Gate tanımlı GaAs / AlGaAs Yanal Kuantum Noktalarının nano fabrikasyon

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

Bu kağıt galyum arsenit heteroyapıların üzerinde kapı tanımlı yarı iletken yan kuantum noktaları için ayrıntılı bir imalat protokolü sunar. Bu nano cihazlar kuantum bilgi işlem ya da tutarlı bir iletkenlik ölçümleri gibi diğer mezoskopik deneyler için kuantum bit olarak kullanımı için birkaç elektron yakalamak için kullanılır.

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

Bir kuantum bilgisayar klasik bir bilgisayarda en iyi bilinen algoritmaları ile katlanarak daha hızlı bazı sorunları çözmek için, bu devletler ve dolanması süperpozisyon gibi, kuantum etkileri yararlanır kuantum bit (qubits) oluşan bir bilgisayardır. Gate tanımlı GaAs / AlGaAs üzerinde yan kuantum noktaları bir qubit uygulanması için araştırdı birçok yollar vardır. Düzgün fabrikasyon zaman, böyle bir cihaz alan belirli bir bölgede elektron az sayıda tuzak yapabiliyor. Bu elektron spin durumları daha sonra kuantum biti mantıksal 0 ve 1 uygulamak için kullanılabilir. Bu kuantum noktaları nanometre ölçeği göz önüne alındığında, temiz oda tesisleri özel ekipman-bu elektron mikroskopları ve e-ışın evaporatör-onların üretim için gerekli tarama olarak sunuyor. Büyük bir dikkatle numune yüzeyinin temizliği korumak ve yapının kırılgan kapıları zarar vermemek için üretim süreci boyunca alınmalıdır. Bu kağıtçalışan bir cihaza gofret kapı tanımlı yan kuantum noktaları ayrıntılı imalat protokolü sunar. Karakterizasyonu yöntemleri ve temsilcisi sonuçları da kısaca tartışılmıştır. Bu çalışmada çift kuantum noktaları üzerinde yoğunlaşmaktadır rağmen, üretim süreci tek veya üç nokta ya da kuantum noktaları bile diziler için aynı kalır. Ayrıca, protokol, Si / SiGe gibi diğer alt-tabakalara, yanal kuantum nokta üretmek için adapte edilebilir.

Introduction

Bu kuantum algoritmaları katlanarak hızlı en iyi bilinen klasik algoritmaları 1 ile daha bazı sorunları çözmek için kullanılabilir göstermiştir bu yana Kuantum bilgi bilim ilgi çok çekti. Bir iki seviyeli sistem olduğu için bir kuantum bit (qubit) önde gelen aday bir kuantum nokta sınırlı tek bir elektronun spin. Çok sayıda mimarileri nanoteller 2, karbon nanotüpler 3, Kendi oluşturduğunuz bir kuantum noktaları 4, ve yarı iletken dikey 5 ve yan kuantum noktaları 6 yarı iletken dahil olmak üzere kuantum noktaları, uygulanması için önerilmiştir. GaAs Gate tanımlı yan kuantum noktaları / AlGaAs heteroyapıların nedeniyle çok yönlü çok başarılı olmuştur ve üretim süreci bu makalenin odak noktasıdır.

Yan kuantum noktaları, örnek yüzeyine dik yönde elektronların hapsi (z yönü) iin uygun bir alt tabaka seçerek elde etti. GaAs / AlGaAs modülasyon katkılı heteroyapı AlGaAs ve GaAs katmanları arasında arabirim sınırlı bir iki boyutlu elektron gazı (2DEG) sunar. Bu örnekler, modülasyon-doping tekniği ile birlikte, düşük kirlilik yoğunluğu elde etmek için moleküler demet epitaksi tarafından yetiştirilen 2DEG yüksek elektron hareketlilik yol açar edilir. Heteroyapı yanı sıra bant yapısı farklı katmanların Şekil 1'de şematik olarak gösterilmektedir. Yüksek bir elektron hareket kuantum nokta, tüm yüzey üzerinde elektronik devletlerin tutarlılığı sağlamak için 2DEG gereklidir. Aşağıda açıklanan üretim süreci için kullanılan substrat Kanada Ulusal Araştırma Konseyi satın alınan ve 2.2 x 10 11 cm -2 ve 1.69 x 10 6 cm 2 / Vsec bir elektron hareketlilik bir elektron yoğunluğu sunar edildi.

Yönde gövdeye paralel elektronların hapsinumune yüzeyine lel alt-tabakanın yüzeyi üzerine, metalik elektrot yerleştirilmesi ile elde edilir. Bu elektrotlar GaAs numunenin yüzeyi üzerinde biriktirilir ve zaman Schottky engeller 7 oluşturulmuştur. Bu elektrotlar uygulanan negatif gerilim yeterli enerji ile sadece elektronların çapraz hangi aşağıdaki 2DEG yerel engelleri yol açar. Uygulanan gerilim hiçbir elektron bariyerini geçtiği için yeterli enerjiye sahip yeterli negatif olduğunda 2DEG tükenmesi oluşur. Bu nedenle, dikkatli bir şekilde elektrot geometrisi seçerek, bu numunenin tükenmiş bölgeleri arasında bir elektron az sayıda yakalamak mümkündür. Nokta olarak numunenin geri kalan nokta ve 2DEG arasındaki tünel enerji elektron sayısı kontrolü elektrotlar üzerindeki gerilim ince ayarlanması sureti ile elde edilebilir. Kapının elektrotlar ve tükenmiş elektron gazının bir şeması Şekil 2 'de gösterilmiştir. Nokta oluşturan kapı yapıları için tasarımlarındadırBarthel ve arkadaşları tarafından kullanılan tasarımı ile sivri. 8

