本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种电子型的法布里-珀罗干涉器件的设计及制备方法。
背景技术
拓扑量子计算利用多体系统中的拓扑量子态来存储和操控量子信息，具有内在的容错能力，给量子计算的物理实现带来了希望，也促进了我们对物质拓扑量子行为的探索。在凝聚态物理领域，寻找可以用于拓扑量子计算的非阿贝尔准粒子已经成为一个非常大的热点问题。二维电子气(two-dimensionalelectrongas,2deg)是指电子可以在二维平面内自由移动，而在第三维度上受到限制的现象。它是许多场效应器件(例如mosfet、hemt)工作的基础。理论上，在具有超高迁移率的二维电子气中，5/2分数态的激发态的准粒子是符合非阿贝尔统计规律的。服从非阿贝尔统计的5/2态的准粒子可能可以用于拓扑量子计算，它有望解决量子计算中的核心困难退相干问题，因而，5/2态的研究在近10年得到了比较多的关注。
5/2态的准粒子的一个重要特性是有效电荷为e/4，其中，e表示电子电荷。理论上提出，可以制备法布里-珀罗干涉器，通过边缘态的ab干涉效应，来得到5/2态的准粒子的有效电荷。当然，要想进一步确认5/2态的准粒子满足非阿贝尔统计规律，还需要辫子操作等进行简并基态之间的转变，而复杂的辫子操作也是以法布里-珀罗干涉器件(fpqhi)为基本模块来实现的。所以fpqhi的制备和研究至关重要。
但是，目前国际上只有很少的实验组通过fpqhi测量到5/2态的ab干涉图样，其中，现有技术中的fpqhi工艺复杂，制备成本高。
因此，目前迫切需要制备一种优化的fpqhi，解决现有技术中所存在的上述问题。
技术实现要素：
本发明的一个目的是为了解决现有技术中法布里-珀罗干涉器件工艺复杂，制备成本高等问题，提供了一种优化的法布里-珀罗干涉器件。
本发明另一个目的是提供一种应用于法布里-珀罗干涉器件的制备方法，降低制备成本，节省时间。
特别地，本发明提供了一种电子型的法布里-珀罗干涉器件，包括用于探测边缘态的干涉信号的测量单元以及独立设置于所述样品的预设区域处的表征单元，所述表征单元用于表征样品的特性，其中，所述测量单元包括：
样品，为异质结材料，在预设区域内具有平整的上表面，所述样品具有导电层；
第一导电通道，通过刻蚀所述样品形成在所述预设区域内并具有预定的霍尔条形状，与所述样品为一体式结构，用于导通电流，所述第一导电通道的图案为长方形；
多个欧姆接触，与所述样品相接触，分布于所述第一导电通道的周围，用于作为导电电极，所述多个欧姆接触分为第一组欧姆接触和第二组欧姆接触，所述第一组欧姆接触中包含四个所述欧姆接触，为第一至第四欧姆接触，分别连接于所述第一导电通道的长方形图案的四个顶点与所述导电层相接触，所述第二组欧姆接触中包含六个所述欧姆接触，为第五至第十欧姆接触，对称分布于所述第一导电通道的长方形图案中相对的两侧且不与所述导电通道相连；和
三对顶门结构，位于所述第一导电通道上表面中心处，分别与所述第五至第十欧姆接触相连，形成干涉器件的核心部分，可以产生周期性的干涉振荡，改变所述样品的特性。
进一步地，所述表征单元包括：
第二导电通道，与所述样品为一体式结构，通过刻蚀所述样品制成，独立于所述第一导电通道并具有预定的霍尔条形状；
第三组欧姆接触，位于所述样品的预设区域内，与所述第二导电通道相连，用于作为导电电极；
优选地，所述第二导电通道土字形，具有五个引脚，所述第三组欧姆接触包括五个所述欧姆接触，分别与所述第二导电通道的五个引脚相连。
进一步地，所述第一组欧姆接触用于作为源极、漏极和测量电极。
进一步地，每对顶门结构包括一对顶门和与所述顶门对应连接的内部电极，所述每对顶门结构的内部电极分别对应连接于所述第二组欧姆接触。
进一步地，所述三对所述顶门依次排列，分别为第一顶门、第二顶门和第三顶门，其中，所述第一顶门和所述第三顶门为量子点接触(qpc)，所述第二顶门为边门，三对所述顶门形成中心区域；
优选地，通过调节所述边门可以改变所述中心区域的面积。
进一步地，还包括用于电子束曝光的定位和调节聚焦像散的对准标记；
优选地，所述对准标记数量为四个，分别位于所述第一导电通道的四个顶点；
优选地，所述对准标记为十字结构，与所述第一导电通道等高。
特别地，本发明还提供了一种应用于法布里-珀罗干涉器件的制备方法，包括：
s1，采用紫外曝光技术在样品上制备所述欧姆接触，得到第一样品；
s2，采用紫外曝光技术在所述第一样品上制备所述第一导电通道，得到第二样品；
