Нанофабрикации Gate определенные GaAs / AlGaAs квантовых точек Боковые
Summary
Эта статья представляет собой подробный протокол для изготовления ворот определенных полупроводниковых квантовых точек боковой на арсенид галлия гетероструктур. Эти наноразмерных устройств используются для захвата нескольких электронов для использования в качестве квантовых битов в квантовой обработки информации или для других экспериментов мезоскопическим таких как когерентные измерения проводимости.
Abstract
Квантовый компьютер, это компьютер состоит из квантовых битов (кубитов), который использует квантовые эффекты, такие, как суперпозиция состояний и запутанности, решать некоторые задачи быстрее, чем экспоненциально с лучшими известными алгоритмами на классическом компьютере. Ворота определенных боковых квантовых точек на GaAs / AlGaAs являются одним из многих изученных перспектив для реализации кубита. При правильном сфабрикованы, такое устройство, способный улавливать небольшое число электронов в определенной области пространства. Спиновых состояниях этих электронов может быть использована для реализации логического 0 и 1 квантового бита. Учитывая нанометровом масштабе этих квантовых точек, чистых помещениях учреждений, предлагающих специализированного оборудования, таких как сканирующие электронные микроскопы и электронно-лучевых испарителей-необходимые для их изготовления. Большое внимание должно быть принято в течение производственного процесса для поддержания чистоты поверхности образца и, чтобы не повредить хрупкие ворота структуры. Эта статьяпредставлен подробный протокол изготовлении затвора определены боковыми квантовых точек из пластины в рабочее устройство. Характеристика методов и представитель результаты также кратко обсуждается. Хотя эта статья концентрируется на двойных квантовых точек, процесс изготовления остается неизменным для одного или тройных точек или даже массивы квантовых точек. Кроме того, протокол может быть адаптирован для изготовления боковой квантовыми точками на другие субстраты, такие как Si / SiGe.
Introduction
Квантовая информатика привлек много внимания с тех пор было показано, что квантовые алгоритмы могут быть использованы для решения определенных проблем экспоненциально быстрее, чем в самых известных классических алгоритмов 1. Очевидным кандидатом на квантовый бит (кубит) является спин одного электрона ограничено в квантовой точке, так как это двухуровневая система. Многочисленные архитектуры были предложены для реализации квантовых точек, в том числе полупроводниковых нанопроводов 2, 3 углеродных нанотрубок, самоорганизующихся квантовых точек 4 и 5 полупроводниковой вертикальной и боковой квантовыми точками 6. Ворота определенных боковых квантовых точек в GaAs / AlGaAs гетероструктур были очень успешными из-за своей универсальности и их производственного процесса находится в центре внимания данной статьи.
В боковой квантовых точек, удержание электронов в направлении, перпендикулярном к поверхности образца (г направлении) ясек достигнуто путем выбора надлежащего подложки. GaAs / AlGaAs-модуляции легированной гетероструктуры представляет двумерный электронный газ (2DEG) приурочены к интерфейсу между AlGaAs и GaAs слоев. Эти образцы были выращены молекулярно-лучевой эпитаксии для получения низкой плотности примесей, которые, в сочетании с модуляцией легирования техники, приводит к высокой подвижностью электронов в 2DEG. Схематическое изображение различных слоев гетероструктуры, а также его зонной структуры показаны на рисунке 1. Высокой подвижностью электронов необходимо в 2DEG обеспечить согласованность электронных состояний по всей поверхности квантовой точки. Субстрат, используемый для изготовления описанного ниже процесса был приобретен у Национального исследовательского совета Канады и представляет собой электронную плотность 2,2 х 10 11 см -2 и подвижностью электронов 1,69 х 10 6 см 2 / Vsec.
Удержание электронов в параллель направленияхНПВ к поверхности образца достигается за счет размещения металлических электродов на поверхности подложки. Когда эти электроды, нанесенные на поверхность образца GaAs, барьеры Шоттки сформированы 7. Отрицательные напряжений, подаваемых на электроды таких привести к локальным барьеров в 2DEG ниже которого только электроны с энергией, достаточной может пересечь. Истощение 2DEG происходит, когда напряжение, приложенное отрицательный достаточно того, что электроны не имеют достаточно энергии, чтобы преодолеть барьер. Таким образом, при тщательном выборе геометрии электродов, можно для улавливания небольшого количества электронов между обедненной области образца. Контроль числа электронов на точку, а также туннельной энергии между точкой и 2DEG в остальной части образца может быть достигнуто путем тонкой настройки напряжения на электродах. Схема электроды затвора и обедненного газа электронов показан на рисунке 2. Дизайн для ворот структур, образующих точку вВдохновленный дизайном используемых Бартель и др. 8.
Для контроля и считывать информацию относительно числа электронов на точку, полезно, чтобы вызвать и измерение тока, протекающего через точку. Показания счетчика также может быть сделано с помощью Контакт Квантовая точка (КТК), который также требует ток через 2DEG. Контакт между 2DEG и источники напряжения обеспечивается омических контактов. Эти металлические прокладки, которые распространяются от поверхности образца вплоть до 2DEG с использованием стандартного быстрого термического отжига процесс 7 (см. фиг.3а и 4б). Чтобы предотвратить короткое замыкание между истоком и стоком, поверхность образца травлению таким образом, что 2DEG истощается в некоторых регионах и ток вынужден проходить через определенные конкретные каналы (см. рис 3b и 4а). Область, где по-прежнему остается 2DEG называют "Mesa".
Следующие данные протокола весь процесс изготовления ворот определенных боковых квантовой точки на GaAs / AlGaAs подложке. Процесс является масштабируемым, поскольку она остается той же независимо от того, при этом устройство является сфабрикованным одноместные, двухместные, и трехместные квантовой точки или даже массив квантовых точек. Манипуляции, измерения, и результаты для двойных квантовых точек изготовлен с использованием этого метода, обсуждаются в следующих разделах.
Protocol
Representative Results
Discussion
Процесс представленных выше описывает изготовление протокола двойной квантовой точке в состоянии достигнуть нескольких электрон-режима. Однако параметры могут несколько отличаться в зависимости от модели и калибровке используемого оборудования. Таким образом, параметры, такие как …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Майкла Lacerte за технической поддержкой. MP-L. признает Канадского института передовых исследований (CIFAR), естественным наукам и инженерным исследованиям Совета Канады (NSERC), Канадского фонда инноваций (CFI) и Фон-де-Квебек Recherche – Природа ET технологий (FRQNT) за финансовую поддержку. Устройство, представленные здесь изготовлен на CRN2 и IMDQ принадлежности, частично финансируется NanoQuébec. GaAs / AlGaAs подложки было сфабриковано ZR Василевский из Института микроструктурных наук Национального исследовательского совета Канады. JCL и CB-O. признать CRSNG и FRQNT за финансовую поддержку.
Materials
| Name of the reagent/material | Company | Product number | CAS number |
| 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 |
References
- 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).
- Björk, M. T., Thelander, C., et al. Few-Electron Quantum Dots in Nanowires. Nano Lett. 4 (9), 1621-1625 (2004).
- Dekker, C. Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires. Phys. Today. 52 (5), 22-28 (1999).
- 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).
- Kouwenhoven, L. P., Oosterkamp, T. H., et al. Excitation Spectra in Circular Few-Electron Quantum Dots. Science. 278 (5344), 1788-1792 (1997).
- 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).
- Baca, A. G., Ashby, C. I. H. . Fabrication of GaAs Devices. , 350 (2005).
- 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).
- S, A Survey of Ohmic Contacts to III-V Compound Semiconductors. Thin Solid Films. 308, 599-606 (1997).
- Lim, W. H., Huebl, H., et al. Electrostatically Defined Few-Electron Double Quantum Dot in Silicon. Appl. Phys. Lett. 94 (17), 173502 (2009).
- Elzerman, J. M., Hanson, R., et al. Few-Electron Quantum Dot Circuit with Integrated Charge Read Out. Phys. Rev. B. 67 (16), 161308 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Petta, J. R., Lu, H., Gossard, A. C. A Coherent Beam Splitter for Electronic Spin States. Science. 327 (5966), 669-672 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
