CN214378455U - 半导体量子点器件和计算机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种半导体量子点器件的结构和计算机，结构包括：形成有第一离子区和第二离子区的硅基底；位于所述硅基底上的电介质层，所述硅基底和所述电介质层的界面形成载流子通道；与所述第一离子区欧姆接触的第一电极，及与所述第二离子区欧姆接触的第二电极；位于所述电介质层上的限制电极，所述限制电极用于将载流子限制在所述载流子通道以形成量子点；以及磁性电极，所述磁性电极用于在所述界面形成磁场梯度并用于操控所述量子点。本申请的半导体量子点器件采用的磁性电极相对较小，具有结构优势，易于集成，而且通过所述磁性电极施加微波信号进行调控，电场操控能力较强。

Description

半导体量子点器件和计算机

技术领域

本申请属于量子计算技术领域，特别涉及一种半导体量子点器件和计算机。

背景技术

随着现代大规模集成电路制造技术的飞跃发展，芯片内的集成元件尺寸也在不断减小，伴随而来的是量子效应变得越来越不可忽略。在摩尔定律失效危机的诸多解决方案中，基于量子力学原理设计的量子计算机，因其突破性的性能提升和优异的量子算法应用(例如进行现行经典计算机秘钥分配破解等)，成为了世界各国在科技领域的重要布局和战略高地。

在量子计算机的多种量子比特方案里，基于半导体材料体系的栅极电控量子点诸如GaAs/AlGaAs、SiO₂/Si、Si/SiGe等材料制备的量子点体系被视为最有希望实现量子计算的比特编码载体。半导体量子点的量子相干性较好，且和现有大规模集成电路微纳加工工艺结合易于集成，同时因为量子点结构受外界环境干扰较小，便于实现量子比特的稳定操控，因而与其他量子计算体系相比，半导体量子点具有很大的前景和优势。

操控方法和性能是量子计算研究的重要方向之一，对于单自旋量子比特，其操控方法包括利用天线的电子自旋共振、利用自旋-轨道耦合或者外加微磁体的电偶极自旋共振。对于硅相关的半导体量子点器件，其较弱的超精细相互作用和自旋-轨道耦合可以使电子自旋保持更长的退相干时间，然而目前的硅相关的半导体量子点器件的电操控方法却非常局限。

要得到优异的电操控性能，获得优质材料和结构的半导体量子点器件是重中之重，这些都决定性地影响了半导体量子点器件的比特性质，并进一步影响了量子比特操控质量。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种半导体量子点器件和计算机，以解决现有技术中的不足，它通过电子自旋-谷能级混合效应构建量子比特，具有较强的电场操控能力，将用于电场操控的磁性电极设置在量子点器件中，易于集成。

本申请的技术方案如下：

一种半导体量子点器件，包括：形成有第一离子区和第二离子区的硅基底；位于所述硅基底上的电介质层，所述硅基底和所述电介质层的界面形成载流子通道；与所述第一离子区欧姆接触的第一电极，及与所述第二离子区欧姆接触的第二电极；位于所述电介质层上的限制电极，所述限制电极用于将载流子限制在所述载流子通道以形成量子点；以及磁性电极，所述磁性电极用于在所述界面形成磁场梯度并用于操控所述量子点。

进一步的，所述电介质层包括二氧化硅层、硅锗异质结层和纳米线材料层中之一。

进一步的，所述限制电极包括交叠设置的多个栅电极，且相邻的所述栅电极之间形成有绝缘层。

进一步的，所述限制电极包括：位于所述第一电极和所述第二电极之间的第一导引电极及第二导引电极；位于所述第一导引电极和所述第二导引电极之间，且与所述第一导引电极和所述第二导引电极相间布置的第一泵浦电极；以及第二泵浦电极和第三泵浦电极，其中，所述第二泵浦电极位于所述第一导引电极和所述第一泵浦电极之间，所述第三泵浦电极位于所述第二导引电极和所述第一泵浦电极之间。

进一步的，所述电介质层部分地覆盖所述第一离子区和所述第二离子区，且所述第一导引电极延伸至覆盖部分所述第一离子区，所述第二导引电极延伸至覆盖部分所述第二离子区。

进一步的，所述磁性电极包括铁电极、钴电极。

进一步的，还包括位于所述电介质层上的第一沟道电极和第二沟通电极，所述第一沟道电极和所述第二沟通电极之间形成有一维沟道，且所述限制电极，以及所述第一电极和所述第二电极均位于所述一维沟道。

