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Engineering

Nanofabbricazione di Porta definiti-GaAs / AlGaAs laterali Quantum Dots

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

Summary

Questo articolo presenta un protocollo di fabbricazione dettagliato per cancelli definiti punti quantici di semiconduttori laterali su eterostrutture di arseniuro di gallio. Questi dispositivi in ​​nanoscala sono utilizzati per intrappolare alcuni elettroni per l'uso come bit quantici in elaborazione quantistica o per altri esperimenti mesoscopiche quali misure di conduttanza coerenti.

Abstract

Un computer quantistico è un computer composto da bit quantistici (qubit) che sfrutta effetti quantistici, come la sovrapposizione di stati e di entanglement, per risolvere alcuni problemi esponenzialmente più veloce con i migliori algoritmi conosciuti su un computer classico. Gate-definito quantum dots laterali sul GaAs / AlGaAs sono una delle molte strade esplorate per la realizzazione di un qubit. Se correttamente fabbricato, un tale dispositivo è in grado di intrappolare un piccolo numero di elettroni in una certa regione dello spazio. Gli stati di spin di questi elettroni possono poi essere utilizzati per implementare la logica 0 e 1 del bit quantistico. Data la scala nanometrica di questi punti quantici, camere bianche, offrendo attrezzature-così particolare come microscopi elettronici a scansione ed e-beam-evaporatori sono necessari per la loro fabbricazione. Grande cura deve essere presa durante il processo di fabbricazione per mantenere la pulizia della superficie del campione e per evitare di danneggiare i cancelli fragili della struttura. Questa cartapresenta il protocollo dettagliato di fabbricazione cancelli-definiti punti quantici laterali sul wafer per un dispositivo funzionante. Metodi di caratterizzazione e risultati rappresentativi sono brevemente discussi. Sebbene questo documento si concentra su punti quantici doppi, il processo di fabbricazione rimane la stessa per punti singoli o tripli o anche matrici di punti quantici. Inoltre, il protocollo può essere adattato per fabbricare punti quantici laterali su altri substrati, quali Si / SiGe.

Introduction

Scienza dell'informazione quantistica ha attirato molta attenzione da quando è stato dimostrato che gli algoritmi quantistici possono essere utilizzati per risolvere alcuni problemi esponenzialmente più veloce che con i più noti algoritmi classici 1. Un candidato naturale per un bit quantistico (qubit) è lo spin del singolo elettrone confinato in un punto quantico poiché è un sistema a due livelli. Numerose le architetture sono state proposte per l'attuazione di punti quantici, tra nanofili semiconduttori 2, nanotubi di carbonio 3, punti quantici auto-assemblati 4 e semiconduttori verticali 5 e punti quantici laterali 6. Quantum dots laterali Porta-definiti in GaAs / AlGaAs eterostrutture hanno avuto molto successo a causa della loro versatilità e il loro processo di fabbricazione è al centro di questo lavoro.

In punti quantici laterali, il confinamento degli elettroni nella direzione perpendicolare alla superficie del campione (direzione z) is ottenuta scegliendo il corretto substrato. La modulazione eterostruttura-drogato GaAs / AlGaAs presenta un gas bidimensionale di elettroni (2DEG) confinato l'interfaccia tra le AlGaAs e gli strati GaAs. Questi campioni sono coltivate da epitassia a fascio molecolare per ottenere una bassa densità di impurità che, combinato con la tecnica di modulazione-doping, porta ad elevata mobilità di elettroni nella 2DEG. Una schematica dei diversi strati della eterostruttura nonché la sua struttura a bande sono mostrati in Figura 1. Una elevata mobilità degli elettroni è necessaria nel 2DEG per assicurare la coerenza di stati elettronici su tutta la superficie del punto quantico. Il substrato utilizzato per il processo di fabbricazione descritto di seguito è stato acquistato presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche del Canada e presenta una densità elettronica di 2,2 x 10 11 cm -2 e una mobilità degli elettroni di 1,69 x 10 6 centimetri 2 / Vsec.

Il confinamento degli elettroni nella direzione parallel alla superficie del campione si ottiene posizionando elettrodi metallici sulla superficie del substrato. Quando questi elettrodi sono depositati sulla superficie del campione di GaAs, barriere Schottky sono formate 7. Tensioni negative applicate a tali elettrodi portano a barriere locali nel 2DEG di sotto del quale solo gli elettroni con energia sufficiente possono attraversare. Deplezione del 2DEG si verifica quando la tensione applicata è sufficientemente negativo che nessuna elettroni hanno energia sufficiente per attraversare la barriera. Pertanto, scegliendo accuratamente la geometria degli elettrodi, è possibile intrappolare un piccolo numero di elettroni tra regioni impoverito del campione. Controllo del numero di elettroni sulla dot nonché l'energia tunnel tra il punto e il 2DEG nel resto del campione può essere ottenuto mediante affinamento delle tensioni sugli elettrodi. Uno schema di elettrodi di gate e il gas impoverito elettrone è mostrato in Figura 2. Il disegno per le strutture di gate che formano il puntino è inspired dal circuito usato da Barthel et al. 8

