Summary
Denna uppsats presenterar en detaljerad tillverkning protokoll för gate-definierade halvledare laterala kvantprickar på galliumarsenid heterostrukturer. Dessa nanoskala enheter används för att fånga några elektroner för användning som kvantbitar i quantum informationsbehandling eller för andra mesoskopisk experiment såsom koherenta konduktans mätningar.
Abstract
En kvantdator är en dator består av quantum bitar (kvantbitar) som drar nytta av kvantmekaniska effekter, t.ex. överlagring av stater och trasslar in sig, för att lösa vissa problem exponentiellt snabbare än med de mest kända algoritmer på en klassisk dator. Gate-definierade laterala kvantprickar på GaAs / AlGaAs är en av många vägar utforskas för att genomföra en qubit. När rätt tillverkas, är en sådan anordning kunna fånga ett litet antal elektroner i en viss region av rymden. De spinntillstånd hos dessa elektroner kan sedan användas för att genomföra den logiska 0 och en av den kvantmekaniska bit. Med tanke på nanometerskala av dessa kvantprickar, renrumsfaciliteter erbjuder specialiserad utrustning-såsom svepelektronmikroskop och e-beam förångare-krävs för deras tillverkning. Stor försiktighet måste iakttas under hela tillverkningsprocessen för att upprätthålla renlighet i provytan och för att undvika att skada de ömtåliga portar strukturen. Detta papperpresenterar detaljerad tillverkning protokollet av gate-definierade laterala kvantprickar från skivan till en fungerande enhet. Metoder för karakterisering och resultat representativa också kortfattat. Även om denna uppsats fokuserar på dubbel kvantprickar, förblir tillverkningsprocessen densamma för ensamstående eller tredubbla prickar eller ens system av kvantprickar. Dessutom kan protokollet anpassas för att tillverka laterala kvantprickar på andra substrat, såsom Si / SiGe.
Introduction
Quantum informationsvetenskap har dragit mycket uppmärksamhet ända sedan det visat sig att kvantalgoritmer kan användas för att lösa vissa problem exponentiellt snabbare än med de mest kända klassiska algoritmer 1. En självklar kandidat för en quantum bit (qubit) är spinn enda elektron instängd i ett stort prick eftersom det är ett system med två nivåer. Många arkitekturer har föreslagits för genomförandet av kvantprickar, inklusive halvledande nanotrådar 2, kolnanorör 3, egentillverkad kvantprickar 4 och halvledare vertikala 5 och laterala kvantprickar 6. Gate-definierade laterala kvantprickar i GaAs / AlGaAs heterostrukturer har varit mycket framgångsrika på grund av sin mångsidighet och deras tillverkningsprocess är i fokus för denna uppsats.
I laterala kvantprickar, inneslutning av elektroner i riktningen vinkelrätt mot provytan (z-riktningen) i.s uppnås genom att välja rätt substrat. GaAs / AlGaAs modulation-dopade heterostruktur presenterar en tvådimensionell elektron gas (2DEG) begränsas till gränsytan mellan AlGaAs och GaAs skikt. Dessa prover odlas av molekylär strålepitaxi att erhålla en låg förorening densitet, vilket i kombination med den modulering-dopning teknik, leder till hög elektron mobilitet i 2DEG. Ett schema över de olika skikten i heterostrukturen liksom dess bandstruktur visas i Figur 1. En hög elektron mobilitet behövs i 2DEG att säkerställa samstämmigheten mellan elektroniska stater över hela ytan av quantum dot. Underlaget används för tillverkningsprocessen beskrivs nedan köptes från National Research Council of Canada och presenterar en elektron täthet av 2,2 x 10 11 cm -2 och en elektron rörlighet på 1,69 x 10 6 cm 2 / Vsek.
