空穴型半导体电控量子点器件和装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了空穴型半导体电控量子点器件。其包含非掺杂GaAs衬底(101)、非掺杂AlGaAs层(102)和表面非掺杂GaAs盖帽层(103)；欧姆接触源极(201)和漏极(204)，依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；至少两个量子点小电极(402)，位于欧姆接触源极(201)和漏极(204)之间，处于表面非掺杂GaAs盖帽层上(103)；绝缘层(500)，覆盖表面非掺杂GaAs盖帽层(103)、量子点小电极(402)、以及欧姆接触源极(201)和漏极(204)的至少一部分；和栅极纳米条带(602)，设置在绝缘层(500)上，并且水平投影与欧姆接触源极(201)、漏极(204)以及量子点小电极(402)均有交叠。还公开了一种量子点装置。

【技术实现步骤摘要】
空穴型半导体电控量子点器件和装置
本技术涉及量子器件领域，具体地涉及一种空穴型半导体电控量子点器件和包含其的空穴型半导体电控量子点装置。
技术介绍
科学家们发现，基于量子力学基本原理的量子算法在某些特定问题的处理上比传统的算法能够更快地解决实际问题，因此科学家努力在自然界寻找可以实现量子算法的体系(即量子计算机)。随着摩尔定律的发展，单个处理器件单元尺度呈指数式的减小，纳米级的半导体工艺逐渐进入人们的视野，同时应用也非常广泛，其中之一就是量子计算。半导体电控量子点器件和传统的硅基材料器件有很多的相似性，适合于半导体量子芯片的制作和大规模的量子电路集成，被认为是最有可能实现量子计算机的材料体系之一。基于GaAs/AlGaAs，Si/SiO2，Si/SiGe和石墨烯等几种材料体系上加工形成的量子点器件以其较为稳定和受外界干扰较小等优势而被大量研究。在实际研究中发现，空穴载流子的波函数是p轨道，电子载流子是s轨道，因此空穴相比于电子受到原子核的超精细相互作用要小很多。另外空穴相比于电子，有更强的自旋轨道耦合相互作用，使得空穴自旋量子比特有更快的比特翻转速度(比特从0变化到1或者从1变化到0)，有利于获得全电控的长相干快操控的高保真度的空穴自旋量子比特体系。同经典计算机一样，量子计算机也是由类比于经典比特的量子比特为基本单元，构建优秀性能的量子比特是量子计算研究的重要内容。目前的量子比特编码主要基于电子载流子体系。空穴载流子半导体电控量子点的设计和制备，对丰富半导体量子比特编码和操控研究至关重要。
技术实现思路
为了得到利用空穴载流子的量子点电学器件，本技术的提供了以下技术方案。[1]一种空穴型半导体电控量子点器件，所述空穴型半导体电控量子点器件包含：非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片，所述异质结基片由下到上依次包括非掺杂GaAs衬底(101)、非掺杂AlGaAs层(102)和表面非掺杂GaAs盖帽层(103)；欧姆接触源极(201)，所述欧姆接触源极(201)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；欧姆接触漏极(204)，所述欧姆接触漏极(204)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；至少两个量子点小电极(402)，所述量子点小电极(402)位于所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)之间，处于所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)上；绝缘层(500)，所述绝缘层(500)覆盖所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)、所述量子点小电极(402)、以及所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)的至少一部分；和栅极纳米条带(602)，所述栅极纳米条带(602)设置在所述绝缘层(500)上，并且其水平投影与所述欧姆接触源极(201)、欧姆接触漏极(204)以及量子点小电极(402)均有交叠。[2]根据[1]所述的空穴型电控量子点器件，其特征在于，所述空穴型电控量子点器件包含两个量子点小电极(402)。[3]根据[1]所述的空穴型半导体电控量子点器件，其特征在于，所述量子点小电极(402)的宽度为20-60nm，所述量子点小电极(402)之间的间隔为60-120nm。[4]根据[1]所述的空穴型半导体电控量子点器件，其特征在于，所述栅极纳米条带(602)的水平投影与所述欧姆接触源极(201)及欧姆接触漏极(204)的交叠面积分别为500-2000平方微米。[5]根据[1]所述的空穴型电控量子点器件，其特征在于，所述非掺杂AlGaAs层(102)的厚度为20-80nm；和/或所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)的厚度为2-10nm；和/或所述欧姆接触源极(201)和所述欧姆接触源极(204)的厚度为50-120nm；和/或所述绝缘层(500)的厚度为20-120nm；和/或所述纳米条带栅极的厚度为50-130nm。[6]一种空穴型半导体电控量子点装置，其特征在于，包括两个根据[1]所述的空穴型半导体电控量子点器件，分别为第一空穴型半导体电控量子点器件和第二空穴型半导体电控量子点器件，所述第一空穴型半导体电控量子点器件和第二空穴型半导体电控量子点器件共用非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片和绝缘层，各自具有纳米栅极条带、量子点小电极、欧姆接触源极和漏极，两条纳米栅极条带平行布置并且间距为80-160nm，第一空穴型半导体电控量子点器件的量子点小电极限定的量子点区域与第二空穴型半导体电控量子点器件的量子点小电极限定的量子点区域的距离为200nm以下。本技术提供了一种空穴型半导体电控量子点器件，可用于半导体量子点体系量子比特的构建。