TW423046B

TW423046B - Electron devices for single electron and nuclear spin measurement

Info

Publication number: TW423046B
Application number: TW087115550A
Authority: TW
Inventors: Bruce Kane
Original assignee: Unisearch Ltd
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2001-02-21
Also published as: EP1025449A4; IL134920A0; IL135062A0; CA2304185A1; KR20010030601A; JP2001516962A; ZA988528B; CN1270674A; IN192584B; JP4819994B2; WO1999014858A1; TW423028B; JP2001516974A; IL134920A; AUPO926897A0; CN1135700C; JP4819993B2; CN1132016C; US6472681B1; EP1016216A4

Description

Δ23 〇 A 〇 Δ23 〇 A 〇經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 Λ7 H? 五、發明説明（I ) 技術領域電子與一些核子具有一角動量的量化單位，稱爲“自旋”。本發明是有關於用於單—電子與核自旋量測之電子元件。在此處I丨丨 > 符號用來代表電子自旋態，且I 01 > 符號代表核子態。爲了簡單起見，正規化常數被省略。在兩個電子系統中，電子自旋可以三重態（I丨1> ’ I t ΐ >，及i t I + 1 t > )對齊（總自旋角動量=1 )，或以單態（I丨丨一丨t > )而相對（總自旋角動量 =0)。同樣的，核自旋可爲對齊或相對。在|丨丨11 >中，所有的自旋指向相同方向。背景技藝在實驗室中，大量的（21〇23)電子與核自旋通常使用傳統的磁共振技術加以量測。有些用於元件及技術上的重要應用，可用來量測單一的電子或核自旋。例如，磁共振實驗能被執行在單一原子或分子上，且局部環境（電場與磁場）能夠被很精密地量測。或者，單一電子或核自旋可當作量子位元，使用於量子計算機中。於計算機中將需要單一自旋量測元件作爲初始化之用，以及用來量測單一自旋量子位元。本發明之槪要本發明之第一形式用於單一自旋量測的電子元件，包含了： —半導體基板，至少有一個施體原子被引入其中，以 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2l〇x2W公飧） -- - - - - - —I— I - - -1 ...... - I __ _ __ ^^^1 ^^^1JTiJ —-I l^i D I . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 f423〇^6 五'發明説明（>) 製作在施體原子的核子上具有大電子波函數的施體核自旋電子系統。在基板上方的絕緣層。位於施體原子上方之絕緣層上的第一傳導閘，用以控制在施體上之束縛電子態的能量。在絕緣層上鄰近第一閘的第二傳導閘，用來產生至少一個電子於基板之中。在使用時’單一電子被束縛於施體，且施體原子弱耦合至基板的至少一個電子。該等閘極被偏壓以致基板中的至少一個電子將移動至施體，但只在至少一個電子的自旋與施體具有允許移動發生之關係時。此配置係使得元件中的電流或甚至單一電子的移動之偵測構成單一自旋的量測。單一電子之移動可藉由量測系統電容的方式來偵測，例如藉由使用單一電子電容探針，及可耦合至對於自旋極化的電子無特別需求的系統之任何金屬引線。或者，電荷移動可藉由單一電子穿透電晶體的電容測電量來偵測。本發明之第一例爲用於單一電子自旋量測的電子元件，包含了：一半導體基板，至少有一個施體原子被引入其中，以製作在施體原子的核子上具有大電子波函數的施體核自旋電子系統。在基板上方的絕緣層。位於施體原子上方之絕緣層上的傳導A閘，用以控制 ____5___ 本紙悵尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4规格（210X 297公兑）

If 扣衣 - 訂 . 線 (請先閱讀背面之：^意事項再填穴本頁) Λ7 M? !4 23〇4 6 五、發明説明（3) 在施體上之束縛電子態的能量。在絕緣層上位於A閘兩側之傳導E閘，用來產生基板及絕緣層之間的介面上之自旋極化的電子之儲存區域。在使用時，施體原子弱耦合至自旋極化的電子之兩個儲存區域，該等儲存區域具有相同的極化方向，且自旋加以測定的單一電子束縛於施體上。E閘加以偏壓以致於電流將在它們之間流動，但只要施體上的自旋與儲存區域內的自旋極化方向相反時。在此情形下’每次一個電子來自其中之一的儲存區域，可加入與束縛電子相同的量子態（具有相反的自旋），然後遠離施體至另一儲存區域。但是當電子全部被極化至相同的方向時，則無電流流動’因爲來自儲存區域的電子無法進入與束縛電子相同的量子態。在另一例中，有兩個施體與位於它們兩者上方的“A 閘”，以及位於它們之間的“E閘”。電子被束縛於這兩個帶正電的施體，且施體被隔開但彼此足夠靠近使得它們之間的電子轉移或交換耦合是可能的。在使用時，遞增的電位差施加於兩個A閘上’且在某一時刻將順利使得兩個電子變爲束縛於相同的施體上’但只在電子是處在共同的單態時。當差動偏壓施加於A閘時，電荷在施體之間移動，單態的特徵可由外部偵測。本發明之另一例爲用於單一核自旋量測的電子元件。包含了：一半導體基板，至少有一個施體原子被引入其中’以製作在施體原子的核子上具有大電子波函數的施體核自旋 6 裝 I i —訂__ —線 (請先閱讀背面之注意事項再填f本頁) 經濟部中央梯隼局貝工消费合作社印製中國國家標準（CNS ) Λ4吡格（210X 297公浼）經濟部中央標攀局員工消費合作社印製 -4 230 4.6 ^ Λ? ηι 五、發明説明（4) 電子系統。在基板上方的絕緣層。位於施體原子上方之絕緣層上的傳導A閘，用以控制在施體上之束縛電子態的能量。在絕緣層上位於A閘兩側之傳導E閘，用來產生基板及絕緣層之間的介面上之電子儲存區域。此處所有的電子自旋皆極化至相同方向，且施體是帶有自旋的核子，藉由超精細相互作用耦合至電子。E閘被偏壓，所以電流將在它們之閘流動，但只有在核自旋最初是相對於電子自旋時。此過程包括電子來自儲存區域，且與核自旋交換其自旋，所以其自旋屆時相對於施體電子且能夠形成單態。此配置使得元件中單一電子的移動之偵測係構成施體上核自旋的量測。另一方面，因爲電子轉移至施體上並再脫離之過程包含了兩次自旋反轉，穿越施體的電流保持了核自旋的極化方向，且電流的導通或截止視施體上核自旋的排列方向而定。舉例而言，電子可能被極化於低溫與大磁場之下。在絕緣層上位於Α閘兩側之傳導Ε閘，可在基板與絕緣層之間的介面上產生二維電子雲。在使用時，E閘可被偏壓，所以僅有| ! >電子存在於施體原子的兩側。且A閘可被偏壓，使得EF處於施體上兩個電子束縛態（D—態）的能量。

