CN107170813A - 空穴型半导体电控量子点器件，其制备及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了空穴型半导体电控量子点器件、其制备和使用方法。其包含非掺杂GaAs衬底(101)、非掺杂AlGaAs层(102)和表面非掺杂GaAs盖帽层(103)；欧姆接触源极(201)和漏极(204)，依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；至少两个量子点小电极(402)，位于欧姆接触源极(201)和漏极(204)之间，处于表面非掺杂GaAs盖帽层上(103)；绝缘层(500)，覆盖表面非掺杂GaAs盖帽层(103)、量子点小电极(402)、以及欧姆接触源极(201)和漏极(204)的至少一部分；和栅极纳米条带(602)，设置在绝缘层(500)上，并且水平投影与欧姆接触源极(201)、漏极(204)以及量子点小电极(402)均有交叠。还公开了一种量子点装置。
Description
技术领域
本发明涉及量子器件领域，具体地涉及一种空穴型半导体电控量子点器件，其制备及使用方法。
背景技术
科学家们发现，基于量子力学基本原理的量子算法在某些特定问题的处理上比传统的算法能够更快地解决实际问题，因此科学家努力在自然界寻找可以实现量子算法的体系(即量子计算机)。随着摩尔定律的发展，单个处理器件单元尺度呈指数式的减小，纳米级的半导体工艺逐渐进入人们的视野，同时应用也非常广泛，其中之一就是量子计算。半导体电控量子点器件和传统的硅基材料器件有很多的相似性，适合于半导体量子芯片的制作和大规模的量子电路集成，被认为是最有可能实现量子计算机的材料体系之一。
基于GaAs/AlGaAs，Si/SiO2，Si/SiGe和石墨烯等几种材料体系上加工形成的量子点器件以其较为稳定和受外界干扰较小等优势而被大量研究。在实际研究中发现，空穴载流子的波函数是p轨道，电子载流子是s轨道，因此空穴相比于电子受到原子核的超精细相互作用要小很多。另外空穴相比于电子，有更强的自旋轨道耦合相互作用，使得空穴自旋量子比特有更快的比特翻转速度(比特从0变化到1或者从1变化到0)，有利于获得全电控的长相干快操控的高保真度的空穴自旋量子比特体系。
同经典计算机一样，量子计算机也是由类比于经典比特的量子比特为基本单元，构建优秀性能的量子比特是量子计算研究的重要内容。目前的量子比特编码主要基于电子载流子体系。空穴载流子半导体电控量子点的设计和制备，对丰富半导体量子比特编码和操控研究至关重要。
发明内容
为了得到利用空穴载流子的量子点电学器件，本发明的提供了以下技术方案。
[1]一种空穴型半导体电控量子点器件，所述空穴型半导体电控量子点器件包含：
非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片，所述异质结基片由下到上依次包括非掺杂GaAs衬底(101)、非掺杂AlGaAs层(102)和表面非掺杂GaAs盖帽层(103)；
欧姆接触源极(201)，所述欧姆接触源极(201)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；
欧姆接触漏极(204)，所述欧姆接触漏极(204)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；
至少两个量子点小电极(402)，所述量子点小电极(402)位于所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)之间，处于所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)上；
绝缘层(500)，所述绝缘层(500)覆盖所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)、所述量子点小电极(402)、以及所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)的至少一部分；和
栅极纳米条带(602)，所述栅极纳米条带(602)设置在所述绝缘层(500)上，并且其水平投影与所述欧姆接触源极(201)、欧姆接触漏极(204)以及量子点小电极(402)均有交叠。
[2]根据[1]所述的空穴型电控量子点器件，其特征在于，所述空穴型电控量子点器件包含两个量子点小电极(402)。
[3]根据[1]所述的空穴型半导体电控量子点器件，其特征在于，所述量子点小电极(402)的宽度为20-60nm，所述量子点小电极(402)之间的间隔为60-120nm。
[4]根据[1]所述的空穴型半导体电控量子点器件，其特征在于，所述栅极纳米条带(602)的水平投影与所述欧姆接触源极(201)及欧姆接触漏极(204)的交叠面积分别为500-2000平方微米。
[5]根据[1]所述的空穴型电控量子点器件，其特征在于，所述非掺杂AlGaAs层(102)的厚度为20-80nm；和/或所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)的厚度为2-10nm；和/或所述欧姆接触源极(201)和所述欧姆接触源极(204)的厚度为50-120nm；和/或所述绝缘层(500)的厚度为20-120nm；和/或所述纳米条带栅极的厚度为50-130nm。
[6]一种制备根据[1]所述的空穴型半导体电控量子点器件的方法，所述方法包括：
