Nanofabrikation af gate-definerede GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Denne artikel præsenterer en detaljeret fabrikation protokol for gate-definerede halvleder laterale kvante prikker på galliumarsenid heterostrukturer. Disse nanoskala enheder bruges til at fælde nogle elektroner til brug som kvante bits i kvanteinformation forarbejdning eller for andre mesoskopiske eksperimenter såsom kohærente konduktans målinger.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Bureau-Oxton, C., Camirand Lemyre, J., Pioro-Ladrière, M. Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots. J. Vis. Exp. (81), e50581, doi:10.3791/50581 (2013).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

En kvantecomputer er en computer består af kvante bits (qubits), der drager fordel af kvanteeffekter såsom superposition af tilstande og entanglement, at løse visse problemer eksponentielt hurtigere end med de bedste kendte algoritmer på en klassisk computer. Gate-definerede laterale kvante prikker på GaAs / AlGaAs er en af ​​mange muligheder udforskes for gennemførelse af en qubit. Ved korrekt fremstillet, sådan en enhed er i stand til at fange et lille antal af elektroner i et bestemt område af rummet. Spin tilstande af disse elektroner kan derefter anvendes til at implementere logiske 0 og 1 af den kvantebit. Da nanometer omfanget af disse kvantepunkter, der tilbyder renrumsfaciliteter specialudstyr-såsom scanning elektron mikroskoper og e-beam fordampere-der kræves for deres fabrikation. Stor omhu skal tages under hele produktionsprocessen for at bevare renlighed af prøven overflade og for at undgå at beskadige de skrøbelige porte strukturen. Dette papirpræsenterer den detaljerede fremstilling protokollen gate-definerede laterale quantum dots fra wafer til en fungerende enhed. Metoder til påvisning og repræsentative resultater er også kort drøftet. Selv om dette dokument koncentrerer sig om dobbelt quantum dots, fremstillingsprocessen forbliver den samme for enlige eller tredobbelt prikker eller endda arrays af quantum dots. Endvidere kan protokollen tilpasses til at fremstille laterale kvantepunkter på andre substrater såsom Si / SiGe.

Introduction

Kvanteinformationsvidenskaben har trukket en masse opmærksomhed, siden det blev vist, at kvantealgoritmer kan bruges til at løse visse problemer eksponentielt hurtigere end med de mest kendte klassiske algoritmer 1.. En oplagt kandidat til en kvante bit (qubit) er den spin enkelt elektron begrænset i en kvantepunkt da det er en to-niveau system. Talrige arkitekturer er blevet foreslået til gennemførelse af kvantepunkter, herunder halvledende nanotråde 2, kulstof nanorør 3, selvsamlede kvanteprikker 4 og halvleder lodret 5 og laterale kvanteprikker 6.. Gate-definerede laterale kvantepunkter i GaAs / AlGaAs heterostrukturer har haft stor succes på grund af deres alsidighed og deres fremstillingsproces er fokus for dette papir.

I laterale quantum dots, jeg indespærring af elektroner i retning vinkelret på prøveoverfladen (Z-retning)s opnås ved at vælge den rigtige substrat. GaAs / AlGaAs modulation-doteret heterostruktur præsenterer en todimensional elektron gas (2DEG) begrænset til grænsefladen mellem AlGaAs og GaAs lag. Disse prøver vokset med molekylær epitaxy at opnå en lav urenhed tæthed, som kombineret med modulation-doping teknik fører til høj elektron mobilitet i 2DEG. En skematisk af de forskellige lag af heterostruktur samt dets band struktur er vist i figur 1.. En høj elektron mobilitet er nødvendig i 2DEG at sikre sammenhæng i elektroniske tilstande over hele overfladen af ​​quantum dot. Substratet, der anvendes til fremstilling processen beskrevet nedenfor blev købt fra National Research Council of Canada og præsenterer en elektron tæthed på 2,2 x 10 11 cm -2 og en elektron mobilitet 1,69 x 10 6 cm 2 / udgangsspænding.

Indespærring af elektroner i retninger parallel til prøveoverfladen opnås ved at placere metalliske elektroder på overfladen af ​​substratet. Når disse elektroder er anbragt på overfladen af GaAs stikprøve Schottky barrierer dannet 7.. Negative spændinger anvendes på sådanne elektroder medføre lokale barrierer i 2DEG hvorunder kun elektroner med tilstrækkelig energi kan krydse. Nedbrydning af 2DEG opstår, når den påtrykte spænding er negativ nok at ingen elektroner har nok energi til at krydse barrieren. Derfor, ved omhyggeligt at vælge geometrien af ​​elektroderne, er det muligt at fange et lille antal af elektroner mellem forarmet regioner af prøven. Styring af antallet af elektroner på dot samt tunneleffekten energi mellem prik og 2DEG i resten af ​​prøven kan opnås ved at finjustere spændingerne på elektroderne. En skematisk af gateelektroderne og forarmet elektron gas er vist i figur 2.. Designet til portstrukturer danner prik er iinspireret af design anvendt af Barthel et al. 8.