基質可能僅包含自旋I =0之核子，例如主要是由I ____7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公楚) ^""" -------;--私衣------、1T------^ (請先閱讀背面之11意事項再填本頁) 經濟部中央榡隼局貞工消费合作社印製五、發明説明（C) =0的同位素組成，並純化至僅包含I =0的同位素之IV族半導體。矽爲用作半導體基質之一種有吸引力的選擇。施體可爲31P。閘極可由定義於絕緣層表面上的金屬帶構成。絕緣層中之階層被閘極跨越覆蓋，可以當作局限閘極電場於施體原子附近。給定的自旋系統的態可由量測而推斷出，如果此系統是在絕熱狀況下調製，並在量測發生之前改變至自旋態能量’以確保量測結果由給定自旋的初始態所決定。本發明之另一形式爲雙電子系統中，自旋態的裝備程序，其包含以下步驟：首先’操作A閘使得第一個自旋相較於第二個自旋，具有較大的能量。其次’施加偏壓在媒介E閘上，以導通介於兩個電子間的交換耦合。當交換耦合增加時，具有單一自旋向上之二態中的較低能態，轉變至單態，在大；£下將具有最低能然後使A閘返回平衡’使得基態爲確實的單態。量測將產生單態結果’若且唯若原始自旋形態爲（i t)。在量測之後，二自旋可藉由相反絕熱操作的程序，返回其初始形態》如果第一値自旋態爲未知時’兩次量測可順序執行於自旋上，當第一個自旋的自旋反轉時，第二次量測開始。第一次量測將造成單態結果，若且唯若在第一次量測前初本紙張尺度適财麵家料（CNS} Λ4祕（----- --------.--扣衣------1T------線 (請先閱請背面之;i意事項再填符本頁j 五、發明説明（b) 始態爲（丨丨）。本發明之例可結合至量子計算機，其具有：一半導體基板，施體原子被引入其中，以製作在施體原子的核子上具有大電子波函數的施體核自旋電子系統陣列。在基板上方的絕緣層。位於各別施體原子上方之絕緣層上的傳導A閘，以控制介於施體電子與施體原子核自旋之間的超精細相互作用的強度，以及施體原子核自旋的共振頻率。在絕緣層上介於A閘之間的傳導J閘，以導通或截止介於相鄰施體原子核自旋之間的電子媒介耦合。此處，施體原子的核自旋爲量子態或“量子位元”，量子資訊藉由選擇施加至A閘及J閘上的電壓，以及選擇施加至基板上的交變磁場，加以儲存與操作。經濟部中央標準局員工消费合作社印繁請先閱讀背面之注意事項再填艿本頁) 冷卻機構用來保持基板冷卻至適當的低溫。在操作過程中，元件的溫度可能低於100毫凱氏度（mK)，且典型値在50mK等級。元件是非耗能性的，因此在計算時係持低溫相對而言較容易。能量消耗發生於計算機外部，來自閛極偏壓及交變磁場造成之渦流，且是發生於計算開始與結束之核自旋極化與偵測期間。這些效應將決定計算機最低的可操作溫度。一固定磁場源具有適當強度以破壞施體電子的束縛態之二元自旋簡倂（degeneracy)。固定磁場可能需在2特斯拉（Tesla)等級。此種強磁場可由超導體產生。 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > W規格（210Χ297公释）經濟部中央橾準局員工消費合作社印笨 r4 23°d 6 五、發明説明（飞）冷卻機構及磁場的組合係確保電子僅佔據非簡併最低自旋能階。適當強度的交變磁場源，以反轉與場共振之施體原子的核自旋，及選擇性地施加交變磁場至基板的機構。以及選擇性地施加電壓至A閘及J閘的機構。 E閘可與J閘隔開，或可與其結合。單一電子穿透電晶體（SETTs)爲現今發展用於量測小電荷及小電荷移動之最靈敏的元件。SETTs包含一小“ 島” （island)電極，位於源極與汲極之間。電流由源極流至汲極，只有在島中的能階相當於源極與汲極中的費米能階時。當電子可穿透的島中無能階可用時，“庫倫阻塞” 發生。當島極小且元件處於低溫時，SETTs將極爲靈敏。金屬電極可位在矽基板上，包含P施體位於該等電極下方。施體之間的電荷移動改變了 SETT島的電位，及其電導。當閘極適當地偏壓時，SETT的電導構成了量測，由此’電子或核自旋可利用前述要點而推知。