由下到上依次使用分子束外延方式生长非掺杂GaAs衬底、非掺杂AlGaAs层和表面非掺杂GaAs盖帽层，形成非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片；
在所述非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片上分别形成依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层和非掺杂AlGaAs层，进入非掺杂GaAs衬底至少5nm的欧姆接触源极和欧姆接触漏极；
在欧姆接触源极和欧姆接触漏极之间，在所述表面非掺杂GaAs盖帽层上形成至少两个量子点小电极；
在所述非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片、所述量子点小电极以及所述欧姆接触源极和欧姆接触漏极上覆盖绝缘层；
在所述绝缘层上形成栅极纳米条带，使得其水平投影与所述欧姆接触源极和欧姆接触漏极以及量子点小电极均有交叠。
[7]根据[1]所述的方法，其特征在于，形成欧姆接触源极或欧姆接触漏极包括：
利用紫外光刻曝光技术，在非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片的表面非掺杂GaAs盖帽层上曝光出欧姆接触电极窗口；
利用电子束蒸发镀膜技术，将电极材料蒸镀至所述欧姆接触电极窗口；
对所述基片进行快速退火，使得蒸镀的电极材料向下渗透，依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层和非掺杂AlGaAs层，进入所述非掺杂GaAs衬底至少5nm，形成欧姆接触源极或欧姆接触漏极。
[8]根据[6]所述的方法，其特征在于，所述非掺杂AlGaAs层中Al的含量为10摩尔％至90摩尔％。
[9]一种使用根据[1]所述的空穴型半导体电控量子点器件的方法，所述方法包括：
在所述栅极纳米条带(602)上施加负电压，从而在所述非掺杂GaAs衬底(101)中并且处于所述栅极纳米条带(602)的水平投影中的区域形成二维空穴气层(104)，所述二维空穴气层(104)与所述欧姆接触源极(201)以及欧姆接触漏极(204)欧姆接触；
在所述至少两个量子点小电极(401)上施加电压，形成势垒，从而在所述二维空穴气层(104)中形成囚禁空穴的量子点。
[10]根据[9]所述的方法，其特征在于，
将所述量子点调节至囚禁单个空穴；
施加与所述二维空穴气层平行的磁场，以形成由所述单个空穴的自旋状态编码的量子比特。
[11]一种空穴型半导体电控量子点装置，其特征在于，包括两个根据[1]所述的空穴型半导体电控量子点器件，分别为第一空穴型半导体电控量子点器件和第二空穴型半导体电控量子点器件，
所述第一空穴型半导体电控量子点器件和第二空穴型半导体电控量子点器件共用非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片和绝缘层，各自具有纳米栅极条带、量子点小电极、欧姆接触源极和漏极，
两条纳米栅极条带平行布置并且间距为80-160nm，
第一空穴型半导体电控量子点器件的量子点小电极限定的量子点区域与第二空穴型半导体电控量子点器件的量子点小电极限定的量子点区域的距离为200nm以下。
[12]一种使用根据[11]所述的空穴型半导体电控量子点装置的方法，包括
由第一空穴型半导体电控量子点器件中欧姆接触源极和欧姆接触漏极之间的电流变化探测第二空穴型半导体电控量子点器件中的量子点的空穴填充状态的变化。
本发明提供了一种空穴型半导体电控量子点器件，可用于半导体量子点体系量子比特的构建。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施方案在非掺杂GaAs/AlGaAs半导体异质结基片上制备金属套刻标记和欧姆接触电极的示意图；
图2为根据本发明的一个实施方案在非掺杂GaAs/AlGaAs半导体异质结基片上制备量子点大电极和纳米尺度小电极的平面示意图；
图3为根据本发明的一个实施方案的空穴型半导体电控量子点器件示意图；
图4为图3沿着201和204电极切开的剖面示意图；
图5为图3中最内部虚线标注的量子点区域结构的放大示意图；
图6为根据本发明的一个实施方案的制作工艺流程图；
图7为根据本发明的一个实施方案的量子点结构纳米条带金属栅极开关纳米条带通道的曲线；
图8为量子点小电极402形成的电势场示意图；
图9为根据本发明的一个实施方案的空穴型半导体电控量子点器件显示的量子库仑振荡曲线。
具体实施方案
本发明的发明人设计并完成了一种空穴型半导体电控量子点器件，具体地是一种非掺杂GaAs/AlGaAs半导体异质结空穴载流子纳米条带结构电控量子点结构，其可以用于量子计算机的基本逻辑处理单元--量子比特单元的构建，为基于空穴载流子自旋量子比特的量子计算研究奠定一定的研究基础。
本发明的目的包括针对现有掺杂型电子自旋量子比特量子退相干时间较短，不利于实现高保真度的量子逻辑门的量子计算的技术不足，提供一种空穴型半导体电控量子点器件及其制作和使用方法。该空穴型半导体电控量子点器件包括纳米条带结构，利用顶层金属栅极的大小和形状在二维异质结材料上形成一维窄带量子点结构，不仅能够非常好的控制量子点形成的大小和形状，并且可以通过调节顶层金属栅极的电压在金属栅极的大小和形状一定的条件下通过调节空穴载流子密度来获得不同大小的量子点结构，获得优质的空穴载流子电控量子点体系，为基于半导体量子点的量子计算研究提供一种新的量子点材料和结构体系。
