Nanofabrication von Tor-definiert GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots

Engineering

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Summary

Dieser Beitrag stellt eine detaillierte Fertigung Protokoll für Gate-Halbleiter definierten seitlichen Quantenpunkte auf Galliumarsenid Heterostrukturen. Diese nanoskaligen Geräte werden verwendet, um einige Elektronen für die Verwendung als Quantenbits in Quanten-Informationsverarbeitung oder für andere mesoskopischen Experimente wie kohärente Leitwertmessungen abzufangen.

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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

Ein Quantencomputer ist ein Computer von Quantenbits (Qubits), die ausnutzt Quanteneffekte wie Superposition und Verschränkung Staaten, um bestimmte Probleme zu lösen exponentiell schneller als die besten bekannten Algorithmen auf einem klassischen Computer zusammengesetzt. Gate-definierten seitlichen Quantenpunkte auf GaAs / AlGaAs sind eine von vielen Möglichkeiten zur Durchführung eines Qubits untersucht. Wenn sie richtig hergestellt ist, ist eine solche Vorrichtung in der Lage, eine kleine Anzahl von Elektronen in einem bestimmten Raumbereich abzufangen. Die Spin-Zustände dieser Elektronen können dann verwendet werden, um die logische 0 und 1 des Quanten-Bit realisieren. Angesichts der Nanometerskala dieser Quantenpunkte mit Reinraum-Spezialausrüstung wie Rasterelektronenmikroskope und e-beam-Verdampfer sind für ihre Herstellung erforderlich. Große Sorgfalt muss während des gesamten Herstellungsprozesses getroffen werden, um Sauberkeit der Probenoberfläche zu erhalten und damit eine Beschädigung der empfindlichen Toren der Struktur. Dieses Papierstellt die detaillierte Herstellung von Gate-Protokoll definierten seitlichen Quantenpunkte aus dem Wafer zu einer Arbeitsvorrichtung. Charakterisierung Methoden und repräsentative Ergebnisse sind ebenfalls kurz diskutiert. Obwohl dieses Papier konzentriert sich auf Doppel-Quantenpunkte, bleibt der Herstellungsprozess die gleichen für Einzel-oder Dreifach-Punkte oder sogar Arrays von Quantenpunkten. Darüber hinaus kann das Protokoll angepasst ist, um eine seitliche Quantenpunkte auf anderen Substraten, wie z. B. Si / SiGe herzustellen.

Introduction

Quantum Informatik hat eine Menge Aufmerksamkeit auf sich gezogen, seitdem es wurde gezeigt, dass Quanten-Algorithmen verwendet werden, um bestimmte Probleme exponentiell schneller als mit den besten bekannten klassischen Algorithmen 1 lösen. Ein offensichtlicher Kandidat für einen Quanten-Bit (Qubit) ist der Spin der einzelnen Elektronen in einem Quantenpunkt beschränkt, da es ein Zwei-Niveau-System ist. Zahlreiche Architekturen für die Durchführung von Quantenpunkten, einschließlich Halbleiter-Nanodrähte 2, 3 Kohlenstoff-Nanoröhren, selbstorganisierten Quantenpunkte 4 und 5 Halbleiter vertikalen und lateralen Quantenpunkte 6 vorgeschlagen. Tor-definierten seitlichen Quantenpunkte in GaAs / AlGaAs Heterostrukturen sehr erfolgreich gewesen wegen ihrer Vielseitigkeit und ihrer Herstellungsverfahren ist der Schwerpunkt dieser Arbeit.

In seitlichen Quantenpunkte der Einschluss von Elektronen in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Probe (z-Richtung) is durch die Wahl der richtigen Substrat erreicht. Die GaAs / AlGaAs Modulations-dotierten Heterostruktur zeigt ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) beschränkt sich auf die Grenzfläche zwischen den AlGaAs und GaAs-Schichten. Diese Proben werden durch Molekularstrahlepitaxie, um eine niedrige Störstellendichte, die mit der Modulation-Doping-Technik kombiniert zu erhalten, führt zu einer hohen Elektronenbeweglichkeit in dem 2DEG. Eine schematische Darstellung der einzelnen Schichten der Heterostruktur sowie deren Bandstruktur sind in Abbildung 1 dargestellt. Ein hoher Elektronenbeweglichkeit in dem 2DEG zur Sicherstellung der Kohärenz von elektronischen Zuständen über die gesamte Oberfläche der Quantenpunkt gewährleisten. Das Substrat für die Herstellung nachfolgend beschriebene Verfahren verwendet wurde vom National Research Council of Canada erworben und stellt eine Elektronendichte von 2,2 x 10 11 cm -2 und einer Elektronenmobilität von 1,69 x 10 6 cm 2 / Vs.