Til at styre og udlæse oplysninger om antallet af elektroner på prik, er det nyttigt at inducere og måle strøm gennem prik. Udlæsning kan også gøres ved hjælp af en Quantum punktkontakt (QPC), som også kræver en strøm gennem 2DEG. Kontakten mellem 2DEG og spænding kilder sikres ved ohmske kontakter. Disse er metalliske puder, der er diffunderet fra overfladen af prøven hele vejen ned til 2DEG hjælp af en standard hurtig termisk anneale proces 7 (se figur 3a og 4b). For at undgå kortslutninger mellem kilden og afløbet, er overfladen af prøven ætset så 2DEG er opbrugt i visse regioner, og den nuværende er tvunget til at rejse gennem bestemte kanaler (se figur 3b og 4a). Den region, hvor 2DEG stadig betegnes som "mesa".

Følgende protokol detaljer hele produktionsprocessen af ​​en gate-defineret lateral kvantepunktet på en GaAs / AlGaAs substrat. Processen er skalerbart, da det forbliver den samme, uanset om den enhed, der fabrikerede er en enkelt, dobbelt eller tredobbelt kvantepunkt eller endda en vifte af kvantepunkter. Manipulation, måling og resultater for dobbelt kvantepunkter fremstillet ved hjælp af denne metode diskuteres i yderligere sektioner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Fremstillingsprocessen beskrevet nedenfor er gjort på et GaAs / AlGaAs substrat med dimensioner 1,04 x 1,04 cm. Tyve identiske enheder er fremstillet på et substrat af denne størrelse. Alle trin i processen er færdig i en renrum og passende beskyttelsesudstyr skal anvendes på alle tidspunkter. Deioniseret vand anvendes i hele processen, men er blot kaldes "vand" i protokollen nedenfor.

1.. Ætsning af Mesa

Resultatet af denne fabrikation trin er vist i figur 4a.

  1. Prøven anbringes i et plasma asher med O 2 plasma ved 75 W i 2 min for at fjerne alle spor af uønskede modstå eller organiske forbindelser.
  2. Rengør prøven i en sonisk bad med acetone (2x) og IPA i 5 min hver. Føntør med en komprimeret N2 pistol. Gennem fremstilling protokollen, når du bruger en sonic bad undgå at bruge store beføjelser til at undgå at beskadige GaAs waferder har en tendens til at spalte.
  3. Bag prøven i en ovn ved 125 ° C i mindst 15 minutter for at dehydrere overfladen. Dehydrering kan også opnås ved at placere prøven på en varmeplade ved 180 ° C i mindst 5 min.
  4. Spin pels prøven med Shipley S1818 fotoresist ved 3.500 rpm i 30 sek og bages på en varm plade ved 115 ° C i 60 sek. Det resulterende lag modstå bør være omkring 2,5 um tyk. S1818 anvendes, fordi det er tyk og påvirkes meget lidt af den opløsning, der anvendes i trin 1.11 at ætse substratet. Gennem hele produktionsprocessen, er det vigtigt at undgå overbaking photoresist og e-beam modstå at sikre let fjernelse i de efterfølgende trin.
  5. Brug en fotolitografisk maske aligner og en kant perle maske for at eksponere modstå på den yderste kant af prøven. Kanten perle maske består af en 1 x 1 cm krom firkant på en glasplade. Brug lys med en bølgelængde på 436 nm, og eksponere modstå for 10 sek ved 15m W / cm 2. Det wavelength og magt er faste og kan variere med den anvendte maskine. Juster eksponeringen og udvikling gange for at opnå veldefinerede funktioner i den rigtige størrelse.
  6. Udvikle udsat modstå ved at nedsænke prøven i MF-319 i 2 min 10 sek. Rystes langsomt under dette trin. Skyl i vand i 15 sek og blæse tør med en komprimeret N2 pistol. Kanten perle bør fjernes ved afslutningen af ​​dette trin, forlader en 1 x 1 cm overflade med en ensartet tykkelse modstå i midten af ​​prøven. Kanten vulst fjernes før udsætte mesa maske for at opnå en bedre kontakt mellem masken og prøven, hvilket fører til bedre resultater.
  7. Stadig bruger fotolitografisk maske aligner, udsætter modstå bruge mesa maske og 436 nm lys for 7 sek ved 15 mW / cm 2.
  8. Udvikle den udsatte modstå ved at dyppe prøven i MF-319 for 2 min 10 sek og omrøring langsomt. Skyl i 15 sekunder i vand og føntørre med en komprimeret N2 pistol. Resist remaining på prøven nu har form af mesa. Resisten vil beskytte denne region af prøven bliver ætset væk i de efterfølgende trin.
  9. Hvis du vil fjerne alle spor af modstå i de tidligere eksponerede område, prøven anbringes i et plasma asher og udsættes for en O 2 plasma i 1 min ved 75 W.
  10. En opløsning af H 2 SO 4: H 2 O 2: H2O (05:01:55) anvendes til ætsning af prøven. Kombiner de rette proportioner af H 2 O 2 og vand, og tilsæt derefter H 2 SO 4. Denne løsning er meget reaktiv, når det fremstilles først. Vent 20 min før du fortsætter til næste trin for at undgå overetching.
  11. Etch prøven ved at anbringe den i den sure opløsning i flere sekunder og straks skylning i vand i 30 sekunder for at stoppe reaktionen. Overfladen af ​​prøven bør ætset forbi lag af Si dopants og næsten hele vejen ned til 2DEG at sikre udtynding i disse regioner (see figur 1). Etch dybde kan variere afhængigt af substratet. Generelt for den anvendte type underlag, fører en 34 sek nedsænkning til den ønskede etch dybde af 90-100 nm. Men det er vigtigt ikke at overetch at undgå at beskadige 2DEG. Da ætsehastigheden varierer stærkt med forholdet H 2 SO 4 og H 2 O 2 i opløsningen samt med ventetiden før etch, anbefales det at udføre ætsningen af flere neddypninger på 5-10 sek, i stedet af et enkelt 34 sek etch, måle og det ætsede dybden med en profilometer efter hver etch. Den relativt langsomme ætsehastighed af denne løsning giver mulighed for en god styring af etch dybde. Køling af Ætseopløsning under stuetemperatur kan føre til lavere etch satser. Men da det er en lavvandet ætsning og ætsningsprofil er uvæsentligt, kan forskellige ætsevæsker også anvendes.
  12. Strip modstå ved nedsænkning af prøven i 1165 Remover ved 65 ° C i 3 timer. Skyli acetone og IPA i 5 min hver. Måle ætsningsprofil med et profilometer.

