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Engineering

Nanofabricação de GaAs / AlGaAs Quantum Dots laterais de porta definidos

Published: November 1, 2013 doi: 10.3791/50581
Automatic Translation
1, 1, 1
1Département de Physique, Faculté des Sciences, Université de Sherbrooke

Summary

Este trabalho apresenta um protocolo detalhado para fabricação de porta-definidos pontos quânticos semicondutores laterais em heteroestruturas arseneto de gálio. Estes dispositivos em nanoescala são usadas para prender alguns elétrons para uso como bits quânticos em processamento de informação quântica ou para outros experimentos mesoscópicas como medições de condutância coerentes.

Abstract

Um computador quântico é um computador composto de bits quânticos (qubits), que tira proveito dos efeitos quânticos, como a superposição de estados eo emaranhamento, para resolver certos problemas exponencialmente mais rápido do que com os melhores algoritmos conhecidos em um computador clássico. Porta-definida pontos quânticos laterais na GaAs / AlGaAs são um dos muitos caminhos explorados para a implementação de um qubit. Quando adequadamente fabricado, um tal dispositivo é capaz de reter um pequeno número de electrões de uma certa região do espaço. Os estados de spin de electrões estes podem então ser usados ​​para implementar a lógica 0 e 1 do bit quântico. Dada a escala nanométrica desses pontos quânticos, as instalações de sala limpa oferecendo equipamentos, tais especializada como microscópios eletrônicos de varredura e e-beam-evaporadores são necessários para sua fabricação. Grande cuidado deve ser tomado durante todo o processo de fabricação para manter a limpeza da superfície da amostra e, para evitar danificar as portas frágeis da estrutura. Este papelapresenta o protocolo de fabricação detalhada de porta definidos quantum dots laterais da bolacha a um dispositivo de trabalho. Métodos de caracterização e resultados representativos são também brevemente discutida. Embora este trabalho concentra-se em pontos duplos quântica, o processo de fabricação é o mesmo para pontos simples ou triplo ou mesmo matrizes de pontos quânticos. Além disso, o protocolo pode ser adaptado para o fabrico de quantum dots laterais em outros substratos, tais como átomos de Si / SiGe.

Introduction

Ciência da informação quântica tem atraído muita atenção desde que foi mostrado que os algoritmos quânticos pode ser usado para resolver certos problemas exponencialmente mais rápido do que com os melhores algoritmos clássicos conhecidos 1. Um candidato óbvio para um bit quântico (qubit) é o spin de um único elétron confinado em um ponto quântico, uma vez que é um sistema de dois níveis. Várias arquiteturas foram sugeridos para a implementação de pontos quânticos, incluindo nanofios semicondutores 2, nanotubos de carbono 3, pontos quânticos auto-organizadas 4 e 5 de semicondutores verticais e pontos quânticos laterais 6. Pontos quânticos laterais portão definidos em GaAs / AlGaAs heteroestruturas foram muito bem sucedidos por causa de sua versatilidade e seu processo de fabricação é o foco deste artigo.

Em quantum dots laterais, o confinamento dos electrões na direcção perpendicular à superfície da amostra (direcção z) is atingido pela escolha do substrato adequado. A modulação heteroestrutura dopado GaAs / AlGaAs apresenta um gás de electrões bidimensional (2DEG) confinada à interface entre as AlGaAs e as camadas de GaAs. Estas amostras são cultivadas por epitaxia de feixe molecular, para obter uma densidade baixa impureza, que, combinada com a técnica de modulação de-dopagem, conduz a uma elevada mobilidade de electrões na 2DEG. Um esquema das diferentes camadas da heteroestrutura bem como a sua estrutura de banda são mostrados na Figura 1. A mobilidade dos electrões é maior na 2DEG necessário para assegurar a coerência dos estados electrónicos sobre toda a superfície do quantum dot. O substrato utilizado para o processo de fabricação descrito abaixo foi comprada do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá e apresenta uma densidade de elétrons de 2,2 x 10 11 cm -2 e uma mobilidade de elétrons de 1,69 x 10 6 centímetros 2 / VSEC.