A閘之一也可爲SETT的島。在前面所討論的元件，被用來量測量子計算機的初始自旋之過程中，許多SETTs 必須同時量測很多的自旋。用於自旋量測的電容耦合技術特別具有吸引力，因爲二維自旋陣列可利用自旋平面外的電極加以量測，且陣列中的每個自旋可藉由分離的SETT 元件加以獨立量測。所以，此自旋量測方法很適於未來的大型量子計算。圖示之簡要說明本纸張尺度適财關家騎（CNS…祕（21()>< 297公雄） —_I --- if - - - - n -------丁 I__ 4Λ.-s矣 (請先閱讀背而之注意事項再填寫本頁) 經濟部t央標準局貝工消費合作社印装 Λ 7 Η 7 五、發明説明（》）本發明之例現在將參考相關圖示加以敘述，其中：圖1是施體原子弱稱合至自旋極化的電子儲存區域之槪要圖示。在圖1 a中，施體上的電子被極化成相對於儲存區域內的電子。電流可藉由穿透單態（| t丨一丨个> )而流過施體。在圖1 b中，施體上的電子被極化至與儲存區域內的電子具有相同的方向，且電流無法流動。圖2是施體原子弱锅合至電子自旋極化的儲存區域之槪要圖示。在此情況中，儲存區域內的電子與施體上的電子被極化至相同方向。在圖2 a中，施體核子上的自旋被極化至相對於所有電子上的自旋，且此係藉由儲存區域中的一個電子與施體核子交換自旋而允許電流流動，以達到圖2 b中所顯示之狀況。在圖2 b中，施體核自旋被反轉，且一個電子由儲存區域移至核子，在此處相反極化於原來的電子。已經移至核子的電子能夠藉由與施體核子再次交換自旋，移離至其他的儲存區域。在此狀況下之結果顯示於圖2 c中，此處，一個電子自左側的儲存區域移至右側的儲存區域，且施體核自旋反轉兩次，以回復其初始狀育、g。圖3是兩個施體位於金屬障壁下的半導體內之槪要圖示，金屬障壁上存在金屬閘極，用來量測自旋系統。A閘位於施體上方，而E閘位於施體之間。藉由適當地偏壓施體上方的A閘，將順利使得兩個電子變爲束縛於相同的施體上，僅可能爲單態之狀態。所以，兩個施體之間電荷移動的偵測，能夠藉由A閘上的電位改變而測得，且能夠用 ( 辦衣 , i訂 I . 線 t請先閱讀背面之：;i意事項再填背：本頁) 本紙張尺度適用中围國家橾华（CNS ) Λ4蚬格（2丨0X 297公垃）

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（）來推知電子的自旋。圖4是一個雙電子系統，在作爲交換耦合E的函數之磁場中的能階圖。虛線爲當未耦合的電子自旋分裂相同時的能階，而實線爲當一個電子比其他電子具有較大的自旋分裂能量時的能量。該等箭頭及虛線描繪絕熱程序的步驟 ’其係將I丨丨 >態帶至自旋單態I丨丨一丨t >。圖5爲能階圖，顯示雙電子及雙核子之耦合系統，當每一核子的超精細耦合常數相等時的16個能階。核子的能量分裂相對於電子而言極爲誇張。在E =0時，4個最低的能階相當於I丨丨 >電子態。在耦合系統中，當E增加時，其中兩態演變至三重態，而兩態演變爲單態。圖6爲顯示在量測之前，核自旋態之絕熱演化的能階圖，藉由增加一個核自旋（相對於其他而言）對電子之超精細耦合來達成。左邊的核自旋態，決定是否系統將演變爲電子單態。圖7 a爲顯示單一電子穿透電晶體（SETT)之源極、汲極、閘極以及島的配置之槪要圖示。圖7 b顯示發生於島中具有相當於源極與汲極中的費米能階之能階時之傳導效應。圖7 c顯示當島上無相當於源極與汲極中的費米能階之可用能階時產生的庫倫阻塞效應。實現本發明之最佳模式鮑利（Pauli)不相容原理（兩個電子能夠佔據相同的量子態，若且唯若其具有相反的自旋）係驗證於兩個以上電子之系統中。本發明的一些例子依賴此不相容原理，藉 12 — It — ！— — — ·· — — · ^ - - - - - - - — — — — — — il* . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐）