本发明提出了一种空穴型半导体电控量子点器件、其制备方法及使用方法。本发明在非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片上进行纳米条带量子点结构的设计和制备。本发明的空穴型半导体电控量子点器件的一个实施方案的剖面图如图4所示，其包含：
非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片，所述异质结基片由下到上依次包括非掺杂GaAs衬底(101)、非掺杂AlGaAs层(102)和表面非掺杂GaAs盖帽层(103)；
欧姆接触源极(201)，所述欧姆接触源极(201)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；
欧姆接触漏极(204)，所述欧姆接触漏极(204)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；
至少两个量子点小电极(402)，所述量子点小电极(402)位于所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)之间，处于所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)上；
绝缘层(500)，所述绝缘层覆盖所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)、所述量子点小电极(402)、以及所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)的至少一部分；和
栅极纳米条带(602)，所述栅极纳米条带(602)设置在所述绝缘层(500)上，并且其水平投影与所述欧姆接触源极(201)、欧姆接触漏极(204)以及量子点小电极(402)均有交叠。
本文中所称的“上”、“下”、“水平”等方向是为了便于描述各部件相对位置的作用，而非限定绝对的方向。
不受限于任何理论，在本发明的电控量子点器件中，当在栅极纳米条带上施加电压时，在异质结中非掺杂GaAs衬底靠近非掺杂AlGaAs层的部分，在栅极纳米条带的水平投影区域，产生空穴载流子，并形成二维空穴气层(104)。该二维空穴气层与源漏极欧姆接触，在两电极之间形成载流子通道。通过控制栅极的电压，可以改变二维空穴气的载流子密度等参数。在载流子通道区域即二维空穴气层的上方，在表面非掺杂GaAs盖帽层上，设置有量子点小电极，大小和间距均为纳米量级。通过控制施加在量子点小电极上的电压，可以在二维空穴气层中形成囚禁空穴的势阱，从而形成量子点区域。控制栅极电压和量子点小电极的电压，可以灵活地控制量子点的大小和形状。
本文所称的量子点区域为纳米量级的，并且通过调节施加在纳米栅极条带和量子点小电极上的电势，可以控制量子点的大小以及逐个地精确控制其中的空穴数量。当将量子点调节为仅包含一个空穴时，即可形成量子比特。
作为一个具体实例，所设计的空穴载流子纳米条带结构量子点包括非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片100、欧姆接触电极200(即201、202、203...)、量子点外围大电极300(即301、302、303...)、量子点小电极400(即401、402、403...)、绝缘层500和顶层纳米条带金属栅极600(即601、602...)，如图3所示。
其中所述非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片依次包括非掺杂的GaAs衬底101、非掺杂AlGaAs层102和表面非掺杂GaAs盖帽层103，并且通过在顶层金属栅极600上施加负电压之后在非掺杂GaAs层101中稳定形成的二维空穴气结构层104，如图4的剖面图所示。二维空穴气层104一般位于距离非掺杂AlGaAs层102以下5nm处。
非掺杂GaAs衬底(101)的厚度可以是300-800nm，优选500nm。
非掺杂AlGaAs层(102)的厚度可以为20-80nm，优选40nm，其中Al所占的比例可以为10摩尔％-90摩尔％，优选70摩尔％。
表面非掺杂GaAs盖帽层(103)的厚度可以为2-10nm，优选5nm。
非掺杂GaAs及非掺杂AlGaAs均是已知的材料。各层具有稳定化学结构的单晶材料可以依次使用分子束外延生长。
欧姆接触电极(源极或漏极)可以如下形成：在表面非掺杂GaAs盖帽层(103)上利用紫外光学曝光欧姆电极窗口(201、202、203、204、205、206)。利用电子束蒸发镀膜电极材料，例如AuBe合金(Be的重量比为1％)，利用高温快速退火使得合金渗入窗口，穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)、和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)层至少5nm，到达二维空穴气层(104)，形成良好的欧姆接触。为了形成良好的欧姆接触，欧姆接触电极穿过异质结。当其下端至少低于所述非掺杂AlGaAs层(102)以下5nm时，可以保证与二维空穴气层有良好的欧姆接触。欧姆接触电极(201、202、203、204、205、206)的金属镀膜厚度为50-120nm，优选80nm。源/漏极可以具有的较大的远端，利于接线并对其施加一定范围的电压。源漏极当然可以互换。也可以用其他合适的方式形成穿过异质结的源漏极。
