ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

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Summary

本論文では、ガリウム砒素ヘテロ構造上のゲート定義の半導体量子ドットの横の詳細な製造プロトコルを提示します。これらのナノスケールのデバイスは、量子情報処理やコヒーレントコンダクタンス測定などの他のメゾ実験のための量子ビットとして使用するためのいくつかの電子をトラップするために使用される。

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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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Abstract

量子コンピュータは、古典的なコンピュータ上で最もよく知られているアルゴリズムで指数関数的により速く特定の問題を解決するために、そのような状態とエンタングルメントの重ね合わせとして、量子効果を活用して、量子ビット(量子)から構成されるコンピュータである。ゲートが定義したGaAs / AlGaAs系で横量子ドットは、量子ビットの実装のために多くの探検道の一つです。適切に製造されたときに、そのようなデバイスは、空間のある領域内の電子の数が少ないをトラップすることができる。これらの電子のスピン状態は、次に量子ビットの論理値0と1を実装するために使用することができる。これらの量子ドットのナノメートルスケールを考えると、特殊な装置 - などの電子顕微鏡や電子ビーム走査として提供クリーンルーム施設その製造に必要な蒸発をラインアップしています。細心の注意は、試料表面の清浄度を維持し、構造の脆弱なゲートの損傷を防ぐために、製造プロセス全体に注意しなければならない。この論文作業装置へのウェハからゲート定義の横量子ドットの詳細な製造プロトコルを提示します。特性評価方法および代表的な結果も簡単に説明されている。本稿では二重の量子ドットに集中していますが、製造プロセスもシングルまたはトリプルドットや量子ドットの配列に対して同じまま。また、プロトコルは、例えば、Si / SiGeのような他の基板上に横方向の量子ドットを製造するために適合させることができる。

Introduction

量子情報科学は、それが量子アルゴリズムが最もよく知られている古典的なアルゴリズム1用いてより速く急激に特定の問題を解決するために使用することができることが示されて以来、注目を集めている。それは2つのレベルのシステムであるため、量子ビット(キュービット)のための明白な候補者は、量子ドットに閉じ込められた単一電子のスピンです。多数のアーキテクチャは2ナノワイヤー、カーボンナノチューブ3、自己組織化量子ドット4と、半導体5縦方向と横方向の量子ドット06を含む量子ドット半導体の実装の ​​ために提案されている。たGaAs / AlGaAs系で横量子ドットをゲート定義のヘテロ構造があるため、その汎用性の非常に成功しているとその製造プロセスは、この論文の焦点である。

横方向の量子ドット、試料表面に垂直な方向の電子の閉じ込め(Z方向)に一sが適切な基質を選択することによって達成した。のGaAs / AlGaAsの変調ドープされたヘテロ構造には、AlGaAs系とGaAs層との界面に閉じ込められ、二次元電子ガス(2DEG)を提示する。これらのサンプルは変調ドーピング技術と組み合わせることで、低不純物濃度を得るために、分子線エピタキシー法によって成長させ、2DEGの高い電子移動度をもたらす。異なるヘテロ構造の層だけでなく、そのバンド構造の模式図1に示す。高電子移動度は、量子ドットの表面全体にわたって電子状態の一貫性を確保するために2DEG必要である。後述の製造プロセスのために使用される基板は、カナダ国立研究評議会から購入し、2.2×10 11 cm -2とし、1.69×10 6 cm 2と / Vsecでの電子移動度の電子密度を示した。

並列方向の電子の閉じ込め試料表面へのLELを、基板の表面上に金属電極を配置することによって達成される。これらの電極は、GaAsの試料の表面に堆積されている場合、ショットキー障壁が7が形成されている。このような電極に印加される負電圧は、十分なエネルギーを持つ電子のみが交差することができ、その下2DEGでローカル障壁につながる。印加電圧がない電子が障壁を横断するのに十分なエネルギーを持っていないことを十分に負である場合に2DEGの枯渇が発生する。したがって、慎重に電極の形状を選択することによって、試料の空乏領域との間の電子の数が少ないをトラップすることができる。ドットならびに試料の残りのドットとの間の2DEGトンネルエネルギーに電子の数の制御は、電極の電圧を微調整することによって達成することができる。ゲート電極の空乏化と電子ガスの概略を図2に示されている。ドットを形成するゲート構造のための設計がされているバーセルによって使用されたデザインで尖塔のある。8

