EP4356431A1 - Qubit-element - Google Patents

Qubit-element

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Publication number
EP4356431A1
EP4356431A1 EP21733935.7A EP21733935A EP4356431A1 EP 4356431 A1 EP4356431 A1 EP 4356431A1 EP 21733935 A EP21733935 A EP 21733935A EP 4356431 A1 EP4356431 A1 EP 4356431A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
quantum well
well structure
backgate
qubit
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21733935.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias KÜNNE
Lars SCHREIBER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of EP4356431A1 publication Critical patent/EP4356431A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/122—Single quantum well structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/401—Multistep manufacturing processes
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
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    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66977—Quantum effect devices, e.g. using quantum reflection, diffraction or interference effects, i.e. Bragg- or Aharonov-Bohm effects
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/7613—Single electron transistors; Coulomb blockade devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Definitions

  • the invention relates to a qubit element and a use of the qubit element and a production method for the qubit element.
  • the spin of a charge carrier can be used as qubits. However, this requires access to the charge carrier in such a way that its spin can be determined and influenced. For this purpose it is known to localize charge carriers in quantum points. However, semiconductor structures known for this do not allow satisfactory control over the spin.
  • the object of the present invention is, based on the described prior art, to present a qubit element with which the spin of a charge carrier can be controlled particularly well. In addition, a corresponding use and a manufacturing process are to be presented.
  • a qubit element which comprises:
  • an electrode arrangement which is arranged at a distance from the quantum well structure in the first direction and which is configured to restrict movement of a charge carrier in the quantum well in and against a second direction and in and against a third direction in order to form a quantum dot , where the first direction, the second direction and the third direction are in pairs perpendicular to each other,
  • ⁇ a backgate, which is arranged spaced apart from the quantum well structure in the opposite direction to the first direction.
  • qubit is used here - as is common practice - for the abstract concept of a quantum mechanical two-state system which can be used for quantum computing.
  • a qubit element here - to distinguish it from the abstract concept - is to be understood as a device with which a qubit can be realized.
  • the term “qubit element” the term “device for realizing a qubit” can therefore also be used.
  • the qubit element is a semiconductor structure.
  • the term “semiconductor structure for realizing a qubit” can also be used in this case.
  • the qubit can be part of a device which has a multiplicity of qubit elements designed as described. Such a device is also part of the invention.
  • a quantum dot can be formed in the qubit element.
  • the movement of a charge carrier in the quantum dot is restricted in all directions to such an extent that the charge carrier can only assume discrete energy states.
  • a quantum dot can be said to be zero-dimensional.
  • the charge carrier can be an electron or a hole.
  • a charge carrier in a quantum dot can be used to implement a qubit.
  • the spin of a charge carrier in a quantum dot can be used to create a qubit.
  • the qubit element is described using a coordinate system having a first direction, a second direction and a third direction, with the three directions being orthogonal in pairs.
  • the qubit element has a quantum well structure.
  • a quantum well is formed in the quantum well structure.
  • a quantum well is a potential curve that restricts the movement of a charge carrier in one direction.
  • the quantum well of the quantum well structure is formed along the first direction. This means that the movement of a charge carrier in the quantum well in and against the first direction is confined to the quantum well.
  • the potential that forms the quantum well can be the valence band or the conduction band of a semiconductor layer structure.
  • the movement of a charge carrier in and against the first direction can be restricted by the quantum well structure.
  • the movement of the charge carrier in and against the other two directions can be limited by electric fields that can be generated by applying electric voltages to electrodes (which can also be referred to as "gates").
  • the qubit element has an electrode arrangement for this purpose This is designed in such a way that the movement of the charge carrier in the quantum well can be restricted in and against the second and third directions.
  • the electrode array is spaced from the quantum well structure in the first direction. If the first direction points from bottom to top, the electrode arrangement is above the quantum well structure.
  • the electrode arrangement is preferably electrically insulated from the quantum well structure and in this respect is not in direct contact with the quantum well structure.
  • the electrode array is spaced from the quantum well structure by an oxide layer and/or a cap layer.
  • the oxide layer is used for electrical insulation, the top layer for adhesion of the electrode arrangement on the oxide layer.
  • the electrode arrangement is preferably at a distance of 10 to 200 nm [nanometers] from the edge of the quantum well structure. This refers to the edge of the quantum well structure closest to the electrode array.
  • the qubit element also has a backgate, which is arranged at a distance from the quantum well structure in the opposite direction to the first direction. If the first direction points from bottom to top, the backgate is arranged below the quantum well structure.
  • the backgate is preferably electrically isolated from the quantum well structure.
  • the backgate can be designed as a global backgate for a large number of qubit elements.
  • the charge carriers in the quantum dot can be influenced via the backgate.
  • the Fermi energy can be shifted by the backgate, which can influence the population of the quantum dot.
  • the occupation number of the quantum dot can be adjusted independently of an electric field between the backgate and the electrode arrangement.
  • the combination of backgate and electrode arrangement results in a particularly high degree of flexibility in the design of the qubit element, especially with regard to electric field gradients in the area of the quantum dot.
  • the backgate can be designed in one piece or composed of several parts. The parts of the backgate can adjoin one another or be spaced apart from one another. In the latter case one can also speak of a structured backgate.
  • the backgate is arranged at a distance from the quantum well structure in the opposite direction to the first direction, while the electrode arrangement is arranged at a distance from the quantum well structure in the first direction.
  • the back gate and the electrode arrangement are thus net angeord on different sides of the quantum well structure. This results in a comparatively small distance between the backgate and the quantum dot. This applies in particular in comparison to an embodiment in which the electrode arrangement is arranged between a quantum well structure and a global top gate provided instead of the back gate.
  • valley splitting also referred to as "valley splitting”
  • the valley splitting is particularly large and homogeneous. This is advantageous because it can prevent the coherence properties of the qubit from being affected by scattering in the Valley States will be destroyed.
  • qubits for example in silicon-germanium heterostructures, show only a small and inhomogeneous valley splitting.
  • a particularly large splitting of the valley states by a back gate can therefore ensure particularly reliable operation of a quantum computer with the qubit element described.
  • the valley split is larger than the thermal energy of the system. This is how the qubits can be controlled.
  • Valley splitting limits the operating temperature of a quantum computer formed with qubit elements formed as described. Higher operating temperatures are therefore possible thanks to the backgate.
  • a larger number of qubits can be used, enabling a more powerful quantum computer.
  • the Valley split can be controlled by the backgate.
  • the backgate is preferably at a distance of 30 to 200 nm [nanometers] from the edge of the quantum well structure. This refers to the edge of the quantum well structure closest to the backgate.
  • the qubit element further comprises a ground layer formed of strained silicon, which is arranged between the quantum well structure and the back gate.
  • the quantum well structure could be grown directly on a wafer, in particular a silicon wafer. Irrespective of the lattice structure of the quantum well structure, lattice defects can occur. This applies in particular when the quantum well structure does not have silicon with the naturally occurring lattice constant on its side facing the wafer. When the first direction is from bottom to top, it refers to the bottom of the quantum well structure.
  • the advantages of the qubit element described can be used particularly well in the case that the quantum well structure has a lattice constant on its surface pointing in the opposite direction to the first direction, which deviates from the lattice constant naturally present in silicon.
  • the qubit element described can be produced in a particularly simple manner thanks to the base layer. This applies in particular to a case in which the quantum pot structure is grown directly on a silicon wafer or on a transition layer.
  • the base layer preferably adjoins the quantum well structure in the opposite direction to the first direction. If the first direction points from bottom to top, the base layer thus borders the quantum well structure at the bottom.
