本發(fā)明涉及量子器件領(lǐng)域，具體地涉及一種空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件，其制備及使用方法。

背景技術(shù)：

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，基于量子力學(xué)基本原理的量子算法在某些特定問題的處理上比傳統(tǒng)的算法能夠更快地解決實(shí)際問題，因此科學(xué)家努力在自然界尋找可以實(shí)現(xiàn)量子算法的體系(即量子計(jì)算機(jī))。隨著摩爾定律的發(fā)展，單個(gè)處理器件單元尺度呈指數(shù)式的減小，納米級(jí)的半導(dǎo)體工藝逐漸進(jìn)入人們的視野，同時(shí)應(yīng)用也非常廣泛，其中之一就是量子計(jì)算。半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件和傳統(tǒng)的硅基材料器件有很多的相似性，適合于半導(dǎo)體量子芯片的制作和大規(guī)模的量子電路集成，被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的材料體系之一。

基于gaas/algaas，si/sio2，si/sige和石墨烯等幾種材料體系上加工形成的量子點(diǎn)器件以其較為穩(wěn)定和受外界干擾較小等優(yōu)勢而被大量研究。在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，空穴載流子的波函數(shù)是p軌道，電子載流子是s軌道，因此空穴相比于電子受到原子核的超精細(xì)相互作用要小很多。另外空穴相比于電子，有更強(qiáng)的自旋軌道耦合相互作用，使得空穴自旋量子比特有更快的比特翻轉(zhuǎn)速度(比特從0變化到1或者從1變化到0)，有利于獲得全電控的長相干快操控的高保真度的空穴自旋量子比特體系。

同經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣，量子計(jì)算機(jī)也是由類比于經(jīng)典比特的量子比特為基本單元，構(gòu)建優(yōu)秀性能的量子比特是量子計(jì)算研究的重要內(nèi)容。目前的量子比特編碼主要基于電子載流子體系?？昭ㄝd流子半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)的設(shè)計(jì)和制備，對豐富半導(dǎo)體量子比特編碼和操控研究至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了得到利用空穴載流子的量子點(diǎn)電學(xué)器件，本發(fā)明的提供了以下技術(shù)方案。

[1]一種空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件，所述空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件包含：

非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片，所述異質(zhì)結(jié)基片由下到上依次包括非摻雜gaas襯底(101)、非摻雜algaas層(102)和表面非摻雜gaas蓋帽層(103)；

歐姆接觸源極(201)，所述歐姆接觸源極(201)依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入非摻雜gaas襯底(101)至少5nm；

歐姆接觸漏極(204)，所述歐姆接觸漏極(204)依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入非摻雜gaas襯底(101)至少5nm；

至少兩個(gè)量子點(diǎn)小電極(402)，所述量子點(diǎn)小電極(402)位于所述歐姆接觸源極(201)和歐姆接觸漏極(204)之間，處于所述表面非摻雜gaas蓋帽層(103)上；

絕緣層(500)，所述絕緣層(500)覆蓋所述表面非摻雜gaas蓋帽層(103)、所述量子點(diǎn)小電極(402)、以及所述歐姆接觸源極(201)和歐姆接觸漏極(204)的至少一部分；和

柵極納米條帶(602)，所述柵極納米條帶(602)設(shè)置在所述絕緣層(500)上，并且其水平投影與所述歐姆接觸源極(201)、歐姆接觸漏極(204)以及量子點(diǎn)小電極(402)均有交疊。

[2]根據(jù)[1]所述的空穴型電控量子點(diǎn)器件，其特征在于，所述空穴型電控量子點(diǎn)器件包含兩個(gè)量子點(diǎn)小電極(402)。

[3]根據(jù)[1]所述的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件，其特征在于，所述量子點(diǎn)小電極(402)的寬度為20-60nm，所述量子點(diǎn)小電極(402)之間的間隔為60-120nm。

[4]根據(jù)[1]所述的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件，其特征在于，所述柵極納米條帶(602)的水平投影與所述歐姆接觸源極(201)及歐姆接觸漏極(204)的交疊面積分別為500-2000平方微米。

[5]根據(jù)[1]所述的空穴型電控量子點(diǎn)器件，其特征在于，所述非摻雜algaas層(102)的厚度為20-80nm；和/或所述表面非摻雜gaas蓋帽層(103)的厚度為2-10nm；和/或所述歐姆接觸源極(201)和所述歐姆接觸源極(204)的厚度為50-120nm；和/或所述絕緣層(500)的厚度為20-120nm；和/或所述納米條帶柵極的厚度為50-130nm。

[6]一種制備根據(jù)[1]所述的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件的方法，所述方法包括：

由下到上依次使用分子束外延方式生長非摻雜gaas襯底、非摻雜algaas層和表面非摻雜gaas蓋帽層，形成非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片；

在所述非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片上分別形成依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層和非摻雜algaas層，進(jìn)入非摻雜gaas襯底至少5nm的歐姆接觸源極和歐姆接觸漏極；