s3，采用电子束曝光技术在所述第一导电通道的上表面制备顶门结构。
进一步地，所述s1包括：
步骤101，将所述样品切割成预设结构，对所述样品进行表面清洗；
步骤102，在所述样品表面旋涂光刻胶；
步骤103，采用紫外光刻机曝光出欧姆接触的图案；
步骤104，对所述样品进行显影和定影；
步骤105，采用等离子体清洗曝光区域的残胶；
步骤106，采用电子束镀膜机镀膜；
步骤107，将所述样品泡在去胶液中进行去胶；
步骤108，清洗所述样品，并将其进行退火，得到所述第一样品；
优选地，在所述步骤103中，所述欧姆接触的图案包括第一组欧姆接触、第二组欧姆接触和第三组欧姆接触的图案。
进一步地，所述s2包括：
步骤201，清洗所述第一样品，在其表面旋涂光刻胶；
步骤202，用紫外光刻机曝光第一导电通道的图案；
步骤203，对所述第一样品进行显影和定影；
步骤204，刻蚀所述第一样品，得到所述第一导电通道；
步骤205，将所述第一样品泡在去胶液中进行去胶，得到所述第二样品；
优选地，在所述步骤202中，用紫外光刻机曝光需要套刻的第一导电通道的图案和第二导电通道的图案。
进一步地，所述s3包括：
步骤301，将所述第二样品旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯；
步骤302，使用电子束曝光得到所述三对顶门结构；
步骤303，对所述第二样品进行显影和定影；
步骤304，采用电子束镀膜机镀膜；
步骤305，将所述第二样品泡在去胶液中进行去胶，得到法布里-珀罗干涉器件；
步骤306，清洗所述干涉器件，制备完成。
本发明的法布里-珀罗干涉器件，在同一个样品上设计了两个独立的单元，测量单元用于干涉信号的测量，表征单元用于基本的样品表征，优化了干涉器件的结构，降低了制备成本。
进一步地，本发明的一种电子型的法布里-珀罗干涉器件制备方法，考虑了整个器件制备的时间和成本消耗，利用了紫外曝光时间短、操作简单的优势，将电子束曝光中的某些大电极放到紫外曝光中，节省了电子束曝光的时间，降低了制备成本。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是光学显微镜下根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件的器件图；
图2是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件中用于紫外曝光的欧姆接触的掩膜板图案；
图3是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件中用于紫外曝光的导电通道的掩膜版图案；
图4是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件中样品的纵向方向的示意性结构图；
图5是根据本发明一个实施例的样品在制备欧姆接触后经刻蚀形成导电通道后的纵向方向的示意性结构图；
图6是光学显微镜下根据本发明一个实施例的样品在制备欧姆接触后经刻蚀形成导电通道的器件图；
图7是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件中用于电子束曝光的顶门结构的示意性结构图；
图8是光学显微镜下根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件的中心区域的原子力显微镜图；
图9是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件的中心区域的工作原理图；
图10是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件的制备方法的示意性流程图。
图中各符号表示含义如下：
1、样品，
11、导电层，12、gaas衬底，13、algaas空间层，14、algaas层，15、gaas盖帽层，16、硅掺杂层
2、导电通道，
21、第一导电通道，22、第二导电通道，
3、欧姆接触，
31、第一组欧姆接触，311、第一欧姆接触，312、第二欧姆接触，313、第三欧姆接触，314、第四欧姆接触，
32、第二组欧姆接触，321、第五欧姆接触，322、第六欧姆接触，323、第七欧姆接触，324、第八欧姆接触，325、第九欧姆接触，326、第十欧姆接触，
33、第三组欧姆接触，331、第十一欧姆接触，332、第十二欧姆接触，333、第十三欧姆接触，334、第十四欧姆接触，335、第十五欧姆接触，