  • the base layer is formed from strained silicon. As is generally the case, this means that the silicon has a lattice constant that differs from that which occurs naturally.
  • the naturally occurring lattice constant of silicon is around 0.5 nm [nanometer].
  • Strained silicon is silicon whose lattice constant deviates by at least 0.2%, in particular at least 1%, from the naturally occurring value.
  • the expression "the base layer is formed from silicon which has a lattice constant that deviates by at least 0.2%, in particular at least 1%, from the naturally occurring lattice constant of silicon” can also be used ".
  • the base layer is at most 20 nm [nanometers] thick.
  • the thickness of the base layer is the extent of the base layer in the first direction.
  • the thickness of the base layer is preferably between 1 and 10 nm [nanometers].
  • the base layer of strained silicon can be obtained with the method also known as the "Jülich process", which is described in US Pat. No. 6,464,780.
  • the content of this document is fully incorporated by reference as belonging to the invention Si substrate, an adjacent SiGe layer and an Si top layer adjacent to the SiGe layer.
  • the Si top layer becomes the base layer in the course of the process, i.e. has the thickness of the base layer. This is preferably at most 20 nm [nanometer], in particular between 1 and 10 nm.
  • the SiGe is strained.
  • Helium is then introduced into the layered structure and the layered structure is heated for annealing. This relaxes the SiGe and gives it its natural lattice constant.
  • the silicon in the Si top layer to strained silicon around will.
  • the described auxiliary layer structure is placed "upside down" on the wafer, in particular on the insulation layer by wafer bonding.
  • the SiGe layer and the Si substrate of the layer structure can be removed by selective etching. Only the base layer remains on the Wafer, in particular on the insulation layer
  • the quantum well structure can then be grown on the base layer, for example by means of Molecular Beam Epitaxy (MBE).
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • the base layer preferably has the lattice constant exhibited by the quantum well structure at the interface between the base layer and the quantum well structure.
  • the base layer therefore goes into the quantum well structure without changing the lattice constant.
  • the back gate can be arranged at a distance from the quantum well structure in the opposite direction to the first direction.
  • the layer of the quantum well structure facing the backgate is made of silicon-germanium, for example, a transition layer made of silicon-germanium with a gradually decreasing proportion of germanium could also be provided between the quantum well structure and a silicon wafer.
  • the transition layer would have to have a considerable thickness, for example 1 mm [micrometer].
  • a much smaller distance between the backgate and the quantum dot can be realized thanks to the base layer.
  • the qubit element further comprises an insulating layer of silicon dioxide, which abuts the base layer on an opposite side of the base layer from the quantum well structure.
  • the silicon dioxide layer is now part of the qubit element.
  • the silicon dioxide layer is referred to here as the insulating layer because the silicon dioxide is used for electrical insulation between the base layer and another layer adjoining the insulating layer. can be turned.
  • the insulating layer can be amorphous.
  • the insulating layer preferably has a thickness in the range of 5 and 30 nm [nanometers]. The thickness of the insulation layer is the extent of the insulation layer in the first direction.
  • the qubit element further comprises a wafer with a recess, the backgate being arranged within the recess.
  • the wafer is preferably a silicon wafer.
  • the silicon wafer can be etched locally so that the backgate can be inserted into a recess in the wafer. In this way, the backgate can be brought particularly close to the quantum dot.
  • the qubit element has an insulating layer made of silicon dioxide, which abuts against the base layer on a side of the base layer which is opposite to the quantum well structure.
  • the silicon dioxide also serves as an etch stop for the etching of the wafer. In this way, the material of the wafer can be completely removed in the recess. The recess thus extends along the first direction over the entire extent of the wafer.
  • the backgate can therefore be arranged directly adjacent to the insulation layer.
  • the quantum well structure has three layers consecutive in the first direction, of which the middle layer is formed from strained silicon and of which the two remaining layers are formed from silicon and germanium, respectively.
  • the middle layer of strained silicon has a lattice constant that deviates from the natural lattice constant of silicon.
  • the silicon of the middle layers is strained.
  • the material of the middle layer can in particular be silicon with a lattice constant which corresponds to the lattice constant of the material of the other layers. This term can be used in place of the term "strained silicon" for the middle layer material.
  • the two remaining layers are preferably formed from silicon-germanium or germanium-silicon.
  • a semiconductor material made of silicon and germanium is referred to as silicon-germanium, which has more silicon than germanium.
  • germanium-silicon is a semiconductor material that contains more germanium than silicon.
  • the material of the remaining layers of the quantum well structure preferably has a silicon content in the range of 60 and 80% or in the range of 20 and 40%.
  • the material is Si 0.7 Ge 0.3 or Geo.7Sio.3 .
  • the conduction band forms a quantum well. This can limit the movement of electrons as charge carriers. The spin of an electron can then be used to realize a qubit. Due to the layer sequence germanium-silicon, silicon, germanium-silicon, the valence band and the conduction band form a quantum well. This can restrict the movement of holes and/or electrons as charge carriers. The spin of an electron or hole can then be used to realize a qubit.
  • the middle layer preferably has a thickness in the range of 3 to 12 nm [nanometer].
  • the remaining layers of the quantum well structure preferably have a thickness in the range of 30 and 70 nm [nanometers]. The thickness of a layer is in each case the expansion of this layer in the first direction.
  • the qubit element further comprises a magnet which is arranged at a distance from the quantum well structure in the opposite direction to the first direction.
  • a gradient in the magnetic field of the magnet causes spin-orbit coupling of the states of the charge carrier in the quantum dot and the energy splitting of the two qubit states is individualized for each qubit in the vicinity of the magnet. This is advantageous for quantum computing.
  • one magnet can be used for multiple qubit elements.
  • the magnet is arranged at a distance from the quantum well structure in the opposite direction to the first direction.
  • the magnet is preferably arranged between the insulating layer and the backgate.
  • the magnet preferably touches the insulating layer and/or the backgate.
  • the magnet is arranged on the opposite side of the quantum well structure from the electrode arrangement. This places the magnet much closer to the quantum point than would be the case with a magnet placed on the same side as the electrode array. This is advantageous because the closer the magnet is to the quantum dot, the greater the influence of a magnetic field generated by a magnet on the quantum dot.
  • the gradient of the magnetic field is decisive for the spin-orbit coupling of the charge carriers in the quantum dot. This is all the more pronounced the closer the magnet is to the quantum dot.
  • the arrangement of the magnet on the side of the quantum well structure opposite the electrode arrangement is possible in particular because of the base layer.
  • the layer of the quantum well structure facing the magnet is made of silicon-germanium, for example, a transitional layer made of silicon-germanium with a gradually decreasing proportion of germanium could also be provided between the quantum well structure and a silicon wafer.
  • the transition layer would have to have a considerable thickness, for example 1 mm [micrometer].
  • a significantly smaller distance between the magnet and the quantum dot can be realized through the base layer and the preferably provided insulating layer made of silicon dioxide.
  • the magnet is preferably electrically isolated from the base layer, preferably by the insulating layer. Also, it is preferred that the backgate is electrically isolated from the magnet. Alternatively, it is preferred that the magnet is electrically conductively connected to the backgate. In this case the magnet touches the backgate.
  • the embodiments described above can be implemented in addition to or as an alternative to one another. This results in the following three possibilities.
  • the qubit element may include a magnet touching the non-magnetized back gate.
  • the qubit element may have an at least partially magnetized backgate without a magnet touching the backgate.
  • the qubit element may include a magnet contacting the at least partially magnetized backgate.