在歐姆接觸源極和歐姆接觸漏極之間，在所述表面非摻雜gaas蓋帽層上形成至少兩個(gè)量子點(diǎn)小電極；

在所述非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片、所述量子點(diǎn)小電極以及所述歐姆接觸源極和歐姆接觸漏極上覆蓋絕緣層；

在所述絕緣層上形成柵極納米條帶，使得其水平投影與所述歐姆接觸源極和歐姆接觸漏極以及量子點(diǎn)小電極均有交疊。

[7]根據(jù)[1]所述的方法，其特征在于，形成歐姆接觸源極或歐姆接觸漏極包括：

利用紫外光刻曝光技術(shù)，在非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片的表面非摻雜gaas蓋帽層上曝光出歐姆接觸電極窗口；

利用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，將電極材料蒸鍍至所述歐姆接觸電極窗口；

對所述基片進(jìn)行快速退火，使得蒸鍍的電極材料向下滲透，依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層和非摻雜algaas層，進(jìn)入所述非摻雜gaas襯底至少5nm，形成歐姆接觸源極或歐姆接觸漏極。

[8]根據(jù)[6]所述的方法，其特征在于，所述非摻雜algaas層中al的含量為10摩爾％至90摩爾％。

[9]一種使用根據(jù)[1]所述的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件的方法，所述方法包括：

在所述柵極納米條帶(602)上施加負(fù)電壓，從而在所述非摻雜gaas襯底(101)中并且處于所述柵極納米條帶(602)的水平投影中的區(qū)域形成二維空穴氣層(104)，所述二維空穴氣層(104)與所述歐姆接觸源極(201)以及歐姆接觸漏極(204)歐姆接觸；

在所述至少兩個(gè)量子點(diǎn)小電極(401)上施加電壓，形成勢壘，從而在所述二維空穴氣層(104)中形成囚禁空穴的量子點(diǎn)。

[10]根據(jù)[9]所述的方法，其特征在于，

將所述量子點(diǎn)調(diào)節(jié)至囚禁單個(gè)空穴；

施加與所述二維空穴氣層平行的磁場，以形成由所述單個(gè)空穴的自旋狀態(tài)編碼的量子比特。

[11]一種空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)裝置，其特征在于，包括兩個(gè)根據(jù)[1]所述的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件，分別為第一空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件和第二空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件，

所述第一空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件和第二空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件共用非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片和絕緣層，各自具有納米柵極條帶、量子點(diǎn)小電極、歐姆接觸源極和漏極，

兩條納米柵極條帶平行布置并且間距為80-160nm，

第一空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件的量子點(diǎn)小電極限定的量子點(diǎn)區(qū)域與第二空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件的量子點(diǎn)小電極限定的量子點(diǎn)區(qū)域的距離為200nm以下。

[12]一種使用根據(jù)[11]所述的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)裝置的方法，包括

由第一空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件中歐姆接觸源極和歐姆接觸漏極之間的電流變化探測第二空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件中的量子點(diǎn)的空穴填充狀態(tài)的變化。

本發(fā)明提供了一種空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件，可用于半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系量子比特的構(gòu)建。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案在非摻雜gaas/algaas半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)基片上制備金屬套刻標(biāo)記和歐姆接觸電極的示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案在非摻雜gaas/algaas半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)基片上制備量子點(diǎn)大電極和納米尺度小電極的平面示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件示意圖；

圖4為圖3沿著201和204電極切開的剖面示意圖；

圖5為圖3中最內(nèi)部虛線標(biāo)注的量子點(diǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)的放大示意圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的制作工藝流程圖；

圖7為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)納米條帶金屬柵極開關(guān)納米條帶通道的曲線；

圖8為量子點(diǎn)小電極402形成的電勢場示意圖；

圖9為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件顯示的量子庫侖振蕩曲線。

具體實(shí)施方案

本發(fā)明的發(fā)明人設(shè)計(jì)并完成了一種空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件，具體地是一種非摻雜gaas/algaas半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)空穴載流子納米條帶結(jié)構(gòu)電控量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其可以用于量子計(jì)算機(jī)的基本邏輯處理單元--量子比特單元的構(gòu)建，為基于空穴載流子自旋量子比特的量子計(jì)算研究奠定一定的研究基礎(chǔ)。

本發(fā)明的目的包括針對現(xiàn)有摻雜型電子自旋量子比特量子退相干時(shí)間較短，不利于實(shí)現(xiàn)高保真度的量子邏輯門的量子計(jì)算的技術(shù)不足，提供一種空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件及其制作和使用方法。該空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件包括納米條帶結(jié)構(gòu)，利用頂層金屬柵極的大小和形狀在二維異質(zhì)結(jié)材料上形成一維窄帶量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，不僅能夠非常好的控制量子點(diǎn)形成的大小和形狀，并且可以通過調(diào)節(jié)頂層金屬柵極的電壓在金屬柵極的大小和形狀一定的條件下通過調(diào)節(jié)空穴載流子密度來獲得不同大小的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，獲得優(yōu)質(zhì)的空穴載流子電控量子點(diǎn)體系，為基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的量子計(jì)算研究提供一種新的量子點(diǎn)材料和結(jié)構(gòu)體系。

