Nanofabrikasjon av Gate-definerte GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots

Summary

Dette notatet presenterer en detaljert fabrikasjon protokoll for gate-definerte halvleder lateral quantum prikker på galliumarsenid heterostruktur. Disse nanoskala enheter brukes til å felle noen elektroner til bruk som quantum bits i quantum informasjonsbehandling eller for andre mesoskopisk eksperimenter som sammenhengende ledningsevne målinger.

Abstract

En kvantedatamaskin er en datamaskin består av quantum bits (qubits) som tar seg av kvanteeffekter, slik som superposisjon av stater og forviklinger, for å løse visse problemer eksponentielt raskere enn med de mest kjente algoritmer på en klassisk datamaskin. Gate-definert lateral quantum prikker på GaAs / AlGaAs er en av mange veier utforsket for gjennomføringen av en qubit. Når de er riktig fremstilt, men en slik enhet er i stand til å felle et lite antall elektroner i en viss region plass. Den spin tilstander av disse elektroner kan så brukes til å implementere den logisk 0 og en av kvante bit. Gitt nanometer skala av disse quantum dots, renrom anlegg som tilbyr spesialisert utstyr, for eksempel skanning elektronmikroskop og e-bjelke fordampere-er nødvendige for fabrikasjon deres. Stor forsiktighet må utvises hele fabrikasjon prosessen for å opprettholde renslighet av prøven overflaten og for å unngå å skade den skjøre porter av strukturen. Dette papiretpresenterer detaljerte fabrikasjon protokollen av gate-definerte lateral quantum prikker fra wafer til en fungerende enhet. Karakterisering metoder og representative resultatene er også kort omtalt. Selv om denne artikkelen konsentrerer seg om doble quantum dots, forblir fabrikasjon prosessen den samme for enkelt-eller trippel prikker eller matriser av quantum prikker. Videre kan protokollen kan tilpasses for å fremstille laterale quantum prikker på andre substrater, slik som Si / SiGe.

Introduction

Quantum informatikk har trukket mye oppmerksomhet helt siden det ble vist at Quantum algoritmer kan brukes til å løse visse problemer eksponentielt raskere enn med de mest kjente klassiske algoritmer ^en. En opplagt kandidat for et kvantesprang bit (qubit) er å snurre enkelt elektron innesperret i en kvante prikk siden det er en to-nivå system. Tallrike arkitekturer har blitt foreslått for gjennomføringen av quantum dots, inkludert halvledende nanotråder ^2, karbon nanorør ^3, selvkonfeksjonerte quantum prikker ^fire, og halvledere vertikale ^fem og lateral quantum prikker ^seks. Gate-definerte lateral quantum prikker i GaAs / AlGaAs heterostruktur har vært svært vellykket på grunn av sin allsidighet og deres fabrikasjon prosessen er fokus for denne utredningen.

I lateral kvanteprikker, innesperring av elektroner i retning vinkelrett på prøveoverflaten (z-retning) i.s oppnås ved å velge den passende substrat. Den GaAs / AlGaAs modulasjon-dopet heterostructure presenterer en todimensjonal elektron gass (2DEG) begrenset til grensesnittet mellom AlGaAs og GaAs lag. Disse prøvene blir dyrket ved molekylær stråle epitaxy til å skaffe en lav tetthet urenhet som sammen med modulering-doping teknikk, fører til høy elektron bevegelighet i 2DEG. En skjematisk av de forskjellige lag av den heterostructure så vel som dens bandet struktur er vist i figur 1. En høy elektron mobilitet som er nødvendig i 2DEG for å sikre sammenheng i elektroniske tilstander over hele overflaten av kvante dot. Underlaget som brukes for fabrikasjon prosessen beskrevet nedenfor ble kjøpt fra National Research Council of Canada og presenterer et elektron tetthet på 2,2 x 10 ¹¹ cm ^-2 og et elektron mobilitet av 1,69 x 10 ⁶ cm ² / Vsec.