O confinamento de elétrons em direções parallel à superfície da amostra é obtida por colocação de eléctrodos metálicos sobre a superfície do substrato. Quando estes eléctrodos são depositados sobre a superfície da amostra de GaAs, as barreiras são formadas Schottky 7. Tensões negativas aplicadas a esses eletrodos originar entraves locais na 2DEG abaixo do qual apenas os elétrons com energia suficiente podem cruzar. A exaustão da 2DEG ocorre quando a tensão aplicada é negativa o suficiente para que não há electrões têm energia suficiente para atravessar a barreira. Portanto, escolhendo cuidadosamente a geometria dos eléctrodos, é possível prender de um pequeno número de electrões entre as regiões empobrecido da amostra. Controlo de o número de electrões em ponto, bem como a energia de túnel entre o ponto e o 2DEG no resto da amostra pode ser obtido por ajuste fino das tensões nos eléctrodos. Um esquema dos eléctrodos de porta e o gás empobrecido de electrões é mostrado na Figura 2. O projeto para as estruturas que formam o portão ponto está naspired pelo projeto usado por Barthel et al. 8

Para controlar e ler informações sobre o número de elétrons no ponto, é útil para induzir e medir a corrente através do ponto. Leitura também pode ser feito por meio de um ponto de contacto do quantum (QPC), que também requer uma corrente através da 2DEG. O contacto entre as fontes e 2DEG tensão é assegurada através de contactos óhmicos. Trata-se de pastilhas metálicas que são difundidos a partir da superfície da amostra de todo o caminho até o 2DEG usando um recozimento térmico rápido processo padrão 7 (ver Figuras 3a e 4b). Para evitar um curto-circuito entre a fonte eo dreno, a superfície da amostra é gravado para que o 2DEG está esgotada em algumas regiões ea corrente é forçado a viajar através de alguns canais específicos (ver Figuras 3b e 4a). A região onde o 2DEG ainda permanece é referido como a "mesa".

Os seguintes detalhes do protocolo de todo o processo de fabricação de uma porta-definido ponto quântico lateral sobre um substrato de GaAs / AlGaAs. O processo é escalável, uma vez que continua a ser o mesmo, independentemente se o dispositivo está sendo fabricado é um único, duplo ou triplo quantum dot ou mesmo uma matriz de pontos quânticos. Manipulação, medição e resultados para os pontos quânticos duplos fabricados utilizando este método são discutidos em mais seções.

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Protocol

O processo de fabricação descrito abaixo é feito em um substrato de GaAs / AlGaAs com dimensões de 1,04 x 1,04 centímetros. Vinte dispositivos idênticos são fabricados sobre um substrato deste tamanho. Todas as etapas do processo são realizadas em salas limpas e um material de protecção adequado deve ser utilizado em todos os momentos. Água destilada é utilizada ao longo do processo, mas é simplesmente referido como "água" no protocolo abaixo.

1. Gravura da Mesa

O resultado desta etapa de fabricação é mostrado na Figura 4a.

  1. Colocar a amostra em um calcinador de plasma com um plasma de O 2 a 75 W durante 2 minutos para remover quaisquer vestígios de compostos indesejados resistir ou orgânico.
  2. Limpar a amostra num banho sónico com acetona (2x) e IPA, durante 5 min cada. Seque com um N 2 arma comprimido. Durante todo o protocolo de fabricação, quando se utiliza um banho sônico, evitar o uso de altas potências para evitar danificar o wafer GaAsque tem uma tendência a decompor.
  3. Cozer a amostra num forno a 125 ° C durante pelo menos 15 min para desidratar a superfície. A desidratação pode também ser conseguida colocando a amostra numa placa quente a 180 ° C durante pelo menos 5 min.
  4. Girar a amostra com revestimento Shipley S1818 fotosensitivo a 3.500 rpm durante 30 segundos e cozer numa placa quente a 115 ° C durante 60 seg. A camada resultante de resistir deve ser de cerca de 2,5 mm de espessura. S1818 é utilizado porque é espessa e é muito pouco afectado pela solução usada no passo 1.11 a corrosão do substrato. Durante todo o processo de fabrico, é importante para evitar overbaking fotossensível e de feixe e resistir a assegurar uma fácil remoção em passos subsequentes.
  5. Usar uma máscara fotolitográfica alinhador e um bordo talão máscara para expor a resistir na borda exterior da amostra. A borda do grânulo é constituído por uma máscara x 1 centímetro quadrado um cromo sobre uma placa de vidro. Utilização de luz com um comprimento de onda de 436 nm, e exponha o resistir durante 10 seg a 15 m W / cm 2. A wavelength e poder são fixos e podem variar de acordo com a máquina usada. Ajustar o tempo de exposição e desenvolvimento para obter características bem definidas, com o tamanho apropriado.
  6. Desenvolver resistir exposto por imersão da amostra em MF-319 por 2 min 10 seg. Agita-se lentamente durante este passo. Enxágüe em água por 15 segundos e secar com um N 2 arma comprimido. A borda talão deve ser removido no final desta etapa, deixando uma superfície x 1 1 cm com uma espessura uniforme de resistir no meio da amostra. A borda do grânulo é removido antes de expor a máscara de mesa para se obter um melhor contacto entre a máscara e a amostra, o que conduz a melhores resultados.
  7. Ainda usando o alinhador de máscara de fotolitografia, expor a resistir usando a máscara de mesa e 436 nm de luz para 7 seg a 15 mW / cm 2.
  8. Desenvolver o exposto resistir por imersão da amostra em MF-319 por 2 min 10 seg e agitando lentamente. Lavar por 15 segundos em água e seque com um N 2 arma comprimido. O resistir remaining sobre a amostra tem agora a forma de meseta. A resistência irá proteger a região da amostra que está sendo gravado fora nos passos que se seguem.
  9. Para eliminar todos os vestígios de resistir na área previamente exposto, a amostra é colocada num calcinador plasma e é exposto a um plasma de O 2 durante 1 min a 75 W.
  10. Uma solução de H 2 SO 4: H 2 O 2: H2O (05:01:55) é utilizado para gravar a amostra. Combine as devidas proporções de H 2 O 2 e água e, em seguida, adicione o H 2 SO 4. Esta solução é muito reactivo quando é primeiramente preparado. Espere 20 minutos antes de prosseguir para a etapa seguinte para evitar overetching.
  11. Etch da amostra, mergulhando-o na solução ácida durante vários segundos e imediatamente a lavagem em água durante 30 segundos para parar a reacção. A superfície da amostra deve ser gravado após a camada de Si contaminantes e quase todo o caminho até o 2DEG para assegurar o esgotamento nestas regiões (SEe Figura 1). A profundidade da corrosão podem variar dependendo do substrato. Geralmente, para o tipo de substrato utilizado, um segundo imersão 34 conduz à profundidade desejada de etch 90-100 nm. No entanto, é importante não overetch para evitar danificar o 2DEG. Uma vez que a taxa de corrosão varia fortemente com a proporção de H 2 SO 4 e H 2 O 2 na solução, assim como com o tempo de espera antes da corrosão, é recomendável realizar a decapagem por diversos imersões de 5-10 segundos, em vez de um único 34 sec etch, e medir a profundidade gravado com um perfilômetro após cada etch. A taxa de corrosão relativamente lenta desta solução permite um bom controlo da profundidade da corrosão. Arrefecimento a solução de ataque abaixo da temperatura ambiente pode levar a reduzir taxas de corrosão. No entanto, uma vez que é uma corrosão superficial e corrosão do perfil é importante, diferentes soluções de decapagem pode também ser usado.
  12. Tira a resistir por imersão da amostra em 1165 removedor a 65 ° C durante 3 horas. Enxaguarem acetona e IPA, durante 5 minutos cada. Meça o perfil etch com um perfilômetro.