2.. Fremstilling af de ohmske kontakter

Resultatet af denne fabrikation trin er vist i figur 4b.

  1. Rengør prøven i en sonisk bad ved nedsænkning i acetone (2x) og IPA i 5 min hver. Blæs tørt med en komprimeret N2 pistol.
  2. Bag prøven i en ovn ved 125 ° C i 15 minutter for at dehydrere overfladen.
  3. Spin frakke med LOR5A ved 2.500 rpm i 30 sek og bages på en varm plade ved 150 ° C i 10 min. Derefter spinde frakke med S1813 ved 5.000 rpm i 30 sek og bages på en varm plade ved 110 ° C i 60 sek. Den resulterende tykkelser modstå er ~ 600 nm og ~ 1,3 um hhv. To lag modstå anvendes til at lette lift-off af det metal, der vil blive indsat i trin 2.10.
  4. Ved hjælp af en fotolitografisk maske aligner og kantrand maske, resisten eksponere den ydre edge af prøven med 436 nm lys i 10 sekunder ved 15 mW / cm 2.
  5. Udvikle den udsatte modstå ved at dyppe prøven i MF-319 for 2 min 10 sek, mens omrøring gnidningsløst. Skyl i vand i 15 sek og blæse tør med en komprimeret N2 pistol.
  6. Stadig bruger fotolitografisk maske aligner, men denne gang med den ohmske kontakt maske, justere mønstre for de ohmske kontakter på ætsede mesa. Eksponere med 436 nm lys i 6 sekunder ved 15 mW / cm 2.
  7. Udvikle modstå i MF-319 for 2 min 10 sek, mens omrøring gnidningsløst. Skyl i vand i 15 sek og blæse tør med en komprimeret N2 pistol. Der er ikke længere modstå i de regioner, hvor ohmske kontakter vil blive deponeret. Udvikleren opløser LOR 5A hurtigere end S1813, efterlader en frigang under det øverste lag af modstå. Denne profil i modstå forhindrer metal (der vil blive deponeret i trin 2.10) fra at danne vægge ved kanterne af resisten og vil også tillade en nem aftageligel den resterende modstå og uønsket metal.
  8. Hvis du vil fjerne alle spor af modstå i de tidligere eksponerede område, skal du placere prøven i et plasma asher og udsætte det til en O 2 plasma i 1 min ved 75 W. Det er vigtigt ikke at lade prøven sidde for længe i plasma, fordi omkring 75 nm / min modstå ætses under dette trin.
  9. Fjern GaAs native oxid ved neddypning i en opløsning af H 2 SO 4: H2O (1:5) i 30 sekunder og skylning i vand i 30 sek. Blæs tørt med en komprimeret N2 pistol. Trin 2.10 bør udføres så hurtigt som muligt for at undgå det native oxid fra dukke op igen.
  10. Brug en e-beam fordamper at deponere 25 nm af Ni, 55 nm af Ge, og 80 nm fra Au. De depositionen er henholdsvis 0,2 nm / sek, 0,5 nm / sek og 0,5 nm / sek. De deposition er valgt således, at fordampningen er kort nok til at undgå opvarmning af kammeret uden at være så kort som at miste præcision af tykkelsen af ​​than afsatte lag. Den dobbeltlag Ge og Au kan erstattes af et enkelt lag af eutektisk GeAu hvis den er tilgængelig 9..
  11. Det foregående trin aflejret metal på hele overfladen af ​​prøven. Fjernelse af metal, der er aflejret på modstå sker ved at opløse sidstnævnte. For at gøre dette, fordybe prøven i 1165 Remover ved 65 ° C i 3 timer. For at fjerne enhver uønsket metal, der måske ikke har løftet sig selv, brug en pipette til let spray overfladen af ​​prøven med varm remover. Skyl prøven i acetone og IPA i 5 min hver.
  12. En hurtig termisk anneale proces i dannende gas anvendes til at sprede det aflejrede metal ned til 2DEG af prøven. Temperaturen øges med en hastighed på 50 ° C / sek, indtil en temperatur på 415 ° C er nået. Prøven henstår ved denne temperatur i 20 sekunder og afkøles derefter hurtigt. Varigheden og temperaturen af ​​udglødningen er valgt for at opnå den mindste modstand gennem ohmske kontakter på lavtemperatur. Den optimale anneal tid kan variere afhængigt af dybden af ​​2DEG i underlaget.