Innesperring av elektroner i retninger parallelllel til sampeloverflaten oppnås ved å plassere metalliske elektroder på overflaten av substratet. Når disse elektrodene er avsatt på overflaten av GaAs prøven, er Schottky-barrierene dannes ^7.. Negative spenninger brukes på slike elektroder føre til lokale barrierer i 2DEG nedenfor som bare elektroner med tilstrekkelig energi kan krysse. Nedbryting av 2DEG oppstår når spenning er negativ nok at ingen elektroner har nok energi til å krysse barrieren. Derfor, ved omhyggelig valg av geometrien av elektrodene, er det mulig å felle et lite antall elektroner mellom utarmet regioner av prøven. Kontroll av det antall elektroner på prikken samt tunnelering energi mellom prikker og den 2DEG i resten av prøven kan oppnås ved finjustering av spenninger på elektrodene. En skjematisk av portens elektrodene og utarmet elektron gass er vist i figur 2.. The design for gate strukturer danner prikken er ispired av design brukes av Barthel et al. ⁸

For å kontrollere og lese ut informasjon vedrørende det antall elektroner på dot, er det nyttig å indusere og måle strøm gjennom dot. Avlesning kan også gjøres ved hjelp av en Quantum punkts kontakt (QPC), som også krever en strøm gjennom 2DEG. Kontakten mellom de 2DEG og spenningskilder sikres av ohmske kontakter. Disse er metalliske elektroder som spaltet seg fra overflaten av prøven hele veien ned til 2DEG hjelp av en standard hurtig termisk prosess basepartilpasses ⁷ (se Fig. 3a og 4b). For å unngå kortslutning mellom kilden og sluket, er overflaten av prøven etset slik at 2DEG er oppbrukt i visse regioner, og strømmen tvinges til å reise gjennom visse bestemte kanaler (se figurene 3b og 4a). Det området der 2DEG fremdeles er referert til som "mesa".

Følgende protokoll detaljer hele fabrikasjon prosessen med en gate-definert lateral quantum dot på en GaAs / AlGaAs underlaget. Prosessen er skalerbar siden det er den samme uansett om enheten blir fabrikkert er en enkel, dobbel eller trippel quantum dot eller en rekke quantum dots. Manipulasjon, måling og resultater for dobbel quantum dots fabrikkert ved hjelp av denne metoden er omtalt i flere seksjoner.

Protocol

Fabrikasjon prosessen beskrevet nedenfor er gjort på en GaAs / AlGaAs substrat med dimensjoner på 1,04 x 1,04 cm. Tyve identiske enheter er fabrikkert på et substrat av denne størrelse. Alle trinnene i prosessen er gjort i et renrom og hensiktsmessig verneutstyr må brukes til enhver tid. Avionisert vann anvendes gjennom hele prosessen, men er bare referert til som "vann" i protokollen nedenfor.

En. Etsing av Mesa

Resultatet av denne fabrikasjon trinnet er vist i figur 4a.