2. Fabricação dos contatos ôhmica

O resultado desta etapa de fabricação é mostrado na Figura 4b.

  1. Limpar a amostra num banho sónico por imersão em acetona (2x) e IPA, durante 5 min cada. Seque com um N 2 arma comprimido.
  2. Cozer a amostra num forno a 125 ° C durante 15 minutos para secar a superfície.
  3. Girar o revestimento com LOR5A a 2.500 rpm durante 30 segundos e cozer numa placa quente a 150 ° C durante 10 min. Em seguida, o revestimento com S1813 girar a 5000 rpm durante 30 segundos e cozer numa placa quente a 110 ° C durante 60 seg. A espessura resultante de resistir são ~ 600 nm e ~ 1,3 mM, respectivamente. Duas camadas de resistir são usados ​​para facilitar a descolagem do metal que vai ser depositado no passo 2.10.
  4. Usando um alinhador de máscara de fotolitografia ea borda talão máscara, expor a resistir na ed exteriorge da amostra com luz 436 nm durante 10 segundos a 15 mW / cm 2.
  5. Desenvolver o exposto resistir por imersão da amostra em MF-319 por 2 min 10 seg, enquanto se agita suavemente. Enxágüe em água por 15 segundos e secar com um N 2 arma comprimido.
  6. Ainda usando o alinhador de máscara de fotolitografia, mas desta vez com a máscara de contato ôhmico, alinhar os padrões para os contatos óhmicas na gravado mesa. Exponha com 436 nm de luz para 6 seg a 15 mW / cm 2.
  7. Desenvolver a resistir em MF-319 para 2 min 10 seg, enquanto agitando suavemente. Enxágüe em água por 15 segundos e secar com um N 2 arma comprimido. Não há mais resistir nas regiões em que os contactos óhmicos serão depositadas. O promotor dissolve o 5A LOR mais rápido do que o S1813, deixando um rebaixo abaixo da camada superior de resistir. Este perfil no resistir impede o metal (que será depositado na etapa 2.10) a formação de paredes para as bordas da resistência e permitirá também um equipame fácill dos restantes resistir e metal indesejável.
  8. Para eliminar todos os vestígios de resistir na área anteriormente exposto, colocar a amostra em um calcinador de plasma e expô-la a um plasma de O 2 durante 1 min a 75 W. É importante que não se permita que a amostra ficar durante demasiado tempo no plasma porque cerca de 75 nm / min de resistir é gravado durante esta etapa.
  9. Remover o óxido nativo GaAs por imersão da amostra numa soluo de H 2 SO 4: H 2 O (1:5) durante 30 seg e enxaguamento em água durante 30 segundos. Seque com um N 2 arma comprimido. Passo 2,10 deve ser realizada o mais rapidamente possível para evitar que o óxido nativo de reaparecer.
  10. Use um evaporador e-beam para depositar 25 nm de Ni, 55 nm de Ge e 80 nm de Au. As taxas de deposição são, respectivamente, 0,2 nm / seg, 0,5 nm / seg e 0,5 nm / seg. As taxas de deposição são escolhidos de modo que o tempo de evaporação é suficientemente curto para evitar o aquecimento da câmara, sem ser tão curto que perder precisão da espessura tele depositou camada. A bicamada de Ge e Au pode ser substituído por uma única camada de GeAu eutética se ele está disponível 9.
  11. O passo anterior de metal depositado sobre toda a superfície da amostra. A remoção do metal que é depositado sobre a protecção é feita através da dissolução do último. Para fazer isso, mergulhar a amostra em 1165 removedor a 65 ° C durante 3 horas. Para remover qualquer metal indesejáveis ​​que podem não ter levantado por si próprio, utilizar uma pipeta para pulverizar ligeiramente a superfície da amostra com removedor quente. Lavar a amostra em acetona e IPA por 5 min cada.
  12. Um processo de recozimento térmico rápido em gás de formação é utilizado para difundir o metal depositado até o 2DEG da amostra. A temperatura é aumentada a uma taxa de 50 ° C / segundo até a uma temperatura de 415 ° C, é alcançado. A amostra é deixada a esta temperatura durante 20 segundos e depois é arrefecido rapidamente. A duração e a temperatura do recozimento são escolhidos para obter a menor resistência através dos contactos óhmicos a baixatemperatura. O tempo óptimo de recozimento pode variar, dependendo da profundidade do 2DEG no substrato.

