用于基于施主或受主的自旋量子比特的掺杂剂原子的晶片级集成制造技术

本公开的实施例描述了一种制造利用基于掺杂剂的自旋量子比特的自旋量子比特设备组件的方法，基于掺杂剂的自旋量子比特即为通过将施主或受主掺杂剂原子包括在半导体基质层中进行操作的自旋量子比特设备。该方法包括：首先在半导体基质层上面提供一对栅电极；以及然后在第一和第二栅电极之间提供窗结构，该窗结构是连续固体材料，其在第一和第二电极之间延伸且除开口外覆盖该半导体基质层，要通过该开口在该半导体基质层中注入掺杂剂原子。通过使用所定义的先栅极过程，该方法可以解决可扩缩性挑战并在期望位置中创建用于制造基于掺杂剂的自旋量子比特的确定性路径，从而促进基于掺杂剂的自旋量子比特设备的晶片级集成以用于在量子计算设备中使用。

Wafer-level integration of dopant atoms based on donor or acceptor spin quantum bits

【技术实现步骤摘要】
用于基于施主或受主的自旋量子比特的掺杂剂原子的晶片级集成
本公开总体上涉及量子计算的领域，并且更具体地，涉及基于施主或受主的自旋量子比特设备和制造该自旋量子比特设备的方法。
技术介绍
量子计算指代与使用量子力学现象以操控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中）和纠缠（其中多个量子变量具有相关状态，而不论它们之间在空间或时间上的距离如何））不具有经典计算的世界中的类似物。量子计算机使用所谓的量子比特，被称作量子比特（术语“比特”和“量子比特”两者都常常可互换地指代它们所保持的值以及存储该值的实际设备）。与经典计算机的比特类似，在任何给定时间处，量子比特可以是0或1。然而，与经典计算机的比特形成对照，量子比特也可以同时是0和1，这是量子状态的叠加的结果——独特量子力学现象。纠缠还对量子比特的独特本质作出贡献，这是因为可以在纠缠的量子比特之间展开对量子处理器的输入数据，从而允许该数据的操控也被展开：将输入数据提供给一个量子比特导致与第一量子比特与之纠缠的其他量子比特共享该数据。与完好建立且彻底研究的经典计算机相比，量子计算仍然处于初期，其中固态量子处理器中的量子比特的最高数目当前在100以下。主要挑战之一在于：保护量子比特免于退相干，使得它们可以停留在它们的信息保持状态中足够长时间以执行必要计算并读出结果。另一挑战在于：将量子电路集成在前沿设备制造商所使用的晶片上。附图说明将通过以下详细描述结合附图来容易地理解实施例。为了便于该描述，相似的附图标记标示相似的结构元件。在附图的各图中作为示例而非作为限制图示了实施例。图1提供了根据本公开的一些实施例的具有基于掺杂剂的自旋量子比特设备的示例性自旋量子比特设备组件的示意性图示。图2A和2B提供了根据本公开的各种实施例的实现基于掺杂剂的自旋量子比特设备的示例性自旋量子比特设备组件的横截面图示。图3A-3D提供了根据本公开的各种实施例的其中可以注入基于掺杂剂的自旋量子比特设备的掺杂剂原子的示例性半导体叠层的横截面图示。图4提供了根据本公开的一些实施例的用于沉积用于基于掺杂剂的自旋量子比特设备的掺杂剂原子的先栅极方法的流程图。图5A-5D是图示了根据本公开的一些实施例的使用图4的先栅极方法对自旋量子比特设备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可包括如本文描述的实现基于掺杂剂的自旋量子比特设备的自旋量子比特设备组件中的一个或多个的晶片和管芯的顶视图。图7是根据本公开的一些实施例的可包括如本文描述的实现基于掺杂剂的自旋量子比特设备的自旋量子比特设备组件中的一个或多个的设备组件的示意性横截面侧视图。图8是根据本公开的一些实施例的可包括如本文描述的实现基于掺杂剂的自旋量子比特设备的自旋量子比特设备组件中的一个或多个的示例性量子计算设备的框图。具体实施方式概览如上面简要描述的那样，量子计算或量子信息处理指代与使用量子力学现象以操控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，其断言了：任何两个或更多个量子状态可以被加在一起（即，叠加）以产生另一有效量子状态；以及任何量子状态可以被表示为两个或更多个其他有区别状态之和。量子纠缠是量子力学现象的另一示例。纠缠指代以一个粒子的状态变得与其他粒子的状态缠结的这种方式生成或相互作用的粒子组。此外，每一个粒子的量子状态不能被独立地描述。取而代之，量子状态是作为整体针对纠缠粒子组而给定的。量子力学现象的又一示例有时被描述为“塌缩”，这是因为其断言了：当我们观察（测量）粒子时，我们不可避免地改变其性质，这是因为一旦被观察到，粒子就停止处于叠加或纠缠的状态中（即，通过尝试查明与粒子有关的任何事，我们塌缩它们的状态）。简单来说，叠加假设了给定粒子可以同时处于两个状态中；纠缠假设了两个粒子可以是相关的，这是因为它们能够立刻协调它们的状态，而不论它们之间在空间和时间上的距离如何；并且塌缩假设了当观察到粒子时，不可避免地改变粒子的状态和其与其他粒子的纠缠。这些独特现象使量子计算机中的数据操控显著地不同于经典计算机（即，使用经典物理学现象的计算机）的数据操控。因此，工业和学术界两者都持续聚焦于针对新的且经改进的物理系统的搜索，该物理系统的功能可以逼近理论上设计的量子比特所期待的功能。用于实现到现在为止已探索的量子比特的物理系统包括例如超导量子比特、基于氮空位中心（NVC）的自旋量子比特、量子点自旋量子比特、基于施主的自旋量子比特等。从量子比特的各种物理实现中，基于施主的自旋量子比特是用于构建量子计算机的有希望的候选，这是因为与其他类型的量子比特相比，它们具有相对长相干时间的可能性。在半导体物理学中，施主指代作为杂质而添加到基质晶体的掺杂剂原子，施主是下述原子：其比基质晶体的原子具有更多价电子，使得当被添加到基质晶体时，其可以通过变为电离的且充正电的而贡献或赠送额外价电子。例如，与硅或锗相比，替代硅或锗晶格的规则原子（即，来自周期表第IV列的具有4个价电子的寄主原子）的周期表第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，这是因为其具有一个或多个价电子，该价电子可以脱离且被添加到晶体的传导带。类似地，受主是可作为杂质而添加到基质晶体的掺杂剂原子，受主是比基质晶体的原子具有更少价电子的原子。例如，与硅或锗相比，替代硅或锗晶格的规则原子的周期表第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，这是因为其具有一个或多个价电子。转至施主原子作为示例，施主原子比基质晶体的原子拥有至少一个额外电子，并且该额外电子往往在低温处保持束缚到该施主原子。这种单个束缚电子具有能够形成量子比特的1/2的电子和核自旋两者。因此，基于施主的自旋量子比特设备典型地指代在半导体基质材料中注入的单个掺杂剂原子，例如，在硅或锗衬底中注入的单个磷原子。已经示出基于施主的自旋量子比特以关于相对长相干时间（甚至多达数秒）进行操作。但是，仍然为挑战的是单个原子在晶体半导体基质材料内的精确且确定性的放置。当前，大多数基于施主的自旋量子比特是使用拾取和放置技术（诸如，将原子力显微术（AFM）、离子束注入和扫描隧道显微术（STM）进行组合的技术）来制造的。一些其他方案涉及在PMMA中打开小孔以及使用标准注入器将区域暴露到低离子通量。拾取和放置解决方案遭受晶片级制造的可扩缩性的缺乏，并且PMMA孔方案缺乏确保每一个部位获取一个施主原子所需的确定性特性。因此，适于形成基于掺杂剂的自旋量子比特以用于在量子电路组件中使用的相对于施主原子（或者一般地，掺杂剂原子）的晶片级集成的改进是期望的。特别地，将期望的是具有用于制造具有充足性能且可使用晶片级技术（例如，超大规模集成（VLSI）技术）而制造的基于掺杂剂的自旋量子比特设备的方法。本公开的实施例描述了一种制造利用基于掺杂剂的自旋量子比特的自旋量子比特设备组件（即，通过将掺杂剂原子（例如，施主或受主原子）包括在半导体基质层中进行操作的自旋量子比特设备）的方法。该方法包括：首先，在具有半导体基质层的衬底上面提供一对栅电极；以及然后，在第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自旋量子比特设备组件，包括：衬底，其上具有半导体基质层；基于掺杂剂的自旋量子比特设备，包括所述半导体基质层中的掺杂剂原子；以及所述衬底上面的栅电极，所述栅电极包括具有多个掺杂剂原子的区。

【技术特征摘要】
2018.03.19 US 15/9244071.一种自旋量子比特设备组件，包括：衬底，其上具有半导体基质层；基于掺杂剂的自旋量子比特设备，包括所述半导体基质层中的掺杂剂原子；以及所述衬底上面的栅电极，所述栅电极包括具有多个掺杂剂原子的区。2.根据权利要求1所述的自旋量子比特设备组件，其中所述半导体基质层中的掺杂剂原子和所述栅电极中的多个掺杂剂原子是单个掺杂剂类型的掺杂剂原子。3.根据权利要求1所述的自旋量子比特设备组件，其中：所述区是第一区，所述第一区中的多个掺杂剂原子具有处于第一阈值以上的掺杂剂浓度，并且所述栅电极进一步包括第二区，其中所述第二区中的多个掺杂剂原子具有处于第二阈值以下的掺杂剂浓度，所述第二阈值低于所述第一阈值。4.根据权利要求1所述的自旋量子比特设备组件，其中所述栅电极中的具有多个掺杂剂原子的区具有大于1×108个掺杂剂原子每平方厘米的掺杂剂浓度。5.根据权利要求1所述的自旋量子比特设备组件，其中所述掺杂剂原子和所述多个掺杂剂原子包括施主原子。6.根据权利要求1所述的自旋量子比特设备组件，其中所述掺杂剂原子和所述多个掺杂剂原子包括受主原子。7.根据权利要求1所述的自旋量子比特设备组件，其中所述栅电极是第一栅电极，并且所述自旋量子比特设备组件进一步包括第二栅电极，其中：所述第一栅电极中的包括所述多个掺杂剂原子的区是与所述第二栅电极相对的区，并且所述第二栅电极包括具有多个掺杂剂原子且与所述第一栅电极相对的区。8.根据权利要求7所述的自旋量子比特设备组件，其中所述半导体基质层中的掺杂剂原子处于所述半导体基质层的在所述第一栅电极与所述第二栅电极之间的区域中。9.根据权利要求7所述的自旋量子比特设备组件，进一步包括：所述衬底上面的窗结构，处于所述第一栅电极与所述第二栅电极之间，所述窗结构在所述半导体基质层之上形成开口，其中距所述半导体基质层第一距离处的所述开口的宽度小于距所述半导体基质层第二距离处的所述开口的宽度，所述第二距离大于所述第一距离。10.根据权利要求9所述的自旋量子比特设备组件，其中所述窗结构是连续结构，其在所述第一和第二栅电极之间延伸且除了所述半导体基质层之上的所述开口外覆盖所述半导体基质层。11.根据权利要求9或10所述的自旋量子比特设备组件，其中所述窗结构的与所述半导体基质层最接近的部分处的所述开口的面积处于1和100平方纳米之间。12.根据权利要求9或10所述的自旋量子比特设备组件，其中所述窗结构包括电介质材料。13.根据权利要求9或10所述的自旋量子比特设备组件，其中所述窗结构的所述开口具有漏...

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