Den inneslutning av elektroner i riktningar parallel till provytan uppnås genom att placera metalliska elektroder på ytan av substratet. När dessa elektroder är avsatt på ytan hos GaAs-provet, är Schottky-barriärer bildas 7. Negativa spänningar tillämpats för sådana elektroder leder till lokala hinder i 2DEG under vilken endast elektroner med tillräcklig energi kan passera. Utarmning av 2DEG inträffar när den spänning som appliceras är negativ nog att inga elektroner har tillräckligt med energi för att korsa barriären. Därför, genom att noggrant välja geometrin hos elektroderna, är det möjligt att fånga ett litet antal elektroner mellan utarmat regioner av provet. Kontroll av antalet elektroner på pricken liksom den tunneldrivande energi mellan punkten och den 2DEG i resten av provet kan åstadkommas genom att finjustera spänningarna på elektroderna. Ett schema över styrelektroderna och den utarmade elektron gas visas i figur 2. Designen för porten strukturer som bildar pricken är ispired genom konstruktion användes av Barthel et al. åtta
För att styra och läsa ut information om antalet elektroner på pricken, är det användbart att inducera och mäta strömmen genom pricken. Avläsning kan också göras med hjälp av en Quantum punktkontakt (QPC), vilket också kräver en ström genom 2DEG. Kontakten mellan 2DEG-och spänningskällor säkerställs av ohmska kontakter. Dessa är metallplattor som är diffunderat från ytan av provet hela vägen ner till 2DEG med en vanlig snabb termisk glödgning process 7 (se fig 3a och 4b). För att undvika kortslutning mellan source och drain är ytan av provet etsas så att 2DEG är slut i vissa regioner och strömmen tvingas färdas genom vissa specifika kanaler (se figur 3b och 4a). Den region där 2DEG fortfarande kallas den "mesa".
Följande protokoll detaljer hela tillverkningsprocessen av en grind definierad-laterala quantum dot på en GaAs / AlGaAs substrat. Processen är skalbar eftersom det förblir detsamma oavsett om enheten som tillverkas är en enkel, dubbel eller trippel quantum dot eller ens en samling av kvantprickar. Manipulation, mätning och resultat för dubbel kvantprickar tillverkade med denna metod diskuteras i ytterligare sektioner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Tillverkningsprocessen beskrivs nedan sker på en GaAs / AlGaAs substrat med måtten 1,04 x 1,04 cm. Tjugo identiska enheter är tillverkade på ett substrat av denna storlek. Alla steg i processen sker i renrum och lämplig skyddsutrustning måste användas vid alla tillfällen. Avjoniserat vatten används under hela processen, men är helt enkelt kallad "vatten" i protokollet nedan.
Ett. Etsning av Mesa
Resultatet av detta tillverkningssteg visas i figur 4a.
- Placera provet i en plasma Asher med en O 2 plasma vid 75 W i 2 minuter för att avlägsna alla spår av oönskade motstå eller organiska föreningar.
- Rengör provet i en sonisk bad med aceton (2 x) och IPA under 5 min vardera. Föna med en komprimerad N 2 pistol. Under hela tillverkningsprocessen protokollet, när du använder en sonic bad, undvika att använda stora befogenheter för att förhindra skador på GaAs wafersom har en tendens att klyva.
- Baka provet i en ugn vid 125 ° C under minst 15 min för att dehydrera ytan. Uttorkning kan också uppnås genom att placera provet på en varm platta vid 180 ° C under minst 5 min.
- Spin coat provet med Shipley S1818 fotoresist vid 3500 rpm under 30 sek och baka på en varm platta vid 115 ° C under 60 sek. Det resulterande skiktet av resist bör vara ca 2,5 pm tjockt. S1818 används eftersom den är tjock och påverkas mycket lite av den lösning som används i steg 1,11 att etsa substratet. Under hela tillverkningsprocessen, är det viktigt att undvika overbaking fotoresist och e-stråle motstå att säkerställa enkelt avlägsnande i efterföljande steg.
- Använd en fotolitografisk mask aligner och en kantvulst mask för att exponera resisten på den yttre kanten av provet. Den kantvulst mask består av en 1 x 1 cm krom ruta på en glasplatta. Använd ljus med en våglängd av 436 nm och exponera motstå för 10 sek vid 15m W / cm 2. Det wavelength och makt är fasta och kan variera med den använda maskinen. Justera exponeringen och utveckling gånger för att erhålla väldefinierade funktioner i rätt storlek.
- Utveckla exponerad resist genom nedsänkning av provet i MF-319 för 2 min 10 sek. Skaka långsamt under detta steg. Skölj i vatten i 15 sek och föna med en komprimerad N 2 pistol. Den kantvulst bör avlägsnas vid slutet av detta steg, vilket ger en 1 x 1 cm yta med en enhetlig tjocklek på resist i mitten av provet. Kanten vulsten avlägsnas före exponering mesan mask för att erhålla en bättre kontakt mellan masken och provet, vilket leder till bättre resultat.
- Fortfarande använder fotolitografiska mask Aligner, exponera motstå använda mesa masken och 436 nm ljus under 7 sek vid 15 mW / cm 2.
- Utveckla den exponerade resisten genom nedsänkning av provet i MF-319 i 2 min 10 sek och omrörning långsamt. Skölj efter 15 sek i vatten och blås torrt med en komprimerad N 2 pistol. Resisten remaining på provet har nu formen av mesan. Den motstå kommer att skydda denna region av provet från etsas bort i de steg som följer.
