Nanofabricage van Gate-gedefinieerde GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots

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

Dit document presenteert een gedetailleerde fabricage protocol voor gate-gedefinieerde halfgeleider laterale quantum dots op galliumarsenide heterostructuren. Deze nanoschaal apparaten worden gebruikt om enkele elektronen vangen voor gebruik als quantum bits in quantum information processing of voor andere mesoscopic experimenten zoals coherent geleidingsmetingen.

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

Een quantum computer is een computer samengesteld uit quantum bits (qubits) die gebruik maakt van de quantum effecten, zoals superpositie van toestanden en verstrengeling, om bepaalde problemen exponentieel sneller dan op te lossen met de bekendste algoritmen op een klassieke computer. Gate-gedefinieerde laterale quantum dots op GaAs / AlGaAs zijn een van de vele mogelijkheden verkend voor de uitvoering van een qubit. Bij juiste gefabriceerd, een dergelijke inrichting kan een klein aantal elektronen houden in een bepaald gebied van de ruimte. De spintoestanden van deze elektronen kunnen vervolgens worden gebruikt voor het implementeren van de logische 0 en 1 van de quantum bit. Gezien de nanometerschaal van deze quantum dots, cleanroom faciliteiten aanbieden van gespecialiseerde apparatuur-zoals scanning elektronenmicroscopen en e-beam-verdampers nodig zijn voor hun fabricage. Grote zorg moet tijdens het fabricageproces worden genomen om reinheid van het monsteroppervlak handhaven en schade aan de fragiele poorten van de constructie te voorkomen. Deze paperpresenteert de gedetailleerde fabricage protocol van gate-gedefinieerde laterale quantum dots van de wafer tot een werkend apparaat. Karakteriseringsmethodes en representatieve resultaten worden ook kort besproken. Hoewel dit document richt zich op dubbele quantum dots, het fabricageproces blijft hetzelfde voor enkele of drievoudige punten of zelfs arrays van quantum dots. Bovendien kan het protocol worden aangepast laterale quantum dots fabriceren op andere substraten, zoals Si / SiGe.

Introduction

Quantum informatica heeft getrokken veel aandacht sinds het werd aangetoond dat quantum algoritmes gebruikt kunnen worden om bepaalde problemen exponentieel sneller dan met de bekendste klassieke algoritmes 1 lossen. Een voor de hand liggende kandidaat voor een quantum bit (qubit) is de spin van enkel elektron opgesloten in een quantum dot omdat het een twee-level systeem. Talrijke architecturen zijn voorgesteld voor de uitvoering van quantum dots, waaronder halfgeleidende nanodraden 2, koolstof nanobuisjes 3, zelf-georganiseerde kwantum-dots 4, en halfgeleiders verticale 5 en laterale quantum dots 6. Gate-gedefinieerde laterale quantum dots in GaAs / AlGaAs heterostructuren zijn zeer succesvol geweest vanwege hun veelzijdigheid en hun fabricageproces is de focus van deze paper.

In laterale quantum dots, de opsluiting van elektronen in de richting loodrecht op het monsteroppervlak (z-richting) is bereikt door het kiezen van de juiste substraat. Het GaAs / AlGaAs modulatie gedoteerde heterostructuur presenteert een tweedimensionaal electron gas (2DEG) beperkt tot het raakvlak tussen de AlGaAs en GaAs lagen. Deze monsters worden geteeld door moleculaire bundel epitaxie een lage onzuiverheidsdichtheid die in combinatie met de modulatie-doping techniek te verkrijgen, leidt tot hoge elektronenmobiliteit in de 2DEG. Een schema van de verschillende lagen van de heterostructuur en de bandstructuur zijn getoond in figuur 1. Een hoge beweeglijkheid van de elektronen is nodig in de 2DEG om de samenhang van de elektronische toestanden over het gehele oppervlak van de quantum dot te garanderen. Het substraat voor het fabricageproces hieronder beschreven werd gekocht van de National Research Council of Canada en fungeert elektronendichtheid van 2,2 x 10 11 cm-2 en een elektronenmobiliteit van 1,69 x 10 6 cm 2 / Vsec.

De opsluiting van elektronen in de richtingen parallel aan het monster oppervlak bereikt door metalen elektroden op het oppervlak van het substraat. Wanneer deze elektroden op het oppervlak van het GaAs monster worden Schottky barrières gevormd 7. Negatieve spanningen toegepast op deze elektroden leiden tot lokale barrières in de 2DEG hieronder die alleen elektronen met voldoende energie kan steken. Uitputting van de 2DEG treedt op wanneer de spanning negatief genoeg zodat elektronen voldoende energie om de barrière. Daarom door het zorgvuldig kiezen van de geometrie van de elektroden, is het mogelijk om een ​​klein aantal elektronen tussen verarmd gebieden van het monster houden. Controle van het aantal elektronen van de stip en de tunneling energie tussen de punt en de 2DEG in de rest van het monster kan worden bereikt door het afstemmen van de spanningen op de elektroden. Een schema van de poortelektroden en de verarmde gas elektronen wordt weergegeven in fig. 2. Het ontwerp voor de poort structuren vormen de stip ingeïnspireerd door het ontwerp wordt gebruikt door Barthel et al.. 8