3. Fabricação de Ti / Au Schottky Leads

O resultado desta etapa de fabricação é mostrado na Figura 4c.

  1. Limpar a amostra num banho sónico por imersão em acetona (2x) e IPA, durante 5 min cada. Seque com um N 2 arma comprimido.
  2. Cozer a amostra num forno a 125 ° C durante 15 minutos para secar a superfície.
  3. Spin coat PMMALMW4% a 5000rpm durante 30 seg e cozer numa placa quente a 180 ° C durante 90 seg. Em seguida, girar revestimento de PMMA de 2% de HMW a 5.000 rpm durante 30 segundos e cozer numa placa quente a 180 ° C durante 90 seg. O resultando espessuras de resistir são ~ ~ 75 nm e 40 nm, respectivamente. Uma vez que as ligações Ti / Au será muito fina, uma única camada de PMMA pode ser usado, mas os parâmetros de fiação, a exposição e revelação vai precisar de ser ajustadas em consequência. Esta observação aplica-se também a tAl ele leva e portões (passo 4).
  4. Processo de E-beam: Esta parte do processo é altamente dependente do equipamento utilizado e do protocolo necessário pode, assim, ser muito diferente do descrito abaixo. Os padrões para as ligações são desenhadas em um arquivo CAD. Neste arquivo, as ligações devem ser desenhadas como polígonos fechados que são 2 m de largura. Os condutores são necessários para contactar as almofadas de ligação (fabricado no passo 5) para o Al portas (fabricado no passo 4). Quatro marcas de alinhamento também pode ser exposto para permitir que o alinhamento vertical, horizontal e de rotação das ligações Al e portões para o Ti / Au Schottky leva.
    1. Coloque a amostra em um microscópio eletrônico de varredura (SEM), que está equipado para fazer litografia por feixe de elétrons. É uma abertura de 10 um para reduzir o tamanho do ponto do feixe e ajustar a tensão de aceleração de 10 kV para garantir um bom contraste, durante o alinhamento das estruturas previamente fabricados. Ajuste o foco, a estigmatização eo alinhamento de abertura.Medir a corrente com um copo de Faraday feixe.
    2. Alinhe o feixe com a mesa previamente gravadas e definir a ampliação de 300X.
    3. Expor os leads. O SEM está programado para expor as áreas desejadas, enchendo-as com uma matriz de pontos expostos. A distância entre estes pontos (a distância de centro a centro) é de 5,5 nm e a dose é de 43 uC / cm 2 (o tempo de exposição dependerá da corrente de feixe medida no passo 3.5.1). Expor as marcas de alinhamento, assim como para permitir que o alinhamento do Al portões com os condutores de Ti / Au na etapa 4.
    4. Repita os passos 3.5.2 e 3.5.3 para cada um dos 20 dispositivos na amostra.
  5. Desenvolver a resistir por imersão da amostra em IPA: H 2 O (9:1) durante 30 seg. A solução deve estar a uma temperatura de 20 ° C. Enxágüe em água por 30 segundos e secar com um N 2 arma comprimido. Se preferido, o PMMA pode resistir a ser desenvolvido usando um IPA: A solução de MIBK e enxaguamento em IPA para parar a reacção. A d diferenteesenvolvimento tempo será necessário se esta opção for escolhida.
  6. Colocar a amostra de plasma em um calcinador e expô-la a um plasma de 2 O para 4 segundos a 50 W. Isto remove 5 nm de resistir e assegura que não há resistência à esquerda, na parte inferior das trincheiras formadas durante o processo de feixe electrónico.
  7. Remover o óxido nativo GaAs por imersão da amostra numa soluo de H 2 SO 4: H 2 O (1:5) durante 30 seg e enxaguamento em água durante 30 segundos. Seque com um N 2 arma comprimido. Passo 3.8 deve ser realizada o mais rapidamente possível para evitar que o óxido nativo de reaparecer.
  8. Colocar a amostra no evaporador e um depósito de feixe e 10 nm, de Ti e Au de 20 nm, ambas a uma taxa de 0,1 nm / seg. É importante que o suporte de amostras para ser bem ligado à terra e colocado de pelo menos 60 cm de distância da fonte para evitar a acumulação de cargas sobre a amostra durante o processo de deposição.
  9. Excesso de metal decolagem por imersão da amostra em 1165 Remover a 65 °C durante 15 min. Para remover qualquer metal indesejáveis ​​que podem não ter levantado por si próprio, utilizar uma pipeta para pulverizar ligeiramente a superfície da amostra com removedor quente. Lavar em acetona e IPA por 5 minutos cada.

