefiniowanych przez bramkę
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.