Kontrol ve nokta üzerinde elektron sayısı ile ilgili bilgi okumak için, bu nokta üzerinden akım teşvik ve ölçmek için yararlıdır. Okuma aynı zamanda 2DEG üzerinden bir akım gerektiren bir Kuantum Nokta İletişim (QPC), kullanılarak yapılabilir. 2DEG ve gerilim kaynakları arasındaki temas omik kişiler tarafından sağlanmaktadır. Bu (Şekil 3a ve 4b bakınız) standart bir hızlı termal tavlama işlemi 7 kullanarak 2DEG için örnek yüzeyinden tüm yol aşağı yayılır olan metalik yastıkları bulunmaktadır. Kaynak ve drenaj arasında kısa devre yapmasından kaçınmak için, örnek yüzeyi (bkz. Şekil 3b ve 4a) 2DEG bazı bölgelerde tükenmiş ve mevcut bazı özel kanallar aracılığıyla seyahat etmek zorunda şekilde kazınmış. 2DEG hala devam bölge "mesa" olarak adlandırılır.

Bir GaAs / AlGaAs yüzeye bir kapı tanımlı yan kuantum nokta, aşağıdaki protokol ayrıntıları, tüm üretim süreci. Fabrikasyon olan cihaz bile bir tek, çift veya üçlü kuantum nokta veya kuantum noktaları bir dizi ise ne olursa olsun aynı kalır çünkü süreç ölçeklenebilir. Manipülasyon, ölçüm, ve bu yöntem kullanılarak üretilen çift kuantum noktaları için sonuçlar daha bölümlerde tartışılmıştır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Aşağıda açıklanan üretim süreci 1.04 x 1.04 cm boyutlarında bir GaAs / AlGaAs yüzeye yapılır. Yirmi benzer cihazlar, bu boyuttaki bir alt-tabaka üzerinde imal edilir. Sürecinin her aşamasında bir temiz oda yapılır ve uygun koruyucu giysiler her zaman kullanılmalıdır. Deiyonize su sürecinde kullanılır, ancak sadece aşağıdaki protokolde "su" olarak adlandırılır.

1. Mesa Gravür

Bu imalat adımın sonucu, Şekil 4a'da gösterilmiştir.