1. Plasser prøven i en plasma asher med en O ₂ plasma på 75 W i 2 min for å fjerne alle spor av uønskede motstå eller organiske forbindelser.
2. Rens prøven i et sonisk bad med aceton (2 x) og IPA i 5 min hver. Føn med en komprimert N ₂ pistol. Gjennom fabrikasjon protokollen, når du bruker en sonisk bad, unngå å bruke høye makter å forhindre skade på GaAs wafersom har lett for å spalte.
3. Bake prøven i en ovn ved 125 ° C i minst 15 min for å tørke overflaten. Dehydrering kan også oppnås ved å plassere prøven på en varm plate ved 180 ° C i minst 5 min.
4. Spin strøk prøven med Shipley S1818 fotoresist på 3500 rpm i 30 sek og bake på en varm plate på 115 ° C i 60 sek. Det resulterende lag av motstå bør være omtrent 2,5 mikrometer tykt. S1818 er brukt fordi den er tykk og påvirkes meget lite av den løsning som brukes i trinn 1,11 til å etse substratet. Gjennom hele fremstillingsprosessen, er det viktig å unngå overbaking fotoresist og e-beam motstå for å sikre enkel fjerning i påfølgende trinn.
5. Bruk en fotolitografisk maske aligner og en kant perle maske for å avsløre motstå på den ytre kanten av prøven. Kanten vulsten maske består av en 1 x 1 cm firkantede krom på en glassplate. Bruk lys med en bølgelengde på 436 nm og eksponere resisten i 10 sek ved 15 m W / cm ^2. Den wavelength og makt er faste og kan variere med maskinen brukes. Juster eksponering og utvikling ganger for å få veldefinerte funksjoner i riktig størrelse.
6. Develop eksponert motstå ved neddykking av prøven i MF-319 i 2 min 10 sek. Agitere sakte under dette trinnet. Skyll i vann i 15 sek og føn med en komprimert N ₂ pistol. Kanten vulsten må fjernes på slutten av dette trinnet, og etterlater en 1 x 1 cm overflate med en jevn tykkelse på motstå i midten av prøven. Kanten vulsten er fjernet før utsette den mesa maske for å oppnå en bedre kontakt mellom masken og prøven, noe som fører til bedre resultater.
7. Fortsatt bruker fotolitografisk maske aligner, utsett motstå bruker mesa maske og 436 nm lys for 7 sek ved 15 mW / cm ^2.
8. Utvikle det eksponerte motstå ved neddykking av prøven i MF-319 i 2 min 10 sek og ved omrøring langsomt. Skyll i 15 sek i vann og føn med en komprimert N ₂ pistol. Den motstå remaining av prøven har nå form av mesa. Den motstå vil beskytte denne regionen av prøven fra å bli etset bort i trinnene som følger.
9. For å fjerne alle spor av motstand på den tidligere eksponerte område, prøven er plassert i en plasma Asher og er utsatt for en O _to plasma i 1 min ved 75 V.
10. En oppløsning av _H-2 SO _4: H ₂ O _{2: H2O} (05:01:55) benyttes for å etse prøven. Kombiner de riktige proporsjoner av H ₂ O ₂ og vann og deretter legge til H ₂ SO _4. Denne løsningen er meget reaktive når det først fremstilt. Vent 20 min før du går videre til neste trinn for å unngå overetching.
11. Etch prøven ved å dyppe den i syreoppløsningen i flere sekunder og umiddelbart skylling i vann i 30 sek for å stoppe reaksjonen. Overflaten av prøven bør etses forbi lag av Si dopingsmidler og nesten helt ned til den 2DEG å sikre uttømming i disse regionene (see figur 1). Den etse dybde kan variere, avhengig av substratet. Generelt gjelder for den type substrat som brukes, fører en 34 sek nedsenking til ønsket etse dybde av 90-100 nm. Det er imidlertid viktig å ikke overetch å unngå å skade 2DEG. Siden etsehastighet varierer sterkt med forholdet mellom H ₂ og H SO _{4 2} O ₂ i oppløsningen, så vel som med ventetiden før etsing, er det anbefalt å utføre etsingen av flere dykk på 5-10 sekund; av en enkelt 34 sek etse, og måle etset dybde med en profilometer etter hvert etch. Den relativt langsomme etsehastighet av denne oppløsning gir en god kontroll av etse dybde. Nedkjøling av etsing løsning under romtemperatur kan føre til lavere etse priser. Imidlertid, siden det er et grunt etse og etse profil er uviktig, kan forskjellige løsninger etsning også brukes.
12. Stripp motstå ved neddykking av prøven i 1165 remover ved 65 ° C i 3 timer. Skylli aceton og IPA for 5 min hver. Mål etch profil med profilometer.

2. Fabrikasjon av ohmske kontakter

Resultatet av denne fabrikasjon trinnet er vist i figur 4b.