  • the back gate is at least partially magnetized.
  • the magnet described above can be regarded as a magnetized part of the backgate.
  • the magnetized part of the backgate can be arranged in particular between the insulation layer and the remaining part of the backgate.
  • the magnetized part of the backgate is directly adjacent to the remaining part of the backgate and is insofar electrically conductively connected to the remaining part of the backgate.
  • the magnetized part of the backgate can therefore be used on the one hand to generate the magnetic field gradient for the spin-orbit coupling.
  • the magnetized part of the backgate can contribute to the generation of an electric field.
  • a use of a qubit element designed as described is presented as a further aspect of the invention, with electrical voltages being applied to the electrode arrangement in such a way that a quantum dot is formed in the quantum well of the quantum well structure.
  • the qubit element is preferably used at a temperature ranging from 0.1 to 4K. This is particularly possible in a cryostat.
  • a spin of a charge carrier is used in the quantum dot to realize a qubit.
  • a method for producing a qubit element comprises: a) providing a wafer and an insulating layer made of silicon dioxide on a surface of the wafer, b1) growing a quantum well structure directly or indirectly on the insulating layer, with a quantum well being formed within the quantum well structure along a first direction or b2) local etching of the wafer on a side of the wafer opposite the insulating layer, so that a recess is formed in the wafer, c) arranging a backgate within the recess etched according to step b).
  • the described advantages and features of the qubit element and the use are applicable and transferable to the method and vice versa.
  • the qubit element described can preferably be generated using the method described.
  • the method described is preferably designed to produce the qubit element described.
  • Steps b1) and b2) can be carried out in any order.
  • Step b1) preferably takes place before step b2).
  • step a) a wafer and an insulating layer made of silicon dioxide are provided on a surface of the wafer.
  • providing means that each wafer provided with the insulation layer is obtained from a supplier or that the insulation layer is produced as part of the method.
  • step b1) the quantum well structure is grown on the insulating layer. This takes place directly or indirectly on the insulating layer. The latter is particularly the case in the preferred embodiment, in which the base layer described is provided on the insulating layer and the quantum well structure is grown on the base layer.
  • step b2) the wafer is etched locally. This is done from the back of the wafer insofar as the etching begins on the side of the wafer opposite the insulating layer. The material of the wafer is preferably removed in the area of the cutout to such an extent that the cutout reaches as far as the insulation layer. This is easily possible because the silicon dioxide as etch stop. In a device with a plurality of qubit elements, the recess thus etched can be used for a plurality of qubit elements.
  • step c) the backgate is inserted into the recess. If a magnet is additionally provided, this is preferably also inserted into the recess. This is preferably done in such a way that the magnet and/or the backgate adjoin the insulating layer. In a device with a plurality of qubit elements, a backgate and/or a magnet can be used globally for a plurality of qubit elements.
  • Fig. 2 The band structure of a part of the qubit element from Fig. 1.
  • the qubit element 1 shows a qubit element 1. This is described using a coordinate system consisting of a first direction x, a second direction y and a third direction z, pairs of which are perpendicular to one another.
  • the qubit element 1 comprises a quantum well structure 2, within which a quantum well 3 is formed along the first direction x. This can be seen in FIG.
  • the qubit element 1 further comprises an electrode arrangement 4.
  • the electrode arrangement 4 is spaced apart from the quantum well structure 2 by a covering layer 15 and an oxide layer 16.
  • FIG. The electrode arrangement 4 is set up to restrict the movement of charge carriers in the quantum well 3 in and against the second direction y and in and against the third direction z in order to form a quantum dot 5 . Two such quantum dots 5 are drawn in.
  • the quantum dots 5 can be formed by applying electrical voltages to the electrode arrangement 4 .
  • the spins of carriers in the quantum dots 5 can each be used as a qubit.
  • the spins of charge carriers in the two quantum dots 5 shown can be used in particular as qubits that are coupled to one another.
  • the qubit element 1 also includes a base layer 6 formed from strained silicon, which adjoins the quantum well structure 2 counter to the first direction x.
  • the qubit element 1 comprises an insulation layer 7 made of silicon dioxide, which is in contact with the base layer 6 on a side of the base layer 6 opposite the quantum well structure 2 .
  • the quantum well structure 2 has three successive layers 8,9,10 in the first direction x, of which a second layer 9 is formed of strained silicon, and of which a first layer 8 and a third layer 10 are each made of silicon-germanium or germanium-silicon are formed.
  • the qubit element 1 also includes a magnet 12 and a backgate 14, which are arranged at a distance from the quantum well structure 2 counter to the first direction x.
  • the magnet 12 and--if not covered by the magnet 12--also the backgate 14 are on the insulation layer 7.
  • the backgate 14 may be electrically isolated from the magnet 12 (by insulation between the magnet 12 and the backgate 14, which is not provided) or be electrically connected to the magnet 12. In the latter case, the backgate 14 can be considered to be partially magnetized.
  • the magnet 12 forms the magnetized part of the backgate 14. It also includes the qubit element
  • FIG. 1 I a wafer 11 with a recess 13.
  • the magnet 12 and the backgate 14 are arranged within the recess 13.
  • the qubit element 1 can be manufactured in that first the wafer
  • I I is provided, which has the insulation layer 7 and a base layer 6 of strained silicon adjoining the insulation layer 7 on one surface.
  • the quantum well structure 2 adjoining the base layer 6 can then be produced.
  • the wafer 11 can be etched locally on a side of the wafer 11 opposite the insulation layer 7 (that is to say at the bottom in FIG. 1) in such a way that the recess 13 is formed in the wafer 11 .
  • the insulation layer 7 serves as an etching stop.
  • the magnet 12 and the backgate 14 can then be arranged inside the recess 13 .
  • FIG. 2 shows the band structure of part of the qubit element 1 from FIG. 1.
  • the quantum well 3 can be seen on the conduction band E c and valence band E v shown. reference list
  • insulation layer 8 first layer of quantum well structure

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Abstract

Qubit-Element (1), umfassend eine Quantentopf-Struktur (2), innerhalb derer entlang einer ersten Richtung (x) ein Quantentopf (3) ausgebildet ist, eine Elektrodenanordnung (4), welche in der ersten Richtung (x) von der Quantentopf-Struktur (2) beabstandet angeordnet ist und welche dazu eingerichtet ist, eine Bewegung eines Ladungsträgers in dem Quantentopf (3) in und entgegen einer zweiten Richtung (y) sowie in und entgegen einer dritten Richtung (z) einzuschränken, um einen Quantenpunkt (5) auszubilden, wobei die erste Richtung (x), die zweite Richtung (y) und die dritte Richtung (z) jeweils paarweise senkrecht zueinander stehen, ein Backgate (14), welches entgegen der ersten Richtung (x) von der QuantentopfStruktur (2) beabstandet angeordnet ist.

Description

Qubit-Element
Die Erfindung betrifft ein Qubit-Element sowie eine Verwendung des Qubit-Elements und ein Herstellungsverfahren für das Qubit-Element.
Konventionelle Computer basieren darauf, Information im Binärcode darzustellen. Zum Speichern und Verarbeiten von Daten werden Bits genutzt, die durch verschie dene physikalische Konzepte realisiert werden können. All diese physikalische Kon zepte gehören zur klassischen Physik. Demgegenüber basieren Quantencomputer auf quantenphysikalischen Prinzipien. Anstelle von Bits nutzen Quantencomputer soge nannte Quantumbits (kurz Qubits). Dabei handelt es sich um quantenmechanische Zweizustandssysteme. Ein Qubit hat zwei Eigenzustände, in denen es sich befinden kann. Aufgrund von quantenphysikalischen Effekten kann sich ein Qubit darüber hin aus auch in einer beliebigen Überlagerung seiner beiden Eigenzustände befinden. Dadurch ist es möglich, mit einem Quantencomputer Algorithmen auszuführen, die mit einem konventionellen Computer nicht ausführbar sind. Das kann die Rechenzeit be stimmter Operationen erheblich verkürzen.
