Nanofabrication de Puerta definidos GaAs / AlGaAs laterales puntos cuánticos

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Summary

En este trabajo se presenta un protocolo detallado para la fabricación de puertas definidas por puntos cuánticos semiconductores laterales en heteroestructuras de arseniuro de galio. Estos dispositivos a nanoescala se utilizan para atrapar a pocos electrones para su uso como bits cuánticos en el procesamiento de información cuántica o de otros experimentos mesoscópicas tales como mediciones de conductancia coherentes.

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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 ordenador cuántico es un equipo compuesto por bits cuánticos (qubits) que se aprovecha de los efectos cuánticos, tales como superposición de estados y el entrelazamiento, para resolver ciertos problemas exponencialmente más rápido que con los mejores algoritmos conocidos en un ordenador clásico. Puerta definido por los puntos cuánticos laterales sobre GaAs / AlGaAs son una de las muchas vías exploradas para la aplicación de un qubit. Cuando está correctamente fabricado, tal dispositivo es capaz de atrapar un pequeño número de electrones en una determinada región del espacio. Los estados de espín de estos electrones se pueden utilizar para implementar la lógica 0 y 1 del bit cuántico. Dada la escala del nanómetro de estos puntos cuánticos, instalaciones de salas limpias ofreciendo equipos especializados, tales como microscopios electrónicos de barrido y e-haz-evaporadores se requieren para su fabricación. Gran se debe tener cuidado en todo el proceso de fabricación para mantener la limpieza de la superficie de la muestra y para evitar daños en las puertas frágiles de la estructura. En este trabajo sepresenta el protocolo de fabricación detallados de la puerta definidas por los puntos cuánticos laterales de la oblea a un dispositivo de trabajo. También se discuten brevemente los métodos de caracterización y los resultados representativos. Aunque este documento se concentra en los puntos cuánticos dobles, el proceso de fabricación sigue siendo el mismo para los puntos individuales o triples o incluso matrices de puntos cuánticos. Por otra parte, el protocolo puede ser adaptado para la fabricación de puntos cuánticos laterales sobre otros substratos, tales como Si / SiGe.

Introduction

Ciencia de la información cuántica ha llamado mucho la atención desde que se demostró que los algoritmos cuánticos pueden ser utilizados para resolver ciertos problemas exponencialmente más rápido que con los mejores algoritmos clásicos conocidos 1. Un candidato obvio para un bit cuántico (qubit) es el espín de un solo electrón confinado en un punto cuántico, ya que es un sistema de dos niveles. Numerosos arquitecturas se han sugerido para la aplicación de los puntos cuánticos semiconductores, incluyendo nanocables 2, nanotubos de carbono 3, puntos cuánticos auto-ensambladas 4, 5 y semiconductores verticales y los puntos cuánticos laterales 6. Puntos cuánticos laterales Puerta definidos en GaAs / AlGaAs heteroestructuras han tenido mucho éxito debido a su versatilidad y su proceso de fabricación es el foco de este artículo.

En los puntos cuánticos laterales, el confinamiento de los electrones en la dirección perpendicular a la superficie de la muestra (dirección z) is lograrse mediante la elección del sustrato adecuado. La heteroestructura modulación-GaAs dopado / AlGaAs presenta un gas de electrones bidimensional (2DEG) confinado a la interfaz entre los AlGaAs y las capas de GaAs. Estas muestras se cultivan por epitaxia de haz molecular para obtener una baja densidad de impurezas que, en combinación con la técnica de modulación-dopaje, conduce a la alta movilidad de electrones en el 2DEG. Un esquema de las diferentes capas de la heteroestructura, así como su estructura de bandas se muestran en la Figura 1. Se necesita una alta movilidad de electrones en el 2DEG para garantizar la coherencia de los estados electrónicos en toda la superficie del punto cuántico. El sustrato utilizado para el proceso de fabricación se describe a continuación se adquirió en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá y presenta una densidad de electrones de 2,2 x 10 11 cm -2 y una movilidad de electrones de 1,69 x 10 6 cm 2 / VSEC.

El confinamiento de los electrones en las direcciones Parallel a la superficie de la muestra se logra mediante la colocación de electrodos metálicos en la superficie del sustrato. Cuando estos electrodos se depositan sobre la superficie de la muestra de GaAs, barreras de Schottky se forman 7. Voltajes negativos aplicados a dichos electrodos conducen a las barreras locales en el 2DEG debajo de la cual sólo los electrones con suficiente energía pueden cruzar. El agotamiento de la 2DEG se produce cuando la tensión aplicada es lo suficientemente negativo que no hay electrones tienen la energía suficiente para cruzar la barrera. Por lo tanto, eligiendo cuidadosamente la geometría de los electrodos, es posible atrapar un pequeño número de electrones entre las regiones de agotamiento de la muestra. Control del número de electrones en el punto, así como la energía de túnel entre el punto y el 2DEG en el resto de la muestra se puede lograr mediante el ajuste de los voltajes en los electrodos. Un diagrama esquemático de los electrodos de puerta y el gas de electrones agotado se muestra en la Figura 2. El diseño de las estructuras de compuertas que forman el punto está eninspirado por el diseño utilizado por Barthel et al. 8

Para controlar y leer información sobre el número de electrones en el punto, es útil para inducir y medir la corriente a través del punto. Lectura también se puede hacer mediante el uso de un punto de contacto Quantum (QPC), que también requiere una corriente a través de la 2DEG. El contacto entre las fuentes de 2 grados y la tensión está asegurada por los contactos óhmicos. Estas son pastillas metálicas que se difunden desde la superficie de la muestra hasta el fondo de la 2DEG usando un rápido proceso de recocido térmico estándar 7 (ver figuras 3a y 4b). Para evitar cortocircuitos entre la fuente y el drenaje, la superficie de la muestra se graba de manera que el 2DEG está agotado en ciertas regiones y la corriente se ve obligado a viajar a través de ciertos canales específicos (véanse las figuras 3b y 4a). La región en la que la 2DEG todavía queda se conoce como la "meseta".

Los siguientes datos de protocolo de todo el proceso de fabricación de una puerta definida por punto cuántico lateral en un sustrato de GaAs / AlGaAs. El proceso es escalable ya que sigue siendo la misma independientemente de si el dispositivo que está siendo fabricada es una sola, doble, o triple punto cuántico o incluso una serie de puntos cuánticos. La manipulación, medición, y los resultados de los puntos cuánticos dobles fabricados con este método se tratan en otras secciones.

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Protocol

El proceso de fabricación se describe a continuación se lleva a cabo en un sustrato de GaAs / AlGaAs con dimensiones de 1,04 x 1,04 cm. Veinte dispositivos idénticos se fabrican sobre un sustrato de este tamaño. Todos los pasos del proceso se realizan en una sala blanca y equipo de protección adecuado se deben usar en todo momento. El agua desionizada se utiliza en todo el proceso, sino que se refiere simplemente como "agua" en el protocolo a continuación.

1. Grabado de la Mesa

El resultado de esta etapa de fabricación se muestra en la Figura 4a.

  1. Colocar la muestra en un incinerador de plasma con un plasma de O 2 a 75 W durante 2 minutos para eliminar cualquier rastro de compuestos no deseados resistir u orgánicos.
  2. Limpie la muestra en un baño de ultrasonidos con acetona (2 x) y el IPA durante 5 minutos cada uno. Seque con una N 2 arma comprimido. A lo largo del protocolo de fabricación, cuando se utiliza un baño de ultrasonidos, evite el uso de potencias altas para evitar daños en la oblea de GaAsque tiene una tendencia a escindir.
  3. Hornear la muestra en un horno a 125 ° C durante al menos 15 min para deshidratar la superficie. La deshidratación también se puede lograr mediante la colocación de la muestra sobre una placa caliente a 180 ° C durante al menos 5 min.
  4. Haga girar la capa de la muestra con Shipley S1818 fotoprotector a 3.500 rpm durante 30 segundos y hornear en una placa caliente a 115 ° C durante 60 segundos. La capa resultante de resistir debe ser de aproximadamente 2,5 m de espesor. S1818 se utiliza porque es gruesa y se ve afectada muy poco a la solución utilizada en el paso 1.11 para grabar el sustrato. A lo largo del proceso de fabricación, es importante para evitar overbaking fotorresistente y haz de electrones resistir para asegurar una fácil eliminación en los pasos posteriores.
  5. Utilice un alineador de máscara fotolitográfica y una máscara de borde del talón para exponer la capa protectora en el borde exterior de la muestra. La máscara del talón consiste en un borde de 1 cm x 1 plaza de cromo sobre una placa de vidrio. Utilice la luz con una longitud de onda de 436 nm y exponer el resistir por 10 seg a 15 m W / cm 2. El wavelength y la potencia son fijos y pueden variar con la máquina utilizada. Ajustar los tiempos de exposición y desarrollo para obtener características bien definidas del tamaño adecuado.
  6. Desarrollar expuesta resistir mediante la inmersión de la muestra en MF-319 durante 2 min 10 seg. Agitar lentamente durante este paso. Enjuague con agua durante 15 segundos y secar con una pistola de N 2 comprimido. El borde del grano debe ser retirado al final de este paso, dejando una superficie de 1 x 1 cm con un espesor uniforme de resistir en el medio de la muestra. El borde del grano se retira antes de la exposición de la máscara de mesa para obtener un mejor contacto entre la máscara y la muestra, lo que conduce a mejores resultados.
  7. Aún utilizando el alineador de la máscara de fotolitografía, exponer al resistirse a usar la máscara de mesa y 436 nm de luz de 7 segundos a 15 mW / cm 2.
  8. Desarrollar los expuestos resistir sumergiendo la muestra en el MF-319 durante 2 min 10 seg y agitando lentamente. Enjuague durante 15 segundos en agua y secar con una pistola de N 2 comprimido. El remainin resistirg en la muestra ahora tiene la forma de la mesa. La resisten, proteger esta región de la muestra de ser grabado fuera de los pasos que siguen.
  9. Para eliminar todos los rastros de resistir en la zona anteriormente expuesto, la muestra se coloca en un incinerador de plasma y se expone a un plasma de O 2 durante 1 min a 75 W.
  10. Una solución de H 2 SO 4: H 2 O 2: H2O (05:01:55) se utiliza para grabar la muestra. Combine las proporciones adecuadas de H 2 O 2 y agua y luego añadir el H 2 SO 4. Esta solución es muy reactivo cuando se prepara en primer lugar. Espere 20 minutos antes de proceder al siguiente paso para evitar sobreataque.
  11. Etch la muestra por inmersión en la solución ácida durante varios segundos e inmediatamente enjuague en agua durante 30 seg para detener la reacción. La superficie de la muestra debe ser grabado allá de la capa de agentes de dopado de Si y casi todo el camino hasta el 2DEG para garantizar el agotamiento en estas regiones (SEe Figura 1). La profundidad de ataque puede variar en función del sustrato. En general, para el tipo de sustrato utilizado, una inmersión 34 seg conduce a la profundidad de ataque deseado de 90-100 nm. Sin embargo, es importante no overetch para evitar dañar la 2DEG. Dado que la velocidad de grabado varía fuertemente con la relación de H 2 SO 4 y H 2 O 2 en la solución, así como con el tiempo de espera antes de que el ataque químico, se recomienda llevar a cabo el ataque químico por varias inmersiones de 5-10 segundos, en lugar de un solo 34 segundos de grabado, y medir la profundidad de grabado con un perfilómetro después de cada etch. La velocidad de grabado relativamente lenta de esta solución permite un buen control de la profundidad de ataque. El enfriamiento de la solución de ataque por debajo de la temperatura ambiente puede conducir a menores velocidades de ataque. Sin embargo, ya que es un ataque químico superficial y el perfil de grabado no es importante, diferentes soluciones de grabado pueden también ser utilizados.
  12. Pele el resistir por inmersión de la muestra en 1165 Remover a 65 º C durante 3 horas. Enjuagueen acetona y IPA durante 5 minutos cada uno. Mida el perfil grabado con un perfilómetro.

2. La fabricación de los contactos óhmicos

El resultado de esta etapa de fabricación se muestra en la Figura 4b.

  1. Limpie la muestra en un baño de ultrasonidos por inmersión en acetona (2x) e IPA durante 5 minutos cada uno. Secar con un N 2 arma comprimido.
  2. Hornear la muestra en un horno a 125 ° C durante 15 min para deshidratar la superficie.
  3. Haga girar abrigo con LOR5A a 2.500 rpm durante 30 segundos y hornear en una placa caliente a 150 ° C durante 10 min. A continuación, girar abrigo con S1813 a 5.000 rpm durante 30 segundos y hornear en una placa caliente a 110 ° C durante 60 segundos. El espesor resultante de resistir son ~ 600 nm y ~ 1,3 micras, respectivamente. Dos capas de resistir se utilizan para facilitar el despegue del metal que será depositado en el paso 2,10.
  4. El uso de un alineador de máscara de fotolitografía y la máscara de borde de grano, exponer al resistir en la ed exteriorge de la muestra con 436 nm de luz durante 10 segundos a 15 mW / cm 2.
  5. Desarrollar los expuestos resistir sumergiendo la muestra en el MF-319 durante 2 min 10 seg mientras se agita suavemente. Enjuague con agua durante 15 segundos y secar con una pistola de N 2 comprimido.
  6. Aún utilizando el alineador de máscara fotolitográfica, pero esta vez con la máscara de contacto óhmico, alinear los perfiles para los contactos óhmicos grabado al agua fuerte sobre la mesa. Exponer con 436 nm de luz durante 6 segundos a 15 mW / cm 2.
  7. Desarrollar el resistir MF-319 durante 2 min 10 seg mientras se agita suavemente. Enjuague con agua durante 15 segundos y secar con una pistola de N 2 comprimido. Ya no es resistir en las regiones en las que se depositan los contactos óhmicos. El desarrollador se disuelve el 5A LOR más rápido que el S1813, dejando un rebaje por debajo de la capa superior de resistir. Este perfil en el resistir impide que el metal (que se depositará en el paso 2,10) la formación de paredes en los bordes de la capa protectora y también permitirá un fácil removal de la restante resistir y metal indeseable.
  8. Para eliminar todos los rastros de resistir en el área previamente expuesta, colocar la muestra en un incinerador de plasma y exponerlo a un plasma de O 2 durante 1 min a 75 W. Es importante que no se permita que la muestra repose durante demasiado tiempo en el plasma debido a alrededor de 75 nm / min de resistir es grabada durante este paso.
  9. Quitar el óxido nativo GaAs sumergiendo la muestra en una solución de H 2 SO 4: H 2 O (1:5) durante 30 segundos y enjuague con agua durante 30 segundos. Secar con un N 2 arma comprimido. Paso 2.10 debe realizarse tan pronto como sea posible para evitar que el óxido nativo que vuelvan a aparecer.
  10. Utilice un evaporador de haz de electrones para depositar 25 nm de Ni, 55 nm de Ge y 80 nm de Au. Las tasas de deposición son, respectivamente, 0,2 nm / s, 0,5 nm / seg y 0,5 nm / s. Las velocidades de deposición se eligen de modo que el tiempo de evaporación es suficientemente corto como para evitar el calentamiento de la cámara sin ser tan corto como para perder la precisión del espesor de tél depositó la capa. La bicapa de Ge y Au puede ser sustituido por una sola capa de GeAu eutéctica si está disponible 9.
  11. El paso anterior deposita metal en toda la superficie de la muestra. La eliminación del metal que se deposita sobre la capa protectora se realiza mediante la disolución de este último. Para ello, sumergir la muestra en 1165 Remover a 65 º C durante 3 horas. Para eliminar cualquier metal no deseado que puede no haber levantado por su cuenta, utilice una pipeta para rociar ligeramente la superficie de la muestra con el removedor caliente. Lavar la muestra en acetona y IPA durante 5 minutos cada uno.
  12. Un proceso de recocido térmico rápido en el gas de formación se utiliza para difundir el metal depositado hasta el 2DEG de la muestra. La temperatura se aumenta a una velocidad de 50 ° C / s hasta ° C se alcanzó una temperatura de 415. La muestra se deja a esta temperatura durante 20 segundos y se enfría rápidamente. La duración y la temperatura del recocido se eligen para obtener la resistencia más pequeña a través de los contactos óhmicos a bajatemperatura. El tiempo de recocido óptima puede variar dependiendo de la profundidad de la 2DEG en el sustrato.

3. La fabricación del Ti / Au Schottky Conductores

El resultado de esta etapa de fabricación se muestra en la Figura 4c.

  1. Limpie la muestra en un baño de ultrasonidos por inmersión en acetona (2x) e IPA durante 5 minutos cada uno. Secar con un N 2 arma comprimido.
  2. Hornear la muestra en un horno a 125 ° C durante 15 min para deshidratar la superficie.
  3. Haga girar la capa PMMALMW4% a 5000 rpm durante 30 segundos y hornear en una placa caliente a 180 ° C durante 90 segundos. A continuación, girar la capa de PMMA HMW 2% a 5.000 rpm durante 30 segundos y hornear en una placa caliente a 180 ° C durante 90 segundos. El espesor resultante de resistir son ~ 75 nm y ~ 40 nm, respectivamente. Dado que los cables de Ti / Au serán muy delgada, una sola capa de PMMA se puede utilizar, pero tendrá que ser ajustada en consecuencia los parámetros de hilado, la exposición y el desarrollo. Este comentario también se aplica a tAl que lleva y portales (paso 4).
  4. Proceso de haz de electrones: Esta parte del proceso depende en gran medida el equipo utilizado y el protocolo necesario por lo tanto pueden diferir en gran medida de la que se describe a continuación. Los patrones de los cables se dibujan en un archivo CAD. En este archivo, los conductores deben redactarse como polígonos cerrados que son de 2 m de ancho. Se necesitan los cables de ponerse en contacto con las zonas de unión (fabricado en el paso 5) para el Al puertas (fabricado en el paso 4). Cuatro marcas de alineación deben ser expuestos para permitir la alineación vertical, horizontal, y la rotación de los conductores de Al y puertas en el Ti / Au Schottky conduce.
    1. Colocar la muestra en un microscopio electrónico de barrido (SEM), que está equipado para hacer la litografía por haz de electrones. Utilice una abertura de 10 micras para reducir el tamaño del punto del haz y ajustar el voltaje de aceleración de 10 kV para asegurar un buen contraste durante la alineación en las estructuras previamente fabricados. Ajuste el enfoque, la estigmatización y la alineación de apertura.Mida la corriente con una taza de Faraday viga.
    2. Alinear la viga con la mesa previamente grabada y ajuste la ampliación de 300X.
    3. Exponer los clientes potenciales. El SEM está programado para exponer las áreas deseadas llenándolos con una matriz de puntos expuestos. La distancia entre estos puntos (distancia de centro a centro) es 5,5 nm y la dosis es de 43 mC / cm 2 (el tiempo de exposición dependerá de la corriente del haz medida en el paso 3.5.1). Exponga marcas de alineación y para permitir la alineación del Al puertas con los cables de Ti / Au en el paso 4.
    4. Repetir los pasos 3.5.2 y 3.5.3 para cada uno de los 20 dispositivos en la muestra.
  5. Desarrollar el resistir sumergiendo la muestra en IPA: H2O (9:1) durante 30 segundos. La solución debe ser a una temperatura de 20 ° C. Enjuague con agua durante 30 segundos y secar con una pistola de N 2 comprimido. Si se prefiere, el PMMA resistir puede ser desarrollado utilizando una API: solución de MIBK y aclarado en IPA para detener la reacción. A d diferenteSe necesitará tiempo esarrollo si se elige esta opción.
  6. Colocar la muestra en un incinerador de plasma y exponerla a un plasma de O 2 durante 4 s a 50 W. Esto elimina 5 nm de resistir y se asegura de que no hay resistir a la izquierda en la parte inferior de las zanjas formadas durante el proceso de haz de electrones.
  7. Quitar el óxido nativo GaAs sumergiendo la muestra en una solución de H 2 SO 4: H 2 O (1:5) durante 30 segundos y enjuague con agua durante 30 segundos. Secar con un N 2 arma comprimido. Paso 3.8 debe realizarse tan pronto como sea posible para evitar que el óxido nativo que vuelvan a aparecer.
  8. Colocar la muestra en un evaporador y el depósito de haz de electrones 10 nm de Ti y de 20 nm de Au, tanto a una velocidad de 0,1 nm / seg. Es importante que el soporte de la muestra a estar bien conectado a tierra y se coloca por lo menos 60 cm de distancia de la fuente para evitar la acumulación de cargas en la muestra durante el proceso de deposición.
  9. Ascensor-el exceso de metal por inmersión de la muestra en 1165 Remover a 65 °C durante 15 min. Para eliminar cualquier metal no deseado que puede no haber levantado por su cuenta, utilice una pipeta para rociar ligeramente la superficie de la muestra con el removedor caliente. Enjuague con acetona y IPA durante 5 minutos cada uno.

4. La fabricación de los Schottky Cables y puertas de Al

El resultado de esta etapa de fabricación se muestra en la Figura 4d.

La fabricación de la Al Schottky conduce puertas y constituye el paso más crítico del proceso de fabricación ya que estas son las puertas que definen el punto. Es importante que el haz de electrones estar bien enfocado y la corriente de haz bien ajustado en el paso 4.2. La exposición y el tiempo de desarrollo también deben estar bien ajustados para obtener puertas pequeñas, continuas y bien definidas. En muchos protocolos, estas puertas y cables se fabrican en Ti / Au y están expuestos al mismo tiempo que los cables anteriores durante el paso 3. Sin embargo, una ventaja de la utilización de Al es que puede ser oxidado, therefmineral permitiendo elementos tales como puertas principales para ser depositados directamente sobre la superficie de la muestra sin la necesidad de una capa aislante grande 10.

  1. Repita los pasos 3.1 a 3.4.2. Sin embargo, no use el baño de ultrasonidos durante la limpieza de la muestra para evitar daños en los cables de Ti / Au.
  2. Proceso de E-beam: Los patrones para los conductores de Al y las puertas se dibujan en un archivo CAD. El Al cables se utilizan para comunicarse con el Ti / Au lleva al Al puertas y se dibujan como polígonos cerrados con una anchura de 200 nm. El Al puertas sin embargo, no se dibujan como polígonos, sino más bien como dos líneas individuales separadas por 20 nm.
    1. Una vez que la viga se ha alineado con la mesa, ajuste la ampliación de 1500 X y alinear el haz con el Ti / Au Schottky conduce.
    2. Exponer los clientes potenciales. Utilice una dosis de 43 mC / cm 2 y una distancia de centro a centro de 3,3 nm.
    3. Exponer las puertas. Utilice la dosis línea de 0.149 nC / cm y una distancia de centro a centro de 1,1 nm. Esto dará lugar a unaanchura de la puerta final de 60 nm.
    4. Repetir los pasos 4.2.1 - 4.2.3 para cada uno de los 20 dispositivos en la muestra.
  3. Repita los pasos 3.5 hasta 3.7.
  4. Colocar la muestra en un evaporador y el depósito de haz de electrones 30 nm de Al a una velocidad de 0,3 nm / seg.
  5. Repita el paso 3.10. Es importante ser muy delicado con la muestra a partir de este paso hacia adelante para evitar dañar las pequeñas puertas al.

5. La fabricación de los conductores Schottky y zonas de unión

El resultado de esta etapa de fabricación se muestra en la Figura 4e.

  1. Repetir los pasos 2.1 a 2.9, utilizando una máscara fotolitográfica para el Schottky conduce en lugar de la máscara para las pastillas de óhmicos.
  2. Colocar la muestra en un evaporador y depósito de haz de electrones 30 nm de Ti y 350 nm de Au a tasas de 0,3 nm / seg y 1 nm / s, respectivamente. La capa gruesa de Au depositado facilita la unión de la muestra para el soporte de muestra, ya que es menos propenso a la rotura que thicapas nner.
  3. El despegue y el exceso de metal resisten restante mediante la inmersión de la muestra en 1165 Remover a 65 ° C durante 3 horas. Para eliminar cualquier metal no deseado que puede no haber levantado por su cuenta, utilice una pipeta para rociar ligeramente la superficie de la muestra con el removedor caliente. Lavar la muestra en acetona y IPA durante 5 minutos cada uno.

6. Cortado de las muestras

  1. Hornear la muestra en un horno a 125 ° C durante 15 min para deshidratar la superficie.
  2. Haga girar abrigo con S1818 a 3.500 rpm durante 30 segundos y hornear en una placa caliente a 115 ° C durante 1 min. El espesor de esta capa de resistir no es importante, siempre y cuando sea lo suficientemente gruesa como para proteger la superficie de la muestra durante el corte en dados.
  3. Colocar una capa de cinta de corte en dados en las caras superior e inferior de la muestra. La capa de cinta adhesiva en la cara superior ofrece una capa adicional de protección para el dispositivo durante dados.
  4. Coloque la muestra boca arriba en un dicer. Cortar la muestra en cada dispositivo al cortartodo el camino a través de la capa superior de la cinta en dados y el GaAs / AlGaAs de obleas sin cortar a través de la capa inferior de la cinta de cortar en cubitos.
  5. Retire la cinta de corte en dados y la protección resistir mediante la colocación de la muestra en acetona durante unos pocos minutos. Use pinzas para tirar suavemente trozos de cinta dicing que no levantan por sí mismos. Enjuague los dispositivos en IPA y secar con una pistola de N 2.

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Representative Results

Uno de los pasos críticos en el proceso descrito anteriormente es el grabado de la mesa (paso 1). Es importante suficiente grabado para eliminar el siguiente 2DEG evitando al mismo tiempo sobreataque. Por lo tanto, se recomienda utilizar una muestra de GaAs maniquí mayor para poner a prueba la solución de ataque antes de realizar el grabado en el GaAs / AlGaAs de muestra. La velocidad de grabado de los de GaAs / AlGaAs de heteroestructura es más grande que la de GaAs, pero el grabado del maniquí puede dar una indicación de si la solución es más o menos reactivo de lo normal y el tiempo de grabado de la muestra real se puede ajustar en consecuencia.

Una vez que los dispositivos se han fabricado, que están listos para ser unido a un soporte de muestras usando epoxi plata. Unión del cable entre zonas de unión de la muestra y los pasadores de conexión del titular de la muestra se realiza con 25 micras Al hilo. Es mejor evitar la observación de los dispositivos en un microscopio electrónico de barrido (SEM) se debe a que hay un riesgo de dañarlos. En lugar, Hay pruebas simples que se pueden hacer en muy altas temperaturas (~ 4 K) y que permiten confirmar si alguna de las puertas están rotas o perdidas antes de enfriar la muestra en un refrigerador de dilución para su posterior caracterización. Una de estas pruebas consiste en la aplicación de un voltaje de polarización entre dos contactos óhmicos y midiendo la corriente impulsada a través de la muestra como una función de la tensión aplicada en un par de puertas. Un ejemplo de tales mediciones se muestra en la Figura 5. Las curvas de la figura 5 muestran dos regímenes distintos. Los primeros rangos régimen de 0 V a -750 mV y presenta dos pasos: el agotamiento de uno en uno sobre-300mV correspondiente al agotamiento de los 200 nm de ancho y cables de uno en uno sobre-750mV correspondientes al agotamiento de las puertas 60 nm de ancho. El segundo régimen con tensiones más bajas mesetas muestra que corresponden a la cuantificación de la conductancia. Los valores típicos de los puntos de estrangulamiento entre pares de rango puertas entre-500mV a 2V. Por otra parte, unono debe aplicarse un voltaje positivo por encima de 500 o 600 mV en una puerta, ya que podría dañar la barrera de Schottky. A partir de la Figura 5, es posible concluir que, en el caso de esta muestra particular, las puertas es probable que sean geométricamente similares desde el TC-TL y TC pares-TR evitar el paso de la corriente a aproximadamente iguales tensiones. Lo mismo ocurre con el TC-BL y pares TC-BR. Sin embargo, el hecho de que la corriente sigue fluyendo entre el TC y BC puertas incluso para altos voltajes indica que la puerta está aC ya sea roto o falta. Por lo general, alrededor del 50% de los dispositivos probados tienen puertas totalmente funcionales y contactos óhmicos.

Una vez que se ha encontrado un dispositivo adecuado, que se puede cargar en un refrigerador de dilución para la caracterización a bajas temperaturas (<100 mK). Los voltajes en cada una de las puertas debe ser ajustado entonces para formar el doble punto. No es el objetivo de este trabajo al detalle este proceso de ajuste. Una vez que un doble punto se ha formado, una estabilizacióndiagrama de Ty se puede medir para comprobar si el doble punto puede alcanzar el régimen de unos pocos electrón. Esto se hace mediante la aplicación de un pequeño sesgo fuente-drenaje constante (~ 10 mV) y mediante la medición de la corriente a través de la doble punto como una función de los voltajes aplicados sobre la BL y BR puertas. Si el diseño del dispositivo incluye un contacto de punto cuántico, que sirve como un detector de carga, es preferible usar esta, en lugar de la corriente a través del punto, para la medición del diagrama de estabilidad 11. Un diagrama de estabilidad medido y un esquema de un resultado ideal se muestran en la Figura 6. Como se muestra en la Figura 6b, sólo la corriente fluye a través de la doble punto en los puntos triples. Se alcanza el régimen de electrones cero cuando no hay puntos más triples se pueden observar en el diagrama de estabilidad, no importa la forma en negativo se convierten en las tensiones en las puertas. Sin embargo, el hecho de que la corriente ya no fluye a través del punto para tensiones elevadas también puede indicar que las barreras de túnel conectanción de la fuente y el drenaje al doble de puntos han sido completamente pellizcó. Bloqueo de giro se puede medir en diferentes puntos triples para demostrar que el régimen de unos pocos electrón se ha llegado a 12, pero el número exacto de electrones en el doble punto necesita ser determinado usando sensores de carga. Para obtener información más detallada sobre los diagramas de estabilidad, bloqueo rotación y sensores de carga ver R. Hanson et al. 13

Figura 1
Figura 1. a) Sucesión de hojas presentes en un GaAs / AlGaAs heteroestructura cultivadas por epitaxia de haces moleculares. b) Estructura de bandas de la heteroestructura se muestra en a). B c y B v son, respectivamente, la bandas de conducción y de valencia. La única región en la que la banda de conducción está por debajo del nivel de Fermi (E f) is encuentra entre el de una capa de GaAs y una capa de AlGaAs 400 5000. Es aquí donde se encuentra la 2DEG. Haz clic aquí para ver la imagen más grande .

La figura 2
Figura 2. Esquema de los electrodos de puerta metálicos (gris oscuro) de un punto cuántico doble depositada en la parte superior de un GaAs / AlGaAs heteroestructura. El 2DEG se muestra en color naranja y las regiones empobrecido son blancos. Los cuadrados negros representan contactos óhmicos y las flechas muestran el flujo de corriente a través del punto y el punto de contacto cuántica (QPC). Los dos puntos se encuentran en las regiones de color naranja donde los electrones aún permanecen en el centro de la zona de agotamiento. Gates, BL y BR se utilizan para controlar el número de electrones en los puntos izquierdo y derecho, respectivamente. BC y TC con control de la barrera túnel entre los dos puntos. TL se utiliza para ajustar la barrera del túnel entre el origen y el punto izquierdo mientras TR sintoniza la barrera entre el punto derecho y el drenaje. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

Figura 3
Figura 3. (A) Esquema de un Ni / Ge / Au contacto óhmico (rectángulos de oro) difundido por el rápido recocido térmico de la superficie de la muestra hasta el 2DEG. (B) Vista lateral de la superficie de la muestra que se graba para crear la mesa. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

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La Figura 4. Imágenes de microscopio óptico de un dispositivo de punto cuántico doble después de diferentes pasos del proceso de fabricación. (A) después de que el dispositivo de grabado de la mesa (paso 1). Las zonas grises de luz han sido grabadas de distancia la prevención de la corriente eléctrica fluya a través de estas regiones, mientras que las regiones de color gris oscuro todavía presentan un 2DEG. (B) de dispositivos después de la fabricación de los contactos óhmicos (paso 2). Los contactos óhmicos son los cuadrados de oro. (C) dispositivos después de la fabricación del Ti / Au Schottky conduce (paso 3). Las derivaciones son las líneas blancas en el centro de la imagen. (D) dispositivos después de la fabricación de la Al Schottky conduce y puertas (paso 4). Estos se encuentran en el cuadrado verde en el centro de la imagen. También se muestra una imagen SEM de las puertas utilizadas para definir los puntos cuánticos. (E) dispositivos después de la fabricación de los cables de Schottky y almohadillas de unión (paso 5).:/ / Www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "target =" _blank "> Haga clic para ampliar la imagen.

La figura 5
Figura 5. Que fluye corriente desde la fuente al drenaje como una función de la tensión aplicada en diferentes pares de puertas. El agotamiento del gas de electrones comienza en ~ -400 mV y se terminó a ~ -700 mV. El voltaje de polarización aplicado entre la fuente y el drenaje es 500 mV y la corriente se mide por una medición de dos puntos. Todas las curvas se toman a 1.4 K. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

La figura 6
La Figura 6. (A) Esquema deun diagrama de estabilidad ideal que se obtendría utilizando un QPC. Las líneas pueden ser observados cuando una túneles de electrones en un punto o entre los puntos. Los círculos negros representan el triple de puntos donde es posible para que la corriente fluya a través del punto. (B) diagrama de estabilidad obtenida por la medición de la corriente que fluye a través del punto con TL = -100 mV, TC = -350 mV, TR = -1080 mV , BC = -1160 mV, QPC = -600 mV y un sesgo de fuente de la fuga de 10 mV. La muestra se enfrió de sesgo con una tensión V = 500 mV en cada puerta, que cambia todo el agotamiento y la pizca puntos de consumo en aproximadamente 500 mV y reduce el ruido telegráfica en el experimento 14. Para este tipo de diagrama de estabilidad, se supone que solamente los puntos triples para ser visible, como es el caso aquí para los voltajes más negativos. Tanto en (a) y (b), los números (L, R) indican el número de electrones en el punto izquierdo y derecho para diferentes valores de las tensiones en el BL y BRpuertas. Las líneas verdes en (b) son guías para mostrar las regiones con un número constante de electrones. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .

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Discussion

El proceso presentado anteriormente describe el protocolo de fabricación de un punto cuántico doble capaz de alcanzar el régimen de unos pocos electrón. Sin embargo, los parámetros indicados pueden variar en función del modelo y la calibración de los equipos utilizados. Por lo tanto, los parámetros tales como las dosis para las exposiciones durante las etapas de haz de electrones y la fotolitografía tendrán que ser calibrados antes de la fabricación de dispositivos. El proceso se puede adaptar fácilmente a la fabricación de la puerta definido por los puntos cuánticos en otros tipos de sustratos, tales como Si / SiGe, que también presentan un 2DEG.

Para ciertos tipos de dispositivos, tales como puntos cuánticos verticales, la barrera de túnel de la fuente y el drenaje para el punto se determina durante la fabricación y no puede ser variada después 5. Una ventaja de la puerta definidos por los puntos cuánticos laterales es que las barreras de túnel para el punto, así como entre los puntos pueden ser controladas eléctricamente. Sin embargo, debido a esto, se debe tener cuidadopara mantener estos valores durante la manipulación de las tensiones en las otras puertas que definen el punto.

Es importante recordar que, una vez que se ha alcanzado el régimen de unos pocos electrón, el objetivo es para manipular los estados de espín de los electrones en punto para realizar cálculos cuánticos. Los estados 0 y 1 del qubit se han aplicado con éxito en el arriba y abajo de estados de espín de un solo electrón 15, así como en el ST 16 y ST 0 + 17 estados de dos giros. El acoplamiento entre dos qubits también se ha conseguido utilizando estos dispositivos 18. Sin embargo, uno de los principales inconvenientes de los puntos cuánticos laterales en GaAs / AlGaAs es el tiempo de coherencia corta (el tiempo durante el cual se conserva el estado de espín de los electrones en el punto) causado por la interacción con los espines nucleares de los átomos que forman el sustrato 19. Esto ha llevado a la investigación de los puntos cuánticos laterales en materiales tales como el silicio (Si/ SiGe heteroestructuras 20) y carbono (grafeno 21) que tienen isótopos que están libres de spin nuclear y que se espera llevar a veces la coherencia teórica de largo. Sin embargo, estos dispositivos aún tienen que alcanzar los resultados de control y lectura obtenida para los puntos en GaAs / AlGaAs. El trabajo actual implica GaAs / AlGaAs dobles puntos cuánticos también incluye el acoplamiento del dispositivo a un resonador de microondas 22 y la integración de micromagnets para permitir las operaciones de girar más rápido 23.

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Disclosures

Los autores tienen nada que revelar.

Acknowledgements

Los autores agradecen a Michael Lacerte para soporte técnico. MP-L. reconoce el Instituto Canadiense para la Investigación Avanzada (Cifar), las Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá (NSERC), la Fundación Canadiense para la Innovación (CFI) y el Fonds de Recherche Québec - Nature et Technologies (FRQNT) para el apoyo financiero. El dispositivo que aquí se presenta fue fabricado en las instalaciones de CRN2 y IMDQ, financiado en parte por NanoQuébec. Los GaAs / AlGaAs sustrato fue fabricado por ZR Wasilewski, del Instituto de Ciencias microestructurales en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá. JCL y CB-O. reconocer CRSNG y FRQNT de apoyo financiero.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone - CH3COCH3 Anachemia AC-0150 67-64-1
Isopropyl Alcohol (IPA) - (CH3)2CHOH Anachemia AC-7830 67-63-0
1165 Remover MicroChem Corp G050200 872-50-4
Microposit MF-319 Developer Shipley 38460 75-59-2
Sulfuric Acid - H2SO4 Anachemia AC-8750 766-93-9
Hydrogen Peroxide (30%) - H2O2 Fisher Scientific 7722-84-1
LOR 5A Lift-off resist MicroChem Corp G516608 120-92-3
Microposit S1813 Photo Resist Shipley 41280 108-65-6
Microposit S1818 Photo Resist Shipley 41340 108-65-6
PMMA LMW 4% in anisole MicroChem Corp 100-66-3, 9011-14-7
PMMA HMW 2% in anisole MicroChem Corp 100-66-3, 9011-14-7
GaAs/AlGaAs wafer National Research Council Canada See detailed layer structure in Figure 1.
Ni (99.0%) Anachemia
Ge (99.999%) CERAC inc.
Au (99.999%) Kamis inc.
Ti (99.995%) Kurt J Lesker
Al Kamis inc.
Silver Epoxy Epoxy Technology H20E

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References

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