本發(fā)明提出了一種空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件、其制備方法及使用方法。本發(fā)明在非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片上進(jìn)行納米條帶量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備。本發(fā)明的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件的一個(gè)實(shí)施方案的剖面圖如圖4所示，其包含：

非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片，所述異質(zhì)結(jié)基片由下到上依次包括非摻雜gaas襯底(101)、非摻雜algaas層(102)和表面非摻雜gaas蓋帽層(103)；

歐姆接觸源極(201)，所述歐姆接觸源極(201)依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入非摻雜gaas襯底(101)至少5nm；

歐姆接觸漏極(204)，所述歐姆接觸漏極(204)依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入非摻雜gaas襯底(101)至少5nm；

至少兩個(gè)量子點(diǎn)小電極(402)，所述量子點(diǎn)小電極(402)位于所述歐姆接觸源極(201)和歐姆接觸漏極(204)之間，處于所述表面非摻雜gaas蓋帽層(103)上；

絕緣層(500)，所述絕緣層覆蓋所述表面非摻雜gaas蓋帽層(103)、所述量子點(diǎn)小電極(402)、以及所述歐姆接觸源極(201)和歐姆接觸漏極(204)的至少一部分；和

柵極納米條帶(602)，所述柵極納米條帶(602)設(shè)置在所述絕緣層(500)上，并且其水平投影與所述歐姆接觸源極(201)、歐姆接觸漏極(204)以及量子點(diǎn)小電極(402)均有交疊。

本文中所稱的“上”、“下”、“水平”等方向是為了便于描述各部件相對位置的作用，而非限定絕對的方向。

不受限于任何理論，在本發(fā)明的電控量子點(diǎn)器件中，當(dāng)在柵極納米條帶上施加電壓時(shí)，在異質(zhì)結(jié)中非摻雜gaas襯底靠近非摻雜algaas層的部分，在柵極納米條帶的水平投影區(qū)域，產(chǎn)生空穴載流子，并形成二維空穴氣層(104)。該二維空穴氣層與源漏極歐姆接觸，在兩電極之間形成載流子通道。通過控制柵極的電壓，可以改變二維空穴氣的載流子密度等參數(shù)。在載流子通道區(qū)域即二維空穴氣層的上方，在表面非摻雜gaas蓋帽層上，設(shè)置有量子點(diǎn)小電極，大小和間距均為納米量級(jí)。通過控制施加在量子點(diǎn)小電極上的電壓，可以在二維空穴氣層中形成囚禁空穴的勢阱，從而形成量子點(diǎn)區(qū)域。控制柵極電壓和量子點(diǎn)小電極的電壓，可以靈活地控制量子點(diǎn)的大小和形狀。

本文所稱的量子點(diǎn)區(qū)域?yàn)榧{米量級(jí)的，并且通過調(diào)節(jié)施加在納米柵極條帶和量子點(diǎn)小電極上的電勢，可以控制量子點(diǎn)的大小以及逐個(gè)地精確控制其中的空穴數(shù)量。當(dāng)將量子點(diǎn)調(diào)節(jié)為僅包含一個(gè)空穴時(shí)，即可形成量子比特。

作為一個(gè)具體實(shí)例，所設(shè)計(jì)的空穴載流子納米條帶結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)包括非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片100、歐姆接觸電極200(即201、202、203...)、量子點(diǎn)外圍大電極300(即301、302、303...)、量子點(diǎn)小電極400(即401、402、403...)、絕緣層500和頂層納米條帶金屬柵極600(即601、602...)，如圖3所示。

其中所述非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片依次包括非摻雜的gaas襯底101、非摻雜algaas層102和表面非摻雜gaas蓋帽層103，并且通過在頂層金屬柵極600上施加負(fù)電壓之后在非摻雜gaas層101中穩(wěn)定形成的二維空穴氣結(jié)構(gòu)層104，如圖4的剖面圖所示。二維空穴氣層104一般位于距離非摻雜algaas層102以下5nm處。

非摻雜gaas襯底(101)的厚度可以是300-800nm，優(yōu)選500nm。

非摻雜algaas層(102)的厚度可以為20-80nm，優(yōu)選40nm，其中al所占的比例可以為10摩爾％-90摩爾％，優(yōu)選70摩爾％。

表面非摻雜gaas蓋帽層(103)的厚度可以為2-10nm，優(yōu)選5nm。

非摻雜gaas及非摻雜algaas均是已知的材料。各層具有穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)的單晶材料可以依次使用分子束外延生長。

