Нанофабрикации Gate определенные GaAs / AlGaAs квантовых точек Боковые

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Эта статья представляет собой подробный протокол для изготовления ворот определенных полупроводниковых квантовых точек боковой на арсенид галлия гетероструктур. Эти наноразмерных устройств используются для захвата нескольких электронов для использования в качестве квантовых битов в квантовой обработки информации или для других экспериментов мезоскопическим таких как когерентные измерения проводимости.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Квантовый компьютер, это компьютер состоит из квантовых битов (кубитов), который использует квантовые эффекты, такие, как суперпозиция состояний и запутанности, решать некоторые задачи быстрее, чем экспоненциально с лучшими известными алгоритмами на классическом компьютере. Ворота определенных боковых квантовых точек на GaAs / AlGaAs являются одним из многих изученных перспектив для реализации кубита. При правильном сфабрикованы, такое устройство, способный улавливать небольшое число электронов в определенной области пространства. Спиновых состояниях этих электронов может быть использована для реализации логического 0 и 1 квантового бита. Учитывая нанометровом масштабе этих квантовых точек, чистых помещениях учреждений, предлагающих специализированного оборудования, таких как сканирующие электронные микроскопы и электронно-лучевых испарителей-необходимые для их изготовления. Большое внимание должно быть принято в течение производственного процесса для поддержания чистоты поверхности образца и, чтобы не повредить хрупкие ворота структуры. Эта статьяпредставлен подробный протокол изготовлении затвора определены боковыми квантовых точек из пластины в рабочее устройство. Характеристика методов и представитель результаты также кратко обсуждается. Хотя эта статья концентрируется на двойных квантовых точек, процесс изготовления остается неизменным для одного или тройных точек или даже массивы квантовых точек. Кроме того, протокол может быть адаптирован для изготовления боковой квантовыми точками на другие субстраты, такие как Si / SiGe.

Introduction

Квантовая информатика привлек много внимания с тех пор было показано, что квантовые алгоритмы могут быть использованы для решения определенных проблем экспоненциально быстрее, чем в самых известных классических алгоритмов 1. Очевидным кандидатом на квантовый бит (кубит) является спин одного электрона ограничено в квантовой точке, так как это двухуровневая система. Многочисленные архитектуры были предложены для реализации квантовых точек, в том числе полупроводниковых нанопроводов 2, 3 углеродных нанотрубок, самоорганизующихся квантовых точек 4 и 5 полупроводниковой вертикальной и боковой квантовыми точками 6. Ворота определенных боковых квантовых точек в GaAs / AlGaAs гетероструктур были очень успешными из-за своей универсальности и их производственного процесса находится в центре внимания данной статьи.

В боковой квантовых точек, удержание электронов в направлении, перпендикулярном к поверхности образца направлении) ясек достигнуто путем выбора надлежащего подложки. GaAs / AlGaAs-модуляции легированной гетероструктуры представляет двумерный электронный газ (2DEG) приурочены к интерфейсу между AlGaAs и GaAs слоев. Эти образцы были выращены молекулярно-лучевой эпитаксии для получения низкой плотности примесей, которые, в сочетании с модуляцией легирования техники, приводит к высокой подвижностью электронов в 2DEG. Схематическое изображение различных слоев гетероструктуры, а также его зонной структуры показаны на рисунке 1. Высокой подвижностью электронов необходимо в 2DEG обеспечить согласованность электронных состояний по всей поверхности квантовой точки. Субстрат, используемый для изготовления описанного ниже процесса был приобретен у Национального исследовательского совета Канады и представляет собой электронную плотность 2,2 х 10 11 см -2 и подвижностью электронов 1,69 х 10 6 см 2 / Vsec.

Удержание электронов в параллель направленияхНПВ к поверхности образца достигается за счет размещения металлических электродов на поверхности подложки. Когда эти электроды, нанесенные на поверхность образца GaAs, барьеры Шоттки сформированы 7. Отрицательные напряжений, подаваемых на электроды таких привести к локальным барьеров в 2DEG ниже которого только электроны с энергией, достаточной может пересечь. Истощение 2DEG происходит, когда напряжение, приложенное отрицательный достаточно того, что электроны не имеют достаточно энергии, чтобы преодолеть барьер. Таким образом, при тщательном выборе геометрии электродов, можно для улавливания небольшого количества электронов между обедненной области образца. Контроль числа электронов на точку, а также туннельной энергии между точкой и 2DEG в остальной части образца может быть достигнуто путем тонкой настройки напряжения на электродах. Схема электроды затвора и обедненного газа электронов показан на рисунке 2. Дизайн для ворот структур, образующих точку вВдохновленный дизайном используемых Бартель и др. 8.