Der Einschluss der Elektronen in der Richtung parallel zu der Probenoberfläche ist, indem metallischen Elektroden auf der Oberfläche des Substrats erreicht. Wenn diese Elektroden auf der Oberfläche der GaAs-Probe abgeschieden werden Schottky-Barrieren 7 gebildet. Negative Spannungen, die an solchen Elektroden führen zu lokalen Barrieren im 2DEG unter denen nur Elektronen mit ausreichender Energie zu überqueren. Abbau der 2DEGs auftritt, wenn die angelegte Spannung negativ ist genug, dass keine Elektronen genügend Energie, um die Schranke zu überqueren. Daher ist es durch sorgfältige Auswahl der Geometrie der Elektroden ist es möglich, eine kleine Anzahl von Elektronen zwischen abgereichertem Bereiche der Probe abzufangen. Die Steuerung der Anzahl der Elektronen auf den Punkt sowie die Tunnel-Energie zwischen dem Punkt und dem 2DEG in dem Rest der Probe kann durch Feinabstimmung der Spannungen an den Elektroden erreicht werden. Eine schematische Darstellung der Gate-Elektroden und die abgereichertes Elektronengases in Abbildung 2 dargestellt. Der Entwurf für den Gate-Strukturen bilden den Punkt ist inInspiriert durch die Gestaltung von Barthel et al. 8

Zur Steuerung und Auslesen Informationen über die Anzahl der Elektronen auf den Punkt, ist es sinnvoll zu induzieren und messen Strom durch den Punkt. Auslesen können auch durch die Verwendung eines Quantum-Point Contact (QV), das erfordert auch ein Strom durch die 2DEG erfolgen. Der Kontakt zwischen den 2DEGs und Spannungsquellen durch ohmsche Kontakte gewährleistet. Dies sind die metallischen Pads, die von der Oberfläche der Probe hin diffundiert werden bis auf die Verwendung eines Standard-2DEGs schnellen thermischen Ausheizprozesses 7 (siehe Fig. 3a und 4b). Um Kurzschlüsse zwischen dem Source und dem Drain vermeiden, wird die Oberfläche der Probe, so dass die 2DEG in bestimmten Regionen aufgestockt und der Strom gezwungen, durch bestimmte Kanäle zu reisen (siehe Fig. 3b und 4a) geätzt. Der Bereich, wo die 2DEGs bleibt, wird als "Mesa" bezeichnet.

Das folgende Protokoll Details der gesamte Herstellungsprozess eines Gate-definierten seitlichen Quantenpunkt auf einem GaAs / AlGaAs Substrat. Das Verfahren ist skalierbar, da sie die gleiche bleibt unabhängig davon, ob das Gerät, das hergestellt wird ist ein Einzel-, Doppel-oder Dreifach-Quantenpunkt oder sogar eine Reihe von Quantenpunkten. Manipulation, Messung und Ergebnisse für Doppel-Quantenpunkte hergestellt unter Verwendung dieses Verfahrens sind in weiteren Abschnitten besprochen.

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Protocol

Das Herstellungsverfahren wird nachfolgend beschrieben auf einem GaAs / AlGaAs Substrat mit den Abmessungen 1,04 x 1,04 cm durchgeführt. Zwanzig identische Geräte auf einem Substrat in dieser Größenordnung hergestellt werden. Alle Schritte des Verfahrens werden in einem Reinraum durchgeführt und geeignete Schutzausrüstung muss jederzeit verwendet werden. Entionisiertes Wasser wird während des gesamten Prozesses, wird aber der Einfachheit halber als "Wasser" in der untenstehenden Protokoll bezeichnet.

1. Ätzen der Mesa

Das Ergebnis dieser Herstellungsschritt ist in 4a gezeigt.