4. Fabricação dos Schottky Leads e portões Al

O resultado desta etapa de fabricação é mostrada na Figura 4d.

A fabricação do Al Schottky e leva portões constitui a etapa mais importante do processo de fabricação uma vez que estes são os portões que definem o ponto. É importante que o feixe de electrões ser bem focado e corrente de feixe bem ajustado no passo 4.2. A exposição dos tempos de desenvolvimento e também deve ser bem ajustado para se obter as pequenas portas, contínua e bem definida. Em muitos protocolos, estas portas e leva são fabricados em Ti / Au e são expostos simultaneamente com os fios anteriores durante a etapa 3. No entanto, uma vantagem da utilização de Al é que ele pode ser oxidado, Therefminério permitindo a elementos, tais como portas de topo a ser depositado directamente sobre a superfície da amostra, sem a necessidade de uma grande camada de isolamento 10.

  1. Repita os passos 3.1 a 3.4.2. No entanto, não use o banho sônico durante a limpeza da amostra para evitar danificar os fios Ti / Au.
  2. Processo E-beam: Os padrões para as ligações Al e portões são desenhadas em um arquivo CAD. Os cabos de Al são usadas para contatar o Ti / Au leva à Al portões e são desenhados como polígonos fechados, com uma largura de 200 nm. O Al portões, contudo, não são desenhados como polígonos, mas como duas linhas individuais separadas por 20 nm.
    1. Uma vez que o feixe foi alinhada com a mesa, defina a ampliação para 1.500 X e alinhar o feixe com a Ti / Au Schottky leva.
    2. Expor os leads. Utilização de uma dose de 43 uC / cm 2 e a uma distância de centro a centro de 3,3 nm.
    3. Expor os portões. Use a dose linha de 0,149 NC / cm e uma distância de centro a centro de 1,1 nm. Isto irá levar a umlargura portão final de 60 nm.
    4. Repita os passos 4.2.1 - 4.2.3 para cada um dos 20 dispositivos na amostra.
  3. Repita os passos de 3,5-3,7.
  4. Colocar a amostra no evaporador e um depósito de feixe e de Al de 30 nm a uma taxa de 0,3 nm / seg.
  5. Repita o passo 3.10. É importante ser muito delicada com a amostra a partir deste passo em diante, para evitar danificar as pequenas portas Al.

5. Fabricação dos Leads Schottky e Bonding Pads

O resultado desta etapa de fabricação é mostrado na Figura 4e.

  1. Repita os passos de 2,1-2,9, utilizando-se uma máscara para a photolithographic Schottky leva em vez da máscara para as almofadas óhmicas.
  2. Coloque a amostra em um evaporador e depósito e-beam 30 nm de Ti e 350 nm de Au com taxas de 0,3 nm / seg e 1 nm / s, respectivamente. A espessura da camada depositada de Au facilita a ligação da amostra ao suporte da amostra, porque é menos propenso a rasgar do que thicamadas nner.
  3. Descolagem do metal em excesso e permanecer resistir por imersão da amostra em 1165 removedor a 65 ° C durante 3 horas. Para remover qualquer metal indesejáveis ​​que podem não ter levantado por si próprio, utilizar uma pipeta para pulverizar ligeiramente a superfície da amostra com removedor quente. Lavar a amostra em acetona e IPA por 5 min cada.