制御およびドットに電子の数に関する情報を読み出すためには、ドットを介して誘導し、電流を測定することが有用である。読み出しもまた、2DEGを介して電流を必要とする量子点接触(QPC)を使用して行うことができる。 2DEGと電圧源との間の接触はオーミック接触によって保証される。これらには、( 図3a及び図4bを参照)標準の急速熱アニール工程7を使用して2DEGに試料の表面からのすべての方法を下に拡散される金属製のパッドです。ソースとドレイン間の短絡を回避するために、試料の表面は、2DEGは、特定の領域に空乏化され、電流が特定のチャネル( 図3b及び図4aを参照)を通過するように強制されるようにエッチングされる。 2DEGは依然として残っている領域は、 "メサ"と呼ばれる。

以下のプロトコルの詳細のGaAs / AlGaAsの基板上にゲート定義の横量子ドットの全体の製造プロセス。製造されているデバイスがあっても、シングル、ダブル、またはトリプル量子ドットや量子ドットの配列である場合、それは関係なく、同じままであるため、プロセスはスケーラブルです。操作、測定、およびこの方法を用いて製造された二重量子ドットの結果はさらに、各項に記載されている。

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Protocol

後述の製造プロセスは1.04 X 1.04センチメートルの寸法のGaAs / AlGaAsの基板上で行われます。二同一のデバイスは、このサイズの基板上に製造される。プロセスのすべてのステップはクリーンルームで行われており、適切な防護服は、すべての回で使用しなければなりません。脱イオン水は、プロセス全体を通して使用されるが、以下、単にプロトコルにおける "水"と呼ばれる。

1。メサのエッチング

この製造工程の結果は、 図4aに示されている。

  1. 抵抗する望ましくないまたは有機化合物の痕跡を除去するために2分間75 WでO 2プラズマでプラズマアッシャーでサンプルを置きます。
  2. 5分ごとに、アセトン(2倍)とIPAとの音波風呂でサンプルを清掃してください。ブロー乾燥した圧縮N 2銃を持つ。製造プロトコルを通して、音波風呂を使用するとき、GaAsのウエハーの損傷を防ぐために、高出力の使用を避けるすなわち切断する傾向がある。
  3. 表面を脱水するために、少なくとも15分間125℃のオーブンでサンプルを焼く。脱水は、少なくとも5分間、180℃のホットプレート上で試料を置くことによって達成することができる。
  4. 115 60℃で秒間ホットプレート上で30秒、焼くための3,500 rpmでシプリーS1818フォトレジストで被覆サンプルをスピン。レジスト得られる層は、約2.5μmの厚さでなければならない。 S1818は、それが厚いために使用され、基板をエッチングするステップ1.11で使用するソリューションではほとんど影響されます。製造プロセス全体を通して、それは後の工程で容易に除去を確実にするためにレジストのフォトレジストや電子ビームをover​​baking回避することが重要である。
  5. サンプルの外縁にレジストを露光するフォトリソグラフィマスクアライナとエッジビーズマスクを使用してください。エッジビードマスクは、ガラス板上に1 x 1 cmカタログクロム広場で構成されています。 436ナノメートルの波長の光を使用して、15メートルW / cm 2で、10秒間レジストを露光。 WAvelengthとパワーは固定されており、使用するマシンによって異なる場合があります。適切なサイズの明確に定義された機能を得るために、露光、現像時間を調整します。
  6. 2分10秒のためにMF-319でサンプルを浸漬してレジストを露呈開発。このステップの間にゆっくりと攪拌。 15秒間水ですすぎ、圧縮されたN 2銃でブロードライ。エッジビードは、サンプルの中央にレジストの均一な厚さ1×1センチメートル表面を残して、このステップの終了時に除去されるべきである。エッジビーズがより良い結果につながるマスクとサンプルの間の優れた接触を得るために、メサマスクを露出する前に削除されます。
  7. まだフォトリソグラフィマスクアライナーを使用して、MW / cm 2のメサマスクと15で7秒間光436 nmのを用いたレジストを公開。
  8. 2分10秒のためにMF-319のサンプルを浸漬し、ゆっくり撹拌することにより露光されたレジストの開発。水の中で15秒間すすぎ、圧縮されたN 2銃でブロードライ。抵抗するremainin試料上gが現在メサの形状を有する。次の手順でエッチング除去されているからサンプルのこの領域を保護するレジスト
  9. 以前に露光部のレジストのすべての痕跡を除去するために、試料はプラズマアッシャーに配置され、W. 75℃で1分間、O 2プラズマに曝される
  10. H 2 SO 4溶液:H 2 O 2:H 2 O(5時01分55秒)がエッチングサンプルに使用される。 H 2 O 2と水の適切な割合を結合した後、H 2 SO 4を追加します。それが最初に調製されるとき、この解決策は非常に反応性である。オーバーエッチングを回避するために、次のステップに進む前に20分待ちます。
  11. 数秒間酸溶液に浸漬し、すぐに反応を停止させ30秒間水ですすぐことにより試料エッチ。試料の表面は、Siドーパントの層と(SEこれらの地域では枯渇を確保するために、2DEGとほぼすべての方法ダウンを過ぎてエッチングされるべきであるeは図1)。エッチング深さは、基材に応じて変えることができる。一般に、使用される基板の種類に、34秒間浸漬は、90〜100ナノメートルの所望のエッチング深さをもたらす。しかし、それは2DEGの損傷を防ぐために、オーバーエッチングしないことが重要です。エッチング速度はH 2 SO 4溶液中のと同様にエッチングする前に待機時間を考慮してH 2 O 2の比率が大きく変化するので、それに代えて、5〜10秒浸漬することによって、いくつかのエッチングを行うことが推奨されるエッチシングル34秒、各エッチング後のプロフィルとエッチング深さを測定。このソリューションの比較的遅いエッチング速度は、エッチング深さの良好な制御を可能にします。室温下エッチング液を冷却してエッチング速度を下げるために導くことができる。それは浅くエッチングされ、エッチングプロファイルが重要でしかしながら、異なるエッチング液を用いることもできる。
  12. 3時間65℃で1165リムーバーでサンプルを浸漬してレジストを取り除く。すすぎ5分ごとに、アセトンやIPAた。プロフィルとエッチプロファイルを測定します。