Als Qubits kann der Spin eines Ladungsträgers verwendet werden. Dazu ist es al lerdings erforderlich, derart Zugriff auf den Ladungsträger zu haben, dass dessen Spin bestimmt und beeinflusst werden kann. Dazu ist es bekannt, Ladungsträger in Quan tenpunkten zu lokalisieren. Dafür bekannte Halbleiterstrukturen erlauben allerdings keine zufriedenstellende Kontrolle überden Spin.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik ein Qubit-Element vorzustellen, mit dem der Spin eines Ladungsträgers besonders gut kontrollierbar ist. Zudem sollen eine entsprechende Verwendung und ein Herstellungsverfahren vorgestellt werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Qubit-Element, einer Verwendung und einem Herstellungsverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteil hafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, tech nologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
Erfindungsgemäß wird ein Qubit-Element vorgestellt, welches umfasst:
■ eine Quantentopf-Struktur, innerhalb derer entlang einer ersten Richtung ein Quan tentopf ausgebildet ist,
■ eine Elektrodenanordnung, welche in der ersten Richtung von der Quantentopf- Struktur beabstandet angeordnet ist und welche dazu eingerichtet ist, eine Bewe gung eines Ladungsträgers in dem Quantentopf in und entgegen einer zweiten Richtung sowie in und entgegen einer dritten Richtung einzuschränken, um einen Quantenpunkt auszubilden, wobei die erste Richtung, die zweite Richtung und die dritte Richtung jeweils paarweise senkrecht zueinander stehen,
■ ein Backgate, welches entgegen der ersten Richtung von der Quantentopf-Struktur beabstandet angeordnet ist.
Der Begriff Qubit wird hierin - wie allgemein üblich - für das abstrakte Konzept eines quantenmechanischen Zweizustandssystems verwendet, welches zum Quantencom puting genutzt werden kann. Unter einem Qubit-Element ist hier - in Abgrenzung von dem abstrakten Konzept - eine Vorrichtung zu verstehen, mit der ein Qubit realisiert werden kann. Anstelle der Bezeichnung „Qubit-Element" kann daher auch die Be zeichnung „Vorrichtung zur Realisierung eines Qubits" verwendet werden. Das Qubit- Element ist insbesondere eine Halbleiterstruktur. Anstelle der Bezeichnung „Qubit- Element" kann in dem Fall auch die Bezeichnung „Halbleiterstruktur zur Realisierung eines Qubits" verwendet werden. Das Qubit kann insbesondere Teil einer Vorrichtung sein, die eine Vielzahl von wie beschrieben ausgebildeten Qubit-Elementen aufweist. Eine solche Vorrichtung ist ebenfalls Teil der Erfindung.
In dem Qubit-Element kann ein Quantenpunkt gebildet werden. Die Bewegung eines Ladungsträgers in dem Quantenpunkt ist in allen Richtungen soweit einge schränkt, dass der Ladungsträger nur diskrete Energiezustände einnehmen kann. Ein Quantenpunkt kann als nulldimensional bezeichnet werden. Ladungsträger kann ein Elektron oder ein Loch sein. Ein Ladungsträger in einem Quantenpunkt kann zur Reali sierung eines Qubits verwendet werden. Insbesondere kann der Spin eines Ladungs trägers in einem Quantenpunkt zur Realisierung eines Qubits verwendet werden. Das Qubit-Element wird unter Verwendung eines Koordinatensystems beschrie ben, das eine erste Richtung, eine zweite Richtung und eine dritte Richtung aufweist, wobei die drei Richtungen jeweils paarweise senkrecht aufeinander stehen.
Das Qubit-Element weist eine Quantentopf-Struktur auf. In der Quantentopf- Struktur ist ein Quantentopf ausgebildet. Ein Quantentopf ist ein Potentialverlauf, der die Bewegung eines darin befindlichen Ladungsträgers in einer Richtung einschränkt. Der Quantentopf der Quantentopf-Struktur ist entlang der ersten Richtung ausgebildet. Das bedeutet, dass die Bewegung eines Ladungsträgers in dem Quantentopf in und entgegen der ersten Richtung auf den Quantentopf beschränkt ist. Bei dem Potential, welches den Quantentopf bildet, kann es sich um das Valenzband oder das Leitungs band eines Halbeleiter-Schichtaufbaus handeln.
Durch die Quantentopf-Struktur kann die Bewegung eines Ladungsträgers in und entgegen der ersten Richtung eingeschränkt werden. Eine Einschränkung der Bewe gung des Ladungsträgers in und entgegen den anderen beiden Richtungen ist durch elektrische Felder möglich, die durch Anlegen elektrischer Spannungen an Elektroden (die auch als „Gates" bezeichnet werden können) erzeugt werden können. Das Qubit- Element weist dafür eine Elektrodenanordnung auf. Diese ist so ausgebildet, dass die Bewegung des Ladungsträgers in dem Quantentopf in und entgegen der zweiten und dritten Richtung eingeschränkt werden kann.
Die Elektrodenanordnung ist in der ersten Richtung von der Quantentopfstruktur beabstandet. Weist die erste Richtung von unten nach oben, liegt die Elektrodenano rdnung also oberhalb der Quantentopf-Struktur. Die Elektrodenanordnung ist vor zugsweise von der Quantentopf-Struktur elektrisch isoliert und liegt insoweit nicht unmittelbar an der Quantentopf-Struktur an. Vorzugsweise ist die Elektroden anordnung durch eine Oxidschicht und/odereine Deckschicht von der Quantentopf- Struktur beabstandet. Die Oxidschicht dient der elektrischen Isolation, die Deckschicht der Haftung der Elektrodenanordnung auf der Oxidschicht. Die Elektrodenanordnung ist vorzugsweise in einem Abstand von 10 bis 200 nm [Nanometer] vom Rand der Quantentopf-Struktur entfernt. Das bezieht sich auf den Rand der Quantentopf- Struktur, der der Elektrodenanordnung am nächsten liegt. Das Qubit-Element weist weiterhin ein Backgate auf, welches entgegen der ersten Richtung von der Quantentopf-Struktur beabstandet angeordnet ist. Weist die erste Richtung von unten nach oben, ist das Backgate unterhalb der Quantentopf-Struktur angeordnet. Das Backgate ist vorzugsweise von der Quantentopf-Struktur elektrisch isoliert.
Das Backgate kann als globales Backgate für eine Vielzahl von Qubit-Elementen ausgebildet sein. Über das Backgate können die Ladungsträger in dem Quantenpunkt beeinflusst werden. Insbesondere kann die Fermienergie durch das Backgate ver schoben werden, wodurch die Besetzung des Quantenpunkts beeinflusst werden kann. Mit dem Backgate und der Elektrodenanordnung kann die Besetzungszahl des Quantenpunktes unabhängig von einem elektrischen Feld zwischen dem Backgate und der Elektrodenanordnung eingestellt werden. Durch die Kombination aus Backga te und Elektrodenanordnung ergibt sich eine besonders große Flexibilität im Design des Qubit-Elements, insbesondere in Bezug auf elektrische Feldgradienten im Bereich des Quantenpunkts. Das Backgate kann einstückig ausgebildet sein oder aus mehre ren Teilen zusammengesetzt sein. Die Teile des Backgates können aneinander an grenzen oder voneinander beabstandet angeordnet sein. In letzterem Fall kann auch von einem strukturierten Backgate gesprochen werden.