1. Rens prøven i et sonisk bad ved neddykking i aceton (2 x) og IPA i 5 min hver. Føn med en komprimert N ₂ pistol.
2. Bake prøven i en ovn ved 125 ° C i 15 min for å tørke overflaten.
3. Spin frakk med LOR5A på 2500 rpm i 30 sek og bake på en varm plate på 150 ° C i 10 min. Deretter spinne belegge med S1813 ved 5000 rpm i 30 sekunder og bake på en varm plate ved 110 ° C i 60 sek. Den resulterende tykkelser på motstå er ~ 600 nm og ~ 1,3 mikrometer, henholdsvis. To lag av motstå brukes for å lette lift-off av metallet som skal avsettes i trinn 2.10.
4. Ved hjelp av en fotolitografisk maske aligner og kanten vulsten maske, eksponere resisten på den ytre edge av prøven med 436 nm lys i 10 sekunder ved 15 mW / cm ^2.
5. Utvikle den eksponerte motstå ved å dyppe prøven i MF-319 for 2 min 10 sek og under omrøring jevnt. Skyll i vann i 15 sek og føn med en komprimert N ₂ pistol.
6. Fortsatt bruker fotolitografisk maske aligner, men denne gangen med ohmsk kontakt maske, justere mønstre for de ohmske kontakter på etset mesa. Expose med 436 nm lys for 6 sek ved 15 mW / cm ^2.
7. Utvikle motstå i MF-319 for 2 min 10 sek og under omrøring jevnt. Skyll i vann i 15 sek og føn med en komprimert N ₂ pistol. Det er ikke lenger motstå i de regioner hvor den ohmske kontakter vil bli innsatt. Utbygger oppløser LOR 5A raskere enn S1813, og etterlot et hakk under det øverste laget av motstå. Denne profilen i motstå hindrer metallet (som vil bli avsatt i trinn 2.10) fra å danne vegger ved kantene av resisten og vil også tillate en enkel flyttbal av den resterende motstand og uønsket metall.
8. For å fjerne alle spor av motstand på den tidligere eksponert område, plasser prøven i en plasma asher og utsette det til en O ₂ plasma i 1 min på 75 W. Det er viktig å ikke la prøven sitte for lenge i plasma fordi omtrent 75 nm / min motstå er etset under dette trinnet.
9. Fjern GaAs opprinnelige oksyd ved neddykking av prøven i en løsning av _H-2 SO _{4: H2O} (1:5) i 30 sekunder og skylling i vann i 30 sek. Føn med en komprimert N ₂ pistol. Trinn 2.10 bør utføres så snart som mulig for å unngå den innfødte oksid fra å gjenoppstå.
10. Bruk en e-beam fordamperen å sette inn 25 nm av Ni, 55 nm av Ge, og 80 nm fra Au. Avsettelsen priser er henholdsvis 0,2 nm / sek, 0.5 nm / sek og 0,5 nm / sek. Avsettingen Satsene er valgt slik at fordampningen er kort nok til å unngå oppvarming av kammeret uten å være så kort som å tape nøyaktighet av tykkelsen av than avsatt lag. Den dobbeltlag av Ge og Au kan erstattes av et enkelt lag av eutektisk GeAu hvis det er tilgjengelig ^9.
11. Det foregående trinnet avsatt metall på hele overflaten av prøven. Fjerning av metallet som avsettes på den motstå gjøres ved å oppløse det sistnevnte. For å gjøre dette, fordype prøven i 1165 Remover ved 65 ° C i 3 timer. Å fjerne uønsket metall som kanskje ikke har løftet på egen hånd, bruk en pipette til å fukte overflaten av prøven med varmt remover. Skyll prøven i aceton og IPA i 5 min hver.
12. En hurtig termisk basepartilpasses prosess i å danne gass brukes til å spre det avsatte metall ned til 2DEG av prøven. Temperaturen økes med en hastighet på 50 ° C / sek til en temperatur på 415 ° C er oppnådd. Prøven blir igjen ved denne temperatur i 20 sek, og blir deretter avkjølt raskt. Varigheten og temperaturen i basepartilpasses er valgt for å oppnå den minste motstand gjennom den ohmske kontakter på lavtemperatur. Den optimale basepartilpasses tid kan variere avhengig av dybden av den 2DEG i substratet.

3. Fabrikasjon av Ti / Au Schottky Leads

Resultatet av denne fabrikasjon trinnet er vist i figur 4c.

