[发明专利]半导体-铁磁绝缘体-超导体混合器件在审
申请号: | 201980102748.3 | 申请日: | 2019-12-05 |
公开(公告)号: | CN114747014A | 公开(公告)日: | 2022-07-12 |
发明(设计)人: | P·克罗格斯拉普·杰普森;S·瓦伊缇克纳斯;C·M·马库斯 | 申请(专利权)人: | 微软技术许可有限责任公司 |
主分类号: | H01L27/18 | 分类号: | H01L27/18;G06N10/20;H01L39/22;H01L39/24 |
代理公司: | 北京市金杜律师事务所 11256 | 代理人: | 董莘 |
地址: | 美国华*** | 国省代码: | 暂无信息 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 半导体 绝缘体 超导体 混合 器件 | ||
半导体‑铁磁绝缘体‑超导体混合器件。一种半导体‑铁磁绝缘体‑超导体混合器件(200)包括半导体组件(20)、铁磁绝缘体组件(24)和超导体组件(22)。所述半导体组件具有至少三个刻面(a、b、c)。所述铁磁绝缘体组件被布置在第一刻面和第二刻面上。所述超导体组件被布置在第三刻面上并且在至少所述第二刻面上的所述铁磁绝缘体组件上方延伸。所述器件对于生成马约喇纳零模式是有用的,所述马约喇纳零模式对于量子计算是有用的。还提供了一种制造所述器件的方法以及在所述器件中诱发拓扑行为的方法。
背景技术
拓扑量子计算基于以下现象,即“马约喇纳零模式”(Majorana zero mode,MZM)形式的非阿贝尔任意子可以在半导体耦合至超导体的区域中形成。非阿贝尔任意子是一种准粒子,意味着其本身不是粒子,而是表现得至少部分地类似于粒子的电子液体中的激发。MZMs是这种准粒子的特定束缚态。在某些条件下,可以在由一段被涂覆有超导体的半导体形成的纳米线中靠近半导体-超导体界面形成这些状态。当在纳米线中诱发MZM时,说它处于“拓扑态(topological regime)”。为了诱发这种情况,需要通常是从外部施加的磁场,并且还需要将纳米线冷却至或低于在超导体材料中诱发超导行为的温度。它还可能涉及用静电势选通(gate)纳米线的一部分。
通过形成这种纳米线的网络并且在网络的部分中诱发拓扑态,可以创建可以被操纵以用于量子计算的量子位(量子位元)。量子位或量子位元是一种如下的要素,可以在其上执行具有两种可能结果的测量,但在任何给定时间(未被测量时)其事实上可以处于对应于不同结果的两种状态的量子叠加中。
为了诱发MZM,器件被冷却至超导体(例如铝,Al)表现出超导行为的温度。超导体在相邻的半导体中引起邻近效应(proximity effect),由此在与超导体的界面附近的半导体区域也表现出超导性质。拓扑相行为在相邻的半导体以及超导体中诱发。正是在半导体的这个区域中形成了MZM。
用于诱发其中可以形成MZM的拓扑相的另一条件是施加磁场以解除半导体中的自旋简并性。量子系统的上下文中的简并性是指不同量子态具有相同能级的情况。解除简并性意味着使这种状态采用不同的能级。自旋简并性是指不同自旋态具有相同能级的情况。自旋简并性可以通过磁场解除,导致不同自旋极化电子之间的能级分裂。这被称为塞曼效应。g因子是指所施加的磁场和自旋分裂之间的系数。通常,磁场由外部电磁体施加。
创建不需要外部磁场(塞曼)的拓扑材料和超导存储器元件的替代途径涉及混杂到单个器件中的半导体材料、超导材料和铁磁绝缘体材料的组合。这些系统已在理论上提出[Sau,et al.,PRL 104,040502(2010)]。
US 16/246287还公开了一种异质结构,其中铁磁绝缘体层被设置在超导体与半导体之间,以便在内部施加磁场以解除自旋简并性,而不需要外部磁体。US 16/246287指示了铁磁绝缘体与半导体之间的交换场(exchange field)导致能级分裂。给出的铁磁绝缘体的示例包括EuS、EuO、GdN、Y3Fe5O12、Bi3Fe5O12、YFeO3、Fe2O3、Fe3O4、Sr2CrReO6、CrBr3/Crl3、YTiO3的形式的重元素化合物(重元素是铕、钆、钇、铁、锶和铼)。
包括InAs和Al层的纳米线异质结构的制造已经被报告[Krogstrup et al.,Nat.Mater.14,400(2015)]。
发明内容
本文提供了包括半导体组件、超导体组件和铁磁绝缘体组件的组合的器件。
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H01L 半导体器件;其他类目中不包括的电固体器件
H01L27-00 由在一个共用衬底内或其上形成的多个半导体或其他固态组件组成的器件
H01L27-01 .只包括有在一公共绝缘衬底上形成的无源薄膜或厚膜元件的器件
H01L27-02 .包括有专门适用于整流、振荡、放大或切换的半导体组件并且至少有一个电位跃变势垒或者表面势垒的;包括至少有一个跃变势垒或者表面势垒的无源集成电路单元的
H01L27-14 . 包括有对红外辐射、光、较短波长的电磁辐射或者微粒子辐射并且专门适用于把这样的辐射能转换为电能的,或适用于通过这样的辐射控制电能的半导体组件的
H01L27-15 .包括专门适用于光发射并且包括至少有一个电位跃变势垒或者表面势垒的半导体组件
H01L27-16 .包括含有或不含有不同材料结点的热电元件的;包括有热磁组件的