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

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

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

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

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

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