製作

このデバイスは、最大正孔移動度 16 × 2.5 の厚さ 10 nm のゲルマニウム量子井戸を備えた Ge/SiGe ヘテロ構造上に製造されています。⁵ cm² V^-1 s^-1 半導体/酸化物界面の55nm下に埋め込まれています^25,40。 直径 100 nm の量子ドット プランジャー ゲートと、幅 30 nm で量子ドットを分離するバリア ゲートを設計します。 デバイスの製造は次の主な手順に従います。 まず、電子ビーム リソグラフィーによって厚さ 30 nm の Pt オーミック コンタクトがパターン化され、酸化された Si キャップ層を除去するエッチング ステップに続いて、ヘテロ構造内に蒸着および拡散されます。^41,42。 次に、Al の原子層堆積を交互に行うことにより、XNUMX 層ゲートスタックが製造されます。₂O₃ 誘電体膜（厚さ 7、5、5 nm）と Ti/Pd 金属ゲートの蒸着（各蒸着の厚さはそれぞれ 3/17、3/27、3/27）です。 ダイシング後、単一のクロスバー アレイをホストするチップがマウントされ、プリント基板上にワイヤ ボンディングされます。 希釈冷蔵庫で冷却する前に、スクリーニング手順に従って、名目上同一の 4 つのクロスバー デバイスを XNUMX K ヘリウム槽でテストしました。³⁸。 どちらのデバイスもフルゲートとオーミックコンタクトの機能を示し、そのうちの XNUMX つは希釈冷凍機に取り付けられました。

実験装置

実験は、基本温度 10 mK の Bluefors 希釈冷蔵庫で行われます。 クーロン ピーク解析から、138 ± 9 mK の電子温度を抽出し、これを離調レバー アームの推定に使用します (補足図)。 12 および 13）。 当社では、社内で構築されたバッテリー駆動の SPI ラックを利用しています (https://qtwork.tudelft.nl/~mtiggelman/spi-rack/chassis.html) を使用して DC 電圧を設定しますが、Keysight M3202A 任意波形発生器 (AWG) を使用して、同軸線を介して交流ラスタリング パルスを適用します。 DC および交流電圧信号は、バイアス T を使用してプリント基板上で結合され、ゲートに印加されます。 各電荷センサーは、数マイクロヘンリーのインダクタンスを持つ NbTiN インダクターに電気的に接続され、約 100 MHz の共振周波数を持つ共振タンク回路を形成します。 私たちの実験では、おそらくインダクタの欠陥が原因で、50 つの共振のうち 3102 つだけが観察されました。 さらに、500 つの共振は実質的に重複しているため、(本文で明示的に記載されていない限り) 反射率測定法の使用をほとんど避け、最大 XNUMX kHz の帯域幅の高速 DC 測定を使用します。 XNUMXつのDCセンサー電流は電圧に変換され、増幅され、XNUMXメガサンプルのXNUMXチャンネルKeysight MXNUMXAデジタイザ・モジュールによって同時に読み取られます。^-1。 デジタイザ・モジュールといくつかのAWGモジュールは、計装シャーシ用のKeysight M9019A周辺コンポーネント相互接続エクスプレス拡張に統合されています。 ここでの充電安定性図は通常、150 × 150 ピクセルのスキャンで構成され、ピクセルあたりの測定時間は 50 μs です。 この記事では、Δg について言及します。i AWG によってゲートに供給されるランプを識別する gi 固定直流基準電圧に関して。 信号対雑音比を高めるために、同じマップを 5 ～ 50 回平均し、XNUMX 分以内に高品質のマップを取得します。

チューンナップの詳細

実験全体を通じて、デバイスの 16 個の量子ドットすべてを XNUMX 回調整しました。 最初の実行では、クロスバー量子ドットをより適切に視覚化して特性評価するために、意図しない量子ドットの数を最小限に抑えるためにゲート電圧が最適化されました (図 XNUMX)。 2 および補足図 14）。 XNUMX 回目の実行では、量子ドット アレイをグローバルな奇数占有領域に調整するために、浮遊ドットは無視されました (図 XNUMX)。 3）。 300 つのチューンアップ サイクルの間に、デバイスの熱サイクルを行わずにゲート電圧をゼロにリセットしました。 600 つの調整手順で従うプロトコルは同じでしたが、最初のセッションで偶発的な量子ドットを空にする必要があるため、特定のゲートの電圧ウィンドウに制限が生じました。 調整の開始ゲート電圧値は、バリアの場合は -XNUMX mV、プランジャーの場合は -XNUMX mV です。 補足図では、 15では、図に表示された測定値に対する DC ゲート電圧を表示します。 3、奇数電荷占有に調整されたクロスバー アレイを使用します。 この領域では、各ドットの最初のホール電圧の開始の変動も研究し、-1,660 ± 290 mV が得られます（補足図。 16）。 さらに、配列の均一性レベルの指標として、遷移線の間隔の変動が〜10〜20％であると特徴付けます（補足図）。 17)⁴³。 補足 4 では、これらの変動をさらに減らすための戦略について説明します。

奇数電荷の占有は、各量子ドットを空にすることによって実証されます (補足ビデオ) 1–12）。 図の基礎となるすべてのデータセット。 3 および補足ビデオ 1–12 同じ日に同じゲート電圧構成で取得されます。 それでも、すべてのマップにわたって最小限の電圧差があり、最大は vP6 の 1 mV の変動ですが、Q1、Q2b、Q2t の占有には影響しません (補足表) 1）。 実験中、おそらくリード線の断線が原因で、ゲート UB8 が適切に機能しませんでした。 この影響を補償し、P3t および P5t ドットでの電荷ローディングを有効にするために、UB7 を他の UB ゲートと比較して低い電圧に設定します。 さらに、LB1 は比較的高い電圧に設定され、低い電圧での LB1 と P1 のファンアウト下での偶発的な量子ドットの形成を軽減します。 このような偶然の量子ドットの最初の付加線は、弱く相互作用する水平線として見えます（図XNUMX）。 3a).

仮想マトリックス

行列 M によって定義されます (bf{overrightarrow{G}}=M 倍 bf{overrightarrow{{{{rm{v}}}}G}})、仮想ゲート付き (overrightarrow{{rm{v}}bf{G}}) そして実際のゲート (overrightarrow{bf{G}}) 補足図にカラーマップとして示されています。 3。 図に示したトンネル結合実験の場合、 4、離調電圧 e67 と U67、および仮想バリア t を介したドット間相互作用の独立した制御を実現するために、追加の仮想ゲート システムを採用しています。_6b7、j_6b7、T_6t7 とj_6t7。 SE_P を SE プランジャー ゲートとして定義すると、次のようになります。

量子ドットの同定

すべてのバリア ゲートと一連の遷移線の容量結合を取得するには (図 XNUMX) 2b)、112 個の充電安定性図のセットを取得して分析します。 同じ電荷安定性グラフは、各バリア ゲートを現在の電圧付近で -1 ～ 3 mV の範囲で 3 mV ずつステップさせた後に取得されます (つまり、7 スキャン × 16 バリア)。 すべての量子ドットを識別するために必要な電荷安定性図の数は、その総数に比例して増加します。 マップの数は、プランジャーとバリア ゲートの数の積から得られ、どちらも平方根でスケールされます。 個別の制御を備えたアレイでは、各ドットを推測するために線形数の電荷安定性図も必要になることを強調します。 解析では、まずゆっくりと変化する背景をデータから差し引き (オープンソース SciPy パッケージ バージョン 1.7.1 の ndimage.gaussian.filter 関数を使用)、次にマップの勾配を (ndimage.gaussian_gradient_magnitude 関数を使用して) 計算します。 ）。 このような 16 次元マップの特定のラインカットについて、ガウス フィット関数を使用してピーク位置を抽出します。 相互容量により、遷移線の位置は XNUMX 個のバリアのそれぞれに対して線形依存性を示し、線形の傾きを抽出することで定量化します (補足図 XNUMX)。 4）。 最大値に正規化した後、これらのパラメーターは容量結合 (λ）そして XNUMX つのバリア層のグリッド構造により、正孔がどこに追加されるか、どこから削除されるかについての最初の情報が得られます。 量子ドットの位置を抽出するために、vUB への容量結合を考慮します (λ_vUB) および vBL (λ_vLB) XNUMX つの独立した確率分布としてゲートします。 このアプローチでは、次の積分は λ_vUB (λ_vLB)vUB間i (vLBk) と vUBj (vLBl)「確率」を返します p_う、(i,j) (p_L、(k,l)) これらの制御線の間のドットを見つけます。 その結果、これら XNUMX つのバリアによって制限されたサイト内の組み合わせ確率は、次の要素の積で求められます。 w_{(i,j）、（k,l)} = p_う、(i,j) × p_L、(k,l)。 16 の確率の合計が 1 を返すことに注意してください。別の研究ですでに観察されているように、³²、ゲルマニウム量子井戸内に定義された特定の量子ドットにクロスカップリングするゲートは、空間内でゆっくりとした減衰を示します (つまり、ドットまでの距離が 100 nm を超えるゲートは依然としてドットに対してかなりのクロスカップリングを持っています)。 これは、ゲートと量子ドットの間の垂直距離がかなり大きい (>60 nm) ことに起因すると考えられ、厳密な電荷閉じ込めにより減衰がかなり即時に起こるシリコン - 金属 - 酸化物 - 半導体デバイスでの実験とは対照的です。 この側面は、なぜ我々の確率が高いのかを説明します。 W 識別された量子ドットでは、最大 0.25 ～ 0.50 に達します。

トンネル結合評価

トンネル結合の推定結果を図に示します。 4では、次のシーケンスに従う自動測定手順を確立しました: (1) XNUMX 次元マップ全体に仮想バリアを段階的に配置します (t, j); (2) 各バリア構成で、67 次元 (e67、UXNUMX) 電荷安定性マップを取得します (図 XNUMX)。 4b–g); （3）マップのフィッティング手順により、ドット間の電荷の正確な位置を特定します（補足図）。 10)⁴⁴; (4) e67 および U67 仮想ゲートで小さな調整を実行して、ドット間の中心を (0, 0) DC オフセットに配置します。 (5) ~0.1 kHz AWG ランプを使用して分極線を測定します (図 XNUMX)。 4c、h）。 正確な分析を行うために、各偏光線は、ピクセルあたり 150 μs の測定積分時間を使用した 50 回のトレースの平均の結果です。 この方法では、30 × 30 のマップ全体が数時間で作成されます。 電子温度 138 mK と離調レバー アームを考慮してトレースを当てはめます。 ({アルファ }_{{イプシロン }_{67}}) = 0.012(4) eV V^-1、熱的に広がった分極線から抽出されます（補足図。 13）。 抽出されたトンネル結合は、バリア ゲートの関数としてほぼ指数関数的な傾向に従うことが観察されます。 図に示したデータを当てはめてみます。 4e,j (Atimes {rm{e}}^{-B{V}_{rm{g}}}) 関数、ここで A は前置要素であり、 B は効果的なバリアレバーアームであり、 V_g はゲート軸です。 効果的なバリアレバーアームは、 j_6b7 および t_6b7 は0.007 ± 0.002および0.021 ± 0.003 mVです^-1、 それぞれ。 同様に、 j_6t7 および t_6t7 は0.008 ± 0.001および0.026 ± 0.003 mVです^-1、 それぞれ。 これは、実際のバリア LB7 が垂直結合と水平結合を同様の方法で制御していることを示しています。 まとめると、これらの結果は、UB ゲートの下部バリア層が LB ゲートの上部バリア層よりも約 3 倍効果的であることを示しています。 これは図の内容と一致しています。 2b および補足図 5。 このようなクロスバーアレイでの量子ビット操作の場合、実際には、24 個の最近傍すべての XNUMX バリア調整可能性を完全に特徴付けて校正する必要があることに注意してください。 このタスクを実行するには、ハードウェア実装をさらに改善する必要があり、この作業の範囲を超えています。

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• 情報源： https://www.nature.com/articles/s41565-023-01491-3