Для контроля и считывать информацию относительно числа электронов на точку, полезно, чтобы вызвать и измерение тока, протекающего через точку. Показания счетчика также может быть сделано с помощью Контакт Квантовая точка (КТК), который также требует ток через 2DEG. Контакт между 2DEG и источники напряжения обеспечивается омических контактов. Эти металлические прокладки, которые распространяются от поверхности образца вплоть до 2DEG с использованием стандартного быстрого термического отжига процесс 7 (см. фиг.3а и 4б). Чтобы предотвратить короткое замыкание между истоком и стоком, поверхность образца травлению таким образом, что 2DEG истощается в некоторых регионах и ток вынужден проходить через определенные конкретные каналы (см. рис 3b и 4а). Область, где по-прежнему остается 2DEG называют "Mesa".

Следующие данные протокола весь процесс изготовления ворот определенных боковых квантовой точки на GaAs / AlGaAs подложке. Процесс является масштабируемым, поскольку она остается той же независимо от того, при этом устройство является сфабрикованным одноместные, двухместные, и трехместные квантовой точки или даже массив квантовых точек. Манипуляции, измерения, и результаты для двойных квантовых точек изготовлен с использованием этого метода, обсуждаются в следующих разделах.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Процесс изготовления описан ниже делается на GaAs / AlGaAs подложки с размерами 1,04 х 1,04 см. Двадцать идентичных устройств, изготовленных на подложке такого размера. Все этапы процесса выполняются в чистом помещении и соответствующих средств защиты должны быть использованы в любое время. Деионизированная вода используется на протяжении всего процесса, но просто называют "вода" в протоколе ниже.

1. Травление Mesa

В результате этой стадии изготовления показано на фиг.4а.

  1. Поместите образец в плазме Ашер с О 2 плазмы при 75 Вт в течение 2 минут, чтобы удалить все следы нежелательных сопротивляться или органических соединений.
  2. Очистите образца в звуковую ванну с ацетоном (2х) и МПА по 5 мин. Укладка феном с сжатым N 2 пистолета. По всему тексту Протокола изготовление, при использовании звуковых ванну, старайтесь не использовать большие мощности, чтобы предотвратить повреждение пластин GaAsкоторый имеет тенденцию к расщеплению.
  3. Выпекать образца в печи при 125 ° С в течение 15 мин для обезвоживания поверхности. Обезвоживание может быть также достигнуто путем помещения образца на горячей плите при 180 ° С в течение не менее 5 мин.
  4. Спин пальто образца с Шипли S1818 фоторезиста на 3500 оборотах в минуту в течение 30 сек и выпекать на горячей плите при температуре 115 ° С в течение 60 сек. В результате слой резиста должно быть около 2,5 мкм. S1818 используется потому, что она толстая и практически не зависит от решения, используемого на стадии 1,11 для травления подложки. На протяжении процесса изготовления, важно, чтобы избежать overbaking фоторезиста и электронно-лучевой сопротивление для обеспечения легкого удаления в последующих стадиях.
  5. Использование фотолитографии выравниватель маски и маски край борта к подвергать резиста на внешнем краю образца. Маска края борта состоит из 1 х 1 см квадратных хром на стеклянной пластине. Используйте свет с длиной волны 436 нм и разоблачить сопротивляться в течение 10 сек при 15 м Вт / см 2. Ваvelength и власть являются фиксированными и могут меняться в зависимости от используемого аппарата. Регулировка экспонирования и проявления раз, чтобы получить четко определенные особенности правильного размера.
  6. Разработка сопротивляться воздействию путем погружения образца в MF-319 в течение 2 мин 10 сек. Перемешивайте медленно во время этого этапа. Промыть в воде в течение 15 секунд и просушите сжатым N 2 пистолета. Край шарика должны быть удалены в конце этого этапа, оставив 1 х 1 см поверхность с равномерной толщиной сопротивление в середине образца. Край шарика удаляется перед экспонированием маски меза для получения лучшего контакта между маской и образца, что приводит к лучшим результатам.
  7. Все еще ​​используя фотолитографическая Aligner маску, разоблачить противостоять используя маску Mesa и 436 нм свет в течение 7 сек при 15 мВт / см 2.
  8. Разработка противостоять воздействию путем погружения образца в MF-319 в течение 2 мин 10 сек и перемешивания медленно. Промыть в течение 15 секунд в воде и просушите сжатым N 2 пистолета. Remainin сопротивлятьсяг на образце теперь имеет форму Mesa. Противящиеся сами защитить эту область образца от вытравливаютс в последующих шагах.
  9. Чтобы удалить все следы сопротивление в предварительно пораженном участке, образец помещают в плазме Ашер и подвергается O 2 плазмы за 1 мин при 75 Вт
  10. Раствор H 2 SO 4: H 2 O 2: H 2 O (5:01:55) используется для травления образца. Объедините правильные пропорции H 2 O 2 и воды, а затем добавить H 2 SO 4. Данное решение обладает очень высокой реакционной когда он сначала получают. Подождите 20 минут, прежде чем перейти к следующему шагу, чтобы избежать overetching.
  11. Травления образца путем погружения его в кислотном растворе в течение нескольких секунд и немедленно промывки в воде в течение 30 секунд, чтобы остановить реакцию. Поверхности образца должны быть выгравированы мимо слоя легирующей примеси Si и почти все, вплоть до 2DEG для обеспечения истощения в этих регионах (SEэлектронной рис. 1). Глубина травления может меняться в зависимости от подложки. Как правило, для типа используемого субстрата, 34 сек погружение приводит к желаемой глубины травления 90-100 нм. Тем не менее, важно, чтобы не overetch, чтобы не повредить 2DEG. Так как скорость травления сильно меняется с отношением H 2 SO 4 и H 2 O 2 в растворе, а также время ожидания до травления, рекомендуется выполнять травление несколько погружений 5-10 сек, вместо одной 34 сек травления, и измерить глубину травления с профилометре после каждого травления. Относительно медленной скорости травления этого решение позволяет хорошо контролировать глубина травления. Охлаждение травильного раствора ниже комнатной температуры может привести к снижению скорости травления. Однако, так как это мелкие травление и травление профиль неважно, различные решения травлением также могут быть использованы.
  12. Полоса противостоять путем погружения образца в 1165 удаления при 65 ° С в течение 3 час. Полосканиев ацетоне и МПА по 5 мин. Измерьте травления профиль с профилометре.