42304 6 五、發明說明（）由在雙電子系統中偵測電荷之移入與移出，用以量測自旋。因爲鮑利原理’雙電子系統之能階相異係視自旋是否爲對齊（三重態）或相對（單態）而定。爲了簡明起見’以下的討論限制於僅討論在冷凝物質系統，所遭遇的最簡單雙電子系統：兩個電子束縛在單一正電荷（稱爲D·中心，當正電荷是半導體中的施體時）上之系統。然而，必須明瞭任一雙電子系統將具有相同的性質。一般而言，僅IT中心之束縛態爲單態，其中電子自旋爲相對；其中自旋爲對齊之三重態則連續排列。在特殊的矽冷凝物質系統中，0_中心含有兩個單態電子束縛於P施體上，具有-1.7meV之束縛態能量。單一電子自旋閥用於單一自旋量測的可能之最簡單的槪念元件係繪於圖1中。單一施體原子1弱耦合至兩個自旋極化電子之儲存區域2與3。例如，電子可能藉由在低溫（T)下與大磁場（B)中而被極化。自旋被決定之單一電子4，束縛於施體上。爲了操作此元件，施體中心的能量相等或共振於儲存區域的費米能量（Ef)。因爲電荷轉移越過施體，必須通過單態IT，如圖1 a所示，電流將僅於施體上的自旋相對於儲存區域內的自旋極化之時流動。當條件適當時，來自儲存區域之一的一個電子，可加入與束縛電子相同的量子態（具有相反自旋），然後離開施體至另一個儲存區域。當電子全部被極化至相同方向時，沒有電流能夠流通 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .必--------訂--------. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 6 經濟部中央棟準局員工消费合作社印製五、發明説明（i\ ) ，因爲來自儲存區域的電子無法進入與束縛電子相同的量子態，如圖1 b所示。在元件中電流流動的偵測，構成了施體上單一電子自旋之量測。假設"反轉”最初與施體電子排列於相同方向之儲存區域電子的機構不存在之下’所以其能夠佔據D—中心，且在儲存區域之間游走。如果施體是帶自旋的核子’藉由超精細相互作用耦合至電子’此一過程能夠發生且將使得核自旋能在適當的情況下被量測。此過包括電子來自儲存區域，並且與核自旋交換其自旋，使得其自旋隨後相對於施體電子，並能形成單態。在圖2 a中，所有的電子自旋被極化於相同方向（同樣，在低T及大B之環境下完成）。電流此時能夠越過接面，若且唯若核自旋最初是相對於電子自旋。此“單一核自旋閥”描述了藉由超精細相互作用耦合至電子的核自旋，如何能以類似量測單一電子自旋的方式在元件中量測。使用電容技術之單一自旋量測這些單一自旋閥元件雖經闡釋，但仍有某些實用上的缺失，特別是它們需要極化的電子自旋儲存區域。儲存區域的輕微污染’產生具有錯誤自旋的電子，將導致元件誤動作。同時，在某些應用中，儲存區域的需求可能會嚴重限制其値。如果以封閉系統作量測，這些限制則能夠克服，因此自旋轉移入與轉移出系統的現象能完全淸除。如果系統採電容性偵測，任何金屬引線皆能耦合至對於自旋極化的電子無特別要求的系統。 ___14 本紙张尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規枯（210X 297公# ) , i 私私I I 訂1.—I ~. '"線 (請先閱讀背面之注意事項再填f本頁) 經濟部中央標準局負工消费合作社印繁 r423〇 4 b Λ7 in 五、發明説明（p) 再次爲了簡單與明瞭起見，以下的討論限制於雙電子系統。考慮兩個電子束縛在兩個帶正電的施體上，施體被隔開但彼此足夠地靠近，使得施體之間的電子轉移或交換耦合是可能的。這些施體位於半導體5之中，障壁材質6 的下方，金屬閘極位於障壁材質之上，用來量測自旋系統，如圖3所示。‘A閘’ 7位於施體上方，而‘E閘’ 8位於施體之間。假如電位差施加在兩個A閘上，則此系統能夠量測自旋。當電壓施加時，在某一時刻將順利使得兩個電子變爲束縛於相同的施體上，也就是1態。然而，如前面所述，〇_束縛態僅在電子處於共同的單態時方爲可能。當差動偏壓施加於Α閘時，電荷在施體之間移動，單態的特徵可藉由單一電子穿透電晶體之電容測電量，由外部加以偵測。用於量測之自旋態的調製此自旋偵測方法區別了雙自旋系統之單態與三重態，但不能夠量測個別自旋之態。給定的自旋系統之態能夠經由量測推知，如果系統經過適當的調製時。在此，“調製 ”代表在量測進行前，絕熱改變自旋態能量，以確保量測結果是由給定的自旋之初態來決定。如果電子g-_因子（此爲關於外加DC磁場對自旋能量分裂的係數）對電子所在位置靈敏，或者如果B中的梯度存在時，則電子自旋能量能夠緩慢的變化。控制施加於媒介E閘的偏壓，也能夠控制電子之交換耦合。爲了描述此程序，考慮繪於圖4中之二自旋‘L’及‘ _15_ 本紙悵尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公兑） ---------坤衣------1T------^ (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) Λ7 H1 423〇 4 6 五、發明説明（丨>]) R’ ，在L指向下時計算尺自旋，或者換言之由|丨？ >開始。首先，操作A閘使得自旋L比自旋R具有較大的能量，因此破壞丨1 一丨丨簡倂，使L(丨）R( t )具有較低的能量。其次，導通2個電子之間的交換耦合。當交換耦合增加時，單一自旋指向上方之二態中的較低能態，演變成爲單態，在大E下將具有最低的能量。A閘隨後能夠被帶回至平衡，因而基態爲確實的單態。量測將產生單態之結果，若且唯若原始的自旋組態爲L(丨）R(t)。在量測完後，二自旋能夠藉由反逆絕熱操作之程序而返回其初始組態。假如自旋L之態未知時，二量測步驟能夠依序在自旋上進行，當自旋L之自旋反轉時，第二量測步驟開始（因爲A閘控制自旋的共振頻率，L自旋能夠選擇性地與外部 AC磁場產生共振，且其態反轉）。第二量測步驟將造成單態結果，若且唯若初始態（在第一次量測前）是L(UR(个 )。二量測步驟其中之一產生的單態結果，將發生於R( t ) ，不論自旋L之初始態爲何。核自旋量測之絕熱步驟假如電子藉由超精細相互作用耦合至施體核子，則核自旋之態能夠決定電子自旋量測的結果。此係達成在交換相互作用E使得具有相同能量的電子之| ί >態與| 4 > 態重疊，造成共振的電子-核子自旋交換時。在前面討論的情況中，當I丄1>與1 一丨丨I能階交錯時，交換能夠發生。 16 (請先閱讀背而之注意事項再填寫本頁) -5 經濟部中史標隼局貝工消费合作社印策本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4规格（2丨0X2W公垃）