Das Backgate ist entgegen der ersten Richtung von der Quantentopf-Struktur be abstandet angeordnet, während die Elektrodenanordnung in der ersten Richtung von der Quantentopf-Struktur beabstandet angeordnet ist. Das Backgate und die Elektro denanordnung sind also auf verschiedenen Seiten der Quantentopf-Struktur angeord net. Dadurch ergibt sich eine vergleichsweise geringe Distanz zwischen dem Backgate und dem Quantenpunkt. Das gilt insbesondere im Vergleich zu einer Ausgestaltung, bei der die Elektrodenanordnung zwischen einer Quantentopf-Struktur und einem anstelle des Backgates vorgesehenen globalen Topgate angeordnet ist.
Durch den geringen Abstand zwischen dem Backgate und dem Quantenpunkt kann ein Ladungsträger in dem Quantenpunkt besonders gezielt und schnell beein flusst werden. Die Talaufspaltung (auch als „Valley-Aufspaltung" bezeichnet) in dem Quantenpunkt ist dabei besonders groß und homogen. Das ist vorteilhaft, weil so ver hindert werden kann, dass die Kohärenzeigenschaften des Qubits durch Streuung in die Valley-Zustände zerstört wird. Grundsätzlich zeigen Qubits beispielsweise in Silizi- um-Germanium-Heterostrukturen eine nur geringe und inhomogene Valley- Aufspaltung. Eine besonders große Aufspaltung der Valley-Zustände durch ein Back gate kann daher einen besonders zuverlässigen Betrieb eines Quantencomputers mit dem beschriebenen Qubit-Element sicherstellen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Valley-Aufspaltung größer ist als die thermische Energie des Systems. So können die Qubits kontrolliert werden. Folglich begrenzt die Valley-Aufspaltung die Operati onstemperatur eines Quantencomputers, welcher mit wie beschrieben ausgebildeten Qubit-Elementen gebildet ist. Durch das Backgate sind also höhere Operationstempe raturen möglich. Zudem kann eine größere Anzahl an Qubits verwendet werden, wodurch ein leistungsfähigerer Quantencomputer ermöglicht wird. Darüber hinaus kann die Valley-Aufspaltung durch das Backgate kontrolliert werden.
Das Backgate ist vorzugsweise in einem Abstand von 30 bis 200 nm [Nanometer] vom Rand der Quantentopf-Struktur entfernt. Das bezieht sich auf den Rand der Quan tentopf-Struktur, der dem Backgate am nächsten liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Qubit-Element weiterhin eine aus verspanntem Silizium gebildete Grundschicht, welche zwischen der Quantentopf- Struktur und dem Backgate angeordnet ist.
Die Quantentopf-Struktur könnte grundsätzlich unmittelbar auf einen Wafer, ins besondere einen Silizium-Wafer, gewachsen werden. Unabhängig von der Gitterstruk tur der Quantentopf-Struktur kann es dabei aber zu Gitterdefekten kommen. Das gilt insbesondere dann, wenn die Quantentopf-Struktur an ihrer dem Wafer zugewandten Seite nicht Silizium mit der natürlich vorkommenden Gitterkonstante aufweist. Weist die erste Richtung von unten nach oben, bezieht sich dies auf die Unterseite der Quan tentopf-Struktur. Die Vorteile des beschriebenen Qubit-Elements lassen sich beson ders gut in dem Fall nutzen, dass die Quantentopf-Struktur an ihrer entgegen der ers ten Richtung weisenden Oberfläche eine Gitterkonstante aufweist, die von der bei Sili zium natürlich vorliegenden Gitterkonstante abweicht.
Durch die Grundschicht kann das beschriebene Qubit-Element besonders einfach hergestellt werden. Das gilt insbesondere gegenüber einem Fall, in dem die Quanten- topf-Struktur unmittelbar auf einen Silizium-Wafer oder auf eine Übergangsschicht gewachsen wird.
Die Grundschicht grenzt vorzugsweise entgegen der ersten Richtung an die Quantentopf-Struktur an. Weist die erste Richtung von unten nach oben, grenzt die Grundschicht also unten an die Quantentopf-Struktur an. Die Grundschicht ist aus ver spanntem Silizium gebildet. Darunter ist hier - wie allgemein üblich - zu verstehen, dass das Silizium eine andere als die natürlich vorliegende Gitterkonstante hat. Die natürlich vorliegende Gitterkonstante von Silizium beträgt rund 0,5 nm [Nanometer]. Als verspanntes Silizium soll hier Silizium betrachtet werden, dessen Gitterkonstante um mindestens 0,2 %, insbesondere mindestens 1 % von dem natürlich vorkommen den Wert abweicht. Anstelle des Begriffs „verspanntes Silizium" kann daher auch der Ausdruck verwendet werden, dass „die Grundschicht aus Silizium gebildet ist, welches eine Gitterkonstante aufweist, die um mindestens 0,2 %, insbesondere mindestens 1 %, von der natürlich bei Silizium vorkommenden Gitterkonstante abweicht".
Es ist bevorzugt, dass die Grundschicht höchstens 20 nm [Nanometer] dick ist. Die Dicke der Grundschicht ist die Ausdehnung der Grundschicht in der ersten Richtung. Vorzugsweise liegt die Dicke der Grundschicht zwischen 1 und 10 nm [Nanometer].
Die Grundschicht aus verspanntem Silizium kann mit dem auch als „Jülich- Prozess" bezeichneten Verfahren erhalten werden, welches in US 6,464,780 beschrie ben ist. Der Inhalt dieses Dokuments wird als zur Erfindung gehörend vollumfänglich durch Verweis einbezogen. Zuerst wird eine hilfsweise genutzte Schichtstruktur aus einem Si-Substrat, einer daran anliegenden SiGe-Schicht und einer an die SiGe-Schicht anliegenden Si-Deckschicht gewachsen. Die Si-Deckschicht wird im Laufe des Prozes ses zur Grundschicht, hat also die Dicke der Grundschicht. Diese liegt vorzugsweise bei höchstens 20 nm [Nanometer], insbesondere zwischen 1 und 10 nm. Bei dieser Anordnung ist das SiGe verspannt. Anschließend wird Helium in die Schichtstruktur eingebracht und die Schichtstruktur zum Annealing erwärmt. Dadurch relaxiert das SiGe und erhält seine natürliche Gitterkonstante. Diese setzt sich auf die vergleichs weise dünne Si-Deckschicht fort, so dass das Silizium in der Si-Deckschicht zu ver spanntem Silizium wird. Dies ist die Grundschicht. Um die Grundschicht auf einem Wafer, insbesondere mit einer darauf befindlichen Isolationsschicht bereitzustellen. wird die beschriebene hilfsweise genutzte Schichtstruktur „auf dem Kopf" auf den Wafer, insbesondere auf die Isolationsschicht durch Wafer-Bonding aufgelegt. Die SiGe-Schicht und das Si-Substrat der Schichtstruktur können durch selektives Ätzen entfernt werden. So verbleibt lediglich die Grundschicht auf dem Wafer, insbesondere auf der Isolationsschicht. Anschließend kann die Quantentopf-Struktur beispielsweise mittels Molecular Beam Epitaxy (MBE) auf die Grundschicht gewachsen werden.
