Name: nanofabrication of gate-defined gaas/algaas lateral quantum dots
Uploaded: 2013-11-01T19:15:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots at JoVE.com

Os autores agradecem a Michael Lacerte para suporte técnico. MP-L. reconhece o Instituto Canadense de Pesquisas Avançadas (CIFAR), Ciências Naturais eo Conselho de Pesquisa em Engenharia do Canadá (NSERC), da Fundação Canadense para Inovação (CFI) e Fonds de Recherche Québec - Nature et Technologies (FRQNT) pelo apoio financeiro. O dispositivo aqui apresentado foi fabricado em CRN2 e IMDQ instalações, financiados em parte por NanoQuébec. Os GaAs / AlGaAs substrato foi fabricado por ZR Wasilewski, do Instituto de Ciências microestruturais no National Research Council Canada. JCL e CB-O. reconhecer CRSNG e FRQNT de apoio financeiro.

O processo de fabricação descrito abaixo é feito em um substrato de GaAs / AlGaAs com dimensões de 1,04 x 1,04 centímetros. Vinte dispositivos idênticos são fabricados sobre um substrato deste tamanho. Todas as etapas do processo são realizadas em salas limpas e um material de protecção adequado deve ser utilizado em todos os momentos. Água destilada é utilizada ao longo do processo, mas é simplesmente referido como &quot;água&quot; no protocolo abaixo. 1. Gravura da Mesa <p ...

<ol>
	<li>Shor, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polynomial-time+algorithms+for+prime+factorization+and+discrete+logarithms+on+a+quantum+computer.">Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer.</a> SIAM J. Sci. Comput. 26 (5), 1484-1509 (1997).</li><li>Bj&#246;rk, M. T., Thelander, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Few-Electron+Quantum+Dots+in+Nanowires.">Few-Electron Quantum Dots in Nanowires.</a> Nano Lett. 4 (9), 1621-1625 (2004).</li><li>Dekker, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+Nanotubes+as+Molecular+Quantum+Wires.">Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires.</a> Phys. Today. 52 (5), 22-28 (1999).</li><li>Klein, D. L., McEuen, P. L., Bown Katari, J. E., Roth, R., Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Approach+to+Electrical+Studies+of+Single+Nanocrystals.">An Approach to Electrical Studies of Single Nanocrystals.</a> Appl. Phys. Lett. 68 (18), 2574-2576 (1996).</li><li>Kouwenhoven, L. P., Oosterkamp, T. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Excitation+Spectra+in+Circular+Few-Electron+Quantum+Dots.">Excitation Spectra in Circular Few-Electron Quantum Dots.</a> Science. 278 (5344), 1788-1792 (1997).</li><li>Ciorga, M., Sachrajda, A. S. 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Lett. 103 (16), 160503 (2009).</li><li>S, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Survey+of+Ohmic+Contacts+to+III-V+Compound+Semiconductors.">A Survey of Ohmic Contacts to III-V Compound Semiconductors.</a> Thin Solid Films. 308, 599-606 (1997).</li><li>Lim, W. H., Huebl, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrostatically+Defined+Few-Electron+Double+Quantum+Dot+in+Silicon.">Electrostatically Defined Few-Electron Double Quantum Dot in Silicon.</a> Appl. Phys. Lett. 94 (17), 173502 (2009).</li><li>Elzerman, J. M., Hanson, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Few-Electron+Quantum+Dot+Circuit+with+Integrated+Charge+Read+Out.">Few-Electron Quantum Dot Circuit with Integrated Charge Read Out.</a> Phys. Rev. B. 67 (16), 161308 (2003).