6. Cubos das amostras

  1. Cozer a amostra num forno a 125 ° C durante 15 minutos para secar a superfície.
  2. Girar o revestimento com S1818 a 3.500 rpm durante 30 segundos e cozer numa placa quente a 115 ° C durante 1 min. A espessura desta camada de resistir não é importante, desde que seja suficientemente espessa para proteger a superfície da amostra durante o corte em cubos.
  3. Depositar uma camada de fita de corte em cubos sobre as faces superior e inferior da amostra. A camada de fita adesiva sobre a face superior apresenta uma camada de protecção adicional para o dispositivo durante o corte em cubos.
  4. Coloque a amostra de face para cima em um dicer. Cortar a amostra em dispositivos individuais por cortarpor todo o caminho através da camada superior da fita em cubos e os GaAs / AlGaAs bolacha sem corte através da camada inferior de fita de corte em cubos.
  5. Remover a fita de corte em cubos e o protector resistir colocando a amostra em acetona, durante alguns minutos. Use uma pinça para puxar suavemente pedaços de fita em cubos que não levantar por conta própria. Lavar os dispositivos em IPA e seque usando uma arma de 2 N.

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Representative Results

Um dos passos importantes no processo descrito acima é o condicionamento da mesa (passo 1). É importante para gravar o suficiente para remover a seguir 2DEG evitando overetching. Portanto, recomenda-se a utilização de uma amostra de GaAs manequim grandes quantidades para testar a solução de gravação antes de realizar a corrosão das amostras de GaAs / AlGaAs. A taxa de corrosão dos GaAs / AlGaAs heteroestruturas é maior do que a de GaAs, mas a corrosão do manequim podem dar uma indicação sobre se a solução é mais ou menos reactivo do que o habitual e o tempo de corrosão da amostra real pode ser ajustada em conformidade.

Uma vez que os dispositivos foram fabricados, eles estão prontos para ser ligado a um suporte de amostras utilizando epóxi prata. Soldagem de fios entre almofadas de ligação da amostra e os pinos de conexão do titular da amostra é feito através de 25 um fio Al. É melhor evitar observando os dispositivos em um microscópio eletrônico de varredura (SEM), porque há um risco de danificá-los. Em vez, Existem testes simples que pode ser feito a temperaturas bastante altas (~ 4 K) e que permitem confirmar se algum dos portões são quebradas ou ausentes antes de se arrefecer a amostra num refrigerador de diluição para posterior caracterização. Um destes testes consiste na aplicação de uma polarização de voltagem entre dois contactos óhmicos e medindo a corrente conduzida através da amostra em função da tensão aplicada sobre um par de portas. Um exemplo de tais medições é apresentado na Figura 5. As curvas da figura 5 mostram dois regimes distintos. O primeiro regime varia de 0 V a -750 mV e apresenta duas etapas: uma de esgotamento em cerca de-300mV correspondente ao esgotamento dos 200 nm de largura e leva um em cerca de-750mV correspondentes ao esgotamento das portas largas nm 60. O segundo regime a tensões inferiores mostra planaltos que correspondem à quantificação da condutância. Os valores típicos para pinch-off pontos entre pares de faixa de portas entre-500mV a 2V. Além disso, umanão se deve aplicar uma tensão positiva acima de 500 ou 600 mV em uma porta, uma vez que pode danificar a barreira Schottky. A partir da Figura 5, é possível concluir que, no caso deste exemplo em particular, as portas são susceptíveis de ser geometricamente semelhante uma vez que a CT-TL e TC-TR pares belisque da corrente a tensões aproximadamente iguais. O mesmo vale para o TC-BL e TC-BR pares. No entanto, o facto de a corrente flui ainda entre o TC e BC portões mesmo para tensões elevadas indica que o portão BC é quebrada ou ausente. Normalmente, cerca de 50% dos dispositivos testados têm portas totalmente funcionais e contactos óhmicos.