Die Grundschicht hat vorzugsweise die Gitterkonstante, die die Quantentopf- Struktur an der Grenzfläche zwischen der Grundschicht und der Quantentopf-Struktur aufweist. Die Grundschicht geht daher ohne Änderung der Gitterkonstante in die Quantentopf-Struktur über. Dadurch kommt es in der Quantentopf-Struktur zu beson ders wenigen Gitterdefekten. Das ermöglicht eine besonders gute Kontrolle des Spins eines Ladungsträgers in dem Quantenpunkt.
Insbesondere aufgrund der Grundschicht kann das Backgate entgegen der ersten Richtung von der Quantentopf-Struktur beabstandet angeordnet sein. Ist die dem Backgate zugewandte Schicht der Quantentopf-Struktur beispielsweise aus Silizium- Germanium gebildet, könnte grundsätzlich auch eine Übergangsschicht aus Silizium- Germanium mit graduell abnehmendem Germaniumanteil zwischen der Quantentopf- Struktur und einem Siliziumwafer vorgesehen sein. Damit dadurch aber nicht zu viele Gitterdefekte entstehen, müsste die Übergangsschicht eine erhebliche Dicke haben, beispielsweise von 1 miti [Mikrometer]. Dadurch wäre ein Backgate an der Unterseite der Übergangschicht aber zu weit von dem Quantenpunkt entfernt. Bei dem beschrie benen Qubit-Element hingegen kann durch die Grundschicht ein wesentlich geringe rer Abstand zwischen dem Backgate und dem Quantenpunkt realisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Qubit-Element wei terhin eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxid, die an einer der Quantentopf-Struktur gegenüberliegenden Seite der Grundschicht an der Grundschicht anliegt.
Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist die Siliziumdio xidschicht jetzt Teil des Qubit-Elements. Die Siliziumdioxidschicht wird hier als Isolati onsschicht bezeichnet, weil das Siliziumdioxid zur elektrischen Isolation zwischen der Grundschicht und einer weiteren an die Isolationsschicht angrenzenden Schicht ver- wendet werden kann. Die Isolationsschicht kann amorph sein. Die Isolationsschicht hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 5 und 30 nm [Nanometer]. Die Dicke der Isolationsschicht ist die Ausdehnung der Isolationsschicht in der ersten Richtung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Qubit-Element wei terhin einen Wafer mit einer Ausnehmung, wobei das Backgate innerhalb der Aus nehmung angeordnet ist.
Der Wafer ist vorzugsweise ein Silizium-Wafer. Der Silizium-Wafer kann lokal so geätzt werden, dass das Backgate in eine Ausnehmung in den Wafer eingesetzt wer den kann. So kann das Backgate besonders nahe an den Quantenpunkt gebracht werden.
Insbesondere in dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das Qubit-Element eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxid aufweist, die an einer der Quantentopf- Struktur gegenüberliegenden Seite der Grundschicht an der Grundschicht anliegt. Das Siliziumdioxid dient in dem Fall zusätzlich als Ätz-Stopp für das Ätzen des Wafers. So kann das Material des Wafers in der Ausnehmung vollständig entfernt werden. Die Ausnehmung erstreckt sich also entlang der ersten Richtung über die gesamte Aus dehnung des Wafers. Das Backgate kann daher unmittelbar an die Isolationsschicht angrenzend angeordnet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Qubit-Elements weist die Quantentopf-Struktur drei in der ersten Richtung aufeinanderfolgende Schichten auf, von denen die mittlere Schicht aus verspanntem Silizium gebildet ist, und von denen die beiden übrigen Schichten jeweils aus Silizium und Germanium gebildet sind.
Das verspannte Silizium der mittleren Schicht weist eine Gitterkonstante auf, die von der natürlichen Gitterkonstante von Silizium abweicht. Insoweit ist das Silizium der mittleren Schichten verspannt. Das Material der mittleren Schicht kann insbesondere Silizium mit einer Gitterkonstante sein, die der Gitterkonstante des Materials der übri gen Schichten entspricht. Dieser Ausdruck kann anstelle des Begriffs „verspanntes Silizium" für das Material der mittleren Schicht verwendet werden. Die beiden übrigen Schichten sind vorzugsweise aus Silizium-Germanium oder Germanium-Silizium gebildet. Wie üblich wird unter Silizium-Germanium ein Halb leitermaterial aus Silizium und Germanium bezeichnet, das mehr Silizium als Germani um aufweist. Germanium-Silizium ist entsprechend ein Halbleitermaterial, das mehr Germanium als Silizium aufweist. Das Material der übrigen Schichten der Quantentopf- Struktur (also der Schichten der Quantentopf-Struktur, die nicht die mittlere Schicht sind) weist vorzugsweise einen Silizium-Anteil im Bereich von 60 und 80 % oder im Bereich von 20 und 40 % auf. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Material um Si0,7Ge0,3 oder Geo,7Sio,3.
Durch die Schichtfolge Silizium-Germanium, Silizium, Silizium-Germanium bildet das Leitungsband einen Quantentopf aus. Dadurch kann die Bewegung von Elektro nen als Ladungsträger eingeschränkt werden. Der Spin eines Elektrons kann dann zur Realisierung eines Qubits verwendet werden. Durch die Schichtfolge Germanium- Silizium, Silizium, Germanium-Silizium bilden das Valenzband und das Leitungsband einen Quantentopf aus. Dadurch kann die Bewegung von Löchern und/oder Elektro nen als Ladungsträger eingeschränkt werden. Der Spin eines Elektrons oder Lochs kann dann zur Realisierung eines Qubits verwendet werden.
Die mittlere Schicht hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 3 bis 12 nm [Na nometer]. Die übrigen Schichten der Quantentopf-Struktur haben vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 30 und 70 nm [Nanometer]. Die Dicke einer Schicht ist dabei je weils die Ausdehnung dieser Schicht in der ersten Richtung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Qubit-Element wei terhin einen Magneten, welcher entgegen der ersten Richtung von der Quantentopf- Struktur beabstandet angeordnet ist.
Durch einen Gradienten des magnetischen Felds des Magneten kommt es zu ei ner Spin-Orbit-Kopplung der Zustände des Ladungsträgers in dem Quantenpunkt und die Energieaufspaltung der beiden Qubit-Zustände wird für jedes Qubit in der Nähe des Magneten individualisiert. Das ist für das Quantencomputing vorteilhaft. Sind in einer Vorrichtung mehrere Qubit-Elemente ausgebildet, kann ein Magnet für mehrere Qubit-Elemente verwendet werden. Der Magnet ist wie das Backgate entgegen der ersten Richtung von der Quanten topf-Struktur beabstandet angeordnet. Vorzugsweise ist der Magnet zwischen der Iso lationsschicht und dem Backgate angeordnet. Vorzugsweise berührt der Magnet die Isolationsschicht und/oder das Backgate.
Der Magnet ist auf der der Elektrodenanordnung gegenüberliegenden Seite der Quantentopf-Struktur angeordnet. Dadurch ist der Magnet deutlich näher am Quan tenpunkt als dies bei einem Magneten der Fall wäre, der auf der gleichen Seite wie die Elektrodenanordnung angeordnet wäre. Das ist vorteilhaft, weil der Einfluss eines mit einem Magneten erzeugten magnetischen Felds auf den Quantenpunkt umso größer ist, je näher der Magnet am Quantenpunkt angeordnet ist. Für die Spin-Orbit-Kopplung der Ladungsträger in dem Quantenpunkt ist der Gradient des Magnetfeldes maßgeb lich. Dieser ist umso stärker ausgeprägt, je näher sich der Magnet an dem Quanten punkt befindet.