1. Rens prøven i et sonisk bad ved neddykking i aceton (2 x) og IPA i 5 min hver. Føn med en komprimert N ₂ pistol.
2. Bake prøven i en ovn ved 125 ° C i 15 min for å tørke overflaten.
3. Spin strøk PMMALMW4% ved 5000rpm i 30 sek og bake på en varm plate på 180 ° C i 90 sek. Deretter spinne belegge PMMA HMW 2% ved 5000 rpm i 30 sekunder og bake på en varm plate ved 180 ° C i 90 sek. Den resulterende tykkelser motstå er ~ 75 nm og ~ 40 nm, henholdsvis. Siden Ti / Au leder vil være meget tynn, kan et enkelt lag av PMMA brukes, men spinning, eksponering og utvikling parametre må justeres i konsekvens. Denne kommentaren gjelder også tHan Al leads og porter (trinn 4).
4. E-bjelke prosess: Denne del av prosessen er svært avhengig av det anvendte utstyr og den protokoll som trengs kan således være svært forskjellig fra det som er beskrevet nedenfor. Mønstrene for ledningene er trukket i et CAD-filen. I denne filen, må ledningene trekkes som lukkede polygoner som er to mikrometer brede. Ledningene er nødvendig for å kontakte liming elektrodene (fremstilt i trinn 5) til Al-portene (fremstilt i trinn 4). Fire linjeringsmerker må også være utsatt for å tillate vertikal, horisontal, og rotasjons justering av ledningene Al og porter bort på Ti / Au Schottky fører.
   1. Plasser prøven i en Scanning Electron Microscope (SEM) som er utstyrt for å gjøre e-litografi. Bruk en blenderåpning på 10 um for å redusere strålen flekk størrelse og setter akselerasjonen spenning til 10 kV for å sikre en god kontrast under justeringsprosessen på de tidligere fabrikerte strukturer. Juster fokus, stigmatism, og blenderåpning justering.Mål strålestrømmen med et Faraday cup.
   2. Justere strålen med tidligere etset mesa og sette forstørrelsen til 300X.
   3. Expose ledningene. Den SEM er programmert for å eksponere de ønskede områder ved å fylle dem med en rekke eksponerte punkter. Avstanden mellom disse punkter (senter-til-senteravstand) er 5,5 nm, og dosen er 43 μC / cm ² (eksponeringstiden vil være avhengig av strålestrømmen målt i trinn 3.5.1). Expose linjeringsmerker samt å tillate justeringen av Al porter med TI / Au fører i trinn 4.
   4. Gjenta trinn 3.5.2 og 3.5.3 for hver av de 20 enhetene på prøven.
5. Develop resisten ved neddykking av prøven i IPA: _H2O (9:1) i 30 sek. Løsningen må være ved en temperatur på 20 ° C. Skyll i vann i 30 sek og føn med en komprimert N ₂ pistol. Dersom det foretrekkes, PMMA motstå kan utvikles ved hjelp av en IPA: MIBK løsning og skylling i IPA for å stoppe reaksjonen. En annen development tid vil være nødvendig hvis dette alternativet er valgt.
6. Plasser prøven i en plasma Asher og utsette det for en O _to plasma i 4 sek ved 50 W. Dette fjerner 5 nm motstå og sikrer at det ikke er noen motstå igjen på bunnen av grøftene dannet under e-beam prosess.
7. Fjern GaAs opprinnelige oksyd ved neddykking av prøven i en løsning av _H-2 SO _{4: H2O} (1:5) i 30 sekunder og skylling i vann i 30 sek. Føn med en komprimert N ₂ pistol. Trinn 3.8 bør utføres så snart som mulig for å hindre de innfødte oksid fra å gjenoppstå.
8. Plasser prøven i en e-beam fordamper og innskudd 10 nm av Ti og 20 nm fra Au, både med en hastighet på 0,1 nm / sek. Det er viktig for utvalget holder å være godt jordet og plasseres minst 60 cm vekk fra kilden for å unngå avgifter fra samler på prøven under avsetning prosessen.
9. Lift-off overflødig metall ved å dyppe prøven i 1165 Remover ved 65 °C i 15 min. Å fjerne uønsket metall som kanskje ikke har løftet på egen hånd, bruk en pipette til å fukte overflaten av prøven med varmt remover. Skylling i aceton og IPA i 5 min hver.

4. Fabrikasjon av Al Schottky Leads og porter

Resultatet av denne fabrikasjon trinnet er vist i figur 4d.

Fabrikasjonen av Al Schottky fører og porter utgjør det mest kritiske trinn av fremstillingsprosessen, siden disse er de porter som definerer dot. Det er viktig at elektronstrålen være godt fokusert og strålestrømmen godt justert i trinn 4.2. Eksponering og utvikling ganger må også være godt justeres for å oppnå små, voksen-og veldefinert porter. I mange protokoller, er disse porter og fører fabrikkert i Ti / Au og utsettes samtidig med de tidligere ledningene i trinn 3. Det er imidlertid en fordel ved å bruke Al at den kan oksyderes Therefmalm slik at for elementer som ovenfra porter som skal avsettes direkte på overflaten av prøven uten behov for en stor isolerende lag ^10..

1. Gjenta trinn 3.1 til 3.4.2. Men ikke bruk den soniske badekaret mens rengjøring av prøven for å unngå å skade Ti / Au fører.
2. E-beam prosess: Mønstrene for Al leads og porter er tegnet i et CAD-filen. De Al ledningene benyttes for kontakt med den Ti / Au fører til portene Al og er tegnet som lukkede polygoner med en bredde på 200 nm. Al porter imidlertid ikke er tegnet som polygoner, men heller som to enkle linjer atskilt med 20 nm.
   1. Når strålen er på linje med mesa, setter forstørrelsen til 1500 X og justere strålen med Ti / Au Schottky fører.
   2. Expose ledningene. Bruk en dose på 43 μC / cm ² og en senter-til-senter avstand på 3,3 nm.
   3. Expose portene. Bruk en linje dose på 0,149 nC / cm og en senter-til-senter avstand på 1,1 nm. Dette vil føre til enendelig gate bredde på 60 nm.
   4. Gjenta trinn 4.2.1 - 4.2.3 for hver av de 20 enhetene på prøven.
3. Gjenta trinn 03.05 til 03.07.
4. Plasser prøven i en e-beam fordamper og innskudd 30 nm av Al med en hastighet på 0,3 nm / sek.
5. Gjenta trinn 3.10. Det er viktig å være veldig delikat med prøven fra dette trinnet framover for å unngå å skade de små Al portene.