量子点外围大电极(300)使用紫外光学曝光技术，电子束蒸发镀膜而形成。镀膜可以依次为Ti-5nm和Au-35nm，其中Ti-5nm为粘附层。量子点大电极与量子点小电极电连接，其作用是用于与宏观外电路连接，从而对纳米尺度的量子点小电极施加电压。
量子点纳米尺度小电极(400)使用电子束曝光技术，电子束蒸发镀膜而形成。镀膜可以依次为Ti-5nm和Au-25nm，其中Ti-5nm为粘附层。量子点纳米尺度金属小电极(400)与量子点外围金属大电极(300)的尖端相连。量子点小电极至少为2个，也可以是3个或更多个。
欧姆接触电极(201、202、203、204、205、206)、量子点电极(300和400)以及表面非掺杂GaAs盖帽层(103)上的绝缘层(500)使用原子层沉积方式生长，生长温度为100-300℃，优选200℃，生长厚度为20-120nm，优选80nm，绝缘层材料可以为三氧化二铝或者氧化铪，优选三氧化二铝。
绝缘层(500)上方有顶层纳米条带金属栅极(600)，金属电极镀膜材料可以为Ti和Au，厚度分别为10-30nm和40-100nm，优选10nm和70nm。在图3所示的实施方案中，顶层纳米条带金属栅极有2个，分别为纳米条带金属栅极601和纳米条带金属栅极602，在表面GaAs盖帽层(103)的中间位置，分布在样品中心的上方和样品中心。栅极601与源漏极202和203交叠，而栅极602与源漏极201和204交叠，分别盖在量子点纳米尺度小电极401和402的正上方。栅极与源漏极、量子点小电极之间间隔着绝缘层。
顶层纳米条带金属栅极的大小和形状与量子点纳米尺度小电极形状匹配。纳米条带金属栅极的宽度可以为50-150nm，优选100nm。在图3(放大后为图5)中，两个纳米条带间隔为80～160nm，优选120nm。量子点小电极的宽度可以为20-60nm，优选40nm，小电极之间的间隔可以为60-120nm，优选80nm。在两个纳米条带栅极与欧姆接触电极有交叠，如图4所示，交叠处从下往上依次为欧姆接触电极、绝缘层和顶层纳米条带金属栅极，并有一定的交叠面积(交叠才能保证顶层金属电极形成的二维空穴气在源漏极之间导通)，交叠面积为500-2000平方微米，优选1000平方微米。类似于量子点小电极和相应的量子点外围大电极，顶层纳米条带金属栅极的远端也可以各自具有大的电极与之相连，用于接线并对其施加一定范围的电压。在欧姆接触电极上表面可以缺少一部分绝缘层，露出接线窗口。
由于除了顶层纳米条带金属栅极之外，其他所有的电极都在绝缘层的下面，为了能够把欧姆接触电极和量子点电极通过引线接出，需要在适当的位置开接线窗口，将其位置上的绝缘层刻蚀掉，以便引线可以与各个电极电学连通上，用于后续量子点的调节和测量。
本发明还涉及制备空穴型半导体电控量子点器件的方法。具体地，依次提供非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片，形成欧姆接触源极和欧姆接触漏极，覆盖绝缘层，并形成栅极纳米条带。可以使用常规的制备过程制备本发明的空穴型半导体电控量子点器件。可以使用常用的工艺，如分子束外延、紫外光刻、电子束蒸发镀膜、金属剥离技术、电子束曝光、原子层沉积、湿法蚀刻等工艺，结合电控量子点的具体结构，制备电控量子点的各个部件。
非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片优选通过分子束外延方式生长，并且其中非AlGaAs层中Al的含量为10摩尔％至90摩尔％，更优选约70摩尔％。
特别地，本发明中的欧姆接触源/漏极可以通过快速退火的工艺形成。
在本发明提供的一种制备上述空穴型电控量子点器件的方法中，包括形成欧姆接触电极的过程，所述过程包括：
利用紫外光刻曝光技术，在非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片(100)上曝光出欧姆接触电极窗口；
利用电子束蒸发镀膜技术，将电极材料蒸镀至所述欧姆接触电极窗口；
对所述基片进行快速退火，使得蒸镀的电极材料从表面往下渗透，穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，深入到非掺杂GaAs衬底(101)层5nm处，形成欧姆接触电极。
通过该方法，可以在想要的位置简单地形成依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，深入到非掺杂GaAs衬底(101)层二维电子气区域良好欧姆接触的欧姆接触电极。
在一个实施方案中，本发明的制备步骤可以包括：紫外光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制备套刻曝光标记；紫外光刻、电子束蒸发镀膜和高温快速退火制备欧姆接触电极；紫外光刻、电子束蒸发镀膜制备量子点外围大电极；电子束曝光、电子束蒸发镀膜制备量子点纳米尺度小电极；原子层沉积技术生长绝缘层、紫外光刻和湿法刻蚀欧姆接触和大电极接线窗口；电子束曝光、电子束蒸发镀膜制备纳米条带顶层金属栅极。详细步骤如下(如图6所示)：
