环栅自旋量子器件、半导体器件及制备方法

本发明涉及量子计算，尤其涉及一种环栅自旋量子单元、半导体器件及制备方法。

背景技术：

1、基于电子自旋的硅基量子器件由于单器件尺寸小、保真度高、退相干时间长而受到广泛重视。同时，硅基量子器件和传统的半导体工艺兼容，便于利用当代的先进半导体工艺和计算机辅助设计(eda)进行大规模集成和设计。然而，目前的自旋量子器件主要采用平面结构，电极占据空间大，在自旋扩散长度范围内(小于2微米)实现四个以上的自旋量子比特的相干耦合非常困难。此外，平面结构下，控制电极结构复杂，往往需要四个以上的电极相互配合才能实现对自旋量子比特的控制，控制效率低且复杂度高。同时，承载量子比特的二维电子气直接和基片接触，基片中的热噪音以及缺陷导致的电子声子噪音直接影响自旋量子比特操纵和读取的保真度。由于实现通用量子计算功能需要约108个量子比特，因此，降低单个自旋量子比特器件的尺寸以及提高其集成度成为自旋量子比特能否实现通用量子计算的关键。

技术实现思路

1、本发明提供的环栅自旋量子单元、半导体器件及制备方法，能够提供一种小尺寸的自旋量子单元，以使集成的用于量子计算的半导体器件尺寸降低，集成度提高。

2、第一方面，本发明提供一种环栅自旋量子器件，包括：

3、纳米线，由半导体材料形成；

4、多个环形栅，沿所述纳米线间隔分布，所述环形栅由导电材料环绕所述纳米线形成；以使相邻两个环形栅之间的纳米线形成一个量子比特。

5、可选地，所述半导体材料包括硅、硅-28、锗、砷化镓、硅锗、砷化镓铝、砷化镓铟及其掺杂物中的一种或两种以上的材料形成。

6、可选地，所述导电材料包括铜、铝、银、钴、钽、钛、钨、金、钌以及高掺杂的硅、硅-28、锗、硅锗、砷化镓中的一种或两种以上的材料。

7、可选地，所述纳米线的截面为圆形、椭圆形、菱形或方形，所述纳米线的截面面积为1nm2～0.25μm2。

8、可选地，所述环形栅沿所述纳米线轴向的宽度为1nm～2μm；相邻两个环形栅之间的间隔为1nm～2μm。

9、第二方面，本发明提供一种半导体器件，包括：

10、基板；

11、多个如上述任意一项所述环栅自旋量子器件，多个环栅自旋量子器件阵列设置，相邻两个自旋量子器件之间间隔设置；以使相邻的两个量子比特之间能形成量子纠缠；

12、支撑介质，设置在基板与所述环栅自旋量子器件之间以及相邻的环栅自旋量子器件之间，以对所述环栅自旋量子器件形成支撑。

13、可选地，相邻的两个纳米线间隔为10nm-1μm。

14、可选地，还包括金属层，所述金属层包括多条金属线，每条金属线与一个环形自旋量子器件的一个环形栅电连接。

15、可选地，所述金属线用于与电压源或者脉冲信号源电连接，以通过所述金属线向所述环形栅施加电压或者脉冲信号，通过所述电压或者脉冲信号实现对单个自旋量子比特的操纵、多个自旋量子比特之间相互作用的操纵以及每个自旋量子比特状态的读出。

16、第三方面，本发明提供一种半导体器件的制备方法，包括：

17、在基板上形成至少一层待刻蚀叠层，所述待刻蚀叠层包括由下向上依次形成的缓冲层和半导体层；

18、对所述待刻蚀叠层进行第一步光刻及刻蚀工艺，以形成多个平行间隔排列的条形叠层；

19、对所述条形叠层继续进行第二步光刻操作，在光刻操作过程中，涂胶后，条形叠层的间隔中充满光刻胶，同时条形叠层上表面也被光刻胶覆盖；

20、在所述涂胶后的条形叠层进行曝光和显影，以使所述条形叠层形成间隔的暴露区域；

21、对所述条形叠层区域进行湿法选择性刻蚀，以去除所述暴露区域中的缓冲层，使对应区域的半导体层形成环绕的暴露表面；

22、在所述半导体层的暴露表面形成环形栅。

23、可选地，在所述半导体层的暴露表面形成环形栅包括：

24、在所述半导体层的暴露表面依次形成高介电材料层和导电材料层，以形成环形栅。

25、在本发明提供的技术方案中，通过在纳米线上设置间隔的环形栅，通过控制不同栅电极上的电压，可以在相邻的两个栅电极之间囚禁一个电子。在50mk的低温下，由于库伦阻塞作用，两个栅电极之间仅能有一个电子存在，从而可以基于此电子实现一个自旋量子比特，同时也避免了多电子的干扰。为实现对自旋量子比特的操纵，需要在低温高磁场下，实现对自旋向上和自旋向下两个电子能级的分离。在存在一个外磁场梯度的情况下，当施加在环栅电极上的高频电信号频率满足电子自旋共振条件时，量子点内电子的自旋就会在自旋向上和向下之间不停转换。通过控制施加的高频信号的脉冲长度，就可以控制量子点内自旋的方向，从而实现自旋量子比特的操纵和初始化。当两个量子点之间的栅极无施加电压时，相邻两个量子点将通过直接耦合实现量子纠缠及量子逻辑门的操作。

技术特征：

1.一种环栅自旋量子器件，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述环栅自旋量子器件，其特征在于，所述半导体材料包括硅、硅-28、锗、砷化镓、硅锗、砷化镓铝、砷化镓铟及其掺杂物中的一种或两种以上的材料形成。

3.根据权利要求1所述环栅自旋量子器件，其特征在于，所述导电材料包括铜、铝、银、钴、钽、钛、钨、金、钌以及高掺杂的硅、硅-28、锗、硅锗、砷化镓中的一种或两种以上的材料。

4.根据权利要求1所述环栅自旋量子器件，其特征在于，所述纳米线的截面为圆形、椭圆形、菱形或方形，所述纳米线的截面面积为1nm2～0.25μm2。

5.根据权利要求1所述环栅自旋量子器件，其特征在于，所述环形栅沿所述纳米线轴向的宽度为1nm～2μm；相邻两个环形栅之间的间隔为1nm～2μm。

6.一种半导体器件，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述半导体器件，其特征在于，相邻的两个纳米线间隔为10nm-1μm。

8.根据权利要求6所述半导体器件，其特征在于，还包括金属层，所述金属层包括多条金属线，每条金属线与一个环形自旋量子器件的一个环形栅电连接。

9.根据权利要求6所述半导体器件，其特征在于，所述金属线用于与电压源或者脉冲信号源电连接，以通过所述金属线向所述环形栅施加电压或者脉冲信号，通过所述电压或者脉冲信号实现对单个自旋量子比特的操纵、多个自旋量子比特之间相互作用的操纵以及每个自旋量子比特状态的读出。

10.一种半导体器件的制备方法，其特征在于，包括：

11.根据权利要求7所述半导体器件的制备方法，其特征在于，在所述半导体层的暴露表面形成环形栅包括：

技术总结
本发明提供一种环栅自旋量子单元，包括：纳米线，由半导体材料形成；多个环形栅，沿所述纳米线间隔分布，所述环形栅由导电材料环绕所述纳米线形成；以使相邻两个环形栅之间的纳米线形成一个量子比特。本发明提供的环栅自旋量子单元，能够提供一种小尺寸的自旋量子单元，以使集成的用于量子计算的半导体器件尺寸降低，集成度提高。

技术研发人员：毕冲,姜柏青,王桂磊,刘明
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12