本申请还提出一种计算机，包括上述任一项所述的半导体量子点器件。

与现有技术相比，本申请的第一方面提供的半导体量子点器件通过磁性电极在所述界面形成磁场梯度，并且磁性电极能够根据施加于半导体量子点器件的磁场强度矢量改变在硅基底和电介质层的界面的磁场梯度，而使量子点处载流子的谷能级发生分裂，从而获得适于通过施加于磁性电极的微波信号进行电操控的分裂能级，相对于天线等结构，本申请采用的磁性电极相对较小，具有结构优势，易于集成。

与现有技术相比，本申请的第二方面提供的半导体量子点器件的制备方法能够制备本申请的第一方面提供的半导体量子点器件。

与现有技术相比，本申请的第三方面提供的半导体量子点器件的操控方法，通过磁性电极形成磁场梯度以使所述量子点的谷能级发生分裂获得分裂能级，并经由所述磁性电极施加微波信号以调节所述分裂能级的跃迁实现针对所述量子点的状态的操控，相对于传统的自旋能级间的调控，本申请的量子点的状态在分裂能级之间调节，具有操控速度快的优势，因此，本申请的电场操控能力较强。

附图说明

图1a和图1b为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的结构示意图，其中，图1b为图1a的Aa截面示意图；

图2为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的制备方法流程图；

图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f为与图2流程图中各流程步骤对应的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的信号读取方法的流程图；

图5为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的信号读取系统的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的操控方法的流程图；

图7为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件在磁场作用下的能级劈裂示意图；

图8和图9为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的电操控效果图。

附图标记说明：101-硅衬底，102-电介质层，103-第一离子区，104-第二离子区，201-第一电极，202-第二电极，203-第一导引电极，204-第二导引电极，205-第一泵浦电极，206-第二泵浦电极，207-第三泵浦电极，208-第一沟道电极，209-第二沟道电极，210-第二量子点，211-第一量子点，212-第三量子点，213-磁性电极，301-半导体量子点器件，302-直流偏置电压源，303- 微波源，304-信号放大器，305-电压测试装置。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

实施例1

图1a和图1b为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的结构示意图，其中，图1b为图1a的Aa截面示意图。

结合图1a和图1b所示，本实施例提供了一种半导体量子点器件结构，包括：形成有第一离子区103和第二离子区104的硅基底101；位于所述硅基底 101上的电介质层102，所述硅基底101和所述电介质层102界面形成载流子通道；与所述第一离子区103欧姆接触的第一电极201，及与所述第二离子区 104欧姆接触的第二电极202；位于所述电介质层102上的限制电极，所述限制电极用于将载流子限制在所述载流子通道以形成量子点；以及磁性电极213，所述磁性电极213用于在所述界面形成磁场梯度并用于操控所述量子点。

在半导体量子点制备领域，采用硅基底101和电介质层102的叠层，在叠层中间的界面处制备量子点。具体的，在硅基底101相对的两侧制备第一离子区103和第二离子区104，用于储备和输出电子；并分别在第一离子区103正上方制备与其欧姆连接的第一电极201(即源极)、在第二离子区104的正上方制备与其欧姆连接的第二电极202(即漏极)，第一电极201和第二电极202 的作用与半导体芯片中的源极和漏极相同，可以通过施加第一直流偏置电压，形成电子定向运输所需的电流(即形成载流子通道电流)，约束了电子的传输方向。其中，第一直流偏置电压可以包括正电压、负电压等。进而在电介质层 102上制备限制电极，对载流子通道中的电子数量进行约束，通过施加设定的直流偏置电压，使得限制电极正下方仅留下有限数量的电子(即量子点)，并借助电子的自旋特性(自旋向上和自旋向下)设计二能级系统，构成量子比特。

并且通过设置磁性电极213，用于对量子点进行操控，具体的，通过磁性电极213上施加的磁场信号使得电子的谷能级发生劈裂，形成自旋向上(高能级)和自旋向下(低能级)的二能级系统，且系统能级差取决于施加的磁场信号大小，进而通过磁性电极213施加微波信号，当施加的微波信号的频率与二能级系统的能级差发生共振时，能级系统中电子由于共振会吸收或者发射光子，发生能级跃迁。比如自旋向上的电子会跃迁到自旋向下的电子对应的低能级 (自旋向下)，即该电子的自旋方向发生变化，由自旋向上变为自旋向下；自旋向下的电子同理，在微波信号的共振作用下，会吸收光子跃迁到高能级(自旋向上)。通过磁性电极213施加微波信号实现对量子点的电操控，并且将磁性电极213设置于半导体量子点器件中，可以有效的提高半导体量子点器件的集成度。

