▶ クオンタム モーション テクノロジーズ リミテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-10-10
(54)【発明の名称】量子デバイス構造
(51)【国際特許分類】
H01L 29/06 20060101AFI20231002BHJP
G06N 10/20 20220101ALI20231002BHJP
【ＦＩ】
H01L29/06 601D
G06N10/20
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023507993
(86)(22)【出願日】2021-08-05
(85)【翻訳文提出日】2023-03-29
(86)【国際出願番号】 EP2021071850
(87)【国際公開番号】W WO2022029217
(87)【国際公開日】2022-02-10
(31)【優先権主張番号】20190137.8
(32)【優先日】2020-08-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521435167
【氏名又は名称】クオンタム モーション テクノロジーズ リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001416
【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所
(72)【発明者】
【氏名】パトマキ，ソフィア
(72)【発明者】
【氏名】モートン，ジョーン
(57)【要約】
シリコン系量子デバイスを提供する。このデバイスは、第１の金属構造と、第１の金属構造から横方向に分離した第２の金属構造と、第１の金属構造と第２の金属構造の間の分離によって画定された伸長したチャネルとを備え、伸長したチャネルは頂点を有する。デバイスはさらに、伸長したチャネル内に部分的に位置決めされた第３の金属構造と、第３の金属構造の第１の端部に配置された第４の金属構造と、第３の金属構造の第２の端部に配置された第５の金属構造を備えている。第１、第２、第３、第４および第５の金属構造は、それぞれ第１、第２、第３、第４および第５の電位に接続するように構成される。第１、第２、第３、第４および第５の電位は、伸長したチャネルの下の伸長した量子ドットに量子電荷キャリアを閉じ込めるための電位井戸を画定するように制御可能である。第４および第５の電位、ならびに第４および第５の金属構造の位置は、伸長したチャネルの第１および第２の端部をそれぞれ画定する。電位井戸の幅は、第１、第２および第３の金属構造の位置とそれらに対応する電位とによって画定され、電位井戸の長さは、第３、第４および第５の金属構造の位置とそれらに対応する電位とによって画定される。第３の電位は、電位井戸内の量子電荷キャリアエネルギーレベルを調節するために制御可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリコン系量子デバイスであって、第１の金属構造と、
前記第１の金属構造から横方向に分離された第２の金属構造と、
前記第１と第２の金属構造間の分離によって画定される伸長したチャネルであって、頂点を有する、伸長したチャネルと、
前記伸長したチャネル内に部分的に位置決めされた第３の金属構造と、
前記第３の金属構造の第１の端部に配置された第４の金属構造と、
前記第３の金属構造の第２の端部に配置された第５の金属構造と、を備え、
前記第１、第２、第３、第４および第５の金属構造は、それぞれ第１、第２、第３、第４および第５の電位に接続するように構成され、
前記第１、第２、第３、第４および第５の電位は、前記伸長したチャネルの下の伸長した量子ドットに量子電荷キャリアを閉じ込めるための電位井戸を画定するように制御可能であり、
前記第４および第５の電位ならびに前記第４および第５の金属構造の位置が、前記伸長したチャネルの第１および第２の端部をそれぞれ画定し、
前記電位井戸の幅が、前記第１、第２および第３の金属構造の位置と、それらに対応する電位とによって画定され、前記電位井戸の長さが、前記第３、第４および第５の金属構造の位置と、それらに対応する電位とによって画定され、
前記第３の電位は、前記電位井戸内の量子電荷キャリアエネルギーレベルを調節するために制御可能である、シリコン系量子デバイス。
【請求項2】
前記第３の金属構造は前記頂点の周囲に延在している、請求項１に記載のデバイス。
【請求項3】
前記伸長した量子ドットは前記頂点の周囲に延在している、請求項１または請求項２に記載のデバイス。
【請求項4】
前記第１および第２の金属構造は第１の金属層に配置され、前記第３の金属構造は第２の金属層に配置され、前記デバイスがさらに、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間にあり前記第１の金属層に積層する電気絶縁層を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項5】
前記第１の金属層と前記第２の金属層の各々が、複数の横方向に分離された金属構造を備えている、請求項４に記載のデバイス。
【請求項6】
前記第２の金属層はさらに、第６の電位に接続するように構成された第６の金属構造を備え、その結果、電荷キャリアのリザーバが前記第６の金属構造の下に支持され得る、請求項５に記載のデバイス。
【請求項7】
前記第２の金属層はさらに、第７の電位に接続するように構成された第７の金属構造を備え、その結果、前記第７の金属構造の下に量子ドットが支持され得る、請求項５または請求項６に記載のデバイス。
【請求項8】
前記第３の金属構造は第１の延長部を備え、前記第１の延長部は部分的に前記第１の金属構造に積層し、前記第１の延長部は前記第３の電位に接続するように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項9】
前記第３の金属構造はさらに第２の延長部を備え、前記第２の延長部は部分的に前記第１の金属構造に積層し、前記第１および／または第２の延長部は前記第３の電位に接続するように構成されている、請求項８に記載のデバイス。
【請求項10】
請求項１から９のいずれか一項に記載のシリコン系量子デバイスの製造方法であって、前記方法が、第１の金属構造を堆積させるステップと、