</li><li>Johnson, A. C., Petta, J. R., Marcus, C. M., Hanson, M. P., Gossard, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Singlet-Triplet+Spin+Blockade+and+Charge+Sensing+in+a+Few-Electron+Double+Quantum+Dot.">Singlet-Triplet Spin Blockade and Charge Sensing in a Few-Electron Double Quantum Dot.</a> Phys. Rev. B. 72 (16), 165308 (2005).</li><li>Hanson, R., Kouwenhoven, L. P., Petta, J. R., Tarucha, S., Vandersypen, L. M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spins+in+Few-Electron+Quantum+Dots.">Spins in Few-Electron Quantum Dots.</a> Rev. Mod. Phys. 79 (4), 1217-1265 (2007).</li><li>Long, A. R., Pioro-Ladri&#232;re, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Origin+of+Switching+Noise+in+GaAs/AlGaAs+Lateral+Gated+Devices.">The Origin of Switching Noise in GaAs/AlGaAs Lateral Gated Devices.</a> Physica E Low Dimens. Syst. Nanostruct. 34 (1-2), 553-556 (2006).</li><li>Koppens, F. H. L., Buizert, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Driven+Coherent+Oscillations+of+a+Single+Electron+Spin+in+a+Quantum+Dot.">Driven Coherent Oscillations of a Single Electron Spin in a Quantum Dot.</a> Nature. 442 (7104), 766-771 (2006).</li><li>Foletti, S., Bluhm, H., Mahalu, D., Umansky, V., Yakobi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Universal+Quantum+Control+of+Two-Electron+Spin+Quantum+Bits+Using+Dynamic+Nuclear+Polarization.">Universal Quantum Control of Two-Electron Spin Quantum Bits Using Dynamic Nuclear Polarization.</a> Nat. Phys. 5 (12), 903-908 (2009).</li><li>Petta, J. R., Lu, H., Gossard, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Coherent+Beam+Splitter+for+Electronic+Spin+States.">A Coherent Beam Splitter for Electronic Spin States.</a> Science. 327 (5966), 669-672 (2010).</li><li>Shulman, M. D., Dial, O. E., Harvey, S. P., Bluhm, H., Umansky, V., Yacoby, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Demonstration+of+Entanglement+of+Electrostatically+Coupled+Singlet-Triplet+Qubits.">Demonstration of Entanglement of Electrostatically Coupled Singlet-Triplet Qubits.</a> Science. 336 (6078), 202-205 (2012).</li><li>Khaetskii, A. V., Loss, D., Glazman, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+Spin+Decoherence+in+Quantum+Dots+Due+to+Interaction+with+Nuclei.">Electron Spin Decoherence in Quantum Dots Due to Interaction with Nuclei.</a> Phys. Rev. Lett. 88 (18), 186802 (2002).</li><li>Sakr, M. R., Jiang, H. W., Yablonovitch, E., Croke, E. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+characterization+of+electrostatic+Si/SiGe+Quantum+Dots+with+an+Integrated+Read-Out+Channel.">Fabrication and characterization of electrostatic Si/SiGe Quantum Dots with an Integrated Read-Out Channel.</a> Appl. Phys. Lett. 87 (22), 223104 (2005).</li><li>Liu, X. L., Hug, D., Vandersypen, L. M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gate-Defined+Graphene+Double+Quantum+Dot+and+Excited+State+Spectroscopy.">Gate-Defined Graphene Double Quantum Dot and Excited State Spectroscopy.</a> Nano Lett. 10 (5), 1623-1627 (2010).</li><li>Frey, T., Leek, P. J., Beck, M., Blais, A., Ihn, T., Ensslin, K., Wallraff, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dipole+Coupling+of+a+Double+Quantum+Dot+to+a+Microwave+Resonator.">Dipole Coupling of a Double Quantum Dot to a Microwave Resonator.</a> Phys. Rev. Lett. 108, 046807 (2012).</li><li>Pioro-Ladri&#232;re, M., Tokyra, Y., Obata, T., Kubo, T., Tarucha, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micromagnets+for+coherent+control+of+spin-charge+qubit+in+lateral+quantum+dots.">Micromagnets for coherent control of spin-charge qubit in lateral quantum dots.</a> Appl. Phys. Lett. 90 (2), 024105 (2007).</li></ol>

O processo apresentado acima descreve o protocolo de fabricação de um ponto quântico duplo capaz de atingir o regime de poucos electrões. No entanto, os parâmetros indicados podem variar em função do modelo de calibração e do equipamento utilizado. Portanto, os parâmetros tais como as doses para as exposições, durante os passos de e-beam fotolitografia e terá de ser calibrado antes do fabrico dos dispositivos. O processo pode ser facilmente adaptado para o fabrico de porta definida quantum dots em outros ti...

Ciência da informação quântica tem atraído muita atenção desde que foi mostrado que os algoritmos quânticos pode ser usado para resolver certos problemas exponencialmente mais rápido do que com os melhores algoritmos clássicos conhecidos 1. Um candidato óbvio para um bit quântico (qubit) é o spin de um único elétron confinado em um ponto quântico, uma vez que é um sistema de dois níveis. Várias arquiteturas foram sugeridos para a implementação de pontos quânticos, incluindo nanofios semicondutores 2, nanotubos de carbono 3, pontos quânticos auto-organizadas 4 e 5 de semicondutores verticais e pontos quânticos laterais 6. Pontos quânticos laterais portão definidos em GaAs / AlGaAs heteroestruturas foram muito bem sucedidos por causa de sua versatilidade e seu processo de fabricação é o foco deste artigo. Em quantum dots laterais, o confinamento dos electrões na direcção perpendicular à superfície da amostra (direcção z) is atingido pela escolha do substrato adequado. A modulação heteroestrutura dopado GaAs / AlGaAs apresenta um gás de electrões bidimensional (2DEG) confinada à interface entre as AlGaAs e as camadas de GaAs. Estas amostras são cultivadas por epitaxia de feixe molecular, para obter uma densidade baixa impureza, que, combinada com a técnica de modulação de-dopagem, conduz a uma elevada mobilidade de electrões na 2DEG. Um esquema das diferentes camadas da heteroestrutura bem como a sua estrutura de banda são mostrados na Figura 1. A mobilidade dos electrões é maior na 2DEG necessário para assegurar a coerência dos estados electrónicos sobre toda a superfície do quantum dot. O substrato utilizado para o processo de fabricação descrito abaixo foi comprada do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá e apresenta uma densidade de elétrons de 2,2 x 10 11 cm -2 e uma mobilidade de elétrons de 1,69 x 10 6 centímetros 2 / VSEC. O confinamento de elétrons em direções parallel à superfície da amostra é obtida por colocação de eléctrodos metálicos sobre a superfície do substrato. Quando estes eléctrodos são depositados sobre a superfície da amostra de GaAs, as barreiras são formadas Schottky 7. Tensões negativas aplicadas a esses eletrodos originar entraves locais na 2DEG abaixo do qual apenas os elétrons com energia suficiente podem cruzar. A exaustão da 2DEG ocorre quando a tensão aplicada é negativa o suficiente para que não há electrões têm energia suficiente para atravessar a barreira. Portanto, escolhendo cuidadosamente a geometria dos eléctrodos, é possível prender de um pequeno número de electrões entre as regiões empobrecido da amostra. Controlo de o número de electrões em ponto, bem como a energia de túnel entre o ponto e o 2DEG no resto da amostra pode ser obtido por ajuste fino das tensões nos eléctrodos. Um esquema dos eléctrodos de porta e o gás empobrecido de electrões é mostrado na Figura 2. O projeto para as estruturas que formam o portão ponto está naspired pelo projeto usado por Barthel et al. 8 Para controlar e ler informações sobre o número de elétrons no ponto, é útil para induzir e medir a corrente através do ponto. Leitura também pode ser feito por meio de um ponto de contacto do quantum (QPC), que também requer uma corrente através da 2DEG. O contacto entre as fontes e 2DEG tensão é assegurada através de contactos óhmicos. Trata-se de pastilhas metálicas que são difundidos a partir da superfície da amostra de todo o caminho até o 2DEG usando um recozimento térmico rápido processo padrão 7 (ver Figuras 3a e 4b). Para evitar um curto-circuito entre a fonte eo dreno, a superfície da amostra é gravado para que o 2DEG está esgotada em algumas regiões ea corrente é forçado a viajar através de alguns canais específicos (ver Figuras 3b e 4a). A região onde o 2DEG ainda permanece é referido como a &quot;mesa&quot;. Os seguintes detalhes do protocolo de todo o processo de fabricação de uma porta-definido ponto quântico lateral sobre um substrato de GaAs / AlGaAs. O processo é escalável, uma vez que continua a ser o mesmo, independentemente se o dispositivo está sendo fabricado é um único, duplo ou triplo quantum dot ou mesmo uma matriz de pontos quânticos. Manipulação, medição e resultados para os pontos quânticos duplos fabricados utilizando este método são discutidos em mais seções.

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

nanofabrication of gate-defined gaas/algaas lateral quantum dots

Um computador quântico é um computador composto de bits quânticos (qubits), que tira proveito dos efeitos quânticos, como a superposição de estados eo emaranhamento, para resolver certos problemas exponencialmente mais rápido do que com os melhores algoritmos conhecidos em um computador clássico. Porta-definida pontos quânticos laterais na GaAs / AlGaAs são um dos muitos caminhos explorados para a implementação de um qubit. Quando adequadamente fabricado, um tal dispositivo é capaz de reter um pequeno número de electrões de uma certa região do espaço. Os estados de spin de electrões estes podem então ser usados ​​para implementar a lógica 0 e 1 do bit quântico. Dada a escala nanométrica desses pontos quânticos, as instalações de sala limpa oferecendo equipamentos, tais especializada como microscópios eletrônicos de varredura e e-beam-evaporadores são necessários para sua fabricação. Grande cuidado deve ser tomado durante todo o processo de fabricação para manter a limpeza da superfície da amostra e, para evitar danificar as portas frágeis da estrutura. Este papelapresenta o protocolo de fabricação detalhada de porta definidos quantum dots laterais da bolacha a um dispositivo de trabalho. Métodos de caracterização e resultados representativos são também brevemente discutida. Embora este trabalho concentra-se em pontos duplos quântica, o processo de fabricação é o mesmo para pontos simples ou triplo ou mesmo matrizes de pontos quânticos. Além disso, o protocolo pode ser adaptado para o fabrico de quantum dots laterais em outros substratos, tais como átomos de Si / SiGe.

Um dos passos importantes no processo descrito acima é o condicionamento da mesa (passo 1). É importante para gravar o suficiente para remover a seguir 2DEG evitando overetching. Portanto, recomenda-se a utilização de uma amostra de GaAs manequim grandes quantidades para testar a solução de gravação antes de realizar a corrosão das amostras de GaAs / AlGaAs. A taxa de corrosão dos GaAs / AlGaAs heteroestruturas é maior do que a de GaAs, mas a corrosão do manequim podem dar uma indicação sobre se a soluçã...

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Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

Este trabalho apresenta um protocolo detalhado para fabricação de porta-definidos pontos quânticos semicondutores laterais em heteroestruturas arseneto de gálio. Estes dispositivos em nanoescala são usadas para prender alguns elétrons para uso como bits quânticos em processamento de informação quântica ou para outros experimentos mesoscópicas como medições de condutância coerentes.

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