  1. Karşı istenmeyen veya organik bileşiklerin herhangi izlerini silmek için 2 dakika 75 W bir O 2 plazma ile bir plazma temizleyici olarak örnek yerleştirin.
  2. Her biri 5 dakika boyunca aseton (2 x) ve IPA ile bir sonik banyo içinde örnek temizleyin. Sıkıştırılmış bir N 2 tabanca ile kuru darbe. Üretim protokolü boyunca, bir ses banyo kullanırken, GaAs gofret zarar önlemek için yüksek güç kullanmaktan kaçınınbu ayırmak için bir eğilimi vardır.
  3. Yüzey suyunu almak için en az 15 dakika boyunca 125 ° C sıcaklıkta bir fırın içinde örnek pişirilir. Dehidrasyon, aynı zamanda en az 5 dakika boyunca 180 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde, örnek yerleştirerek elde edilebilir.
  4. 115 60 ° C saniye sıcak bir plaka üzerinde 30 sn ve fırında için 3.500 rpm Shipley S1818 ışığa ile kat örnek Spin. Karşı sonuçtaki tabakası yaklaşık 2.5 mikron kalınlıkta olmalıdır. Kalın ve aşındırma substrata adım 1.11 kullanılan çözüm çok az etkilenir, çünkü S1818 kullanılır. Üretim süreci boyunca, sonraki adımda kolay kaldırılmasını sağlamak için karşı ışığa ve e-ışın yapmışsınız demektir önlemek için önemlidir.
  5. Örnek dış kenarında karşı ortaya çıkarmak için bir fotolitografik maske hizalama ve kenar boncuk maskesi kullanın. Kenar boncuk maskesi bir cam levha üzerinde 1 x 1 cm krom kare oluşur. 436 nm dalga boyunda ışık kullanımı ve 15m W / cm 2 10 saniye karşı maruz. Wavelength ve güç sabit ve kullanılan makine ile değişebilir. Uygun büyüklükte iyi tanımlanmış özellikleri elde etmek için pozlama ve geliştirme süreleri ayarlayın.
  6. Geliştirin 2 dk 10 sn için MF-319 örnek daldırarak karşı maruz. Bu adımı sırasında yavaş yavaş karıştırın. 15 saniye suda durulayın ve sıkıştırılmış bir N 2 tabanca ile kuru darbe. Kenar boncuk örnek ortasında karşı muntazam bir kalınlığa sahip bir 1 x 1 cm yüzey bırakarak Bu adımın sonunda çıkarılmalıdır. Kenar boncuk daha iyi sonuçlara yol açar maske ve örnek, arasında daha iyi bir temas elde etmek için mesa maske maruz kalmadan önce kaldırılır.
  7. Hala fotolitografik maske hizalama kullanarak ortaya çıkarma, 15 mW / cm 2 7 saniye mesa maske ve 436 nm ışık kullanarak karşı.
  8. Geliştirin 2 dk 10 sn için MF-319 örnek çeker ve yavaş yavaş çalkalayarak karşı maruz. Suda 15 saniye boyunca yıkayın ve bir sıkıştırılmış N 2 tabanca ile kuru darbe. Geri kalanın karşıörnek g artık Mesa şekline sahiptir. Karşı takip adımları uzak kazınmış olmaktan örnek bu bölgede koruyacaktır.
  9. Daha önce açık alanda karşı tüm izlerini ortadan kaldırmak için, örnek bir plazma temizleyici yerleştirilir ve 75 ° C'de 1 dakika boyunca O 2 plazmaya maruz W.
  10. H 2 SO içinde bir 4: H 2 O 2: H 2 O (05:01:55) aşındırma örnek için kullanılır. H 2 O 2 ve suyun uygun oranlarda birleştirin ve daha sonra H 2 SO 4 ekleyin. Ilk hazırlanan bu çözüm çok reaktiftir. Overetching önlemek için aşağıdaki adıma geçmeden önce 20 dakika bekleyin.
  11. Birkaç saniye asit çözeltisi içinde daldırarak ve hemen, reaksiyonu durdurmak için 30 saniye boyunca su ile durulama ile numune aşındırma. Örnek yüzeyi (se bu bölgelerde tükenmesi sağlamak için 2DEG aşağı Si dopants tabakası geçmiş kazınmış ve hemen hemen tüm yol olmalıdıre Şekil 1). Rölyef derinliği yüzeye bağlı olarak değişebilir. Genel olarak, kullanılan yüzey türü için, bir 34 saniye daldırma 90-100 nm istenilen rölyef derinliği yol açar. Ancak, 2DEG zarar görmemesi için overetch için önemlidir. Aşındırma oranı çözelti hem de aşındırma önce bekleme süresi ile, H 2 SO 4 ve H 2 oranında O 2 ile kuvvetli bir şekilde değişmektedir bu yana, 5-10 saniye arasında birçok daldırma ile aşındırma yerine, bunun yerine önerilir Tek bir 34 saniye aşındırma bir ve her etch sonra profilometre ile kazınmış derinliğini ölçmek. Bu çözeltinin göreceli olarak yavaş bir aşındırma oranı aşındırma derinliği iyi bir kontrol sağlar. Oda sıcaklığının altında aşındırma çözüm Soğutma aşındırma oranları daha düşük yol açabilir. Bu basit bir aşındırma ve aşındırma profili önemsiz olduğu, ancak, farklı gravür çözümler de kullanılabilir.
  12. , 3 saat boyunca 65 ° C 'de 1165 Çözücü, örnek daldırarak karşı soyun. Durulama5 aseton ve IPA her verilebilmektedir. Bir profilometre ile aşındırma profil ölçün.

2. Ohmik İletişim bilgileri Fabrikasyon

Bu imalat adımın sonucu, Şekil 4b'de gösterilmiştir.