(1)紫外光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制备套刻曝光标记；将使用分子束外延(MBE)生长好的4英寸大小的非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片甩光学曝光胶保护，然后切成1.2cm*1.2cm大小的小块。使用标准样品清洗工艺清洗基片，再利用光学曝光技术和电子束蒸发镀膜技术和金属剥离技术在基片上获得外围定位的大的金属标记，镀膜金属为Ti5nm/Au45nm，后续的样品加工以此标记作为套刻对准。
(2)紫外光刻、电子束蒸发镀膜和高温快速退火制备欧姆接触电极：使用标准样品清洗工艺清洗样品基片，利用紫外光刻曝光技术，在非掺杂GaAs/AlGaAs基片(100)上一共曝光出6个欧姆接触窗口(201、202、203、204、205、206)，利用电子束蒸发镀膜技术将AuBe合金材料蒸镀至6个接触窗口(201、202、203、204、205、206)处的异质结基片表面，利用金属剥离技术获得6个欧姆接触电极(201、202、203、204、205、206)。再次使用标准样品清洗工艺清洗样品，并将样品基片放入快速退火炉中，利用保护气15％H2和85％N2在430℃下快速退火5分钟，使得蒸镀的欧姆接触金属从表面往下渗透，穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，深入到非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm，到达二维空穴气区域(在栅极加负电压后在该区域中将形成二维空穴气层(104))，与二维空穴气区域形成良好的接触，形成欧姆接触电极(201、202、203、204、205、206)。如图1所示。
(3)紫外光刻、电子束蒸发镀膜制备量子点外围大电极：在上述样品制备基础上，使用标准样品清洗工艺清洗样品，再使用紫外光学曝光技术利用套刻标记进行套刻曝光，曝光出量子点的外围金属大电极(300)的图形窗口，利用电子束蒸发镀膜技术，先后沉积金属5nmTi和金属35nmAu，再使用金属剥离技术形成量子点外围金属大电极(300)，其中金属Ti作为粘附层。
(4)电子束曝光、电子束蒸发镀膜制备纳米尺度量子点小电极：在上述样品制备基础上，对样品标准样品清洗工艺进行清洗，利用电子束曝光技术进行纳米量级的电子束曝光(10nm-500nm尺度)，制备内部纳米尺度的量子点小电极400，套刻曝光时使用光刻制备的5μm*5μm大小的金属标记进行对准，此步曝光同时制备出1μm*5μm大小的金属对准标记用于最后一步顶层纳米条带金属栅极的电子束曝光对准。电子束曝光完以后进行图形显影，之后再进行电子束蒸发镀膜，镀膜金属选择5nmTi/25nmAu；完成金属剥离之后形成纳米级量子点小电极(400)。如图2所示。
(5)原子层沉积技术生长绝缘层、紫外光刻和湿法刻蚀欧姆接触和量子点大电极接线窗口：把制备完成欧姆接触电极和量子点电极的样品基片进行优化的样品清洗，再放入原子层沉积系统中进行绝缘层的生长，生长温度为100-300℃，优选200℃，生长厚度为20-120nm，优选80nm，生长氧化层为三氧化二铝或者氧化铪，优选三氧化二铝。将样品从原子层沉积系统中取出，使用光学曝光技术，曝光出用于湿法刻蚀的窗口，利用刻蚀试剂将欧姆接触电极200和量子点外围大电极300远端上部的绝缘层除去，以便可以将欧姆接触电极和量子点电极连接引线用于后续实验测量。
(6)电子束曝光、电子束蒸发镀膜制备纳米条带顶层金属栅极：把制备完成上述工艺的样品基片进行标准的样品清洗，再使用电子束曝光技术制备顶层纳米条带栅极电极图形，使用电子束蒸发镀膜技术和金属剥离技术制备顶层纳米条带金属电极，至此非掺杂GaAs/AlGaAs半导体异质结空穴载流子纳米条带量子点制备完成。产品如图3所示。图4显示了源极201与漏极204之间的剖面图。图5显示了图3的量子点周围的放大图。
其中标准的样品清洗工艺为：将样品依次使用ACE(丙酮)、TCE(三氯乙烯)、ACE(丙酮)、IPA(异丙醇)及DI(去离子水)各清洗5分钟，每种试剂清洗时伴随超声清洗30秒，最后用高纯氮气吹干。
其中优化的样品清洗工艺为：将样品依次使用ACE(丙酮)、TCE(三氯乙烯)、TCE(三氯乙烯)、ACE(丙酮)、ACE(丙酮)、IPA(异丙醇)、PA(异丙醇)、DI(去离子水)、DI(去离子水)各浸泡10分钟，最后用高纯氮气吹干(此步骤不适用超声清洗，以防止量子点纳米尺寸电极被振掉)。
其中光学曝光技术，使用紫外光刻机曝光，光学曝光胶型号为AZ5214E，甩胶参数为：转速4000转/s、甩胶时间40s，烤胶温度95℃烘烤时间90s，紫外光刻曝光12s，用显影液(AZ400K∶DI＝1∶6)显影60s，使用去离子水DI清洗15～30s，最后用高纯氮气吹干，电子束镀膜前使用氧气等离子体清洗技术处理2-4min以除去残胶。
其中电子束曝光技术，使用电子束曝光机进行图形曝光，电子束曝光胶型号PMMA950A2，甩胶参数为：甩胶2层，转速4000转/s、甩胶时间40s，烤胶温度180℃，第一层烤胶时间5min，第二层烤胶时间10min，用显影液(MIBK∶IPA＝1∶3)显影45s，使用异丙醇IPA清洗15～30s，最后用高纯氮气吹干，电子束镀膜前使用氧气等离子体清洗技术处理2-4min以除去残胶。
其中金属剥离技术，使用丙酮(ACE)浸泡2-12个小时，根据图形的大小选择不同的时间，图形尺寸越小选择的浸泡时间越长，量子点小电极浸泡时间为12小时，顶层纳米条带金属栅极浸泡时间为4个小时.