2。オーミックコンタクトの作製

この製造工程の結果は、 図4bに示されている。

  1. 5分ごとに、アセトン(2倍)とIPAに浸漬することにより音波浴でサンプルをクリーニングします。圧縮されたN 2銃でブロードライ。
  2. 125℃で表面を脱水するために15分間オーブンでサンプルを焼く。
  3. 10分間150℃のホットプレート°Cで30秒と焼くために2,500 rpmでLOR5Aとコートをスピン。その後、60秒間110℃のホットプレート上で30秒と焼くために5,000 rpmでS1813とコートをスピン。により、レジストの厚さ〜600nmで、それぞれ〜1.3μmである。レジストの二つの層は、ステップ2.10で堆積される金属のリフトオフを容易にするために使用される。
  4. フォトリソグラフィマスクアライナとエッジビーズマスクを使用して、外側のED上のレジストを公開15 MW / cm 2とで10秒436 nmの光で試料のGE。
  5. スムーズに撹拌しながら2分10秒間MF-319でサンプルを浸漬することにより、露光されたレジストの開発。 15秒間水ですすぎ、圧縮されたN 2銃でブロードライ。
  6. まだミックコンタクトマスクでフォトリソグラフィマスクアライナが、この時間を使って、エッチングされたメサ上のオーミックコンタクトのためのパターンを合わせます。 15 MW / cm 2と少なくとも6秒間436 nmの光で公開しています。
  7. スムーズに撹拌しながら2分10秒間MF-319のレジストを開発する。 15秒間水ですすぎ、圧縮されたN 2銃でブロードライ。オーミックコンタクトが堆積される地域におけるレジストはもはやありません。現像液は、レジストの上部層の下にアンダーカットを残す、より速くよりS1813 LOR 5Aと溶解する。レジストこのプロファイルは、レジストの縁で壁を形成するから、金属(ステップ2.10で堆積されること)を防ぎ、簡単にremovaもできるようになります残りのlは抵抗し、望ましくない金属。
  8. 以前に公開される領域で、レジストのすべてのトレースを削除するには、プラズマアッシャーにサンプルを配置し、それはサンプルが血漿中に長時間放置しないことが重要である75 W.で1分間O 2プラズマにさらすためレジストの約75ナノメートル/分では、このステップ中にエッチングされる。
  9. 30秒のためにH 2 O(1:5)、30秒間、水でリンス:H 2 SO 4の溶液でサンプルを浸漬することにより、GaAsから自然酸化物を除去する。圧縮されたN 2銃でブロードライ。ステップ2.10は再表示された自然酸化を防止するために、できるだけ早く行われるべきである。
  10. Niを25nmで、ゲルマニウムの55 nmであり、およびAuのは80nmを堆積させるために、電子ビーム蒸着を使用してください。堆積速度はそれぞれ0.2 nmの/秒、0.5 nmの/秒と0.5 nmの/秒である。蒸着速度は蒸着時間がtの厚さの精度を失うように短くされることなく、チャンバを加熱することを避けるために十分に短くなるように選択される彼は堆積層。それは9利用可能であればGe及びAuの二重層の共晶GeAuの単層で置き換えることができる。
  11. 前のステップは、試料の表面全体に金属を堆積。レジスト上に堆積される金属の除去は、後者を溶解することによって行われる。これを行うには、3時間65℃で1165リムーバーでサンプルを浸す。独自に持ち上げていない可能性があり、不要な金属を除去するには、軽くホットリムーバーで試料の表面を噴霧するピペットを使用しています。 5分ごとに、アセトン、IPAでサンプルをすすいでください。
  12. フォーミングガスの急速熱アニールプロセスは、試料の2DEGに堆積された金属を下拡散するために使用される。温度は℃/秒の温度が415℃に達するまで50の割合で増加する。試料を20秒間この温度で​​放置し、その後急速に冷却される。持続時間およびアニールの温度が低い時ミックコンタクトを介して最小の抵抗を得るように選択される温度。最適なアニール時間は基板内の2DEGの深さに応じて変えることができる。