3.. Fabrikation af Ti / Au Schottky Leads

Resultatet af denne fabrikation trin er vist i figur 4c.

  1. Rengør prøven i en sonisk bad ved nedsænkning i acetone (2x) og IPA i 5 min hver. Blæs tørt med en komprimeret N2 pistol.
  2. Bag prøven i en ovn ved 125 ° C i 15 minutter for at dehydrere overfladen.
  3. Spin pels PMMALMW4% ved 5000rpm for 30 sec og bages på en varm plade ved 180 ° C i 90 sek. Derefter spinde frakke PMMA HMW 2% ved 5000 rpm i 30 sek og bages på en varm plade ved 180 ° C i 90 sek. Den resulterende tykkelser modstå er ~ 75 nm og ~ 40 nM. Da Ti / Au fører vil være meget tynd, kan et enkelt lag af PMMA bruges, men spinning, eksponering og udvikling parametre skal justeres i overensstemmelse hermed. Denne bemærkning gælder også for tHan Al leads og porte (trin 4).
  4. E-beam proces: Denne del af processen er meget afhængig af det anvendte udstyr og den protokol, der er behov kan således afvige meget fra den ene beskrevet nedenfor. De mønstre for ledningerne er tegnet i en CAD-filen. I denne fil, skal ledningerne trækkes som lukkede polygoner, der er 2 um brede. Ledningerne er nødvendigt at kontakte samlingsflader (fremstillet i trin 5) til Al porte (fremstillet i trin 4). Fire opretningsmærker skal også blive udsat for at tillade lodret, vandret og roterende tilpasning af Al leads og porte onto Ti / Au Schottky fører.
    1. Prøven anbringes i en Scanning Electron Microscope (SEM), der er udstyret til at gøre e-beam litografi. Brug en maskestørrelse på 10 um til at reducere stråleplet størrelse og indstil accelerationsspænding til 10 kV til at sikre en god kontrast under justeringen på de tidligere fremstillede strukturer. Juster fokus, stigmatism og blænde justering.Måle stråle strøm med en Faraday kop.
    2. Juster bjælken med den tidligere ætset mesa og sæt forstørrelsen til 300X.
    3. Expose ledningerne. SEM er programmeret til at udsætte de ønskede områder ved at fylde dem med et array af eksponerede prikker. Afstanden mellem disse punkter (center-til-center afstand) er 5,5 nm, og dosis er 43 μC / cm 2 (eksponeringstiden vil afhænge af strålestrømmen målt i trin 3.5.1). Expose Justeringsmærkerne samt at tillade justering af Al porte med TI / Au kundeemner i trin 4.
    4. Gentag trin 3.5.2 og 3.5.3 for hver af de 20 enheder på prøven.
  5. Udvikle modstå ved nedsænkning af prøven i IPA: H2O (9:1) i 30 sek. Opløsningen skal have en temperatur på 20 ° C. Skyl i vand i 30 sek og blæse tør med en komprimeret N2 pistol. Hvis det foretrækkes, PMMA modstå kan udvikles ved hjælp af en IPA: MIBK opløsning og skylning i IPA for at standse reaktionen. En anden ddvikling tiden vil være nødvendig, hvis denne mulighed er valgt.
  6. Prøven anbringes i et plasma asher og udsætte det for en O 2 plasma i 4 sekunder ved 50 W. Dette fjerner 5 nm modstå og sikrer, at der ikke er nogen modstå venstre nederst af skyttegravene dannes under elektronstråle proces.
  7. Fjern GaAs native oxid ved neddypning i en opløsning af H 2 SO 4: H2O (1:5) i 30 sekunder og skylles i vand i 30 sek. Blæs tørt med en komprimeret N2 pistol. Trin 3.8 bør udføres så hurtigt som muligt for at undgå det native oxid fra dukke op igen.
  8. Prøven anbringes i en e-stråle fordamper og deponering 10 nm Ti og 20 nm af Au, både med en hastighed på 0,1 nm / sek. Det er vigtigt for prøveholderen at være godt jordet og placeres mindst 60 cm væk fra kilden for at forhindre afgifter fra akkumulere på prøven under deposition proces.
  9. Lift-off overskydende metal ved nedsænkning af prøven i 1165 Remover ved 65 °C i 15 min. For at fjerne enhver uønsket metal, der måske ikke har løftet sig selv, brug en pipette til let spray overfladen af ​​prøven med varm remover. Skyl i acetone og IPA i 5 min hver.

4.. Fabrikation af Al Schottky Leads og Gates

Resultatet af denne fabrikation trin er vist i figur 4d.