Om controle en uitlezen van informatie over het aantal elektronen op het punt, is het nuttig voor inductie en meten stroom door de stip. Uitlezing kan ook met een Quantum worden Contact (QPC), waarvoor ook een stroom door de 2DEG. Het contact tussen de 2DEG en spanningsbronnen verzekert ohmse contacten. Dit zijn metalen elektroden die worden verspreid vanaf het oppervlak van het monster helemaal naar beneden om de 2DEG met een standaard snelle thermische gloeien proces 7 (zie figuren 3a en 4b). Om kortsluiting tussen de source en de drain te voorkomen, wordt het oppervlak van het monster zo geëtst dat de 2DEG is uitgeput in bepaalde regio's en de huidige wordt gedwongen om te reizen via bepaalde kanalen (zie de figuren 3b en 4a). Het gebied waar de 2DEG nog steeds aangeduid als de "mesa".

Het volgende protocol beschrijft de gehele fabricageproces van een poort-gedefinieerde laterale quantum dot op een GaAs / AlGaAs substraat. Het proces is schaalbaar omdat het blijft hetzelfde, ongeacht of het apparaat wordt gefabriceerd is een enkele, dubbele of driedubbele quantum dot of zelfs een array van quantum dots. Manipulatie, meet-, en de resultaten voor de dubbele quantum dots gefabriceerd met behulp van deze methode worden besproken in verdere hoofdstukken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

De vervaardigingswerkwijze volgens deze methode wordt gedaan op een GaAs / AlGaAs-substraat met afmetingen van 1,04 x 1,04 cm. Twintig identieke apparaten worden gefabriceerd op een substraat van deze omvang. Alle stappen van het proces worden gedaan in een cleanroom en geschikte beschermende kleding moeten te allen tijde worden gebruikt. Gedeïoniseerd water wordt gebruikt in de werkwijze, maar wordt eenvoudigweg aangeduid als "water" in het onderstaande protocol.

1. Etsen van de Mesa

Het resultaat van deze fabricagestap wordt getoond in figuur 4a.

