Nanofabrication de la porte définis-GaAs / AlGaAs latéraux Quantum Dots

Engineering

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Summary

Cet article présente un protocole de fabrication détaillé pour porte-définies semi-conducteurs latéraux points quantiques sur des hétérostructures d'arséniure de gallium. Ces dispositifs nanométriques sont utilisés pour piéger quelques électrons pour être utilisé comme bits quantiques dans le traitement quantique de l'information ou pour d'autres expériences mésoscopiques telles que les mesures de conductance cohérentes.

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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

Un ordinateur quantique est un ordinateur composé de bits quantiques (qubits) qui tire profit des effets quantiques, comme superposition d'états et l'intrication, de résoudre certains problèmes de façon exponentielle plus rapide qu'avec les meilleurs algorithmes connus sur un ordinateur classique. Porte-défini points quantiques latéraux sur GaAs / AlGaAs sont l'une des nombreuses pistes explorées pour la mise en œuvre d'un qubit. Lorsqu'il est correctement fabriqué, un tel dispositif est capable de piéger un petit nombre d'électrons dans une certaine région de l'espace. Les états de spin de ces électrons peuvent alors être utilisés pour mettre en œuvre la logique 0 et 1 du bit quantique. Compte tenu de l'échelle nanométrique de ces quantum dots, les installations salles blanches offrant des équipements, tels spécialisé comme microscopes électroniques à balayage et par faisceau d'électrons évaporateurs sont nécessaires à leur fabrication. Un grand soin doit être pris tout au long du processus de fabrication pour maintenir la propreté de la surface de l'échantillon et pour éviter d'endommager les portes fragiles de la structure. Ce papierprésente le protocole de fabrication détaillés de la porte définis par les points quantiques latéraux de la plaquette à un dispositif de travail. Méthodes de caractérisation et les résultats représentatifs sont également brièvement discuté. Bien que ce document se concentre sur les doubles points quantiques, le processus de fabrication reste le même pour les points uniques ou triple ou même les tableaux de points quantiques. Par ailleurs, le protocole peut être adapté pour la fabrication de points quantiques latéraux sur d'autres substrats, tels que Si / SiGe.

Introduction

Quantum sciences de l'information a attiré beaucoup d'attention depuis qu'il a été montré que les algorithmes quantiques peuvent être utilisés pour résoudre certains problèmes de façon exponentielle plus rapide qu'avec les meilleurs algorithmes classiques connus 1. Un candidat évident pour un bit quantique (qubit) est le spin de l'électron unique confiné dans une boîte quantique, car il s'agit d'un système à deux niveaux. De nombreuses architectures ont été proposées pour la mise en œuvre des points quantiques, y compris les semi-conducteurs nanofils 2, nanotubes de carbone 3, les points quantiques auto-assemblées 4 et 5 semi-conducteurs verticaux et les points quantiques latéraux 6. Points quantiques latéraux porte-définies dans GaAs / AlGaAs hétérostructures ont eu beaucoup de succès en raison de leur polyvalence et de leur processus de fabrication est au centre du présent document.

Dans les boîtes quantiques latéraux, le confinement des électrons dans la direction perpendiculaire à la surface de l'échantillon (direction z) is obtenu en choisissant le substrat approprié. La modulation hétérostructure GaAs dopé / AlGaAs présente un gaz d'électrons bidimensionnel (2 DEG) confiné à l'interface entre les AlGaAs et les couches de GaAs. Ces échantillons sont cultivés par épitaxie par jets moléculaires pour obtenir une faible densité d'impuretés qui, combinée à la technique de modulation-dopage, conduit à une forte mobilité des électrons dans le 2DEG. Un schéma des différentes couches de l'hétérostructure ainsi que sa structure de bande sont présentés dans la figure 1. Une grande mobilité électronique est nécessaire dans le 2DEG pour assurer la cohérence des états électroniques sur toute la surface de la boîte quantique. Le substrat utilisé pour le processus de fabrication décrit ci-dessous a été acheté par le Conseil national de recherches du Canada et présente une densité d'électrons de 2,2 x 10 11 cm -2 et une mobilité des électrons de 1,69 x 10 6 cm 2 / Vsec.

Le confinement des électrons dans les directions Parallel à la surface de l'échantillon est obtenue en plaçant des électrodes métalliques sur la surface du substrat. Lorsque ces électrodes sont déposées sur la surface de l'échantillon de GaAs, les barrières de Schottky sont formées 7. Tensions négatives appliquées à ces électrodes conduisent à des obstacles locaux dans le 2DEG dessous de laquelle seuls les électrons avec une énergie suffisante peut traverser. L'appauvrissement de la 2DEG se produit lorsque la tension appliquée est assez négatif qu'aucun électrons ont assez d'énergie pour franchir la barrière. Par conséquent, en choisissant soigneusement la géométrie des électrodes, il est possible de piéger un petit nombre d'électrons entre les régions appauvries de l'échantillon. Le contrôle du nombre d'électrons sur le point, ainsi que l'énergie à effet tunnel entre le point et la 2DEG dans le reste de l'échantillon peut être obtenue par réglage fin des tensions sur les électrodes. Un schéma des électrodes de grille et le gaz d'électrons appauvri est montré à la figure 2. Le design des structures de grille formant le point se trouve dansinspiré par le design utilisé par Barthel et al. 8