2. Изготовление омических контактов

В результате этой стадии изготовления показано на фиг.4b.

  1. Очистите образца в звуковую ванну путем погружения в ацетон (2х) и МПА по 5 мин. Продуйте сжатым N 2 пистолета.
  2. Выпекать образца в печи при 125 ° С в течение 15 мин для обезвоживания поверхности.
  3. Спин пальто с LOR5A при 2500 оборотах в минуту в течение 30 сек и выпекать на горячей плите при температуре 150 ° С в течение 10 мин. Тогда, спина пальто с S1813 на 5000 оборотов в минуту в течение 30 сек и выпекать на горячей плите при 110 ° С в течение 60 сек. В результате толщина противостоять составляют ~ 600 нм до ~ 1,3 мкм соответственно. Два слоя резиста используются для облегчения отрыва металла, которые будут осажденный на стадии 2,10.
  4. Использование фотолитографическая Aligner маску и маску краю борта, подвергать противостоять на внешней ЭдGE образца при 436 нм светом в течение 10 сек при 15 мВт / см 2.
  5. Разработка противостоять воздействию путем погружения образца в MF-319 в течение 2 мин 10 сек при перемешивании гладко. Промыть в воде в течение 15 секунд и просушите сжатым N 2 пистолета.
  6. Все еще используя фотолитографическая Aligner маску, но на этот раз с омического контакта маски, совместите шаблоны для омических контактов на травлению Mesa. Expose с 436 нм свет в течение 6 сек при 15 мВт / см 2.
  7. Разработка сопротивляться MF-319 в течение 2 мин 10 сек при перемешивании гладко. Промыть в воде в течение 15 секунд и просушите сжатым N 2 пистолета. Там больше не сопротивляться в регионах, где омических контактов будет размещена. Проявитель растворяет LOR 5А быстрее, чем S1813, оставляя канавки под верхним слоем резиста. Этот профиль в резиста предотвращает металла (который будет осаждаться на этапе 2.10) от формирования стен по краям резиста и также позволяет легкое удалениел из оставшихся сопротивление и нежелательных металлов.
  8. Чтобы удалить все следы сопротивляться в ранее открытую область, поместите образец в плазме Ашер и подвергать его воздействию плазмы O 2 в течение 1 мин при 75 В. Важно не допустить, чтобы образца сидеть слишком долго в плазме, потому что около 75 нм / мин резист травления во время этого этапа.
  9. Удалить GaAs природного оксида путем погружения образца в растворе H 2 SO 4: H 2 O (1:5) в течение 30 сек и промывки в воде в течение 30 сек. Продуйте сжатым N 2 пистолета. Шаг 2,10 должна быть выполнена как можно скорее, чтобы предотвратить природного оксида повторное появление.
  10. Использование электронно-лучевого испарителя внести 25 нм Ni, 55 нм Ge и 80 нм Au. Скорость осаждения соответственно 0,2 нм / с, 0,5 нм / с и 0,5 нм / с. Скорость осаждения выбраны так, что время испарения является достаточно коротким, чтобы избежать нагревания камеры, не будучи таким коротким, чтобы потерять точность толщины TОн осажденного слоя. Бислой Ge и Au может быть заменен на один слой эвтектического GeAu, если он доступен 9.
  11. Предыдущем шаге наплавленного металла по всей поверхности образца. Удаление металла, который осаждается на сопротивление делается путем растворения последнего. Для этого образец погружают в 1165 Remover при 65 ° С в течение 3 часов. Удаление нежелательных металлов, которые, возможно, не подняли на свои, используйте пипетку слегка смочить поверхность образца с горячей удаления. Промыть образец в ацетоне и МПА по 5 мин.
  12. Быстрого термического отжига в процессе формирования газ используется для диффузии осажденного металла до 2DEG образца. Температуру повышают со скоростью 50 ° С / сек до температуры 415 ° С не будет достигнута. Образец выдерживают при этой температуре в течение 20 сек и затем охлаждают быстро. Продолжительность и температура отжига выбирают так, чтобы получить наименьшее сопротивление через омические контакты при низкихтемпературы. Оптимальное время отжига может варьироваться в зависимости от глубины 2DEG в подложке.