伸長したチャネルが第１と第２の金属構造間の分離によって画定されるように、前記第１の金属構造から横方向に分離した前記第２の金属構造を堆積させるステップを含み、前記伸長したチャネルは頂点を有しており、
前記伸長したチャネル内に部分的に第３の金属構造を堆積させるステップと、
前記第３の金属構造の第１の端部に第４の金属構造を堆積させるステップと、
前記第３の金属構造の第２の端部に第５の金属構造を堆積させるステップと、を含み、
前記第１、第２、第３、第４および第５の金属構造は、それぞれ第１、第２、第３、第４および第５の電位に接続するように構成され、
前記第１、第２、第３、第４および第５の電位は、前記伸長したチャネルの下の伸長した量子ドットに量子電荷キャリアを閉じ込めるための電位井戸を画定するように制御可能であり、
前記第４および第５の電位ならびに前記第４および第５の金属構造の位置が、前記伸長したチャネルの第１および第２の端部をそれぞれ画定し、
前記電位井戸の幅が、前記第１、第２および第３の金属構造の前記位置と、それらに対応する電位とによって画定され、前記電位井戸の長さが、前記第３、第４および第５の金属構造の位置と、それらに対応する電位とによって画定され、
前記第３の電位は、前記電位井戸内の量子電荷キャリアエネルギーレベルを調節するために制御可能である、方法。
【請求項11】
前記伸長したチャネル内に部分的に前記第３の金属構造を堆積させるステップは、前記第３の金属構造を前記頂点の周囲に延在させて堆積させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記伸長した量子ドットは前記頂点の周囲に延在する、請求項１０または請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記第１および第２の金属構造は第１の金属層の一部として同時に堆積され、前記第３の金属構造は前記第１の金属層の堆積の後に第２の金属層の一部として堆積され、前記方法はさらに、前記第１の金属層の堆積の後且つ前記第２の金属層の堆積の前に第１の電気絶縁層を堆積するステップを含み、前記第１の電気絶縁層は前記第１の金属層に積層する、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
前記第４および第５の金属構造は第３の金属層の一部として同時に堆積され、前記方法はさらに、前記第２の金属層を堆積した後且つ前記第３の金属層を堆積する前に、第２の電気絶縁層を堆積するステップを含み、前記第２の電気絶縁層は前記第２の金属層に積層する、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
請求項１から９のいずれか一項に記載のシリコン系量子デバイスを動作させる方法であって、前記方法が、第１の金属構造に第１の電位を印加するステップと、
第２の金属構造に第２の電位を印加するステップと、を含み、前記第２の金属構造は、伸長したチャネルが前記第１の金属構造と前記第２の金属構造との間の分離によって画定されるように、前記第１の金属構造から横方向に分離されており、前記伸長したチャネルは頂点を有し、
第３の金属構造に第３の電位を印加し、前記第３の金属構造は前記伸長したチャネル内に部分的に配置される、ステップと、
第３の金属構造の第１の端部に配置された第４の金属構造に第４の電位を印加するステップと、
前記第３の金属構造の第２の端部に配置された第５の金属構造に第５の電位を印加するステップと、を含み、
前記第１、第２、第３、第４および第５の金属構造は、それぞれ第１、第２、第３、第４および第５の電位に接続するように構成され、
前記第１、第２、第３、第４および第５の電位は、前記伸長したチャネルの下の伸長した量子ドットに量子電荷キャリアを閉じ込めるための電位井戸を画定するように制御可能であり、
前記第４および第５の電位ならびに前記第４および第５の金属構造の位置が、前記伸長したチャネルの第１および第２の端部をそれぞれ画定し、
前記電位井戸の幅が、前記第１、第２および第３の金属構造の位置と、それらに対応する電位とによって画定され、前記電位井戸の長さが、前記第３、第４および第５の金属構造の位置と、それらに対応する電位とによって画定され、さらに、
前記第３の電位を制御して、前記電位井戸内の量子電荷キャリアエネルギーレベルを調節するステップを含む方法。
【請求項16】
前記第３の金属構造は前記頂点の周囲に延在する、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記伸長した量子ドットは前記頂点の周囲に延在する、請求項１５または請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記第１および第２の電位の極性は前記第３の電位の極性とは逆である、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項19】
前記第１の電位が前記第２の電位と実質的に同じである、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項20】
前記第４の電位が前記第５の電位と実質的に同じである、請求項１５から１９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、量子計算のためのシリコン系量子デバイスに関するものである。
【背景技術】
【0002】
量子計算には、通常、大量の量子ビットが必要である。近い将来の中間スケール量子計算、即ちＮＩＳＱ時代には、量子計算プロセスは５０～１００個の量子ビットを使用し得る。量子ビットは、量子デバイスの中に高密度に配置され、必要なプロセッサのサイズを最小にするように設計されている。
【0003】
実験者がデバイス内で量子ビットを操作できるようにするには、個別の電極で量子ビットをアドレスできることが望ましい。しかしながら、量子ビットをアドレスするために使用される電極の配線は、通常、量子ビットアレイまたは量子ビット格子内で、量子ビットが単独で占めるスペースと同等またはそれ以上のスペースを要する。平面量子ビット格子のレイアウトでは、電極をパターニングするのに十分なスペースを確保するために、量子ビットの間隔を広げる必要がある。
【0004】