Pour contrôler et consulter les informations concernant le nombre d'électrons sur le point, il est utile pour induire et mesurer le courant à travers la dot. Lecture peut aussi être fait en utilisant un Quantum Point de Contact (QPC), qui exige également un courant à travers le 2DEG. Le contact entre les sources 2DEG et la tension est assurée par les contacts ohmiques. Ce sont des tampons métalliques qui sont diffusés à partir de la surface de l'échantillon tout en bas de la 2DEG l'aide d'un rapide processus de recuit thermique standard 7 (voir figures 3a et 4b). Pour éviter les courts-circuits entre la source et le drain, la surface de l'échantillon est gravée de manière que le 2DEG est épuisée dans certaines régions et le courant est forcé de voyager à travers certains canaux spécifiques (voir les figures 3b et 4a). La région où le 2DEG reste est considéré comme le «Mesa».

Les détails du protocole ci-après l'intégralité du processus de fabrication d'un porte-défini de points quantiques latéraux sur un substrat de GaAs / AlGaAs. Le processus est évolutif, car il reste le même, peu importe si le dispositif est fabriqué est un simple, double, triple ou quantum dot ou même un réseau de points quantiques. Manipulation, la mesure, et les résultats de doubles points quantiques fabriqués en utilisant cette méthode sont décrits dans d'autres sections.

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Protocol

Le procédé de fabrication décrit ci-dessous est faite sur une GaAs / AlGaAs substrat avec des dimensions de 1,04 x 1,04 cm. Vingt appareils identiques sont fabriqués sur un substrat de cette taille. Toutes les étapes du processus sont effectués dans une salle blanche et un équipement de protection approprié doit être utilisé à tout moment. Eau déminéralisée est utilisée tout au long du processus, mais elle est simplement appelée «eau» dans le protocole ci-dessous.

1. La gravure de la Mesa

Le résultat de cette étape de fabrication est illustré à la figure 4a.