5. Fabrikasjon av Schottky Leads og liming Pads

Resultatet av denne fabrikasjon trinnet er vist i figur 4e.

1. Gjenta trinn 02.01 til 02.09, med en fotolitografisk maske for Schottky fører i stedet for maske for de ohmske pads.
2. Plasser prøven i en e-beam fordamper og innskudd 30 nm av Ti og 350 nm fra Au ved hastigheter på 0,3 nm / sek og 1 nm / sek hhv. Det tykke lag av Au deponert letter binding av prøven til prøveholderen, fordi det er mindre utsatt for å rive enn thinner lag.
3. Løft-av overskytende metall og gjenværende motstå ved neddykking av prøven i 1165 remover ved 65 ° C i 3 timer. Å fjerne uønsket metall som kanskje ikke har løftet på egen hånd, bruk en pipette til å fukte overflaten av prøven med varmt remover. Skyll prøven i aceton og IPA i 5 min hver.

6. Døydde av prøvene

1. Bake prøven i en ovn ved 125 ° C i 15 min for å tørke overflaten.
2. Spin strøk med S1818 på 3500 rpm i 30 sek og bake på en varm plate på 115 ° C i 1 min. Tykkelsen av dette lag av motstå er uviktig så lenge det er tykt nok til å beskytte overflaten av prøven under dicing.
3. Legg et lag dicing tape på toppen og bunnen ansiktene til prøven. Laget av tape på den øverste siden tilbyr et ekstra lag med beskyttelse til enheten under dicing.
4. Plasser prøven med forsiden opp i et dicer. Kutt prøven i individuelle enheter ved dicinghele veien gjennom øverste laget av dicing tape og GaAs / AlGaAs wafer uten å skjære gjennom det nederste laget av dicing tape.
5. Fjern dicing båndet og den beskyttende motstå ved å plassere prøven i aceton i noen minutter. Bruk pinsett til å dra forsiktig av biter av dicing tape som ikke løfter på egenhånd. Skyll enhetene i IPA og blåse tørt med en N ₂ pistol.

Representative Results

En av de kritiske trinn i prosessen som er beskrevet ovenfor er den etsing av mesa (trinn 1). Det er viktig å etse nok til å fjerne den 2DEG under samtidig unngå overetching. Derfor anbefales det å bruke en bulk GaAs dummy prøve å teste radering løsning før du utfører etse på GaAs / AlGaAs prøven. Den etsehastighet av GaAs AlGaAs / heterostructure er større enn det av GaAs, men etsingen av smokken kan gi en indikasjon på hvorvidt oppløsningen er mer eller mindre reaktive enn vanlig, og den etch tidspunktet for den aktuelle prøve kan justeres tilsvarende.

Når enhetene har blitt fremstilt, men er klar til å være knyttet til et eksempel holder med sølv epoxy. Wire binding mellom prøvens bonding pads og prøven innehaveren pinnene er gjort ved hjelp av 25 mikrometer Al wire. Det er best å unngå å observere enhetene i en Scanning Electron Microscope (SEM) fordi det er en risiko for å skade dem. I stedetDet finnes enkle tester som kan gjøres med relativt høye temperaturer (~ 4 K) og som tillater å bekrefte om noen av portene er ødelagt eller mangler før du kjøler prøven i utvanning kjøleskap for videre karakterisering. En av disse testene består i å påføre en spenning skjevhet mellom to ohmske kontakter og måle strømmen drevet gjennom prøven som en funksjon av den spenning som påtrykkes på et par av porter. Et eksempel på slike målinger er vist i figur 5.. Kurvene i Figur 5 viser to forskjellige regimer. Det ene regimet går fra 0 V til -750 mV og presenterer to uttømming trinn: en på om-300mV tilsvarende uttømming av de 200 nm brede fører og en på ca-750mV tilsvarende uttømming av de 60 nm brede porter. Det andre regimet ved lavere spenninger viser platåer som tilsvarer kvantisering av ledningsevne. Typiske verdier for klemme-off poeng mellom par av portene varierer mellom-500mV til-2V. Videre ettbør ikke gjelde positiv spenning over 500 eller 600 mV på en gate siden det kan skade Schottky. Fra figur 5, er det mulig å konkludere med at, i tilfelle av denne spesielle prøve, portene er sannsynlig å være geometrisk lik siden TC-TL og TC-tr parene klemme av strømmen ved tilnærmet like spenninger. Det samme gjelder for TC-BL og TC-BR par. Imidlertid indikerer at dagens fremdeles flyter mellom TC og BC porter selv for høye spenninger at BC gate er enten ødelagt eller mangler. Vanligvis ca 50% av de testede enhetene har fullt funksjonelle porter og ohmske kontakter.

