提供了一种用于限制电荷载流子的硅基量子装置。该装置包括：衬底，其具有第一平面区域(137)；硅层(32)，其形成衬底的一部分并且包括具有边缘(34)和第二平面区域(135)的台阶(33)，其中第二平面区域(135)大体上平行于第一平面区域(137)并且从第一平面区域(137)偏移；第一电绝缘层(42)，其设置在硅层(32)上、覆盖台阶(33)；第一金属层(51)，其设置在第一电绝缘层(42)上、覆盖台阶(33)、被布置成电连接，使得可以诱发第一限制区域(10)，可以将电荷载流子或多个电荷载流子限制在边缘(34)处的第一约束区域(10)中；以及第二金属层(52)，其设置成覆盖硅层的第二平面区域(135)，其中第二金属层：与第一金属层(51)电隔离；并且被布置成电连接，使得可以诱发第二限制区域(11)，可以将电荷载流子或多个电荷载流子限制在第二限制区域中，第二限制区域仅在硅层(32)的在第二金属层(52)下方的第二平面区(135)中，并且第一限制区域10)可耦合至第二限制区域(11)；其中，第一限制区域10)在垂直于边缘(34)的方向上从第二限制区域(11)移位。还提供了一种组装硅基量子装置的方法和一种使用硅基量子装置的方法。置的方法。置的方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】量子点装置
[0001]本专利技术涉及一种用于量子计算的硅基量子装置。
技术介绍
[0002]量子计算机的实现需要大量的量子位。在近期中等规模的量子计算或NISQ时代，量子计算过程可以使用50
‑
100个量子位。
[0003]量子位或量子比特是平行于经典计算中使用的经典“比特”的量子。量子位包含信息，并且量子计算涉及量子位的操纵和处理。为了执行复杂的计算过程，使用了大量的量子位。
[0004]量子位可以基于量子点，量子点是一种量子限制结构，其中诸如电子或空穴的电荷载流子可以被静电限制在三维中。电子(或空穴)的状态提供信息。存在在三维中提供限制的许多方式。例如，可以使用几何结构和门控的组合，如对于硅纳米线(SiNW)量子点的情况。可以向垂直位于绝缘SiNW顶部上的导电材料的窄条(“栅极”)施加电压以在SiNW的角部中诱发量子点。SiNW的角部提供二维限制，栅极提供第三维限制。
[0005]可以沿着SiNW定位多个量子点以产生量子点的一维阵列。然而，这种结构是非常限制性的。
[0006]希望创建一种可扩展的架构以用于量子计算。
技术实现思路
[0007]本专利技术的一方面提供了一种用于限制电荷载流子的硅基量子装置。该装置包括具有第一平面区域的衬底和形成该衬底的一部分的硅层。硅层包括具有边缘和第二平面区域的台阶，其中第二平面区域大体上平行于第一平面区域并从第一平面区域偏移。第一电绝缘层设置在硅层上、覆盖台阶。第一金属层设置在第一电绝缘层上、覆盖台阶并且被布置为电连接，使得可以诱发第一限制区域，可以将电荷载流子或多个电荷载流子限制在边缘处的第一限制区域中。提供覆盖硅层的第二平面区域的第二金属层。第二金属层与第一金属层电隔离；并且第二金属层被布置为电连接，使得可以诱发第二限制区域，可以将电荷载流子或多个电荷载流子限制在第二限制区域，第二限制区域仅在硅层的在第二金属层下方的第二平面区域中，并且第一限制区域可耦合到第二限制区域。第一限制区域在垂直于边缘的方向上从第二限制区域移位。
[0008]使用如上所述的硅基量子装置，可以通过向第一金属层施加偏压电位而在边缘处诱发第一限制区域。可选地，该第一限制区域可以是量子点，并且该限制的电荷载流子或多个电荷载流子可以以量子位的形式表示量子信息，或者可以以介体的形式提供量子信息的交换。偏压电位通常为固定电压，且可用以改变装置内的电荷载流子占位。电荷载流子可以是电子或空穴。通常使用台阶的角部和第一金属层的宽度来限制电荷载流子，并且量子点的充电能量(即从该点添加或去除单个电荷载流子所需要的能量)可以通过调整该宽度来调谐。较宽的第一金属层通常具有较低的充电能量。沿着台阶的边缘测量宽度。覆盖台阶的