歐姆接觸電極(源極或漏極)可以如下形成：在表面非摻雜gaas蓋帽層(103)上利用紫外光學(xué)曝光歐姆電極窗口(201、202、203、204、205、206)。利用電子束蒸發(fā)鍍膜電極材料，例如aube合金(be的重量比為1％)，利用高溫快速退火使得合金滲入窗口，穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)、和非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入非摻雜gaas襯底(101)層至少5nm，到達(dá)二維空穴氣層(104)，形成良好的歐姆接觸。為了形成良好的歐姆接觸，歐姆接觸電極穿過異質(zhì)結(jié)。當(dāng)其下端至少低于所述非摻雜algaas層(102)以下5nm時(shí)，可以保證與二維空穴氣層有良好的歐姆接觸。歐姆接觸電極(201、202、203、204、205、206)的金屬鍍膜厚度為50-120nm，優(yōu)選80nm。源/漏極可以具有的較大的遠(yuǎn)端，利于接線并對其施加一定范圍的電壓。源漏極當(dāng)然可以互換。也可以用其他合適的方式形成穿過異質(zhì)結(jié)的源漏極。

量子點(diǎn)外圍大電極(300)使用紫外光學(xué)曝光技術(shù)，電子束蒸發(fā)鍍膜而形成。鍍膜可以依次為ti-5nm和au-35nm，其中ti-5nm為粘附層。量子點(diǎn)大電極與量子點(diǎn)小電極電連接，其作用是用于與宏觀外電路連接，從而對納米尺度的量子點(diǎn)小電極施加電壓。

量子點(diǎn)納米尺度小電極(400)使用電子束曝光技術(shù)，電子束蒸發(fā)鍍膜而形成。鍍膜可以依次為ti-5nm和au-25nm，其中ti-5nm為粘附層。量子點(diǎn)納米尺度金屬小電極(400)與量子點(diǎn)外圍金屬大電極(300)的尖端相連。量子點(diǎn)小電極至少為2個(gè)，也可以是3個(gè)或更多個(gè)。

歐姆接觸電極(201、202、203、204、205、206)、量子點(diǎn)電極(300和400)以及表面非摻雜gaas蓋帽層(103)上的絕緣層(500)使用原子層沉積方式生長，生長溫度為100-300℃，優(yōu)選200℃，生長厚度為20-120nm，優(yōu)選80nm，絕緣層材料可以為三氧化二鋁或者氧化鉿，優(yōu)選三氧化二鋁。

絕緣層(500)上方有頂層納米條帶金屬柵極(600)，金屬電極鍍膜材料可以為ti和au，厚度分別為10-30nm和40-100nm，優(yōu)選10nm和70nm。在圖3所示的實(shí)施方案中，頂層納米條帶金屬柵極有2個(gè)，分別為納米條帶金屬柵極601和納米條帶金屬柵極602，在表面gaas蓋帽層(103)的中間位置，分布在樣品中心的上方和樣品中心。柵極601與源漏極202和203交疊，而柵極602與源漏極201和204交疊，分別蓋在量子點(diǎn)納米尺度小電極401和402的正上方。柵極與源漏極、量子點(diǎn)小電極之間間隔著絕緣層。

頂層納米條帶金屬柵極的大小和形狀與量子點(diǎn)納米尺度小電極形狀匹配。納米條帶金屬柵極的寬度可以為50-150nm，優(yōu)選100nm。在圖3(放大后為圖5)中，兩個(gè)納米條帶間隔為80～160nm，優(yōu)選120nm。量子點(diǎn)小電極的寬度可以為20-60nm，優(yōu)選40nm，小電極之間的間隔可以為60-120nm，優(yōu)選80nm。在兩個(gè)納米條帶柵極與歐姆接觸電極有交疊，如圖4所示，交疊處從下往上依次為歐姆接觸電極、絕緣層和頂層納米條帶金屬柵極，并有一定的交疊面積(交疊才能保證頂層金屬電極形成的二維空穴氣在源漏極之間導(dǎo)通)，交疊面積為500-2000平方微米，優(yōu)選1000平方微米。類似于量子點(diǎn)小電極和相應(yīng)的量子點(diǎn)外圍大電極，頂層納米條帶金屬柵極的遠(yuǎn)端也可以各自具有大的電極與之相連，用于接線并對其施加一定范圍的電壓。在歐姆接觸電極上表面可以缺少一部分絕緣層，露出接線窗口。

由于除了頂層納米條帶金屬柵極之外，其他所有的電極都在絕緣層的下面，為了能夠把歐姆接觸電極和量子點(diǎn)電極通過引線接出，需要在適當(dāng)?shù)奈恢瞄_接線窗口，將其位置上的絕緣層刻蝕掉，以便引線可以與各個(gè)電極電學(xué)連通上，用于后續(xù)量子點(diǎn)的調(diào)節(jié)和測量。

本發(fā)明還涉及制備空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件的方法。具體地，依次提供非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片，形成歐姆接觸源極和歐姆接觸漏極，覆蓋絕緣層，并形成柵極納米條帶?？梢允褂贸Ｒ?guī)的制備過程制備本發(fā)明的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件。可以使用常用的工藝，如分子束外延、紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜、金屬剝離技術(shù)、電子束曝光、原子層沉積、濕法蝕刻等工藝，結(jié)合電控量子點(diǎn)的具體結(jié)構(gòu)，制備電控量子點(diǎn)的各個(gè)部件。