Fremstillingen af ​​Al Schottky fører og porte udgør den mest kritiske trin i produktionsprocessen, da disse er de porte, der definerer prik. Det er vigtigt, at elektronstrålen godt være fokuseret og strålen nuværende godt justeret i trin 4.2. Eksponeringen og udvikling tider må også godt tilpasset til at opnå små, kontinuerlige og veldefinerede porte. I mange protokoller, er disse porte og fører fremstillet i Ti / Au og er udsat samtidigt med de tidligere ledninger under trin 3. Men en fordel ved at bruge Al er, at det kan være oxideret, therefmalm giver mulighed for elementer såsom top porte skal deponeres direkte på overfladen af prøven uden behov for en stor isolerende lag 10.

  1. Gentag trin 3.1 til 3.4.2. Du skal dog ikke bruge den soniske badet, mens rengøring af prøven for at undgå at beskadige Ti / Au kundeemner.
  2. E-beam proces: De mønstre for Al leads og porte er tegnet i en CAD-fil. Al ledninger bruges til at kontakte Ti / Au fører til Al gates og er tegnet som lukkede polygoner med en bredde på 200 nm. Al porte dog ikke udnyttes som polygoner, men snarere som to enkelte linjer adskilt af 20 nm.
    1. Når strålen er på linje med mesa, sætter forstørrelsen til 1.500 X og justere strålen med Ti / Au Schottky fører.
    2. Expose ledningerne. Brug en dosis på 43 μC / cm 2 og en center-til-center afstand på 3,3 nm.
    3. Expose portene. Brug en linje dosis på 0,149 NC / cm og en center-til-center afstand på 1,1 nm. Dette vil føre til enendelig gate bredde på 60 nm.
    4. Gentag trin 4.2.1 - 4.2.3 for hver af de 20 enheder på prøven.
  3. Gentag trin 3,5-3,7.
  4. Prøven anbringes i en e-beam fordamper og deponering 30 nm Al med en hastighed på 0,3 nm / sek.
  5. Gentag trin 3.10. Det er vigtigt at være meget sart med prøven fra dette trin videre for at undgå at beskadige de små Al porte.

5.. Fabrikation af Schottky Leads og samlingsflader

Resultatet af denne fabrikation trin er vist i figur 4e.

  1. Gentag trin 2,1-2,9 under anvendelse af en fotolitografisk maske for Schottky fører i stedet for masken for ohmske puder.
  2. Prøven anbringes i en e-beam fordamper og deponering 30 nm Ti og 350 nm Au hyppigheder på 0,3 nm / sek og 1 nm / sek hhv. Det tykke lag af Au aflejret letter binding af prøven til prøveholderen fordi det er mindre tilbøjelige til at rive end Thinner lag.
  3. Lift-off overskydende metal og resterende modstå ved nedsænkning af prøven i 1165 Remover ved 65 ° C i 3 timer. For at fjerne enhver uønsket metal, der måske ikke har løftet sig selv, brug en pipette til let spray overfladen af ​​prøven med varm remover. Skyl prøven i acetone og IPA i 5 min hver.

6.. Terninger af Samples

  1. Bag prøven i en ovn ved 125 ° C i 15 minutter for at dehydrere overfladen.
  2. Spin frakke med S1818 ved 3.500 rpm i 30 sek og bages på en varm plade ved 115 ° C i 1 min. Tykkelsen af ​​dette lag af modstå er uden betydning, så længe den er tyk nok til at beskytte overfladen af ​​prøven under terninger.
  3. Anbring et lag terninger tape på den øverste og nederste flader af prøven. Laget af tape på oversiden giver en ekstra lag af beskyttelse til enheden under terninger.
  4. Anbring prøven med forsiden opad i en Dicer. Skær prøven i de enkelte enheder ved terningerhele vejen gennem øverste lag af terninger tape og GaAs / AlGaAs wafer uden at skære gennem det nederste lag af terninger tape.
  5. Fjern terninger båndet og beskyttende modstå ved at placere prøven i acetone i et par minutter. Brug en pincet til forsigtigt at trække off stykker dicing tape, der ikke løfter på egen hånd. Skyl enhederne i IPA og blæse tørt med en N2 pistol.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En af de kritiske trin i den ovenfor beskrevne proces er ætsning af mesa (trin 1). Det er vigtigt at ætse nok til at fjerne den 2DEG nedenfor samtidig undgå overetching. Derfor anbefales det at bruge en bulk GaAs dummy prøve at teste Ætseopløsning før udfører etch på GaAs / AlGaAs prøve. Den ætsehastigheden af ​​GaAs / AlGaAs heterostructure er større end GaAs, men ætsning af dukkens kan give en indikation om den løsning er mere eller mindre reaktive end sædvanligt, og det etch tidspunktet for den faktiske stikprøve kan justeres i overensstemmelse hermed.