第一金属层的定位是有利的，因为台阶的角部可提供有效的空间二维限制。诱发的量子点可以限制限定数量的电荷载流子。可选地，第一金属层沿着边缘横向延伸，使得在边缘处可以诱发细长量子点。细长量子点可以更适合于量子位相互作用的介体，并且因此可以有益地放置在装置架构内。
[0009]当向第二金属层施加偏压电位时，第二限制区域可以被支撑在硅层的在第二金属层下方的第二平面区域中。电荷载流子或多个电荷载流子可以仅被限制在硅层的第二平面区域中。第二限制区域可以耦合到第一限制区域。有利地，此架构提供良好的电荷稳定性，并且涉及限制区域的量子计算过程通常对电荷误差更具弹性。此外，第二限制区域可以促进第一限制区域的初始化，并且允许维持第一限制区域的群体。
[0010]第一限制区域在垂直于边缘的方向上从第二限制区域移位。第一限制区域可以与第二限制区域横向间隔多达100纳米。位移大体上垂直于边缘。然而，应当理解，在不损失功能性的情况下，在位移中可能存在一些角度变化。通常，通过在垂直于边缘的方向上在第二金属层和第一金属层之间提供位移，实现第二限制区域相对于第一限制区域的位移。第一金属层和第二金属层被布置为电连接以分别诱发第一限制区域和第二限制区域，因此，第一限制区域和第二限制区域之间的位移的大体上垂直的性质也适用于第一金属层和第二金属层之间的位移。
[0011]硅层包括平面区域，并且第二限制区域设置在硅层的平面区域中。第一限制区域优选接近耦合到第二限制区域。这提供了第一限制区域和第二限制区域之间的直接耦合。所述第二金属层被设置为覆盖所述硅层的所述第二平面区域。所述第二平面区域为所述硅层的大体上平坦部分，且所述第二金属层可设置为仅覆盖所述硅层的所述大体上平坦部分。硅层的大体上平坦部分由于硅衬底的自然粗糙度而可能具有较小的偏差。在该装置中，大体上平坦部分通常是硅层的未蚀刻部分。硅层的大体上平坦部分与具有边缘的台阶部分不同。第二限制区域可以例如在二维平面沟道中，诸如平面量子点结构、反型沟道、注入区域或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
[0012]第二金属层可以设置在第一电绝缘层上。在一个示例中，第一金属层和第二金属层在空间上间隔，以提供电隔离。这种布置有利地减少了所需制造的台阶的数量，因为第一金属层和第二金属层可以同时沉积。在另一示例中，第二金属层可被布置成与硅层欧姆接触，使得在硅层中诱发欧姆区域。该欧姆区域提供可耦合到第一限制区域的第二限制区域。
[0013]在另一示例中，可使用阻挡层来实现第一金属层与第二金属层之间的电隔离。设置在所述第一金属层上的第二电绝缘层可选地形成电阻挡层，所述第二金属层可布置在所述电阻挡层上。有利地，第二金属层不需要使用该装置结构精确地对准。第二金属层可以可选地覆盖在第一金属层上，并且还可以延伸到覆盖在台阶上而不影响装置的电性能。优选地，第二金属层与硅层电连通以仅在硅层的平坦平稳区域中支撑电荷载流子存储部。通过对第二金属层施加偏压而产生的电场优选地仅在硅层的平稳区域中提供掺杂。
[0014]第一限制区域和第二限制区域是可耦合的。可选地，第一限制区域和第二限制区域可以以可调谐的耦合强度耦合。所述装置可进一步包含定位于所述第一金属层与所述第二金属层之间的第一调谐金属层。优选地，第一调谐金属层与第一金属层和第二金属层电绝缘。这可通过在第一金属层和第二金属层与第一调谐金属层之间设置介电层来实现。可选地，第一调谐金属层可操作以调谐第一限制区域与第二限制区域之间的耦合强度。可通
过向第一调谐金属层施加偏压电位来调谐耦合强度。第一调谐金属层可有利地提供第一金属层与第二金属层之间的选择性耦合和去耦合。第一调谐金属层可提供介体耦合作为接近耦合的替代方案。