これまで、デバイスの表面に垂直に延在する導電性ビアを用いて、垂直に配線を行うことが提案されてきた。しかしながら、この方法は処理工程が多く複雑であり、故障率も高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
量子計算に使用するためのスケーラブルなデバイス構造の作成が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様は、第１の金属構造と、前記第１の金属構造から横方向に分離された第２の金属構造とを備えるシリコン系量子デバイスを提供する。前記デバイスは、前記第１と第２の金属構造間の分離によって画定される伸長したチャネルを備え、前記伸長したチャネルは頂点を有する。前記デバイスは、前記伸長したチャネル内に部分的に位置決めされた第３の金属構造を備える。前記デバイスはさらに、前記第３の金属構造の第１の端部に配置された第４の金属構造と、前記第３の金属構造の第２の端部に配置された第５の金属構造とを備える。前記第１、第２、第３、第４および第５の金属構造は、それぞれ第１、第２、第３、第４および第５の電位に接続するように構成され、前記第１、第２、第３、第４および第５の電位は、前記伸長したチャネルの下の伸長した量子ドットに量子電荷キャリアを閉じ込めるための電位井戸を画定するように制御可能である。前記第４および第５の電位、ならびに前記第４および第５の金属構造の位置は、前記伸長したチャネルの第１および第２の端部をそれぞれ画定する。前記電位井戸の幅は、前記第１、第２および第３の金属構造の位置とそれらに対応する電位とによって画定され、前記電位井戸の長さは、前記第３、第４および第５の金属構造の位置とそれらに対応する電位とによって画定される。前記第３の電位は、前記電位井戸内の量子電荷キャリアエネルギーレベルを調節するために制御可能である。
【0007】
このデバイスは、量子電荷キャリアの閉じ込めを改善した準一次元チャネルを提供する。準一次元チャネルはコーナーの周囲に延在する。電荷キャリアは、例えば、電子または正孔であってもよい。伸長したチャネルは、デバイスの横方向に分離した導電性領域を結合するために有利に使用され得る頂点を有する伸長した量子ドットを支持することができる。有利には、コーナーの周囲に延在する伸長した量子ドットを使用して、平面配線のみを使用しながら２次元アレイを作製することができる。また、このデバイスは、電位井戸内の電荷キャリア占有率をよりよく制御できるという利点もある。
【0008】
第３の金属構造の両側に第１および第２の金属構造が存在することにより、チャネルの形状および電位井戸内の化学ポテンシャルレベルの個別制御が改善される。有利なことに、このデバイスは、デバイス内の異なる構造を共振させる能力を提供する。
【0009】
有利には、第４および第５の電位は、第４および第５の金属構造が、第３の金属構造と共に伸長したチャネルの長さを画定する静電バリアを形成するように構成されてもよい。前記伸長したチャネルの幅は、典型的には、第１、第２および第３の金属構造を用いて画定される。
【0010】
さらに、第１および第２の金属構造にそれぞれ第１および第２の電位を印加することにより、伸長したチャネルの形状に対する第４および第５の電位の印加の効果が低減される。有利には、伸長したチャネルの形状は、主に第１および第２の電位を用いて制御される。
【0011】
前記デバイスは、頂点を有する伸長したチャネルを備える。前記第３の金属構造は、前記伸長したチャネル内に部分的に配置され、したがって、典型的には、前記第３の金属構造は、前記頂点の周囲に延在する。このことは、デバイス構造をスケールアップして、２次元アレイに配置された導電性領域を結合させることができるという利点を有する。典型的には、第３の金属構造の外縁は、伸長したチャネルの内縁と実質的に整合する。
【0012】
前記第１、第２、第３、第４および第５の金属構造は、前記伸長したチャネルの下の伸長した量子ドット内に量子電荷キャリアを閉じ込めるための電位井戸を画定するように制御可能なそれぞれの電位に接続するように構成されている。前記第１、第２、第３、第４および第５の金属構造は、前記電位井戸の幅および長さを画定する。したがって、前記伸長した量子ドットは通常、前記頂点の周囲に延在する。これは、頂点を有する伸長した量子ドットが、一直線の伸長した量子ドットが適していない２次元アレイの導電性領域間の媒介ドットとして使用され得るという利点を有する。この構成は、平面配線に適合した媒介機構を提供する。
【0013】
典型的には、前記デバイスはさらに、第１、第２および第３の金属構造の下に基板を備える。基板は、例えばシリコン２８のような同位体精製シリコン層を含んでもよい。基板はさらに、シリコン２８層の下に付加的なシリコン層を含んでいてもよい。デバイスは、好ましくは、シリコン金属酸化膜半導体（ＳｉＭＯＳ）デバイスである。
【0014】
好ましくは、第１、第２、第３、第４および第５の電位は、電位井戸の寸法および電荷キャリア占有率を画定するように構成される。好ましくは、前記第１および第２の電位の極性は、前記第３の電位の極性とは逆である。
【0015】
典型的には、前記第１の電位は前記第２の電位と実質的に同じである。前記第１および前記第２の電位は、好ましくは、電位井戸の第１および第２の壁を画定する。類似または同一の電位を使用して第１および第２の壁を画定することにより、実質的に対称な電位井戸が得られ、より均一な閉じ込め領域が有利に提供される。これは、第１と第２の金属構造間に電気的接触を与えるか、または両金属構造を共通の層で提供することによって達成され得る。
【0016】
任意選択的に、前記第４の電位は前記第５の電位と実質的に同じである。これは、量子電荷キャリア閉じ込めの均一性という利点を提供し得る。別の例では、第４の電位と第５の電位は異なっていてもよい。第４および第５の電位は、伸長したチャネルの第１および第２の端部における電位バリアの高さに影響を与える。第４および第５の電位は、バリアの高さを変更し、それに応じて電位井戸の内外へのトンネリング強度を変更することができる。有利なことに、これにより、実験者は、量子電荷キャリアを所望のように操作することができる。
【0017】
第１および第２の金属構造は、通常、デバイスの外側領域まで延在している。外側領域において、第１および第２の金属構造は、電位バイアスを供給するように構成された電圧源に接続され得る。バイアスの大きさおよび極性は、デバイスの所望の特性、特に電位井戸に応じて選択され得る。