所述电介质层102包括二氧化硅层、硅锗异质结层和纳米线材料层中之一。

在半导体量子点器件制备工艺中，用来制备束缚量子点的电极的电介质层 102材料，通常可以包括砷化镓\铝镓砷异质结、硅\硅锗异质结、锗\硅锗异质结、硅金属氧化物半导体等固体材料，也可以是石墨烯、二硫化钼等二维材料，也可以是铟砷纳米线、硅锗纳米线、硅纳米线、碳纳米管等一维材料，也可以是锗晶等零维材料。

所述限制电极包括交叠设置的多个栅电极，且相邻的所述栅电极之间形成有绝缘层。

限制电极是设置于电介质层102上对载流子通道中的电子数量进行约束的电极，作用与半导体器件中的栅极作用相同，可以通过施加设定的直流偏置电压，使得限制电极正下方仅留下有限数量的电子(即量子点)；为了实现多个量子点结构，栅电极采用交叠设置，使得每一个栅电极下方都会形成量子点。此外，在多个栅电极之间设置绝缘层，可以有效的将栅电极之间相互隔离，避免出现短路、泄漏等。

所述限制电极包括：位于所述第一电极201和所述第二电极202之间的第一导引电极203及第二导引电极204；位于所述第一导引电极203和所述第二导引电极204之间，且与所述第一导引电极203和所述第二导引电极204相间布置的第一泵浦电极205；以及第二泵浦电极206和第三泵浦电极207，其中，所述第二泵浦电极206位于所述第一导引电极203和所述第一泵浦电极205 之间，所述第三泵浦电极207位于所述第二导引电极204和所述第一泵浦电极 205之间。

如图1a和图1b所示，限制电极包括第一导引电极203和第二导引电极204，其中，第一导引电极203和第二导引电极204均设置于第一电极201和所述第二电极202之间；在对量子点器件进行电控制时，可以通过第一导引电极203和第二导引电极204上施加第二直流偏置电压形成载流子通道，进而在第一电极201和第二电极202上施加第一直流偏置电压，在载流子通道形成电流。

当在载流子通道形成电流后，还需要施加泵浦电压信号，排空电流中的绝大部分电子，仅保留若干电子。其中，施加的泵浦电压数量等于形成的量子点的数量。例如本申请应用时，设置了第一泵浦电极205、第二泵浦电极206和第三泵浦电极207，使得泵浦电极下方对应的位置保留较少电子，形成3个量子点。第一泵浦电极205、第二泵浦电极206和第三泵浦电极207在第一引导电极和第二引导电极之间相间设置。

此外，第一泵浦电极205、第二泵浦电极206和第三泵浦电极207上施加的泵浦电压信号是不同的，具体的，第一泵浦电极205上需要施加与第一引导电极或者第二引导电极相同量级的第二偏置电压，例如正电压；而第二泵浦电极206和第三泵浦电极207上需要施加相对第一泵浦电极205上较小的正电压。

所述电介质层102部分地覆盖所述第一离子区103和所述第二离子区104，且所述第一引导电极203延伸至覆盖部分所述第一离子区103，所述第二引导电极204延伸至覆盖部分所述第二离子区104。

如图1b所示，第一离子区103和第二离子区104是用于存储和产生电子的，其中这些电子的数量和移动方向需要通过第一电极201和第二电极202 控制，即第一电极201与第一离子区103欧姆接触，第二电极202与第二离子区104欧姆接触。而对电介质层102和硅基底101是分层叠加的，在电介质层 102上制备第一电极201和第二电极202时，需要先将电介质层102上第一电极201与第一离子区103的接触区域、以及第二电极202与第二离子区104的接触区域通过刻蚀工艺给去除，保证欧姆接触的稳定，即电介质层102部分覆盖第一离子区103和第二离子区104。而且，限制电极中的第一导引电极203 和第二导引电极204是用于施加第二偏置电压形成载流子通道的，因此第一引导电极203延伸至覆盖部分第一离子区103，第二引导电极204延伸至覆盖部分第二离子区104。