3。のTi / Auのショットキリードの作製

この製造工程の結果は、 図4cに示されている。

  1. 5分ごとに、アセトン(2倍)とIPAに浸漬することにより音波浴でサンプルをクリーニングします。圧縮されたN 2銃でブロードライ。
  2. 125℃で表面を脱水するために15分間オーブンでサンプルを焼く。
  3. 90秒間180℃のホットプレート上で30秒、焼くために5000RPMでコートPMMALMW4%のスピン。その後、90秒間180℃のホットプレート上にスピンコートPMMA HMW 2%30秒、焼くために5,000 rpmで。により、レジストの厚さ〜75 nmおよび〜40nmで、それぞれである。チタン/ Auのリードは、非常に薄くなりPMMAの単層を用いることができるが、紡糸ので、露光、現像パラメータは、結果として調整する必要があります。このコメントはまた、Tに適用されます彼はアル·リードとゲート(ステップ4)。
  4. E-ビームプロセス プロセスのこの部分は、使用され、必要なプロトコルは、このように下に記載したものとは大きく異なる可能性が機器に大きく依存している。リード用のパターンは、CADファイルに描かれています。このファイルでは、リードは2μmの幅であるクローズドポリゴンとして描画する必要があります。リード線は、Alゲート(ステップ4で作製)にボンディングパッド(ステップ5で作製)に連絡するために必要とされる。四つアライメントマークもTI / Auのショットキつながる上にアル·リードとゲートの垂直、水平、および回転位置合わせを可能にするために公開される必要があります。
    1. 電子ビームリソグラフィーを行うために装備されている走査型電子顕微鏡(SEM)で試料を置き。ビームスポットサイズを小さくし、以前に製造される構造上のアライメント時に良好なコントラストを確保するために10kVまで加速電圧を設定することが10μmのアパーチャーを使用する。焦点、非点収差、絞りアライメントを調整します。ファラデーカップでビーム電流を測定します。
    2. 以前にエッチングメサとビームの位置を合わせ、300Xに倍率を設定します。
    3. リードを公開します。 SEMが露出ドットの配列とそれらを充填することによって所望の領域を露出するようにプログラムされている。これらのドット間の距離(中心から中心までの距離)は5.5nmであり、用量は43μC/ cm 2の (露光時間は、ステップ3.5.1で測定されたビーム電流に依存する)である。手順4でのTi / Auのリードでアルゲートの位置合わせを可能にするだけでなく、アライメントマークを公開します。
    4. サンプル上の20の各デバイスについて、手順3.5.2と3.5.3を繰り返します。
  5. 30秒のためにH 2 O(9:1):IPAでサンプルを浸漬することにより抵抗を開発する。解決策は、20℃の温度でなければなりません30秒間水ですすぎ、圧縮されたN 2銃でブロードライ。 MIBK溶液と反応を停止さIPAですすぎ:好ましい場合は、PMMAレジストを、IPAを使用して開発することができる。異なるDこのオプションが選択された場合evelopment時間が必要となる。
  6. プラズマアッシャーにサンプルを置き、電子ビームプロセスの間に形成されたトレンチの底に残って抵抗がないこと、これはレジストが5nmを削除し、確実に50 W.で4秒間O 2プラズマにさらす。
  7. 30秒のためにH 2 O(1:5)、30秒間水ですすぎ:H 2 SO 4の溶液でサンプルを浸漬することにより、GaAsから自然酸化物を除去する。圧縮されたN 2銃でブロードライ。ステップ3.8は再表示された自然酸化を防止するために、できるだけ早く行われるべきである。
  8. 両方は0.1nm /秒の速度で、TiおよびAuを20nmの電子ビーム蒸着と預金は10nmでサンプルを置きます。試料ホルダは適切に接地して、堆積プロセス中にサンプルが蓄積する電荷を防止するために光源から60 cm以上離して配置することが重要である。
  9. 65℃1165リムーバーでサンプルを浸漬することにより、余分な金属をリフトオフ°15分間。独自に持ち上げていない可能性があり、不要な金属を除去するには、軽くホットリムーバーで試料の表面を噴霧するピペットを使用しています。 5分ごとにアセトンとIPAですすいでください。