【0018】
第１の金属構造および第２の金属構造は、２つの別々の電圧源に接続されてもよく、または同じ電圧源に接続されてもよい。任意選択的に、第１および第２の金属構造が同じ電圧源に接続される場合、第１および第２の金属構造は、第１および第２の金属構造が伸長したチャネルの両側に配置されるように、第１および第２の肢を有する単一の構造を形成してもよい。この場合、単一の構造を使用して第１の金属構造および第２の金属構造の両方を形成することは、両構造間の電気的接続を確実にする。任意選択的に、第１の金属構造と第２の金属構造が２つの別々の電圧源に接続される場合であっても、設定電圧は、電圧源それぞれで同じになるように選択され得る。
【0019】
有利には、第１と第２の電位が実質的に同じである場合、電位井戸の壁は実質的に対称であり、したがって良好な閉じ込めを提供することになる。
【0020】
任意選択的に、前記第１および第２の金属構造は第１の金属層に配置される。複数の金属構造は、横方向に分離された各構造がほぼ同じ厚さである単一層を形成するように、同時に堆積させてもよい。これにより、有利には、デバイスの製造に必要な工程数を減らすことができる。前記第３の金属構造は第２の金属層内に配置されてもよい。
【0021】
好ましくは、前記デバイスはさらに、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間にあり前記第１の金属層に積層する電気絶縁層を備える。これは、有益に、第１、第２および第３の金属構造を異なる電位に接続することを可能にする、金属層間の電気的分離を提供する。
【0022】
任意選択的に、第４および第５の金属構造は第３の金属層に配置されてもよい。好ましくは、デバイスはさらに、第２の金属層と第３の金属層との間に別の電気絶縁層を備える。有利には、金属層の間に電気絶縁層が存在することにより、導電性領域が分離され、デバイス構造に柔軟性を付加する。
【0023】
典型的には、前記第１の金属層と前記第２の金属層の各々は、複数の横方向に分離された金属構造を備えている。任意選択的に、第３の金属層は、複数の横方向に分離した金属構造を含む。金属層の１つ以上における複数の金属構造の使用により、デバイス構造にさらなる柔軟性をもたらす。
【0024】
前記第２の金属層はさらに、第６の電位に接続するように構成された第６の金属構造を備えてもよい。好ましくは、電荷キャリアリザーバは前記第６の金属構造の下に支持され得る。リザーバは、近接によって前記電位井戸に結合可能であってもよい。結合の強さは、変更可能な電位バリアによって決まってもよく、その高さは、例えば第３の金属層における複数の金属構造のうちの１つ以上によって修正されてもよい。有利には、リザーバの電位井戸への結合は、電位井戸の電荷安定性を向上させる。
【0025】
前記第２の金属層はさらに、第７の電位に接続するように構成された第７の金属構造を含んでもよい。好ましくは、量子ドットは前記第７の金属構造の下に支持され得る。量子ドットは、近接によって電位井戸に結合可能であってもよい。結合の強さは、修正可能な電位バリアによって決まってもよく、その高さは、例えば第３の金属層における複数の金属構造のうちの１つ以上によって修正されてもよい。第２の金属層における付加的な金属構造の下に付加的な量子ドットが支持されてもよい。例えば、第１の量子ドットは電位井戸の第１の端部付近で支持されてもよく、第２の量子ドットは電位井戸の第２の端部付近で支持されてもよい。有利には、電位井戸を使用して、第１および第２の量子ドット間で量子情報を通信してもよい。
【0026】
デバイスは、各々が量子ドットを誘導するように構成され得る付加的な金属構造を備えてもよい。したがって、デバイスは、量子計算における量子ビットとして使用され得る量子ドットのアレイを支持するために好適であり得る。量子ドットのアレイの各量子ドットは、別の量子ドット、電位井戸、または電荷キャリアリザーバに結合され得る。このデバイスは、有利には、量子ドットを結合するための機構、および単一のデバイスにおいて多数の量子ドットを個別にアドレスするための機構を提供する。
【0027】
好ましくは、デバイスはさらに、１つ以上の注入領域を含む。例えば、第２の金属層における金属構造は、１つ以上の注入領域のうち１つに部分的に積層してもよい。これにより、有利には、金属構造と基板との間のオーミック接触がもたらされる。注入領域は、典型的には、リン（Ｐ＋）などのＶ族イオンを含む。金属構造は、例えば、量子電荷キャリアリザーバまたは量子ドットを支持するように構成されてもよい。
【0028】
前記第１と第２の金属構造は横方向に分離されて、その間に伸長したチャネルを画定している。第３の金属構造は、前記伸長したチャネル内に部分的に配置される。前記伸長したチャネルは、好ましくは、幅よりも長く、頂点を有する。好ましくは、チャネルの第１の部分は、チャネルの第２の部分に対して角度がつけられている。このようにして、チャネル、およびその結果の、第３の金属構造の下に形成される伸長した量子ドットはコーナーの周りに延在する。有利なことに、この構成は、平面配線のみを使用しながら２次元アレイを作製するための機構を提供する。
【0029】
金属構造の各々は、典型的には、それぞれの電位に接続するように構成され、デバイス全体に電位トポグラフィーを画定する。典型的には、金属構造の各々は、特定の電位バイアスを供給するために使用され得る電圧源に接続され得るデバイスの外側領域まで延在する。特に、前記第３の金属構造は第１の延長部を備えてもよく、前記第１の延長部は前記第１の金属構造に部分的に積層する。前記第１の延長部は前記第３の電位に接続するように構成されてもよく、典型的には、前記伸長したチャネル内に配置された第３の金属構造の部分と前記電圧源とを接続する。
【0030】
前記第３の金属構造はさらに、前記第１の金属構造に部分的に積層する第２の延長部を備えてもよい。前記第１および／または第２の延長部は前記第３の電位に接続するように構成されてもよい。２つの延長部の使用は、有利には、第１の延長部を使用して第３の金属構造を第３の電位に接続し、第２の延長部を使用して第１の延長部の正しい機能をチェックすることによって、デバイスのトラブルシューティングを行うための機構を提供する。