Når enhederne er fremstillet, er de klar til at blive fastgjort til en prøveholder hjælp sølv epoxy. Wire binding mellem stikprøvens samlingsflader og prøven indehaverens stikkets ben sker ved hjælp af 25 um Al wire. Det er bedst at undgå at observere enheder i et scanningselektronmikroskop (SEM), fordi der er en risiko for at beskadige dem. I stedet, Der er enkle tests, der kan gøres på relativt høje temperaturer (~ 4 K), og som gør det muligt at bekræfte, om nogen af ​​portene er brudt eller mangler inden du køler prøven i en fortynding køleskab til yderligere karakterisering. En af disse tests består i at anvende en spændingsforspænding mellem to ohmske kontakter og måle strøm drevet gennem prøven som en funktion af den påtrykte spænding på et par porte. Et eksempel på sådanne målinger er vist i figur 5. Kurverne i figur 5 viser to forskellige regimer. De første regime spænder fra 0 V til -750 mV og præsenterer to udtømning trin: én på omkring-300mV svarende til nedbrydning af de 200 nm brede leads og én på omkring-750mV svarer til nedbrydning af de 60 nm brede porte. Den anden ordning ved lavere spændinger viser plateauer, der svarer til kvantisering af ledningsevne. Typiske værdier for pinch-off point mellem par af porte interval mellem-500mV til 2V. Desuden er enbør ikke anvendes positiv spænding over 500 eller 600 mV på en port, da det kan beskadige Schottky barriere. Fra figur 5, er det muligt at konkludere, at i tilfælde af denne særlige prøve, portene sandsynligvis være geometrisk ens, da TC-TL og TC-TR par afklemme strøm på omtrent lige store spændinger. Det samme gælder for TC-BL og TC-BR par. Den omstændighed, at den nuværende stadig flyder mellem TC og BC porte selv for høje spændinger indikerer, at BC gate enten er brudt eller mangler. Normalt omkring 50% af de testede enheder har fuldt funktionsdygtige porte og ohmske kontakter.

Når en passende enhed er blevet fundet, kan det lægges i en fortynding køleskab til karakterisering ved lave temperaturer (<100 mK). De spændinger på hver af portene skal derefter justeres til at danne den dobbelte prik. Det er ikke målet med dette papir til detaljer denne tilpasningsproces. Når en dobbelt prik er blevet dannet, en stabiliseringty diagram kan måles for at kontrollere, om den dobbelte prik kan nå de få-elektron regime. Dette gøres ved at anvende en lille konstant source-drain bias (~ 10 μV) og ved at måle strøm gennem det dobbelte prik som en funktion af spændinger anvendes på BL og BR porte. Hvis udformningen af indretningen indbefatter et kvante punktkontakt, der tjener som en afgift detektor, foretrækkes det at anvende dette, snarere end strømmen gennem prik, til måling af stabilitet diagram 11. En afmålt stabilitet diagram og skematisk en ideel resultat er vist i fig. 6. Som vist i figur 6b, kun strøm strømmer gennem det dobbelte prik på tredobbelt punkter. Nul-elektron regime er nået, når der ikke mere tredobbelte punkter kan observeres i stabilitet diagram, uanset hvor negative spændinger på portene blevet. Dog kan det faktum, at den nuværende ikke længere løber gennem dot for høje spændinger viser også, at tunnelen barrierer forbindeING kilde og dræn til den dobbelte prik er blevet fuldstændig klemt ud. Spin blokade kan måles ved forskellige tredobbelt point for at bevise, at de få elektroner regime har nået 12, men det nøjagtige antal af elektroner i den dobbelte prik skal bestemmes ved hjælp af gratis sensing. For mere detaljerede oplysninger om stabilitet diagrammer, spin-blokade og opkræve sensing se R. Hanson et al. 13.

Figur 1
Figur 1. a) Sekvens af lag til stede i en GaAs / AlGaAs heterostructure vokset med molekylær epitaxy. b) Bånd struktur heterostruktur vist i a). b c og B v er henholdsvis varmeledning og valens bands. Den eneste region, hvor varmeledning båndet er under Fermi-niveau (E f) i.s findes mellem de 5.000 et lag af GaAs og 400 et lag af AlGaAs. Det er her, at 2DEG er fundet. Klik her for at se større billede .

Figur 2
Figur 2. Skematisk af de metalliske gateelektroder (mørkegrå) af en dobbelt kvantepunkt deponeret på toppen af en GaAs / AlGaAs heterostructure. Den 2DEG er vist i orange og de ​​udtømte regioner er hvide. De sorte firkanter repræsenterer ohmske kontakter og pilene viser det aktuelle flow gennem prik og kvante punktkontakt (QPC). De to prikker er placeret i de orange regioner, hvor elektroner stadig i midten af ​​den udtømte zone. Gates BL og BR anvendes til at styre antallet af elektroner på venstre og højre prikker hhv. BC og TC con Trol tunnelen barriere mellem de to prikker. TL bruges til at tune tunnelen barriere mellem kilden og venstre prik, mens TR melodier barriere mellem højre prik og afløbet. Klik her for at se større billede .

Figur 3
Figur 3. (A) Skematisk af en Ni / Ge / Au ohmsk kontakt (gyldne rektangler) spredt ved hurtig termisk annealer fra overfladen af prøven ned til 2DEG. (B) Lateral billede af overfladen af prøven, der er ætset at skabe mesa. Klik her for at se større billede .