- För att ta bort alla spår av motstånd i tidigare exponerade området, placeras provet i en plasma Asher och utsätts för en O 2 plasma under 1 min vid 75 W.
- En lösning av H 2 SO 4: H 2 O 2: H2O (05:01:55) används för att etsa provet. Kombinera de riktiga proportionerna av H 2 O 2 och vatten och tillsätt sedan H 2 SO 4. Denna lösning är mycket reaktiv när den framställs först. Vänta 20 minuter innan du fortsätter till nästa steg för att undvika overetching.
- Etsa provet genom nedsänkning i syralösningen under flera sekunder och omedelbart sköljning i vatten under 30 sekunder för att stoppa reaktionen. Ytan av provet bör etsas förbi lagret av Si dopningsmedel och nästan hela vägen ner till 2DEG att säkerställa utarmning i dessa regioner (see Figur 1). Den etch djup kan variera beroende på substratet. Generellt, för den typ av substrat som används, leder en 34 sek nedsänkning till önskat etch djup av 90-100 nm. Det är dock viktigt att inte overetch att undvika skador på 2DEG. Eftersom etsningshastigheten varierar starkt med förhållandet mellan H 2 SO 4 och H 2 O 2 i lösningen samt med väntetiden innan etch, rekommenderas att utföra etsning av flera nedsänkningar av 5-10 sek, i stället av en enda 34 sek etch, och mäta den etsade djupet med en profilometer efter varje etch. Den relativt långsamma etshastighet av denna lösning möjliggör en god kontroll av etch djup. Kylning av etslösningen under rumstemperatur kan leda till lägre etshastigheter. Men eftersom det är en grund etch och den etch profilen är oviktigt, kan olika etsningsmetoder lösningar också användas.
- Skala av resist genom nedsänkning av provet i 1165 Remover vid 65 ° C under 3 timmar. Skölji aceton och IPA under 5 min var. Mät etch profilen med en profilometer.
2. Tillverkning av de ohmska kontakterna
Resultatet av detta tillverkningssteg visas i figur 4b.
- Rengör provet i en sonisk bad genom nedsänkning i aceton (2 x) och IPA under 5 min vardera. Föna med en komprimerad N 2 pistol.
- Baka provet i en ugn vid 125 ° C under 15 min för att dehydrera ytan.
- Spin päls med LOR5A vid 2500 rpm under 30 sek och baka på en varm platta vid 150 ° C under 10 min. Sedan snurra päls med S1813 vid 5000 rpm under 30 sek och baka på en varm platta vid 110 ° C under 60 sek. Den resulterande tjocklekar resist är ~ 600 nm och ~ 1,3 pm, respektive. Två lager av resist används för att underlätta lyft-off av den metall som kommer att deponeras i steg 2.10.
- Använda en fotolitografisk mask Aligner och kantvulst mask, exponera motstå den yttre edGE av provet med 436 nm ljus under 10 sek vid 15 mW / cm 2.
- Utveckla den exponerade resisten genom nedsänkning av provet i MF-319 i 2 min 10 sek under omröring smidigt. Skölj i vatten i 15 sek och föna med en komprimerad N 2 pistol.
- Fortfarande använder fotolitografiska mask Aligner, men den här gången med den ohmska kontakten mask, anpassa mönster för de ohmska kontakterna på etsad mesa. Exponera med 436 nm ljus under 6 sekunder vid 15 mW / cm 2.
- Utveckla av fotoresisten i MF-319 i 2 min 10 sek under omröring smidigt. Skölj i vatten i 15 sek och föna med en komprimerad N 2 pistol. Det finns inte längre motstå i de regioner där de ohmska kontakterna kommer att deponeras. Utvecklaren upplöser LOR 5A snabbare än S1813, lämnande en underskärning nedanför det översta lagret av resist. Denna profil i resisten förhindrar metall (som kommer att deponeras i steg 2.10) från att bilda väggar vid kanterna av resisten och kommer också att möjliggöra ett enkelt removal av den återstående resist och oönskade metall.
- För att ta bort alla spår av motstånd i tidigare exponerade området, placera provet i en plasma Asher och utsätta den för en O 2 plasma under 1 min vid 75 W. Det är viktigt att inte låta urvalet sitta för länge i plasma eftersom ca 75 nm / min av resist etsas under detta steg.
- Avlägsna GaAs nativ oxid genom nedsänkning av provet i en lösning av H 2 SO 4: H2O (01:05) under 30 sek och sköljning i vatten under 30 sek. Föna med en komprimerad N 2 pistol. Steg 2,10 bör utföras så snart som möjligt för att förhindra av nativ oxid från återkommer.