  1. Plaats het monster in een plasma asjer met een O 2 plasma bij 75 W gedurende 2 minuten om alle sporen van ongewenste weerstaan ​​of organische verbindingen te verwijderen.
  2. Reinig het monster in een sonische bad met aceton (2x) en IPA voor elke 5 minuten. Föhnen met een samengeperste N2 pistool. Gedurende de fabricage-protocol, bij gebruik van een sonische bad, vermijd het gebruik van hoge vermogens beschadiging van de GaAs-wafer te voorkomeneen neiging tot splijten is.
  3. Bak het monster in een oven bij 125 ° C gedurende ten minste 15 minuten aan het oppervlak drogen. Uitdroging kan ook worden bereikt door het monster op een hete plaat bij 180 ° C gedurende ten minste 5 minuten.
  4. Spin jas het monster met fotolak Shipley S1818 bij 3.500 rpm gedurende 30 seconden en bakken op een hete plaat bij 115 ° C gedurende 60 sec. De resulterende laag weerstaan ​​moet ongeveer 2,5 micrometer dik. S1818 wordt gebruikt omdat het dik en zeer weinig beïnvloed door de oplossing in stap 1.11 etsen van de ondergrond. Gedurende het fabricageproces, is het belangrijk te voorkomen moffelen fotoresist en e-beam weerstaan ​​eenvoudig verwijderen door opeenvolgende fasen te verzekeren.
  5. Gebruik een fotolithografische masker aligner en een rand kraal masker om bloot het weerstaan ​​aan de buitenrand van het monster. De verdikte masker uit een 1 x 1 cm vierkant chroom op een glazen plaat. Gebruik licht met een golflengte van 436 nm en blootstellen weerstaan ​​10 sec bij 15 m W / cm 2. Het wavelength en macht zijn vast en kunnen variëren afhankelijk van de gebruikte machine. Pas de belichting en ontwikkeling keer op goed gedefinieerde eigenschappen van de juiste grootte te verkrijgen.
  6. Ontwikkelen blootgesteld weerstaan ​​door onderdompeling van het monster in MF-319 gedurende 2 min. 10 sec. Schud langzaam tijdens deze stap. Spoelen in water gedurende 15 seconden en droog te blazen met een samengeperste N2 pistool. De verdikte worden verwijderd aan het einde van deze stap, waardoor een 1 x 1 cm oppervlak met een uniforme dikte van weerstand in het midden van het monster. De verdikte wordt verwijderd voordat het blootstellen van de mesa masker die het contact tussen het masker en het monster, wat leidt tot betere resultaten.
  7. Nog steeds met behulp van de fotolithografische masker aligner, bloot het weerstaan ​​met behulp van de mesa masker en 436 nm licht voor 7 sec bij 15 mW / cm 2.
  8. Ontwikkelen van de blootgestelde weerstaan ​​door onderdompeling van het monster in MF-319 gedurende 2 min 10 sec en langzaam roeren. Spoel gedurende 15 seconden in water en droog te blazen met een samengeperste N2 pistool. De weerstaan ​​remaining op het monster heeft nu de vorm van de mesa. De weerstaan ​​deze regio van het monster te beschermen tegen weggeëtst in de stappen die volgen.
  9. Om alle sporen van weerstand in de eerder blootgestelde gebied te verwijderen, wordt het monster geplaatst in een plasma Asher en wordt blootgesteld aan een O2 plasma gedurende 1 min bij 75 W.
  10. Een oplossing van H 2 SO 4: H 2 O 2: H2 O (5:01:55) wordt gebruikt voor het etsen van het monster. Combineer de juiste verhoudingen van H 2 O 2 en water en voeg vervolgens de H 2 SO 4. Deze oplossing is zeer reactief wanneer het eerst bereid. Wacht 20 minuten voordat u verder gaat met de volgende stap om overetching voorkomen.
  11. Ets het monster door onderdompeling in de zure oplossing gedurende enkele seconden en onmiddellijk spoelen met water gedurende 30 seconden om de reactie te stoppen. Het oppervlak van het monster moet worden geëtst langs de laag van Si doteermiddelen en bijna helemaal naar beneden om de 2DEG tot uitputting zorgen in deze regio's (see Figure 1). De etsdiepte is afhankelijk van de ondergrond. Algemeen voor het type substraat, een 34 sec onderdompeling tot de gewenste etsdiepte van 90-100 nm. Het is echter belangrijk om de 2DEG overetch beschadiging te voorkomen. Aangezien de etssnelheid sterk varieert met de verhouding van H 2 SO 4 en H 2 O 2 in de oplossing en de wachttijd voor het etsen, wordt het aanbevolen om het etsen uit te voeren door meerdere onderdompelingen van 5-10 sec plaats van een enkele 34 sec etsen, en meet de geëtste diepte met een profilometer na elke ets. De relatief langzame etssnelheid van deze oplossing maakt een goede beheersing van de etsdiepte. Het koelen van de etsoplossing onder kamertemperatuur kan leiden tot etsen lagere tarieven. Aangezien het een ondiep etsen en etsen profiel onbelangrijk verschillende ets oplossingen kunnen ook worden gebruikt.
  12. Strip de resist door onderdompeling van het monster in 1165 verwijderaar bij 65 ° C gedurende 3 uur. Spoelenin aceton en IPA voor 5 min elk. Meet de etsen profiel met een profilometer.

2. Fabricage van de ohmse contacten

Het resultaat van deze fabricagestap wordt getoond in figuur 4b.

  1. Maak het monster in een sonisch bad door onderdompeling in aceton (2x) en IPA voor elke 5 minuten. Föhnen met een samengeperste N2 pistool.
  2. Bak het monster in een oven bij 125 ° C gedurende 15 minuten aan het oppervlak drogen.
  3. Spin jas met LOR5A bij 2500 rpm gedurende 30 seconden en bakken op een hete plaat bij 150 ° C gedurende 10 minuten. Vervolgens draaien jas met S1813 bij 5000 rpm gedurende 30 seconden en bakken op een hete plaat bij 110 ° C gedurende 60 sec. De resulterende dikte van de resist is ~ 600 nm tot ~ 1,3 urn respectievelijk. Twee lagen van weerstand worden gebruikt om de lift-off van het metaal dat wordt afgezet in stap 2.10 vergemakkelijken.
  4. Met behulp van een fotolithografische masker aligner en de rand kraal masker, bloot het weerstaan ​​aan de buitenzijde edge van het monster met 436 nm licht voor 10 sec bij 15 mW / cm 2.
  5. Ontwikkelen van de blootgestelde weerstaan ​​door onderdompeling van het monster in MF-319 gedurende 2 min 10 sec roeren soepel. Spoelen in water gedurende 15 seconden en droog te blazen met een samengeperste N2 pistool.
  6. Nog steeds met behulp van de fotolithografische masker aligner, maar dit keer met de ohmse contact masker, lijnt u de patronen voor de ohmse contacten op de geëtste mesa. Bloot met 436 nm licht voor 6 sec bij 15 mW / cm 2.
  7. Ontwikkel de resist in MF-319 gedurende 2 min 10 sec roeren soepel. Spoelen in water gedurende 15 seconden en droog te blazen met een samengeperste N2 pistool. Er is niet langer weerstaan ​​in de gebieden waar de ohmse contacten worden gestort. De ontwikkelaar lost de LOR 5A sneller dan de S1813, waardoor een ondersnijding onder de toplaag weerstaan. Dit profiel in de lak voorkomt metaal (die worden gestort in stap 2.10) van vormen wanden aan de randen van de resist en zal tevens gemakkelijk removal van de resterende weerstaan ​​en ongewenste metal.
  8. Om alle sporen van weerstand te bieden in de eerder blootgestelde gebied te verwijderen, plaatst u het monster in een plasma Asher en het blootstellen aan een O 2 plasma gedurende 1 minuut bij 75 W. Het is belangrijk niet te laten de steekproef zitten te lang in het plasma omdat ongeveer 75 nm / min of resist geëtst tijdens deze stap.
  9. Verwijder de GaAs natuurlijke oxidelaag door onderdompeling van het monster in een oplossing van H 2 SO 4: H2 O (01:05) gedurende 30 seconden en spoelen met water gedurende 30 sec. Föhnen met een samengeperste N2 pistool. Stap 2.10 moeten zo snel mogelijk naar de natuurlijke oxidelaag van reappearing voorkomen worden uitgevoerd.
  10. Gebruik een e-beam verdamper tot 25 nm van Ni, 55 nm van Ge en 80 nm van Au deponeren. De deposities zijn respectievelijk 0,2 nm / sec, 0,5 nm / sec en 0,5 nm / sec. De depositie zodanig gekozen dat het indampen tijd kort genoeg om te voorkomen verwarmen van de kamer zonder zo kort om de precisie van de dikte t verliezenhij afgezette laag. De dubbellaag van Ge en Au kan worden vervangen door een enkele laag eutectische Geau indien beschikbaar 9.
  11. De vorige stap afgezet metaal op het gehele oppervlak van het monster. Verwijdering van het metaal dat wordt afgezet op de resist wordt uitgevoerd door oplossen van de laatstgenoemde. Om dit te doen, dompel de steekproef in 1165 Remover bij 65 ° C gedurende 3 uur. Om ongewenste metalen die niet op zijn eigen kan zijn opgeheven verwijderen gebruikt u een pipet om licht bevochtigen van het oppervlak van het monster met warme remover. In aceton en IPA voor elke 5 min. Spoel de steekproef.
  12. Een snel thermisch gloeien proces vormend gas wordt gebruikt om het afgezette metaal diffunderen naar de 2DEG van het monster. De temperatuur wordt verhoogd met een snelheid van 50 ° C / seconde tot een temperatuur van 415 ° C wordt bereikt. Het monster blijft bij deze temperatuur gedurende 20 seconden en vervolgens snel afgekoeld. De duur en de temperatuur van het uitgloeien worden gekozen om de kleinste weerstand krijgen via de ohmse contacten bij lagetemperatuur. De optimale tijd gloeien kan variëren afhankelijk van de diepte van de 2DEG in het substraat.

3. Fabricage van de Ti / Au Schottky Leads

Het resultaat van deze fabricagestap wordt getoond in figuur 4c.