Λ 7 IP 423046 五、發明説明（v+) 二電子及二核子之耦合系統的16個分離能階，繪於圖 5之中，在二位置的超精細相互作用及Zeeman能量（核子與電子自旋分裂）相等的情形之下，作爲交換相互作用E 的函數。（在圖中，核能階分裂的程度明顯的比電子能階分裂的程度來得誇張。）如果二電子原本處於其基態（L( (丨）），則兩個最低能量的核自旋能階，轉變爲單態；而兩個最高能量的核能階轉換爲三重態。如果核自旋簡倂因爲A閘偏壓而破壞，如圖6所示，有如之前的電子自旋時，那麼不論系統是否演變至單態，皆由具有較大分裂的核自旋之初始自旋態來完全決定。所以，對於耦合的電子-核子自旋系統，單一量測能夠決定一所選出之核自旋的自旋態。在圖6中，實線代表作爲E 的函數之電子能階，虛線代表最低能量-作爲E的函數之耦合的電子-核子能階。電子能階如圖4中所示。使用單一電子穿透電晶體量測自旋態單一電子穿透電晶體（SETTs)，爲現今發展用於量測小電荷及小電荷移動之最靈敏的元件。SETTs包含一小 “島”電阻9，位於源極10與汲極11之間，如圖7a中所示。電流自源極10流向汲極11，只有在島9中具有相當於源極10汲極11中的費米能階之能階時，如圖7b所示。當島上無可用能階能使電子穿透時，“庫侖阻塞”發生，如圖7c中所示。當島9極小且元件處於低溫之時，SETTs 將極爲靈敏。爲了偵測自旋，可輕易實現包含三閘極結構之設計， _________17_____ 本紙张尺度適河中國國家榡準（CNS ) Λ4规格（21〇><297公尨） --------；丨丨裝------訂--------線 (請先閲讀背而之注意事項再填寫本頁> 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印經濟部中央標準局員工消費合作社印製 4230 4 6 μ