所述磁性电极213包括铁电极、钴电极。磁性电极213的材料可以选择铁、钴、镍等磁性材料均可以，在制备半导体量子点器件时，可以通过电子束光刻和电子束蒸发镀膜形成，比如在电介质层102表面采用电子束蒸发镀膜的工艺将磁性材料镀膜形成磁性电极213。本申请中，磁性电极213的位置不限于此，只要能够在所述界面形成磁场梯度并接收用于操控所述量子点的微波信号即可。

所述的半导体量子点器件还包括位于所述电介质层102上的第一沟道电极208和第二沟通电极209，所述第一沟道电极208和所述第二沟通电极209 之间形成有一维沟道，且所述限制电极，以及所述第一电极201和所述第二电极202均位于所述一维沟道。

如图1a所示，电介质层102上还设置有一维沟道，如半导体领域熟知，沟道是指晶体管中源极和漏极之间的半导体层，在本申请中，沿第一电极201 和第二电极202的水平方向设置。具体的，通过在电介质层102上设置第一沟道电极208和第二沟道电极209，使得第一沟道电极208和第二沟道电极209 之间形成一维沟道。

一维沟道与载流子通道对应，将一维沟道沿着第一电极201和第二电极202的水平方向设置，当第一电极201和第二电极202上施加第一直流偏置电压在载流子通道形成电流时，载流子通道在一维沟道区域内，即电子在一维沟道内移动；因此，对载流子通道内的电子进行控制的限制电极，也需要设置于一维沟道内。

本申请的第一方面提供的半导体量子点器件通过磁性电极213在所述界面形成磁场梯度，并且磁性电极213能够根据施加于半导体量子点器件的磁场强度矢量改变在硅基底101和电介质层102的界面的磁场梯度，而使量子点处载流子谷能级分裂，从而获得适于通过施加微波信号于磁性电极213进行电操控的分裂能级，相对于天线等结构，本申请采用的磁性电极213相对较小，具有结构优势，易于集成。

实施例2

图2为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的制备方法流程图，图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f为与图2流程图中各流程步骤对应的结构示意图。

结合图2和图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f所示，本实施例提供了一种半导体量子点器件的制备方法，包括：

S110：在硅基底101上形成第一离子区103和第二离子区104；

如图3a所示，采用半导体芯片制备工艺中的光刻、刻蚀工艺，在硅基底上形成对称的第一离子区103和第二离子区104，其中第一离子区103和第二离子区104在硅基底101上沿着同一水平线对称。

S120：形成位于所述硅基底101上的电介质层102，所述硅基底101和所述电介质层102界面形成载流子通道；

如图3b所示，当在硅基底101上制备好第一离子区103和第二离子区104 之后，即可在硅基底101上方形成电介质层102，即可在硅基底101和电介质层102的接触面形成载流子通道。

S130：形成与所述第一离子区103欧姆接触的第一电极201，及与所述第二离子区104欧姆接触的第二电极202；

如图3c所示，采用光刻、刻蚀和金属镀膜工艺在第一离子区103上形成欧姆接触的第一电极201、和在第二离子区104上形成欧姆接触的第二电极202。具体的，第一离子区103和第二离子区104可以用于存储和输出电子，其中，输出电子需要第一离子区103和第二离子区104之间有电流，而第一电极201 和第二电极202即用来施加第一直流偏置电压，形成第一离子区103和第二离子区104之间的电流(也就载流子通道电流)。

S140：形成位于所述电介质层102上的限制电极，所述限制电极用于将载流子限制在所述载流子通道形成量子点；

如图3d和图3e所示，限制电极包括第一导引电极203、第二导引电极204、第一泵浦电极205、第二泵浦电极206以及第三泵浦电极207。具体的，先在电介质层102上第一电极201和第二电极202之间制备第一导引电极203、第二导引电极204；第一导引电极203和第二导引电极204的加工方法与形成第一电极201或第二电极202相同，进而在第一导引电极203和第二导引电极 204之间采用相同的工艺方法制备第一泵浦电极205。其中，第一电极201、第二电极202、第一导引电极203、第二导引电极204以及第一泵浦电极205 沿着电介质层102的水平方向同轴线设置。

此外，在电介质层102上形成了第一导引电极203、第二导引电极204以及第一泵浦电极205之后，需要在其表面形成一层绝缘层，用于将各电极之间相互电隔离。具体的，绝缘层的形成方法可以包括原位热氧化、等离子体氧化或者电子沉积技术生长形成。