  1. Maak het monster in een sonisch bad door onderdompeling in aceton (2x) en IPA voor elke 5 minuten. Föhnen met een samengeperste N2 pistool.
  2. Bak het monster in een oven bij 125 ° C gedurende 15 minuten aan het oppervlak drogen.
  3. Spin jas PMMALMW4% op 5000rpm gedurende 30 seconden en bakken op een hete plaat bij 180 ° C gedurende 90 sec. Vervolgens draaien laag PMMA HMW 2% bij 5000 rpm gedurende 30 seconden en bakken op een hete plaat bij 180 ° C gedurende 90 sec. De resulterende dikte van de resist zijn ~ ~ 75 nm en 40 nm respectievelijk. Aangezien de Ti / Au leads zeer dun, kan een enkele laag van PMMA worden gebruikt, maar parameters spinnen, belichting en ontwikkeling moeten worden aangepast op basis. Deze opmerking geldt ook voor tHij Al leads en poorten (stap 4).
  4. E lichtstralen: Dit deel van het proces is sterk afhankelijk van de gebruikte en protocol nodig kunnen dus sterk afwijken van de hieronder beschreven apparatuur. De patronen voor de leads worden getekend in een CAD-bestand. In dit bestand moet de draden worden getrokken als gesloten polygonen die 2 micrometer breed. De draden zijn nodig om contact bonding pads (vervaardigd in stap 5) aan de Al poorten (vervaardigd in stap 4). Vier uitrichtkenmerken moet worden blootgesteld om de verticale, horizontale en uitlijning in draairichting van de Al leads en poorten op de Ti / Au Schottky leidt.
    1. Het monster wordt in een Scanning Electron Microscope (SEM) die is uitgerust om e-beam lithografie doen. Gebruik een diafragma van 10 um tot de bundelvlekgrootte verminderen en zet de versnelling spanning tot 10 kV tot een goed contrast tijdens de uitlijning van de eerder gefabriceerde structuren zorgen. Pas de scherpstelling, stigmatism, en het diafragma uitlijning.Meet de straalstroom met een Faraday cup.
    2. Lijn de balk met de eerder geëtst mesa en zet de vergroting op 300X.
    3. Expose de leads. De SEM geprogrammeerd om het gewenste gebieden blootgesteld door ze te vullen met een array van blootgestelde punten. De afstand tussen deze punten (hart-op-hart afstand) is 5,5 nm en de dosis is 43 uC / cm 2 (de belichtingstijd zal afhangen van de straalstroom gemeten in stap 3.5.1). Bloot uitlijntekens alsook om de uitlijning van de Al poorten toe met de Ti / Au leads in stap 4.
    4. Herhaal de stappen 3.5.2 en 3.5.3 voor elk van de 20 apparaten op het monster.
  5. Ontwikkel de resist door onderdompeling van het monster in IPA: H2O (9:1) gedurende 30 sec. De oplossing moet bij een temperatuur van 20 ° C. Spoelen in water gedurende 30 seconden en droog te blazen met een samengeperste N2 pistool. Indien gewenst, de PMMA resist kan worden ontwikkeld met behulp van een IPA: MIBK-oplossing en spoelen in RIE om de reactie te stoppen. Een ander development tijd zal nodig zijn als deze optie wordt gekozen.
  6. Het monster wordt in een plasma Asher en blootgesteld aan een O2 plasma gedurende 4 seconden bij 50 W. Dit verwijdert 5 nm van weerstand en zorgt ervoor dat er geen weerstand links onder van de geulen gevormd tijdens de e-lichtstralen.
  7. Verwijder de GaAs natuurlijke oxidelaag door onderdompeling van het monster in een oplossing van H 2 SO 4: H2 O (01:05) gedurende 30 seconden en spoelen met water gedurende 30 sec. Föhnen met een samengeperste N2 pistool. Stap 3.8 moet zo snel mogelijk om de natuurlijke oxidelaag van reappearing voorkomen worden uitgevoerd.
  8. Plaats het monster in een e-beam verdamper en aanbetaling van 10 nm van Ti en 20 nm van Au, beide met een snelheid van 0.1 nm / sec. Het is belangrijk dat de monsterhouder goed geaard en zich ten minste 60 cm van de bron tot kosten kan ophopen op het monster tijdens het depositieproces.
  9. Lift-off overtollige metalen door onderdompeling van de steekproef in 1165 Remover bij 65 °C gedurende 15 minuten. Om ongewenste metalen die niet op zijn eigen kan zijn opgeheven verwijderen gebruikt u een pipet om licht bevochtigen van het oppervlak van het monster met warme remover. Spoelen in aceton en IPA voor elke 5 minuten.

4. Fabricage van de Al Schottky Leads en Gates

Het resultaat van deze fabricagestap wordt getoond in figuur 4d.

De fabricage van de Al Schottky leidt en poorten vormen de meest kritische stap van het fabricageproces omdat deze de poorten die de stip definiëren. Het is belangrijk dat de elektronenbundel goed gericht en de bundelstroom goed aangepast in stap 4.2. De belichting en ontwikkeling tijden moet goed worden aangepast aan kleine, continue en goed gedefinieerde poorten vinden. In veel protocollen, zijn deze poorten en leidt gefabriceerd in Ti / Au en worden gelijktijdig blootgesteld, met de vorige leads tijdens stap 3. Echter, een voordeel van het gebruik Al is dat het kan worden geoxideerd, thereferts waardoor elementen onderwerp poorten rechtstreeks op het oppervlak van het monster worden afgezet zonder dat er een grote isolerende laag 10.

  1. Herhaal de stappen 3.1 tot en met 3.4.2. Echter, gebruik dan niet de sonische bad tijdens het schoonmaken van het monster schade aan de Ti / Au leads te voorkomen.
  2. E-beam-proces: De patronen voor de Al leads en poorten zijn getekend in een CAD-bestand. De Al leads worden gebruikt om contact Ti / Au tot de Al poorten en getekend als gesloten veelhoeken met een breedte van 200 nm. Al de poorten zijn echter niet getekend als veelhoeken, maar als twee enkele lijnen gescheiden door 20 nm.
    1. Zodra de balk is afgestemd op de mesa, stellen de vergroting tot 1.500 X en lijn de balk met de Ti / Au Schottky leidt.
    2. Expose de leads. Met een dosis van 43 uC / cm 2 en een hart-op-hart afstand van 3,3 nm.
    3. Expose de poorten. Gebruik een lijn dosis van 0.149 nC / cm en een hart-op-hart afstand van 1,1 nm. Dit zal leiden tot eenlaatste poort breedte van 60 nm.
    4. Herhaal de stappen 4.2.1 - 4.2.3 voor elk van de 20 apparaten op het monster.
  3. Herhaal de stappen 3,5-3,7.
  4. Plaats het monster in een e-beam verdamper en aanbetaling van 30 nm van Al bij een snelheid van 0,3 nm / sec.
  5. Herhaal stap 3.10. Belangrijk is zeer delicaat zijn met het monster van deze stap verder beschadiging van de kleine Al poorten vermijden.