非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片優(yōu)選通過分子束外延方式生長，并且其中非algaas層中al的含量為10摩爾％至90摩爾％，更優(yōu)選約70摩爾％。

特別地，本發(fā)明中的歐姆接觸源/漏極可以通過快速退火的工藝形成。

在本發(fā)明提供的一種制備上述空穴型電控量子點(diǎn)器件的方法中，包括形成歐姆接觸電極的過程，所述過程包括：

利用紫外光刻曝光技術(shù)，在非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片(100)上曝光出歐姆接觸電極窗口；

利用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，將電極材料蒸鍍至所述歐姆接觸電極窗口；

對所述基片進(jìn)行快速退火，使得蒸鍍的電極材料從表面往下滲透，穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，深入到非摻雜gaas襯底(101)層5nm處，形成歐姆接觸電極。

通過該方法，可以在想要的位置簡單地形成依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，深入到非摻雜gaas襯底(101)層二維電子氣區(qū)域良好歐姆接觸的歐姆接觸電極。

在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的制備步驟可以包括：紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜和金屬剝離技術(shù)制備套刻曝光標(biāo)記；紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜和高溫快速退火制備歐姆接觸電極；紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜制備量子點(diǎn)外圍大電極；電子束曝光、電子束蒸發(fā)鍍膜制備量子點(diǎn)納米尺度小電極；原子層沉積技術(shù)生長絕緣層、紫外光刻和濕法刻蝕歐姆接觸和大電極接線窗口；電子束曝光、電子束蒸發(fā)鍍膜制備納米條帶頂層金屬柵極。詳細(xì)步驟如下(如圖6所示)：

(1)紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜和金屬剝離技術(shù)制備套刻曝光標(biāo)記；將使用分子束外延(mbe)生長好的4英寸大小的非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片甩光學(xué)曝光膠保護(hù)，然后切成1.2cm*1.2cm大小的小塊。使用標(biāo)準(zhǔn)樣品清洗工藝清洗基片，再利用光學(xué)曝光技術(shù)和電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)和金屬剝離技術(shù)在基片上獲得外圍定位的大的金屬標(biāo)記，鍍膜金屬為ti5nm/au45nm，后續(xù)的樣品加工以此標(biāo)記作為套刻對準(zhǔn)。

(2)紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜和高溫快速退火制備歐姆接觸電極：使用標(biāo)準(zhǔn)樣品清洗工藝清洗樣品基片，利用紫外光刻曝光技術(shù)，在非摻雜gaas/algaas基片(100)上一共曝光出6個(gè)歐姆接觸窗口(201、202、203、204、205、206)，利用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)將aube合金材料蒸鍍至6個(gè)接觸窗口(201、202、203、204、205、206)處的異質(zhì)結(jié)基片表面，利用金屬剝離技術(shù)獲得6個(gè)歐姆接觸電極(201、202、203、204、205、206)。再次使用標(biāo)準(zhǔn)樣品清洗工藝清洗樣品，并將樣品基片放入快速退火爐中，利用保護(hù)氣15％h2和85％n2在430℃下快速退火5分鐘，使得蒸鍍的歐姆接觸金屬從表面往下滲透，穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，深入到非摻雜gaas襯底(101)至少5nm，到達(dá)二維空穴氣區(qū)域(在柵極加負(fù)電壓后在該區(qū)域中將形成二維空穴氣層(104))，與二維空穴氣區(qū)域形成良好的接觸，形成歐姆接觸電極(201、202、203、204、205、206)。如圖1所示。

(3)紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜制備量子點(diǎn)外圍大電極：在上述樣品制備基礎(chǔ)上，使用標(biāo)準(zhǔn)樣品清洗工藝清洗樣品，再使用紫外光學(xué)曝光技術(shù)利用套刻標(biāo)記進(jìn)行套刻曝光，曝光出量子點(diǎn)的外圍金屬大電極(300)的圖形窗口，利用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，先后沉積金屬5nmti和金屬35nmau，再使用金屬剝離技術(shù)形成量子點(diǎn)外圍金屬大電極(300)，其中金屬ti作為粘附層。

(4)電子束曝光、電子束蒸發(fā)鍍膜制備納米尺度量子點(diǎn)小電極：在上述樣品制備基礎(chǔ)上，對樣品標(biāo)準(zhǔn)樣品清洗工藝進(jìn)行清洗，利用電子束曝光技術(shù)進(jìn)行納米量級(jí)的電子束曝光(10nm-500nm尺度)，制備內(nèi)部納米尺度的量子點(diǎn)小電極400，套刻曝光時(shí)使用光刻制備的5μm*5μm大小的金屬標(biāo)記進(jìn)行對準(zhǔn)，此步曝光同時(shí)制備出1μm*5μm大小的金屬對準(zhǔn)標(biāo)記用于最后一步頂層納米條帶金屬柵極的電子束曝光對準(zhǔn)。電子束曝光完以后進(jìn)行圖形顯影，之后再進(jìn)行電子束蒸發(fā)鍍膜，鍍膜金屬選擇5nmti/25nmau；完成金屬剝離之后形成納米級(jí)量子點(diǎn)小電極(400)。如圖2所示。

(5)原子層沉積技術(shù)生長絕緣層、紫外光刻和濕法刻蝕歐姆接觸和量子點(diǎn)大電極接線窗口：把制備完成歐姆接觸電極和量子點(diǎn)電極的樣品基片進(jìn)行優(yōu)化的樣品清洗，再放入原子層沉積系統(tǒng)中進(jìn)行絕緣層的生長，生長溫度為100-300℃，優(yōu)選200℃，生長厚度為20-120nm，優(yōu)選80nm，生長氧化層為三氧化二鋁或者氧化鉿，優(yōu)選三氧化二鋁。將樣品從原子層沉積系統(tǒng)中取出，使用光學(xué)曝光技術(shù)，曝光出用于濕法刻蝕的窗口，利用刻蝕試劑將歐姆接觸電極200和量子點(diǎn)外圍大電極300遠(yuǎn)端上部的絕緣層除去，以便可以將歐姆接觸電極和量子點(diǎn)電極連接引線用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)測量。

(6)電子束曝光、電子束蒸發(fā)鍍膜制備納米條帶頂層金屬柵極：把制備完成上述工藝的樣品基片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的樣品清洗，再使用電子束曝光技術(shù)制備頂層納米條帶柵極電極圖形，使用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)和金屬剝離技術(shù)制備頂層納米條帶金屬電極，至此非摻雜gaas/algaas半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)空穴載流子納米條帶量子點(diǎn)制備完成。產(chǎn)品如圖3所示。圖4顯示了源極201與漏極204之間的剖面圖。圖5顯示了圖3的量子點(diǎn)周圍的放大圖。

其中標(biāo)準(zhǔn)的樣品清洗工藝為：將樣品依次使用ace(丙酮)、tce(三氯乙烯)、ace(丙酮)、ipa(異丙醇)及di(去離子水)各清洗5分鐘，每種試劑清洗時(shí)伴隨超聲清洗30秒，最后用高純氮?dú)獯蹈伞?/p>

其中優(yōu)化的樣品清洗工藝為：將樣品依次使用ace(丙酮)、tce(三氯乙烯)、tce(三氯乙烯)、ace(丙酮)、ace(丙酮)、ipa(異丙醇)、pa(異丙醇)、di(去離子水)、di(去離子水)各浸泡10分鐘，最后用高純氮?dú)獯蹈?此步驟不適用超聲清洗，以防止量子點(diǎn)納米尺寸電極被振掉)。

其中光學(xué)曝光技術(shù)，使用紫外光刻機(jī)曝光，光學(xué)曝光膠型號(hào)為az5214e，甩膠參數(shù)為：轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/s、甩膠時(shí)間40s，烤膠溫度95℃烘烤時(shí)間90s，紫外光刻曝光12s，用顯影液(az400k∶di＝1∶6)顯影60s，使用去離子水di清洗15～30s，最后用高純氮?dú)獯蹈桑娮邮兡で笆褂醚鯕獾入x子體清洗技術(shù)處理2-4min以除去殘膠。

其中電子束曝光技術(shù)，使用電子束曝光機(jī)進(jìn)行圖形曝光，電子束曝光膠型號(hào)pmma950a2，甩膠參數(shù)為：甩膠2層，轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/s、甩膠時(shí)間40s，烤膠溫度180℃，第一層烤膠時(shí)間5min，第二層烤膠時(shí)間10min，用顯影液(mibk∶ipa＝1∶3)顯影45s，使用異丙醇ipa清洗15～30s，最后用高純氮?dú)獯蹈?，電子束鍍膜前使用氧氣等離子體清洗技術(shù)處理2-4min以除去殘膠。

其中金屬剝離技術(shù)，使用丙酮(ace)浸泡2-12個(gè)小時(shí)，根據(jù)圖形的大小選擇不同的時(shí)間，圖形尺寸越小選擇的浸泡時(shí)間越長，量子點(diǎn)小電極浸泡時(shí)間為12小時(shí)，頂層納米條帶金屬柵極浸泡時(shí)間為4個(gè)小時(shí).

高溫快速退火條件為350-450℃，優(yōu)選420℃，退火時(shí)間為3-15min，優(yōu)選5min，退火保護(hù)氣體15％h2和85％n2。

刻蝕絕緣層的刻蝕劑試通用的transetch-n刻蝕液，條件為刻蝕液于190℃持續(xù)加熱30min以上，刻蝕時(shí)間為10～25s，優(yōu)選20s，用來除去歐姆接觸電極和量子點(diǎn)外圍大電極遠(yuǎn)端上的絕緣層。

本發(fā)明還提供了一種使用本發(fā)明的空穴型電控量子點(diǎn)器件的方法，所述方法包括：

在所述柵極納米條帶(602)上施加負(fù)電壓，從而在非摻雜gaas襯底(101)中并且處于所述柵極納米條帶(602)的水平投影中的區(qū)域形成二維空穴氣層(104)，所述二維空穴氣層(104)與所述歐姆接觸源極(201)以及歐姆接觸漏極(204)歐姆接觸；

在所述至少兩個(gè)量子點(diǎn)小電極(402)上施加電壓，形成勢壘，從而在所述二維空穴氣層(104)中形成囚禁空穴的量子點(diǎn)。

使用所述二維空穴氣層(104)和所述量子點(diǎn)可以控制所述歐姆接觸源極(201)和歐姆接觸漏極(204)之間的電導(dǎo)通。

通過上述方法，可以在源漏極之間獲得量子化的電導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)一步可以利用空穴的量子態(tài)進(jìn)行量子比特編碼，進(jìn)而可以用于量子計(jì)算機(jī)等量子電路的研發(fā)。

一種特別的量子點(diǎn)裝置是如圖3和圖5所示的電路，其中將一個(gè)空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件設(shè)置在另一個(gè)空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件旁，使得兩個(gè)空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件的柵極納米條帶(601)和(602)之間的距離為80-160nm，從而由一個(gè)空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件中歐姆接觸源極和歐姆接觸漏極之間的電流變化探測另一個(gè)空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件中的量子點(diǎn)的空穴填充狀態(tài)的變化。

也就是說，本發(fā)明也公開了一種空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)裝置，其包括兩個(gè)本發(fā)明的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件，分別為第一空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件和第二空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件，所述第一空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件和第二空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件共用非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片和絕緣層，各自具有納米柵極條帶、量子點(diǎn)小電極、歐姆接觸源極和漏極，兩條納米柵極條帶平行布置并且間距為80-160nm，第一空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件的量子點(diǎn)小電極限定的量子點(diǎn)區(qū)域與第二空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件的量子點(diǎn)小電極限定的量子點(diǎn)區(qū)域的距離為200nm以下。可選地，一個(gè)空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件包含兩個(gè)量子點(diǎn)小電極，另一個(gè)空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件包含三個(gè)量子點(diǎn)小電極。本文所稱的“量子點(diǎn)小電極限定的量子點(diǎn)區(qū)域”一般地指在二維空穴氣層面中兩個(gè)相鄰量子點(diǎn)小電極之間的區(qū)域，基本上是施加電壓后會(huì)形成量子點(diǎn)的區(qū)域。

一種使用本發(fā)明的空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)裝置的方法包括由第一空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件中歐姆接觸源極和歐姆接觸漏極之間的電流變化探測第二空穴型半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)器件中的量子點(diǎn)的空穴填充狀態(tài)的變化。

兩個(gè)頂層納米條帶金屬柵極可以分別形成量子點(diǎn)，彼此不相通。由于上下兩個(gè)條帶形成的兩個(gè)量子點(diǎn)彼此的距離只有80-160nm，兩個(gè)量子點(diǎn)中分別囚禁的空穴具有較強(qiáng)的庫侖相互作用(類似于正電荷于正電荷相互排斥)，如果量子點(diǎn)602進(jìn)入少空穴填充的庫侖震蕩區(qū)域(量子點(diǎn)中空穴已經(jīng)很少，通過改變量子點(diǎn)小電極，空穴一個(gè)一個(gè)排空)，另外一個(gè)量子點(diǎn)601還在多空穴填充狀態(tài)，利用空穴之間的相互作用，通過觀察量子點(diǎn)601通道中電流的變化可以知道量子點(diǎn)602中的空穴有沒有跳出量子點(diǎn)(量子點(diǎn)602中的空穴跳出量子點(diǎn)的會(huì)對應(yīng)于對量子點(diǎn)601中空穴的排斥作用減小，當(dāng)空穴跳出的一瞬間，量子點(diǎn)601中的電流會(huì)有一個(gè)上升的臺(tái)階，取微分值就可以獲得一個(gè)峰值)，從而完成量子點(diǎn)601對量子點(diǎn)602中空穴填充狀態(tài)的探測。兩者可以互換位置，彼此可以做為探測器探測對方的量子點(diǎn)狀態(tài)的探測器。

本發(fā)明還提供了非摻雜gaas/algaas半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)納米條帶電控量子點(diǎn)性質(zhì)表征的初步測量數(shù)據(jù)，用于表征我們所設(shè)計(jì)和制備的納米條帶量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)基本性質(zhì)，為基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的量子計(jì)算研究提供一種新的量子點(diǎn)材料和結(jié)構(gòu)體系。