4。アルショットキ·リ​​ードとゲイツの作製

この製造工程の結果は、 図4dに示されている。

アルショットキの製造は、リード線と、これらのドットを定義するゲートであるので、ゲートは製造プロセスの最も重要なステップを構成している。これは、電子ビームが十分に集束し、ビーム電流がよく、ステップ4.2に調整することが重要である。露光及び現像時間もよく小さく、連続的かつ明確に定義されたゲートを得るために調整しなければならない。多くのプロトコルでは、これらのゲートとリードは、Ti / Auので製造されており、ステップ3の中、前のリードで同時に公開されます。しかし、アルを使用することの利点は、それが酸化することができることであるtherefこのような大規模な絶縁層10を必要とせずに試料の表面上に直接堆積されるトップゲートなどの要素を考慮鉱石。

  1. 3.4.2への手順3.1を繰り返します。のTi / Auのリードの損傷を防ぐために、サンプルを洗浄しながらしかし、音波風呂を使用しないでください。
  2. E-ビーム法 :アルミニウムリードとゲートのパターンは、CADファイル内に描かれている。 Alのリードは、Ti / Auからの連絡に使用されるAlのゲートに導き、200nmの幅を有する閉じた多角形として描かれている。アルゲートはしかしポリゴンとしてではなく、20nmので区切られた二つの単一線として描かれていない。
    1. ビームがメサに合わせしたら、1,500 Xに倍率を設定およびTi / Auのショットキつながるとビームを合わせます。
    2. リードを公開します。 43μC/ cm 2とし、3.3ナノメートルの中心間距離の用量を使用します。
    3. ゲートを公開します。 0.149 NC / cmであり、1.1ナノメートルの中心間距離の線線量を使用する。これは、につながる60nmの最終的なゲート幅。
    4. サンプルで20のデバイスごとに4.2.3 - 4.2.1手順を繰り返します。
  3. 3.7 - 手順3.5を繰り返します。
  4. 0.3 NM /秒の速度で、Alの電子ビーム蒸着と預金は30nmでサンプルを置きます。
  5. ステップ3.10を繰り返します。小さなアルゲートの損傷を避けるためにこのステップ以降のサンプルで非常にデリケートであることが重要です。

