微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置的制作方法

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置。

背景技术：

随着半导体产业的不断发展，芯片尺度不断缩小，半导体芯片已经进入纳米级量级，量子效应已经成为不可忽视的因素，影响着芯片运算工作的精准性和稳定性，并且衍生出量子芯片。目前，科学家已经在砷化镓、硅、锗硅核壳型纳米线、铟砷纳米线、石墨烯、碳纳米管和铟锑纳米线等多种半导体材料体系上制备出量子点为基础的单个量子比特，即量子芯片的基本单元。

在非掺杂硅基片上利用分子外延生长技术生长的自组织锗硅纳米线是一种一维纳米结构的新型半导体材料，以空穴为载流子，比其他以电子为载流子的半导体材料有相对更大的自旋轨道耦合强度，提升了量子比特的操控速度，并且，由于没有超精细相互作用的影响，自组织锗硅纳米线自旋量子比特拥有更长的退相干时间，提升了量子比特的操控时间以及操控次数。另外，传统的锗硅核壳型纳米线的横截面是圆形的，自组织锗硅纳米线的横截面则是三角形，导致了自组织锗硅纳米线中的超精细相互作用是非伊辛型，进一步提升了自旋退相干时间。传统的锗硅核壳型纳米线需要转移到基片上，需要大量的时间去精确转移和定位锗硅核壳型纳米线，很难用于未来高集成度的量子芯片的研发，而自组织锗硅纳米线则是直接生长在基片上，无需转移步骤，并且能生长出位置可控的自组织锗硅纳米线阵列，可以用于未来高集成度的量子芯片的研发。因此，在量子计算机领域，具有良好的应用前景。

基于量子芯片的量子计算在特定问题上的效率和速度优于经典计算机，量子计算机的高效率并行计算能力随着量子比特数目的增加呈现指数增加的趋势。但是因为迄今为止备出的量子芯片上的量子比特数目有限，所以目前量子芯片的计算能力也有限。通过直接耦合的方式耦合多个量子点会随着量子点间距离的增加，耦合强度迅速减弱，因此很难用于量子芯片的大规模集成和扩展。

超导微波谐振腔被认为是一种耦合多个量子点的量子数据总线的有效方案。该方案以谐振腔中的微波和量子点的相互作用为基础，将多个量子点放置在同一个超导微波谐振腔的不同位置，每个量子点均和谐振腔建立有效耦合。量子点的等效电容的变化会引起微波信号频率的移动，量子点的等效电阻的变化会引起微波信号频率的展宽，所以量子点的状态的变化会引发微波的电磁场的变化。反过来，微波的电磁场的变化会影响到另一个量子点，导致另一个量子点的状态的变化。从而，两个量子点就可以以微波为传输媒介耦合到一起，而且谐振腔的微波传输线采用超导材质，如铝、铌等，在谐振腔中的能量损耗很小，能够进行长距离耦合。因此，超导微波谐振腔能够作为量子数据总线用于量子芯片的扩展和集成。

技术实现要素：

本发明的目的是基于超导微波谐振腔的微波信号和量子点的相互作用，量子点的状态的变化会改变谐振腔内微波的电磁场，谐振腔内微波的电磁场的变化会引起另外的量子点的变化，设计出一种微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置。通过谐振腔内的微波做传输媒介，能够将多个量子点耦合在一起，为构建可扩展的量子芯片提供量子数据总线的方案。

有鉴于此，本发明提供了一种微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，该装置包括：

基片结构；

至少两个自组织锗硅纳米线量子点电极结构，制备在上述基片结构上；

以及微波谐振腔结构，设置在上述基片结构上，并与上述自组织锗硅纳米线量子点源电极结构耦合。

其中：

基片结构包括：

硅衬底；

硅缓冲层，形成于该硅衬底上；

锗层，生长于该硅缓冲层上；

以及硅包覆层和该硅包覆层自然氧化形成的二氧化硅层，生长在所述锗层上作为外壳，，锗层与硅包覆层实现纳米线锗内核的制备。

进一步的，该基片结构上形成有自组织锗硅纳米线，包括：

上述纳米线锗内核，形成于基片结构的锗层之中；

纳米线硅盖帽层，形成于基片结构的硅包覆层之中；

以及纳米线二氧化硅保护层，形成于上述硅包覆层中；

该纳米线锗内核、纳米线硅盖帽层与纳米线二氧化硅保护层形成自组织锗硅纳米线。

更进一步的，包括：

上述自组织锗硅纳米线，形成于基片结构上；

源电极和漏电极，设置与该自组织锗硅纳米线相连；

栅极电极，位于锗硅纳米线顶部，通过一层绝缘层与该锗硅纳米线隔绝；

该自组织锗硅纳米线、源电极、漏电极和栅极电极，以及该栅极电极形成的量子点构成自组织锗硅纳米线量子点结构。

又有，各个自组织锗硅纳米线量子点电极结构包括：

上述自组织锗硅纳米线量子点结构，设置于上述基片结构上；

源大电极，设置于上述基片结构上，并连接该自组织锗硅纳米线量子点结构的源电极；

漏大电极，设置于上述基片结构上，并连接该自组织锗硅纳米线量子点结构的漏电极；

以及栅极大电极，设置于上述基片结构上，并连接该自组织锗硅纳米线量子点结构的栅极电极。

另有，微波谐振腔结构包括：

平行放置的两条微波传输线，该微波传输线为条带状，设置在上述基片结构上，与上述自组织锗硅纳米线量子点源电极结构耦合；

微波输入输出电板，设置于上述基片结构上，实现微波信号的输入和输出；

齿耦合电容，该齿耦合电容为平行电极形成的电容，设置于上述基片结构上；

以及直流电压接入电极，设置于上述基片结构上，并与上述微波传输线的中间部分相连。

进一步的，微波传输线通过齿耦合电容和微波输入输出电板相连。

进一步的，微波谐振腔中的微波传输线的任意一端与自组织锗硅纳米线量子点电极结构的源大电极相连。

进一步的，两条微波传输线的长度为所要测量的微波波长的一半，且在两条微波传输线之间形成稳定的电磁场，形成该微波传输线两端为微波谐振腔的微波波腹位置，中间为微波谐振腔的微波波节位置；

自组织锗硅纳米线量子点电极结构设置于上述微波谐振腔的微波波腹处；

直流电压接入电极设置于上述微波谐振腔的微波波节处。

更进一步的，微波谐振腔的材质为铝，厚度为100-150nm。

本发明的优点在于：

(1)本发明的超导微波谐振腔耦合多个自组织锗硅纳米线量子点的装置，超导微波谐振腔中的微波能够作为传输介质将多个量子点耦合到一起，实现量子数据总线的功能；

(2)自组织锗硅纳米线量子点结构以及超导微波谐振腔结构都是通过半导体微纳加工工艺制备，其工艺相对简单并且稳定；

(3)自组织锗硅纳米线用于较强的自旋轨道耦合强度、较长的自旋退相干时间，以自组织锗硅纳米线量子点为基础可以制备优良的量子比特；

(4)谐振腔的微波传输线采用超导材质，如铝、铌等，微波在谐振腔中的能量损耗很小，能够进行长距离耦合。

附图说明

图1为本发明一实施例自组织锗硅纳米线基片结构垂直于纳米线方向的侧视图；

图2为本发明一实施例自组织锗硅纳米线双量子点电极结构的整体俯视图，插图为量子点区域放大图；

图3为本发明一实施例自组织锗硅纳米线双量子点结构的俯视图；

图4为本发明图3自组织锗硅纳米线双量子点结构的正视图；

图5为本发明一实施例超导微波谐振腔耦和自组织锗硅纳米线双量子点结构的整体俯视图。

图中：

重掺杂硅衬底100硅缓冲层101锗层102

硅包覆层103二氧化硅层104纳米线锗内核层105

纳米线硅盖帽层106纳米线二氧化硅保护层107

源大电极201漏大电极202

大号标记203小号标记204

绝缘层300

栅极大电极401、402、403、404、405

源电极501漏电极502

栅极电极601、602、603、604、605

左量子点701右量子点702

微波传输线801微波输入输出电板802

齿电容803直流电压接入电极804

具体实施方式

为了更加清楚地描述本发明，下面结合具体附图对本发明进行详细的介绍。

本发明一实施例提供了一种微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，该装置包括：

基片结构；

一些实施例中，该基片结构包括：

硅衬底；

硅缓冲层，形成于该硅衬底上；

锗层，生长于该硅缓冲层上；

以及硅包覆层和该硅包覆层自然氧化形成的二氧化硅层，生长在所述锗层上作为外壳，锗层与该硅包覆层实现纳米线锗内核的制备。

本实施例中，请参照图1，为基片结构的侧视图，基片结构从下至上依次为：

重掺杂硅衬底100，厚度是300nm-800nm，优选地为500nm；

硅缓冲层101，厚度为90nm-150nm，优选地为120nm；

锗层102，厚度为0.2nm-0.8nm，优选地为0.5nm；

硅包覆层103，厚度为2nm-5nm，优选地为2.8nm；

二氧化硅层104，厚度为2-10nm，优选地为4nm。

一些实施例中，该基片结构上形成有自组织锗硅纳米线，包括：

上述纳米线锗内核，形成于基片结构的锗层之中；

纳米线硅盖帽层，形成于基片结构的硅包覆层之中；

以及纳米线二氧化硅保护层，形成于上述硅包覆层中；

该纳米线锗内核、纳米线硅盖帽层与纳米线二氧化硅保护层形成自组织锗硅纳米线。

本实施例中，再请参照图1，在上述基础基片结构基础上，再利用stranski-krastanow模式形成横截面为三角形的自组织硅锗纳米晶结构，具体包括纳米线锗内核层105、纳米线硅盖帽层106和纳米线二氧化硅保护层107。

基于上述实施例，本发明提供的该微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，还包括：

至少两个自组织锗硅纳米线量子点电极结构，制备在上述基片结构上，请参照图2至图4。

其中，请参照图2，各个自组织锗硅纳米线量子点电极结构包括：

上述自组织锗硅纳米线量子点结构，设置于上述基片结构上，详细的请参照图3和图4，该自组织锗硅纳米线量子点结构包括：

上述自组织锗硅纳米线，形成于基片结构上；

源电极501和漏电极502，设置与该自组织锗硅纳米线相连；

栅极电极601-605，通过一层绝缘层300与该锗硅纳米线隔绝；

该自组织锗硅纳米线、源电极501、漏电极502和栅极电极601-605，以及该栅极电极形成的量子点构成自组织锗硅纳米线量子点结构。

本实施例中，通过在栅极大电极401-405，在自组织锗硅纳米线中形成双量子点结构，每个双量子点包括左量子点701和右量子点702。

源大电极201，设置于上述基片结构上，并连接该自组织锗硅纳米线量子点结构的源电极501；

漏大电极202，设置于上述基片结构上，并连接该自组织锗硅纳米线量子点结构的漏电极502；

以及栅极大电极401-405，设置于上述基片结构上，并连接该自组织锗硅纳米线量子点结构的栅极电极601-605。

本实施例中，上述自组织锗硅纳米线双量子点电极结构通过半导体微纳加工工艺设置在上述基片结构上。

基于以上实施例，本发明提供的该微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，还包括：

微波谐振腔结构，设置在上述基片结构上，并与上述自组织锗硅纳米线双量子点源电极结构耦合。

本实施例中，请参照图5，超导微波谐振腔结构通过半导体微纳加工工艺设置在上述基片结构上。

由图5所示，该微波谐振腔结构包括：

平行放置的两条微波传输线801，该微波传输线为条带状，设置在上述基片结构上，与上述自组织锗硅纳米线量子点源电极结构耦合；

微波输入输出电板802，设置于上述基片结构上，实现微波信号的输入和输出；

齿耦合电容803，该齿耦合电容为平行电极形成的电容，设置于上述基片结构上，在本实施例中，通过调节该电容的间距和正对面积可以调节超导微波谐振腔的品质因子；

以及直流电压接入电极804，设置于上述基片结构上，并与上述微波传输线的中间部分相连。

进一步的，基于以上实施例，还表现为：

微波传输线801通过齿耦合电容803和微波输入输出电板802相连；

微波谐振腔中的微波传输线801的任意一端与自组织锗硅纳米线量子点电极结构的源大电极201相连，实现超导微波谐振腔和自组织锗硅纳米线双量子点之间的耦合；

本实施例中，超导微波传输线801用于施加的差分信号在传输线之间形成微波电磁场，该微波电磁场造成该微波传输线801两端位置电磁场强度最大，该位置即为微波谐振腔的微波波腹位置，自组织锗硅纳米线双量子点电极结构的源大电极201，实现超导微波谐振腔和自组织锗硅纳米线双量子点之间的耦合；

一些实施例中，两条微波传输线的长度为所要测量的微波波长的一半，且在两条微波传输线之间形成稳定的电磁场，形成该微波传输线两端为微波谐振腔的微波波腹位置，中间为微波谐振腔的微波波节位置；

自组织锗硅纳米线量子点电极结构设置于上述微波谐振腔的微波波腹处；

直流电压接入电极804设置于上述微波谐振腔的微波波节处；

本实施例中，超导微波传输线801用于施加的差分信号在传输线之间形成微波电磁场，该微波电磁场造成该微波传输线801中间位置电磁场强度为零，该位置即为微波谐振腔的微波波节位置，在此连接上述直流电压输入电极，实现源电极上偏置电压的输入。

一些实施例中，该微波谐振腔的材质为铝，厚度为100-150nm，本实施例中，优选为120nm。

针对上述提到的微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线双量子点装置的基本结构，本发明另一实施例提供了该装置中上述基本结构的制备方法，其基本结构均基于上述基片结构(图1)的基础上完成制备。

其中，请参照图2-图4，上述实施例中自组织锗硅纳米线双量子点电极结构的制备步骤主要包括：

首先对基片清洗进行预处理。依次利用丙酮(ace)、异丙醇(ipa)和去离子水各清洗基片各1min，清洗期间优选使用超声仪震荡。

在上述基片的纳米线结构上，通过匀电子束胶、烤胶、电子束曝光、显影、电子束镀膜和金属剥离，制备牵引电极，包括源大电极201和漏大电极202，以及用于校准的大号标记203以及小号标记204；

其中牵引电极为150μm×150μm的正方形电极以及宽度为5μm的条带；大号标记为长度为30μm，宽度为10μm的两个十字交叉图案，用于套刻小号标记；小号标记为长度为100nm，宽度为10nm的两个十字交叉图案，用于精确定位纳米线以及套刻电极；牵引电极和大号标记以及小号标记材质钛/金，厚度为5/45nm；

通过扫描电子显微镜利用上述小号标记204精确定位纳米线位置。

通过电子束曝光利用上述小号标记204校准并制备出双量子点的源电极501和漏电极502电子束胶掩膜；

利用浓度为20％的稀释氢氟酸溶剂刻蚀源电极501和漏电极502区域的自组织锗硅纳米线的二氧化硅层107，刻蚀时间12-30s，优选18s；

通过电子束镀膜、金属剥离制备双量子点的源电极501和漏电极502的金属电极；

通过原子层生长技术生长绝缘层300，用于隔绝锗硅纳米线和栅极电极。本实施例中，绝缘层材质采用三氧化二铝或者氧化铪，厚度为15-40nm，优选30nm；

通过匀电子束胶、烤胶、电子束曝光、显影、电子束镀膜和金属剥离，利用小号标记套刻栅极电极601、602、603、604和605，栅极大电极401、402、403、404和405；

本实施例中，栅极电极601、602、603、604和605是条带金属，宽度为20-40nm，优选30nm，间距为20-40nm，优选30nm。栅极大电极401、402、403、404和405为宽度为150μm的正方形电极以及宽度为5μm的条带。栅极电极和栅极大电极的材质均采用钛和钯，钛的厚度为2-5nm，优选3nm，钯的厚度为20-30nm，优选25nm。

通过在栅极大电极401-405在自组织锗硅纳米线中形成双量子点结构，每个双量子点包括左量子点701和右量子点702；

上述自组织锗硅纳米线双量子点结构通过半导体微纳加工工艺设置在基片结构上，完成制备。请参照图5，提供了上述微波谐振腔的制备步骤，基于上述自组织锗硅纳米线双量子点电极结构在基片结构制备完成的条件下，主要包括：

在基片上将自组织锗硅纳米线双量子点电极结构的源大电极201区域的绝缘层300刻蚀干净，刻蚀掉三氧化二铝或者氧化铪，用于源电极和超导微波谐振腔的接触和耦合，刻蚀窗口为边长为5μm正方形；

通过匀光刻胶、烤胶、紫外光刻、显影、热蒸发镀膜、金属剥离，利用大号标记校准和套刻超导微波谐振腔，该超导微波谐振腔包括超导微波传输线801、微波输入输出电板802、齿耦合电容803、以及直流电压输入电极804。

其中，超导微波传输线801的长度为12.5mm，宽度为5μm的条带，形成半波长微波谐振腔，用于建立稳定的微波电磁场。

微波输入输出电板802为长为2mm宽为0.5mm的条带，用于微波的输入和输出。

齿耦合电容803为平行电极形成的电容，通过调节电容的间距和正对面积可以调节超导微波谐振腔的品质因子。

直流电压输入电极804为边长为150μm的正方形金属和5μm的条带，位于超导微波谐振腔微波波节处，即电磁场强度为零的位置，用于和量子点源电极相连。

该制备过程中，超导微波谐振腔的材质采用在低温下有超导特性的铝，厚度为100-150nm，优选120nm。

最后，该超导微波谐振腔结构通过半导体微纳加工工艺设置在基片结构上。

基于以上实施例，本发明还提供了一种基于该微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线双量子点装置的测量电路方案，其测量电路主要包括偏置电压、栅极电压、数字万用表和网络分析仪。

偏置电压施加在超导微波谐振腔的直流电压输入电极804上，用于施加源漏偏置电压。直流电压输入电极通过超导微波传输线801、直流源大电极201与双量子点的源电极上501相连；

数字万用表施加在漏大电极202上，用于测量输运电流；

栅极电压施加在栅极大电极401、402、403、404和405上，用于调节双量子点的状态。栅极大电极对应的栅极电极601、602、603、604和605包括左势垒电极601、左推杆牵引电极602、中间推杆电极603、右推杆电极604和右势垒电极605，形成左量子点701和右量子点702的双量子点结构，势垒电极用于调节量子点和源电极和漏电极之间的势垒，推杆电极用于调节左量子点和右量子点的能级，中间推杆电极用于调节左量子点701和右量子点702之间的耦合；

网络分析仪的输入和输出接入ac板802并通过齿电容803耦合到两个谐振腔的微波传输线801，用于测量反射的微波信号。

以上所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方案进行的描述，并非对本发明的范围进行了限定，在不脱离本发明设计精神的基础上，本领域的技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求的保护范围内。