如圖3和圖5所示，以納米條帶602下的量子點(diǎn)為例，通過在納米條帶金屬柵極602上施加負(fù)電壓，利用電場電勢可以在非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)下方按照納米條帶的形狀形成一個(gè)擁有空穴氣的一維納米尺度條帶通道，通過改變施加在金屬柵極上的負(fù)電壓大小可以獲得不同空穴載流子密度的納米尺寸導(dǎo)通條帶。柵極601下的情況也類似。如圖7所示，先將納米條帶量子點(diǎn)401上所有電極接地并將納米條帶金屬柵極601接地以避免對602下的量子點(diǎn)的干擾，隨后對納米條帶量子點(diǎn)402的三個(gè)電極施加相應(yīng)的負(fù)電壓約-0.5v。在納米條帶量子點(diǎn)602的源電極201上施加約50uv的交流激勵(lì)電壓，漏電極204接入鎖相放大器sr830中測量通道的輸運(yùn)信號(hào)，通過掃描納米條帶金屬柵極602上施加的柵極負(fù)電壓，可以看到到電壓值約為-1.7v時(shí)，納米條帶602的漏電極開始有電流，隨著頂層金屬柵極電壓的進(jìn)一步變負(fù)值，通道中的電流值逐漸增大至接近飽和，在納米條帶通道尺寸一定的條件下，施加在金屬柵極上的負(fù)電壓的絕對值的增大，增加了納米條帶通道空穴載流子的密度從而獲得了更大的導(dǎo)通電流。

如圖5所示，將納米條帶金屬柵極602上施加導(dǎo)通狀態(tài)的電壓，此時(shí)通過改變施加在402上三個(gè)電極的電壓可以獲得如702和703的兩個(gè)量子點(diǎn)，同理，在納米條帶601中同樣可以獲得量子點(diǎn)701。

如圖5所示，當(dāng)納米條帶金屬柵極602上施加電壓為-2.1v時(shí)，調(diào)到導(dǎo)通狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)電極402中三個(gè)電極上施加合適的電壓值范圍，可以在納米條帶上形成雙量子點(diǎn)702和703，通過進(jìn)一步施加在402三個(gè)電極中間電極的電壓進(jìn)一步變負(fù)，雙量子點(diǎn)702和703可以合到一起變成一個(gè)單量子點(diǎn)。詳細(xì)的調(diào)節(jié)過程如圖5和圖8所示，當(dāng)納米條帶金屬柵極602上施加電壓為-2.1v，量子點(diǎn)小電極402中的三個(gè)電極分別施加電壓為-0.5v，源電極201中的接入交流電壓50微伏，漏電極204接入鎖相放大器，可以測得通道中的電流約為1na。此時(shí)量子點(diǎn)小電極402中的三個(gè)電極l、m和r處形成三個(gè)勢壘，如圖8上圖所示。當(dāng)調(diào)節(jié)l、m和r三個(gè)電極的電壓大小時(shí)，對應(yīng)于電勢場能級(jí)即是調(diào)節(jié)三個(gè)電極處的勢壘高度，同時(shí)電極l和m可以調(diào)節(jié)量子點(diǎn)702的大小，兩個(gè)電極進(jìn)一步加大正電壓就是進(jìn)一步抬高勢壘，兩個(gè)勢壘的間距變小，量子點(diǎn)的大小變小，可以將量子點(diǎn)中的空穴一個(gè)個(gè)排出。同理電極r和m可以調(diào)節(jié)量子點(diǎn)703的大小，兩個(gè)電極進(jìn)一步加大正電壓就可以將量子點(diǎn)中的空穴一個(gè)個(gè)排出。在電極l和r電壓不變的條件下，通過將電極m的電壓進(jìn)一步變負(fù)，也就是進(jìn)一步降低電極m處的勢壘，使得左右量子點(diǎn)中的空穴可以隨意處于兩邊，當(dāng)中間電極電壓負(fù)到-1.0v左右時(shí)，m電極處的勢壘幾乎為零，此時(shí)的雙量子點(diǎn)702和703就變成了一個(gè)大的單量子點(diǎn)。如果通過掃描施加在量子點(diǎn)電極402中m電極上的電壓值變化，可以獲得如圖8所示的一系列量子點(diǎn)中空穴從源電極201經(jīng)過量子點(diǎn)輸運(yùn)到漏電極204中的庫侖峰震蕩過程。所謂的庫侖峰震蕩即為量子隧穿過程，在宏觀的經(jīng)典世界中，物體是不能穿過一個(gè)比自己高的勢壘的，但是在微觀的量子力學(xué)中，電子或者空穴載流子在勢阱的里面和外面都是概率分布的，電子或者空穴可以隧穿通過一定高度和寬度的勢壘，不同的勢壘高度和寬度，可以示意電子或者空穴不同的隧穿幾率，也可以表示其在勢阱里面和勢阱外面分布幾率。

圖7和圖9所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表明我們設(shè)計(jì)和制備的納米條帶量子點(diǎn)可以很好地工作并且有著優(yōu)秀的樣品性能。因此，可以逐個(gè)地精確控制量子點(diǎn)中的空穴數(shù)量，當(dāng)量子點(diǎn)中的空穴排到最后一個(gè)空穴時(shí)，通過施加平行于二維空穴氣層的磁場，讓自旋向上和向下的兩個(gè)空穴狀態(tài)分別編碼量子比特的0和1，即形成了空穴型量子比特。使用電脈沖和微波可以對其進(jìn)行量子比特操控。此外如上所述使用另外一個(gè)量子點(diǎn)作為探測器進(jìn)行探測，相當(dāng)于制備了一個(gè)帶探測器的空穴自旋量子比特芯片器件。本發(fā)明為后續(xù)量子比特制備與操控和量子計(jì)算研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。