附图说明图1为根据本技术的一个实施方案在非掺杂GaAs/AlGaAs半导体异质结基片上制备金属套刻标记和欧姆接触电极的示意图；图2为根据本技术的一个实施方案在非掺杂GaAs/AlGaAs半导体异质结基片上制备量子点大电极和纳米尺度小电极的平面示意图；图3为根据本技术的一个实施方案的空穴型半导体电控量子点器件示意图；图4为图3沿着201和204电极切开的剖面示意图；图5为图3中最内部虚线标注的量子点区域结构的放大示意图；图6为根据本技术的一个实施方案的器件的制作工艺流程图；图7为根据本技术的一个实施方案的量子点结构纳米条带金属栅极开关纳米条带通道的曲线；图8为量子点小电极402形成的电势场示意图；图9为根据本技术的一个实施方案的空穴型半导体电控量子点器件显示的量子库仑振荡曲线。具体实施方案本技术的技术人设计并完成了一种空穴型半导体电控量子点器件，具体地是一种非掺杂GaAs/AlGaAs半导体异质结空穴载流子纳米条带结构电控量子点结构，其可以用于量子计算机的基本逻辑处理单元--量子比特单元的构建，为基于空穴载流子自旋量子比特的量子计算研究奠定一定的研究基础。本技术的目的包括针对现有掺杂型电子自旋量子比特量子退相干时间较短，不利于实现高保真度的量子逻辑门的量子计算的技术不足，提供一种空穴型半导体电控量子点器件及其制作和使用方法。该空穴型半导体电控量子点器件包括纳米条带结构，利用顶层金属栅极的大小和形状在二维异质结材料上形成一维窄带量子点结构，不仅能够非常好的控制量子点形成的大小和形状，并且可以通过调节顶层金属栅极的电压在金属栅极的大小和形状一定的条件下通过调节空穴载流子密度来获得不同大小的量子点结构，获得优质的空穴载流子电控量子点体系，为基于半导体量子点的量子计算研究提供一种新的量子点材料和结构体系。本技术提出了一种空穴型半导体电控量子点器件、其制备方法及使用方法。本技术在非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片上进行纳米条带量子点结构的设计和制备。本技术的空穴型半导体电控量子点器件的一个实施方案的剖面图如图4所示，其包含：非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片，所述异质结基片由下到上依次包括非掺杂GaAs衬底(101)、非掺杂AlGaAs层(102)和表面非掺杂GaAs盖帽层(103)；欧姆接触源极(201)，所述欧姆接触源极(201)依次穿过表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空穴型半导体电控量子点器件，所述空穴型半导体电控量子点器件包含：非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片，所述异质结基片由下到上依次包括非掺杂GaAs衬底(101)、非掺杂AlGaAs层(102)和表面非掺杂GaAs盖帽层(103)；欧姆接触源极(201)，所述欧姆接触源极(201)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；欧姆接触漏极(204)，所述欧姆接触漏极(204)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；至少两个量子点小电极(402)，所述量子点小电极(402)位于所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)之间，处于所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)上；绝缘层(500)，所述绝缘层(500)覆盖所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)、所述量子点小电极(402)、以及所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)的至少一部分；和栅极纳米条带(602)，所述栅极纳米条带(602)设置在所述绝缘层(500)上，并且其水平投影与所述欧姆接触源极(201)、欧姆接触漏极(204)以及量子点小电极(402)均有交叠。...

【技术特征摘要】
1.一种空穴型半导体电控量子点器件，所述空穴型半导体电控量子点器件包含：非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片，所述异质结基片由下到上依次包括非掺杂GaAs衬底(101)、非掺杂AlGaAs层(102)和表面非掺杂GaAs盖帽层(103)；欧姆接触源极(201)，所述欧姆接触源极(201)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；欧姆接触漏极(204)，所述欧姆接触漏极(204)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；至少两个量子点小电极(402)，所述量子点小电极(402)位于所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)之间，处于所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)上；绝缘层(500)，所述绝缘层(500)覆盖所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)、所述量子点小电极(402)、以及所述欧姆接触源极(201)和欧姆接触漏极(204)的至少一部分；和栅极纳米条带(602)，所述栅极纳米条带(602)设置在所述绝缘层(500)上，并且其水平投影与所述欧姆接触源极(201)、欧姆接触漏极(204)以及量子点小电极(402)均有交叠。2.根据权利要求1所述的空穴型电控量子点器件，其特征在于，所述空穴型电控量子点器件包含两个量子点小电极(402)。3.根据权利要求1所述的空穴...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海欧，袁龙，王柯，张鑫，郭光灿，郭国平，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：新型
国别省市：安徽,34