Når en egnet innretning er funnet, kan det legges inn en fortynning kjøleskap for karakterisering ved lave temperaturer (<100 mK). De spenninger på hver av portene må da justeres for å danne den doble dot. Det er ikke målet med denne artikkelen på detaljer denne justeringen prosessen. Når en dobbelt prikk har blitt dannet, et stabiliserendety diagrammet kan bli målt for å undersøke om den doble dot kan nå få elektron-regime. Dette gjøres ved å påføre en liten konstant kilde-sluk skjevhet (~ 10 μV) og ved å måle strømmen gjennom dobbelt prikk som en funksjon av spenningene anvendt på BL og BR porter. Ved utformingen av anordningen omfatter en kvante punkts kontakt som tjener som en lade-detektor, er det foretrukket å bruke dette, i stedet for strømmen gjennom dot, for måling av stabiliteten diagram ^11. En utmålt stabilitet diagram og en skjematisk av et vellykket resultat er vist i figur 6. Som vist på figur 6b, oppdatert kun strømmer gjennom den doble dot ved triple poeng. Null-elektron regime er nådd når ikke mer triple poeng kan observeres i stabiliteten diagram, uansett hvor negative spenninger på portene blitt. Imidlertid kan det faktum at strøm ikke lenger flyter gjennom dot for høye spenninger også indikere at tunnelens barrierer kobleing kilden og avløp til dobbel prikk har vært helt klemt av. Spin blokade kan måles på ulike triple poeng å bevise at de få-elektron regimet har nådd ^12, men nøyaktig antall elektroner i dobbel prikk må bestemmes ved hjelp charge sensing. For mer detaljert informasjon om stabilitet diagrammer, spin blokade og lade sensing se R. Hanson et al. ^13.

Figur 1. a) sekvens av lag til stede i en GaAs / AlGaAs heterostructure vokst med molekylær stråle epitaxy. b) Band struktur av heterostructure vist i a). B _c og B _v er henholdsvis den conduction og Valence band. Den eneste regionen hvor conduction bandet er under Fermi nivå (E _f) is funnet mellom 5000 et lag av GaAs og 400 et lag av AlGaAs. Det er her at 2DEG er funnet. Klikk her for å se større bilde .

Figur 2. Skjematisk av de metalliske gate elektrodene (mørk grå) med en dobbel quantum dot deponert på toppen av en GaAs / AlGaAs heterostructure. Den 2DEG vises i oransje og utarmet regionene er hvite. De svarte firkantene representerer ohmske kontakter og pilene viser strømmen gjennom dot og kvante punkts kontakt (QPC). De to punkter befinner seg i de oransje regioner hvor elektronene fortsatt i sentrum av det utarmede sone. Gates BL og BR er brukt til å kontrollere antallet av elektroner på den venstre og høyre henholdsvis prikker. BC og TC con TROL tunnelen barriere mellom de to punkter. TL brukes til å justere tunnel barriere mellom kilden og venstre dot mens TR låter barriere mellom høyre prikk og avløp. Klikk her for å se større bilde .

Figur 3. (A) Skjematisk fremstilling av en Ni / Ge / Au ohmske kontaktinnretningen (gyldne rektangler) spaltet seg hurtig termisk basepartilpasses fra overflaten av prøven ned til 2DEG. (B) Lateral oversikt over overflaten av prøven som er etset for å skape den mesa. klikk her for å vise større bilde .

581/50581fig4.jpg "width =" 600px "/>
Figur 4. Optisk mikroskop bilder av en dobbel kvante dot enhet etter ulike trinn av fabrikasjonsprosessen. (A) enhet etter etsning av mesa (trinn 1). De lysegrå områdene er blitt etset bort hindrer den elektriske strøm fra å strømme gjennom disse områder, mens de mørkegrå områdene fremdeles til stede en 2DEG (B). Enheten etter fabrikasjonen av ohmske kontakter (trinn 2). Den ohmske kontakter er gull kvadrater. (C) enheten etter fabrikasjonen av Ti / Au Schottky fører (trinn 3). Ledningene er de hvite linjer i midten av bildet. (D) enheten etter fabrikasjonen av Al Schottky fører og porter (trinn 4). Disse finnes i det grønne plassen i sentrum av bildet. En SEM bilde av portene som brukes til å definere quantum prikker er også vist. (E) Device etter fabrikasjonen av Schottky fører og bonding pads (trinn 5).:/ / Www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "target =" _blank "> Klikk her for å se større bilde.