5. Fabricage van de Schottky Leads en verlijming Pads

Het resultaat van deze fabricagestap wordt getoond in figuur 4e.

  1. Herhaal stappen 2,1-2,9, met een fotolithografisch masker voor de Schottky leidt in plaats van het masker voor de ohmse pads.
  2. Plaats het monster in een e-beam verdamper en aanbetaling van 30 nm van Ti en 350 nm van Au bij snelheden van 0,3 nm / sec en 1 nm / sec resp. De dikke laag afgezette Au vergemakkelijkt binding van het monster naar de monsterhouder omdat het minder gevoelig voor scheuren dan thinner lagen.
  3. Loskomen de overmaat metaal en resterende weerstaan ​​door onderdompeling van het monster in 1165 verwijderaar bij 65 ° C gedurende 3 uur. Om ongewenste metalen die niet op zijn eigen kan zijn opgeheven verwijderen gebruikt u een pipet om licht bevochtigen van het oppervlak van het monster met warme remover. In aceton en IPA voor elke 5 min. Spoel de steekproef.

6. Blokjes snijden van de monsters

  1. Bak het monster in een oven bij 125 ° C gedurende 15 minuten aan het oppervlak drogen.
  2. Spin jas met S1818 bij 3.500 rpm gedurende 30 seconden en bakken op een hete plaat bij 115 ° C gedurende 1 minuut. De dikte van deze laag resist onbelangrijk zolang deze dik genoeg is om het oppervlak van het monster te beschermen tijdens blokjes.
  3. Leg een laag dobbelstenen snijden tape op de boven-en ondervlakken van het monster. De laag tape op het bovenvlak biedt een extra bescherming moeten tijdens blokjes.
  4. Plaats het monster face-up in een snijmachine. Snijd het monster in afzonderlijke apparaten met blokjeshelemaal door toplaag van dobbelstenen snijden tape en de GaAs / AlGaAs wafel zonder te snijden door de onderste laag van blokjes tape.
  5. Verwijder de blokjes tape en de beschermende weerstand door het plaatsen van het monster in aceton gedurende een paar minuten. Gebruik een pincet om voorzichtig af te trekken stukjes blokjes tape die niet op te heffen op hun eigen. Spoel de apparaten in het IPA en föhnen met behulp van een N 2 pistool.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Een van de kritische stappen in de hierboven beschreven werkwijze is het etsen van de mesa (stap 1). Het is belangrijk te etsen hebben de 2DEG onderstaande verwijderen terwijl vermeden overetching. Daarom is het aanbevolen om een ​​bulk GaAs dummy monster gebruiken om de ets oplossing te testen voordat u de etsen op de GaAs / AlGaAs monster. De etssnelheid van de GaAs / AlGaAs heterostructuur is groter dan die van GaAs, maar het etsen van de dummy kan een indicatie geven of de oplossing meer of minder reactief dan normaal en de etstijd van het werkelijke monster kan worden aangepast.

Nadat de apparaten zijn vervaardigd, zijn ze klaar om te worden bevestigd aan een monsterhouder met zilver epoxy. Wire bonding tussen de sample's bonding pads en aansluiting pinnen van de monsterhouder wordt gedaan met behulp van 25 micrometer Al-leidingen. Het beste is om te voorkomen dat het observeren van de inrichtingen in een Scanning Electron Microscope (SEM) omdat er een risico te beschadigen. In plaats daarvan, Er eenvoudige tests die kunnen worden uitgevoerd bij relatief hoge temperaturen (ca. 4 K) en die het mogelijk maken om te bevestigen dat een van de poorten wordt verbroken of ontbreekt voor afkoelen van het monster in een verdunning koelkast verdere karakterisering. Een van deze tests bestaat uit een spanning voorspanning tussen twee ohmse contacten en meten van de stroom aangedreven door het monster als een functie van de spanning op een paar poorten. Een voorbeeld van dergelijke metingen is weergegeven in figuur 5. De curven in figuur 5 tonen twee verschillende regimes. De eerste regeling varieert van 0 V tot -750 mV en presenteert twee uitputting stappen: een op ongeveer-300mV overeenkomt met de uitputting van de 200 nm breed leads en een op ongeveer-750mV overeenkomt met de uitputting van de 60 nm brede poorten. De tweede regeling op lagere voltages toont plateaus die overeenkomen met de kwantisatie van de geleiding. Typische waarden voor pinch-off points tussen paren poorten bereik tussen-500mV to-2V. Bovendien is eenmoet positieve spanning niet van toepassing boven 500 of 600 mV op een poort, omdat het de Schottky barrière kunnen beschadigen. Uit figuur 5, is het mogelijk te concluderen dat, in het geval van dit voorbeeld, zijn de poorten waarschijnlijk geometrisch soortgelijke aangezien de TC-TL en TC-TR paren knijpen de stroom bij ongeveer gelijke spanningen. Hetzelfde geldt voor de TC-BL en TC-BR paren. Echter, het feit dat de huidige stroomt nog tussen de TC en BC poorten zelfs voor hoge spanningen aan dat het BC poort ofwel gebroken of ontbreekt. Gewoonlijk, ongeveer 50% van de geteste apparaten volledig functioneel poorten en ohmse contacten.