Die Anordnung des Magneten auf der der Elektrodenanordnung gegenüberlie genden Seite der Quantentopf-Struktur ist insbesondere aufgrund der Grundschicht möglich. Ist die dem Magneten zugewandte Schicht der Quantentopf-Struktur bei spielsweise aus Silizium-Germanium gebildet, könnte grundsätzlich auch eine Über gangsschicht aus Silizium-Germanium mit graduell abnehmendem Germaniumanteil zwischen der Quantentopf-Struktur und einem Siliziumwafer vorgesehen sein. Damit dadurch aber nicht zu viele Gitterdefekte entstehen, müsste die Übergangsschicht eine erhebliche Dicke haben, beispielsweise von 1 miti [Mikrometer]. Dadurch wäre ein Magnet an der Unterseite der Übergangschicht aber zu weit von dem Quantenpunkt entfernt. Bei dem beschriebenen Qubit-Element hingegen kann durch die Grund schicht und die vorzugsweise vorgesehene Isolationsschicht aus Siliziumdioxid ein wesentlich geringerer Abstand zwischen dem Magneten und dem Quantenpunkt rea lisiert werden.
Der Magnet ist vorzugsweise von der Grundschicht elektrisch isoliert, vorzugswei se durch die Isolationsschicht. Auch ist es bevorzugt, dass das Backgate elektrisch von dem Magneten isoliert ist. Alternativ ist es bevorzugt, dass der Magnet elektrisch lei tend mit dem Backgate verbunden ist. In dem Fall berührt der Magnet das Backgate. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ zueinander realisiert werden. So ergeben sich die folgenden drei Möglichkeiten. Das Qubit-Element kann einen Magneten umfassen, welcher das nichtmagnetisierte Back gate berührt. Das Qubit-Element kann ein zumindest teilweise magnetisiertes Backga te aufweisen, ohne dass ein Magnet das Backgate berührt. Das Qubit-Element kann einen Magneten aufweisen, der das zumindest teilweise magnetisierte Backgate be rührt.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform des Qubit-Elements ist das Back gate zumindest teilweise magnetisiert.
In dieser Ausführungsform kann der zuvor beschriebene Magnet als magnetisier ter Teil des Backgates aufgefasst werden. Der magnetisierte Teil des Backgates kann insbesondere zwischen der Isolationsschicht und dem übrigen Teil des Backgates angeordnet sein. In der vorliegenden Ausführungsform grenzt der magnetisierte Teil des Backgates unmittelbar an den übrigen Teil des Backgates an und ist insoweit elektrisch leitend mit dem übrigen Teil des Backgates verbunden. Der magnetisierte Teil des Backgates kann daher einerseits dazu genutzt werden, den magnetischen Feldgradienten für die Spin-Orbit-Kopplung zu erzeugen. Andererseits kann der mag netisierte Teil des Backgates zur Erzeugung eines elektrischen Felds beitragen.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung eines wie beschrie ben ausgebildeten Qubit-Elements vorgestellt, wobei elektrische Spannungen derart an die Elektrodenanordnung angelegt werden, dass in dem Quantentopf der Quanten topf-Struktur ein Quantenpunkt gebildet wird.
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Qubit-Elements sind auf die Ver wendung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
Das Qubit-Element wird vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 0,1 bis 4 K verwendet. Das ist insbesondere in einem Kryostaten möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Verwendung wird ein Spin eines La dungsträgers in dem Quantenpunkt zur Realisierung eines Qubits genutzt wird. Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Qubit- Elements vorgestellt. Das Verfahren umfasst: a) Bereitstellen eines Wafers und einer Isolationsschicht aus Siliziumdioxid auf einer Oberfläche des Wafers, b1) Wachsen einer Quantentopf-Struktur unmittelbar oder mittelbar auf die Isolations schicht, wobei innerhalb der Quantentopf-Struktur entlang einer ersten Richtung ein Quantentopf ausgebildet ist oder wird, b2) lokales Ätzen des Wafers an einer der Isolationsschicht gegenüberliegenden Seite des Wafers, so dass eine Ausnehmung in dem Wafer gebildet wird, c) Anordnen eines Backgates innerhalb der gemäß Schritt b) geätzten Ausnehmung.
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Qubit-Elements und der Verwendung sind auf das Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Das beschriebe ne Qubit-Element ist vorzugsweise mit dem beschriebenen Verfahren erzeugbar. Das beschriebene Verfahren ist vorzugsweise zur Herstellung des beschriebenen Qubit- Elements ausgebildet.
Die Schritte b1) und b2) können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Bevorzugt erfolgt Schritt b1) vor Schritt b2).
In Schritt a) werden ein Wafer und eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxid auf ei ner Oberfläche des Wafers bereitgestellt. Bereitstellen bedeutet dabei, dass ein jeden falls mit der Isolationsschicht versehener Wafer von einem Lieferanten bezogen wird oder dass die Isolationsschicht als Teil des Verfahrens erzeugt wird.
In Schritt b1) wird die Quantentopf-Struktur auf die Isolationsschicht gewachsen. Das erfolgt unmittelbar oder mittelbar auf die Isolationsschicht. Letzteres ist insbeson dere in der bevorzugten Ausführungsform der Fall, bei der die beschriebene Grund schicht auf der Isolationsschicht vorgesehen ist und die Quantentopf-Struktur auf die Grundschicht gewachsen wird. In Schritt b2) wird der Wafer lokal geätzt. Das erfolgt insoweit von der Rückseite des Wafers, als dass das Ätzen an der der Isolationsschicht gegenüberliegenden Seite des Wafers beginnt. Vorzugsweise wird das Material des Wafers im Bereich der Ausnehmung soweit entfernt, dass die Ausnehmung bis an die Isolationsschicht reicht. Das ist dadurch einfach möglich, dass das Siliziumdioxid als Ätz-Stopp dient. In einer Vorrichtung mit einer Vielzahl von Qubit-Elementen kann die so geätzte Ausnehmung für eine Vielzahl von Qubit-Elementen verwendet werden.
In Schritt c) wird das Backgate in die Ausnehmung eingesetzt. Sofern zusätzlich ein Magnet vorgesehen ist, wird dieser vorzugsweise ebenfalls in die Ausnehmung eingesetzt. Das erfolgt vorzugsweise so, dass der Magnet und/oder das Backgate an die Isolationsschicht angrenzen. In einer Vorrichtung mit einer Vielzahl von Qubit- Elementen können ein Backgate und/oder ein Magnet global für eine Vielzahl von Qubit-Elementen verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigen:
Fig. 1 : ein erfindungsgemäßes Qubit-Element,
Fig. 2: die Bandstruktur eines Teils des Qubit-Elements aus Fig. 1.