S150：形成磁性电极213，所述磁性电极213用于在所述界面形成磁场梯度并接收操控所述量子点的微波信号。

如图3f所示，在电介质层102上制备了用于形成载流子通道电流的第一电极201、第二电极202以及用于对电子的运动和数量进行限制的限制电极之后，即可在限制电极下方产生对应的量子点。而对量子点进行操控时，还需要通过施加的外部磁场完成，因此还需要再量子点器件上形成磁性电极213。具体的，可以通过采用电子束光刻形成磁性电极213形状、并采用电子束蒸发镀膜工艺形成磁性电极213。磁性电极213可以制备在电介质层102上，也可以制备在硅基底101上，制备工艺简单，易于集成。

本申请的第二方面提供的半导体量子点器件的制备方法能够制备本申请的第一方面提供的半导体量子点器件。

实施例3

图4为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的信号读取方法的流程图，图5为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的信号读取系统的结构示意图。

结合图4和图5所示，本实施例提供了一种半导体量子点器件的信号读取方法，具体包括：

步骤S210：提供电压施加于所述第一电极201、第二电极202和所述限制电极。

具体的，首先在第一导引电极203、第二导引电极204施加第二直流偏置电压形成载流子通道，然后再第一电极201上和第二电极202上施加第一直流偏置电压，使得载流子通道形成电流；进而在栅电极206和栅电极207上施加第三直流偏置电压，使得泵浦电极205、栅电极206和栅电极207的正下方形成第二量子点210、第一量子点211和第三量子点212，此时形成的第二量子点210、第一量子点211和第三量子点212，每个均具有多个能级(称之为谷能级)，可以选择能级。其中，第一直流偏置电压、第二直流偏置电压、第三直流偏置电压在具体实施时，可以根据量子点的性能参数实时调整。

步骤S220：提供矢量磁场施加于所述磁性电极213。

通过步骤S210在衬底上形成了第二量子点210、第一量子点211和第三量子点212之后，即可通过施加磁场信号对第二量子点210、第一量子点211 和第三量子点212进行操控了。具体的，每个量子点的任意一个谷能级都处于简并态，即具有自旋向上和自旋向下的电子。结合量子物理学中的能级劈裂原理可知，当在量子点上施加磁场信号时，量子点的谷能级会发生塞曼劈裂，即一个谷能级劈裂成由自旋向上的电子构成的高能级和由自旋向下的电子构成的低能级，每一个能级都可以设置为一个量子点的本征态(比如基态和激发态)。

可以预想到的是，当量子点本身具有多个谷能级时，在适当的磁场作用下，每一个谷能级都会发生塞曼劈裂，劈裂成两个能级(即高能级和低能级)。通过能级劈裂形成的高能级和低能级均是具有单一自旋方向的能级，当采用两个量子点，并结合泡利不相容的原理，可以实现对单个量子点的测量。其中，泡利不相容原理简单概括为原子中不能容纳运动状态完全相同(自旋向上、自旋向下)的电子，即一个能级中不会出现同为自旋向上或者自旋向下的两个电子。

图7为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件在磁场作用下的能级劈裂示意图，参考图7所示，以第二量子点210作为示例说明，图中403和 404是第二量子点210本身具有的谷能级，当施加变化的磁场信号之后，谷能级403和404均发生了塞曼劈裂，其中，谷能级403发生塞曼劈裂形成了407 (自旋向下)和408(自旋向上)，同时谷能级404发生塞曼劈裂形成了405 (自旋向下)和406(自旋向上)，因此，此时第二量子点210具有了4个能级(即405、406、407、408)。

借助图7可以看出，相邻能级之间具有能级差。具体的，能级405和406 之间的能极差为量子点410的塞曼劈裂产生的能级差；407和408之间的能级差为量子点410的谷能级差；而能级406和能级407之间具有两个能级差411 和412，可以发现，能级差411和412是谷能级和自旋能级混合之后的能级差，也称之为混合能级系统。随着施加的磁场的增强，能级差410、411、412也会对应变化。

其中，能级407(自旋向下)和能级406(自旋向上)之间可以发生相互作用，能级上的电子在满足能量需求的情况下可以相互转变，因此会出现图7 中的能级407和能级406不交叉的情况(可以理解为反交叉)，尤其在反交叉的区域，能级之间更容易实现相互作用和转变。可以进一步理解为，混合能级系统更容易被调控，即通过电操控可以高效的实现自旋共振，实现对应的量子比特的响应。