- Använd en e-beam indunstare att deponera 25 nm av Ni, 55 nm Ge, och 80 nm i Au. De nedfall är respektive 0.2 nm / sek, 0,5 nm / sek och 0,5 nm / sek. De avsättningshastigheter väljs så att avdunstningen är kort nog för att undvika uppvärmning av kammaren utan att vara så kort att förlora precision av tjockleken av than deponerade skiktet. Dubbelskiktet av Ge och Au kan ersättas av ett enda lager av eutektiska GeAu om den är tillgänglig 9.
- Den föregående steg avsatt metall på hela ytan av provet. Avlägsnande av den metall som är avsatt på resisten görs genom att lösa den senare. För att göra detta, doppa provet i 1165 Remover vid 65 ° C under 3 timmar. För att ta bort oönskade metaller som inte kan ha lyft på egen hand, använd en pipett för att lätt spraya ytan av provet med varm remover. Skölj provet i aceton och IPA under 5 min vardera.
- En snabb termisk glödgning process formande gas används för att diffundera den avsatta metallen ner till 2DEG av provet. Temperaturen ökas med en hastighet av 50 ° C / sek tills en temperatur av 415 ° C uppnås. Provet lämnas vid denna temperatur under 20 s och kyls därefter ner snabbt. Varaktigheten och temperaturen av glödgningen väljs för att erhålla det minsta motståndet genom de ohmska kontakterna vid lågtemperatur. Den optimala glödgning tid kan variera beroende på djupet av 2DEG i substratet.
Tre. Tillverkning av Ti / Au Schottky Leads
Resultatet av denna tillverkning steg visas i figur 4c.
- Rengör provet i en sonisk bad genom nedsänkning i aceton (2 x) och IPA under 5 min vardera. Föna med en komprimerad N 2 pistol.
- Baka provet i en ugn vid 125 ° C under 15 min för att dehydrera ytan.
- Spin coat PMMALMW4% vid 5000 rpm under 30 sek och baka på en varm platta vid 180 ° C under 90 sek. Sedan snurra coat PMMA HMW 2% vid 5000 rpm under 30 sek och baka på en varm platta vid 180 ° C under 90 sek. Den resulterande tjocklekar resist är ~ 75 nm och ~ 40 nm. Eftersom Ti / Au leder kommer att vara mycket tunn, kan ett enda skikt av PMMA användas, men spinning, exponering och utveckling parametrar kommer att behöva justeras i följd. Denna kommentar gäller även tHan Al leads och grindar (steg 4).
- E-beam process: Denna del av processen är starkt beroende av den utrustning som används och på protokollet behövs således kan skilja sig betydligt från den som beskrivs nedan. De mönster för ledningarna dras i en CAD-fil. I denna fil måste ledningarna dras som slutna polygoner som är 2 nm bred. Ledningarna är nödvändiga att kontakta bindningsdynor (tillverkas i steg 5) till Al grindarna (tillverkas i steg 4). Fyra inriktningsmärken måste också öppna för att tillåta den vertikala, horisontella och rotationsinriktning av AL leads och grindar på Ti / Au Schottky leder.
- Placera provet i en svepelektronmikroskop (SEM) som är utrustad för att göra e-beam litografi. Använd en öppning på 10 um att minska storleken strålpunktens och ställa in accelerationen spänningen till 10 kV för att säkerställa en god kontrast under inriktningen på de tidigare fabricerade strukturer. Justera fokus, stigmatism, och öppningen anpassningen.Mät strålström med en Faraday cup.
- Rikta strålen med den tidigare etsad mesa och ställa in förstoringen till 300X.
- Exponera ledningarna. SEM är programmerad för att exponera de önskade områdena genom att fylla dem med en array av exponerade prickar. Avståndet mellan dessa punkter (centrum-till-centrum avstånd) är 5,5 nm och dosen är 43 iC / cm 2 (exponeringstiden beror på strålström mätt i steg 3.5.1). Exponera inriktningsmärken samt att möjliggöra en anpassning av Al grindar med Ti / Au leder i steg 4.
- Upprepa steg 3.5.2 och 3.5.3 för varje 20 enheter på provet.
- Utveckla resisten genom nedsänkning av provet i IPA: H2O (09:01) under 30 sek. Lösningen måste vara vid en temperatur av 20 ° C. Skölj i vatten i 30 sekunder och föna med en komprimerad N 2 pistol. Om föredras, PMMA motstå kan utvecklas med hjälp av en IPA: MIBK lösning och sköljning i IPA för att stoppa reaktionen. En annan dUTVECKLING tid kommer att behövas om detta alternativ väljs.