Di controllare e leggere informazioni riguardanti il ​​numero di elettroni sulla dot, è utile per indurre e misurare la corrente attraverso il puntino. Lettura può essere effettuata anche utilizzando un Quantum Point Contact (QPC), che richiede anche una corrente attraverso il 2DEG. Il contatto tra le sorgenti 2DEG e tensione è garantita da contatti ohmici. Si tratta di pastiglie metalliche che si diffondono dalla superficie del campione fino in fondo alla 2DEG utilizzando un rapido processo di ricottura termica di serie 7 (vedi figure 3a e 4 ter). Per evitare cortocircuiti tra la sorgente e lo scarico, la superficie del campione è inciso in modo che il 2DEG è impoverito in certe regioni e la corrente è costretto a viaggiare attraverso certi canali specifici (vedere figure 3b e 4a). La regione dove il 2DEG rimane viene denominato "mesa".

I seguenti dettagli di protocollo l'intero processo di fabbricazione di un cancello definito quantum dot laterale su un GaAs / AlGaAs substrato. Il processo è scalabile in quanto rimane lo stesso indipendentemente se il dispositivo viene fabbricato è una singola, doppia o tripla quantum dot o anche un array di punti quantici. La manipolazione, la misura e risultati doppi punti quantici fabbricati con questo metodo sono discussi in altre sezioni.

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Protocol

Il processo di fabbricazione descritto di seguito viene fatto su un substrato di GaAs / AlGaAs con dimensioni di 1,04 x 1,04 cm. Venti dispositivi identici sono fabbricati su un substrato di queste dimensioni. Tutte le fasi del processo sono fatte in una camera bianca e la protezione del caso devono essere utilizzati in ogni momento. Acqua deionizzata è utilizzato in tutto il processo, ma viene semplicemente indicato come nel protocollo di seguito "l'acqua".

1. Acquaforte della Mesa

Il risultato di questa fase fabbricazione è mostrata in Figura 4a.

