具有同位素纯化材料的基于施主或受主的自旋QUBIT制造技术

本公开的实施例描述基于施主或受主的自旋qubit装置和组件中的同位素纯化材料的使用。示例性自旋qubit装置组件可包括：半导体基质层，包括同位素纯化材料；掺杂物原子，位于半导体基质层中；和栅极，位于掺杂物原子附近。与非同位素纯化材料中的那些同位素的自然丰度相比，同位素纯化材料可包括更低原子百分比的具有非零核自旋的同位素。减少半导体基质层中的具有非零核自旋的同位素的存在可提高qubit相干性，并且因此提高自旋qubit装置和组件的性能。

Donor-or-acceptor-based spin QUBIT with isotope purification materials

【技术实现步骤摘要】
具有同位素纯化材料的基于施主或受主的自旋QUBIT
本公开一般地涉及量子计算的领域，并且更具体地讲，涉及基于施主或受主的自旋qubit装置并且涉及制造所述装置的方法。
技术介绍
量子计算涉及与使用量子力学现象来操纵数据的计算系统相关的研究领域。这些量子力学现象(诸如，叠加(其中量子变量可以同时存在于多个不同状态)和纠缠(其中多个量子变量具有相关状态，而不管它们之间在空间或时间方面的距离如何))在经典计算的世界中不具有类似情况。量子计算机使用称为qubit的所谓的量子位(术语“位”和“qubit”经常可互换地指代它们保存的值以及存储所述值的实际装置)。类似于经典计算机的位，在任何给定时间，qubit可以是0或1。然而，与经典计算机的位相比，qubit也可以同时是0和1，这是量子态的叠加的结果——独特量子力学现象。纠缠也对qubit的独特性质有贡献，因为量子处理器的输入数据可以分散在纠缠的qubit之中，从而允许对该数据的操纵也分散：将输入数据提供给一个qubit导致该数据被共享给与第一qubit纠缠的其它qubit。与公认的并且彻底地研究的经典计算机相比，量子计算仍处于其初级阶段，固态量子处理器中的qubit的最高数量当前低于100。主要挑战之一在于保护qubit免于去相干（decoherence），使得它们可以停留在它们的信息保存状态足够长的时间以执行必要的计算并且读出结果。附图说明通过下面的详细描述结合附图将会容易地理解各实施例。为了方便这种描述，相似的附图标记指定相似的结构元件。在附图的图中，作为示例而非作为限制图示了各实施例。图1提供根据本公开的一些实施例的具有基于掺杂物的自旋qubit装置的示例性自旋qubit装置组件的示意性图示。图2提供根据本公开的各种实施例的实现具有一种或多种同位素纯化材料的基于掺杂物的自旋qubit装置的示例性自旋qubit装置组件的剖视图。图3A-3D提供根据本公开的各种实施例的示例性掺杂物原子堆叠的剖视图，在该示例性掺杂物原子堆叠中可注入基于掺杂物的自旋qubit装置的掺杂物原子。图4提供根据本公开的一些实施例的用于加工基于掺杂物的自旋qubit量子电路组件的方法的流程图。图5A-5C是图示根据本公开的一些实施例的使用图4的方法对量子电路组件的制造中的不同示例性阶段的各种视图。图6A和6B是根据本公开的一些实施例的晶片和管芯的顶视图，该晶片和管芯可包括实现如本文所述的基于掺杂物的自旋qubit装置的一个或多个自旋qubit装置组件。图7是根据本公开的一些实施例的装置组件的示意性侧剖视图，该装置组件可包括实现如本文所述的基于掺杂物的自旋qubit装置的一个或多个自旋qubit装置组件。图8是根据本公开的一些实施例的示例性量子计算装置的方框图，该示例性量子计算装置可包括实现如本文所述的基于掺杂物的自旋qubit装置的一个或多个自旋qubit装置组件。具体实施方式概述如以上简要描述的，量子计算或量子信息处理指代与使用量子力学现象操纵数据的计算系统相关的研究领域。量子力学现象的一个示例是量子叠加的原理，该原理显示任何两个或更多个量子态可以被相加在一起(即，叠加)以产生另一有效量子态，并且任何量子态可以被表示为两个或更多个其它不同状态之和。量子纠缠是量子力学现象的另一示例。纠缠表示几组粒子以这种方式产生或相互作用：一个粒子的状态变为与其它粒子的状态缠结。另外，每个粒子的量子态不能被独立地描述。替代地，针对作为整体的该组纠缠的粒子给出量子态。量子力学现象的又另一示例有时被描述为“坍塌”，因为它显示：当我们观察(测量)粒子时，我们不可避免地改变它们的性质，因为一旦被观察，粒子停止处于叠加或纠缠的状态(即，通过试图确定关于粒子的任何事情，我们使它们的状态坍塌)。简而言之，叠加假定给定粒子可以同时处于两个状态，纠缠假定两个粒子可以相关，因为它们能够立即协调它们的状态，而不管它们之间在空间和时间方面的距离如何，并且坍塌假定当一个人观察粒子时，他不可避免地改变粒子的状态及其与其它粒子的纠缠。这些独特现象使得在量子计算机中对数据的操纵显著不同于经典计算机(即，使用经典物理学的现象的计算机)对数据的操纵。因此，产业和学术持续聚焦于搜索新的且改进的物理系统，该物理系统的功能可以接近期待的在理论上设计的qubit的功能。用于实现目前为止已探索的qubit的物理系统包括例如超导qubit、基于空位中心(VC)的自旋qubit、量子点自旋qubit、基于施主的自旋qubit等。在qubit的各种物理实现方式之中，基于施主的自旋qubit是用于建立量子计算机的有希望的候选，因为与其它类型的qubit相比，它们具有相对较长的相干时间的潜力，并且与当前半导体制造过程兼容。在半导体物理学中，施主指代作为杂质添加到基质晶体的掺杂物原子，施主是与基质晶体的原子相比具有更多价电子的原子，从而当被添加到基质晶体时，它可以通过变得电离以及带正电荷来贡献或捐赠出额外的价电子。例如，替换硅或锗晶体晶格的规则原子(即，来自周期表的IV列的具有4个价电子的基质原子)的周期表的V列的原子(即，具有5个价电子的原子)(诸如例如，磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或铋(Bi))是施主，因为与硅或锗相比，它具有一个或多个价电子，所述价电子可以被分离并且添加到晶体的导带。类似地，受主是可被作为杂质添加到基质晶体的掺杂物原子，受主是与基质晶体的原子相比具有更少价电子的原子。例如，替换硅或锗晶体晶格的规则原子的周期表的III列的原子(即，具有3个价电子的原子)(诸如例如，硼(B)或铝(Al))是受主，因为与硅或锗相比，它具有一个或多个价电子。转向作为示例的施主原子，与基质晶体的原子相比，施主原子具有至少一个额外的电子，并且所述额外的电子趋向于在低温保持束缚于施主原子。这种单个受束缚电子具有能够形成qubit的½的电子和核自旋。因此，基于施主的自旋qubit装置通常指代注入半导体基质材料中的单个掺杂物原子，例如注入硅或锗基底中的单个磷原子。基于施主的自旋qubit已被示出为以相对较长的相干时间(甚至长达几秒)进行操作。然而，总是希望进一步增强qubit性质。本公开的实施例涉及自旋qubit装置组件，该自旋qubit装置组件使用基于掺杂物的自旋qubit，即通过在半导体基质层中包括掺杂物原子(例如，施主或受主原子)来进行操作的自旋qubit装置。特别地，本公开的一些实施例描述基于施主或受主(即，基于掺杂物)的自旋qubit装置和组件中的同位素纯化材料的使用。示例性自旋qubit装置组件可包括：半导体基质层，包括同位素纯化材料；掺杂物原子，位于半导体基质层中；和栅极，位于掺杂物原子附近。如本文所使用的，“同位素纯化材料”是这样的材料：其具有非零核自旋的同位素的成分少于该材料中的那些同位素的自然丰度。换句话说，与非同位素纯化材料中的那些同位素的自然丰度相比，同位素纯化材料可包括更低原子百分比的具有非零核自旋的同位素。应该注意的是，这种材料中的形成不同自旋qubit装置的一个掺杂物原子或多个这种个体掺杂物原子的存在仍然使材料有资格被称为“同位素纯化材料”，只要即使在具有这种掺杂物原子的情况下具有非零核自旋的同位素的成分少于该材料中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自旋qubit装置组件，包括：掺杂物原子堆叠，包括半导体基质层，所述半导体基质层包括同位素纯化材料；掺杂物原子，位于半导体基质层中；栅极金属，位于掺杂物原子附近；和栅极电介质，位于栅极金属和半导体基质层之间。

【技术特征摘要】
2018.03.19 US 15/9244101.一种自旋qubit装置组件，包括：掺杂物原子堆叠，包括半导体基质层，所述半导体基质层包括同位素纯化材料；掺杂物原子，位于半导体基质层中；栅极金属，位于掺杂物原子附近；和栅极电介质，位于栅极金属和半导体基质层之间。2.根据权利要求1所述的自旋qubit装置组件，其中所述同位素纯化材料包括硅。3.根据权利要求2所述的自旋qubit装置组件，其中所述硅包括小于4原子百分比的量的29Si。4.根据权利要求2所述的自旋qubit装置组件，其中所述同位素纯化材料还包括锗。5.根据权利要求4所述的自旋qubit装置组件，其中所述锗包括小于7原子百分比的量的73Ge。6.根据权利要求1所述的自旋qubit装置组件，其中所述同位素纯化材料包括锗。7.根据权利要求6所述的自旋qubit装置组件，其中所述锗包括小于7原子百分比的量的73Ge。8.根据权利要求1所述的自旋qubit装置组件，其中所述同位素纯化材料包括锌、镉、碲、硒、硫、铁、铅、锡或碳。9.根据权利要求1-8中任一项所述的自旋qubit装置组件，其中所述同位素纯化材料是第一同位素纯化材料，掺杂物原子堆叠还包括缓冲层，缓冲层包括第二同位素纯化材料，并且半导体基质层位于缓冲层和栅极电介质之间。10.根据权利要求9所述的自旋qubit装置组件，其中所述第二同位素纯化材料包括锌、镉、碲、硒、硫、铁、铅、锡或碳。11.根据权利要求9所述的自旋qubit装置组件，其中所述缓冲层的厚度大于25纳米。12.根据权利要求9所述的自旋qubit装置组件，其中所述掺杂物原子堆叠还包括势垒层，势垒层包括第三同位素纯化材料，并且势垒层位于半导体基质层和栅极电介质之间。13.根据权利要求9所述的自旋qubit装置组件，还包括势垒层，其中所述缓冲层位于半导体基质层和势垒层之间。14.根据权利要求1-8中任一项所述的自旋qubit装置组件，其中所述同位素纯化材料是第一同位素纯化材料，并且栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：NK托马斯，JS克拉克，JM托雷斯，L拉姆珀特，R皮拉里塞蒂，HC乔治，K辛格，JM罗伯茨，R考迪洛，ZR约斯科维茨，DJ米夏拉克，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国,US