- Placera provet i en plasma Asher och utsätta den för en O 2 plasma för 4 sek vid 50 W. Detta avlägsnar 5 nm motstå och ser till att det inte finns något motstånd kvar i botten av dikena som bildas under e-beam process.
- Avlägsna GaAs nativ oxid genom nedsänkning av provet i en lösning av H 2 SO 4: H2O (01:05) under 30 sekunder och skölj i vatten under 30 sek. Föna med en komprimerad N 2 pistol. Steg 3,8 bör utföras så snart som möjligt för att förhindra av nativ oxid från återkommer.
- Placera provet i en e-beam förångare och deposition 10 nm av Ti och 20 nm i Au, både med en hastighet av 0,1 nm / sek. Det är viktigt för provet innehavaren att vara väl förankrade och placeras minst 60 cm från källan för att förebygga avgifter samlas på prov under avsättningsprocessen.
- Lift-off överskott metall genom nedsänkning av provet i 1165 Remover vid 65 °C under 15 min. För att ta bort oönskade metaller som inte kan ha lyft på egen hand, använd en pipett för att lätt spraya ytan av provet med varm remover. Skölj i aceton och IPA under 5 min vardera.
4. Tillverkning av Al Schottky Leder och Gates
Resultatet av detta tillverkningssteg visas i figur 4d.
Tillverkningen av Al Schottky leder och grindar utgör det mest kritiska steget av tillverkningsprocessen eftersom dessa är de grindar som definierar pricken. Det är viktigt att elektronstrålen väl vara fokuserad och strålströmmen väl justerad i steg 4.2. Exponeringen och tider utveckling måste också vara väl anpassad för att erhålla små, kontinuerliga och väldefinierade grindar. I många protokoll, är dessa portar och leder tillverkas i Ti / Au och utsätts samtidigt med de tidigare ledningarna under steg 3. Emellertid är en fördel med att använda Al att det kan vara oxiderade, therefmalm möjliggör element såsom översta grindar för att avsättas direkt på ytan av provet utan behov av en stor isolerande skikt 10.
- Upprepa steg 3.1 till 3.4.2. Men använd inte den soniska badet under rengöring av provet för att undvika skador på Ti / Au leads.
- E-beam process: Mönstren för Al leads och grindar dras i en CAD-fil. AL-ledning användes för att kontakta Ti / Au leder till Al grindar och ritas som slutna polygoner med en bredd på 200 nm. Al grindar dock inte ritas som polygoner, utan snarare som två enkla linjer separerade med 20 nm.
- När strålen har anpassats med mesa, ställ in förstoringen till 1.500 X och rikta strålen med Ti / Au Schottky leder.
- Exponera ledningarna. Använd en dos av 43 pC / cm 2 och ett centrum-till-centrum avstånd av 3,3 nm.
- Exponera grindarna. Använd en rad dos på 0,149 AKI / cm och ett centrum-till-centrum avstånd av 1,1 nm. Detta kommer att leda till ensista porten bredd 60 nm.
- Upprepa steg 4.2.1 - 4.2.3 för varje 20 enheter på provet.
- Upprepa steg från 3,5 till 3,7.
- Placera provet i en e-beam förångare och deposition 30 nm av Al med en hastighet av 0,3 nm / sek.
- Upprepa steg 3,10. Det är viktigt att vara mycket känslig med provet från detta steg framåt för att undvika att skada de små Al grindarna.
Fem. Tillverkning av de Schottky Leder och Pads Limning
Resultatet av detta tillverkningssteg visas i figur 4e.
- Upprepa steg från 2,1 till 2,9, med en fotolitografisk mask för Schottky leder istället för masken för ohmska kuddar.
- Placera provet i en e-beam förångare och deposition 30 nm av Ti och 350 nm i Au med frekvenser på 0,3 nm / sek och 1 nm / sek respektive. Det tjocka lagret av Au avsatt underlättar bindningen av provet till provet innehavaren eftersom det är mindre benägna att riva än Thinner skikt.
- Lättning överskott metall och kvarvarande motstånd genom nedsänkning av provet i 1165 Remover vid 65 ° C under 3 timmar. För att ta bort oönskade metaller som inte kan ha lyft på egen hand, använd en pipett för att lätt spraya ytan av provet med varm remover. Skölj provet i aceton och IPA under 5 min vardera.
6. Tärningsgaller av proven
- Baka provet i en ugn vid 125 ° C under 15 min för att dehydrera ytan.