  1. Her biri 5 dakika boyunca aseton (2 x) ve IPA daldırmak suretiyle bir sonik banyo içinde örnek temizleyin. Sıkıştırılmış bir N 2 tabanca ile kuru darbe.
  2. 125 ° C 'yi kurutmak için 15 dakika boyunca bir fırın içinde örnek pişirilir.
  3. 10 dakika için 150 sıcak bir plaka ° C 30 saniye ve fırında için 2.500 rpm LOR5A ile kat Spin. Daha sonra, 60 sn için 110 ° C sıcak bir plaka üzerinde 30 sn ve fırında için 5000 rpm'de S1813 ile kat dönerler. Elde edilen karşı kalınlıkları ~ 600 nm ve sırasıyla ~ 1.3 mikron vardır. Karşı iki kat adım 2.10 yatırılacaktır metal havalanma kolaylaştırmak için kullanılır.
  4. Bir fotolitografik maske hizalama ve kenar boncuk maske kullanarak, dış ed karşı maruz15 mW / cm 2 10 sn 436 nm ışık ile örnek ge.
  5. Geliştirin sorunsuz ajitasyon ise 2 dk 10 sn için MF-319 örnek daldırarak karşı maruz. 15 saniye suda durulayın ve sıkıştırılmış bir N 2 tabanca ile kuru darbe.
  6. Hala omik temas maske ile fotolitografik maske hizalama, ama bu kez kullanarak, kazınmış mesa üzerinde omik kişiler için desen hizalayın. 15 mW / cm 2 6 saniye 436 nm ışık maruz.
  7. Sorunsuz karıştırılarak 2 dk 10 sn için MF-319 karşı geliştirin. 15 saniye suda durulayın ve sıkıştırılmış bir N 2 tabanca ile kuru darbe. Omik kişiler yatırılır bölgelerde karşı artık yoktur. Geliştirici karşı üst tabakası altında bir alttan bırakarak, daha hızlı S1813 daha LOR 5A çözer. Karşı Bu profili karşı en kenarlarında duvar oluşturmalarına metal (adım 2.10 yatırılır olacak) önler ve kolay bir Removable de sağlayacakKalan l karşı ve istenmeyen metal.
  8. Daha önce maruz kalan alanda karşı tüm izlerini kaldırmak için, bir plazma temizleyici olarak örnek yerleştirin ve Bu örnek plazma çok uzun bekletin değil önemli olan 75 W. az 1 dakika bir O 2 plazma maruz çünkü yaklaşık 75 nm / karşı dk bu adımı sırasında kazınmış.
  9. 30 saniye için H2O (1:5 lik) ve 30 saniye süreyle su ile durulama: SO 4 H içinde bir 2, örnek daldırarak GaAs doğal oksit çıkarın. Sıkıştırılmış bir N 2 tabanca ile kuru darbe. Adım 2.10 kısa sürede yeniden görüntülenmeden doğal oksit önlemek için gerçekleştirilmelidir.
  10. Ni 25 nm, Ge 55 nm ve Au 80 nm mevduat bir e-ışını evaporatör kullanın. Çökelme oranlarının sırasıyla 0,2 nm / sn, 0.5 nm / sn ve 0,5 nm / sn bulunmaktadır. Çökeltme oranları buharlaşma süresi t kalınlığının hassas kaybedecek şekilde kısa olmasına gerek kalmadan odayı ısıtma önlemek için yeterince kısa olduğunu seçiliro katmanı yatırılır. Bu 9 mevcut olup olmadığını Ge ve Au, iki tabakalı bir ötektik GeAu tek bir tabaka ile değiştirilebilir.
  11. Önceki adımda numunenin tüm yüzeyi üzerine metal yatırılır. Karşı üzerine yatırılır Metal çıkarılması ikinci eritilmesi ile yapılır. Bunu yapmak için, 3 saat boyunca 65 ° C 'de 1165 Temizleyici olarak örnek bırakın. Kendi başına kaldırdı olmayabilir istenmeyen metal kaldırmak için, hafifçe sıcak çıkarıcı ile örnek yüzeyine sprey bir pipet kullanın. Her biri 5 dakika boyunca aseton ve IPA örnek durulayın.
  12. Oluşturucu gazın bir hızlı termal tavlama işlemi örnek arasında 2DEG ile kaplanmış metal aşağı yaygın kullanılır. ° C / saniye 415 ° C bir sıcaklık elde edilene kadar 50 arasında bir oranda artar. Numune 20 saniye boyunca bu sıcaklıkta bırakılır ve daha sonra hızlı bir şekilde soğutulur. Süresi ve tavlama ve sıcaklığı düşük de omik temaslarla en küçük direnç elde etmek için seçilirSıcaklık. Uygun tavlama süresi, alt-tabaka içinde 2DEG derinliğine bağlı olarak değişebilir.

3. Ti / Au Schottky Fabrikasyon Talepleri

Bu imalat aşamasının sonucu, Şekil 4c 'de gösterilmiştir.

  1. Her biri 5 dakika boyunca aseton (2 x) ve IPA daldırmak suretiyle bir sonik banyo içinde örnek temizleyin. Sıkıştırılmış bir N 2 tabanca ile kuru darbe.
  2. 125 ° C 'yi kurutmak için 15 dakika boyunca bir fırın içinde örnek pişirilir.
  3. 90 saniye 180 ° C sıcak bir plaka üzerinde 30 sn ve fırında için 5000 de kat PMMALMW4% Spin. Daha sonra, 180 ° C 90 saniye sıcak bir plaka üzerinde 30 sn ve fırında için 5000 rpm kat PMMA HMW% 2 dönerler. Elde edilen karşı kalınlıkları ~ 75 nm ve 40 nm ~, sırasıyla. Ti / Au yol çok ince olacağından, PMMA bir tek kat kullanılabilir, ancak iplik, maruz kalma ve gelişme parametreleri sonucunda ayarlanması gerekir. Bu açıklama aynı zamanda t için de geçerlidiro Al yol ve kapıları (adım 4).
  4. E-ışın süreci: sürecin bu bölümü kullanılan ve protokol bu nedenle aşağıda açıklanan birinden çok farklı olabilir gerekli ekipman son derece bağlıdır. Yol için desen bir CAD dosyasında çizilir. Bu dosyada, yol 2 mikron geniş kapalı poligon olarak çizilmelidir. Yol Al kapıları (4. adımda fabrikasyon) için yapıştırma pedleri (adım 5'te fabrikasyon) temasa ihtiyaç vardır. Dört hizalama işaretleri de Ti / Au Schottky üzerine Al yol ve kapıları, dikey yatay ve dönme uyum neden izin maruz olmalıdır.
    1. E-ışını litografi yapmak için donatılmış bir Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) örnek yerleştirin. Işın nokta boyutunu azaltmak ve daha önce fabrikasyon yapılar üzerindeki hizalama sırasında iyi bir kontrast sağlamak için 10 kV ivme voltaj ayarlamak için 10 mikron diyafram kullanın. Odak, stigmatism ve diyafram hizalamasını ayarlayın.Bir Faraday fincan mevcut ışın ölçün.
    2. Daha önce kazınmış mesa ile ışını hizalamak ve 300X için büyütme ayarlayın.
    3. Yol Açığa. SEM maruz kalan noktalar bir dizi ile doldurarak istenen alanları ortaya çıkarmak için programlanmıştır. Bu noktalar arasındaki mesafe (merkez merkeze mesafe) 5.5 nm ve doz 43 μC / cm 2 (pozlama süresi adım 3.5.1 'de ölçülen ışın mevcut bağlıdır)' dir. Adım 4 Ti / Au yol ile Al kapılarının uyum sağlamak için hem uyum işaretleri Açığa.
    4. Örnek 20 cihazların her biri için adımları 3.5.2 ve 3.5.3 tekrarlayın.
  5. IPA örnek daldırarak karşı geliştirin: 30 sn H 2 O (9:1). Çözelti, 20 ° C arasında bir sıcaklıkta olmalıdır 30 saniye suda durulayın ve sıkıştırılmış bir N 2 tabanca ile kuru darbe. MIBK çözeltisi ve reaksiyonu durdurmak için IPA yıkama: Eğer tercih edilirse, PMMA bir IPA kullanılarak geliştirilebilir karşı. Farklı bir dBu seçenek seçilirse evelopment zaman ihtiyaç duyulacaktır.
  6. Bir plazma temizleyici olarak örnek yerleştirin ve E-ışını işlemi sırasında oluşan siperleri altındaki sol karşı hiçbir olduğunu Bu karşı 5 nm kaldırır ve garanti 50 W. az 4 saniye boyunca bir O 2 plazma maruz kalmaktadır.
  7. SO 4 H içinde bir 2, örnek daldırarak GaAs doğal oksit çıkarmak: 30 saniye için H2O (1:5 lik) ve 30 saniye süreyle su ile durulayın. Sıkıştırılmış bir N 2 tabanca ile kuru darbe. Adım 3.8 kısa sürede yeniden görüntülenmeden doğal oksit önlemek için gerçekleştirilmelidir.
  8. Her ikisi de 0.1 nm / sn 'lik bir hızda, Ti ve Au, 20 nm bir e-ışını evaporatör ve tortu 10 nm olarak örnek yerleştirin. Numune tutucu iyi topraklı ve depolanması işlemi sırasında örnek üzerinde biriken ücretleri önlemek için kaynak en az 60 cm uzakta yerleştirilmesi için önemlidir.
  9. 65 1.165 Remover örnek çeker ° Kalkma fazla metalC 15 dakika karıştırılmıştır. Kendi başına kaldırdı olmayabilir istenmeyen metal kaldırmak için, hafifçe sıcak çıkarıcı ile örnek yüzeyine sprey bir pipet kullanın. Her biri 5 dakika boyunca aseton ve IPA ile durulayın.