_ IP 五、發明説明（d) 如圖3所示，此處A閘中之一亦爲SETT之島。在則面所討論的元件，用來量測及初始化量子計算機內的自旋之過程中，許多的SETTs必須同時量測許多自旋。用於自旋量測的電容耦合技術特別具有吸引力，因爲二維自旋陣列能夠使用自旋平面外的電極加以量測，且陣列中的每一自旋能夠以個別的SETT元件加以獨立量測。所以，此自旋量測之方法，極適於未來大型的量子計算。這種量子計算機包含一矽基板，31?施體原子陣列被引入其中，位在表面下方200 A處。原子間隔小於200 A 。傳導A閘位在矽基板上方的Si〇2絕緣層之上，每個A閘直接位於個別的31P原子的上方。傳導E閘位在每個儲存格之間的絕緣層之上。施體原子的核自旋爲量子態或“量子位元”，量子資訊儲存及操作於其中。A閘控制核自旋量子位元的共振頻率，而E閘控制相鄰核自旋之間的電子媒介耦合。在操作時，元件冷卻至T=50mk之溫度。同時’施加 B=2T之固定磁場以破壞二元自旋簡併。合倂後之效應爲電子僅佔據非簡倂最低自旋能階。在整個計算過程中’電子必須保持在零熵基態。. 電場施加於電子-施體系統之A閘上’將電子波函數波包自核子移開’並減低超精細相互作用。靠近A閘的施體核自旋-電子系統’作爲電壓控制振盪器：核自旋的旋進頻率能由外部控制’且自旋能夠選擇性地與外加交變磁場BAc=l(T3T產生共振’允許任意旋轉在核自旋上進行。本紙張尺度適用中國國家摞準（CNS )以規格（210X297公兑） ---------^------1T----- (請先閱讀背而之注意事項再填」；-本頁) ____ 18_ 經濟部中央標準局負工消费合作社印製五、發明説明（1 ）當施體彼此適當地靠近時，二施體電子一自旋系統之間的耦合，將由電子自旋交換相互作用而產生。核子間明顯的耦合，將發生於施體間的間隔約爲100·200人之時。對於雙電子系統，交換相互作用降低了電子單態（丨 4个一！ t >)能量（相對於三重態）。然而在磁場之中’ 如果μ3Β>2〗，電子基態將被極化’核單態丨1〇-〇1> (自核相差180。）的能量將減低（相對於(自旋同相） )。另外兩個三重態之能量則爲較高與較低於該些態。當Α閘的電壓不等於核自旋單態且三重態不再是特徵態（eigenstates)，且當電壓差足夠大時’中心能階的特徵將趨近I 10>及I 〇1>。 E閘之控制（結合A閘的控制及施加Bac)足以影響二相鄰之間控制旋轉運作。A閘與E閘的動作，連同Bac ’ 執行所有量子計算上的可逆運作。建構電子元件用來組成這種電子元件的材質，必須幾乎完全不具有自旋（1=/〇之同位素）及電荷雜質，以防止相位偏離波動產生於其中。施體必須被引入材質表面下方數百A處。最後，橫向尺寸及間隔<100 A的閘極必須定義在表面上’對應於其下方的施體。以上每一者皆爲現今快速變遷的半導體生長及奈米製造領域之中，備受注目的硏究焦點。此硏究直接涉及在矽材質中製作核自旋量子計算機之課題。適宜的半導體材料之最佳指標，爲在其中獲得完全或部份的量子霍耳效應之能力。特別是前述的自旋偵測技術 19 玉紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（270^7公沒） (诗先閱讀背面之注意事項再填?t-本頁) -裝. 經濟部中央標準局員工消费合作社印装 423046 - 五、發明説明（q ) ，須要電子遗夠被完全地自旋極化（造成霍耳效應量子化至對應於自旋間隙的整數之條件）。此條件在高移動率 GaAs/ALGai〃As異質結構中能獲得滿足，此處核自旋感應電子已獲證實。然而在這些材料中缺乏1=0的同位素，表示以其製作電子元件極不可能成功。近來在Si/SixGei χ異質結構上的進步’已形成完全由IV族元素組成的材料，其品質足以媳美GaAs異質結構。部份之量子霍耳效應能在這些材料中獲得，且自旋分裂也能被完全分解，奈米結構同時也已被製作在高質的Si/SixGei異質結構上。當Si/SiCh介面及限制於其之電子系統之品質低於嘉晶介面時，自旋分裂於低溫下能被完全分解。Si〇2中的障壁高度遠大於Si/SixGeu中的障壁高度（3.3V比〜0.2V)，此爲100 A以下的奈米結構中之重要優點。洩漏的電子越過障壁材質，造成電子自施體態之移走，此爲量子計算機中未同調之來源（之前未加說明）。電子因此在計算過程中，必定不可穿越障壁。同時，E閘在大的動態範圍內改變交換相互作用之能力，將在具有大的障壁高度的元件中得到改善。電子應用上的技術改進，可能會造成具有 Si/SixGei的高介面品質，及SiCh之大的穿透障壁的結構。基於電荷波動及不規則之理由，如果電子元件使用SiCb來製作，則SiCh*的區塊與介面態很可能必須被減少或消除〇製作前面所述的電子元件時，最明顯的障礙在於將施體陣列結合至障壁層下方的矽層。現今的半導體異質結構 _20 ___- 本紙张尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（210X^7公总） ---------^------11------0 (請先間讀背面之注意事項再填許.本頁) 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 ^23046 ^ Λ7 ____H? 五、發明説明（〖多） ’是以一層一層沈積而製作。（5摻雜技術製作施體位在材料中的一平面上，而施體隨機分佈於平面之中。所期望的電子元件需將施體置入整齊的陣列中，此使得利用微影技術及離子佈植或聚焦沈積來製作陣列變得極困難。現今所發展之使用超高真空掃描穿透式顯微鏡，將單一原子置於表面上的方法，有可能被使用於定位施體陣列。此方法已被用於置於放Ga原子於Si表面上。在置放施體後成長高品質的Si層於表面上，此過程將是一項挑戰。因爲陣列中的施體之間隔必須爲<200 A，以便在電子自旋之間產生有效的交換耦合，閘極尺寸必須爲<100 A，雖然E閘如果在正向偏壓而減低了施體間的障壁時，間隔可以較大。此外，閘極必須正確地對應其下方的施體。掃描探針微影技術具有在表面的閘極圖型曝光之前，測得表面下方施體的位置之潛力。例如，掃描式近場光學顯微鏡能夠在不使光阻曝光的波長範圍內，用來偵測p施體的光激發光特性。在P偵測且探針適當的定位之後，光阻以不同的光波長曝光。閘極之“特殊形狀”可證明爲對於補償施體陣列位置中的不規則性與缺陷是必要的。面對這種電子元件的發展，所遭遇之許多技術挑戰，與面對下一代傳統電子的挑戰相同，因此，諸多努力已持續進行，以期克服這些障礙。熟習本項技藝人士可察知，諸多變化及/或修改可用在本發明’如個別的實施例中所示，而不偏離廣泛敘述之本發明的精神與範疇。因此，所呈現的實施例是考量於所 ___ 21 ---------装------1T------# (請先閱讀背面之"意事項再填穴本頁) 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS )八4規格（210Χ297公益）

敘述之所有細節，而非限制。主要部份代表圖號之簡要說明 1施體原子 2自旋極化電子之儲存區域 3自旋極化電子之儲存區域 4自旋被決定之單一電子 5半導體 6障壁材質 7A閘 8E閘 9島電阻 10源極 11汲極 (請先閱讀背面之注音事項再填寫本頁) .^1------訂 ---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2]0 X 297公釐）

Claims

r η230 4 6 - Λ. 88 C8 D8 六、申請專利範圍 1 —種用於單一自旋量測的電子元件，包含：一半導體基板，至少有一個施體原子被引入其中，以製作在該施體原子的核子上，具有大電子波函數的施體核自旋電子系統；在該基板上方的絕緣層；位於該施體原子上方之絕緣層上的第一傳導閘，用以控制在該施體上之束縛電子態的能量；在該絕緣層上鄰近該第一閘的第二傳導閘’用來產生至少一個電子於該基板之中；在使用時，單一電子被束縛於該施體，且該施體原子弱稱合至該基板中的該至少一個電子，該等閘極被偏壓以致該基板中的該至少一個電子將移至該施體，但唯若該至少一個電子的自旋與該施體有允許移動發生之關係時；其配置係使得偵測元件中的電流，或甚至單一電子的移動構成單一自旋的量測。 2·如申請專利範圍第1項之用於單一自旋量測的電子元件，其中單一電子之移動藉由量測系統電容的方式而測得。 3.如申請專利範圍第1項之用於單一自旋量測的電子元件，其中電荷移動是藉由單一電子穿透電晶體電容測電量而測得。 4 _ 一種用於單一自旋量測的電子元件’包含：一半導體基板，至少有一個施體原子被引入其中，以製作在該施體原子的核子上，具有大電子波函數的施體核 1 (請先閱讀背而二注«事項再填'.>'!|本頁) \1T 文 ί - ^紙張尺度適用中國國家禕準（CNS ) A4規格（2Ϊ〇χ 公f B8 C8 D8 423046 六、申請專利範圍自旋電子系統；在該基板上方的絕緣層；位於該施體原子上方之絕緣層上的傳導A閘，用以控制在該施體上之束縛電子態的能量；在該絕緣層上位於A閘兩側之傳導E閘，用來產生該基板及絕緣層之間的介面上之自旋極化的電子之儲存區域 t 在使用時*該施體原子弱耦合至自旋極化的電子之兩個儲存區域，兩個儲存區域均具有相同的極化方向，且自旋加以測定的單一電子係束縛於該施體上，E閘加以偏壓以致於電流將在它們之間流動，但唯若該施體上的自旋與該等儲存區域內的自旋極化方向相反時。 5 +如申請專利範圍第4項之用於單一自旋量測的電子元件，其中有兩個施體與位於它們兩者上方的“A閘” ，以及位於它們之間的“E閘”，電子束縛於這兩個帶正電的施體，並且該等施體係被隔開，但彼此足夠靠近，使得它們之間的電子轉移或交換耦合是可能的；在使用時，一增加的電位差係被施加到該兩個A閘，並且在某一點上，其對於兩個電子均將爲能量上適合變爲束縛至同一施體，若且唯若該等電子係處於共同的單態中 1 在差動偏壓被施加至該等A閘時，單態的特徵與施體之間的電荷移動係接著由外部加以檢測出° 6.根據申請專利範圍第1或4項之用於單一自旋量 ---------/------ΐτ·-------'t (請先閱讀背而之注意事項再4,¾本頁) 經^部智总財^^技工^^合作钍印焚本·紙張尺度適用中國阒家樣率（CNS ) 規格（210)097公蜂） Β8 C8 D8 六、申請專利範圍測的電子元件，其中該等電子藉由處於低溫與大磁場環境中而被極化。 7·根據申請專利範圍第1或4項之用於單一自旋量測的電子元件，其中該等傳導E閘係位於該絕緣層上A閘的兩側，且在該基板與絕緣層之間的介面上產生二維電子 ^5 〇 8·如申請專利範圍第7項之用於單一自旋量測的電子元件，其中在使用時，該等E閘受偏壓，使得僅|丨 >電子存在於該施體原子的兩側上，且該A閘受偏壓，使得Ef 處於施體之二電子束縛態之能量。 9·根據申請專利範圍第1或4項之用於單一自旋量測的電子元件，其中該基質僅含有自旋1=0之核子。 1〇·如申請專利範圍第9項之用於單一自旋量測的電子元件，其中該基質含有主要由1=0之同位素組成的IV 族半導體，且純化至僅含有1=0之同位素。 11·根據申請專利範圍第1或4項之用於單一自旋量測的電子元件，其中Si爲半導體基質。 12·如申請專利範圍第11項之用於單一自旋量測的電子元件，其中該施體爲31P。 13·根據申請專利範圍第1或4項之用於單一自旋量測的電子元件，其中該等閘極由定義於該絕緣層表面上的金屬帶製作而成。 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項之用於單一自旋量測的電子元件，其中在該絕緣層中有一階層被該等閘極跨越 (請先閉讀背而之..ΐ.^事項再堉苟本頁) 訂戈經^.部智惡时是£7;3;工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4現格（210Χ37公釐） B8 C8 D8 國4 23〇厶申請專利範圍覆蓋，以局閘極電亥施體原子附近。 1 5 .根據申_利範圍第1或4項之用於單一自旋量測的電子元件鼋，其中在量測發生之前，該自旋系統藉由絕熱改變自能量而調製，以確保量測結果由給定的自旋之初始態來決定。 1 6 · —種用於單一核自旋量測的電子元件，包含： —半導體基板，至少有一個施體原子被引入其中，以製作在該施體原子的核子上，具有大電子波函數的施體核自旋電子系統；在該基板上方的絕緣層；位於該施體原子上方之絕緣層上的傳導Α閘，用以控制在該施體上之束縛電子態的能量；在該絕緣層上位於A閘兩側之傳導E閘，用來產生該基板及絕緣層之間的介面上之電子儲存區域；在使用時，所有的電子自旋極化至相同方向，具該施體是帶有自旋的核子，藉由超精細相互作用耦合至該等電子’同時該E閘被偏壓，使得電流將在它們之間流動，但唯右核自旋最初是相對於電子自旋時。 1 7 _如申請專利範圍第1 6項之用於單一核自旋量測的電子元件，其中穿越該施體的電流保持了核自旋的極化方向’且電流的導通或截止視該施體上核自旋的排列方向而定。 1 8 _根據申請專利範圍第1 6項之用於單一核自旋量測的電子元件’其中該等電子藉由處於低溫與大磁場環本紙朱尺度適用令國國家棣準（CNS ) A4^S.Ut〇x：g7^!t ) (請先閱請背"之注忿事喟4M寫本頁) 訂經.y部智总財4兑Μ工消骨合作社印製 42304- 6 88 C8 D8 六、申請專利範圍境中而被極化。 : 1 9 ·根據申請專利範圍第1 6項之用於單一核自旋量測的電子元件，其中該等傳導E閘係位於該絕緣層上A 閘的兩側，且在該基板與絕赢層之間的介面上產生二維電。 2 0 ·如申請專利範圍第1 9項之用於單一核自旋量測的電子元件，其中在使用時，該等E閘受偏壓，使得僅 1 1>電子存在於該施體原子的兩側上，且該A閘受偏壓，使得EF處於施體之二電子束縛態之能量。 2 1 ·根據申請專利範圍第1 6項之用於單一核自旋量測的電子元件，其中該基質僅含有自旋1=0之核子。 2 2 ·如申請專利範圍第2 1項之用於單一核自旋量測的電子元件，其中該基質含有主要由1=0之同位素組成的IV族半導體，且純化至僅含有1=0之同位素。 2 3 +根據申請專利範圍第1 6項之用於單一核自旋量測的鼋子元件，其中Si爲半導體基質。 2 4 ·如申請專利範圍第2 3項之用於單一核自旋量測的電子元件，其中該施體爲31 P。 2 5 ·根據申請專利範圍第1 6項之用於單一核自旋量測的電子元件，其中該等閘極由定義於該絕緣層表面上的金屬帶製作而成。 2 6 ·如申請專利範圍第2 5項之用於單一核自旋量測的電子元件，其中在該絕緣層中有一階層被該等閘極跨越覆蓋，以局閘極電場於該施體原子附近。 5 衣紙張尺度適用中國國家標率（CNS > A4規格（：10χ2ί)·7公螓） (請先閱-背而之注息事項再喷寫本頁) 訂 ^ 423〇46 B8 C8 D8

利範圍第16項之用於單一核自旋其中在量測發生之前’該自旋陳能量而調製，以確保量測結果由、申請專利範圍 2 7 ·根據量測的電子元件系統藉由絕熱改變給定的自旋之初始態來決定。 2 8 . —種量子計算機，包含：一半導體基板，施體原子被引入其中，以製作在施體原子的核子上具有大電子波函數的施體核自電子系統陣列在該基板上方的絕緣層；位於各別施體原子上方之絕緣層上的傳導A閘，以控制介於該施體電子與施體原子核自旋之間的超精細相互作用的強度，以及該施體原子核自旋的共振頻率；在該絕緣層上介於該等A閘之間的傳導I閘，以導通或截止介於該等相鄰施體原子的核自旋之間的電子媒介耦合；其中，該等施體原子的核自旋係爲量子態或“量子位元”，其中二進位資訊藉由選擇施加至該等A閘及】閘上的電壓，以及選擇施加至該基板上的交變磁場，加以儲存與操作；並且，再包含根據先前任一項申請專利範圍之用於單一自旋量測的電子元件。 2 9 ·如申請專利範圍第2 8項之量子計算機’進一步包含：用來保持該基板冷卻至適當低溫的冷卻機構。 3 0 .如申請專利範圍第2 8項或第2 9項之量子計本·紙張尺度適用中國圃家榡準（CNS ) A4規格（2丨0χ π7公赛） (訝先閱訪背而之;±意事硐再4舄本頁) .1T AS B8 C8 D8 六、申請專利範圍算機，進一步包含：具有適當強度的固定磁場源，以破壞該施體電子束縛態之二元自旋簡併。 3 1 ·如申請專利範圍第2 8或2 9項之量子計算機，進一步包含：適當強度的交變磁場源，以反轉施體原子的核自旋與場共振，及選擇性地施加交變磁場源至該基板的機構。 3 2 _如申請專利範圍第2 8或2 9項之量子計算機，進一步包含：選擇性地施加電壓至該等A閘及】閘的機構。 3 3 _如申請專利範圍第2 8或2 9項之量子計算機，其中該等E閘結合至該等〗閘。 3 4 ·如申請專利範圍第2 8或2 9項之量子計算機，其中該等A閘之一也是SETT的島。 3 5 · —種用於雙電子系統中自旋態調整的程序，包含以下之步驟：首先，操作A閘使得第一自旋比第二自旋具有較大的能量；其次，施加偏壓在媒介E閘上，以導通介於兩個電子之間的交換耦合，使得當交換耦合增加時，具有單一自旋向上的二態中的較低能態轉變至單態，在大E下將具有最低的能量；然後A閘返回平衡，使得基態成爲確實的單態；並且對單態進行量測。 7 (請先閱讀背面之注意事項再"衿本頁) 訂經4.邓晳.¾时4-^MX;ή·#合作社印製本紙張尺度適用ΐ國國家標車（CNS U4規格（：丨tlx 公缝） p423U^ B8 C8 D8 六、申請專利範圍 3 6 +如申請專利範圍第3 5項之用於雙電子系統中自旋態調製的程序，其中該第一自旋態爲未知，其包含的步驟爲：在自旋上依序進行兩次量測，當第一自旋的自旋反轉時，第二次量測係開始。 -------.-----1 Λ------訂—-----' {訪先間讀背面之注意事項再填寫本頁) M>:7.部皙达时.4.^,¾工消脅合作社印製 8 太紙浪尺度適用中國國家標準（CNS > Α4規格（210X2W公饕）