5。ショットキ·リ​​ードとボンディングパッドの作製

この製造工程の結果は、 図4eに示されている。

  1. 手順2.1を繰り返し - 2.9、ショットキためのフォトリソグラフィマスクを使用すると、オーパッド用のマスクの代わりにリードしています。
  2. 電子ビーム蒸着や預金Tiおよび0.3 nmの/秒、それぞれが1nm /秒の速度でAuを350nmの30nmのサンプルを置きます。金の厚い層は、それがTHIより引き裂くににくいので、サンプルホルダーにサンプルの結合を容易に堆積nner層。
  3. リフトオフ過剰金属、残りは3時間65℃で1165リムーバーでサンプルを浸漬することによって抵抗する。独自に持ち上げていない可能性があり、不要な金属を除去するには、軽くホットリムーバーで試料の表面を噴霧するピペットを使用しています。 5分ごとに、アセトン、IPAでサンプルをすすいでください。

6。サンプルのダイシング

  1. 125℃で表面を脱水するために15分間オーブンでサンプルを焼く。
  2. 1分間115℃のホットプレート上で30秒と焼くために3,500 rpmでS1818とコートをスピン。レジストのこ​​の層の厚さは、ダイシング時に試料の表面を保護するのに十分な厚さである限り、重要ではない。
  3. サンプルの上下面にダイシングテープの層を置きます。上面にテープの層がダイシング中にデバイスへの追加の保護層を提供しています。
  4. ダイサーのサンプル表向きに置きます。ダイシングにより個々のデバイスにサンプルをカットダイシングテープの底層を切断することなく、テープとGaAs / AlGaAsのウエハをダイシングの上部層を介してすべての方法。
  5. ダイシングテープを取り出し、数分間アセトン中にサンプルを配置することによってレジスト保護。そっと自分で持ち上げないでくださいダイシングテープの部分をやってのけるピンセットを使用してください。 IPA内のデバイスをすすぎ、N 2銃を使用してブロードライ。

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Representative Results

上述のプロセスの重要なステップの1つは、メサ(工程1)のエッ​​チングである。オーバーエッチングを回避しながら以下2DEGを除去するのに十分なエッチングすることが重要である。したがって、それは、GaAs / AlGaAs系サンプルでエッチを実行する前に、エッチング液をテストするために、バルクGaAsのダミーサンプルを使用することをお勧めします。のGaAs / AlGaAsのヘテロ構造のエッチング速度は、GaAsに比べて大きいが、ダミーのエッチング溶液は、多かれ少なかれ、通常よりも反応性であり、実際のサンプルのエッチング時間を適宜調整することができるかどうかに指示を与えることができる。

デバイスが作製されたら、それらは、銀エポキシ樹脂を使用してサンプルホルダに装着する準備ができている。サンプルのボンディングパッド及び試料ホルダの接続端子との間のワイヤボンディングが25μmのAlワイヤを用いて行われる。それらを損傷する恐れがあるので、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察​​する装置を避けるのが最善である。代わりに、かなり高い温度(〜4 K)で行うことができ、ゲートのいずれかがさらなる特性のために希釈冷凍でサンプルを冷却する前に壊れているかなくなっている場合は確認することができ、単純なテストがあります。これらの試験の1つは、2つのオーミックコンタクトとの間に電圧バイアスを印加し、ゲートのペアに印加される電圧の関数として、試料を介して駆動電流を測定することにある。このような測定の例を図5に示す。 図5の曲線は、二つの異なる制度を示しています。 0 Vから-750 mVにまで及び2枯渇ステップを提示最初の政権の範囲:60 nmの広いゲー​​トの枯渇に対応する200nmの広いリードと、約-750mVの少なくとも一方の枯渇約-300mVに対応する一つ。低い電圧での第二政権はコンダクタンスの量子化に対応して高原を示しています。 -2Vへ-500mVの間にゲート範囲のペア間のピンチオフ点の標準値。さらに、一それは、ショットキー障壁を損傷する恐れがあるためゲートに500または600 mVの上に正の電圧を印加しないでください。 図5から、この特定のサンプルの場合には、ゲートがTC-TL及びTC-TR対がほぼ等しい電圧で電流をピンチオフので、幾何学的に類似している可能性がある、と結論することができる。同じことは、TC-BLとTC-BRのペアのために行く。しかし、現在はまだ、高電圧でもTCとBCゲート間を流れるということは、BCゲートがどちらも壊れているかなくなっていることを示しています。通常は、テストされたデバイスの約50%が完全に機能するゲートとオーミックコンタクトを持っている。