4. Al Schottky Teklifleri ve Gates Fabrikasyon

Bu imalat aşamasının sonucu, Şekil 4d'de gösterilmiştir.

Al Schottky bir imalat yol açar ve bu nokta tanımlayan kapıları olduğu için kapıları üretim sürecinin en kritik aşamasını oluşturmaktadır. Bu elektron ışını iyi odaklanmış ve akım kiriş de Basamak 4.2 'de ayarlandı olması önemlidir. Maruz kalma ve geliştirme süreleri de iyi küçük, sürekli ve iyi tanımlanmış kapıları elde etmek için ayarlanmalıdır. Birçok protokol, bu kapılar ve yol Ti / Au üretilmektedir ve adım 3 sırasında bir önceki yol ile eş zamanlı olarak maruz kalmaktadır. Bununla birlikte, Al kullanılmasının bir avantajı, bu okside edilebilir Şeref olduğucevher gibi büyük bir yalıtkan tabaka 10 arasında gerek kalmadan, numunenin yüzeyine doğrudan yatırılır iyi kapıları gibi öğeler için izin verir.

  1. 3.4.2 için adımları 3.1 tekrarlayın. Ti / Au yol zarar görmemesi için örnek temizlik Ancak, ses banyo kullanmayın.
  2. E-ışın süreci: Al yol ve kapılar için desen bir CAD dosyasında çizilir. Al yol Ti / Au Al kapıları neden iletişim kurmak için kullanılır ve 200 nm genişliğinde kapalı poligon olarak çizilir. Al kapıları ancak poligon olarak çizilmiş, daha ziyade iki tek satır 20 nm ayrılmış değildir.
    1. Işın mesa ile uyumlu sonra, 1500 X büyütme ayarlayın ve Ti / Au Schottky ile kiriş açar hizalayın.
    2. Yol Açığa. 43 μC / cm 2 ve 3,3 nm arasında bir merkez-merkez mesafesi bir doz kullanımı.
    3. Kapıları Açığa. 0,149 nC / cm ve 1.1 nm bir merkez merkeze mesafe bir çizgi doz kullanın. Bu yol açacaktır60 nm son kapısı genişliği.
    4. 4.2.3 örnek 20 cihazların her biri için - adımları 4.2.1 tekrarlayın.
  3. 3.7 - 3.5 adımları tekrarlayın.
  4. 0.3 nm / sn 'lik bir hızda Al bir e-ışını evaporatör ve tortu 30 nm olarak örnek yerleştirin.
  5. Adım 3.10 tekrarlayın. Bu küçük Al kapıları zarar görmemesi için bu adımı itibaren örnek ile çok hassas olmak önemlidir.

5. Schottky Teklifleri ve Yapıştırma Pads Fabrikasyon

Bu imalat aşamasının sonucu, Şekil 4e 'de gösterilmiştir.

