微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开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；以及超导微波谐振腔结构，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。本发明专利技术提出的微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，通过超导微波谐振腔的微波作为媒介，能够将多个量子点耦合在一起，可作为量子数据总线用于量子芯片的扩展和集成，为构建量子计算机的多个量子比特长程耦合的可扩展量子芯片提供了设计思路和技术方案。

【技术实现步骤摘要】
微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置
本专利技术涉及半导体领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术一实施例自组织锗硅纳米线双量子点结构的俯视图；图4为本专利技术图3自组织锗硅纳米线双量子点结构的正视图；图5为本专利技术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80本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，其特征在于，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，制备在所述基片结构上；以及微波谐振腔结构，设置在所述基片结构上，并与所述自组织锗硅纳米线量子点源电极结构耦合。

【技术特征摘要】
1.一种微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，其特征在于，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，制备在所述基片结构上；以及微波谐振腔结构，设置在所述基片结构上，并与所述自组织锗硅纳米线量子点源电极结构耦合。2.根据权利要求1所述的微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，其特征在于，所述基片结构包括：硅衬底；硅缓冲层，形成于所述硅衬底上；锗层，生长于所述硅缓冲层上；以及硅包覆层和所述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；所述锗层与所述硅包覆层实现纳米线锗内核的制备。3.根据权利要求2所述的微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，其特征在于，所述基片结构上形成有自组织锗硅纳米线，包括：所述纳米线锗内核，形成于所述基片结构的锗层之中；所述纳米线硅盖帽层，形成于所述基片结构的硅包覆层之中；以及纳米线二氧化硅保护层，形成于所述硅包覆层中；所述纳米线锗内核、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。4.根据权利要求3所述的微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，其特征在于：所述自组织锗硅纳米线，形成于所述基片结构上；源电极和漏电极，设置与所述自组织锗硅纳米线相连；栅极电极，位于所述锗硅纳米线顶部，通过一层绝缘层与所述锗硅纳米线隔绝；所述自组织锗硅纳米线、源电极、漏电极和栅极电极，以及所述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。5.根据权利要求4所述的微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，其特征在于，所述各个自组织锗硅纳米线量子点电极结构包括：所述自组织锗硅纳米线量子点结构，设置于所述基片结构上；源大电极，设置于所述基片结构上，并连接所述自组织锗硅纳米线量...

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