Figur 5. Strøm som flyter fra kilden til å renne som en funksjon av den spenning som påtrykkes på forskjellige par porter. Uttømming av den elektron gass begynner ved ~ -400 mV og er ferdig ved ~ -700 mV. Spenningen skjevhet brukes mellom kilden og avløp er 500 μV og strøm måles av en to-punkts måling. Alle kurvene er tatt på 1,4 K. Klikk her for å se større bilde .

Figur 6. (A) Skjematisk fremstilling aven ideell stabilitet diagram som ville bli oppnådd ved å bruke en QPC. Lines kan observeres når et elektron tunneler på én prikk eller mellom prikkene. De svarte sirklene representerer triple poeng der det er mulig for strøm til å flyte gjennom dot. (B) Stabilitet diagram oppnås ved å måle straumen gjennom prikk med TL = -100 mV, TC = -350 mV, TR = -1080 mV , BC = -1160 mV, QPC = -600 mV og en kilde-drain skjevhet på 10 μV. Prøven ble skjevhet-avkjølt med en spenning V = 500 mV på hver gate, som skifter hele uttømming og klype-off poeng ved ca 500 mV og reduserer telegraphic støy i forsøket ^14. For denne type stabilitet diagram, er det bare de tre punktene skal være synlige, slik tilfellet er her for de mest negative spenninger. I både (a) og (b), tallene (L, R) angir det antall elektroner i den venstre og høyre dot for forskjellige verdier av spenningene på BL og BRporter. De grønne linjene i (b) guider for å vise regionene med en konstant antall elektroner. Blir Klikk her for å se større bilde .

Discussion

Prosessen presentert ovenfor beskriver fremstillingen av et dobbelt-protokollen kvante dot i stand til å nå de få elektron-regime. Imidlertid kan de parametere som er gitt variere avhengig av modellen og kalibrering av utstyret som brukes. Derfor vil parametere som doser for eksponeringer i løpet av e-bjelke og photolithography skritt må kalibreres før fabrikasjon av enheter. Prosessen kan enkelt tilpasses til fabrikasjon av gate-definert quantum dots på andre typer underlag, for eksempel Si / SiGe, som også presenterer en 2DEG.

For visse typer enheter, for eksempel vertikale quantum dots, blir tunnelen barriere fra kilden og avløp til dot bestemmes under fabrikasjon og kan ikke endres etterpå ^fem. En fordel med styreelektrode-definerte laterale kvanteprikker er at tunnelen barrierer til dot samt mellom punktene kan styres elektrisk. Men på grunn av dette, må det utvises forsiktighetfor å opprettholde disse verdiene under manipulasjon av spenninger på de andre porter som definerer dot.

Det er viktig å huske at, når de få elektron-regimet er nådd, er målet å manipulere spin tilstander av elektronene på dot å utføre quantum beregninger. De 0 og 1 statene i qubit har blitt implementert i opp og ned spin tilstander av et enkelt elektron ¹⁵ samt i ST ₀ ¹⁶ og ST ₊ ¹⁷ stater av to spinn. Kobling mellom to qubits har også blitt oppnådd ved hjelp av disse enhetene ^18. Imidlertid er en av de store ulempene med laterale kvanteprikker i GaAs / AlGaAs den korte koherens (tiden i løpet av hvilken spin tilstand av elektroner i dot blir bevart) forårsaket av interaksjon med de nukleære spinn av atomene som danner underlaget ^19. Dette har ført til etterforskning av lateral quantum prikker i materialer som silisium (Si/ SiGe heterostructures ²⁰⁾ og karbon (graphene ²¹⁾ som har isotoper som er fri for kjernefysiske spinn og forventes å føre til teoretisk lange koherenstider. Men disse enhetene har ennå til å oppnå de resultatene av kontroll og avlesning innhentet for prikker i GaAs / AlGaAs. Nåværende arbeid som involverer GaAs / AlGaAs doble quantum prikker omfatter også kobling av enheten til en mikrobølgeovn resonator ²² og integrering av micromagnets å tillate høyere spinn drift ^23.

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