適切な装置が発見されたら、それは低温(<100 m·K)で時の特性評価のための希釈冷凍機にロードすることができる。各ゲートの電圧は、次いで二点を形成するように調整されなければならない。それは細部この調整プロセスを、この論文の目標ではありません。ダブルドットが形成された回、stabiliTY図は、二点は、いくつかの電子レジームに到達できるかどうかを確認するために測定することができる。これは、小さな一定のソース - ドレインバイアス(〜10μV)を適用することによって及びBLとBRのゲートに印加される電圧の関数としての二点を通る電流を測定することによって行われる。デバイスの設計は、電荷検出部としての量子点接触を含む場合、それは安定領域図11の測定のために、ドットを介してではなく電流ではなく、これを使用することが好ましい。測定された安定図と理想的な結果の概略を図6に示す。 図6b、トリプルポイントでダブルドットを流れる電流のみが流れに示すように。もうトリプルポイントが安定ダイアグラムで観察することができないとき、ゼロ電子体制がゲート上の電圧がなるか負に関係なく、到達する。しかし、現在はもはや高電圧用ドット流れないという事実は、トンネル障壁を接続することを示すことができダブルドットにソースとドレインをINGには完全にオフに挟まれていた。スピン封鎖は、いくつかの電子レジーム12に達した 、二点における電子の正確な数は、電荷検出を用いて決定される必要がされていることを証明するために、異なる三重点で測定することができる。安定性ダイアグラム、スピンブロッケードとチャージセンシングに関する詳細についてはR.ハンソンを参照してください。13

図1
図1。分子線エピタキシー法により作製したGaAs / AlGaAsのヘテロ構造に存在する層のA)のシーケンス。 b)は、ヘテロ構造のバンド構造は、で示されている)。B cおよび B vは 、それぞれ伝導帯と価電子帯である。伝導帯がフェルミ準位(E f)は iの下にある領域のみsが、GaAsの5,000Å層とAlGaAs系の400Åの層の間に発見した。それは2DEGが発見されたことをここにある。 大きな画像を表示するには、ここをクリックしてください

図2
図2。二重量子ドットの金属ゲート電極(濃い灰色)の概略図は、2DEGがオレンジ色で示されている。たGaAs / AlGaAs系へテロ構造の上に堆積され 、空乏領域が白色である。黒い四角は、オーミックコンタクトを表し、矢印はドットと量子ポイントコンタクト(QPC)を通る電流の流れを示している。 2つのドットは、電子はまだ枯渇ゾーンの中心部に残るオレンジ色の領域に位置しています。ゲイツBLとBRは、それぞれ左右のドットの上で電子の数を制御するために使用される。 BCとTC詐欺 2つのドットの間のトンネル障壁をTROL。 TLは、TRの曲ながら、ソースと左ドット右ドットとドレインの間の障壁の間にトンネル障壁を調整するために使用されます大きい画像を表示するには、ここをクリック

図3
図3。 (a)はニッケル/ゲルマニウム/ Auのオーミック接触(黄金の四角形)の模式図がダウン2DEGに対する試料の表面から急速熱アニールにより拡散。 (b)のメサを作成するためにエッチングされた試料の表面の側面図は大きな画像を表示するには、ここをクリックしてください

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図4。製造プロセスの異なる工程後の二重量子ドット素子の光学顕微鏡画像。メサ(ステップ1)のエッチング後()デバイス。濃い灰色の領域はまだ2DEGを提示している。(b)は、デバイスのオーミックコンタクトする(ステップ2)の製造後薄い灰色の領域は、これらの領域を通って流れる電流を阻止エッチング除去されている。オーミックコンタクトは、金の正方形である。(C)のTi / Auのショットキの製造後のデバイスは(ステップ3)リードしています。リードは、画像の中央に白のラインです。(d)のデバイスアルショットキ·リードとゲート(ステップ4)の製造後。これらは、画像の中央にある緑色の広場で発見されています。量子ドットを定義するために使用されるゲートのSEM画像も示されている。(e)のデバイスは、ショットキー·リードとボンディングパッド(ステップ5)の製造後。:/ / www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "ターゲット=" _blank ">拡大画像を表示するにはここをクリックしてください。