[0015]第一调谐金属层通常定位于第一金属层与第二金属层之间。第一调谐金属层优选地直接接触覆盖第一金属层和第二金属层的边缘的介电层，并且可选地覆盖第一金属层和第二金属层之一或两者。第一调谐金属层优选地被布置成使得第一调谐金属层与第一金属层之间的隧道耦合(tunnel coupling)以及第一调谐金属层与第二金属层之间的隧道耦合可经调整以使得第一调谐金属层提供第一金属层与第二金属层之间的可调谐耦合。第一调谐金属层可通过使用阻挡电极来提供电荷限制区域之间的电极介体耦合。本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于限制电荷载流子的硅基量子装置，所述装置包括：衬底，所述衬底具有第一平面区域；硅层，所述硅层形成所述衬底的一部分，并且所述硅层包括具有边缘和第二平面区域的台阶，其中所述第二平面区域大体上平行于所述第一平面区域并且从所述第一平面区域偏移；第一电绝缘层，所述第一电绝缘层设置在所述硅层上、覆盖所述台阶；第一金属层，所述第一金属层设置在所述第一电绝缘层上、覆盖所述台阶、被布置为电连接，使得能诱发第一限制区域，能够将电荷载流子或多个电荷载流子约束在所述边缘处的所述第一限制区域中；以及第二金属层，所述第二金属层被设置为覆盖所述硅层的第二平面区域，其中所述第二金属层是：与所述第一金属层电隔离；以及被布置为电连接，使得能诱发第二限制区域，能够将电荷载流子或多个电荷载流子约束在所述二限制区域中，所述二限制区域仅在所述硅层的在所述第二金属层下方的所述第二平面区域中，并且所述第一限制区域能够耦合到所述第二限制区域；其中所述第一限制区域在垂直于所述边缘的方向上从所述第二限制区域移位。2.根据权利要求1所述的硅基量子装置，其中，所述第二金属层设置在所述第一电绝缘层上。3.根据权利要求1或2所述的硅基量子装置，其中，所述第二金属层在垂直于所述边缘的方向上从所述第一金属层移位。4.根据权利要求1所述的硅基量子装置，其中，第二电绝缘层设置在所述第一金属层上，并且所述第二金属层设置在所述第二电绝缘层上。5.根据权利要求1至3中任一项所述的硅基量子装置，其中，所述第一限制区域能够以可调谐的耦合强度耦合到所述第二限制区域，并且所述装置进一步包括：第一调谐金属层，所述第一调谐金属层位于所述第一金属层与所述第二金属层之间；其中，所述第一调谐金属层与所述第一金属层和所述第二金属层电绝缘；以及其中所述第一调谐金属层能够操作以调谐所述第一限制区域与所述第二限制区域之间的所述耦合强度。6.根据前述权利要求中任一项所述的硅基量子装置，进一步包括：第一个第一金属层，所述第一个第一金属层被布置为电连接以便诱发第一个第一限制区域；第二个第一金属层，所述第二个第一金属层与所述第一个第一金属层电隔离，并且被布置为电连接以便诱发第二个第一限制区域；以及第二调谐金属层，所述第二调谐金属层设置在所述第一个第一金属层与所述第二个第一金属层之间，并且与所述第一个第一金属层和所述第二个第一金属层电隔离；其中所述第一个第一限制区域能够以可调谐的耦合强度耦合到所述第二个第一限制区域；以及其中所述第二调谐金属层能够操作以调谐所述第一个第一限制区域与所述第二个第一限制区域之间的所述耦合强度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的硅基量子装置，其中，第三电绝缘层设置在所述硅层下方。8.根据前述权利要求中任一项所述的硅基量子装置，其中，所述第一金属层和所述第二金属层分别与第一导电过孔和第二导电过孔电接...
【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔，
申请(专利权)人：量子运动科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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