【0031】
本発明の別の態様は、シリコン系量子デバイスの製造方法を提供する。前記方法は、第１の金属構造を堆積させるステップと、伸長したチャネルが第１と第２の金属構造の間の分離によって画定されるように、前記第１の金属構造から横方向に分離した前記第２の金属構造を堆積させるステップを含み、前記伸長したチャネルは頂点を有しており、前記伸長したチャネル内に部分的に第３の金属構造を堆積させるステップと、前記第３の金属構造の第１の端部に第４の金属構造を堆積させるステップと、前記第３の金属構造の第２の端部に第５の金属構造を堆積させるステップと、を含み、前記第１、第２、第３、第４および第５の金属構造は、それぞれ第１、第２、第３、第４および第５の電位に接続するように構成され、前記第１、第２、第３、第４および第５の電位は、前記伸長したチャネルの下の伸長した量子ドットに量子電荷キャリアを閉じ込めるための電位井戸を画定するように制御可能である。前記第４および第５の電位ならびに前記第４および第５の金属構造の位置が、前記伸長したチャネルの第１および第２の端部をそれぞれ画定する。前記電位井戸の幅が、前記第１、第２および第３の金属構造の位置とそれらに対応する電位とによって画定され、前記電位井戸の長さが、前記第３、第４および第５の金属構造の位置とそれらに対応する電位とによって画定される。前記第３の電位は、前記電位井戸内の量子電荷キャリアエネルギーレベルを調節するために制御可能である。
【0032】
有利なことに、シリコン系デバイスを製造するこの方法は、量子電荷キャリアを閉じ込めることができる閉じ込め領域を提供する。伸長したチャネルは、電荷キャリアリザーバまたは量子ドットのようなデバイスの横方向に分離した導電性領域を結合するために有利に使用され得る伸長した量子ドットを支持できる。
【0033】
典型的には、前記伸長したチャネル内に部分的に前記第３の金属構造を堆積させるステップは、前記第３の金属構造を前記頂点の周囲に延在させて堆積させることを含む。前記第３の金属構造は、好ましくは、部分的に前記伸長したチャネル内に堆積され、部分的に前記第１の金属構造に積層して堆積される。典型的には、第１、第２、第４および第５の金属構造は、伸長したチャネルの範囲を画定する。伸長したチャネルに堆積された第３の金属構造の部分は、典型的には、伸長したチャネルを実質的に充填する。例えば、第３の金属構造のエッジは、第１、第２、第４および第５の金属構造の１つ以上のエッジと重なるか、またはエッジに隣接していてもよい。第３の金属構造を頂点の周囲に延在させて堆積させる利点は、平面配線を使って量子ドットの２次元アレイを支持することができるデバイスを製造する能力である。
【0034】
第３の金属構造が頂点の周囲に延在して堆積される結果として、伸長した量子ドットは、典型的には頂点の周囲に延在する。この利点は、量子デバイスにおけるコーナーの周りの相互作用を媒介する能力である。
【0035】
好ましくは、第１および第２の金属構造は第１の金属層の一部として同時に堆積される。同じ製造工程での第１および第２の金属構造の堆積は、有利には、デバイスの製造に必要な製造工程の数を減らし、したがって、製造の複雑さを低減する。前記第３の金属構造は、前記第１の金属層の堆積の後に、第２の金属層の一部として堆積されてもよい。
【0036】
第１および第２の金属構造は、好ましくは、シリコン基板上に堆積されて、シリコン金属酸化物半導体（ＳｉＭＯＳ）デバイスを作製する。
【0037】
この方法は、典型的にはさらに、前記第１の金属層の堆積後且つ前記第２の金属層の堆積の前に第１の電気絶縁層を堆積させるステップを含む。前記第１の電気絶縁層は、好ましくは前記第１の金属層に積層する。これにより、有利には、第１および第２の金属構造を第３の金属構造から電気的に分離し、第１および第２の電位を第３の電位と相違させることができる。
【0038】
前記第２の金属層の堆積の後で、前記第４および第５の金属構造は、第３の金属層の一部として同時に堆積されることが好ましい。本方法は、典型的にはさらに、前記第２の金属層を堆積した後且つ前記第３の金属層を堆積する前に、第２の電気絶縁層を堆積するステップを含み、前記第２の電気絶縁層は前記第２の金属層に積層している。
【0039】
本方法は、好ましくはさらに、金属堆積の前に、シリコン基板に１つ以上の注入領域を形成するステップを含む。例えば、リンイオンを注入して、デバイスに負にドープされた領域を形成してもよい。第２の金属層の金属構造は、金属構造の一部が１つ以上の注入領域の１つを覆うように、または部分的に覆うように延在するように位置決めされてもよい。有利には、これにより、金属構造と基板との間のオーミック接触がもたらされる。
【0040】
本発明のさらなる態様は、シリコン系量子デバイスを動作させる方法を提供する。前記方法は、第１の金属構造に第１の電位を印加するステップと、第２の金属構造に第２の電位を印加するステップと、を含み、前記第２の金属構造は、伸長したチャネルが前記第１の金属構造と前記第２の金属構造との間の分離によって画定されるように、前記第１の金属構造から横方向に分離されており、前記伸長したチャネルは頂点を有し、第３の金属構造に第３の電位を印加し、前記第３の金属構造は前記伸長したチャネル内に部分的に配置されるステップと、前記第３の金属構造の第１の端部に配置された第４の金属構造に第４の電位を印加するステップと、前記第３の金属構造の第２の端部に配置された第５の金属構造に第５の電位を印加するステップと、前記第３の電位を制御して前記電位井戸における量子電荷キャリアエネルギーレベルを調節するステップとを含む。前記第１、第２、第３、第４および第５の金属構造は、それぞれ第１、第２、第３、第４および第５の電位に接続するように構成される。前記第１、第２、第３、第４および第５の電位は、前記伸長したチャネルの下の伸長した量子ドットに量子電荷キャリアを閉じ込めるための電位井戸を画定するように制御可能であり、前記第４および第５の電位ならびに前記第４および第５の金属構造の位置が、前記伸長したチャネルの第１および第２の端部をそれぞれ画定する。前記電位井戸の幅は、前記第１、第２および第３の金属構造の位置とそれらに対応する電位によって画定され、前記電位井戸の長さは、前記第３、第４および第５の金属構造の位置とそれらに対応する電位によって画定される。
【0041】
有利なことに、この方法を用いて、平面配線のみを使用しながら、量子ドットの２次元アレイを動作させることができる。
【0042】
典型的には、前記第３の金属構造は前記頂点の周囲に延在する。前記第３の電位は、第３の金属構造に印加され、前記第３の電位を制御して、前記電位井戸内の量子電荷キャリアエネルギーレベルを調節できる。有利には、第３の金属構造が頂点を有する場合、第３の電位は、頂点を有する電位井戸を画定するように制御され得る。これを用いて、量子ドットの２次元アレイを支持するデバイスを動作させることができる。
【0043】
その結果、前記伸長した量子ドットは、典型的には、前記頂点の周囲に延在する。有利には、頂点の周囲に延在する伸長した量子ドットを用いて、コーナーの周りの相互作用を媒介できる。
【0044】
好ましくは、前記第１および第２の電位の極性は前記第３の電位の極性とは逆である。有利なことに、これは、伸長した量子ドットにおける量子電荷キャリアの閉じ込めを強化する。第１および第２の金属構造および対応する電位は、典型的には、第３の金属構造の各側面に静電バリアを提供する。第３の金属構造および第３の電位は、好ましくは、プランジャゲートを提供する。
【0045】
典型的には、前記第１の電位は前記第２の電位と実質的に同じである。前記第１および前記第２の電位は、好ましくは、電位井戸の第１および第２の壁を画定する。第１および第２の壁を画定するために類似のまたは同じ電位を使用することにより、実質的に対称な電位井戸が得られ、より均一な閉じ込め領域が有利に提供される。これは、第１および第２の金属構造間に電気的接触を与えるか、または両金属構造を共通の層に配設することによって達成され得る。
【0046】
任意選択的に、前記第４の電位は前記第５の電位と実質的に同じである。これは、量子電荷キャリア閉じ込めの均一性という利点を提供し得る。別の例では、前記第４の電位と前記第５の電位は相違していてもよい。前記第４および前記第５の電位は、前記伸長したチャネルの第１および第２の端部における電位バリアの高さに影響を与える。前記第４および前記第５の電位を変えて、バリアの高さを変更し、それに応じて電位井戸の内外へのトンネリング強度を変更できる。有利なことに、これにより、実験者は、量子電荷キャリアを所望に操作することができる。
【0047】
本発明の別の態様は、第１の金属構造、第２の金属構造、および第３の金属構造を備えたシリコン系量子デバイスを提供する。前記第１の金属構造は第１の電位に接続するように構成されている。前記第２の金属構造は前記第２の電位に接続するように構成されている。前記第３の金属構造は、少なくとも部分的に前記第１および第２の金属構造の間の伸長したチャネルに配置され、第３の電位に接続するように構成され、その結果、前記伸長したチャネルの下に量子電荷キャリアを閉じ込めるために、前記第１、第２および第３の金属構造の電位によって電位井戸が画定される。前記第３の電位は、前記電位井戸内の量子電荷キャリアのエネルギーレベルを調節するために制御可能である。
【0048】
本発明のさらなる態様は、シリコン系量子デバイスの製造方法を提供する。前記方法は、第１および第２の金属構造を堆積させるステップと、前記第１および第２の金属構造間の伸長したチャネルに少なくとも部分的に第３の金属構造を堆積させるステップを含み、前記第１、第２および第３の金属構造は、第１、第２および第３の電位にそれぞれ接続するように構成されて、前記第１、第２および第３の電位によって電位井戸が画定されて前記伸長したチャネルの下に量子電荷キャリアを閉じ込めるようになっている。前記第３の電位は、前記電位井戸内の量子電荷キャリアのエネルギーレベルを調節するために制御可能である。
【0049】
以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【0050】
【図1A】本発明の第１の実施形態に係るシリコン系量子デバイスの断面側面図である。
【図1B】本発明の第１の実施形態に係るシリコン系量子デバイスの上面図である。
【図2】シリコン系量子デバイスの上面図である。
【図3】シリコン系量子デバイスの上面図である。
【図4】シリコン系量子デバイスの上面図である。
【図5】シリコン系量子デバイスの上面図である。
【図6A】伸長したチャネルの断面側面図である。
【図6B】電位エネルギー地形の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0051】
図１Ａおよび図１Ｂは、第１の実施形態によるシリコン系量子デバイスの断面側面図および上面図を模式的に示す。シリコン系量子デバイスは、シリコン金属酸化膜半導体、すなわちＳｉＭＯＳの製造プロセスを用いて製造される。図１Ａに描かれた断面側面図は、図１Ｂに示された方向Ａに沿っている。
【0052】
図１Ａは、シリコン基板１００上の第１の金属構造１０１、第２の金属構造１０２、および第３の金属構造１０３を示す。本実施形態では、第１および第２の金属構造１０１、１０２は、同時に、すなわち同じ処理ステップで堆積され、したがって、ほぼ同じ厚さである。第１および第２の金属構造１０１、１０２は第１の金属層１１１に配置されている。第１と第２の金属構造１０１、１０２は、第１の金属層１１１内で横方向に分離されており、両金属構造間に伸長したチャネル１２０を形成している。
【0053】
第３の金属構造１０３は、第１の金属構造１０１と第２の金属構造１０２との間の伸長したチャネル１２０に部分的に堆積される。第３の金属構造１０３は第２の金属層１１２に配置される。第１の金属層１１１と第２の金属層１１２の間に、電気絶縁層（図示せず）が堆積されている。電気絶縁層は、アルミナまたは任意の高－ｋ誘電体のような任意の適切な材料から形成され得る。
【0054】
第１、第２および第３の金属構造１０１、１０２および１０３の各々は、シリコン基板１００上に堆積され、その最上層は、同位体精製シリコン、この実施形態ではシリコン－２８である。第１、第２および第３の金属構造１０１、１０２および１０３は、金またはタングステンのような任意の適切な金属から形成されてもよい。第１および第２の金属層１１１、１１２の各々は複数の層を備えてもよい。例えば第１または第２の金属層１１１、１１２のうち１つは、チタンの層に続いて金の層を含んでもよい。金属の堆積は、原子層堆積または化学気相成長などの任意の適切な技術を使用して実行されてもよい。
【0055】
図１Ｂは、図１Ａに示したシリコン系量子デバイスの上面図を模式的に示す。第１の金属層１１１は、第１の金属構造１０１および第２の金属構造１０２を含む複数の金属構造を含む。第１の金属層１１１内の第１および第２の金属構造１０１、１０２は、それぞれ第１および第２の電位に接続するように構成される。第１と第２の電位は実質的に同じであってよく、静電位バリアを形成することによってデバイス内に閉じ込め領域を形成するように調整されてもよい。
【0056】
第２の金属層１１２は、第３の金属構造１０３を含む複数の金属構造を含む。第３の金属構造１０３の第１の部分１２１は、第１および第２の金属構造１０１、１０２の間の伸長したチャネル１２０に位置決めされ、第３の金属構造１０３の第２の部分１２２は、第１の金属構造１０１の上に部分的に積層して位置決めされる。第３の金属構造１０３の第２の部分１２２と第１の金属構造１０１との間の重なりのレベルを画定する第１の金属構造１０１の幅は、製作上の考慮事項に従って調節され得る。第１の金属構造１０１は、十分な閉じ込めを提供するほど十分広く、第１と第３の金属構造１０１、１０３の間の電気絶縁層における欠陥の可能性を低減するほど十分狭いことが好ましい。例えば、第１の金属構造１０１は、平面配線を用いる場合には１０～４００ナノメートルの間であってもよく、非平面配線を用いる場合には１０～５０ナノメートルの間であってもよい。第３の金属構造１０３の第２の部分１２２はデバイスの外側領域まで延び、第３の電位に接続するために構成された第１の延長部である。本実施形態における第３の金属構造１０３は、上方から見た場合、「Ｔ」字型である。
【0057】
第３の金属構造１０３はプランジャゲートとして機能し、第１、第２および第３の電位は、伸長したチャネル１２０の下に電位井戸が画定されるように調整される。伸長したチャネル１２０の下の電位井戸は、伸長した量子ドット、またはメディエータ量子ドットである。第３の金属構造１０３の両側に第１および第２の金属構造１０１、１０２が存在することにより、伸長したチャネル１２０の下の伸長した量子ドットの閉じ込め形状の制御が改善される。
【0058】
電子または正孔のような量子電荷キャリアは、伸長した量子ドットに閉じ込められ得る。第３の電位は、第１および第２の電位とは逆の極性を有し、伸長した量子ドット内の電荷キャリアの数を制御するように調節され得る。例えば、第１の電位および第２の電位が負の場合、第３電位は正の電位となる。第３の電位を変化させると、電位井戸の深さがシフトし、それに対応して電位井戸内の量子電荷キャリアエネルギーレベルがシフトする効果がある。このことを用いて、伸長した量子ドット内に閉じ込められる量子電荷キャリアの数を変更できる。
【0059】
第４の金属構造１０４および第５の金属構造１０５はバリアゲートを形成する。本実施形態では、第４および第５の金属構造１０４、１０５は同時に堆積され、第３の金属層１１３の一部を形成する。第３の金属層１１３は複数の金属構造を含む。第４および第５の金属構造１０４、１０５は、それぞれ第４および第５の電位に接続するように構成される。第４および第５の電位は、第４および第５の金属構造１０４、１０５が、電位バリアを形成することによって伸長したチャネル１２０の第１の端部１１４および第２の端部１１５をそれぞれ画定するように選択される。第４および第５の電位は、伸長したチャネル１２０のそれぞれの端部における電位バリアの高さを調節するように制御され得る。
【0060】
伸長したチャネル１２０の下に位置する電位井戸は、したがって、第１、第２、第３、第４および第５の金属構造１０１～１０５とそれらに対応する電位とによって画定される。電位井戸の幅は、第１、第２および第３の金属構造１０１～１０３と電位とによって画定され、電位井戸の長さは、第３、第４および第５の金属構造１０３～１０５と電位とによって画定される。
【0061】
本実施形態において、デバイスの製造は、第１の金属層１１１を堆積するステップと、第１の金属層１１１の上に第１の電気絶縁層（図示せず）を堆積するステップと、第２の金属層１１２を堆積するステップと、第２の金属層１１２の上に第２の電気絶縁層（図示せず）を堆積するステップと、第３の金属層１１３を堆積するステップとを含む。このようにして、第１、第２および第３の金属層１１１、１１２、１１３は電気的に分離される。別の実施形態では、第３の金属層は第２の金属層より前に堆積され、各金属層の間に電気絶縁層が配置される。各電気絶縁層は、先に堆積され、したがって露出している金属層を覆うように構成される。各電気絶縁層は、露出した金属層を部分的に覆ってもよい。重要なことは、各電気絶縁層は、各金属層が他の各金属層から電気的に分離されるように堆積されることである。金属層間にガルバニック接触はなく、したがって、電荷キャリアは垂直方向に積層された金属層間を流れない。
【0062】
本実施形態において、第２の金属層１１２はさらに、プランジャゲートとして作用する３つの付加的な金属構造を含む。第１のプランジャゲート１３１は電荷キャリアリザーバを支持するのに適している。第２のプランジャゲート１３２は量子電荷キャリアのソースを形成し、第３のプランジャゲート１３３は量子電荷キャリアのドレインを形成する。別の実施形態では、第２のプランジャゲートが量子電荷キャリアのドレインを形成し、第３のプランジャゲートが量子電荷キャリアのソースを形成してもよい。
【0063】
第１、第２および第３のプランジャゲート１３１、１３２、１３３の各々は、本実施形態における第３の金属構造と同時に堆積され、各電位に接続するように構成される。電位は、要求されるデバイス機能に応じて調節されてもよい。例えば、第２のプランジャゲート上の電位と第３のプランジャゲート上の電位との間には、電荷キャリアの移動が特定の方向となるような電位差があってもよい。第１、第２および第３のプランジャゲート１３１、１３２、１３３の各々は、デバイスの注入領域（図示せず）に部分的に積層するように位置決めされる。注入領域は、リンイオンなどのイオンを含み、典型的には、デバイスの外側領域に位置決めされる。
【0064】