  1. Posizionare il campione in una Asher plasma con O 2 plasma a 75 W per 2 minuti per rimuovere eventuali tracce di composti indesiderati resistere o organico.
  2. Pulire il campione in un bagno sonico con acetone (2x) e IPA per 5 minuti ciascuno. Blow-secco con un N 2 pistola compressa. In tutto il protocollo di fabbricazione, quando si usa un bagno di sonic, evitare l'uso di elevate potenze per evitare di danneggiare il wafer di GaAsche ha la tendenza a fendere.
  3. Cuocere il campione in un forno a 125 ° C per almeno 15 minuti per disidratare la superficie. La disidratazione può essere ottenuto posizionando il campione su una piastra calda a 180 ° C per almeno 5 min.
  4. Centrifugare il campione con cappotto Shipley S1818 fotoresist a 3.500 rpm per 30 sec e cuocere su una piastra calda a 115 ° C per 60 sec. Il risultante strato di resist dovrebbe essere di circa 2,5 micron di spessore. S1818 viene usato perché è spessa ed è influenzata molto poco dalla soluzione utilizzata nel passaggio da 1.11 a etch substrato. Durante tutto il processo di fabbricazione, è importante evitare sovracottura photoresist ed e-beam resistere a garantire una facile rimozione nei passaggi successivi.
  5. Utilizzare un allineatore maschera fotolitografica ed un bordo tallone maschera per esporre il resist sul bordo esterno del campione. Il tallone maschera di bordo è composto da un x 1 cm quadrato 1 cromato su una lastra di vetro. Usare la luce con una lunghezza d'onda di 436 nm ed esporre il resist per 10 sec a 15m W / cm 2. Il wavelength e potenza sono fissi e possono variare a seconda della macchina utilizzata. Regolare i tempi di esposizione e di sviluppo per ottenere caratteristiche ben definite delle dimensioni appropriate.
  6. Sviluppare esposto resistere immergendo il campione in MF-319 per 2 min 10 sec. Agitare lentamente durante questa fase. Sciacquare in acqua per 15 secondi e asciugare con un N 2 pistola compressa. Il bordo tallone deve essere rimosso al termine di questa fase, lasciando una superficie x 1 cm 1 con uno spessore uniforme di resistere al centro del campione. Il bordo tallone è rimosso prima di esporre la maschera mesa di ottenere un migliore contatto tra la maschera e il campione, il che porta a risultati migliori.
  7. Sempre con la maschera allineatore fotolitografica, esporre la resistenza utilizzando la maschera mesa e 436 nm di luce per 7 secondi a 15 mW / cm 2.
  8. Sviluppare il resist esposto immergendo il campione in MF-319 per 2 min e 10 sec agitando lentamente. Sciacquare per 15 secondi in acqua e asciugare con un N 2 pistola compressa. La resistere remaining sul campione ha ora la forma della mesa. La resistenza sarà proteggere questa regione del campione di essere incise via nei passaggi che seguono.
  9. Per rimuovere tutte le tracce di resistere nella zona precedentemente esposta, il campione viene posto in una Asher plasma ed è esposto ad una O 2 plasma per 1 min a 75 W.
  10. Una soluzione di H 2 SO 4: H 2 O 2: H 2 O (05:01:55) è usato per incidere il campione. Combinare le dovute proporzioni di H 2 O 2 e acqua e poi aggiungere l'H 2 SO 4. Questa soluzione è molto reattivo quando viene dapprima preparata. Attendere 20 minuti prima di procedere al passo successivo per evitare overetching.
  11. Etch il campione immergendolo in soluzione acida per alcuni secondi e subito risciacquo in acqua per 30 sec per arrestare la reazione. La superficie del campione deve essere inciso passato lo strato di Si droganti e quasi tutto il percorso fino alla 2DEG garantire deplezione in queste regioni (SEe Figure 1). La profondità etch può variare a seconda del substrato. Generalmente, per il tipo di substrato usato, un 34 sec immersione conduce alla profondità desiderata etch di 90-100 nm. Tuttavia, è importante non overetch per evitare di danneggiare il 2DEG. Poiché la velocità di incisione varia fortemente con il rapporto di H 2 SO 4 e H 2 O 2 nella soluzione e con il tempo di attesa prima della etch, si raccomanda di eseguire l'incisione da diverse immersioni di 5-10 sec, invece di un singolo 34 sec etch, e misurare la profondità inciso con un profilometro dopo ogni etch. La velocità di incisione relativamente lento di questa soluzione consente un buon controllo della profondità etch. Il raffreddamento della soluzione di attacco sotto della temperatura ambiente può portare ad abbassare i tassi di etch. Tuttavia, poiché è una etch superficiale e il profilo etch è irrilevante, etching soluzioni differenti possono anche essere utilizzati.
  12. Striscia il resistere immergendo il campione nel 1165 Remover a 65 ° C per 3 ore. Risciacquarein acetone e IPA per 5 minuti ciascuno. Misurare il profilo etch con un profilometro.

2. Realizzazione dei contatti ohmici

Il risultato di questa fase fabbricazione è mostrato in Figura 4b.

  1. Pulire il campione in un bagno sonico per immersione in acetone (2x) e IPA per 5 minuti ciascuno. Asciugare con un N 2 pistola compressa.
  2. Cuocere il campione in un forno a 125 ° C per 15 min per disidratare la superficie.
  3. Spin cappotto con LOR5A a 2.500 rpm per 30 sec e cuocere su una piastra calda a 150 ° C per 10 min. Poi, girare cappotto con S1813 a 5000 rpm per 30 sec e cuocere su una piastra calda a 110 ° C per 60 sec. La risultante spessori di resist sono ~ 600 nm e ~ 1,3 micron, rispettivamente. Due strati di resistere sono utilizzati per facilitare il lift-off del metallo che sarà depositato nel passo 2.10.
  4. Utilizzando un allineatore maschera fotolitografica e il bordo tallone maschera, esporre il resistere sul ndr esternoge del campione con 436 nm di luce per 10 sec a 15 mW / cm 2.
  5. Sviluppare il resist esposto immergendo il campione in MF-319 per 2 min 10 sec agitando uniformemente. Sciacquare in acqua per 15 secondi e asciugare con un N 2 pistola compressa.
  6. Sempre con la allineatore maschera fotolitografica, ma questa volta con la maschera di contatto ohmico, allineate i profili per i contatti ohmici sul inciso mesa. Esporre con 436 nm di luce per 6 sec a 15 mW / cm 2.
  7. Sviluppare la resistenza a MF-319 per 2 min 10 sec agitando dolcemente. Sciacquare in acqua per 15 secondi e asciugare con un N 2 pistola compressa. Non c'è più resistere nelle regioni in cui saranno depositati i contatti ohmici. Lo sviluppatore scioglie la 5A LOR più veloce della S1813, lasciando un sottosquadro sotto lo strato superiore di resistere. Questo profilo nel resistere impedisce il metallo (che verrà depositato nel passo 2.10) da formare pareti ai bordi del resistere e consentirà anche un facile removal del restante resist e metallo indesiderabile.
  8. Per rimuovere tutte le tracce di resistere nella zona precedentemente esposte, porre il campione in una Asher plasma ed esporlo a un O 2 plasma per 1 min a 75 W. È importante non lasciare che il campione di sedersi per troppo tempo nel plasma perché circa 75 nm / min di resist viene attaccato durante questa fase.
  9. Rimuovere l'ossido nativo GaAs immergendo il campione in una soluzione di H 2 SO 4: H 2 O (1,5) per 30 sec e risciacquo in acqua per 30 secondi. Asciugare con un N 2 pistola compressa. Passo 2.10 deve essere eseguita appena possibile impedire l'ossido nativo di riapparire.
  10. Utilizzare un evaporatore a fascio elettronico per depositare 25 nm di Ni, 55 Nm di Ge, e 80 nm di Au. I tassi di deposizione sono rispettivamente di 0.2 nm / sec, 0,5 nm / sec e 0,5 nm / sec. I tassi di deposizione sono scelte in modo che il tempo di evaporazione è sufficientemente breve da evitare riscaldamento della camera senza essere così breve da perdere la precisione dello spessore tha depositato strato. Il doppio strato di Ge e Au può essere sostituito da un unico strato di GeAu eutettico se è disponibile 9.
  11. Il passaggio precedente metallo depositato sull'intera superficie del campione. Rimozione del metallo che si deposita sulla resistere è fatto sciogliendo quest'ultimo. Per fare questo, immergere il campione nel 1165 Remover a 65 ° C per 3 ore. Per rimuovere qualsiasi metallo indesiderato che potrebbe non essere sollevato da sola, utilizzare una pipetta per spruzzare leggermente la superficie del campione con rimozione caldo. Lavare il campione in acetone e IPA per 5 minuti ciascuno.
  12. Un rapido processo di ricottura termica a gas di formatura è utilizzato per diffondere il metallo depositato giù al 2DEG del campione. La temperatura viene aumentata ad una velocità di 50 ° C ° fino a raggiungere una temperatura di 415 C / sec. Il campione viene lasciato a questa temperatura per 20 sec e viene raffreddata poi rapidamente. La durata e la temperatura della ricottura sono scelti per avere la più piccola resistenza attraverso i contatti ohmici a bassatemperatura. Il tempo di ricottura ottimale può variare a seconda della profondità del 2DEG nel substrato.

3. Realizzazione della Ti / Au Schottky Leads

Il risultato di questa fase fabbricazione è mostrato in figura 4c.

  1. Pulire il campione in un bagno sonico per immersione in acetone (2x) e IPA per 5 minuti ciascuno. Asciugare con un N 2 pistola compressa.
  2. Cuocere il campione in un forno a 125 ° C per 15 min per disidratare la superficie.
  3. Spin cappotto PMMALMW4% a 5000rpm per 30 sec e cuocere su una piastra calda a 180 ° C per 90 sec. Poi, girare cappotto PMMA HMW 2% a 5.000 rpm per 30 sec e cuocere su una piastra calda a 180 ° C per 90 sec. La risultante spessori di resistere sono ~ 75 nm e ~ 40 nm, rispettivamente. Poiché i cavi Ti / Au saranno molto sottile, un singolo strato di PMMA può essere utilizzato, ma parametri filatura, esposizione e sviluppo sarà necessario regolare di conseguenza. Questo commento vale anche per tAl egli porta e cancelli (fase 4).
  4. Processo di e-beam: Questa parte del processo è altamente dipendente dalla apparecchiature usate e del protocollo necessaria può quindi variare notevolmente da quella descritta di seguito. I modelli per i conduttori sono disegnati in un file CAD. In questo file, i conduttori devono essere redatti come poligoni chiusi, largo 2 micron. Sono necessari i cavi di contattare le piazzole di connessione (fabbricato in fase 5) al Al cancelli (fabbricato in fase 4). Quattro segni di allineamento devono essere esposti per consentire l'allineamento verticale, orizzontale e di rotazione dei conduttori di Al e cancelli sul Ti / Au Schottky porta.
    1. Porre il campione in un microscopio elettronico a scansione (SEM) che è dotata di fare litografia a fascio. Utilizzare un'apertura di 10 micron per ridurre la dimensione del punto del fascio e impostare la tensione di accelerazione di 10 kV per garantire un buon contrasto durante l'allineamento sulle strutture precedentemente fabbricate. Regolare la messa a fuoco, stigmatism, e l'allineamento di apertura.Misurare la corrente con una tazza di Faraday fascio.
    2. Allineare la trave con la mesa precedentemente inciso e impostare l'ingrandimento a 300X.
    3. Esporre i conduttori. Il SEM è programmato per esporre le aree desiderate di riempimento d'una matrice di punti esposti. La distanza tra questi punti (distanza da centro a centro) è di 5,5 nm e la dose è di 43 uC / cm 2 (il tempo di esposizione dipenderà dalla corrente del fascio misurato al punto 3.5.1). Esporre segni di allineamento, nonché per consentire l'allineamento del Al cancelli con conduttori Ti / Au nel passaggio 4.
    4. Ripetere i punti 3.5.2 e 3.5.3 per ciascuna delle 20 dispositivi sul campione.
  5. Sviluppare l'resistere immergendo il campione in IPA: H 2 O (9,1) per 30 sec. La soluzione deve essere ad una temperatura di 20 ° C. Sciacquare in acqua per 30 secondi e asciugare con un N 2 pistola compressa. Se preferito, il PMMA resist può essere sviluppato utilizzando una IPA: soluzione di MIBK e risciacquo in IPA per arrestare la reazione. Un diverso dCi vorrà del tempo viluppo se si sceglie questa opzione.
  6. Posizionare il campione in una Asher plasma ed esporlo a un plasma 2 O per 4 sec a 50 W. Questo rimuove 5 nm di resistere e assicura che non vi è alcun resistere a sinistra al fondo delle trincee formati durante il processo di e-beam.
  7. Rimuovere l'ossido nativo GaAs immergendo il campione in una soluzione di H 2 SO 4: H 2 O (1,5) per 30 sec e risciacquo in acqua per 30 secondi. Asciugare con un N 2 pistola compressa. Passo 3.8 deve essere eseguita appena possibile impedire l'ossido nativo di riapparire.
  8. Porre il campione in un evaporatore e deposito e-beam 10 nm di Ti e 20 nm di Au, sia ad una velocità di 0.1 nm / sec. E 'importante per il supporto del campione ben fondato e collocato almeno 60 cm di distanza dalla sorgente per impedire l'accumulo di cariche sul campione durante il processo di deposizione.
  9. Lift-off eccesso di metallo immergendo il campione nel 1165 Remover a 65 °C per 15 min. Per rimuovere qualsiasi metallo indesiderato che potrebbe non essere sollevato da sola, utilizzare una pipetta per spruzzare leggermente la superficie del campione con rimozione caldo. Sciacquare in acetone e IPA per 5 minuti ciascuno.

4. Realizzazione della Schottky Piombi e Porte Al

Il risultato di questa fase fabbricazione è mostrato in Figura 4d.

Fabbricazione del Al Schottky conduce e cancelli costituisce la fase più critica del processo di fabbricazione in quanto queste sono le porte che definiscono il puntino. E 'importante che il fascio di elettroni essere ben focalizzata e la corrente di fascio ben regolato nel passo 4.2. L'esposizione e tempi di sviluppo devono essere ben regolati per ottenere piccoli, cancelli continue e ben definite. In molti protocolli, queste porte e cavi sono fabbricati in Ti / Au e sono esposti simultaneamente con i conduttori precedente durante la fase 3. Tuttavia, un vantaggio di usare Al è che può essere ossidato, therefminerale consentendo elementi come top cancelli ad essere depositati direttamente sulla superficie del campione, senza la necessità di un grande strato isolante 10.

  1. Ripetere i punti da 3.1 a 3.4.2. Tuttavia, non utilizzare il bagno sonoro durante la pulizia del campione per evitare di danneggiare i cavi di Ti / Au.
  2. Processo di e-beam: I modelli per l'Al lead ei cancelli sono disegnati in un file CAD. L'Al cavi sono utilizzati per contattare il Ti / Au porta alla Al cancelli e sono disegnati con poligoni chiusi con una larghezza di 200 nm. L'Al cancelli, tuttavia, non sono disegnate come poligoni, ma piuttosto come due singole linee separate da 20 nm.
    1. Una volta che il fascio è stato allineato con la mesa, impostare l'ingrandimento a 1500 X e allineare il raggio laser con il Ti / Au Schottky porta.
    2. Esporre i conduttori. Utilizzare una dose di 43 uC / cm 2 ed una distanza da centro a centro di 3,3 nm.
    3. Esporre i cancelli. Utilizzare una dose linea di 0.149 NC / cm e una distanza da centro a centro di 1,1 nm. Questo porterà a unaampiezza di porta finale di 60 nm.
    4. Ripetere i punti 4.2.1 - 4.2.3 per ciascuna delle 20 dispositivi sul campione.
  3. Ripetere i passaggi 3,5-3,7.
  4. Porre il campione in un evaporatore e deposito e-beam 30 nm di Al ad una velocità di 0.3 nm / sec.
  5. Ripetere il punto 3.10. È importante essere molto delicato con il campione da questa fase in poi per non danneggiare i piccoli cancelli al.

5. Fabbricazione dei cavi Schottky e piazzole di connessione

Il risultato di questa fase fabbricazione è mostrato in Figura 4e.

  1. Ripetere i passaggi 2,1-2,9, utilizzando una maschera fotolitografica per la Schottky conduce invece della maschera per le pastiglie ohmiche.
  2. Trasferire il campione in un evaporatore e di deposito e-beam 30 nm di Ti e 350 nm di Au a tassi del 0,3 nm / sec e 1 nm / sec rispettivamente. Spesso strato di Au depositato facilita incollaggio del campione al supporto del campione perché è meno incline a strappo dalle thistrati NNER.
  3. Lift-off il metallo in eccesso e rimanendo resistono immergendo il campione nel 1165 Remover a 65 ° C per 3 ore. Per rimuovere qualsiasi metallo indesiderato che potrebbe non essere sollevato da sola, utilizzare una pipetta per spruzzare leggermente la superficie del campione con rimozione caldo. Lavare il campione in acetone e IPA per 5 minuti ciascuno.

6. Dicing dei Campioni

  1. Cuocere il campione in un forno a 125 ° C per 15 min per disidratare la superficie.
  2. Spin cappotto con S1818 a 3.500 rpm per 30 sec e cuocere su una piastra calda a 115 ° C per 1 min. Lo spessore di questo strato di resist è irrilevante fintanto che è sufficientemente spesso per proteggere la superficie del campione durante cubettatura.
  3. Mettere uno strato di dadi nastro sulle facce superiore e inferiore del campione. Lo strato di nastro sulla faccia superiore offre un ulteriore livello di protezione al dispositivo durante cubettatura.
  4. Mettere il campione a faccia in su in un dicer. Tagliare il campione in singoli dispositivi da taglio a cubettitutto il percorso attraverso la parte superiore strato di nastro a cubetti e le GaAs / AlGaAs wafer senza tagliare attraverso lo strato inferiore di dadi nastro.
  5. Rimuovere il nastro protettivo cubettatura e il resist ponendo il campione in acetone per alcuni minuti. Utilizzare le pinzette per tirare delicatamente fuori pezzi di nastro a dadi che non sollevano da soli. Sciacquare i dispositivi in IPA e asciugare con un N 2 pistola.

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Representative Results

Una delle fasi critiche del processo sopra descritto è l'incisione della mesa (passaggio 1). È importante etch sufficiente per rimuovere il sottostante 2DEG evitando overetching. Pertanto, si raccomanda di usare un GaAs bulk campione fittizio di testare la soluzione di attacco prima di eseguire la etch sulle GaAs / AlGaAs campione. La velocità di incisione delle GaAs / AlGaAs eterogiunzione è maggiore di quella del GaAs, ma l'incisione del manichino può dare una indicazione se la soluzione è più o meno reattivo del solito e il tempo etch del campione reale può essere regolata di conseguenza.

Una volta che i dispositivi sono stati fabbricati, essi sono pronti per essere attaccato ad un supporto del campione utilizzando epossidica argento. Wire bonding tra piazzole di connessione del campione e perni di collegamento del supporto del campione viene fatta con 25 micron di Al filo. È meglio evitare di osservare i dispositivi in ​​un microscopio elettronico a scansione (SEM), poiché vi è il rischio di danneggiarli. Invece, Ci sono semplici test che può essere fatto a temperature abbastanza alte (~ 4 K) e che consentono di confermare se una delle porte sono rotte o mancanti prima che il raffreddamento del campione in un refrigeratore a diluizione per un'ulteriore caratterizzazione. Uno di questi test consiste nell'applicare una tensione di polarizzazione tra due contatti ohmici e misurando la corrente guidato attraverso il campione in funzione della tensione applicata su una coppia di porte. Un esempio di tali misurazioni è mostrato in Figura 5. Le curve in Figura 5 mostrano due distinti regimi. Il primo regime varia da 0 V a -750 mV e presenta due fasi di esaurimento: una a circa-300mV corrispondente all'esaurimento dei 200 nm di larghezza porta e uno a circa-750mV corrispondenti al depauperamento dei 60 nm ampie porte. Il secondo regime a tensioni più basse mostra plateau che corrisponde alla quantizzazione della conduttanza. Valori tipici per pinch-off punti tra coppie di gamma cancelli tra-500mV a 2V. Inoltre, sinon si dovrebbe applicare una tensione positiva di sopra di 500 o 600 mV su un cancello in quanto potrebbe danneggiare la barriera di Schottky. Dalla figura 5, è possibile concludere che, nel caso di questo particolare esempio, le porte sono probabilmente geometricamente simili dopo il TC-TL e coppie TC-TR pizzicare la corrente a tensioni approssimativamente uguali. Lo stesso vale per il TC-BL e coppie TC-BR. Tuttavia, il fatto che la corrente scorre ancora tra la TC e BC cancelli anche per alte tensioni indica che il cancello BC è o rotto o mancante. Solitamente, circa il 50% dei dispositivi testati hanno cancelli completamente funzionali e contatti ohmici.

Una volta che un dispositivo idoneo è stato trovato, può essere caricato in un refrigeratore a diluizione per la caratterizzazione a basse temperature (<100 mK). Le tensioni su ciascuna delle porte devono quindi essere regolati per formare il doppio punto. Non è lo scopo di questo articolo per i dettagli questo processo di adeguamento. Una volta che un doppio punto è stato formato, una stabilizzazionediagramma ty può essere misurata per verificare se il doppio punto può raggiungere il regime pochi elettroni. Questo viene fatto applicando una piccola costante polarizzazione source-drain (~ 10 mV) e misurando la corrente attraverso il doppio punto in funzione delle tensioni applicate sulla BL e BR cancelli. Se il design del dispositivo comprende un contatto di punto quantico che serve come un rivelatore di carica, è preferibile utilizzare questo, anziché la corrente attraverso il puntino, per la misura del diagramma di stabilità 11. Un diagramma stabilità misurato e schematica di un risultato ideale sono mostrati in Figura 6. Come mostrato in Figura 6b, soltanto i flussi di corrente attraverso il doppio punto in punti tripli. Il regime di zero-elettrone viene raggiunto quando senza punti più tripli possono osservare nel diagramma stabilità, non importa quanto le tensioni negative sui cancelli diventano. Tuttavia, il fatto che la corrente non scorre attraverso il puntino per alte tensioni può anche indicare che le barriere tunnel colleganozione source e drain al doppio punto sono stati completamente strozzato. Spin blocco può essere misurata in diversi punti tripli per dimostrare che il regime few-elettrone è stato raggiunto 12, ma il numero esatto di elettroni nel doppio punto deve essere determinato mediante rilevamento di carica. Per informazioni più dettagliate circa i diagrammi di stabilità, di spin blocco e rilevamento di carica vedi R. Hanson et al 13.

Figura 1
Figura 1. a) sequenza di strati presenti in GaAs / AlGaAs eterostruttura coltivate da epitassia a fascio molecolare. b) la struttura Banda della eterostruttura mostrata in a). B e C v B sono rispettivamente la conduzione e bande di valenza. L'unica regione in cui la banda di conduzione è inferiore al livello di Fermi (E f) is trova tra il 5000 uno strato di GaAs e il 400 uno strato di AlGaAs. E 'qui che il 2DEG viene trovato. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .

Figura 2
Figura 2. Schema degli elettrodi di gate metallici (grigio scuro) di un doppio punto quantico depositata sulla cima di un GaAs / AlGaAs eterostruttura. L'2DEG è indicato in arancione e le regioni impoverito sono bianchi. I quadratini neri rappresentano i contatti ohmici e le frecce indicano il flusso di corrente attraverso il punto e il punto di contatto quantistica (QPC). I due punti sono ubicati nelle regioni di aranci dove elettroni rimangono ancora nel centro della zona impoverito. Cancelli BL e BR sono utilizzati per controllare il numero di elettroni sui puntini sinistra e destra rispettivamente. AC e TC con controllo della barriera tunnel tra i due punti. TL viene usata per regolare la barriera tunnel tra la sorgente e il punto di sinistra, mentre TR tunes la barriera tra il diritto punto e lo scarico. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .

Figura 3
Figura 3. (A) Schema di un Ni / Ge / Au contatto ohmico (rettangoli dorati) diffusa da ricottura termica rapida dalla superficie del campione fino al 2DEG. (B) Vista laterale della superficie del campione che è inciso per creare la mesa. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .

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Figura 4. Immagini al microscopio ottico di un doppio dispositivo di quantum dot dopo diverse fasi del processo di fabbricazione. (A) dispositivo dopo l'attacco dello mesa (passaggio 1). Le aree grigie luce sono stati incise via impedendo la corrente elettrica che scorre attraverso queste regioni, mentre le regioni grigio scuro presentano ancora un 2DEG. (B) Dispositivo dopo la fabbricazione dei contatti ohmici (fase 2). I contatti ohmici sono le piazze d'oro. (C) Dispositivo dopo la fabbricazione del Ti / Au Schottky conduce (passo 3). I cavi sono le linee bianche nel centro dell'immagine. (D) Dispositivo dopo la fabbricazione del Al Schottky conduce e cancelli (fase 4). Questi si trovano in piazza verde nel centro dell'immagine. È anche mostrato Una immagine SEM dei cancelli utilizzati per definire i punti quantici. (E) Dispositivo dopo la fabbricazione dei cavi Schottky e piazzole di connessione (fase 5).:/ / Www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "target =" _blank "> Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.

