Nanofabrication של השער שהוגדרו GaAs / AlGaAs נקודות קוונטיות רוחביות

מדע המידע הקוונטי משך הרבה תשומת לב מאז שהראה כי ניתן להשתמש באלגוריתמי קוונטים כדי לפתור בעיות מסוימות מהר יותר מאשר באופן אקספוננציאלי עם האלגוריתמים הקלסיים הידועים ביותר ^1. מועמד מובן מאליו לביט קוונטים (קיוביט) הוא הספין של אלקטרון הבודד מוגבלים בנקודה קוונטית שכן הוא הוא מערכת של שתי רמות. ארכיטקטורות רבות הוצעו ליישום של נקודות קוונטיות, כולל מוליכים למחצה nanowires ^2, צינורות פחמן ^3, נקודות קוונטיות עצמית התאספו ^4, ומוליכים למחצה אנכי ⁵ נקודות קוונטיות ורוחב ^6. נקודות קוונטיות לרוחב שער, שהוגדר בGaAs / heterostructures AlGaAs היה מאוד מוצלח בגלל הרבגוניות שלהם ותהליך הייצור שלהם הוא המוקד של מאמר זה.

בנקודות קוונטיות לרוחב, הכליאה של אלקטרונים בכיוון ניצבת למשטח המדגם (z כיוון) אניהמושגת על ידי בחירה של המצע הראוי. Heterostructure אפנון המסומם GaAs / AlGaAs מציג גז אלקטרונים דו ממדים (2DEG) מוגבלים לממשק בין AlGaAs ואת שכבות GaAs. דגימות אלה גדלו בepitaxy הקרן המולקולרי כדי להשיג צפיפות נמוכה טומאה אשר, בשילוב עם טכניקת אפנון הסימום, מובילה לניידות אלקטרונים גבוהה ב2DEG. סכמטי של שכבות heterostructure, כמו גם מבנה להקתה השונות מוצגים באיור 1. יש צורך בניידות אלקטרונים גבוהה ב2DEG על מנת להבטיח העקביות של מצבים אלקטרוניים על כל פני השטח של הנקודה קוונטית. המצע המשמש לתהליך הייצור המתואר להלן נרכש ממועצת המחקר הלאומי של קנדה, ומציג את צפיפות אלקטרונים של 2.2 x 10 ¹¹ ס"מ ^-2 וניידות אלקטרונים של 1.69 x 10 ⁶ ס"מ ² / Vsec.

הכליאה של אלקטרונים בParal הכיווניםlel אל פני השטח המדגם מושגת על ידי הנחת אלקטרודות מתכתיות על פני השטח של המצע. כאשר אלקטרודות אלה שהופקדו על פני השטח של מדגם GaAs, מחסומי שוטקי נוצרים ^7. מתחים שליליים יושמו לאלקטרודות כאלה יובילו למחסומים מקומיים ב2DEG שמתחתיו רק אלקטרונים עם מספיק אנרגיה יכולים לחצות. דלדול של 2DEG מתרחש כאשר המתח המיושם הוא שלילי מספיק, כי אין להם אלקטרונים מספיק אנרגיה כדי לחצות את המחסום. לכן, על ידי בחירה בגיאומטריה של אלקטרודות בזהירות, זה אפשרי כדי ללכוד מספר קטן של אלקטרונים בין האזורים מדולדלים של המדגם. שליטה על מספר האלקטרונים בנקודה, כמו גם את האנרגיה מנהור בין הנקודה ו2DEG בשאר המדגם יכולה להיות מושגת על ידי כיוון עדין המתחים על האלקטרודות. סכמטי של אלקטרודות השער וגז האלקטרונים המדולדל מוצג באיור 2. העיצוב למבני השער יוצרים נקודה הוא בspired על ידי העיצוב בשימוש על ידי Barthel et al. ⁸

כדי לשלוט ולקרוא את מידע בנוגע למספר האלקטרונים בנקודה, הוא שימושי כדי לגרום ולמדוד את הזרם דרך הנקודה. Readout יכול להיעשות גם על ידי שימוש בקשר עם נקודה קוונטית (QPC), אשר דורש גם זרם דרך 2DEG. הקשר בין מקורות 2DEG ומתח מובטח על ידי אנשי קשר ohmic. אלה הם רפידות מתכתיות המתפזרות מפני השטח של המדגם כל הדרך למטה ל2DEG באמצעות תהליך לחשל ⁷ תרמית מהיר סטנדרטי (ראה 3a דמויות ו4 ב). כדי להימנע ממעגלים קצרים בין המקור והניקוז, פני השטח של המדגם חקוק כך ש2DEG תיגמר באזורים מסוימים והנוכחי הוא נאלץ לנסוע דרך ערוצים ספציפיים מסוימים (ראו באור 3 דמויות ו4 א). האזור שבו עדיין נשאר 2DEG שמכונה "מסה".

פרטי הפרוטוקול הבאים תהליך הייצור כולו של שער מוגדר נקודה קוונטית לרוחב על מצע GaAs / AlGaAs. התהליך הוא מדרגי שכן הוא נשאר אותו הדבר, ללא קשר אם המכשיר שהמפוברק הוא יחידה, כפולה, משולשת או נקודה קוונטית או אפילו מערך של נקודות קוונטיות. מניפולציה, מדידה ותוצאות עבור נקודות קוונטיות כפולות מפוברקות בשיטה זו הם דנו בסעיפים נוספים.