高温快速退火条件为350-450℃，优选420℃，退火时间为3-15min，优选5min，退火保护气体15％H2和85％N2。
刻蚀绝缘层的刻蚀剂试通用的Transetch-N刻蚀液，条件为刻蚀液于190℃持续加热30min以上，刻蚀时间为10～25s，优选20s，用来除去欧姆接触电极和量子点外围大电极远端上的绝缘层。
本发明还提供了一种使用本发明的空穴型电控量子点器件的方法，所述方法包括：
在所述栅极纳米条带(602)上施加负电压，从而在非掺杂GaAs衬底(101)中并且处于所述栅极纳米条带(602)的水平投影中的区域形成二维空穴气层(104)，所述二维空穴气层(104)与所述欧姆接触源极(201)以及欧姆接触漏极(204)欧姆接触；
在所述至少两个量子点小电极(402)上施加电压，形成势垒，从而在所述二维空穴气层(104)中形成囚禁空穴的量子点。
使用所述二维空穴气层(104)和所述量子点可以控制所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)之间的电导通。
通过上述方法，可以在源漏极之间获得量子化的电导通状态，进一步可以利用空穴的量子态进行量子比特编码，进而可以用于量子计算机等量子电路的研发。
一种特别的量子点装置是如图3和图5所示的电路，其中将一个空穴型半导体电控量子点器件设置在另一个空穴型半导体电控量子点器件旁，使得两个空穴型半导体电控量子点器件的栅极纳米条带(601)和(602)之间的距离为80-160nm，从而由一个空穴型半导体电控量子点器件中欧姆接触源极和欧姆接触漏极之间的电流变化探测另一个空穴型半导体电控量子点器件中的量子点的空穴填充状态的变化。
也就是说，本发明也公开了一种空穴型半导体电控量子点装置，其包括两个本发明的空穴型半导体电控量子点器件，分别为第一空穴型半导体电控量子点器件和第二空穴型半导体电控量子点器件，所述第一空穴型半导体电控量子点器件和第二空穴型半导体电控量子点器件共用非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片和绝缘层，各自具有纳米栅极条带、量子点小电极、欧姆接触源极和漏极，两条纳米栅极条带平行布置并且间距为80-160nm，第一空穴型半导体电控量子点器件的量子点小电极限定的量子点区域与第二空穴型半导体电控量子点器件的量子点小电极限定的量子点区域的距离为200nm以下。可选地，一个空穴型半导体电控量子点器件包含两个量子点小电极，另一个空穴型半导体电控量子点器件包含三个量子点小电极。本文所称的“量子点小电极限定的量子点区域”一般地指在二维空穴气层面中两个相邻量子点小电极之间的区域，基本上是施加电压后会形成量子点的区域。
一种使用本发明的空穴型半导体电控量子点装置的方法包括由第一空穴型半导体电控量子点器件中欧姆接触源极和欧姆接触漏极之间的电流变化探测第二空穴型半导体电控量子点器件中的量子点的空穴填充状态的变化。
两个顶层纳米条带金属栅极可以分别形成量子点，彼此不相通。由于上下两个条带形成的两个量子点彼此的距离只有80-160nm，两个量子点中分别囚禁的空穴具有较强的库仑相互作用(类似于正电荷于正电荷相互排斥)，如果量子点602进入少空穴填充的库仑震荡区域(量子点中空穴已经很少，通过改变量子点小电极，空穴一个一个排空)，另外一个量子点601还在多空穴填充状态，利用空穴之间的相互作用，通过观察量子点601通道中电流的变化可以知道量子点602中的空穴有没有跳出量子点(量子点602中的空穴跳出量子点的会对应于对量子点601中空穴的排斥作用减小，当空穴跳出的一瞬间，量子点601中的电流会有一个上升的台阶，取微分值就可以获得一个峰值)，从而完成量子点601对量子点602中空穴填充状态的探测。两者可以互换位置，彼此可以做为探测器探测对方的量子点状态的探测器。
本发明还提供了非掺杂GaAs/AlGaAs半导体异质结纳米条带电控量子点性质表征的初步测量数据，用于表征我们所设计和制备的纳米条带量子点结构基本性质，为基于半导体量子点的量子计算研究提供一种新的量子点材料和结构体系。
如图3和图5所示，以纳米条带602下的量子点为例，通过在纳米条带金属栅极602上施加负电压，利用电场电势可以在非掺杂GaAs/AlGaAs异质结下方按照纳米条带的形状形成一个拥有空穴气的一维纳米尺度条带通道，通过改变施加在金属栅极上的负电压大小可以获得不同空穴载流子密度的纳米尺寸导通条带。栅极601下的情况也类似。如图7所示，先将纳米条带量子点401上所有电极接地并将纳米条带金属栅极601接地以避免对602下的量子点的干扰，随后对纳米条带量子点402的三个电极施加相应的负电压约-0.5V。在纳米条带量子点602的源电极201上施加约50uV的交流激励电压，漏电极204接入锁相放大器SR830中测量通道的输运信号，通过扫描纳米条带金属栅极602上施加的栅极负电压，可以看到到电压值约为-1.7V时，纳米条带602的漏电极开始有电流，随着顶层金属栅极电压的进一步变负值，通道中的电流值逐渐增大至接近饱和，在纳米条带通道尺寸一定的条件下，施加在金属栅极上的负电压的绝对值的增大，增加了纳米条带通道空穴载流子的密度从而获得了更大的导通电流。