  1. Adımları 2.1 tekrarlayın - Schottky için bir fotolitografik maske kullanarak, 2.9 yerine omik yastıkları için maske olur.
  2. Ti ve 0.3 nm / sn ve 1 nm / sn sırasıyla oranlarda Au 350 nm bir e-ışını evaporatör ve mevduat 30 nm olarak örnek yerleştirin. Bu thi daha yırtılmaya karşı daha az eğilimli olduğu için yatırılan Au kalın bir tabaka numune tutucu için örnek bağ kolaylaştırırnner katmanları.
  3. Havalanma fazla metal ve kalan 3 saat 65 ° C'de 1.165 Remover örnek daldırarak karşı. Kendi başına kaldırdı olmayabilir istenmeyen metal kaldırmak için, hafifçe sıcak çıkarıcı ile örnek yüzeyine sprey bir pipet kullanın. Her biri 5 dakika boyunca aseton ve IPA örnek durulayın.

6. Numune dicing

  1. 125 ° C 'yi kurutmak için 15 dakika boyunca bir fırın içinde örnek pişirilir.
  2. 1 dakika 115 ° C sıcak bir plaka üzerinde 30 sn ve fırında için 3.500 rpm S1818 ile kat Spin. Karşı Bu tabakanın kalınlığı dicing sırasında numunenin yüzeyi korumak için yeterince kalın olduğu sürece önemli değildir.
  3. Numunesinin üst ve alt yüzlere bant dicing tabakası yerleştirin. Üst yüzüne bant tabakası dicing sırasında cihaza ek bir koruma katmanı sunuyor.
  4. Bir zar oynayan, örnek yüzü yukarı yerleştirin. Dicing tek tek cihazlara örnek kesilmişbant dicing en alt tabaka ile kesme olmadan üst dicing bant tabakası ve GaAs / AlGaAs gofret tüm yol boyunca.
  5. Dicing bandı çıkarın ve koruyucu birkaç dakika aseton içinde örnek koyarak karşı. Hafifçe kendi kaldırmayın dicing bant parçaları koparmak için cımbız kullanın. IPA cihazları durulayın ve bir N 2 tabancası kullanarak kuru darbe.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Yukarıda tarif edilen süreçte kritik adımlardan biri mesa (adım 1) 'koterizasyondur. Bu overetching kaçınarak 2DEG aşağıdaki kaldırmak için yeterli aşındırma için önemlidir. Bu nedenle, GaAs / AlGaAs örnek aşındırma yapmadan önce aşındırma çözüm test etmek için bir toplu GaAs kukla örneği kullanmak için tavsiye edilir. GaAs / AlGaAs heteroyapı bir aşındırma oranı GaAs göre daha büyüktür, ama kukla gravür çözümü daha fazla veya daha az reaktif normalden daha ve gerçek örnek aşındırma uygun şekilde ayarlanır olup olmadığını bir göstergesidir.

Cihazlar imal edilmiştir sonra, onlar gümüş epoksi kullanarak bir numune tutucu bağlı hazırdır. Numunenin bağ yastıkları ve numune sahibinin bağlantı işaretçilerine arasındaki tel bağ 25 mikron Al tel kullanılarak yapılır. Onlara zarar riski olduğu için bir Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) cihazları gözlemleyerek kaçınmak en iyisidir. Yerine, Oldukça yüksek sıcaklıklarda (~ 4 K) yapılabilir ve kapılarının daha fazla karakterizasyonu için bir seyreltme buzdolabında örnek soğutma önce bozuk veya eksik olup olmadığını doğrulamak için izin basit testler vardır. Bu testlerin biri iki omik temas noktaları arasındaki bir gerilim önyargı uygulayarak ve kapıları çifti üzerinde uygulanan voltajın bir fonksiyonu olarak örnek yoluyla tahrik akımı ölçmek oluşur. Bu tür ölçümler bir örneği Şekil 5'te gösterilmektedir. Şekil 5, en eğriler iki farklı rejim göstermektedir. 0 V -750 mV ve iki tükenmesi adım sunar İlk rejimi aralıkları: 60 nm geniş kapıları tükenmesi karşılık gelen 200 nm geniş yol ve yaklaşık-750mV az birinin tükenmesi hakkında-300mV gelen az bir. Düşük voltaj seviyelerinde ikinci rejimi iletkenliği nicemleme uygun yaylaları gösterir. -2V için-500mV arasında kapı aralığı çiftleri arasındaki tutam-off noktaları için tipik değerler. Ayrıca, birbu Schottky bariyer zarar verebilir bu yana bir kapı üzerinde 500 veya 600 mV üzerinde pozitif gerilim uygulamak gerekir. Şekil 5, bu özel örnek durumunda, kapıları TC-TL ve KT-TR çiftleri yaklaşık olarak eşit gerilimlerde mevcut çimdik çünkü geometrik olarak benzer olması muhtemeldir, olduğu sonucuna varmak mümkündür. Aynı TC-BL ve TC-BR çiftleri için de geçerli. Bununla birlikte, mevcut bile hala yüksek gerilim için TC ve M.Ö. kapıları arasında akan gerçeği M.Ö. kapısı ya kırılmış ya da eksik olduğunu gösterir. Genellikle, test cihazları yaklaşık 50% tamamen işlevsel kapıları ve omik temas var.