Zodra een geschikte inrichting is gevonden, kan deze in een verdunning koelkast karakterisatie bij lage temperaturen (<100 mK) geladen. De spanningen op elk van de poorten moeten dan worden aangepast aan een dubbele punt vormen. Het is niet het doel van deze paper voor detail dit aanpassingsproces. Zodra een dubbele punt is gevormd, een stabilisatiety diagram kan worden gemeten om te controleren of de dubbele punt de weinige-elektron regime kan bereiken. Dit wordt gedaan door een kleine constante bron-drain vertekening (-10 mV) en door het meten van de stroom door een dubbele punt als functie van de aangelegde spanningen op de BL en BR poorten. Wanneer het ontwerp van de inrichting een quantum puntcontact die als last detector dient het de voorkeur om dit te gebruiken, in plaats van de stroom door de punt, voor de meting van de stabiliteit diagram 11. Een gemeten stabiliteitsdiagram en een schema van een optimaal resultaat wordt getoond in Figuur 6. Zoals getoond in figuur 6b, alleen stroom stroomt door een dubbele stip op drie plaatsen. De nul-elektron regime wordt bereikt wanneer er geen drie plaatsen kan worden waargenomen in de stabiliteitsdiagram, hoe negatiever de spanningen op de poorten worden. Echter, het feit dat huidige niet langer stroomt door de punt voor hoge spanningen ook dat de tunnel barrières sluitening de bron en afvoer naar de dubbele punt hebt helemaal uit geknepen geweest. Spin blokkade kan worden gemeten op verschillende drie plaatsen te tonen dat de enkele-elektron regime bereikt 12, maar het exacte aantal elektronen in een dubbele punt moet worden bepaald met lading sensing. Voor meer gedetailleerde informatie over de stabiliteit diagrammen, blokkade spin en lading sensing zie R. Hanson et al. 13.

Figuur 1
Figuur 1. a) Volgorde van lagen aanwezig in een GaAs / AlGaAs heterostructuur gegroeid met moleculaire bundel epitaxie. b) Bandenstructuur van de heterostructuur weergegeven in een). B c B en v respectievelijk de geleiding en valentiebanden. De enige regio waar de geleidingsband is onder het Fermi-niveau (E f) is gevonden tussen de 5000 Å laag van GaAs en 400 Å laag AlGaAs. Het is hier dat de 2DEG wordt gevonden. Klik hier voor grotere afbeelding .

Figuur 2
Figuur 2. Schema van de metalen poortelektroden (donkergrijs) van een dubbele quantum dot afgezet op een GaAs / AlGaAs heterostructuur. Het 2DEG wordt in oranje en de lege gebieden zijn wit. De zwarte vierkanten vertegenwoordigen ohmse contacten en de pijlen geven de stroom door de stip en het quantum puntcontact (QPC). De twee punten zijn in het oranje gebieden waar elektronen steeds in het midden van de lege zone blijven. Gates BL en BR gebruikt om respectievelijk het aantal elektronen aan de linker en rechter dots controleren. BC en TC con TROL de tunnel barrière tussen de twee punten. TL wordt gebruikt om de tunnel barrière tussen de bron en de linker stip afstemmen terwijl TR stemt de barrière tussen het juiste punt en de afvoer. Klik hier voor grotere afbeelding .

Figuur 3
Figuur 3. (A) Schematische voorstelling van een Ni / Ge / Au ohms contact (gouden rechthoeken) verspreid door snel thermisch gloeien van het oppervlak van het monster naar de 2DEG. (B) Zij mening van het oppervlak van het monster, dat is geëtst op de mesa te maken. Klik hier voor grotere afbeelding .

581/50581fig4.jpg "width =" 600px "/>
Figuur 4. Optische microscoop beelden van een dubbele quantum dot apparaat na verschillende stappen van het fabricageproces. (A) apparaat na het etsen van de mesa (stap 1). De lichtgrijze gebieden weggeëtst waardoor de elektrische stroom stroomt door deze regio, terwijl de donkergrijze gebieden nog aanwezig een 2DEG. (B) Apparaat na de vervaardiging van de ohmse contacten (stap 2). De ohmse contacten zijn de gouden vierkanten. (C) apparaat na de vervaardiging van de Ti / Au Schottky leidt (stap 3). De draden zijn de witte lijnen in het midden van het beeld. (D) Inrichting na de vervaardiging van het Al Schottky leidt en poorten (stap 4). Deze worden gevonden in de groene vlak in het midden van het beeld. Een SEM beeld van de poorten die de quantum dots definieert ook (e) apparaat weergegeven. Na de vervaardiging van de Schottky leads en bindingspaden (stap 5).:/ / Www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "target =" _blank "> Klik hier voor grotere afbeelding.

Figuur 5
Figuur 5. Stroom van bron tot afvoer als functie van de spanning op verschillende paren poorten. Het opraken van de electron gas begint bij ongeveer -400 mV en eindigde bij ~ -700 mV. De spanning voorspanning aangebracht tussen de bron en de afvoer is 500 mV en de stroom wordt gemeten door een twee-punts meting. Alle bochten worden genomen op 1,4 K. Klik hier voor grotere afbeelding .

Figuur 6
Figuur 6. (A) Schema vanideaal stabiliteitsdiagram dat zou worden verkregen met een VPE. Lijnen kunnen worden waargenomen wanneer een elektron tunnels op een punt of tussen de punten. De zwarte cirkels geven drie plaatsen waar het mogelijk is om stroom door de stip. (B) Stabiliteit diagram verkregen door meting van de stroom die door de stip met TL = -100 mV, TC = -350 mV, TR = -1080 mV , BC = -1160 mV, VPE = -600 mV en een bron-drain vooringenomenheid van 10 mV. Het monster werd schuine gekoeld met een spanning V = 500 mV bij elke poort, die alle de depletie en pinch-off points verschuift met ongeveer 500 mV en vermindert telegram ruis in het experiment 14. Voor dit type stabiliteitsdiagram, worden alleen de drie plaatsen zichtbaar mogen zijn, zoals het geval is voor de negatieve spanning. In zowel (a) en (b), het aantal (L, R) dan het aantal elektronen in de linker en rechter stip voor verschillende waarden van de spanningen op de BL en BRpoorten. De groene lijnen in (b) zijn gidsen voor de regio te tonen met een constant aantal elektronen. Klik hier voor grotere afbeelding .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De hierboven gepresenteerde beschrijft de fabricage-protocol van een dubbele quantum dot in staat om de paar-elektron regime bereiken. Echter, kunnen de parameters gegeven afhankelijk van het model en de ijking van de gebruikte apparatuur. Daarom zal parameters zoals de doses van blootstelling tijdens de e-beam en fotolithografie stappen worden gekalibreerd vóór de vervaardiging van apparaten. De werkwijze kan gemakkelijk worden aangepast aan de vervaardiging van gate gedefinieerde quantum dots van andere soorten substraten, zoals Si / SiGe, dat ook aanwezig een 2DEG.

Voor bepaalde apparaten, zoals verticale quantum dots, worden de tunnelbarrière van de bron en de afvoer naar de stip bepaald tijdens fabricage en kan daarna worden 5 gevarieerd. Een voordeel van gate-gedefinieerde laterale quantum dots is dat de tunnel belemmeringen voor de punt en tussen de punten elektrisch kan worden bediend. Echter, omdat dit, zorg moet worden genomendeze waarden tijdens de manipulatie van de spanningen op de andere poorten waarin de stip handhaven.

Het is belangrijk om te onthouden dat, wanneer het aantal elektron-regeling is bereikt, het doel is om de spintoestanden van de elektronen manipuleren op de stip kwantum berekeningen. De toestanden 0 en 1 van het qubit met succes toegepast in de op en neer spintoestanden van een enkel elektron 15 en in de ST en ST 16 0 + 17 toestanden van twee spins. Koppeling tussen twee qubits bovendien resulteert gebruik van deze apparaten 18. Een van de belangrijkste nadelen van laterale quantum dots in GaAs / AlGaAs de samenhang korte tijd (de tijd gedurende welke de spintoestand van de elektronen in de punt wordt bewaard) door interactie met de kernspins van de atomen die het substraat 19. Dit heeft geleid tot het onderzoek van laterale quantum dots in materialen zoals silicium (Si/ SiGe heterostructuren 20) en koolstof (grafeen 21) die isotopen die vrij zijn van de nucleaire spin en zullen naar verwachting leiden tot een theoretisch lange samenhang keer hebben. Echter, deze apparaten hebben nog niet de resultaten van de controle te bereiken en uitlezing verkregen dots in GaAs / AlGaAs. Lopende werkzaamheden met GaAs / AlGaAs dubbele quantum dots omvat ook koppeling van het apparaat naar een microgolfresonator 22 en de integratie van micromagnets om sneller te draaien operaties toestaan ​​23.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

De auteurs danken Michael Lacerte voor technische ondersteuning. MP-L. erkent het Canadese Institute for Advanced Research (CIFAR), de Natuurwetenschappen en Engineering Research Council of Canada (NSERC), de Canadese Stichting voor Innovatie (CFI) en het Fonds de Recherche Quebec - Nature et Technologies (FRQNT) voor financiële steun. Het apparaat hier gepresenteerd werd gefabriceerd op CRN2 en IMDQ faciliteiten, deels gefinancierd door NanoQuébec. Het GaAs / AlGaAs substraat werd gefabriceerd door ZR Wasilewski van het Instituut voor Microstructuurbeheersing Wetenschappen aan de National Research Council Canada. JCL en CB-O. erkennen CRSNG en FRQNT voor financiële steun.

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