Fig. 1 zeigt ein Qubit-Element 1. Dieses wird anhand eines Koordinatensystems aus einer ersten Richtung x, einer zweiten Richtung y und einer dritten Richtung z, die paarweise senkrecht zueinander stehen, beschrieben. Das Qubit-Element 1 umfasst eine Quantentopf-Struktur 2, innerhalb derer entlang der ersten Richtung x ein Quan tentopf 3 ausgebildet ist. Dies ist in Fig. 2 zu erkennen. Das Qubit-Element 1 umfasst weiterhin eine Elektrodenanordnung 4. Die Elektrodenanordnung 4 ist durch eine Deckschicht 15 und eine Oxidschicht 16 von der Quantentopf-Struktur 2 beabstandet. Die Elektrodenanordnung 4 ist dazu eingerichtet, die Bewegung von Ladungsträgern in dem Quantentopf 3 in und entgegen der zweiten Richtung y sowie in und entgegen der dritten Richtung z einzuschränken, um einen Quantenpunkt 5 auszubilden. Einge zeichnet sind zwei derartige Quantenpunkte 5. Die Quantenpunkte 5 können dadurch ausgebildet werden, dass elektrische Spannungen an die Elektrodenanordnung 4 angelegt werden. Die Spins von Ladungsträgern in den Quantenpunkten 5 können jeweils als ein Qubit verwendet werden. Die Spins von Ladungsträgern in den beiden gezeigten Quantenpunkten 5 können insbesondere als miteinander gekoppelte Qubits genutzt werden. Das Qubit-Element 1 umfasst weiterhin eine aus verspanntem Silizium gebildete Grundschicht 6, welche entgegen der ersten Richtung x an die Quantentopf-Struktur 2 angrenzt. Weiterhin umfasst das Qubit-Element 1 eine Isolationsschicht 7 aus Silizium dioxid, die an einer der Quantentopf-Struktur 2 gegenüberliegenden Seite der Grund schicht 6 an der Grundschicht 6 anliegt. Die Quantentopf-Struktur 2 weist drei in der ersten Richtung x aufeinanderfolgende Schichten 8,9,10 auf, von denen eine zweite Schicht 9 aus verspanntem Silizium gebildet ist, und von denen eine erste Schicht 8 und eine dritte Schicht 10 jeweils aus Silizium-Germanium oder Germanium-Silizium gebildet sind. Das Qubit-Element 1 umfasst weiterhin einen Magneten 12 und ein Backgate 14, welche entgegen der ersten Richtung x von der Quantentopf-Struktur 2 beabstandet angeordnet sind. In der gezeigten Ausführungsform liegen der Magnet 12 und - soweit nicht vom Magneten 12 verdeckt - auch das Backgate 14 an der Isola tionsschicht 7 an. Das Backgate 14 kann von dem Magneten 12 (durch eine nicht dar gestellte Isolation zwischen dem Magneten 12 und dem Backgate 14) elektrisch iso liert sein oder elektrisch mit dem Magneten 12 verbunden sein. In letzterem Fall kann das Backgate 14 als teilweise magnetisiert aufgefasst werden. Der Magnet 12 bildet dabei den magnetisierten Teil des Backgates 14. Weiterhin umfasst das Qubit-Element
I einen Wafer 11 mit einer Ausnehmung 13. Der Magnet 12 und das Backgate 14 sind innerhalb der Ausnehmung 13 angeordnet.
Das Qubit-Element 1 kann dadurch hergestellt werden, dass zunächst der Wafer
I I bereitgestellt wird, welcher auf einer Oberfläche die Isolationsschicht 7 und eine an die Isolationsschicht 7 angrenzende Grundschicht 6 aus verspanntem Silizium auf weist. Anschließend kann die an die Grundschicht 6 angrenzende Quantentopf- Struktur 2 erzeugt werden. Der Wafer 11 kann an einer der Isolationsschicht 7 gegen überliegenden Seite des Wafers 11 (also unten in Fig. 1) lokal so geätzt werden, dass die Ausnehmung 13 in dem Wafer 11 gebildet wird. Die Isolationsschicht 7 dient dabei als Atz-Stopp. Anschließend können der Magnet 12 und das Backgate 14 innerhalb der Ausnehmung 13 angeordnet werden.
Fig. 2 zeigt die Bandstruktur eines Teils des Qubit-Elements 1 aus Fig. 1. An dem gezeigten Leitungsband Ec und Valenzband Ev ist der Quantentopf 3 zu erkennen. Bezugszeichenliste
1 Qubit-Element
2 Quantentopf-Struktur 3 Quantentopf
4 Elektrodenanordnung
5 Quantenpunkt
6 Grundschicht
7 Isolationsschicht 8 erste Schicht der Quantentopf-Struktur
9 zweite Schicht der Quantentopf-Struktur
10 dritte Schicht der Quantentopf-Struktur
11 Wafer
12 Magnet 13 Ausnehmung
14 Backgate
15 Deckschicht
16 Oxidschicht x erste Richtung y zweite Richtung z dritte Richtung

Claims

Ansprüche
1. Qubit-Element (1), umfassend
■ eine Quantentopf-Struktur (2), innerhalb derer entlang einer ersten Richtung (x) ein Quantentopf (3) ausgebildet ist,
■ eine Elektrodenanordnung (4), welche in der ersten Richtung (x) von der Quan tentopf-Struktur (2) beabstandet angeordnet ist und welche dazu eingerichtet ist, eine Bewegung eines Ladungsträgers in dem Quantentopf (3) in und ent gegen einer zweiten Richtung (y) sowie in und entgegen einer dritten Rich tung (z) einzuschränken, um einen Quantenpunkt (5) auszubilden, wobei die erste Richtung (x), die zweite Richtung (y) und die dritte Richtung (z) jeweils paarweise senkrecht zueinander stehen,
■ ein Backgate (14), welches entgegen der ersten Richtung (x) von der Quanten topf-Struktur (2) beabstandet angeordnet ist.
2. Qubit-Element (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine aus verspanntem Silizium gebildete Grundschicht (6), welche zwischen der Quantentopf-Struktur (2) und dem Backgate (14) angeordnet ist.
3. Qubit-Element (1) nach Anspruch 2, weiterhin umfassend eine Isolations schicht (7) aus Siliziumdioxid, die an einer der Quantentopf-Struktur (2) gegen überliegenden Seite der Grundschicht (6) an der Grundschicht (6) anliegt.
4. Qubit-Element (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Wafer (11) mit einer Ausnehmung (13), wobei das Backgate (14) innerhalb der Ausnehmung (13) angeordnet ist.
5. Qubit-Element (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Quanten topf-Struktur (2) drei in der ersten Richtung (x) aufeinanderfolgende Schichten (8,9,10) aufweist, von denen die mittlere Schicht (9) aus verspanntem Silizium ge bildet ist, und von denen die beiden übrigen Schichten (8,10) jeweils aus Silizium und Germanium gebildet sind.
6. Qubit-Element (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Magneten (12), welcher entgegen der ersten Richtung (x) von der Quanten topf-Struktur (2) beabstandet angeordnet ist.
7. Qubit-Element (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Backga- te (14) zumindest teilweise magnetisiert ist.
8. Verwendung eines Qubit-Elements (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei elektrische Spannungen derart an die Elektrodenanordnung (4) angelegt werden, dass in dem Quantentopf (3) der Quantentopf-Struktur (2) ein Quanten punkt (5) gebildet wird.
9. Verwendung nach Anspruch 8, wobei ein Spin eines Ladungsträgers in dem
Quantenpunkt (5) zur Realisierung eines Qubits genutzt wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines Qubit-Elements (1 ), umfassend: a) Bereitstellen eines Wafers (11) und einer Isolationsschicht (7) aus Siliziumdi oxid auf einer Oberfläche des Wafers (11), b1) Wachsen einer Quantentopf-Struktur (2) unmittelbar oder mittelbar auf die
Isolationsschicht (7), wobei innerhalb der Quantentopf-Struktur (2) entlang einer ersten Richtung (x) ein Quantentopf (3) ausgebildet ist oder wird, b2) lokales Ätzen des Wafers (11) an einer der Isolationsschicht (7) gegenüberlie genden Seite des Wafers (11), sodasseine Ausnehmung (13) in dem Wafer (11) gebildet wird, c) Anordnen eines Backgates (14) innerhalb der gemäß Schritt b) geätzten Aus nehmung (13).
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