[实用新型]自组织锗硅纳米晶基片、栅极电控量子点结构

说明书

本实用新型提供一种自组织锗硅纳米晶基片、栅极电控量子点结构，该自组织锗硅纳米晶基片由下至上依次生长：非掺杂硅衬底、硅缓冲层、锗层、硅包覆层以及二氧化硅层；其中，所述自组织锗硅纳米晶基片上利用分子外延生长技术，使所述锗层、所述硅包覆层和所述二氧化硅层的中部均向上凸起，形成自组织硅锗纳米晶结构。本实用新型提供的自组织锗硅纳米晶基片、栅极电控量子点结构以顶栅极层电控空穴型自组织锗硅纳米晶电控量子点结构为基础，为构建量子计算机的量子比特基本单元提供了可实现高集成度、快速操控的量子点结构。

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种自组织锗硅纳米晶基片、栅极电控量子点结构。

背景技术

随着电子设备中芯片的集成度逐渐增加，以及芯片的基本单元的尺寸逐渐减小，量子效应成为经典芯片继续发展中不可忽视的因素，与此同时量子物理成为新型半导体芯片的基础，并发展出量子芯片。基于量子芯片的量子计算在特定问题上拥有比经典方案更加高效和快速的解决方案。科学家提出多种基于不同体系的量子计算方案。其中门型栅极电控半导体量子器件凭借其优异的稳定性和集成性，以及和现有半导体产业技术和设备结合的优势，适合于实用化和高集成度的半导体芯片的制作，被认为是最有可能实现量子计算的体系之一。

现阶段的研究主要集中于砷化镓、硅、锗硅核壳型纳米线、铟砷纳米线、石墨烯、和碳纳米管等材料。科学家在不断探索优化材料性能的方案，与此同时也在探索合成新型的半导体材料。目前，应用于量子芯片研究的低维半导体材料是基于转移和化学气相沉积等方法制备，单个材料的位置需要精确定位，很难进一步提升芯片的集成度。

在非掺杂硅基片上利用外延生长技术生长的自组织硅锗纳米晶是一种零维纳米结构的新型半导体材料，在基于半导体材料的可扩展量子芯片的研究中表现出显著的优势，硅锗纳米晶能够在基片上生长出位置可控的阵列，能够用于大规模高集成度的芯片制备。第一，自组织硅锗纳米晶的载流子是空穴型。相比于电子型自旋，空穴自旋拥有更大的自旋轨道耦合强度，可应有于全电控自旋比特的快速操控。第二，由于没有核自旋影响，自组织硅锗纳米晶的空穴自旋拥有更长的相干时间，以此为基础制备的量子比特拥有更长的操控时间和更多的操控次数。第三，自组织硅锗纳米晶的尺寸、结构形貌和生长位置都可以精确控制。因此，在量子计算机领域，具有良好的应用前景。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本实用新型提供一种自组织锗硅纳米晶基片、栅极电控量子点结构，以缓解现有技术中，应用于量子芯片研究的低维半导体材料是基于转移和化学气相沉积等方法制备，单个材料的位置需要精确定位，很难进一步提升芯片的集成度的技术问题。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，提供一种自组织锗硅纳米晶基片，其由下至上依次生长：非掺杂硅衬底、硅缓冲层、锗层、硅包覆层以及二氧化硅层；其中，所述自组织锗硅纳米晶基片上利用分子外延生长技术，使所述锗层、所述硅包覆层和所述二氧化硅层的中部均向上凸起，形成自组织硅锗纳米晶结构，包括：锗层向上凸起形成的纳米晶锗内核层；硅包覆层向上凸起形成的纳米晶硅盖帽层；以及二氧化硅层向上凸起形成的纳米晶二氧化硅保护层。

根据本实用新型的另一个方面，还提供一种自组织锗硅纳米晶栅极电控量子点结构，包括：本实用新型提供的自组织锗硅纳米晶基片；电极结构，包括：源电极层和漏电极层，形成于所述二氧化硅层的上表面，顶端通过所述纳米晶二氧化硅保护层上的氢氟酸刻蚀窗口分别与所述纳米晶硅盖帽层的两侧连接；绝缘层，形成于所述源电极层和所述漏电极层的上表面，且将所述纳米晶二氧化硅保护层的顶部覆盖；以及顶栅极层，形成于所述绝缘层的上表面；其中，所述源电极层、漏电极层、绝缘层和顶栅极层形成电控量子点结构；以及测量电路，与所述电极结构连接，用于测量和调节空穴在所述电控量子点结构与漏电极层和源电极层之间的输运状态。