Uma vez que um dispositivo adequado foi encontrado, que pode ser carregado em um refrigerador de diluição para a caracterização a baixas temperaturas (<100 mK). As tensões sobre cada uma das portas deve ser ajustada de modo a formar a dupla de pontos. Não é o objetivo deste artigo para detalhar este processo de ajuste. Uma vez que um ponto dupla foi formada, a estabilizaçãodiagrama ty pode ser medido para verificar se o duplo ponto pode chegar o regime poucos elétrons. Isto é feito pela aplicação de um pequeno desvio constante de dreno-fonte (~ 10 mV) e por medição da corrente através do ponto duplo como uma função das tensões aplicadas sobre o BL e BR portões. Se a concepção do dispositivo inclui um ponto de contacto quântica que serve como detector de carga, é preferível utilizar este, em vez da corrente através do ponto, para a medição da estabilidade do diagrama 11. Um diagrama de estabilidade medido e uma representação esquemática de um resultado ideal são mostrados na Figura 6. Tal como mostrado na Figura 6b, apenas os fluxos de corrente através do ponto duplo nos pontos triplos. O regime de zero de electrões é alcançado quando não há mais pontos triplos pode ser observado no diagrama de estabilidade, não importa quão negativa das tensões dos portões se. No entanto, o facto de já não flui corrente através do ponto de altas tensões podem também indicar que as barreiras de túnel ligarção da fonte e dreno para o duplo ponto foram completamente beliscou fora. Giro bloqueio pode ser medido em diferentes pontos triplos para provar que o regime poucos elétrons foi alcançado 12, mas o número exato de elétrons no duplo ponto precisa ser determinado usando sensoriamento de carga. Para obter informações mais detalhadas sobre os diagramas de estabilidade, bloqueio de spin e sensoriamento de carga ver R. Hanson et al 13.

Figura 1
Figura 1. a) Seqüência de camadas presentes em uma GaAs / AlGaAs heteroestruturas crescidas por epitaxia de feixe molecular. b) estrutura de banda do heteroestruturas mostrado em a). c B e B v são, respectivamente, a condução e bandas de valência. A única região onde a banda de condução está abaixo do nível de Fermi (E f) is encontrado entre a camada de 5.000 Å de GaAs e uma camada de AlGaAs 400. É aqui que o 2DEG foi encontrado. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

Figura 2
Figura 2. Esquemática dos eletrodos de porta metálica (cinza escuro) de um ponto quântico duplo depositado em cima de uma GaAs / AlGaAs heteroestruturas. The 2DEG é mostrado em laranja e as regiões esgotadas são brancos. Os quadrados pretos representam contatos ôhmicos e as setas mostram o fluxo de corrente através do ponto eo ponto de contato quântico (QPC). Os dois pontos estão localizados nas regiões onde laranja electrões ainda permanecem no centro da zona de depleção. Gates, BL e BR são usados ​​para controlar o número de electrões nos pontos da esquerda e da direita, respectivamente. BC e TC con Trol a barreira túnel entre os dois pontos. TL é usado para ajustar a barreira de túnel entre a fonte eo ponto esquerdo, enquanto TR músicas a barreira entre o ponto certo e do dreno. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

Figura 3
Figura 3. (A) Esquema de Ni / Ge / Au contacto óhmico (rectângulos dourados) difundida pelo recozimento térmico rápido a partir da superfície da amostra até à 2DEG. (B) Vista lateral da superfície da amostra, que é gravado para criar a mesa. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

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Figura 4. Imagens do microscópio óptico de um dispositivo de duplo quantum dot após diferentes passos do processo de fabricação. (A) um dispositivo após o condicionamento da mesa (passo 1). As áreas cinzentas foram gravadas distância impedindo a corrente eléctrica se escoe através destas regiões, enquanto que as regiões cinzentas escuras ainda apresentar um 2DEG. (B) após o fabrico do dispositivo dos contactos óhmicos (passo 2). Os contactos óhmicos são os quadrados de ouro. (C) dispositivos após a fabricação do Ti / Au Schottky conduz (etapa 3). As ligações são as linhas brancas no centro da imagem. (D) dispositivos após a fabricação da Al Schottky conduz e portões (passo 4). Estes encontram-se no quadrado verde no centro da imagem. Uma imagem de SEM das portas utilizado para definir os pontos quânticos é também mostrado. (E) dispositivos após a fabricação dos eléctrodos de Schottky e as almofadas de ligação (passo 5).:/ / Www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "target =" _blank "> Clique aqui para ver imagem ampliada.

Figura 5
Figura 5. Corrente que flui a partir da fonte para escoar como uma função da tensão aplicada em diferentes pares de pórticos. A depleção do gás de electrões começa a ~ -400 mV e é terminado no ~ -700 mV. A tensão de polarização aplicada entre a fonte e o dreno é de 500 mV e a corrente é medida por uma medição de dois pontos. Todas as curvas são tomadas em 1,4 K. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