Uygun bir cihaz bulunduktan sonra, bu düşük sıcaklıklarda (<100 mK) karakterizasyonu için bir seyreltme buzdolabı yüklenebilir. Kapılarının her biri için gerilim daha sonra çift nokta oluşturacak şekilde ayarlanmalıdır. Bu ayrıntı bu uyum süreci için bu kağıt hedef değildir. Bir kez bir çift nokta bir stabilizasyon, kurulduty diyagramı çift nokta birkaç-elektron rejimi ulaşabilirsiniz kontrol etmek ölçülebilir. Bu küçük bir sabit kaynak drenaj önyargı (~ 10 mV) uygulayarak ve BL ve BR kapıları uygulanan gerilim bir fonksiyonu olarak çift nokta üzerinden akım ölçerek yapılır. Cihazın tasarım bir yük dedektörü olarak hizmet veren bir kuantum alanına temas içeriyorsa, bu stabilite diyagramı 11 ölçümü için, daha çok nokta aracılığıyla geçerli daha, bu kullanım için tercih edilir. Ölçülü bir stabilite diyagramı ve ideal sonucu bir şeması Şekil 6'da gösterilmektedir. Olarak üçlü noktalarda çift nokta ile Şekil 6b, mevcut sadece akar gösterilen. Artık üç puan istikrar şemada görülebilir zaman sıfır elektron rejimi kapıları üzerindeki gerilimler olmak ne kadar olumsuz olursa olsun, ulaşılır. Ancak, mevcut artık yüksek gerilim için nokta akar olması da tünel engelleri bağlamanız gösterebilirçift ​​nokta için kaynak ve drenaj ing kapalı tamamen sıkışmak olmuştur. Spin abluka birkaç-elektron rejimi 12 ulaşıldı olduğunu kanıtlamak için farklı üçlü noktalarda ölçülen, ama çift nokta elektronların sayısını tam olarak şarj algılama kullanılarak belirlenebilir ihtiyacı da. Istikrar diyagramları, spin abluka ve şarj algılama ile ilgili daha detaylı bilgi için R. Hanson ve ark. 13

Şekil 1
Şekil 1. moleküler demet epitaksi tarafından yetiştirilen bir GaAs / AlGaAs heteroyapı bulunan katmanların bir) Dizi. b) heteroyapı Band of yapısı gösterilmiştir). B c ve B v sırasıyla iletim ve değerlik bantları bulunmaktadır. Iletim bandı Fermi seviyesinin altında olan tek bölge (E f) is GaAs 5.000 Å tabakası ve AlGaAs en 400 Å katmanı arasında bulundu. Bu 2DEG bulunan burasıdır. Büyük resim görmek için buraya tıklayın .

Şekil 2,
Şekil 2. Bir çift kuantum nokta ve metal kapısı elektrotlar (koyu gri) şematik 2DEG turuncu renkte gösterilmiştir. Bir GaAs / AlGaAs heteroyapı üstüne yatırılır ve tükenmiş bölgeleri beyazdır. Siyah kareler omik kişileri temsil ve okları nokta ve kuantum Nokta (QPC) aracılığıyla akım gösterir. Iki nokta elektron hala tükenmiş bölgesinin merkezinde kalır turuncu bölgelerinde bulunmaktadır. Gates, BL ve BR sırasıyla sol ve sağ noktalar üzerinde elektron sayısını kontrol etmek için kullanılır. M.Ö. ve TC con iki nokta arasındaki tünel bariyer Trol. TL TR melodileri doğru nokta ve boşaltma arasındaki engel. Ise kaynak ve sol nokta arasındaki tünel bariyer ayarlamak için kullanılan büyük resim görmek için buraya tıklayın .

Şekil 3,
Şekil 3,. (A) Ni / Ge / Au ohmik kontak (Altın dikdörtgenler) şematik aşağı 2DEG için örnek yüzeyinden tavlama hızlı termal tarafından yayılır. (B) mesa oluşturmak için kazınmış olan numune yüzeyinin Yanal görünümü. Büyük resim görmek için buraya tıklayın .

"581/50581fig4.jpg" width = "600px />
Şekil 4. Üretim sürecinin farklı adım sonra bir çift kuantum nokta cihazın optik mikroskop görüntüleri. Mesa (adım 1) ve aşındırma sonra (a) Cihaz. Koyu gri bölgeler hala 2DEG sunarken. (B) Cihaz omik kontakları (adım 2) ve imalat sonra açık gri alanlar, bu bölgelerde akan gelen elektrik akımı engelleyen uzak kazınmış edilmiştir. Omik temas altın kareler vardır. (C) Ti / Au Schottky imalattan sonra aygıt (adım 3) yol açar. Yol görüntünün ortasındaki beyaz çizgiler vardır. (D) Al Schottky yapımını sonra Aygıt yol açar ve kapıları (adım 4). Bu görüntünün merkezine en yeşil kare bulunurlar. Kuantum noktaları tanımlamak için kullanılan kapıları bir SEM görüntüsü de gösterilir. (E) Cihaz Schottky yol ve yapıştırma yastıkları (adım 5) yapımını sonra.:/ / Www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "target =" _blank "> büyük resim görmek için buraya tıklayın.