図5
図5。現在のゲートの異なる対に印加される電圧の関数としてのソースからドレインへ流れる。電子ガスの空乏化すること〜-400 mVで始まり、〜-700 mVで終了する。ソースとドレイン間に印加される電圧バイアスが500μVであり、電流は2点測定によって測定される。すべての曲線は1.4で撮影されているK.は、 大きな画像を表示するには、ここをクリックしてください

図6
図6。の(a)は、図QPCを用いて得られる理想的な安定性図である。とき1つのドットの上またはドット間の電子のトンネルラインを観察することができる。黒丸は、ドットを通って流れる電流が可能である三重点を表す。TL = -100 mVで、TC = -350 mVに、TR = -1080 mVのドットに流れる電流を測定した(b)の安定性図で、BC = -1160 mVの、QPC = -600 mVのと10μVのソース - ドレインバイアス。サンプルは約500 mVにして、すべての枯渇やピンチオフ点をシフトし、実験14で電信ノイズを低減し、各ゲートの電圧V = +500 mVの、とバイアス冷却した。安定性ダイアグラムのこのタイプでは、唯一の三重点はケースが最も負の電圧の​​ためにここにあるように、目に見えることになっている。両方の(a)、(b)は 、数字(L、R)は、BLとBRの電圧の異なる値に対して左右ドット中の電子の数を示すゲート。に緑色の線(b)は電子の定数と領域を表示するガイドです。 大きな画像を表示するには、ここをクリックして

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Discussion

上記の提示処理には数電子政権を達することができる二重量子ドットの作製プロトコルについて説明します。しかし、与えられたパラメータが使用される機器のモデルとキャリブレーションによって異なる場合があります。したがって、このような電子ビームおよびフォトリソグラフィ工程中のエクスポージャーのために投与量などのパラメータは、デバイスの製作の前にキャリブレーションする必要があります。プロセスは、容易にまた2DEGを提示例えば、Si / SiGeのような基材、他のタイプの上にゲート定義量子ドットの製造に適合させることができる。

このような垂直量子ドットなどのデバイスの特定のタイプについては、ドットにソース及びドレインからトンネル障壁は、製造時に決定され、その後5変化させることはできない。ゲート定義の横方向量子ドットの利点は、トンネルドットに対する障壁だけでなく、ドット間を電気的に制御することができるということである。しかし、このために、注意が必要であるドットを定義する他のゲートの電圧を操作中にこれらの値を維持する。

これは、いくつかの電子レジームに達した後、目標は、量子計算を実行するドットに電子のスピン状態を操作することで、ことを覚えておくことが重要である。量子ビットの0と1の状態が正常に単一電子15と同様に、ST 0 16とST 2スピンの+ 17の状態のスピン状態を上下に実装されています。 2量子ビット間の結合はまた、これらのデバイス18を用いて達成されている。しかし、GaAsの/ AlGaAs系における横量子ドットの主な欠点の一つは、基板を構成する原子の核スピンとの相互作用に起因する短いコヒーレンス時間(ドット中の電子のスピン状態が保持される時間)である19。これは、シリコンなどの材料で横方向量子ドットの調査(Siにつながっている/ SiGeのは、ヘテロ構造20)と核スピンの自由であり、理論的には、長いコヒーレンス時間につながることが期待されている同位体を持つ炭素(グラフェン21)。しかし、これらのデバイスは、コントロールの結果を達成するとGaAs / AlGaAs系のドットについて得られた読み出していない。たGaAs / AlGaAs系ダブル量子ドットを含む現在の仕事は、またマイクロ波共振器22と高速スピン操作23を可能にする微小磁石の統合へのデバイスの結合が含まれています。

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Disclosures

著者らは、開示することは何もありません。

Acknowledgements

著者は、テクニカルサポートにマイケルLacerteに感謝します。 MP-L。財政支援のための自然らテクノロジーズ(FRQNT) - 先端研究(CIFAR)、自然科学とカナダの工学研究評議会(NSERC)、イノベーションのためのカナダの財団(CFI)とフォン·ド·ルシェルシュケベックのためのカナダの研究所を認めるものです。ここで紹介するデバイスはNanoQuébecによって部分的に資金提供CRN2とIMDQ施設で製造されました。たGaAs / AlGaAs系基板は国立研究評議会カナダにおける微細構造科学研究所からZR Wasilewskiによって作製した。 JCLとCB-O。財政支援のためのCRSNGとFRQNTを認める。

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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