步骤S230：提供微波信号施加于所述磁性电极213。

当通过施加磁场信号使得量子点的能级劈裂，产生了多个能级之后，能级之间具有能级差，如上述示例第二量子点210的能级差410、411、412。在物理学中，电子的自旋可以通过施加微波电场进行操控。以混合能级系统411 和412为例，混合谷能级差均包括由自旋向上的电子占据的能级407和由自旋向下的电子占据的能级406组成，当施加微波信号，且施加的微波信号的频率与混合能级系统411和412相同或者接近时，会发生共振，使得能级406和能级407上的电子的自旋方向发生变化，这个原理可以参考利用电偶极自旋共振实现对电子自旋的操控。

其中，利用电偶极自旋共振可以实现对单个量子点的操控，在实际应用中，可以通过增加辅助量子点，实现对调控的量子点的状态进行读取，即量子比特的状态读取，在量子计算领域具有重要的意义。

作为示例的，以第二量子点210和第一量子点211为例说明，可以将第一量子点211作为辅助量子点，其中，辅助量子点中电子自旋方向是设置为已知的(比如为自旋向下)。结合步骤S20和步骤S30中描述，通过施加磁场信号使得第一量子点210的能级发生劈裂，并通过磁性电极213施加微波信号，对第一量子点210中电子的自旋进行调控，借助泡利不相容的物理机理，可以测量出第一量子点210中电子的原始自旋状态。简单理解为，当第一量子点210 中电子自旋方向向下，通过施加微波信号的电偶极自旋共振，使得其自旋方向改变为自旋方向向上，而设置的辅助量子点(第一量子点211)中电子自旋方向为向下的，即可以测量出输出电流变化；反之，当第二量子点210中电子自旋方向像上时，通过施加微波信号的电偶极自旋共振，第二量子点210中电子自旋方向改变为自旋向下，此时电子无法通过第一量子点211的能级，即测量出输出电流无变化。

步骤S240：获取所述第二电极202输出的电信号。

参考步骤S230中描述的测量，可以通过信号测试装置测试辅助量子点的输出电流变化。在具体的量子点器件中，可以通过电流表或者电压表通过测量漏极(本申请中的第二电极202)的电流。

通过采用两个量子点，并借助磁性电极213施加磁场信号和微波信号，可以实现对单个量子点的读取，在设计为量子比特时，可以有效的对量子比特的量子态进行读取。

实施例4

图6为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的操控方法的流程图，图7为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件在磁场作用下的能级劈裂示意图。

结合图6和图7所示，本实施例提供了一种半导体量子点器件的操控方法，具体包括：

步骤S310：经由所述磁性电极213施加磁场以使所述量子点的能级分裂获得分裂能级；

其中，所述分裂能级包括第一谷自旋能级、第二谷自旋能级、第三谷自旋能级和第四谷自旋能级，其中，所述第二谷自旋能级和所述第三谷自旋能级反交叉；

具体的，分裂效果如图7所示，量子点具有自旋能级和谷能级，其中，谷能级是硅基量子点的天然能级，具有多个能级，如图7中的403和404均为谷能级。而自旋能级是需要通过施加磁场之后发生劈裂形成两个能级(自旋向上和自旋向下)。在量子点发生了塞曼劈裂之后，谷能级和自旋能级发生混合，形成了分裂能级405(第一谷自旋能级)、406(第二谷自旋能级)、407(第三谷自旋能级)、408(第四谷自旋能级)。

以第二量子点210为例说明，谷能级403为高能级、谷能级404为低能级，其中，谷能级403在磁场作用下发生塞曼劈裂形成分裂能级408(电子自旋向上)和407(电子自旋向下)；谷能级404在磁场作用下发生塞曼劈裂形成分裂能级406(电子自旋向上)和405(电子自旋向下)。

具体的，谷能级403和404之间的能级差为硅基量子点的固有属性，受其自身属性影响。而其在施加的外部磁场的作用下发生塞曼劈裂之后，形成的塞曼劈裂能级，与施加的外部磁场的大小有关。如图7中的分裂能级405和406 之间的能级差410，会随着磁场的增大而变大。

不仅分裂能级405和406之间会形成分裂能级差410，分裂能级406和407 之间也具有分裂能级差411和412(混合能级系统)，分裂能级差411和412 是谷能级和自旋能级混合之后的分裂能级差。此外，分裂能级407和408之间也具有能级差409，能级差409为谷能级差，与硅基底101的固有属性相关。

其中，自旋能级407和自旋能级406可以作为量子比特的本征态(激发态和基态)，因此，自旋能级407和自旋能级406之间的混合能级系统411和412 则是对量子比特进行调控对象，具体的，可以通过施加微波信号使得混合能级系统411和412之间的电子产生自旋共振。

步骤S320：经由所述磁性电极213施加微波信号以调节所述量子点的状态所对应的分裂能级。

其中，所述微波信号的频率与所述第二谷自旋能级和所述第三谷自旋能级之间的跃迁能量对应。

当形成了混合能级系统411和412之后，可以通过磁性电极213施加微波信号对混合能级系统411和412进行调控，具体的方法为前面提到的利用电偶极自旋共振，当通过磁性电极213施加的微波信号的频率与所述第二谷自旋能级(406)和所述第三谷自旋能级(407)之间的跃迁能量对应，即与混合能级系统411和412发生共振时，电子会在自旋能级406和407之间跃迁。对应到量子比特上，即通过施加微波信号使得量子比特的量子态发生变化。

在半导体量子点器件中，谷能级和电子自旋能级，均可以通过选取能级中的两个最低能级设计为量子比特，表征为量子比特的本征态。其中，采用了谷能级设计为量子比特的本征态之后，相比于借助电子自旋能级设计为量子比特的本征态而言，其退相干时间比较短，会限制对量子比特的操控时间，即大大的限制了运行量子计算的效率。因此，谷能级通常不作为设计为量子比特的本征态，现有技术中通常选用电子自旋能级设计为量子比特的本征态。

然而，通过电子自旋能级设计的量子比特的退相干时间虽然相对较长，由于其在磁场作用下发生塞曼劈裂之后，劈裂之后的自旋能级差非常大，即需要施加的与自旋能级差共振的微波信号也会相应增大，使得操控难度大大增加。采用混合能级系统，能快速响应施加的微波信号，有利于提高电操控效率。

实施例5

图8和图9为本申请实施例提供的一种半导体量子点器件的电操控效果图。

结合图8和图9所示，本实施例提供了一种对基于谷自旋混合能级的半导体量子点器件的电操控效果示例，所述半导体量子点器件为实施例1中的半导体量子点器件，或者为根据实施例2的方法制备的半导体量子点器件。

采用第二量子点210作为示例，通过第二电极202测量的电流信号。具体的，横坐标为通过微磁体施加的磁场梯度，纵坐标为通过微磁体施加的微波信号的频率，此外，图中深度(亮度)表示电流大小。

其中，虚线603表征混合能级系统411在磁场和微波信号调控下，通过第二电极202测量获得电流变化曲线；虚线605表征混合能级系统412在磁场和微波信号调控下，通过第二电极202测量获得电流变化曲线；此外，虚线604 表征自旋能级和谷能级差相同时的通过第二电极202测量获得的电流变化曲线。

如图9所示，作为比对的，610为自旋能级差410在磁场和微波信号调控下，通过第二电极202测量获得电流变化曲线，其需要施加的微波信号远远大于与混合能级系统411和412的调控范围，可以理解为，自旋能级差410受微波信号的调控的效果非常差，进一步的，可以理解为，若采用自旋能级差410 作为量子比特的本征态，在调控量子比特的量子态时，需要施加的微波信号非常大时，才能进行读取，加大了调控难度。

相反，当采用混合能级系统411和412时，其响应微波信号的调控能力强，即当采用其作为量子比特的本征态，在进行量子计算时，易于操控。

本申请的第三方面提供的半导体量子点器件的操控方法，通过磁性电极 213形成磁场梯度以使所述量子点的谷能级分裂获得分裂能级，并经由所述磁性电极213施加微波信号以调节所述量子点的状态所对应的分裂能级，相对于传统的自旋能级间的调控，本申请的量子点的状态在分裂能级之间调节，具有操控速度快的优势，因此，本申请的电场操控能力较强。

实施6

如图5所示，本实施例提供了一种基于混合能级的半导体量子点器件的信号读取系统。所述系统包括半导体量子点器件301、直流偏置电压源302、微波源303、信号放大器304和电压测试装置305，所述半导体量子点器件为实施例1中的半导体量子点器件，或者为根据实施例2的方法制备的半导体量子点器件。

直流偏置电压源302，连接半导体量子点的第一电极201、第二电极202、第一导引电极203、第二导引电极204以及各个限制电极。用于提供直流偏置电压，具体的，包括半导体量子点器件的第一电极201、第二电极202上施加的用于产生载流子通道的直流偏置电压；第一导引电极203、第二导引电极204 上施加的用于在载流子通道形成电流的正向偏置电压；以及在限制电极上施加的用于形成量子点的偏置电压。

微波源303，连接半导体量子点器件的磁性电极213，用于提供频率与混合能级系统411和412共振的微波信号，实现对半导体量子点器件301的调控。

信号放大器304，连接半导体量子点器件的第二电极202(即漏极)，用于将通过半导体量子点器件的漏极输出的信号进行放大。具体的，半导体量子点输出的为电流信号，先将电流信号转换为电压信号，并对转换后的电压信号进行放大，并输出放大后的电压信号，以便于测试。

电压测试装置305，连接信号放大器304，用于对放大后的电压信号进行测试。进而通过测试结果对半导体量子点器件的量子态进行分析。

此外，本实施例还提出一种计算机，包括上述实施例描述中的所述半导体量子点器件，或根据上述实施例描述中的所述方法制备的半导体量子点器件，或包括上述实施例描述中的所述方法操控的半导体量子点器件，或根据上述实施例描述中的所述信号读取方法进行信号读取的半导体量子点器件。

与现有技术相比，本申请的第一方面提供的半导体量子点器件通过磁性电极213在所述界面形成磁场梯度，并且磁性电极213能够根据施加于半导体量子点器件的磁场强度矢量改变在硅基底和电介质层的界面的磁场梯度，而使量子点处载流子谷能级分裂，从而获得适于通过施加微波信号于磁性电极213 进行电操控的分裂能级，相对于天线等结构，本申请采用的磁性电极213相对较小，具有结构优势，易于集成。

与现有技术相比，本申请的第二方面提供的半导体量子点器件的制备方法能够制备本申请的第一方面提供的半导体量子点器件。

与现有技术相比，本申请的第三方面提供的半导体量子点器件的操控方法，通过磁性电极213形成磁场梯度以使所述量子点的谷能级分裂获得分裂能级，并经由所述磁性电极213施加微波信号以调节所述量子点的状态所对应的分裂能级，相对于传统的自旋能级间的调控，本申请的量子点的状态在分裂能级之间调节，具有操控速度快的优势，因此，本申请的电场操控能力较强。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种半导体量子点器件，其特征在于，包括：

形成有第一离子区和第二离子区的硅基底；

位于所述硅基底上的电介质层，所述硅基底和所述电介质层的界面形成载流子通道；

与所述第一离子区欧姆接触的第一电极，及与所述第二离子区欧姆接触的第二电极；

位于所述电介质层上的限制电极，所述限制电极用于将载流子限制在所述载流子通道以形成量子点；

以及磁性电极，所述磁性电极用于在所述界面形成磁场梯度并用于操控所述量子点。

2.根据权利要求1所述的半导体量子点器件，其特征在于，所述电介质层包括二氧化硅层、硅锗异质结层和纳米线材料层中之一。

3.根据权利要求1所述的半导体量子点器件，其特征在于，所述限制电极包括交叠设置的多个栅电极，且相邻的所述栅电极之间形成有绝缘层。

4.根据权利要求1或3所述的半导体量子点器件，其特征在于，所述限制电极包括：

位于所述第一电极和所述第二电极之间的第一导引电极及第二导引电极；

位于所述第一导引电极和所述第二导引电极之间，且与所述第一导引电极和所述第二导引电极相间布置的第一泵浦电极；

以及第二泵浦电极和第三泵浦电极，其中，所述第二泵浦电极位于所述第一导引电极和所述第一泵浦电极之间，所述第三泵浦电极位于所述第二导引电极和所述第一泵浦电极之间。

5.根据权利要求4所述的半导体量子点器件，其特征在于，所述电介质层部分地覆盖所述第一离子区和所述第二离子区，且所述第一导引电极延伸至覆盖部分所述第一离子区，所述第二导引电极延伸至覆盖部分所述第二离子区。

6.根据权利要求1所述的半导体量子点器件，其特征在于，所述磁性电极包括铁电极、钴电极。

7.根据权利要求1所述的半导体量子点器件，其特征在于，还包括位于所述电介质层上的第一沟道电极和第二沟通电极，所述第一沟道电极和所述第二沟通电极之间形成有一维沟道，且所述限制电极，以及所述第一电极和所述第二电极均位于所述一维沟道。

8.一种计算机，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的半导体量子点器件。

Images