581/50581fig4.jpg "width =" 600px "/>
Figur 4.. Optisk mikroskop billeder af en dobbelt kvantepunkt enheden efter forskellige trin i produktionsprocessen. (A) Anordning efter ætsning af mesa (trin 1). De lysegrå områder er blevet ætset væk forhindrer den elektriske strøm i at løbe gennem disse regioner, mens de mørkegrå områder stadig er til stede et 2DEG. (B) Anordning efter fremstillingen af de ohmske kontakter (trin 2). De ohmske kontakter er guld firkanter. (C) Anordning efter fremstillingen af Ti / Au Schottky fører (trin 3). Ledningerne er de hvide streger i midten af billedet. (D) Anordning efter fremstillingen af Al Schottky fører og porte (trin 4). Disse findes i den grønne firkant i midten af ​​billedet. Et SEM billede af portene bruges til at definere de quantum dots er også vist. (E) enhed efter fremstillingen af de Schottky kundeemner og limning pads (trin 5).:/ / Www.jove.com/files/ftp_upload/50581/50581fig4highres.jpg "target =" _blank "> Klik her for at se større billede.

Figur 5
Figur 5. Strøm fra kilde til dræn som en funktion af den påtrykte spænding på forskellige par af porte. Nedbrydningen af elektrongas begynder ved ~ -400 mV og er færdig på ~ -700 mV. Spændingen forspænding påføres mellem kilden og drænet er 500 μV og strømmen måles af en to-punkts måling. Alle kurver er taget på 1,4 K. Klik her for at se større billede .

Figur 6
Figur 6.. (A) Skematisken ideel stabilitet diagram, der ville blive opnået ved hjælp af en QPC. Linjer kan observeres, når en elektron tunneller på én prik eller mellem prikkerne. De sorte cirkler repræsenterer tredobbelt punkter, hvor det er muligt for strømmen løbe gennem prik. (B) Stabilitet diagram opnået ved at måle strøm gennem prik med TL = -100 mV, TC = -350 mV, TR = -1.080 mV , BC = -1.160 mV, QPC = -600 mV og en kilde-drain skævhed på 10 μV. Prøven blev skævhed-kølet med en spænding V = +500 mV på hver port, som forskyder hele udtømning og pinch-off point ved ca 500 mV og reducerer telegrafisk støj i eksperimentet 14.. For denne type stabilitet diagram, er det kun de tredobbelte punkter formodes at være synlig, som det er tilfældet her for de mest negative spændinger. I begge (a) og (b), tallene (L, R) angiver antallet af elektroner i den venstre og højre prik for forskellige værdier af spændinger på BL og BRporte. De grønne linier i (b), er guider til at vise regionerne med et konstant antal elektroner. Klik her for at se større billede .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Processen er præsenteret ovenfor, beskriver fremstillingen protokollen for en dobbelt kvantepunkt stand til at nå de få-elektron regime. Dog kan de givne parametre varierer afhængigt af modellen og kalibrering af det anvendte udstyr. Derfor vil parametre såsom doser for påvirkninger under e-stråle og fotolitografi skridt, der skal kalibreres før fremstillingen af ​​enheder. Fremgangsmåden kan let tilpasses til fremstilling af gate-definerede kvantepunkter på andre typer af substrater såsom Si / SiGe, der også udgør en 2DEG.

For visse typer af enheder, såsom lodrette quantum dots er tunnelen barriere fra kilden og drænet til prik bestemt under fabrikation og ikke kan varieres bagefter 5.. En fordel ved gate-definerede laterale quantum dots er, at tunnelen hindringer for dot samt mellem prikkerne kan styres elektrisk. Men på grund af dette, skal man passeat opretholde disse værdier under manipulation af spændinger på de andre porte definerer prik.

Det er vigtigt at huske, at når de få elektroner regime er nået, er målet at manipulere spin stater elektronerne på prikken at udføre kvante beregninger. De 0 og 1 stater i qubit er med held blevet implementeret i op og ned spin-tilstande af en enkelt elektron 15 samt i ST 0 16 og ST + 17 stater i to spins. Kobling mellem to qubits er også opnået ved hjælp af disse enheder 18. Men en af ​​de største ulemper ved laterale kvantepunkter i GaAs / AlGaAs er den korte sammenhæng (den tid, i hvilken spintilstand af elektronerne i prik bevares) forårsaget ved interaktion med kernespinnene af atomerne danner substratet 19.. Dette har ført til undersøgelse af laterale kvantepunkter i materialer såsom silicium (Si/ SiGe heterostrukturer 20) og kulstof (graphene 21), der har isotoper, der er fri for nukleare spin og forventes at føre til teoretisk lange kohærenstider. Men disse enheder har endnu ikke at opnå de resultater af kontrol og udlæsning opnået for prikker i GaAs / AlGaAs. Nuværende arbejde med GaAs / AlGaAs dobbelt kvanteprikker også kobling af enheden til en mikrobølgeovn resonator 22 og integration af micromagnets at tillade hurtigere spin-operationer 23..

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Acknowledgements

Forfatterne takker Michael Lacerte for teknisk support. MP-L. anerkender den canadiske Institute for Advanced Research (CIFAR), Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), den canadiske Foundation for Innovations (CFI), og Fonds de Recherche Québec - Nature et Technologies (FRQNT) for finansiel støtte. Enheden præsenteres her blev fabrikeret på CRN2 og IMDQ faciliteter, finansieret delvist af NanoQuébec. De GaAs / AlGaAs substrat blev fabrikeret af ZR Wasilewski fra Institut for mikrostrukturelle Fakultet ved National Research Council Canada. JCL og CB-O. anerkender CRSNG og FRQNT for finansiel støtte.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shor, P. W. Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer. SIAM J. Sci. Comput. 26, (5), 1484-1509 (1997).
  2. Björk, M. T., Thelander, C., et al. Few-Electron Quantum Dots in Nanowires. Nano Lett. 4, (9), 1621-1625 (2004).
  3. Dekker, C. Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires. Phys. Today. 52, (5), 22-28 (1999).
  4. Klein, D. L., McEuen, P. L., Bown Katari, J. E., Roth, R., Alivisatos, A. P. An Approach to Electrical Studies of Single Nanocrystals. Appl. Phys. Lett. 68, (18), 2574-2576 (1996).
  5. Kouwenhoven, L. P., Oosterkamp, T. H., et al. Excitation Spectra in Circular Few-Electron Quantum Dots. Science. 278, (5344), 1788-1792 (1997).
  6. Ciorga, M., Sachrajda, A. S. Z., et al. Addition Spectrum of a Lateral Dot from Coulomb and Spin-Blockade Spectroscopy. Phys. Rev. B. 61, (24), R16315-R16318 (2000).
  7. Baca, A. G., Ashby, C. I. H. Fabrication of GaAs Devices. The Institute of Electrical Engineers. London, United Kingdom. 350 (2005).
  8. Barthel, C., Reilly, D. J., Marcus, C. M., Hanson, M. P., Gossard, A. C. Rapid Single-Shot Measurement of a Singlet-Triplet Qubit. Phys. Rev. Lett. 103, (16), 160503 (2009).
  9. S, A Survey of Ohmic Contacts to III-V Compound Semiconductors. Thin Solid Films. 308, (0), 599-606 (1997).
  10. Lim, W. H., Huebl, H., et al. Electrostatically Defined Few-Electron Double Quantum Dot in Silicon. Appl. Phys. Lett. 94, (17), 173502 (2009).
  11. Elzerman, J. M., Hanson, R., et al. Few-Electron Quantum Dot Circuit with Integrated Charge Read Out. Phys. Rev. B. 67, (16), 161308 (2003).
  12. Johnson, A. C., Petta, J. R., Marcus, C. M., Hanson, M. P., Gossard, A. C. Singlet-Triplet Spin Blockade and Charge Sensing in a Few-Electron Double Quantum Dot. Phys. Rev. B. 72, (16), 165308 (2005).
  13. Hanson, R., Kouwenhoven, L. P., Petta, J. R., Tarucha, S., Vandersypen, L. M. K. Spins in Few-Electron Quantum Dots. Rev. Mod. Phys. 79, (4), 1217-1265 (2007).
  14. Long, A. R., Pioro-Ladrière, M., et al. The Origin of Switching Noise in GaAs/AlGaAs Lateral Gated Devices. Physica E Low Dimens. Syst. Nanostruct. 34, (1-2), 553-556 (2006).
  15. Koppens, F. H. L., Buizert, C., et al. Driven Coherent Oscillations of a Single Electron Spin in a Quantum Dot. Nature. 442, (7104), 766-771 (2006).
  16. Foletti, S., Bluhm, H., Mahalu, D., Umansky, V., Yakobi, A. Universal Quantum Control of Two-Electron Spin Quantum Bits Using Dynamic Nuclear Polarization. Nat. Phys. 5, (12), 903-908 (2009).
  17. Petta, J. R., Lu, H., Gossard, A. C. A Coherent Beam Splitter for Electronic Spin States. Science. 327, (5966), 669-672 (2010).
  18. Shulman, M. D., Dial, O. E., Harvey, S. P., Bluhm, H., Umansky, V., Yacoby, A. Demonstration of Entanglement of Electrostatically Coupled Singlet-Triplet Qubits. Science. 336, (6078), 202-205 (2012).
  19. Khaetskii, A. V., Loss, D., Glazman, L. Electron Spin Decoherence in Quantum Dots Due to Interaction with Nuclei. Phys. Rev. Lett. 88, (18), 186802 (2002).
  20. Sakr, M. R., Jiang, H. W., Yablonovitch, E., Croke, E. T. Fabrication and characterization of electrostatic Si/SiGe Quantum Dots with an Integrated Read-Out Channel. Appl. Phys. Lett. 87, (22), 223104 (2005).
  21. Liu, X. L., Hug, D., Vandersypen, L. M. K. Gate-Defined Graphene Double Quantum Dot and Excited State Spectroscopy. Nano Lett. 10, (5), 1623-1627 (2010).
  22. Frey, T., Leek, P. J., Beck, M., Blais, A., Ihn, T., Ensslin, K., Wallraff, A. Dipole Coupling of a Double Quantum Dot to a Microwave Resonator. Phys. Rev. Lett. 108, 046807 (2012).
  23. Pioro-Ladrière, M., Tokyra, Y., Obata, T., Kubo, T., Tarucha, S. Micromagnets for coherent control of spin-charge qubit in lateral quantum dots. Appl. Phys. Lett. 90, (2), 024105 (2007).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics