ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

量子情報科学は、それが量子アルゴリズムが最もよく知られている古典的なアルゴリズム¹を^用いてより速く急激に特定の問題を解決するために使用することができることが示されて以来、注目を集めている。それは2つのレベルのシステムであるため、量子ビット（キュービット）のための明白な候補者は、量子ドットに閉じ込められた単一電子のスピンです。多数のアーキテクチャは²ナノワイヤー、カーボンナノチューブ^3、自己組織化量子ドット⁴と、半導体⁵縦方向と横方向の量子ドット⁰⁶を含む量子ドット半導体の実装の ​​ために提案されている。たGaAs / AlGaAs系で横量子ドットをゲート定義のヘテロ構造があるため、その汎用性の非常に成功しているとその製造プロセスは、この論文の焦点である。

横方向の量子ドット、試料表面に垂直な方向の電子の閉じ込め（Z方向）に一sが適切な基質を選択することによって達成した。のGaAs / AlGaAsの変調ドープされたヘテロ構造には、AlGaAs系とGaAs層との界面に閉じ込められ、二次元電子ガス（2DEG）を提示する。これらのサンプルは変調ドーピング技術と組み合わせることで、低不純物濃度を得るために、分子線エピタキシー法によって成長させ、2DEGの高い電子移動度をもたらす。異なるヘテロ構造の層だけでなく、そのバンド構造の模式図を図1に示す。高電子移動度は、量子ドットの表面全体にわたって電子状態の一貫性を確保するために2DEG必要である。後述の製造プロセスのために使用される基板は、カナダ国立研究評議会から購入し、2.2×10 ¹¹ cm ^-2とし、1.69×10 ⁶ cm ^2と / Vsecでの電子移動度の電子密度を示した。

並列方向の電子の閉じ込め試料表面へのLELを、基板の表面上に金属電極を配置することによって達成される。これらの電極は、GaAsの試料の表面に堆積されている場合、ショットキー障壁が^7が形成されている。このような電極に印加される負電圧は、十分なエネルギーを持つ電子のみが交差することができ、その下2DEGでローカル障壁につながる。印加電圧がない電子が障壁を横断するのに十分なエネルギーを持っていないことを十分に負である場合に2DEGの枯渇が発生する。したがって、慎重に電極の形状を選択することによって、試料の空乏領域との間の電子の数が少ないをトラップすることができる。ドットならびに試料の残りのドットとの間の2DEGトンネルエネルギーに電子の数の制御は、電極の電圧を微調整することによって達成することができる。ゲート電極の空乏化と電子ガスの概略を図2に示されている。ドットを形成するゲート構造のための設計がされているバーセルらによって使用されたデザインで尖塔のある^。8

制御およびドットに電子の数に関する情報を読み出すためには、ドットを介して誘導し、電流を測定することが有用である。読み出しもまた、2DEGを介して電流を必要とする量子点接触（QPC）を使用して行うことができる。 2DEGと電圧源との間の接触はオーミック接触によって保証される。これらには、（ 図3a及び図4bを参照）標準の急速熱アニール工程^7を使用して2DEGに試料の表面からのすべての方法を下に拡散される金属製のパッドです。ソースとドレイン間の短絡を回避するために、試料の表面は、2DEGは、特定の領域に空乏化され、電流が特定のチャネル（ 図3b及び図4aを参照）を通過するように強制されるようにエッチングされる。 2DEGは依然として残っている領域は、 "メサ"と呼ばれる。

以下のプロトコルの詳細のGaAs / AlGaAsの基板上にゲート定義の横量子ドットの全体の製造プロセス。製造されているデバイスがあっても、シングル、ダブル、またはトリプル量子ドットや量子ドットの配列である場合、それは関係なく、同じままであるため、プロセスはスケーラブルです。操作、測定、およびこの方法を用いて製造された二重量子ドットの結果はさらに、各項に記載されている。