Şekil 5,
Şekil 5,. Şu kapıları farklı çiftleri uygulanan gerilimin bir fonksiyonu olarak boşaltmak için kaynaktan akan. Elektron gazının tükenmesi ~ -400 mV başlar ve ~ -700 mV bitti. Kaynak ve boşaltma arasında uygulanan gerilim önyargı 500 mV ve geçerli bir, iki nokta ölçümü ile ölçülür. Tüm eğrileri K. 1.4 alınır büyük resim görmek için buraya tıklayın .

Şekil 6,
6 Şekil. (A) şematikBir QPC kullanılarak elde olacağını ideal bir denge diyagramı. Hatları gözlenebilir zaman bir nokta üzerine veya noktalar arasında bir elektron tüneller. Mevcut nokta akmasına mümkün olduğu siyah daireler üçlü noktalarını temsil eder. (B) Stabilite diyagramı TL = -100 mV, TC = -350 mV, TR = -1.080 mV ile nokta akan akım ölçerek elde , BC = -1,160 mV, QPC = -600 mV ve 10 mV kaynağı-drenaj önyargı. Numune yaklaşık 500 mV bütün tükenmesi ve tutam-off noktaları kaydırır ve deney 14 telgraf gürültüyü azaltır her kapısı üzerinde bir gerilim V = +500 mV ile önyargı-soğutuldu. Istikrar diyagram bu tür için, sadece üç puan en olumsuz gerilimler için burada olduğu gibi, görünür olması gerekiyordu. Her iki (a) ve (b), sayıları (L, R) BL ve BR üzerindeki gerilimleri farklı değerleri için sol ve sağ nokta elektron sayısını gösterirkapıları. Içinde yeşil çizgiler (b) elektron sabit bir sayı olan bölgelerde göstermek için kılavuzları. Olan büyük resim için tıklayınız .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Yukarıda sunulan işlemi birkaç elektron rejim ulaşmak mümkün bir çift kuantum nokta yapımını protokol açıklar. Bununla birlikte, verilen parametreler kullanılan ekipman model ve kalibrasyon bağlı olarak değişebilir. Bu nedenle, E-ışını ve fotolitografi adımları sırasında maruz kaldığı için doz gibi parametrelerin cihazların imalatı önce kalibre edilmesi gerekir. Işlemi kolayca imalatı için adapte edilebilir kapı tanımlı başka bir 2DEG bulunmaları Si / SiGe gibi taşıyıcı yüzeyler, diğer türleri hakkında kuantum noktaları.

Bu dikey kuantum noktaları gibi cihazlar, belirli türleri için, nokta için kaynak ve drenaj tünel bariyer imalat sırasında ortaya konulmakta ve daha sonra 5 farklı olamaz. Kapı tanımlı yanal kuantum noktaları bir avantajı, tünel nokta engel gibi noktalar arasında elektriksel olarak kontrol edilebilir olmasıdır. Ancak, bu, dikkat edilmelidirnokta tanımlayan diğer kapıları üzerindeki gerilim manipülasyon sırasında bu değerleri korumak için.

Bu birkaç-elektron rejimi ulaşıldıktan sonra, hedefi kuantum hesaplamaları gerçekleştirmek için nokta üzerinde elektron spin durumları manipüle etmektir, hatırlamak önemlidir. Qubit olan 0 ve 1 durumları başarıyla tek bir elektron 15 hem de ST 0 16 ve ST iki spin + 17 devletlerin dönüş devletler yukarı ve aşağı uygulanmıştır. İki qubits arasındaki kuplaj zamanda bu cihazların 18 kullanılarak elde edilmiştir. Ancak, GaAs / AlGaAs içinde yan kuantum noktaları en önemli sakıncaları biri kısa tutarlılık süresi (nokta içinde elektronların dönüş durumu korunur süreyi) yüzey oluşturan atomların nükleer spin ile etkileşim neden olduğu 19. Bu, örneğin silikon gibi malzemelerde yanal kuantum noktaları incelenmesi (Si açmıştır/ SiGe 20 heteroyapıların) ve karbon (grafen 21) nükleer spin ücretsiz ve teorik olarak uzun tutarlılık kez yol bekleniyor izotopları var. Ancak, bu aygıtların kontrol sonuçları elde etmek ve GaAs / AlGaAs noktalar için elde dışı okumak için henüz. GaAs / AlGaAs çift kuantum noktaları yer aldığı güncel çalışmaları da rezonatör mikrodalga fırın 22 ve daha hızlı dönüş işlemleri 23 izin micromagnets bütünleşmesi için cihazın bağlantı içerir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgements

Yazarlar teknik destek için Michael Lacerte teşekkür ederim. MP-L. mali destek için Nature et Teknolojileri (FRQNT) - İleri Araştırma (Kötü İyi cifar), Doğa Bilimleri ve Kanada'nın Mühendislik Araştırma Kurumu (NSERC), Yenilikler için Kanada Vakfı (CFI) ve Fonds de Recherche Québec için Kanada Enstitüsü kabul etmektedir. Burada sunulan cihaz NanoQuébec tarafından finanse CRN2 ve IMDQ tesisleri, de üretildi. GaAs / AlGaAs yüzey Ulusal Araştırma Konseyi Kanada'da Mikroyapı Bilimler Enstitüsü ZR Wasilewski tarafından üretildi. JCL ve CB-O. mali destek için CRSNG ve FRQNT kabul.

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