- Spin päls med S1818 vid 3500 rpm under 30 sek och baka på en varm platta vid 115 ° C under 1 min. Tjockleken på detta lager av resist är oviktig så länge det är tillräckligt tjock för att skydda ytan av provet under tärning.
- Lägg ett lager rutmönsterskärning tejp på de övre och undre ytorna av provet. Skiktet av tejp på ovansidan ger ett extra lager av skydd till enheten under tärning.
- Placera provet uppåt i en Dicer. Skär provet i enskilda enheter genom tärninghela vägen genom översta lagret av dicing tejp och GaAs / AlGaAs wafer utan att skära genom det nedersta lagret av rutmönsterskärning tejp.
- Avlägsna tärning tejpen och den skyddande motstånd genom att placera provet i aceton under några minuter. Använd pincett för att försiktigt dra bort bitar av tärning tejp som inte lyfter på egen hand. Skölj enheterna i IPA och föna med en N 2 pistol.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En av de kritiska stegen i den ovan beskrivna processen är etsningen av mesan (steg 1). Det är viktigt att etsa nog att ta bort den 2DEG nedan samtidigt undvika overetching. Därför rekommenderas det att använda en bulk GaAs dummy prov för att testa etsningslösningen innan du utför etch på GaAs / AlGaAs prov. Etshastigheten av GaAs / AlGaAs heterostruktur är större än GaAs, men etsningen av provdockan kan ge en indikation på om lösningen är mer eller mindre reaktiv än vanligt och etch tiden för det aktuella provet kan justeras i enlighet därmed.
När enheterna har tillverkats, är de redo att fästas till en provhållare använda silverepoxi. Wire bindning mellan provets bindningsdynor och provet innehavarens pins anslutning görs med 25 nm Al-tråd. Det är bäst att undvika att observera enheter i ett svepelektronmikroskop (SEM) eftersom det finns en risk för att skada dem. IställetDet finns enkla tester som kan göras vid relativt höga temperaturer (~ 4 K), och som tillåter att bekräfta om någon av portarna är trasiga eller saknas innan kylning av provet i en utspädning kylskåp för ytterligare karakterisering. En av dessa tester består i att anbringa en förspänning mellan två ohmska kontakter och mäta den ström som drivs genom provet som en funktion av den spänning som appliceras på ett par grindar. Ett exempel på sådana mätningar visas i figur 5. Kurvorna i fig. 5 visar två distinkta regimer. De första regimen varierar från 0 V till -750 mV och presenterar två utarmning steg: en vid ca-300mV motsvarar utarmning av de 200 nm breda leder och en vid ca-750mV motsvarar utarmning av de 60 nm breda portar. Det andra systemet vid lägre spänning visar platåer som svarar mot kvantisering av konduktans. Typiska värden för avkapade punkter mellan par av grindar intervallet mellan-500mV till-2V. Dessutom, enbör inte gälla positiv spänning över 500 eller 600 mV på en grind eftersom det kan skada Schottky. Från figur 5, är det möjligt att dra slutsatsen att, när det gäller denna särskilda prov, grindarna sannolikt är geometriskt lika eftersom TC-TL och TC-TR par nypa bort strömmen vid ungefär samma spänningar. Samma sak gäller för TC-BL och TC-BR par. Dock tyder det faktum att den nuvarande fortfarande flyter mellan TC och BC portar även för höga spänningar som BC porten antingen är trasiga eller saknas. Vanligtvis ungefär 50% av de testade anordningarna har fullt fungerande grindar och ohmska kontakter.
När väl en lämplig anordning har hittats, kan den laddas i en utspädning kylskåp för karakterisering vid låga temperaturer (<100 mK). Spänningarna på varje av portarna måste sedan justeras för att bilda den dubbla pricken. Det är inte målet med denna grönbok är att detalj denna anpassningsprocess. En i ett dubbel prick har bildats, en stabiliseringsty diagram kan mätas för att kontrollera om den dubbla pricken kan nå de få-elektron regimen. Detta görs genom att applicera en liten konstant källa-kollektorförspänning (~ 10 μV) och genom att mäta strömmen genom den dubbla prick som en funktion av spänningarna som appliceras på BL och BR grindar. Om konstruktionen av anordningen inkluderar ett kvantum punktkontakt, som tjänar som en avgift detektor, är det föredraget att använda detta, i stället för strömmen genom punkt, för mätning av stabilitetsdiagrammet 11. En uppmätt stabilitetsdiagram och ett schema över idealiska resultat visas i figur 6. Såsom visas i figur 6b, strömmen endast flyter genom den dubbla prick vid trippelpunkter. Noll-elektron system uppnås när inga fler trippelpunkter kan observeras i stabilitetsdiagram, oavsett hur negativa spänningarna på portarna blir. Däremot kan det faktum att strömmen inte längre flyter genom prick för höga spänningar tyder också på att tunneln hinder ansluterning emittern och kollektorn till den dubbla prick har helt klämmas av. Spin blockad kan mätas på olika triple punkter att bevisa att de få-elektron regimen har nått 12, men det exakta antalet elektroner i dubbel prick måste bestämmas med hjälp av laddning avkänning. För mer detaljerad information om stabilitet diagram, spin blockad och avkänning laddning se R. Hanson et al. 13
Figur 1. a) Sekvens av lager som finns i en GaAs / AlGaAs heterostruktur odlas av molekylär strålepitaxi. b) Band struktur heterostrukturen visas i ett). B c och B v är respektive ledning och valens-banden. Den enda region där ledningsbandet är under Fermi-nivån (E f) i.s finns mellan 5.000 Ett skikt av GaAs och 400 ett lager av AlGaAs. Det är här som 2DEG hittas. Klicka här för att se större bild .
Figur 2. Skiss över de metalliska grindelektroderna (mörkgrå) med en dubbel quantum dot avsätts ovanpå en GaAs / AlGaAs heterostruktur. The 2DEG visas i orange och de utarmade områdena är vita. De svarta fyrkanter representerar resistiva kontakter och pilarna visar aktuellt flöde genom punkten och den kvantmekaniska punkten kontaktpunkt (QPC). De två punkterna är belägna i de orangefärgade regioner där elektroner fortfarande kvar i mitten av den utarmade zonen. Gates BL och BR används för att kontrollera antalet elektroner på vänster och höger prickar resp. BC och TC con Trol tunneln barriär mellan de två punkterna. TL används för att ställa tunneln barriären mellan källan och den vänstra punkten medan TR låtar barriären mellan den högra punkten och avlopp. Klicka här för att se större bild .
Figur 3. (A) Schematisk bild av en Ni / Ge / Au ohmsk kontakt (gyllene rektanglar) sprids av snabb termisk glödgning från ytan av provet ner till 2DEG. (B) Lateral vy av ytan av provet som är etsad för att skapa mesa. Klicka här för att se större bild .
581/50581fig4.jpg "width =" 600px "/>
Figur 4. Optiskt mikroskop bilder av ett dubbel quantum dot enheten efter olika steg i tillverkningsprocessen. (A) enhet efter etsning av mesa (steg 1). De ljusgrå områdena har etsats bort hindrar elektrisk ström från att flyta genom dessa regioner, medan de mörkgrå områdena fortfarande presentera ett 2DEG. (B) enheten efter tillverkningen av ohmska kontakter (steg 2). De ohmska kontakterna är guld torg. (C) enheten efter tillverkningen av Ti / Au Schottky leder (steg 3). De leder är de vita linjerna i mitten av bilden. (D) enheten efter tillverkningen av Al Schottky leder och grindar (steg 4). Dessa finns i det gröna ruta i centrum av bilden. Ett SEM-bild av portarna används för att definiera kvantprickar visas också. Efter tillverkningen av Schottky leads och kuddar limning (steg 5) (e) enhet.:/ / Www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "target =" _blank "> Klicka här för att se större bild.
Figur 5. Ström som flyter från källan rinna som en funktion av den spänning som appliceras på olika par av grindar. Nedbrytningen av elektrongasen börjar vid ~ -400 mV och är klar vid ~ -700 mV. Den förspänning appliceras mellan källan och avloppet är 500 μV och strömmen mäts genom en två-punkts mätning. Alla kurvor tas vid 1,4 K. Klicka här för att se större bild .
Figur 6. (A) Schematisk bild aven perfekt stabilitet diagram som skulle erhållas med hjälp av en QPC. Linjer kan observeras när en elektron tunnlar på ena prick eller mellan prickarna. De svarta cirklarna representerar tredubbla punkter där det är möjligt för ström att flyta genom pricken. (B) Stabilitet diagrammet erhålls genom att mäta strömmen som flyter genom pricken med TL = -100 mV, TC = -350 mV, TR = -1080 mV , BC = -1160 mV, QPC = -600 mV och en source-drain partiskhet av 10 μV. Provet partiskhet-kyldes med en spänning V = 500 mV på varje port, vilket förskjuter hela utarmning och pinch-off poäng med ca 500 mV och minskar telegrafi brus i experimentet 14. För denna typ av stabilitet diagram är endast de tredubbla punkter ska vara synlig, vilket är fallet här för de mest negativa spänningar. I både (a) och (b), numren (V, H) anger antalet elektroner i den vänstra och högra punkten för olika värden på spänningarna på BL och BRgrindar. De gröna linjerna i (b) är guider för att visa regioner med ett konstant antal elektroner. Klicka här för att se större bild .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Processen som presenteras ovan beskriver tillverkningen protokollet för en dubbel quantum dot kunna nå de få-elektron regimen. Dock får de givna parametrarna varierar beroende på modell och kalibrering av utrustningen som används. Därför kommer parametrar såsom de doser för exponeringar under e-beam och fotolitografi steg måste kalibreras innan tillverkningen av anordningar. Processen kan lätt anpassas till tillverkningen av gate-definierade kvantprickar på andra typer av substrat, såsom Si / SiGe, som också utgör en 2DEG.
För vissa typer av enheter, t.ex. vertikala kvantprickar, är tunneln barriären från källan och avloppet till punkten bestäms under tillverkning och kan inte ändras efteråt 5. En fördel med gate-definierade laterala kvantprickar är att tunneln hindren för prick liksom mellan prickarna kan styras elektriskt. På grund av detta måste man vara försiktigatt upprätthålla dessa värden under manipulation av spänningarna på de andra grindarna definierar pricken.
Det är viktigt att komma ihåg att, när de få-elektron regimen har nåtts, är målet att manipulera spinntillstånd av elektroner på pricken att utföra kvantmekaniska beräkningar. De 0 och 1 påstår av kvantbiten har genomförts framgångsrikt i upp och ner spinntillstånd av en enda elektron 15 samt i ST 0 16 och ST + 17 delstater i två omgångar. Koppling mellan två kvantbitar har också uppnåtts med hjälp av dessa enheter 18. Emellertid är en av de stora nackdelarna med laterala kvantprickar i GaAs / AlGaAs den korta koherenstid (den tid under vilken spin tillståndet för elektronerna i prick bevaras) orsakad av interaktion med kärnspinnen för atomerna som bildar substratet 19. Detta har lett till undersökningen av laterala kvantprickar i material såsom kisel (Si/ SiGe Heterostrukturer 20) och kol (grafén 21) som har isotoper som är fria från kärnspinn och förväntas leda till teoretiskt långa samstämmighet gånger. Men dessa enheter har kvar att uppnå resultaten av kontroll och avläsning erhålls för prickar i GaAs / AlGaAs. Nuvarande arbete med GaAs / AlGaAs dubbel kvantprickar ingår även koppling av enheten till en mikrovågsresonator 22 och integrationen av micromagnets att möjliggöra snabbare spinn verksamhet 23.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
Författarna tackar Michael Lacerte för teknisk support. MP-L. erkänner den kanadensiska Institute for Advanced Research (CIFAR), naturvetenskaplig och teknisk forskning Council of Canada (NSERC), den kanadensiska institutet för Innovations (CFI) och Fonds de Recherche Québec - Nature et Technologies (FRQNT) för finansiellt stöd. Anordningen som presenteras här var tillverkat vid CRN2 och IMDQ anläggningar, som finansieras delvis av NanoQuébec. GaAs / AlGaAs substrat tillverkades av ZR Wasilewski från Institutet för microstructural vetenskaper vid National Research Council Canada. JCL och CB-O. erkänna CRSNG och FRQNT för ekonomiskt stöd.
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 |
References
- 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).
- Björk, M. T., Thelander, C., et al. Few-Electron Quantum Dots in Nanowires. Nano Lett. 4 (9), 1621-1625 (2004).
- Dekker, C. Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires. Phys. Today. 52 (5), 22-28 (1999).
- 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).
- Kouwenhoven, L. P., Oosterkamp, T. H., et al. Excitation Spectra in Circular Few-Electron Quantum Dots. Science. 278 (5344), 1788-1792 (1997).
- 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).
- Baca, A. G., Ashby, C. I. H. Fabrication of GaAs Devices. , The Institute of Electrical Engineers. London, United Kingdom. 350 (2005).
- 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).
- S, A Survey of Ohmic Contacts to III-V Compound Semiconductors. Thin Solid Films. 308 (0), 599-606 (1997).
- Lim, W. H., Huebl, H., et al. Electrostatically Defined Few-Electron Double Quantum Dot in Silicon. Appl. Phys. Lett. 94 (17), 173502 (2009).
- Elzerman, J. M., Hanson, R., et al. Few-Electron Quantum Dot Circuit with Integrated Charge Read Out. Phys. Rev. B. 67 (16), 161308 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Petta, J. R., Lu, H., Gossard, A. C. A Coherent Beam Splitter for Electronic Spin States. Science. 327 (5966), 669-672 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