3. Изготовление Ti / Au Шоттки приводит

В результате этой стадии изготовления показано на рисунке 4с.

  1. Очистите образца в звуковую ванну путем погружения в ацетон (2х) и МПА по 5 мин. Продуйте сжатым N 2 пистолета.
  2. Выпекать образца в печи при 125 ° С в течение 15 мин для обезвоживания поверхности.
  3. Спин пальто PMMALMW4% при 5000 оборотов в минуту в течение 30 сек и выпекать на горячей плите при температуре 180 ° С в течение 90 сек. Тогда, спина пальто ПММА ВМ 2% при 5000 оборотов в минуту в течение 30 сек и выпекать на горячей плите при температуре 180 ° С в течение 90 сек. В результате толщина противостоять являются ~ 75 нм и ~ 40 нм соответственно. Поскольку Ti / Au приводит будет очень тонким, один слой ПММА может быть использован, но спиннинг, экспонирования и проявления параметры должны быть скорректированы в результате. Это замечание также относится к тОн приводит Al и ворота (этап 4).
  4. E-лучевого процесса: Эта часть процесса в значительной степени зависит от используемого оборудования и протокол необходимо, таким образом, значительно отличаются от описанных ниже. Шаблоны для провода тянутся в файл CAD. В этом файле, провода должны быть сделаны в виде замкнутых полигонов, которые являются 2 мкм в ширину. Провода необходимо связаться с контактными площадками (изготовлен в шаге 5) Аль ворот (изготовлен в шаге 4). Четыре знаков совмещения должны также подвергаться позволяют вертикальные, горизонтальные и вращательные выравнивание приводит Al и ворота на Ti / Au Шоттки приводит.
    1. Поместите образец в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), который оборудован сделать электронно-лучевой литографии. Использование апертуры 10 мкм, чтобы уменьшить размер пятна луча и установить ускоряющем напряжении 10 кВ, чтобы обеспечить хороший контраст при выравнивании на предварительно изготовленный структур. Настройте фокус, честолюбия, и отверстие выравнивания.Измерения тока пучка с цилиндра Фарадея.
    2. Совместите пучка с ранее травления Mesa и установить увеличение до 300x.
    3. Expose ведет. SEM запрограммирован, чтобы выставить желаемые области путем их заполнения массива открытых точек. Расстояние между этими точками (от центра до центра расстояния) составляет 5,5 нм, а доза составляет 43 мкКл / см 2 (время экспозиции будет зависеть от тока пучка, измеренный на этапе 3.5.1). Expose выравнивание знаков, а также, чтобы выравнивание Аль ворота с Ti / Au приводит в шаге 4.
    4. Повторите этапы 3.5.2 и 3.5.3 для каждого из устройств 20 на образце.
  5. Разработка противостоять путем погружения образца в IPA: H 2 O (9:1) в течение 30 сек. Раствор должен быть при температуре 20 ° С. Промыть в воде в течение 30 сек и просушите сжатым N 2 пистолета. Если предпочтительным, ПММА сопротивление может быть разработан с использованием IPA: МИБК раствора и промывку в IPA, чтобы остановить реакцию. Различных DАЗВИТИЕ времени потребуется, если будет выбран этот вариант.
  6. Поместите образец в плазме Ашер и подвергать его O 2 плазмы в течение 4 сек при 50 В. Это устраняет 5 нм сопротивление и гарантирует, что не существует сопротивление остается на дне траншеи, образующихся при электронно-лучевой процесса.
  7. Удалить GaAs природного оксида путем погружения образца в растворе H 2 SO 4: H 2 O (1:5) в течение 30 сек и промыть в воде в течение 30 сек. Продуйте сжатым N 2 пистолета. Шаг 3,8 должна быть выполнена как можно скорее, чтобы предотвратить природного оксида повторное появление.
  8. Поместите образец в электронно-лучевой испаритель и депозит 10 нм, Ti и 20 нм Au, оба со скоростью 0,1 нм / с. Важно, чтобы держатель образца быть хорошо обоснована и размещены по меньшей мере 60 см от источника, чтобы избежать расходов накапливаться на образце во время процесса осаждения.
  9. Старт избыточного металла путем погружения образца в 1165 Remover при 65 °С в течение 15 мин. Удаление нежелательных металлов, которые, возможно, не подняли на свои, используйте пипетку слегка смочить поверхность образца с горячей удаления. Промыть в ацетоне и МПА по 5 мин.

4. Изготовление Аль Ведет Шоттки и Гейтса

В результате этой стадии изготовления показано на рисунке 4d.

Изготовление Аль Шоттки приводит и ворот составляет важный шаг процесса изготовления, поскольку эти ворота, которые определяют точку. Важно, что электронный луч быть целенаправленной и ток пучка и скорректированная на этапе 4.2. Экспонирование и проявление раз также должны быть хорошо отрегулирован для получения небольшого, непрерывный и четко определенных ворот. Во многих протоколах, эти ворота и увлекает изготавливаются в Ti / Au и подвергаются одновременно с предыдущим ведет на шаге 3. Однако преимущество использования Al является то, что он может быть окислен, Therefруды учетом элементов, таких как верхний ворота быть нанесены непосредственно на поверхность образца без необходимости большого изолирующий слой 10.

  1. Повторите шаги 3.1 до 3.4.2. Тем не менее, не следует использовать звуковую ванну при очистке образца, чтобы избежать повреждения Ti / Au ведет.
  2. E-лучевого процесса: шаблоны для проводов Al и ворота взяты в файл CAD. Al провода используются, чтобы связаться с Ti / Au приводит к Аль ворота и выводятся в виде закрытых полигонов с шириной 200 нм. Аль ворота однако не рисуются в виде многоугольников, а как две отдельные линии, отстоящие на 20 нм.
    1. Как только луч был приведен в соответствие с Mesa, установить увеличение до 1500 X и выровнять пучка с Ti / Au Шоттки приводит.
    2. Expose ведет. Использовать дозу 43 мкКл / см 2 и от центра до центра расстоянии около 3,3 нм.
    3. Expose ворота. Используйте линию доза 0,149 NC / см и от центра до центра расстоянии 1,1 нм. Это приведет кконечной ширины ворот 60 нм.
    4. Повторите этапы 4.2.1 - 4.2.3 для каждого из устройств 20 на образце.
  3. Повторите шаги 3.5 - 3.7.
  4. Поместите образец в электронно-лучевой испаритель и депозит 30 нм Al в размере 0,3 нм / с.
  5. Повторите шаг 3,10. Важно, чтобы быть очень тонким с образцом от этого шага вперед, чтобы избежать повреждения небольшие ворота Al.

5. Изготовление провода Шоттки и контактных площадок

В результате этой стадии изготовления показано на рисунке 4е.

  1. Повторите шаги 2.1 - 2.9, используя маску для фотолитографическая Шоттки приводит вместо маски для омической колодки.
  2. Поместите образец в электронно-лучевой испаритель и депозит 30 нм Ti и 350 нм Au со скоростью 0,3 нм / с и 1 нм / с соответственно. Толстый слой Au хранение облегчает связывание образца в держателе образца, потому что это менее склонны к разрыву, чем эту темуnner слоев.
  3. Старт избыточного металла и оставшееся сопротивление путем погружения образца в 1165 удаления при 65 ° С в течение 3 час. Удаление нежелательных металлов, которые, возможно, не подняли на свои, используйте пипетку слегка смочить поверхность образца с горячей удаления. Промыть образец в ацетоне и МПА по 5 мин.

6. Dicing из образцов

  1. Выпекать образца в печи при 125 ° С в течение 15 мин для обезвоживания поверхности.
  2. Спин пальто с S1818 при 3500 оборотах в минуту в течение 30 сек и выпекать на горячей плите при 115 ° С в течение 1 мин. Толщина этого слоя резиста имеет значения, пока оно достаточно толстым, чтобы защитить поверхность образца в процессе перетасовки.
  3. Место слой перетасовки ленту на верхней и нижней грани образца. Слой ленты на верхней поверхности предлагает дополнительный уровень защиты устройства во время игры в кости.
  4. Поместите образец лицевой стороной вверх в Dicer. Вырезать образца в отдельных устройствах перетасовкивсе путем верхнего слоя ленты и перетасовки GaAs / AlGaAs пластин без разреза через нижний слой перетасовки ленты.
  5. Удалить перетасовки ленты и защитный противостоять путем помещения образца в ацетоне в течение нескольких минут. Используйте пинцет, чтобы аккуратно снять части ленты в кости, не поднимающиеся на своих собственных. Промойте устройств в МПА и сушить использованием N 2 пистолета.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Одним из важных шагов в процессе, описанном выше, является травление меза (шаг 1). Это важно для травления достаточно, чтобы удалить 2DEG ниже, избегая при этом overetching. Следовательно, рекомендуется использовать объемный манекен GaAs образец для проверки травильного раствора перед выполнением травления на GaAs / AlGaAs образца. Скорость травления GaAs / AlGaAs гетероструктуры больше, чем у GaAs, но травление манекен может дать указание ли решение является более или менее реакционноспособны, чем обычно, и травление время фактического образца может быть скорректирована соответствующим образом.

Как только эти устройства были изготовлены, они готовы быть прикреплен к держателю образца с использованием серебра эпоксидной смолы. Провод связи между связи образца прокладки и соединения держателя образца его контактов осуществляется с использованием 25 мкм Al провода. Лучше всего, чтобы избежать наблюдении устройства сканирующего электронного микроскопа (SEM), поскольку существует риск их повреждения. Вместо, Существуют простые тесты, которые можно сделать при достаточно высоких температурах (примерно 4 K), и которые позволяют подтвердить, если любой из ворота сломаны или отсутствуют перед охлаждением образца в разведении холодильник для дальнейшей характеристики. Один из этих испытаний состоит в применении напряжение смещения между двумя омические контакты и измерения тока управляется через образец в зависимости от напряжения, подаваемого на пару воротами. Примером таких измерений показаны на рисунке 5. Кривые на рисунке 5 показаны два различных режима. Первый диапазонов режима от 0 В до -750 мВ и представляет два этапа истощения: один около 300 мВ соответствующий истощение 200 нм в ширину и одного провода при температуре около 750мВ соответствующий истощения 60 нм в ширину ворот. Второй режим при более низких напряжениях показывает плато, которые соответствуют квантования проводимости. Типичные значения отсекаться пунктов между парами ворот диапазоне от -500 мВ до 2В. Кроме того, одинне должны применяться положительное напряжение выше 500 или 600 мВ на воротах, поскольку она может привести к повреждению барьера Шоттки. На рисунке 5, можно сделать вывод, что в случае этого конкретного образца, ворота, вероятно, будут геометрически подобных поскольку TC-TL и TC-TR пар отщипывайте ток в приблизительно равных напряжений. То же самое касается TC-BL и BR TC-пар. Тем не менее, тот факт, что ток продолжает протекать между ТС и ВС ворота даже для высоких напряжений показывает, что ворота до н.э. либо сломаны или отсутствуют. Как правило, около 50% тестируемых девайсов в полной мере функционирующими ворота и омических контактов.

После того, как соответствующее устройство было обнаружено, он может быть загружен в разведении холодильник для характеристики при низких температурах (<100 мК). Напряжения на каждой из ворот должна быть скорректирована с образованием двойной точкой. Это не является целью этой статьи к деталям этого процесса корректировки. После двойной точкой была сформирована, стабиTY диаграммы могут быть измерены, чтобы проверить, двойная точка может достигать нескольких электрон-режима. Это достигается путем применения малой постоянной исток-сток смещения (~ 10 мкВ) и путем измерения тока через двойную точку в зависимости от напряжений, подаваемых на BL и BR воротами. Если конструкция устройства включает квантовую точку контакта, который служит в качестве детектора заряда, то предпочтительно использовать это, а не ток, протекающий через точку, для измерения диаграммы устойчивости 11. Измеренная диаграмма стабильности и схема идеального результата показаны на рисунке 6. Как показано на рисунке 6, б, ток течет только через двойную точку в тройных точках. Нулевого электронного режим достигается, когда больше не тройные точки можно наблюдать в диаграмму устойчивости, как бы ни отрицательного напряжения на ворота стать. Однако тот факт, что ток более не течет через точку для высокого напряжения может также указывать, что туннель барьеры подключенияING истоком и стоком к двойной точки были полностью отсекается. Спин блокады могут быть измерены на различных тройной точки, чтобы доказать, что несколько электронов режима была достигнута 12, но точное число электронов в двойной точкой должна быть определена с помощью заряда зондирования. Для получения более подробной информации о стабильности диаграммы, спина и заряда блокады зондирования см. Р. Хансон и др. 13.

Рисунок 1
Рисунок 1. а) последовательность слоев, присутствующих в GaAs / AlGaAs гетероструктурах, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. б) зонная структура показана на гетероструктурах). B C B и V соответственно проводимости и валентной зоны. Единственным регионом, где зона проводимости ниже уровня Ферми (E F) яс найдена между 5000 слой GaAs и 400 слоя AlGaAs. Именно здесь находится 2DEG. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение .

Рисунок 2
Рисунок 2. Схема металлические электроды затвора (темно-серый) в двойной квантовой точке на крышку GaAs / AlGaAs гетероструктуры. 2DEG показано в оранжевый цвет и обедненного регионов белые. Черные квадраты представляют омические контакты и стрелками показано протекание тока через точку контакта и квантовые точки (КТК). Две точки расположены в оранжевый регионах, где электроны остаются в центре обедненной зоны. Ворота BL и BR используются для управления числом электронов на левой и правой точек соответственно. До н.э. и TC Con управления туннельный барьер между двумя точками. TL используется для настройки туннельного барьера между источником и точкой в то время как левая TR мелодии барьер между правой точке и в канализацию. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение .

Рисунок 3
Рисунок 3. (А) Схема Ni / Ge / Au омический контакт (золотых прямоугольников) рассеивается быстрого термического отжига от поверхности образца до 2DEG. (B) Боковой вид поверхности образца, что травится создать Mesa. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение .

581/50581fig4.jpg "ширина =" 600px "/>
Рисунок 4. Оптических изображений микроскоп устройство двойного квантовая точка после различных этапов процесса изготовления. (А) Устройство после травления меза (шаг 1). Светло-серые участки были вытравливают предотвращения электрического тока, протекающего через эти области, при этом темно-серого области все еще ​​присутствует 2DEG. (Б) устройства после изготовления омических контактов (шаг 2). Омические контакты золото квадратов. (В) устройства после изготовления Ti / Au Шоттки приводит (этап 3). Приводит являются белые линии в центре изображения. (D) устройства после изготовления Аль Шоттки приводит и ворота (этап 4). Они находятся в зеленой площади в центре изображения. СЭМ-изображение ворот используется для определения квантовых точек также показана. (Е) устройства после изготовления проводов Шоттки и контактных площадок (этап 5).:/ / Www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 5
Рисунок 5. Ток, протекающий от истока к стоку в зависимости от напряжения, подаваемого на различные пары ворот. Истощение электронного газа начинается при ~ -400 мВ и заканчивается при ~ -700 мВ. Напряжении смещения между истоком и стоком составляет 500 мкВ и ток измеряется в две точки измерения. Все кривые, принятые на 1,4 К. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение .

Рисунок 6
Рисунок 6. (А) СхемаСхема идеальной стабильности, которые будут получены с использованием QPC. Линии можно наблюдать, когда электрон туннели на одну точку или между точками. Черные круги представляют собой тройные точки, где это возможно, для тока через точку. (Б) Стабильность диаграммы, полученной путем измерения тока, протекающего через точку с TL = -100 мВ, ТП = -350 мВ, TR = -1080 мВ , BC = -1160 мВ, QPC = -600 мВ и исток-сток смещения 10 мкВ. Образец смещения охлаждение с напряжением V = +500 мВ на каждые ворота, которая сдвигает все истощения и отсечки точки примерно на 500 мВ и уменьшает телеграфного шума в эксперименте 14. Для этого типа диаграммы устойчивости, только тройные точки должны быть видны, как в данном случае для наиболее отрицательных напряжений. В обоих (а) и (б), числа (L, R), указывают на число электронов в левой и правой точек для различных значений напряжения на BL и BRворотами. Зеленые линии в (б) руководства, чтобы показать регионах с постоянным числом электронов. Кликните здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Процесс представленных выше описывает изготовление протокола двойной квантовой точке в состоянии достигнуть нескольких электрон-режима. Однако параметры могут несколько отличаться в зависимости от модели и калибровке используемого оборудования. Таким образом, параметры, такие как дозы для воздействия во время электронного пучка и фотолитографии шаги должны быть откалиброваны перед изготовлением устройств. Этот процесс может быть легко адаптирована для изготовления ворот определенных квантовых точек на другие типы подложек, таких как Si / SiGe, которые также представляют 2DEG.

Для некоторых типов устройств, таких как вертикальный квантовых точек, туннельный барьер с истоком и стоком в точке определяются в процессе изготовления и не может быть изменен после 5. Преимущество ворота определенные боковой квантовых точек, что туннель барьеров точка а также между точками можно управлять электрически. Тем не менее, в силу этого, необходимо соблюдать осторожностьДля поддержания этих значений во время манипуляций напряжения на других ворот определении точки.

Важно помнить, что после того, как несколько электронов режима была достигнута, цель заключается в манипулировании спиновых состояний электронов на точку для выполнения квантовых вычислений. 0 и 1 состояний кубита были успешно реализованы в вверх и вниз спиновые состояния одного электрона 15, а также в ST 0 ST 16 и + 17 состояний двух спинов. Соединение между двумя кубитах также были достигнуты при использовании этих устройств 18. Однако одной из основных недостатков боковой квантовых точек в GaAs / AlGaAs является короткий временной когерентностью (время, в течение которого спинового состояния электронов в точке сохраняется), обусловленные взаимодействием с ядерными спинами атомов, образующих подложку 19. Это привело к исследованию боковой квантовых точек в материалах, таких как кремний (Si/ SiGe гетероструктур 20) и углерода (графен 21), которые имеют изотопы, которые свободны от ядерного спина и, как ожидается, приведет к теоретически длительное время согласованности. Однако эти устройства еще не достигли результатов контроля и считывания, полученные для точек в GaAs / AlGaAs. Текущая работа с участием GaAs / AlGaAs двойных квантовых точек также включает сцепление устройства СВЧ резонатор 22 и интеграция micromagnets для обеспечения более быстрого спин операций 23.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgements

Авторы благодарят Майкла Lacerte за технической поддержкой. MP-L. признает Канадского института передовых исследований (CIFAR), естественным наукам и инженерным исследованиям Совета Канады (NSERC), Канадского фонда инноваций (CFI) и Фон-де-Квебек Recherche - Природа ET технологий (FRQNT) за финансовую поддержку. Устройство, представленные здесь изготовлен на CRN2 и IMDQ принадлежности, частично финансируется NanoQuébec. GaAs / AlGaAs подложки было сфабриковано ZR Василевский из Института микроструктурных наук Национального исследовательского совета Канады. JCL и CB-O. признать CRSNG и FRQNT за финансовую поддержку.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shor, P. W. Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer. SIAM J. Sci. Comput. 26, (5), 1484-1509 (1997).
  2. Björk, M. T., Thelander, C., et al. Few-Electron Quantum Dots in Nanowires. Nano Lett. 4, (9), 1621-1625 (2004).
  3. Dekker, C. Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires. Phys. Today. 52, (5), 22-28 (1999).
  4. Klein, D. L., McEuen, P. L., Bown Katari, J. E., Roth, R., Alivisatos, A. P. An Approach to Electrical Studies of Single Nanocrystals. Appl. Phys. Lett. 68, (18), 2574-2576 (1996).
  5. Kouwenhoven, L. P., Oosterkamp, T. H., et al. Excitation Spectra in Circular Few-Electron Quantum Dots. Science. 278, (5344), 1788-1792 (1997).
  6. Ciorga, M., Sachrajda, A. S. Z., et al. Addition Spectrum of a Lateral Dot from Coulomb and Spin-Blockade Spectroscopy. Phys. Rev. B. 61, (24), R16315-R16318 (2000).
  7. Baca, A. G., Ashby, C. I. H. Fabrication of GaAs Devices. The Institute of Electrical Engineers. London, United Kingdom. 350 (2005).
  8. Barthel, C., Reilly, D. J., Marcus, C. M., Hanson, M. P., Gossard, A. C. Rapid Single-Shot Measurement of a Singlet-Triplet Qubit. Phys. Rev. Lett. 103, (16), 160503 (2009).
  9. S, A Survey of Ohmic Contacts to III-V Compound Semiconductors. Thin Solid Films. 308, (0), 599-606 (1997).
  10. Lim, W. H., Huebl, H., et al. Electrostatically Defined Few-Electron Double Quantum Dot in Silicon. Appl. Phys. Lett. 94, (17), 173502 (2009).
  11. Elzerman, J. M., Hanson, R., et al. Few-Electron Quantum Dot Circuit with Integrated Charge Read Out. Phys. Rev. B. 67, (16), 161308 (2003).
  12. Johnson, A. C., Petta, J. R., Marcus, C. M., Hanson, M. P., Gossard, A. C. Singlet-Triplet Spin Blockade and Charge Sensing in a Few-Electron Double Quantum Dot. Phys. Rev. B. 72, (16), 165308 (2005).
  13. Hanson, R., Kouwenhoven, L. P., Petta, J. R., Tarucha, S., Vandersypen, L. M. K. Spins in Few-Electron Quantum Dots. Rev. Mod. Phys. 79, (4), 1217-1265 (2007).
  14. Long, A. R., Pioro-Ladrière, M., et al. The Origin of Switching Noise in GaAs/AlGaAs Lateral Gated Devices. Physica E Low Dimens. Syst. Nanostruct. 34, (1-2), 553-556 (2006).
  15. Koppens, F. H. L., Buizert, C., et al. Driven Coherent Oscillations of a Single Electron Spin in a Quantum Dot. Nature. 442, (7104), 766-771 (2006).
  16. Foletti, S., Bluhm, H., Mahalu, D., Umansky, V., Yakobi, A. Universal Quantum Control of Two-Electron Spin Quantum Bits Using Dynamic Nuclear Polarization. Nat. Phys. 5, (12), 903-908 (2009).
  17. Petta, J. R., Lu, H., Gossard, A. C. A Coherent Beam Splitter for Electronic Spin States. Science. 327, (5966), 669-672 (2010).
  18. Shulman, M. D., Dial, O. E., Harvey, S. P., Bluhm, H., Umansky, V., Yacoby, A. Demonstration of Entanglement of Electrostatically Coupled Singlet-Triplet Qubits. Science. 336, (6078), 202-205 (2012).
  19. Khaetskii, A. V., Loss, D., Glazman, L. Electron Spin Decoherence in Quantum Dots Due to Interaction with Nuclei. Phys. Rev. Lett. 88, (18), 186802 (2002).
  20. Sakr, M. R., Jiang, H. W., Yablonovitch, E., Croke, E. T. Fabrication and characterization of electrostatic Si/SiGe Quantum Dots with an Integrated Read-Out Channel. Appl. Phys. Lett. 87, (22), 223104 (2005).
  21. Liu, X. L., Hug, D., Vandersypen, L. M. K. Gate-Defined Graphene Double Quantum Dot and Excited State Spectroscopy. Nano Lett. 10, (5), 1623-1627 (2010).
  22. Frey, T., Leek, P. J., Beck, M., Blais, A., Ihn, T., Ensslin, K., Wallraff, A. Dipole Coupling of a Double Quantum Dot to a Microwave Resonator. Phys. Rev. Lett. 108, 046807 (2012).
  23. Pioro-Ladrière, M., Tokyra, Y., Obata, T., Kubo, T., Tarucha, S. Micromagnets for coherent control of spin-charge qubit in lateral quantum dots. Appl. Phys. Lett. 90, (2), 024105 (2007).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics