[实用新型]空穴型半导体异质结霍尔棒

说明书

技术领域

本实用新型涉及量子器件领域，具体地涉及一种空穴型半导体异质结霍尔棒。

背景技术

当前半导体芯片上集成的元件的尺寸越来越小，量子效应变得越来越不可忽略。随着摩尔定律的逐步失效，半导体行业有必要去开发新型的量子器件。自从shor算法(可破解当前密码系统的算法)等利用量子力学原理的算法出现后，量子计算机研制成为了当今世界各国竞争的战略焦点。

目前，在GaAs/AlGaAs、SiO₂/Si、Si/SiGe等材料上制作的半导体门型电控量子点结构因为其受到的外界干扰较小而成为量子比特比较有希望的候选者。并且由于量子点结构的制造工艺完全兼容当前半导体工业，因此在比特的扩展和集成上相比于其他量子计算体系有极大的优势。

量子器件的载流子分为电子型和空穴型两种，以往人们探索较多的是以电子为载流子的结构，因为空穴型器件容易漏电同时性质不太稳定。经过近十年在材料生长工艺和样品加工工艺的实验与理论等多方面的研究突破之后，科学家们发现以空穴为载流子的量子比特可能有更长的量子比特退相干时间(相比于电子的量子比特退相干时间)。空穴的波函数是p轨道，而电子的波函数是s轨道，空穴相比于电子受到原子核的超精细相互作用要小很多。另外空穴相比于电子，有更强的自旋轨道耦合相互作用，使得空穴自旋量子比特有更快的比特翻转速度(比特从0变化到1或者从1变化到0)，有利于获得全电控的长相干快操控的高保真度的空穴自旋量子比特体系。

目前，为了制备出优质的空穴自旋量子比特，需要获得二维空穴气性质优异的半导体量子芯片材料。二维空穴气的性质主要是空穴密度、空穴迁移率以及半导体材料的均匀性和空穴流动的稳定性等。目前对材料的二维空穴气的性质的表征是不方便的。需要能够方便地表征二维空穴气性质的量子器件。

实用新型内容

为了提供表征二维空穴气性质的量子器件，本实用新型提供了以下技术方案。

[1]一种空穴型半导体异质结霍尔棒，所述空穴型半导体异质结霍尔棒包含：

非掺杂GaAs/AlGaAs异质结基片(100)，所述异质结基片(100)由下到上依次包括非掺杂GaAs衬底(101)、非掺杂AlGaAs层(102)和表面非掺杂GaAs盖帽层(103)；

第一对欧姆接触电极(201)、(204)，所述欧姆接触电极(201)、(204)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，，进入所述非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm；

第二对欧姆接触电极(203)、(205)，所述欧姆接触电极(203)、(205)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入所述非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm，所述第二对欧姆接触电极(203)、(205)之间的连线与所述第一对欧姆接触电极(201)、(204)之间的连线相互垂直；

欧姆接触电极(202)，所述欧姆接触电极(202)依次穿过表面非掺杂GaAs盖帽层(103)和非掺杂AlGaAs层(102)，进入所述非掺杂GaAs衬底(101)至少5nm，所述欧姆接触电极(202)与欧姆接触电极(203)之间的连线与所述第一对欧姆接触电极(201)、(204)之间的连线相互平行；

绝缘层(300)，所述绝缘层(300)覆盖所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)、所述欧姆接触电极(201)、(204)、(202)、(203)和(205)；

顶栅极(400)，所述顶栅极(400)设置在所述绝缘层(300)上，并且其水平投影与所述欧姆接触电极(201)、(204)、(202)、(203)和(205)均有交叠。

[2]根据[1]所述的空穴型半导体异质结霍尔棒，其特征在于，所述顶栅极(400)与所述欧姆接触电极(201)、(204)、(202)、(203)和(205)中每一个的交叠面积为1000-5000平方微米，优选2000平方微米。

[3]根据[1]所述的空穴型半导体异质结霍尔棒，其特征在于，所述非掺杂AlGaAs层(102)的厚度为20-80nm；和/或所述表面非掺杂GaAs盖帽层(103)的厚度为2-10nm；和/或所述欧姆接触电极(201)、(204)、(202)、(203)和(205)的厚度为50-120nm；和/或所述绝缘层(300)的厚度为20-120nm；和/或所述顶栅极的厚度为50-130nm。

本实用新型提供了一种空穴型半导体异质结霍尔棒，可用于量子比特芯片材料设计和表征。