  1. Placer l'échantillon dans un Asher plasma avec un plasma O 2 à 75 W pendant 2 min pour éliminer les traces de composés indésirables résister ou organique.
  2. Nettoyer l'échantillon dans un bain à ultrasons avec de l'acétone (2x) et IPA pendant 5 minutes chacun. Séchez avec un pistolet N 2 comprimé. Tout au long du protocole de fabrication, l'utilisation d'un bain à ultrasons, évitez d'utiliser des puissances élevées pour éviter d'endommager la tranche de GaAsqui a tendance à cliver.
  3. Cuire l'échantillon dans une étuve à 125 ° C pendant au moins 15 min pour déshydrater la surface. La déshydratation peut également être réalisée en plaçant l'échantillon sur une plaque chauffante à 180 ° C pendant au moins 5 min.
  4. Spin manteau de l'échantillon avec Shipley S1818 résine photosensible à 3500 rpm pendant 30 secondes et faire cuire sur une plaque chauffante à 115 ° C pendant 60 sec. La couche de résister obtenue doit être épaisse d'environ 2,5 um. S1818 est utilisé parce qu'il est épais et est très peu touchée par la solution utilisée dans l'étape 1.11 pour graver le substrat. Tout au long du processus de fabrication, il est important d'éviter surcuisson résine photosensible et e-beam résister à assurer un retrait facile dans les étapes suivantes.
  5. Utilisation d'un dispositif d'alignement de masque de photolithographie et un masque bourrelet de bord afin d'exposer la résine photosensible sur le bord extérieur de l'échantillon. Le masque bourrelet de bord est constitué d'un carré de 1 cm x 1 de chrome sur une plaque de verre. Utilisez la lumière avec une longueur d'onde de 436 nm et d'exposer la résister pendant 10 secondes à 15m W / cm 2. Le wavelength et la puissance sont fixés et peuvent varier selon l'appareil utilisé. Réglez le temps d'exposition et de développement afin d'obtenir des caractéristiques bien définies de la bonne taille.
  6. Développer exposé résister en plongeant l'échantillon dans MF-319 pendant 2 min 10 sec. Agiter lentement au cours de cette étape. Rincer à l'eau pendant 15 secondes et sécher avec un pistolet N 2 comprimé. Le bourrelet de bord doit être supprimée à la fin de cette étape, ce qui laisse une surface de 1 cm x 1 avec une épaisseur uniforme de résister au milieu de l'échantillon. Le bourrelet de bordure est enlevée avant d'exposer le masque mesa pour obtenir un meilleur contact entre le masque et l'échantillon, ce qui conduit à de meilleurs résultats.
  7. Toujours en utilisant le dispositif d'alignement de masque de photolithographie, exposer la résistance en utilisant le masque mesa et 436 nm lumière pour 7 sec à 15 mW / cm 2.
  8. Développer l'exposé résister en plongeant l'échantillon dans MF-319 pendant 2 min 10 sec et en agitant lentement. Rincer pendant 15 secondes dans de l'eau et sécher avec un pistolet N 2 comprimé. Le résister remaining sur l'échantillon a maintenant la forme de la mesa. Le résister permettra de protéger cette région de l'échantillon d'être gravé loin dans les étapes qui suivent.
  9. Pour supprimer toutes les traces de résister à la zone précédemment exposée, l'échantillon est placé dans un Asher plasma et est exposé à un plasma O 2 pendant 1 min à 75 W.
  10. Une solution de H 2 SO 4: H 2 O 2: H 2 O (05:01:55) est utilisé pour graver l'échantillon. Combiner les bonnes proportions de H 2 O 2 et de l'eau, puis ajouter le H 2 SO 4. Cette solution est très réactive lorsqu'elle est d'abord préparée. Attendez 20 min avant de passer à l'étape suivante pour éviter de sur-gravure.
  11. Gravure de l'échantillon en l'immergeant dans la solution acide pendant quelques secondes et rincer immédiatement dans l'eau pendant 30 secondes pour arrêter la réaction. La surface de l'échantillon doit être gravé passé la couche de dopants Si et presque tout le chemin jusqu'à la 2DEG pour assurer l'épuisement dans ces régions (SEe Figure 1). La profondeur de gravure peut varier en fonction du substrat. En règle générale, pour le type de substrat utilisé, une immersion sec 34 mène à la profondeur de gravure désirée de 90-100 nm. Cependant, il est important de ne pas surgraver pour éviter d'endommager le 2DEG. Depuis la vitesse de gravure varie fortement avec le rapport de H 2 SO 4 et H 2 O 2 dans la solution ainsi que le temps d'attente avant la gravure, il est recommandé d'effectuer la gravure par plusieurs immersions de 5-10 sec, au lieu d'un seul 34 sec gravure, et de mesurer la profondeur gravée avec un profilomètre après chaque gravure. La vitesse de gravure relativement lente de cette solution permet un bon contrôle de la profondeur de gravure. Le refroidissement de la solution de gravure inférieure à la température de la pièce peut entraîner une baisse des vitesses de gravure. Toutefois, puisqu'il s'agit d'une gravure peu profonde et le profil d'attaque est sans importance, différentes solutions de gravure peuvent également être utilisés.
  12. Bande de la résistance en plongeant l'échantillon en 1165 Remover à 65 ° C pendant 3 heures. Rincerdans de l'acétone et de l'IPA pendant 5 minutes chacun. Mesurer le profil de gravure avec un profilomètre.

2. La fabrication des contacts ohmiques

Le résultat de cette étape de fabrication est illustré à la figure 4b.

  1. Nettoyer l'échantillon dans un bain à ultrasons par immersion dans de l'acétone (2x) et IPA pendant 5 minutes chacun. Sécher avec un pistolet N 2 comprimé.
  2. Cuire l'échantillon dans une étuve à 125 ° C pendant 15 minutes pour déshydrater la surface.
  3. Spin manteau avec LOR5A à 2500 rpm pendant 30 secondes et faire cuire sur une plaque chauffante à 150 ° C pendant 10 min. Ensuite, tourner manteau avec S1813 à 5000 rpm pendant 30 secondes et cuire sur une plaque chauffante à 110 ° C pendant 60 sec. L'épaisseur de résister résultant sont ~ 600 nm et ~ 1,3 um, respectivement. Deux couches de résister sont utilisés pour faciliter le décollage du métal qui sera déposé à l'étape 2.10.
  4. L'utilisation d'un dispositif d'alignement de masque de photolithographie et le masque de perles de bord, exposer la résister au Ed extérieurge de l'échantillon avec 436 nm lumière pendant 10 secondes à 15 mW / cm 2.
  5. Développer l'exposé résister en plongeant l'échantillon dans MF-319 pendant 2 min 10 sec tout en agitant doucement. Rincer à l'eau pendant 15 secondes et sécher avec un pistolet N 2 comprimé.
  6. Toujours en utilisant le dispositif d'alignement de masque de photolithographie, mais cette fois avec le masque de contact ohmique, aligner les modèles pour les contacts ohmiques sur la gravure mesa. Exposer à 436 nm lumière pendant 6 sec à 15 mW / cm 2.
  7. Développer la résistance à MF-319 pendant 2 min 10 sec tout en agitant doucement. Rincer à l'eau pendant 15 secondes et sécher avec un pistolet N 2 comprimé. Il n'y a plus résister dans les régions où les contacts ohmiques seront déposés. Révélateur dissout le 5A LOR plus rapide que la S1813, laissant une contre-dépouille en dessous de la couche supérieure de résist. Ce profil dans la résine empêche le métal (qui sera déposé à l'étape 2.10) à partir des parois formant les bords de la résine et permet également une remova facilel de la réserve restante et le métal indésirable.
  8. Pour supprimer toutes les traces de résister à la zone précédemment exposée, placer l'échantillon dans un Asher plasma et de l'exposer à un plasma O 2 pendant 1 min à 75 W. Il est important de ne pas laisser l'échantillon reposer pendant trop longtemps dans le plasma car environ 75 nm / min de résister est gravée au cours de cette étape.
  9. Retirer l'oxyde natif de GaAs en plongeant l'échantillon dans une solution de H 2 SO 4: H 2 O (1:5) pendant 30 sec, et le rinçage dans l'eau pendant 30 sec. Sécher avec un pistolet N 2 comprimé. Étape 2.10 doit être effectuée le plus tôt possible afin d'éviter l'oxyde natif de réapparaître.
  10. Utilisez un évaporateur e-beam à déposer 25 nm de Ni, 55 nm de Ge, et 80 nm de Au. Les taux de dépôt sont respectivement de 0,2 nm / s, 0,5 nm / s et 0,5 nm / s. Les vitesses de dépôt sont choisies de sorte que le temps d'évaporation est suffisamment courte pour éviter de chauffer la chambre sans être aussi court que perdre de la précision de l'épaisseur de til couche déposée. Le bi-couche de Ge et Au peut être remplacé par une seule couche de GEAU eutectique si elle est disponible 9.
  11. L'étape précédente métal déposé sur toute la surface de l'échantillon. L'élimination du métal qui est déposé sur la résine se fait par dissolution de celui-ci. Pour ce faire, plonger l'échantillon en 1165 Remover à 65 ° C pendant 3 heures. Pour supprimer tous les métaux indésirables qui peuvent ne pas avoir levé sur son propre, utiliser une pipette pour vaporiser légèrement la surface de l'échantillon avec du dissolvant à chaud. Rincer l'échantillon dans de l'acétone et de l'IPA pendant 5 minutes chacun.
  12. Un recuit de traitement thermique rapide dans le gaz de formage est utilisée pour diffuser le métal déposé jusqu'à la 2DEG de l'échantillon. La température est augmentée à une vitesse de 50 ° C / s jusqu'à une température de 415 ° C est atteinte. L'échantillon est laissé à cette température pendant 20 secondes et est ensuite refroidi rapidement. La durée et la température du recuit sont choisies pour obtenir la plus petite résistance à travers les contacts ohmiques à faibletempérature. Le temps de recuit optimal peut varier en fonction de la profondeur de la 2DEG dans le substrat.

3. Fabrication du Ti / Au Schottky Leads

Le résultat de cette étape de fabrication est présentée dans la figure 4c.

  1. Nettoyer l'échantillon dans un bain à ultrasons par immersion dans de l'acétone (2x) et IPA pendant 5 minutes chacun. Sécher avec un pistolet N 2 comprimé.
  2. Cuire l'échantillon dans une étuve à 125 ° C pendant 15 minutes pour déshydrater la surface.
  3. Spin manteau PMMALMW4% à 5000rpm pendant 30 sec et cuire sur une plaque chauffante à 180 ° C pendant 90 secondes. Ensuite, tourner manteau PMMA HMW 2% à 5000 rpm pendant 30 secondes et cuire sur une plaque chauffante à 180 ° C pendant 90 secondes. L'épaisseur de résister résultant sont ~ 75 nm et environ 40 nm, respectivement. Depuis les fils Ti / Au seront très mince, une seule couche de PMMA peut être utilisé, mais les paramètres de rotation, l'exposition et le développement devra être ajustée en conséquence. Cette remarque s'applique également à til Al pistes et portails (étape 4).
  4. Processus E-beam: Cette partie du processus est très dépendante de l'équipement utilisé et le protocole nécessaire peuvent donc différer considérablement de celle décrite ci-dessous. Les tendances pour les fils sont tirés dans un fichier CAO. Dans ce fichier, les pistes doivent être rédigées sous forme de polygones fermés qui sont de 2 m de large. Les fils sont nécessaires pour communiquer avec les plots de connexion (fabriqué à l'étape 5) à l'Al portes (fabriqué à l'étape 4). Quatre repères d'alignement doivent également être exposés à permettre l'alignement vertical, horizontal et de rotation des fils d'Al et portails sur le Ti / Au Schottky conduit.
    1. Placer l'échantillon dans un microscope électronique à balayage (SEM) qui est équipé pour faire lithographie e-beam. Utilisation d'une ouverture de 10 pm pour réduire la taille du point du faisceau et régler la tension d'accélération de 10 kV pour assurer un bon contraste lors de l'alignement sur les structures précédemment fabriqués. Ajustez la mise au point, la stigmatisation, mais l'alignement ouverture.Mesurer le courant avec une cage de Faraday faisceau.
    2. Aligner le faisceau avec la mesa précédemment gravé et régler l'agrandissement de 300X.
    3. Exposer les pistes. Le SEM est programmé pour exposer les zones souhaitées en les remplissant d'un réseau de points exposés. La distance entre ces points (distance centre-à-centre) est de 5,5 nm, et la dose est de 43 pC / cm 2 (le temps d'exposition dépend du courant de faisceau mesurée à l'étape 3.5.1). Expose marques d'alignement de même pour permettre l'alignement de l'Al portes avec les fils de Ti / Au, dans l'étape 4.
    4. Répéter les étapes 3.5.2 et 3.5.3 pour chacun des 20 dispositifs sur l'échantillon.
  5. Développer la résistance en plongeant l'échantillon dans de l'IPA: H 2 O (9:1) pendant 30 secondes. La solution doit être à une température de 20 ° C. Rincer à l'eau pendant 30 secondes et sécher avec un pistolet N 2 comprimé. Si l'on préfère, le PMMA résiste peuvent être développées en utilisant une IPA: solution MIBK et rinçage à l'IPA pour arrêter la réaction. Un autre dtemps de éveloppement sera nécessaire si cette option est choisie.
  6. Placer l'échantillon dans un Asher plasma et de l'exposer à un plasma O 2 pendant 4 sec à 50 W. Cela supprime 5 nm de résister et assure qu'il n'ya pas de résister à gauche au fond des tranchées formées au cours du processus e-beam.
  7. Retirez l'oxyde natif GaAs en plongeant l'échantillon dans une solution de H 2 SO 4 H 2 O (1:5) pendant 30 secondes et rincez à l'eau pendant 30 secondes. Sécher avec un pistolet N 2 comprimé. Étape 3.8 doit être effectuée le plus tôt possible afin d'éviter l'oxyde natif de réapparaître.
  8. Placer l'échantillon dans un évaporateur et le dépôt par faisceau d'électrons de 10 nm de Ti et de 20 nm de Au, tous deux à une vitesse de 0,1 nm / sec. Il est important pour le titulaire de l'échantillon soit bien mis à la terre et placé à au moins 60 cm de la source pour éviter l'accumulation de charges sur l'échantillon pendant le processus de dépôt.
  9. Lift-off excès de métal en plongeant l'échantillon en 1165 Remover à 65 °C pendant 15 min. Pour supprimer tous les métaux indésirables qui peuvent ne pas avoir levé sur son propre, utiliser une pipette pour vaporiser légèrement la surface de l'échantillon avec du dissolvant à chaud. Rincer à l'acétone et de l'IPA pendant 5 minutes chacun.

4. Fabrication des fils et portails Al Schottky

Le résultat de cette étape de fabrication est illustré à la figure 4d.

La fabrication de l'Al Schottky mène et des portes constitue l'étape la plus critique du processus de fabrication puisque ce sont les portes qui définissent le point. Il est important que le faisceau d'électrons être bien concentré et le courant du faisceau bien réglé à l'étape 4.2. L'exposition et les délais de développement doivent aussi être bien ajustés pour obtenir de petites portes, continues et bien défini. Dans de nombreux protocoles, ces portes et conduit sont fabriqués en Ti / Au et sont exposés simultanément avec les fils précédents lors de l'étape 3. Cependant, un avantage de l'utilisation Al est qu'il peut être oxydé, therefminerai permettant éléments tels que haut portes à être déposé directement sur ​​la surface de l'échantillon, sans la nécessité d'une couche isolante 10 grand.

  1. Répétez les étapes 3.1 à 3.4.2. Cependant, ne pas utiliser le bain à ultrasons pendant le nettoyage de l'échantillon pour éviter d'endommager les fils Ti / Au.
  2. Processus E-beam: Les tendances pour les fils et les portes Al sont dessinés dans un fichier CAO. Les fils d'Al sont utilisés pour communiquer avec le Ti / Au mène à la Al portes et sont attirés par des polygones fermés avec une largeur de 200 nm. Le Al portes ne sont cependant pas établi sous forme de polygones, mais plutôt comme deux lignes simples séparés par 20 nm.
    1. Une fois que la poutre a été alignée sur la mesa, régler le grossissement de 1500 X et aligner le faisceau avec le Ti / Au Schottky conduit.
    2. Exposer les pistes. Utilisation d'une dose de 43 pC / cm 2 et d'une distance de centre à centre de 3,3 nm.
    3. Exposer les portes. Utilisez une dose de ligne de 0.149 NF / cm et une distance de centre à centre de 1,1 nm. Cela conduira à unelargeur de la grille finale de 60 nm.
    4. Répéter les étapes 4.2.1 - 4.2.3 Pour chacun des 20 dispositifs sur l'échantillon.
  3. Répétez les étapes 3.5 à 3.7.
  4. Placer l'échantillon dans un évaporateur et le dépôt par faisceau d'électrons de 30 nm de Al à une vitesse de 0,3 nm / sec.
  5. Répétez l'étape 3.10. Il est important d'être très délicate avec l'échantillon de cette étape en avant pour éviter d'endommager les petites portes al.

5. Fabrication des fils Schottky et des plots de connexion

Le résultat de cette étape de fabrication est illustré à la figure 4e.

  1. Répéter les étapes 2.1 à 2.9, en utilisant un masque photolithographique pour la Schottky mène à la place du masque pour les plots ohmiques.
  2. Placer l'échantillon dans un évaporateur et le dépôt par faisceau d'électrons de 30 nm de Ti et 350 nm de Au à des taux de 0,3 nm / s et respectivement 1 nm / sec. L'épaisse couche de Au déposé facilite la liaison de l'échantillon sur le porte-échantillon, car elle est moins sensible à la déchirure que thinner couches.
  3. Décollage le métal en excès et en restant résistent en plongeant l'échantillon en 1165 Remover à 65 ° C pendant 3 heures. Pour supprimer tous les métaux indésirables qui peuvent ne pas avoir levé sur son propre, utiliser une pipette pour vaporiser légèrement la surface de l'échantillon avec du dissolvant à chaud. Rincer l'échantillon dans de l'acétone et de l'IPA pendant 5 minutes chacun.

6. Dicing des échantillons

  1. Cuire l'échantillon dans une étuve à 125 ° C pendant 15 minutes pour déshydrater la surface.
  2. Spin manteau avec S1818 à 3500 rpm pendant 30 secondes et faire cuire sur une plaque chauffante à 115 ° C pendant 1 min. L'épaisseur de cette couche de réserve n'est pas importante dans la mesure où il est suffisamment épais pour protéger la surface de l'échantillon pendant le découpage en dés.
  3. Placer une couche de découpe du ruban adhésif sur les faces supérieure et inférieure de l'échantillon. La couche de ruban adhésif sur la face supérieure offre une couche supplémentaire de protection à l'appareil lors de dés.
  4. Placer l'échantillon face vers le haut dans un Dicer. Couper l'échantillon dans des dispositifs individuels en découpanttout au long de la couche supérieure de la bande de découpage et le GaAs / AlGaAs plaquette sans couper à travers la couche inférieure du ruban de découpe.
  5. Retirer le ruban de découpe et le protecteur de réserve en plaçant l'échantillon dans de l'acétone pendant quelques minutes. Utilisez des pinces pour tirer délicatement des morceaux de ruban de découpe qui ne soulevez pas de leur propre chef. Rincer les appareils dans IPA et sécher à l'aide d'une arme à feu N 2.

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Representative Results

L'une des étapes cruciales du processus décrit ci-dessus est la gravure de la mesa (étape 1). Il est important de suffisamment de gravure pour enlever le dessous 2DEG tout en évitant de sur-gravure. Par conséquent, il est recommandé d'utiliser un échantillon de GaAs factice essentiel de tester la solution de gravure avant d'effectuer la gravure sur les GaAs / AlGaAs échantillon. La vitesse de gravure du GaAs / AlGaAs est plus grande que celle de GaAs, mais la gravure du mannequin peut donner une indication pour savoir si la solution est plus ou moins réactifs que d'habitude et le temps de gravure de l'échantillon réel peut être ajustée en conséquence.

Une fois que les appareils ont été fabriqués, ils sont prêts à être attaché à un porte-échantillon en utilisant époxy argent. collage de fil entre les plots de connexion de l'échantillon et les broches de connexion du porte-échantillon est effectuée en utilisant 25 um Al fil. Il est préférable d'éviter l'observation des dispositifs dans un microscope électronique à balayage (MEB), car il ya un risque de les endommager. Plutôt, Il existe des tests simples qui peuvent être faites à des températures relativement élevées (~ 4 K) et qui permettent de confirmer si l'une des portes sont cassés ou manquants avant de refroidir l'échantillon dans un réfrigérateur à dilution pour une caractérisation plus poussée. L'un de ces tests consiste à appliquer une tension de polarisation entre les deux contacts ohmiques et de mesurer le courant conduit à travers l'échantillon en fonction de la tension appliquée sur une paire de portes. Un exemple de ces mesures est illustré à la figure 5. Les courbes de la figure 5 montrent deux régimes distincts. Les premières plages de régime à partir de 0 V à -750 mV et présente deux étapes de l'épuisement: l'un à propos de-300mV correspondant à l'épuisement des nm de large conduit 200 et un à propos de-750mV correspondant à l'épuisement des nm de large portes 60. Le second régime à des tensions inférieures montre plateaux qui correspondent à la quantification de la conductance. Les valeurs typiques pour les points de pincement entre des paires de gamme portes entre-500mV à 2V. En outre, unene devrait pas s'appliquer tension positive au-dessus de 500 ou 600 mV sur une porte, car elle pourrait endommager la barrière de Schottky. De la figure 5, il est possible de conclure que, dans le cas de cet exemple particulier, les portes sont susceptibles d'être homothétique depuis le TC-TL et paires TC-TR pincent le courant à des tensions à peu près égales. La même chose vaut pour le TC-BL et paires TC-BR. Cependant, le fait que le courant passe toujours entre le TC et BC portes même pour de fortes tensions indique que la porte BC est soit brisé ou manquant. Habituellement, environ 50% des appareils testés ont portes entièrement fonctionnels et des contacts ohmiques.

Une fois qu'un dispositif approprié a été trouvé, il peut être chargé dans un réfrigérateur à dilution pour la caractérisation à basse température (<100 mK). Les tensions sur chacune des portes doivent ensuite être ajustées pour former le double point. Ce n'est pas le but de cet article au détail de ce processus d'ajustement. Une fois un double point a été formé, une stabilisationty schéma peut être mesurée afin de vérifier si le double point peut atteindre le régime quelques électrons. Cela se fait en appliquant une petite polarisation drain-source constante (~ 10 mV) et en mesurant le courant traversant le double point en fonction des tensions appliquées sur les grilles BL et BR. Si la conception de l'appareil comprend un contact ponctuel quantique qui sert de détecteur de charge, il est préférable d'utiliser, au lieu du courant traversant le point, pour la mesure du diagramme de stabilité 11. Un diagramme de stabilité mesuré et un schéma d'un résultat idéal sont présentés dans la figure 6. Comme le montre la figure 6b, que le courant traverse le double point à points triples. Le régime zéro électronique est atteint lorsque plus aucun point triple peuvent être observées dans le diagramme de stabilité, quel que soit le négatif, les tensions sur les portes devenir. Cependant, le fait que le courant ne passe plus à travers le point de tensions élevées peut également indiquer que les barrières tunnel connecterment la source et le drain au double point ont été complètement pincé. blocus d'essorage peut être mesurée à différents points triples de prouver que le régime quelques électrons a atteint 12, mais le nombre exact des électrons dans le double point doit être déterminé en utilisant la détection de charge. Pour des informations plus détaillées sur les diagrammes de stabilité, le blocus de spin et la détection de charge voir R. Hanson et al 13.

Figure 1
Figure 1. a) la séquence de couches présente dans une hétérostructure GaAs / AlGaAs par épitaxie par jets moléculaires. b) la structure de la bande de l'hétérostructure montré en a). B c et B v sont respectivement les bandes de conduction et de valence. La seule région où la bande de conduction est en dessous du niveau de Fermi (E f) is trouve entre la couche A 5000 de GaAs et l'd'une couche de AlGaAs 400. C'est ici que le 2DEG se trouve. Cliquez ici pour agrandir l'image .

Figure 2
Figure 2. Schéma des électrodes de grille métallique (gris foncé) d'une double boîte quantique déposée au-dessus d'un GaAs / AlGaAs. L'2DEG est indiqué en orange et les régions appauvries sont blancs. Les carrés noirs représentent contacts ohmiques et les flèches indiquent le flux de courant à travers la dot et le contact ponctuel quantique (QPC). Les deux points sont situés dans des régions où les oranges électrons restent toujours au centre de la zone appauvrie. Portes BL et BR sont utilisées pour contrôler le nombre d'électrons sur les points gauche et droit respectivement. BC et TC con Trol la barrière tunnel entre les deux points. TL est utilisée pour syntoniser la barrière tunnel entre la source et le point gauche tandis que TR airs la barrière entre la droite dot et le drain. Cliquez ici pour agrandir l'image .

Figure 3
Figure 3. (A) Schéma de Ni / Ge / Au contact ohmique (rectangles d'or) diffusée par recuit thermique rapide à partir de la surface de l'échantillon vers le 2 DEG. (B) Vue latérale de la surface de l'échantillon qui est gravée pour créer la mesa. Cliquez ici pour agrandir l'image .

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Figure 4. Des images au microscope optique d'un dispositif à double point quantique après différentes étapes du procédé de fabrication. (A) Dispositif après la gravure du mesa (étape 1). Les zones grises légères ont été gravées loin empêcher le courant électrique de circuler à travers ces régions, tandis que les régions gris foncé présentent encore un 2DEG. (B) périphériques après la fabrication des contacts ohmiques (étape 2). Les contacts ohmiques sont les carrés d'or. (C) périphériques après la fabrication du Ti / Au Schottky conduit (étape 3). Les conducteurs sont des lignes blanches dans le centre de l'image. (D) Dispositif après la fabrication de l'Al et des barrières de Schottky conduit (étape 4). On les trouve dans le carré vert au centre de l'image. Un cliché MEB des portes utilisées pour définir les points quantiques est également indiquée. (E) Périphérique après la fabrication des fils Schottky et plots de connexion (étape 5).:/ / Www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "target =" _blank "> Cliquez ici pour agrandir l'image.

Figure 5
Figure 5. De passage de courant à partir de la source au drain en fonction de la tension appliquée sur les différentes paires de portes. L'épuisement du gaz d'électrons commence à ~ -400 mV et est terminée à ~ -700 mV. La tension de polarisation appliquée entre la source et le drain est de 500 mV et le courant est mesuré par une mesure en deux points. Toutes les courbes sont prises à 1,4 K. Cliquez ici pour agrandir l'image .

Figure 6
Figure 6. (A) Schéma d'Un diagramme de stabilité idéal qui serait obtenu en utilisant une QPC. lignes peuvent être observées quand un tunnel d'électrons sur un point ou entre les points. Les cercles noirs représentent des points triples, où il est possible pour le courant de s'écouler à travers le point. (B) diagramme de stabilité obtenu en mesurant le courant circulant à travers le point de TL = -100 mV, TC = -350 mV, TR = -1080 mV , BC = -1160 mV, QPC = -600 mV et une polarisation drain-source de 10 mV. L'échantillon a été refroidi biais d'une tension V = +500 mV sur chaque porte, qui se déplace tout le pincement des points épuisement et d'environ 500 mV et réduit le bruit télégraphique dans l'expérience 14. Pour ce type de diagramme de stabilité, seuls les points triples sont censés être visible, comme c'est le cas ici pour les tensions les plus négatifs. Dans les deux cas (a) et (b), le nombre (L, R) indiquent le nombre d'électrons dans le point de gauche et de droite pour les différentes valeurs des tensions sur le BL et BRportes. Les lignes vertes en (b) sont des guides pour montrer les régions avec un nombre constant d'électrons. Cliquez ici pour agrandir l'image .

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Discussion

Le processus présenté ci-dessus décrit le protocole de fabrication d'un double point quantique capable d'atteindre le régime quelques électrons. Toutefois, les paramètres indiqués peuvent varier selon le modèle et l'étalonnage de l'équipement utilisé. Par conséquent, les paramètres tels que les doses pour les expositions durant les étapes e-beam et photolithographie devront être étalonné avant la fabrication de dispositifs. Le processus peut facilement être adapté à la fabrication de porte-défini points quantiques sur d'autres types de substrats, tels que Si / SiGe, qui présentent également un 2DEG.

Pour certains types d'appareils, tels que les points quantiques verticaux, la barrière tunnel de la source et le drain à la dot sont déterminés lors de la fabrication et ne peut être modifiée par la suite 5. Un avantage de grille définis par les points quantiques latéraux est que les barrières tunnel au point ainsi que entre les points peuvent être commandés électriquement. Cependant, pour cette raison, il faut prendre soinà maintenir ces valeurs au cours de la manipulation des tensions sur les autres portes qui définissent le point.

Il est important de se rappeler que, une fois le régime quelques électrons a été atteint, l'objectif est de manipuler les états de spin des électrons sur le point d'effectuer des calculs quantiques. Les états 0 et 1 du qubit ont été mises en œuvre avec succès dans le haut et le bas états de spin d'un électron unique 15 ainsi que dans la ST et ST 16 0 + 17 états de deux spins. Couplage entre deux qubits ont également été réalisés en utilisant ces dispositifs 18. Cependant, un des inconvénients majeurs de points quantiques latéraux en GaAs / AlGaAs est le temps de cohérence courte (le temps pendant lequel l'état de spin des électrons dans le point est conservée) causée par l'interaction avec les spins nucléaires des atomes formant le substrat 19. Cela a conduit à l'enquête de points quantiques latéraux dans des matériaux tels que le silicium (Si/ SiGe hétérostructures 20) et de carbone (graphène 21) qui ont isotopes qui sont exempts de spin nucléaire et devraient conduire à des temps de cohérence théorique de long. Cependant, ces dispositifs n'ont pas encore atteint les résultats du contrôle et de lecture obtenue pour les points de GaAs / AlGaAs. Les travaux en cours impliquant GaAs / AlGaAs doubles points quantiques comprend également de couplage de l'appareil à un micro-résonateur 22 et l'intégration des micro-aimants pour permettre les opérations de tourner plus vite 23.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgements

Les auteurs remercient Michael Lacerte pour le support technique. MP-L. reconnaît l'Institut canadien de recherches avancées (ICRA), en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), la Fondation canadienne pour l'innovation (FCI) et le Fonds de Recherche Québec - Nature et technologies (FRQNT) pour leur soutien financier. Le dispositif présenté ici a été fabriqué à CRN2 et IMDQ installations, financées en partie par NanoQuébec. Les GaAs / AlGaAs substrat a été fabriqué par ZR Wasilewski de l'Institut des sciences des microstructures au Conseil national de recherches Canada. JCL et CB-O. reconnaître CRSNG et FRQNT d'un soutien financier.

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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