  1. Legen Sie die Probe in einem Plasmaverascher mit einem O 2-Plasma bei 75 W für 2 Minuten, um alle Spuren von unerwünschten widerstehen oder organische Verbindungen zu entfernen.
  2. Reinigen Sie die Probe in einem Ultraschallbad mit Aceton (2x) und IPA für jeweils 5 min. Föhnen mit einem komprimierten N 2 gun. Während der Herstellung Protokoll, wenn ein Ultraschallbad, vermeiden Sie hohe Leistungen zu verhindern Beschädigung des GaAs-Waferdas hat eine Tendenz zur Spaltung.
  3. Backen der Probe in einem Ofen bei 125 ° C für mindestens 15 min, um die Oberfläche zu dehydratisieren. Dehydrierung kann auch, indem die Probe auf einer heißen Platte bei 180 ° C für mindestens 5 min erreicht wird.
  4. Spin Mantel der Probe mit Shipley S1818 Fotolack bei 3.500 rpm für 30 sec und backen auf einer Heizplatte bei 115 ° C für 60 Sekunden. Die resultierende Lackschicht sollte etwa 2,5 um dick. S1818 wird verwendet, weil es dick ist und nur sehr wenig von der Lösung in Schritt 1.11 zum Ätzen des Substrats verwendet betroffen. Während des Herstellungsverfahrens ist es wichtig, zu vermeiden Überbrennen Photoresist und E-Strahl zu widerstehen, die einfache Entfernung in den nachfolgenden Schritten zu gewährleisten.
  5. Verwendung einer photolithographischen Maske Ausrichter und einen Randwulst-Maske, die an der äußeren Kante der Probe zu widerstehen freizulegen. Der Randwulst Maske besteht aus einem 1 x 1 cm Chrom Quadrat auf einer Glasplatte. Verwenden Licht mit einer Wellenlänge von 436 nm und setzen die 10 Sek. lang widerstehen bei 15m W / cm 2. Das wavelength und Leistung festgelegt und kann mit der Maschine variieren. Stellen Sie die Belichtung und Entwicklung mal zu wohldefinierten Funktionen in der richtigen Größe zu erhalten.
  6. Belichtete Resist durch Eintauchen der Probe in MF-319 für 2 min 10 sec zu entwickeln. Langsam rühren bei diesem Schritt. Spülen in Wasser für 15 sec und blasen mit einem komprimierten N 2 Pistole trocken. Der Randwulst sollte am Ende dieses Schritts entfernt werden, wobei eine 1 x 1 cm Oberfläche mit einer gleichmäßigen Dicke des Resists in der Mitte der Probe. Der Randwulst vor Aussetzen der Mesa Maske einen besseren Kontakt zwischen der Maske und der Probe, die zu besseren Ergebnissen führt erhalten wurde.
  7. Immer noch mit dem Photolitographiemaske Aligner, Belichten des Resists mit dem Mesa-Maske und 436 nm Licht für 7 sec bei 15 mW / cm 2.
  8. Entwickeln des belichteten Resists durch Eintauchen der Probe in MF-319 für 2 min 10 sec und Rühren langsam. Spülen für 15 Sekunden in Wasser und blasen mit einem komprimierten N 2 Pistole trocken. Der Resist remaining auf die Probe nun die Form der Mesa. Der Resist wird diese Region von der Probe aus, die weg in den folgenden Schritten geätzt schützen.
  9. , Um alle Spuren zu widerstehen in der zuvor belichteten Bereich zu entfernen, wird die Probe in einem Plasmaverascher angeordnet und mit einem O 2-Plasma für 1 min bei 75 ausgesetzt W.
  10. Eine Lösung von H 2 SO 4: H 2 O 2: H 2 O (05.01.55) wird zum Ätzen der Probe verwendet. Kombinieren Sie die richtigen Proportionen von H 2 O 2 und Wasser und fügen Sie dann die H 2 SO 4. Diese Lösung ist sehr reaktiv, wenn es zuerst hergestellt wird. Warten Sie 20 min, bevor Sie zum nächsten Schritt zu Überätzen vermeiden.
  11. Ätzen der Probe durch Eintauchen in die saure Lösung für einige Sekunden und sofort Spülen in Wasser für 30 Sekunden, um die Reaktion zu stoppen. Die Oberfläche der Probe sollte an der Schicht aus Si Dotierungen geätzt werden und fast den ganzen Weg hinunter zum 2DEG zum Abbau in diesen Regionen zu gewährleisten (see Abbildung 1). Die Ätztiefe kann in Abhängigkeit von dem Substrat. Im Allgemeinen sind für die Art des verwendeten Trägermaterials, führt ein 34 Sekunden Eintauchen in die gewünschte Ätztiefe von 90-100 nm aufweisen. Allerdings ist es wichtig, nicht zu Überätzung um eine Beschädigung der 2DEG. Da die Ätzrate variiert stark mit dem Verhältnis von H 2 SO 4 und H 2 O 2 in der Lösung als auch mit der Wartezeit vor dem ätzen, ist es empfehlenswert, das Ätzen von mehreren Tauchgängen von 5-10 sec durchzuführen, statt einer einzigen 34 sec ätzen, und messen Sie die Tiefe mit einer geätzten Profilometers nach jedem Etch. Das relativ langsame Ätzrate dieser Lösung ermöglicht eine gute Steuerung der Ätztiefe. Die Kühlung der Ätzlösung unterhalb der Raumtemperatur kann zu Ätzgeschwindigkeiten senken. Da es jedoch eine flache Ätzung und das Ätzprofil unwichtig ist, können verschiedene Ätzlösungen eingesetzt werden.
  12. Isolieren Sie den Widerstand durch Eintauchen der Probe im Jahr 1165 Remover bei 65 ° C für 3 Stunden. Spülenin Aceton und IPA für jeweils 5 min. Messen Sie die Ätzprofil mit einem Profilometers.

2. Die Herstellung der ohmschen Kontakte

Das Ergebnis dieser Herstellungsschritt ist in 4B gezeigt.

  1. Reinigen Sie die Probe in einem Ultraschallbad durch Eintauchen in Aceton (2x) und IPA für jeweils 5 min. Schlag mit einem komprimierten N 2 Pistole trocken.
  2. Backen Sie die Probe in einem Ofen bei 125 ° C für 15 min, um die Oberfläche zu entwässern.
  3. Spin Mantel mit LOR5A bei 2.500 rpm für 30 sec und backen auf einer Heizplatte bei 150 ° C für 10 min. Dann drehen Mantel mit S1813 bei 5.000 rpm für 30 sec und backen auf einer Heizplatte bei 110 ° C für 60 Sekunden. Die resultierende Dicken widerstehen ~ 600 nm und ~ 1,3 &mgr; m. Zwei Schichten des Resists verwendet, um die lift-off des Metalls, das in Schritt 2.10 hinterlegt wird erleichtern.
  4. Mit einem Photolitographiemaske Ausrichter und dem Rand Perle Maske, Belichten des Resists auf dem äußeren edge der Probe mit 436 nm Licht für 10 sec bei 15 mW / cm 2.
  5. Entwickeln des belichteten Resists durch Eintauchen der Probe in MF-319 für 2 min 10 sec unter Rühren gleichmäßig. Spülen in Wasser für 15 sec und blasen mit einem komprimierten N 2 Pistole trocken.
  6. Immer noch mit dem Photolitographiemaske Aligner, aber dieses Mal mit dem ohmschen Kontakt Maske, richten Sie die Muster für die ohmschen Kontakte auf der geätzten Mesa. Expose mit 436 nm Licht für 6 sec bei 15 mW / cm 2.
  7. Entwickeln Sie die in MF-319 widerstehen für 2 min 10 sec unter Rühren reibungslos. Spülen in Wasser für 15 sec und blasen mit einem komprimierten N 2 Pistole trocken. Es ist nicht mehr widerstehen in den Bereichen, wo die Ohm'schen Kontakte aufgebracht werden. Der Entwickler löst die LOR 5A schneller als die S1813, so dass eine Hinterschneidung unter der oberen Schicht des Resistmaterials. Dieses Profil in der Resistschicht verhindert das Metall (das wird in Schritt 2.10 hinterlegt) ab, die Wände an den Kanten des Resists und ermöglicht auch eine einfache removal des restlichen Resists und unerwünschte Metall.
  8. Um alle Spuren zu widerstehen in der zuvor belichteten Bereich zu entfernen, legen Sie die Probe in einem Plasmaverascher und setzen Sie es mit einem O 2-Plasma für 1 min bei 75 W. Es ist wichtig, nicht zu lassen, die Probe zu lange sitzen in der Plasmamembran, weil etwa 75 nm / min von Resist während dieses Schritts geätzt.
  9. Entfernen des GaAs-native Oxid durch Eintauchen der Probe in eine Lösung von H 2 SO 4: H 2 O (1:5) 30 sec und Spülen in Wasser für 30 Sekunden. Schlag mit einem komprimierten N 2 Pistole trocken. Schritt 2.10 sollte so schnell wie möglich, um die native Oxidschicht wieder erscheint verhindern durchgeführt werden.
  10. Verwenden Sie eine E-Beam-Verdampfer auf 25 nm Ni, 55 nm von Ge und 80 nm Au hinterlegen. Die Abscheidungsgeschwindigkeiten jeweils 0,2 nm / sec, 0,5 nm / s und 0,5 nm / sec. Die Abscheideraten sind so gewählt, dass die Verdampfung Zeit kurz genug, um eine übermäßige Erwärmung der Kammer ohne so kurz ist, wie die Genauigkeit der Dicke t verlierener abgeschiedenen Schicht. Die Doppelschicht an Ge und Au durch eine einzige Schicht aus eutektischen GEAU ersetzt werden, wenn es verfügbar 9 ist.
  11. Der vorherige Schritt abgeschiedenen Metallschicht auf der gesamten Oberfläche der Probe. Entfernen der Metallschicht, die auf der Resistschicht aufgebracht wird, indem man das letztere getan. Um dies zu tun, tauchen Sie die Probe im Jahr 1165 Remover bei 65 ° C für 3 Stunden. Um unerwünschte Metall, das nicht auf eigene kann aufgehoben werden, zu entfernen, mit einer Pipette sprühen die Oberfläche der Probe mit heißem Entferner. Spülen Sie die Probe in Aceton und IPA für jeweils 5 min.
  12. Schneller thermischer Ausheizprozess in Formiergas verwendet, um das abgeschiedene Metall diffundieren bis 2DEG der Probe. Die Temperatur wird mit einer Rate von 50 ° C / sec bis eine Temperatur von 415 ° C erreicht wird, erhöht. Die Probe wird bei dieser Temperatur für 20 Sekunden belassen und dann schnell abgekühlt. Die Dauer und die Temperatur der Temperung werden gewählt, um den kleinsten Widerstand durch den ohmschen Kontakte bei niedrigen erhaltenTemperatur. Die optimale Glühzeit kann je nach der Tiefe des 2DEG in das Substrat.

3. Fabrication des Ti / Au Schottky Leads

Das Ergebnis dieser Herstellungsschritt ist in 4c gezeigt.

  1. Reinigen Sie die Probe in einem Ultraschallbad durch Eintauchen in Aceton (2x) und IPA für jeweils 5 min. Schlag mit einem komprimierten N 2 Pistole trocken.
  2. Backen Sie die Probe in einem Ofen bei 125 ° C für 15 min, um die Oberfläche zu entwässern.
  3. Spin Mantel PMMALMW4% bei 5000rpm für 30 sec und backen auf einer Heizplatte bei 180 ° C für 90 sec. Dann Schleuderbeschichtungsverfahren PMMA HMW 2% bei 5000 rpm für 30 sec und Backen auf einer Heizplatte bei 180 ° C für 90 sek. Die resultierende Dicke des Resists sind ~ 75 nm und ~ 40 nM. Da die Ti / Au Leitungen werden sehr dünn ist, kann eine einzelne Schicht aus PMMA verwendet werden, aber Spinnen, Belichtung und Entwicklung Parameter müssen daher entsprechend angepaßt werden. Dieser Kommentar gilt auch für ter Al Leitungen und Tore (Schritt 4).
  4. E-Strahl-Verfahren: Dieser Teil des Prozesses ist stark abhängig von der verwendeten Ausrüstung und das Protokoll benötigt kann somit sehr unterschiedlich von dem im Folgenden beschrieben. Die Muster für die Leitungen sind in einer CAD-Datei erstellt. In dieser Datei müssen die Leitungen als geschlossene Polygone, die 2 um breit sind, erstellt werden. Die Leitungen sind notwendig, um die Bondpads (hergestellt in Schritt 5) auf die Al-Gates (hergestellt in Schritt 4) zu kontaktieren. Vier Ausrichtungsmarkierungen müssen auch ausgesetzt, damit die vertikalen, horizontalen und Drehausrichtung der Al Leitungen und Gates auf der Ti / Au Schottky führt werden.
    1. Legen Sie die Probe in einem Rasterelektronenmikroskop (REM), das auf die e-Lithographie zu tun ist. Verwendung einer Öffnung von 10 um, um die Punktgröße zu verringern und den Beschleunigungsspannung 10 kV, einen guten Kontrast bei der Ausrichtung auf den zuvor hergestellten Strukturen zu gewährleisten. Stellen Sie den Fokus, Stigmatisierung und die Blende Ausrichtung.Messen Sie den Strahl Strom mit einem Faraday-Cup.
    2. Richten Sie den Strahl mit dem zuvor geätzt Mesa und stellen Sie die Vergrößerung 300X.
    3. Expose der Leitungen. Die REM programmiert ist, um die gewünschten Bereiche durch Auffüllen mit einer Anordnung von Punkten ausgesetzt freizulegen. Der Abstand zwischen diesen Punkten (Mitte-Mitte-Abstand) beträgt 5,5 nm und die Dosis ist 43 uC / cm 2 (die Belichtungszeit wird auf dem Balken Strom in Schritt 3.5.1 gemessen ab). Setzen Ausrichtungsmarkierungen als auch die Ausrichtung der Al-Gatter mit den Ti / Au führt in Schritt 4 zu ermöglichen.
    4. Die Schritte 3.5.2 und 3.5.3 für jedes der 20 Geräte auf der Probe.
  5. Entwickeln Sie die Resists durch Eintauchen der Probe in IPA: H 2 O (9:1) für 30 Sekunden. Die Lösung ist bei einer Temperatur von 20 ° C sein, Spülen in Wasser für 30 sec und blasen mit einem komprimierten N 2 Pistole trocken. Wenn bevorzugt das Resist PMMA können mit Hilfe eines IPA werden: MIBK-Lösung und Spülen mit IPA, um die Reaktion zu stoppen. Eine andere development Zeit wird benötigt, wenn diese Option gewählt werden.
  6. Legen Sie die Probe in ein Plasma Asher und setzen Sie es mit einem O 2-Plasma für 4 sec bei 50 W. Dies entfernt von 5 nm widerstehen und sorgt dafür, dass es keine widerstehen links am Boden der Gräben während der e-Strahl-Verfahren gebildet.
  7. Entfernen des GaAs-native Oxid durch Eintauchen der Probe in eine Lösung von H 2 SO 4: H 2 O (1:5) 30 sec und Spülen in Wasser für 30 Sekunden. Schlag mit einem komprimierten N 2 Pistole trocken. Step 3.8 sollte so bald wie möglich, um die native Oxid aus reappearing verhindern durchgeführt werden.
  8. Legen Sie die Probe in einer e-beam Verdampfer und Kaution 10 nm Ti und 20 nm Au, beide mit einer Rate von 0,1 nm / sec. Es ist wichtig, dass der Probenhalter auch geerdet werden und mindestens 60 cm von der Quelle zum Akkumulieren von Ladungen auf der Probe während des Abscheidungsprozesses zu verhindern platziert.
  9. Lift-off überschüssigen Metalls durch Eintauchen der Probe im Jahr 1165 Remover bei 65 °C für 15 min. Um unerwünschte Metall, das nicht auf eigene kann aufgehoben werden, zu entfernen, mit einer Pipette sprühen die Oberfläche der Probe mit heißem Entferner. Spülen in Aceton und IPA für jeweils 5 min.

4. Die Herstellung der Al Schottky Leads und Tore

Das Ergebnis dieser Herstellungsschritt ist in Fig. 4d gezeigt.

Die Herstellung des Al Schottky führt und Toren bildet die wichtigste Schritt des Herstellungsprozesses, da diese die Tore, die den Punkt definieren. Es ist wichtig, dass der Elektronenstrahl gut fokussiert werden und der Strahlstrom und in Schritt 4,2 eingestellt. Die Belichtung und Entwicklung muss auch mal gut eingestellt werden, um kleine, kontinuierliche und wohldefinierten Tore zu erzielen. In vielen Protokollen werden diese Tore und Leitungen Ti / Au hergestellt und gleichzeitig mit den Leitungen während des vorherigen Schritt 3 ausgesetzt. Es ist ein Vorteil der Verwendung Al dass es oxidiert werden kann, therefErz so dass für Elemente wie oben Gates direkt auf die Oberfläche der Probe abgeschieden werden, ohne die Notwendigkeit eines großen Isolierschicht 10.

  1. Wiederholen Sie die Schritte 3.1 bis 3.4.2. Allerdings nicht mit dem Ultraschallbad während der Reinigung der Probe um eine Beschädigung der Ti / Au führt.
  2. E-Strahl-Verfahren: Die Muster für die Al Leads und Tore sind in einer CAD-Datei erstellt. Die Al-Leitungen werden verwendet, um Kontakt mit dem Ti / Au führt zu der Al-Gatter und als geschlossene Polygone mit einer Breite von 200 nm erstellt. Die Al-Gatter sind jedoch nicht als Polygone gezogen, sondern als zwei einzelne Zeilen von 20 nm getrennt sind.
    1. Sobald der Strahl mit der Mesa ausgerichtet, stellen Sie die Vergrößerung auf 1.500 X und richten Sie den Strahl mit dem Ti / Au Schottky führt.
    2. Expose der Leitungen. Verwenden Sie eine Dosis von 43 uC / cm 2 und eine Mitte-zu-Mitte-Abstand von 3,3 nm.
    3. Expose die Tore. Verwenden Sie eine Linie Dosis von 0,149 nC / cm und einem Mitte-zu-Mitte-Abstand von 1,1 nm. Dies wird zu einem führenendgültige Gate-Breite von 60 nm auf.
    4. Die Schritte 4.2.1 - 4.2.3 für jedes der 20 Geräte auf der Probe.
  3. Wiederholen Sie die Schritte 3,5-3,7.
  4. Legen Sie die Probe in einer e-beam Verdampfer und Anzahlung von 30 nm Al mit einer Rate von 0,3 nm / sec.
  5. Wiederholen Sie Schritt 3.10. Es ist wichtig, sehr empfindlich mit der Probe aus diesem Schritt weiter, um eine Beschädigung der kleinen Al Tore.

5. Die Herstellung der Schottky Leads und Bonding Pads

Das Ergebnis dieser Herstellungsschritt ist in Figur 4e dargestellt.

  1. Die Schritte 2,1-2,9 unter Verwendung eines photolithographischen Maske für die Schottky führt anstelle der Maske für den ohmschen Pads.
  2. Legen Sie die Probe in einer e-beam Verdampfer und Kaution 30 nm Ti und 350 nm Au bei Raten von 0,3 nm / s und 1 nm / s bzw.. Die dicke Au abgeschieden erleichtert Bindung der Probe auf den Probenhalter, weil es weniger anfällig für Zerreißen ist als thinner Schichten.
  3. Lift-off das überschüssige Metall und verbleibende Resist durch Eintauchen der Probe im Jahr 1165 Remover bei 65 ° C für 3 Stunden. Um unerwünschte Metall, das nicht auf eigene kann aufgehoben werden, zu entfernen, mit einer Pipette sprühen die Oberfläche der Probe mit heißem Entferner. Spülen Sie die Probe in Aceton und IPA für jeweils 5 min.

6. Würfeln der Proben

  1. Backen Sie die Probe in einem Ofen bei 125 ° C für 15 min, um die Oberfläche zu entwässern.
  2. Spin Mantel mit S1818 bei 3.500 rpm für 30 sec und backen auf einer Heizplatte bei 115 ° C für 1 min. Die Dicke dieser Schicht des Resistmaterials ist unwichtig, solange es dick genug ist, um die Oberfläche der Probe während der Vereinzelung zu schützen.
  3. Eine Schicht Zerteilungsband auf die Ober-und Unterseite der Probe. Die Schicht Klebeband auf der Oberseite bietet einen zusätzlichen Schutz des Gerätes bei der Vereinzelung.
  4. Legen Sie die Probe face-up in einem dicer. Schneiden Sie die Probe in die einzelnen Geräte durch Zerteilenden ganzen Weg durch die obere Schicht der Dicing-Band und die GaAs / AlGaAs Wafer ohne Durchschneiden der unteren Schicht der Dicing-Band.
  5. Entfernen Sie die Dicing-Band und der Schutzschicht, indem die Probe in Aceton für einige Minuten widerstehen. Mit einer Pinzette vorsichtig abziehen Stücke Zerteilungsbands, die nicht auf eigene Faust tun zu heben. Spülen Sie die Geräte in IPA und föhnen mit einem N 2 gun.

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Representative Results

Einer der kritischen Schritte in dem oben beschriebenen Verfahren ist das Ätzen der Mesa (Schritt 1). Es ist wichtig, zu ätzen genug, um die 2DEGs unten zu entfernen, während die Vermeidung Überätzen. Daher empfiehlt es sich, einen Großteil GaAs Dummy Probe verwenden, um die Ätzlösung vor der Durchführung der Ätzung auf der GaAs / AlGaAs Probe testen. Die Ätzrate der GaAs / AlGaAs-Heterostruktur größer ist als die von GaAs, aber das Ätzen des Dummy einen Hinweis, ob der Lösung ist mehr oder weniger reaktiv als üblich und die Ätzzeit der tatsächlichen Probe entsprechend eingestellt werden kann geben.

Sobald die Geräte hergestellt wurden, sind sie bereit, auf einen Probenhalter mit Silber Epoxy befestigt werden. Draht Verbindung zwischen der Probe Bondinseln und die Probe Inhabers Anschlusspins erfolgt mit 25 um Al-Draht. Am besten ist es zu vermeiden, Beobachten der Geräte in einem Rasterelektronenmikroskop (SEM), weil die Gefahr einer Beschädigung der. StattdessenGibt es einfache Tests, die bei höheren Temperaturen (ca. 4 K) durchgeführt werden können und um zu bestätigen, wenn eines der Tore beschädigt sind oder fehlen vor dem Abkühlen der Probe in einem Verdünnungs-Kältemaschine für die weitere Charakterisierung zu erlauben. Einer dieser Tests besteht darin, Anlegen einer Vorspannung zwischen zwei ohmschen Kontakten und Messen des Stroms durch die Probe als eine Funktion der Spannung an einem Paar von Gates angelegt angetrieben. Ein Beispiel einer derartigen Messung ist in Figur 5 gezeigt. Die Kurven in Abbildung 5 zeigen zwei unterschiedliche Regelungen. Die ersten Regelung im Bereich von 0 V bis -750 mV und stellt zwei Depletion Schritte: eine auf etwa -300 mV entsprechend dem Verbrauch der 200 nm breit und führt einen bei etwa 750 mV entsprechend dem Verbrauch der 60 nm breite Tore. Die zweite Regelung bei niedrigeren Spannungen zeigt, dass Plateaus der Quantisierung der Leitfähigkeit entsprechen. Typische Werte für kneifen-off Punkte zwischen Paaren von Toren Bereich zwischen -500 mV bis-2V. Darüber hinaus einenicht anzuwenden positive Spannung oberhalb 500 oder 600 mV auf ein Tor, da es die Schottky-Barriere zu benutzen. Aus Fig. 5 ist es möglich festzustellen, dass in dem Fall von diesem Beispiel sind die Gates wahrscheinlich geometrisch ähnlich, da die TC-TL und TR TC-Paare klemmen den Strom in etwa gleichen Spannungen sind. Das gleiche gilt für die TC-BL und TC-BR-Paaren. Allerdings zeigt die Tatsache, dass die aktuelle noch fließt zwischen dem TC und BC Gates auch für hohe Spannungen, dass die BC-Gate entweder beschädigt ist oder fehlt. In der Regel haben etwa 50% der getesteten Geräte voll funktionsfähig Toren und ohmsche Kontakte.

Sobald ein geeignetes Gerät gefunden wurde, kann es in einer Verdünnung Kühlschrank zur Charakterisierung bei niedrigen Temperaturen (<100 mK) geladen werden. Die an jedem der Tore müssen dann eingestellt, um die zwei Punkte zu bilden. Es ist nicht das Ziel dieses Papiers zum Detail dieses Anpassungsprozesses. Sobald ein Doppelpunkt gebildet worden ist, eine Stabilisierungty Diagramm kann gemessen werden, um zu überprüfen, wenn die doppelte dot die wenigen Elektronen Regime erreichen kann. Dies geschieht, indem eine kleine konstante Source-Drain-Vorspannung (~ 10 uV) und durch Messen des Stroms durch die mit zwei Punkten in Abhängigkeit von den Spannungen auf der BL und BR Gates angelegt durchgeführt. Wenn der Aufbau der Vorrichtung eine Quantenpunktkontakt die als Ladung Detektor dient, ist es bevorzugt, diese zu verwenden, eher als der Strom durch den Punkt, für die Messung der Stabilität Diagramm 11. Eine gemessene Stabilität und eine schematische eines idealen Ergebnisse sind in 6 gezeigt. Wie in 6B, Strom nur durch die zwei Punkte an Tripelpunkten gezeigt. Die Null-Elektronen-Regime erreicht, wenn keine weiteren Tripelpunkte im Stabilitätsdiagramm beobachtet werden kann, egal, wie negative Spannungen an den Gates zu werden. Jedoch kann die Tatsache, dass kein Strom mehr fließt durch den Punkt für hohe Spannungen zeigen auch, dass die Tunnelbarriere verbindenING die Source-und Drain auf die zwei Punkte wurden komplett abgeklemmt. Spin Blockade kann auf verschiedenen dreifache Punkte gemessen werden, um zu beweisen, dass die wenigen Elektronen-Regime hat 12 erreicht, aber die genaue Zahl der Elektronen in der Doppel-Punkt muss ermittelt Ladungserfassungsschaltung werden. Für weitere detaillierte Informationen über die Stabilität Diagramme, Spin Blockade und Ladungserfassungsschaltung siehe R. Hanson et al. 13

Abbildung 1
Abbildung 1. a) Sequenz von Schichten in einer GaAs / AlGaAs-Heterostruktur durch Molekularstrahlepitaxie aufgewachsen. b) Bandstruktur der Heterostruktur in einer gezeigt). B c und B v jeweils die Leitungs-und Valenzband. Die einzige Region, in das Leitungsband ist unterhalb des Fermi-Niveaus (E f) is gefunden zwischen 5.000 Å dicke Schicht aus GaAs und dem 400 Å aus AlGaAs. Es ist hier, dass das 2DEG gefunden wird. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

Abbildung 2
Abbildung 2. Schematische Darstellung der metallischen Gate-Elektroden (dunkelgrau) einer doppelten Quantenpunkt abgeschieden auf der Spitze eines GaAs / AlGaAs Heterostruktur. Das 2DEG in orange dargestellt und die verarmten Regionen sind weiß. Die schwarzen Quadrate stellen ohmsche Kontakte und die Pfeile zeigen den Stromfluss durch den Punkt und dem Quanten-Punkt-Kontakt (QV). Die beiden Punkte sind in den Regionen, in denen Elektronen Orange immer noch in der Mitte des abgereicherten Zone. Gates BL und BR werden verwendet, um die Anzahl der Elektronen auf den linken und rechten Punkten zu steuern. BC und TC con kontrolliert die Tunnelbarriere zwischen den beiden Punkten. TL wird verwendet, um den Tunnel Barriere zwischen der Quelle und der linke Punkt stimmen während TR Melodien die Barriere zwischen dem rechten Punkt und dem Abfluss. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

Abbildung 3
Abbildung 3. (A) Schematische Darstellung einer Ni / Ge / Au ohmschen Kontakt (golden Rechtecke) durch schnelles thermisches Ausheilen von der Oberfläche der Probe bis auf die 2DEGs diffundiert. (B) Seitenansicht der Oberfläche der Probe, die geätzt, um die Mesa schaffen. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

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Abbildung 4. Lichtmikroskopische Aufnahmen eines doppelten Quantenpunkt Vorrichtung nach verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses. (A) Vorrichtung nach dem Ätzen der Mesa (Schritt 1). Die hellgrauen Bereiche wurden entfernt Verhinderung der elektrische Strom fließt durch diese Bereiche geätzt, während die dunkelgrauen Bereiche noch ein 2DEG zu präsentieren. (B) Gerät nach der Herstellung der ohmschen Kontakte (Schritt 2). Die ohmschen Kontakte sind die Goldquadrate. (C) Vorrichtung nach der Herstellung der Ti / Au Schottky führt (Schritt 3). Die Leitungen sind die weißen Linien in der Mitte des Bildes. (D) Gerät nach der Herstellung der Al Schottky führt und Tore (Schritt 4). Diese werden in das grüne Quadrat in der Mitte des Bildes gefunden. Eine REM-Aufnahme der Tore verwendet, um die Quantenpunkte definiert ist ebenfalls gezeigt. (E) Vorrichtung nach der Herstellung der Schottky Leitungen und Anschlußflächen (Schritt 5).:/ / Www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "target =" _blank "> Klicken Sie hier für eine größere Ansicht.

Abbildung 5
Abbildung 5. Fließende Strom von der Quelle in Abhängigkeit von der Spannung an verschiedenen Paaren von Drain-Gates angelegt. Die Abreicherung des Elektronengases beginnt bei ca. -400 mV und -700 mV bei ~ beendet. Die Vorspannung zwischen dem Source und dem Drain aufgebracht ist 500 uV und der Strom wird durch eine Zwei-Punkt-Messung gemessen. Alle Kurven wurden mit 1,4 gemacht K. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

Abbildung 6
Abbildung 6. (A) Schematische Darstellung dereine ideale Stabilität Diagramm, das unter Verwendung eines QPC würde. Linien beobachtet werden kann, wenn ein Elektron-Tunnel auf einen Punkt oder zwischen den Punkten. Die schwarzen Kreise stellen Tripelpunkte wo es möglich ist, Strom durch den Punkt fließen. (B) Stabilitäts-Diagramm durch Messen des Stroms, der durch den Punkt mit TL = -100 mV, TC = -350 mV, TR = -1,080 mV erhalten , BC = -1.160 mV, -600 mV = QV und eine Source-Drain-Vorspannung von 10 uV. Die Probe wurde mit einer Spannung V = +500 mV für jedes Tor, das die ganze Entleerung und Pinch-off-Punkte verschiebt sich um etwa 500 mV und reduziert telegraphische Rauschen im Experiment 14 Bias-gekühlt. Für diese Art von Stabilität Darstellung sind nur die dreifache Punkte sichtbar sein sollen, wie es der Fall für die negativen Spannungen. Sowohl (a) und (b) zeigen die Zahlen (L, R) die Anzahl der Elektronen in der linken und rechten Punkt für verschiedene Werte der Spannungen auf der BL und BRGates. Die grünen Linien in (b) sind Führungen, um die Regionen mit einer konstanten Anzahl von Elektronen zu zeigen. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

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Discussion

Die oben vorgestellten Verfahren beschreibt die Herstellung Protokoll einer doppelten Quantenpunkt in der Lage, die wenigen Elektronen-Regime zu erreichen. Jedoch können die angegebenen Parameter variieren je nach Modell und Kalibrierung der Geräte verwendet. Daher werden Parameter wie die Dosen für Belichtungen während der E-Strahl und Photolithographieschritte müssen vor der Herstellung von Vorrichtungen kalibriert werden. Das Verfahren kann leicht auf die Herstellung angepasst werden Gate-definierte Quantenpunkte auf andere Arten von Substraten, wie Si / SiGe, das darüber hinaus eine 2DEGs.

Für bestimmte Arten von Geräten, wie z. B. vertikale Quantenpunkte sind die Tunnelbarriere aus der Source und dem Drain mit dem Punkt während der Herstellung festgelegt und kann danach 5 variiert werden. Ein Vorteil der Gate-definierten seitlichen Quantenpunkte ist, dass die Tunnel-Barrieren zu einem Punkt als auch zwischen den Punkten elektrisch gesteuert werden kann. Da jedoch diese muss darauf geachtet werden,diese Werte während der Manipulation der Spannungen an den anderen Toren definiert den Punkt zu halten.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass, sobald die wenigen Elektronen-Regime erreicht, das Ziel, die Spin-Zustände der Elektronen auf den Punkt zu Quanten-Berechnungen durchführen zu manipulieren ist. Die Zustände 0 und 1 des Qubits wurden erfolgreich in die nach oben und unten Spinzustände eines einzelnen Elektrons 15 sowie in der ST 16 und ST 0 + 17 Zustände zweier Spins implementiert. Die Kopplung zwischen zwei Qubits wurde auch durch die Verwendung dieser Geräte 18. Jedoch ist eines der größten Nachteile von seitlichen Quantenpunkte in GaAs / AlGaAs die kurze Kohärenzlänge (die Zeit, während der die Spin-Zustand der Elektronen in dem Punkt beibehalten wird) durch Wechselwirkung mit den Kernspins der Atome, die das Substrat verursacht 19. Dies hat zur Untersuchung der seitlichen Quantenpunkte in Materialien wie Silizium (Si geführt/ SiGe Heterostrukturen 20) und Kohlenstoff (Graphen 21), haben Isotope, die frei von Kernspin sind und erwartet wird, dass theoretisch lange Kohärenz Zeiten führen. Allerdings haben diese Geräte vorhanden, die Ergebnisse der Kontrolle zu erreichen und Auslesen für Punkte in GaAs / AlGaAs erhalten. Aktuelle Arbeiten mit GaAs / AlGaAs double Quantenpunkte auch die Kopplung des Gerätes an einen Mikrowellen-Resonator 22 und die Integration von micromagnets damit schneller Spin 23 Operationen.

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Disclosures

Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgements

Die Autoren danken Michael Lacerte für technische Unterstützung. MP-L. erkennt die Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR), dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), der kanadischen Stiftung für Innovation (CFI) und Fonds de Recherche Québec - Nature et Technologies (FRQNT) für finanzielle Unterstützung. Die hier vorgestellte wurde bei CRN2 und IMDQ Einrichtungen, zum Teil durch NanoQuébec finanziert hergestellt. Die GaAs / AlGaAs Substrat wurde durch ZR Wasilewski vom Institut für Mikrostrukturphysik Wissenschaften an der National Research Council Canada hergestellt. JCL und CB-O. anerkennen und CRSNG FRQNT für finanzielle Unterstützung.

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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