Figura 6
Figura 6. (A) Esquema deUm diagrama de estabilidade ideal que seria obtida utilizando uma QPC. linhas podem ser observadas quando um túnel de electrões para um ponto ou entre os pontos. Os círculos negros representam pontos triplos onde é possível que o fluxo de corrente através do ponto. (B) Esquema Estabilidade obtida através da medição da corrente que flui pelo ponto com TL = -100 mV, CT = -350 mV, TR = -1080 mV , BC = -1160 mV, QPC = -600 mV e um viés fonte-dreno de 10 mV. A amostra foi viés refrigerado com uma tensão V = 500 mV em cada portão, que muda toda a exaustão e pinch-off pontos em cerca de 500 mV e reduz o ruído telegráfica no experimento 14. Para este tipo de diagrama de estabilidade, apenas os pontos triplos é suposto ser visível, tal como é aqui o caso para as tensões mais negativos. Em ambos (a) e (b), os números (L, R) indicam o número de electrões no ponto esquerda e direita para diferentes valores das tensões no BL e BRportões. As linhas verdes em (b) são guias que mostram as regiões com um número constante de elétrons. Clique aqui para ver a imagem ampliada .

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Discussion

O processo apresentado acima descreve o protocolo de fabricação de um ponto quântico duplo capaz de atingir o regime de poucos electrões. No entanto, os parâmetros indicados podem variar em função do modelo de calibração e do equipamento utilizado. Portanto, os parâmetros tais como as doses para as exposições, durante os passos de e-beam fotolitografia e terá de ser calibrado antes do fabrico dos dispositivos. O processo pode ser facilmente adaptado para o fabrico de porta definida quantum dots em outros tipos de substratos, tais como átomos de Si / SiGe, que também apresentam um 2DEG.

Para certos tipos de dispositivos, tais como quantum dots verticais, a barreira de túnel a partir da fonte e do dreno para o ponto são determinados durante o fabrico e não pode ser variada depois 5. Uma vantagem da porta definidos pontos laterais quântica é que as barreiras de túnel para o ponto, bem como entre os pontos pode ser controlada electricamente. No entanto, devido a isso, deve ser tomado cuidadopara manter esses valores durante a manipulação das tensões sobre as outras portas que definem o ponto.

É importante lembrar que, uma vez que o regime de poucos electrões tenha sido atingido, o objectivo é o de manipular os estados de spin dos electrões sobre o ponto de realizar cálculos quânticos. Os estados 0 e 1 do qubit tem sido implementado com sucesso em cima e para baixo estados de spin de um único elétron 15, bem como no ST 0 16 e ST + 17 estados de duas rodadas. O acoplamento entre dois qubits também tem sido conseguida utilizando estes dispositivos 18. No entanto, uma das principais desvantagens de quantum dots laterais em GaAs / AlGaAs é o tempo de coerência curto (o tempo durante o qual o estado de rotação dos electrões na dot é preservado) provocada pela interacção com os spins nucleares dos átomos que formam o substrato 19. Isto levou à investigação do quantum dots laterais em materiais, tais como silício (Si/ SiGe heteroestruturas 20) e carbono (grafeno 21), que têm isótopos que são livres de spin nuclear e deverão levar a tempos teoricamente longos coerência. No entanto, estes dispositivos têm ainda de alcançar os resultados do controlo e de leitura obtida por pontos em GaAs / AlGaAs. Trabalhos em curso envolvendo GaAs / AlGaAs pontos quânticos duplos também inclui o acoplamento do dispositivo a um ressonador de microondas 22 e a integração dos micromagnets para permitir que as operações de rotação mais rápida 23.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Os autores agradecem a Michael Lacerte para suporte técnico. MP-L. reconhece o Instituto Canadense de Pesquisas Avançadas (CIFAR), Ciências Naturais eo Conselho de Pesquisa em Engenharia do Canadá (NSERC), da Fundação Canadense para Inovação (CFI) e Fonds de Recherche Québec - Nature et Technologies (FRQNT) pelo apoio financeiro. O dispositivo aqui apresentado foi fabricado em CRN2 e IMDQ instalações, financiados em parte por NanoQuébec. Os GaAs / AlGaAs substrato foi fabricado por ZR Wasilewski, do Instituto de Ciências microestruturais no National Research Council Canada. JCL e CB-O. reconhecer CRSNG e FRQNT de apoio financeiro.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone - CH3COCH3 Anachemia AC-0150 67-64-1
Isopropyl Alcohol (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
Sulfuric Acid - H2SO4 Anachemia AC-8750 766-93-9
Hydrogen Peroxide (30%) - H2O2 Fisher Scientific 7722-84-1
LOR 5A Lift-off resist MicroChem Corp G516608 120-92-3
Microposit S1813 Photo Resist 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 See detailed layer structure in Figure 1.
Ni (99.0%) Anachemia
Ge (99.999%) CERAC inc.
Au (99.999%) Kamis inc.
Ti (99.995%) Kurt J Lesker
Al Kamis inc.
Silver Epoxy Epoxy Technology H20E

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References

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Bureau-Oxton, C., Camirand Lemyre, J., Pioro-Ladrière, M. Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots. J. Vis. Exp. (81), e50581, doi:10.3791/50581 (2013).

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