4、顶门结构，
41、第一对顶门结构，411、第一顶门，412、第一内部电极，
42、第二对顶门结构，421、第二顶门，422、第二内部电极，
43、第三对顶门结构，431、第三顶门，432、第三内部电极，
5、对准标记。
具体实施方式
图1是光学显微镜下根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件的器件图。如图1所示，一种电子型的法布里-珀罗干涉器件，包括用于探测边缘态的干涉信号的测量单元以及独立设置于样品1的预设区域处的表征单元，表征单元用于表征样品1的特性。所述测量单元包括样品1、导电通道2、欧姆接触3和顶门结构4。欧姆接触3上的黑色物质为测量样品1时为了连金线所涂的铟。亮黄色部分是电子束曝光的图案，即顶门结构4。
图4是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件中样品1的纵向方向的示意性结构图。如图所示，样品1为异质结材料，在预设区域内具有平整的上表面，异质结材料具有导电层11。在本发明的一个实施例中，样品1的结构中从下到上依次为不掺杂的gaas衬底12、导电层11、algaas空间层13、algaas层14和表面的gaas盖帽层15，13和14之间有非常薄的硅掺杂层16。导电层11为具有高迁移率的二维电子气结构，其中存在载流子，用于参与运输。
图3是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件中导电通道的示意性结构图。如图3所示，导电通道2(参见图1)包括第一导电通道21。第一导电通道21位于样品1的预设区域内并具有预定的霍尔条形状，通过刻蚀样品1制成，与样品1为一体式结构，用于导通电流。第一导电凸台21的图案可以为长方形，还可以为其他可以达到其功能的形状。
图2是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件中欧姆接触的示意性结构图。如图2所示，器件包括多个欧姆接触3。每个欧姆接触3与所述样品1相接触，分布于第一导电通道21(参见图3)的周围，用于作为导电电极。欧姆接触3分为第一组欧姆接触31和第二组欧姆接触32。第一组欧姆接触31中包含四个所述欧姆接触，为第一至第四欧姆接触311、312、313、314，它们分别连接于所述长方形的四个引脚与所述导电层11(参见图4)相接触。
第一组欧姆接触31用于作为源极、漏极和测量电极。源、漏电极主要是电流的注入端和接地端。测量电极主要是用来测量电压信号，换算成电阻值，从而在纵向电阻和霍尔电阻上观察干涉信号。干涉的边缘态主要发生在第一导电通道21(参见图3)的边缘。如果测量纵向电阻，则电流从第四欧姆接触314进入，第二欧姆接触312接地，测第一欧姆接触311和第三欧姆接触313之间的电压；如果测量霍尔信号，则电流从第四欧姆触314接进入，第三欧姆接触313接地，测量第一欧姆接触311和第二欧姆接触312之间的电压。纵向电阻的两个测量端是平行于电流方向，而霍尔电阻或者说是对角电阻的两个测量端是垂直于电流方向的。可以理解的是，第一组欧姆接触31不限于只有四个欧姆接触3，还可以有其他数量的欧姆接触3。
如图2所示，第二组欧姆接触32中包含六个欧姆接触3，为第五至第十欧姆接触321、322、323、324、325、326，对称分布于长方形相对的两侧且不与导电通道2(参见图3)相连。第二组欧姆接触32用于电子束曝光得到的顶门结构4(参见图7)的外部电极。
图7是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件中顶门结构的示意性结构图。如图7所示，还可以参见图3，顶门结构4数量为三对，位于所述第一导电通道21(参见图3)上表面中心处，分别与第五至第十欧姆接触321、322、323、324、325、326(参见图2)相连，形成干涉器件的核心部分，可以产生周期性的干涉振荡，改变所述样品1的特性。每对顶门结构4包括一对顶门和与顶门对应连接的内部电极。内部电极分别对应连接于第二组欧姆接触32，其中，第一内部电极412与第五欧姆接触321和第八欧姆接触324相连，第二内部电极422与第六欧姆接触322和第九欧姆接触325相连，第三内部电极432与第七欧姆接触323和第十欧姆接触326相连，参见图1。为了便于实验的测量，顶门结构4之间均相互独立，内部电极为非对称的电极结构。非对称的电极结构可以减少加上门电压之后的样品1的方块数目，从而可以减少纵向电阻的大小。
图5是根据本发明一个实施例的样品1在制备欧姆接触后经刻蚀形成导电通道后的纵向方向的示意性结构图。如图5所示，在成功制备欧姆接触的样品1上，通过刻蚀工艺刻蚀掉部分样品1以形成导电通道2，其中，导电通道2为未被刻蚀的部分。导电通道2包括导电层11、algaas空间层13、硅掺杂层16、algaas层14和表面的gaas盖帽层15。由于导电层11的存在，导电通道2可以成为输运通道。被刻蚀掉的部分样品1中不含有导电层11，因此不能构成输运通道。图6是光学显微镜下根据本发明一个实施例的样品1在制备欧姆接触后经刻蚀形成导电通道的器件图。如图6所示，还可以参见图2，第一组欧姆接触31与第一导电通道21相连，第二组欧姆接触32和第一导电通道21之间的导电层11被刻蚀掉。
图8是光学显微镜下根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件的中心区域的原子力显微镜图。图9是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件的中心区域的工作原理图。如图9所示，三对顶门依次排列，分别为第一顶门411、第二顶门421和第三顶门431，其中，所述第一顶门411和所述第三顶门431为量子点接触(qpc)，所述第二顶门421为边门，三对顶门形成中心区域。通过调节边门改变中心区域的面积a。在一个优选实施例中，量子点接触(qpc)之间的间隔为400nm，边门之间的间隔为2.2μm，两个量子点接触(qpc)之间的水平距离为1.5μm。
二维电子气在比较高的垂直磁场和较低的温度下，会形成无耗散、无能隙的边缘态，而体态是有能隙的绝缘态。当干涉器件被定义好之后，二维体系在高磁场下会形成量子霍尔边缘态，如图9的带箭头的黑色虚线。当边缘态从左下角的电极出来经过左边的量子点接触(qpc)时，会有一定的几率t1发生散射到对面的边缘态，而通过的边缘态继续向前传输，直到遇到右边的qpc，此时也会有一定的几率t2发生散射，t2环绕中心区域一周之后会在与t1发生干涉，当改变中心区域的磁通时，便会产生周期性的干涉振荡，这就是所谓的aharonov-bohm效应。因为每改变一个磁通量子h/e*，干涉相位变化2π，所以可以通过干涉振荡的周期得到准粒子的有效电荷e*。
采用本发明的法布里-珀罗干涉器件，通过优化顶门结构4产生周期性的干涉振荡，从而得到准粒子的有效电荷e*。该干涉器件还在同一个样品上设计了表征单元，其用于基本的样品表征。本发明的法布里-珀罗干涉器件不仅结构简单，而且制备成本低。
本发明还提供了一种用于制备法布里-珀罗干涉器件的制备方法。图10是根据本发明一个实施例的法布里-珀罗干涉器件的制备方法的示意性流程图。如图10所示，本发明所涉及的器件制备流程如下：
s1，采用紫外曝光技术在样品1上制备欧姆接触，得到第一样品1(参见图1)；
s2，采用紫外曝光技术在所述第一样品1上制备第一导电通道21(参见图3)，得到第二样品1；
s3，采用电子束曝光技术在所述第一导电通道21的上表面制备顶门结构4(参见图1)。
器件具体制备流程如下：
s1欧姆接触3(参见图1)的制备，其中又包括如下步骤，
1.利用紫外光刻曝光欧姆接触3区域；
2.利用等离子体清洗曝光区域，减少残胶，改善接触；
3.在电子束镀膜机中镀膜；
4.利用实验室自制的快速退火炉进行退火。
s2制备第一导电通道21即套刻霍尔条(hallbar)，其中又包括如下步骤，1.紫外光刻曝光hallbar图案；
2.进行湿法刻蚀，刻掉曝光区域。
s3制备顶门，其中又包括如下步骤，
1.在经过步骤二的干净的样品1表面甩一层pmma胶之后，再甩一层导电胶，因为gaas材料的导电性并不是很好，这样可以增加样品1的导电性，从而更有利于精细结构的曝光；
2.利用电子束光刻进行如图7所示的曝光；
3.利用电子束镀膜机进行金属沉积。
进一步地，本发明的提供的一种电子型的法布里-珀罗干涉器件制备方法，考虑了整个器件制备的时间和成本消耗，利用了紫外曝光时间短、操作简单的优势，将电子束曝光中的某些大电极放到紫外曝光中，节省了电子束曝光的时间，降低了制备成本。
在本发明的另一个实施例中，法布里-珀罗干涉器件还包括独立设置于样品1的预设区域处的表征单元，用于表征样品1的特性。表征单元和测量单元为两个完全独立的部分。两者之间是有刻蚀掉的区域隔开的，不会有载流子通过。如图3所示，表征单元包括第二导电通道22和第三组欧姆33接触。第二导电通道22与样品1为一体式结构，通过刻蚀样品1制成，独立于所述第一导电通道21并具有预定的霍尔条形状。第二导电通道22可以为土字形，具有五个引脚。第三组欧姆33接触位于样品1的预设区域内，与所述第二导电通道22相连，用于作为导电电极。第三组欧姆33接触包括五个欧姆接触331、332、333、334、335，分别与第二导电通道22的五个引脚相连。
可以理解的是，表征材料电学特性的基本参数主要就是载流子的浓度n和迁移率μ，这个可以通过测量材料的纵向电阻rxx(rl)和霍尔电阻rxy(rh)来得到，测量方法为一般的霍尔效应和量子霍尔效应，此处不再详述。迁移率μ＝1/ρ0ne，ρ0表示零磁场下的纵向电阻率，浓度n可以通过霍尔电阻与磁场的关系曲线的斜率1/ne得到。
在本实施例中，测量单元和表征单元在同一个面积为3×3mm2的样品1上，两者相互独立。测量单元的样品1表面制备了顶门结构4，会对样品1本身的迁移率有所影响，所以通过旁边的表征单元的测量可以真实的反映样品1的实际参数。这样可以对比知道顶门结构4的存在是否会影响样品1的迁移率，也可以在测量干涉信号的同时，监测体样品1中的情况。
采用本发明的法布里-珀罗干涉器件，在同一个样品1上设计了两个独立的单元，测量单元用于干涉信号的测量，表征单元用于基本的样品1表征，优化了干涉器件的结构，降低了制备成本。
在本发明的另一实施例中，法布里-珀罗干涉器件还包括用于电子束曝光的定位和调节聚焦像散的对准标记5。对准标记5通过紫外曝光技术制备而成，对准标记5数量为四个，分别位于所述第一导电通道21的四个顶点。所述对准标记5为十字结构，与所述第一导电通道21等高。如图3所示，在第一导电通道21的四个顶点设计了四个十字结构的对准标记5(黑色虚线圆圈所框)，垂直和水平间隔均为0.6mm,可以用于电子束曝光过程中的定位和调节聚焦像散。由于这个十字结构是与中心刻蚀出来的部分等高，并且位置接近中心区域，所以可以在这个十字结构上进行聚焦和像散的调整，从而得到比较精细的结构。而且这个十字结构在放大倍数比较小的时候也可以找到，所以可以在不影响胶特性的50倍的放大倍数下直接找到这个十字结构，进行曝光参数的调整。这样，就只需要一次电子束曝光就可以完成顶门曝光的整个过程，极大地简化了微加工的流程，避免在二维电子气的表面形成不必要的曝光范围。
为了了解制备工艺，下面详细描述本发明实施例所述的器件的制备流程，具体流程如下：
步骤一，切割3×3mm2的gaas样品1，采用常规方法进行表面清洗，必要时将样品1进行超声，可以得到更为干净的表面；
步骤二，在干净的样品1表面甩上5350光刻胶，并在100℃烘干4min；
步骤三，使用紫外光刻机曝光出欧姆接触的图案；
步骤四，显影液ar300-26:di＝1:7，显影50s；di定影1min；
步骤五，用等离子体清洗曝光区域的残胶，30pa氩气，清洗2min30s；
步骤六，用电子束镀膜机依次镀膜pd/ge/au＝22/55/150nm；
步骤七，去胶，泡在丙酮中三小时以上，用滴管将不必要的金属膜吹落；
步骤八，清洗样品1，并将其放到实验室自制的快速退火炉中进行退火，450℃，900s；
步骤九，将退火完的样品1再次清洗，同步骤二中甩胶烘干；
步骤十，用紫外光刻机曝光需要套刻的hallbar图案；
步骤十一，同步骤四显影，定影；
步骤十二，用刻蚀液体(h2so4:h2o2:di＝1:8:100)刻蚀,速率为7nm/s，根据实际的样品1生长结构来选择刻蚀的时间；
步骤十三，去胶；
步骤十四，将做完光刻的样品1甩上一层pmma胶(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)并在180℃烘干2min；之后甩上一层导电胶(ar-pc5090)，并在90℃烘干2min；
步骤十五，使用电子束曝光得到三对顶门结构4；内层电极的曝光参数为：高压10kv，光阑20μm，面曝光剂量100μas/cm2；外层电极的曝光参数为：高压10kv，光阑120μm，面曝光剂量100μas/cm2；
步骤十六，用显影液mibk:di＝1：3显影33s，di定影1min；
步骤十七，用电子束镀膜机依次镀ti/au＝10/60nm；
步骤十八，去胶，用丙酮泡五小时以上，超声10s，可以将金属膜脱落；
步骤十九，清洗样品1，制备完成。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。