如图5所示，将纳米条带金属栅极602上施加导通状态的电压，此时通过改变施加在402上三个电极的电压可以获得如702和703的两个量子点，同理，在纳米条带601中同样可以获得量子点701。
如图5所示，当纳米条带金属栅极602上施加电压为-2.1V时，调到导通状态，通过调节电极402中三个电极上施加合适的电压值范围，可以在纳米条带上形成双量子点702和703，通过进一步施加在402三个电极中间电极的电压进一步变负，双量子点702和703可以合到一起变成一个单量子点。详细的调节过程如图5和图8所示，当纳米条带金属栅极602上施加电压为-2.1V，量子点小电极402中的三个电极分别施加电压为-0.5V，源电极201中的接入交流电压50微伏，漏电极204接入锁相放大器，可以测得通道中的电流约为1nA。此时量子点小电极402中的三个电极L、M和R处形成三个势垒，如图8上图所示。当调节L、M和R三个电极的电压大小时，对应于电势场能级即是调节三个电极处的势垒高度，同时电极L和M可以调节量子点702的大小，两个电极进一步加大正电压就是进一步抬高势垒，两个势垒的间距变小，量子点的大小变小，可以将量子点中的空穴一个个排出。同理电极R和M可以调节量子点703的大小，两个电极进一步加大正电压就可以将量子点中的空穴一个个排出。在电极L和R电压不变的条件下，通过将电极M的电压进一步变负，也就是进一步降低电极M处的势垒，使得左右量子点中的空穴可以随意处于两边，当中间电极电压负到-1.0V左右时，M电极处的势垒几乎为零，此时的双量子点702和703就变成了一个大的单量子点。如果通过扫描施加在量子点电极402中M电极上的电压值变化，可以获得如图8所示的一系列量子点中空穴从源电极201经过量子点输运到漏电极204中的库仑峰震荡过程。所谓的库仑峰震荡即为量子隧穿过程，在宏观的经典世界中，物体是不能穿过一个比自己高的势垒的，但是在微观的量子力学中，电子或者空穴载流子在势阱的里面和外面都是概率分布的，电子或者空穴可以隧穿通过一定高度和宽度的势垒，不同的势垒高度和宽度，可以示意电子或者空穴不同的隧穿几率，也可以表示其在势阱里面和势阱外面分布几率。
图7和图9所示的实验数据图表明我们设计和制备的纳米条带量子点可以很好地工作并且有着优秀的样品性能。因此，可以逐个地精确控制量子点中的空穴数量，当量子点中的空穴排到最后一个空穴时，通过施加平行于二维空穴气层的磁场，让自旋向上和向下的两个空穴状态分别编码量子比特的0和1，即形成了空穴型量子比特。使用电脉冲和微波可以对其进行量子比特操控。此外如上所述使用另外一个量子点作为探测器进行探测，相当于制备了一个带探测器的空穴自旋量子比特芯片器件。本发明为后续量子比特制备与操控和量子计算研究奠定了坚实的基础。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (12)
1.一种空穴型半导体电控量子点器件，所述空穴型半导体电控量子点器件包含：
非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片，所述异质结基片由下到上依次包括非掺杂GaAs衬底(101)、非掺杂AlGaAs层(102)和表面非掺杂GaAs盖帽层(103)；
欧姆接触源极(201)，所述欧姆接触源极(201)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；
欧姆接触漏极(204)，所述欧姆接触漏极(204)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；
至少两个量子点小电极(402)，所述量子点小电极(402)位于所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)之间，处于所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)上；
绝缘层(500)，所述绝缘层(500)覆盖所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)、所述量子点小电极(402)、以及所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)的至少一部分；和
栅极纳米条带(602)，所述栅极纳米条带(602)设置在所述绝缘层(500)上，并且其水平投影与所述欧姆接触源极(201)、欧姆接触漏极(204)以及量子点小电极(402)均有交叠。
2.根据权利要求1所述的空穴型电控量子点器件，其特征在于，所述空穴型电控量子点器件包含两个量子点小电极(402)。
3.根据权利要求1所述的空穴型半导体电控量子点器件，其特征在于，所述量子点小电极(402)的宽度为20-60nm，所述量子点小电极(402)之间的间隔为60-120nm。
4.根据权利要求1所述的空穴型半导体电控量子点器件，其特征在于，所述栅极纳米条带(602)的水平投影与所述欧姆接触源极(201)及欧姆接触漏极(204)的交叠面积分别为500-2000平方微米。
5.根据权利要求1所述的空穴型电控量子点器件，其特征在于，所述非掺杂AlGaAs层(102)的厚度为20-80nm；和/或所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)的厚度为2-10nm；和/或所述欧姆接触源极(201)和所述欧姆接触源极(204)的厚度为50-120nm；和/或所述绝缘层(500)的厚度为20-120nm；和/或所述纳米条带栅极的厚度为50-130nm。
6.一种制备根据权利要求1所述的空穴型半导体电控量子点器件的方法，所述方法包括：
由下到上依次使用分子束外延方式生长非掺杂GaAs衬底、非掺杂AlGaAs层和表面非掺杂GaAs盖帽层，形成非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片；
在所述非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片上分别形成依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层和非掺杂AlGaAs层，进入非掺杂GaAs衬底至少5nm的欧姆接触源极和欧姆接触漏极；
在欧姆接触源极和欧姆接触漏极之间，在所述表面非掺杂GaAs盖帽层上形成至少两个量子点小电极；
在所述非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片、所述量子点小电极以及所述欧姆接触源极和欧姆接触漏极上覆盖绝缘层；
在所述绝缘层上形成栅极纳米条带，使得其水平投影与所述欧姆接触源极和欧姆接触漏极以及量子点小电极均有交叠。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，形成欧姆接触源极或欧姆接触漏极包括：
利用紫外光刻曝光技术，在非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片的表面非掺杂GaAs盖帽层上曝光出欧姆接触电极窗口；
利用电子束蒸发镀膜技术，将电极材料蒸镀至所述欧姆接触电极窗口；
对所述基片进行快速退火，使得蒸镀的电极材料向下渗透，依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层和非掺杂AlGaAs层，进入所述非掺杂GaAs衬底至少5nm，形成欧姆接触源极或欧姆接触漏极。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述非掺杂AlGaAs层中Al的含量为10摩尔％至90摩尔％。
9.一种使用根据权利要求1所述的空穴型半导体电控量子点器件的方法，所述方法包括：
在所述栅极纳米条带(602)上施加负电压，从而在所述非掺杂GaAs衬底(101)中并且处于所述栅极纳米条带(602)的水平投影中的区域形成二维空穴气层(104)，所述二维空穴气层(104)与所述欧姆接触源极(201)以及欧姆接触漏极(204)欧姆接触；
在所述至少两个量子点小电极(402)上施加电压，形成势垒，从而在所述二维空穴气层(104)中形成囚禁空穴的量子点。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
将所述量子点调节至囚禁单个空穴；
施加与所述二维空穴气层平行的磁场，以形成由所述单个空穴的自旋状态编码的量子比特。
11.一种空穴型半导体电控量子点装置，其特征在于，包括两个根据权利要求1所述的空穴型半导体电控量子点器件，分别为第一空穴型半导体电控量子点器件和第二空穴型半导体电控量子点器件，
所述第一空穴型半导体电控量子点器件和第二空穴型半导体电控量子点器件共用非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片和绝缘层，各自具有纳米栅极条带、量子点小电极、欧姆接触源极和漏极，
两条纳米栅极条带平行布置并且间距为80-160nm，
第一空穴型半导体电控量子点器件的量子点小电极限定的量子点区域与第二空穴型半导体电控量子点器件的量子点小电极限定的量子点区域的距离为200nm以下。
12.一种使用根据权利要求11所述的空穴型半导体电控量子点装置的方法，包括
由第一空穴型半导体电控量子点器件中欧姆接触源极和欧姆接触漏极之间的电流变化探测第二空穴型半导体电控量子点器件中的量子点的空穴填充状态的变化。
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