Figura 5
Figura 5. Corrente che fluisce dalla sorgente di drenare come funzione della tensione applicata su diverse coppie di porte. L'esaurimento del gas di elettroni comincia a ~ -400 mV ed è finito a ~ -700 mV. La polarizzazione di tensione applicata tra la sorgente ed il drain è 500 mV e la corrente viene misurata mediante una misura a due punti. Tutte le curve sono prese a 1,4 K. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .

Figura 6
Figura 6. (A) Schema diun diagramma stabilità ideale che si otterrebbe con un QPC. linee possono essere osservati quando un tunnel di elettroni su un unico punto o fra i punti. I cerchi neri rappresentano tripla punti dove è possibile per circolare corrente attraverso il puntino. (B) diagramma di stabilità ottenuta misurando la corrente che attraversa il punto con TL = -100 mV, TC = -350 mV, TR = -1080 mV , BC = -1.160 mV, QPC = -600 mV e un bias source-drain di 10 mV. Il campione è stato di polarizzazione-raffreddato con una tensione V = 500 mV su ogni porta, che sposta tutto il pinch-off punti di esaurimento e di circa 500 mV e riduce il rumore telegrafico nell'esperimento 14. Per questo tipo di diagramma stabilità, solo i punti tripli dovrebbero essere visibili, come nel caso qui per le tensioni più negativi. In entrambi (a) e (b), i numeri (L, R) indicano il numero di elettroni nel punto a sinistra ea destra per diversi valori delle tensioni sulla BL e BRcancelli. Le linee verdi in (b) sono guide per mostrare le regioni con un numero costante di elettroni. Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita .

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Discussion

Il processo sopra riportato descrive il protocollo fabbricazione di un doppio punto quantico in grado di raggiungere il regime pochi elettroni. Tuttavia, i parametri indicati possono variare a seconda del modello e taratura delle apparecchiature utilizzate. Pertanto, parametri quali le dosi per esposizioni durante le fasi di e-beam e fotolitografia dovranno essere calibrato prima della fabbricazione dei dispositivi. Il processo può essere facilmente adattato alla fabbricazione di gate-definita punti quantici su altri tipi di substrati, quali Si / SiGe, che presentano anche una 2DEG.

Per alcuni tipi di dispositivi, quali punti verticali quantici, la barriera tunnel dalla sorgente e lo scarico per il dot sono determinati durante la lavorazione e non può essere variata in seguito 5. Un vantaggio di cancello definiti quantum dots laterali è che le barriere tunnel per il punto, come pure tra i punti possono essere controllate elettricamente. Tuttavia, a causa di questo, occorre prestare attenzionedi mantenere tali valori durante la manipolazione delle tensioni sulle altre porte che definiscono il puntino.

È importante ricordare che, una volta che il regime few-elettrone è stato raggiunto, l'obiettivo è quello di manipolare gli stati di spin degli elettroni in punto per eseguire calcoli quantistici. Le 0 e 1 stati del qubit sono state implementate con successo in alto e in basso di spin stati di un singolo elettrone 15, nonché nella ST 16 e ST 0 + 17 dispone di due giri. Accoppiamento tra due qubit è stato raggiunto anche utilizzando questi dispositivi 18. Tuttavia, uno dei principali svantaggi di punti quantici laterali in GaAs / AlGaAs è il tempo di coerenza breve (il tempo durante il quale lo stato di spin degli elettroni nel punto viene preservata) causata da interazione con gli spin nucleari degli atomi che formano il substrato 19. Questo ha portato alla ricerca di punti quantici laterali in materiali come il silicio (Si/ SiGe eterostrutture 20) e carbonio (grafene 21) che hanno isotopi che sono privi di spin nucleare e che si prevede di portare a tempi di coerenza teoricamente lunghi. Tuttavia, questi dispositivi devono ancora raggiungere i risultati di controllo e di read-out per ottenere punti in GaAs / AlGaAs. Il lavoro attuale che coinvolge GaAs / AlGaAs doppi punti quantici include anche di accoppiamento del dispositivo a un forno a microonde risonatore 22 e l'integrazione di micromagneti per consentire le operazioni di girare più velocemente 23.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Gli autori ringraziano Michael Lacerte per il supporto tecnico. MP-L. riconosce il Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR), le scienze naturali e ingegneria Research Council del Canada (NSERC), la Fondazione canadese per l'innovazione (CFI) e il Fonds de Recherche Québec - Nature et Technologies (FRQNT) per il sostegno finanziario. Il dispositivo qui presentato è stato fabbricato a CRN2 e IMDQ impianti, finanziati in parte dalla NanoQuébec. Le GaAs / AlGaAs substrato è stato fabbricato da ZR Wasilewski presso l'Istituto di Scienze microstrutturali presso il National Research Council Canada. JCL e CB-O. riconoscere CRSNG e FRQNT per il sostegno finanziario.

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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