第３の金属層１１３内の第４の金属構造１０４は、第３の金属構造１０３の第１の端部１１４と第２の金属層１１２の第２のプランジャゲート１３２との間に位置決めされる。第３の金属層１１３の第５の金属構造１０５は、第３の金属構造１０３の第２の端部１１５と第２の金属層１１２の第３のプランジャゲート１３３との間に位置決めされる。第４および第５の金属構造１０４、１０５は、部分的に第１の金属層１１１の２つの金属構造間のチャネルに位置決めされ、部分的に第１の金属構造１０１に積層して位置決めされる。第４および第５の電位を調節することにより、隣接する電位井戸間のトンネル結合を制御する第４および第５の金属構造の下に形成される電位バリアの高さが調節される。本実施形態では、バリアゲート１０４、１０５上の電位を調節することにより、第３の金属層内の金属構造、すなわち第２のプランジャゲート１３２、第３の金属構造１０３および第３のプランジャゲート１３３の間の結合の強さが制御される。
【0065】
第３の金属層１１３は、第４の金属構造１０４および第５の金属構造１０５を含むバリアゲートを備えている。第３の金属層１１３はさらに、第１のプランジャゲート１３１と第３の金属構造１０３との間に配置された付加的なバリアゲートである第１のバリアゲート１３０を備えている。第１のバリアゲート１３０は、第１のプランジャゲート１３１の下に支持された電荷キャリアリザーバと、第３の金属構造１０３の下に支持された伸長した量子ドットとの間の結合強度を制御するために調節され得るバリア電位に接続できるように構成される。
【0066】
第１の金属層は、付加的な金属構造である、第１の閉じ込めゲート１２３を備えている。第１の金属構造１０１と第１の閉じ込めゲート１２３と第２の金属構造１０２との間に、第１のチャネル１２４が形成されている。第２のプランジャゲート１３２、第４の金属構造１０４、第３の金属構造１０３、第５の金属構造１０５および第３のプランジャゲート１３３は、全て第１チャネル１２４内に部分的に位置決めされる。その下に量子電荷キャリアを閉じ込めることができる伸長したチャネル１２０は第１のチャネル１２４の一部を形成する。第２の金属構造１０２と第１の閉じ込めゲート１２３との間に、第２のチャネル１２５が形成されている。第１のバリアゲート１３０および第１のプランジャゲート１３１は、第２のチャネル１２５内に部分的に位置決めされている。
【0067】
各金属構造は、それぞれの電位に接続できるように構成されている。このようにして、デバイスの表面に電位トポグラフィーが構築され、それにわたり量子電荷キャリアが操作され、ガイドされ得る。各金属構造は、デバイスの外側領域まで延び、金属構造を電圧源に接続するために使用され得るボンディング領域まで延びている。第１の金属層の金属構造は、不要な電荷キャリアの存在を最小限にするために、デバイスの外側領域においても第２の金属層の金属構造に実質的に隣接したままである。しかしながら、下地基板の欠陥を避けるために、第１の金属層と第２の金属層の金属構造の間に少しの分離が導入されてもよい。第１の金属層内の金属構造を用いて、第２の金属層および／または第３の金属層内の金属構造から生じる電位をスクリーニングできる。
【0068】
量子電荷キャリアは、第３の金属構造１０３、および第１、第２、第３のプランジャゲート１３１、１３２、１３３の下の電位井戸内に閉じ込められる。第４および第５の金属構造１０４、１０５および第１のバリアゲート１３０は電位バリアを形成し、第１および第２の金属構造１０１、１０２および第１の閉じ込めゲート１２３は電位壁を形成する。電位は、デバイス内で電荷キャリアを移動させるために、動作中に調節可能である。特に、第３の金属層１１３の金属構造１０４、１０５、１３０の電位を調節して、隣接する電荷キャリア閉じ込め領域間の結合の強さを制御し、第２の金属層１１２の金属構造１０３、１３１、１３２、１３３の電位を調整して、電位井戸または閉じ込め領域の量子電荷キャリアエネルギーレベルを調節し、量子電荷キャリア占有率を調節できる。
【0069】
図２は、シリコン系量子デバイスの上面図を模式的に示している。第１の金属層３１１は、第１のチャネル３２４および第２のチャネル３２５を画定する複数の閉じ込めゲートを備えている。第２の金属層３１２は、ソースゲート３１４、ドレインゲート３１６、メディエータゲート３１８およびリザーバゲート３１９を含む複数のプランジャゲートを備えている。第３の金属層３１３は複数のバリアゲートを備えている。
【0070】
第１のチャネル３２４は、ソースゲート３１４、ドレインゲート３１６、メディエータゲート３１８、４つの量子ドットゲート３０５、３０６、３０７、３０８、および６つのバリアゲート３３１、３３２、３３３、３３４、３３５、３３６の一部を含む。各プランジャゲート３０５～３０８、３１４、３１６、３１８は、バリアゲート３３１～３３６によって分離されている。バリアゲート３３１～３３６の電位を調節することで、隣接するプランジャゲート間の結合の強さを制御できる。プランジャゲートの電位は、使用時に、第１のチャネル内のプランジャゲートの下に電位井戸が画定されるように構成される。
【0071】
第２のチャネル３２５は、第７のバリアゲート３３７によって包囲されたリザーバゲート３１９の一部を含む。第７のバリアゲート３３７の電位は、リザーバとメディエータゲート３１８の下に支持される伸長した量子ドットとの間の結合の強さを調節するために調整され得る。
【0072】
ソースゲート３１４、ドレインゲート３１６およびリザーバゲート３１９は、ドープ領域まで延在してオーミック接触を提供する。
【0073】
図２に示されるデバイスの部分は、４つの量子ドット３０１、３０２、３０３、３０４を図示している。隣接する量子ドット、すなわち第１および第２の量子ドット３０１、３０２ならびに第３および第４の量子ドット３０３、３０４は相互作用することができる。第２および第３の量子ドット３０２、３０３も、メディエーターとして機能する伸長した量子ドット３００を用いて相互作用することができる。
【0074】
図３は、シリコン系量子デバイスの上面図を模式的に示している。このデバイスは、図１Ｂに示されたデバイスと類似している。第１の金属層４１１は、チャネルを画定する閉じ込めゲートを形成する金属構造を有する。第２の金属層４１２は、ソースゲート４１４、ドレインゲート４１６、メディエータゲート４１８、およびリザーバゲート４１９を含むプランジャゲートを形成する金属構造を有する。第３の金属層４１３は、メディエータゲート４１８をソースおよびドレインゲート４１４、４１６から分離し、メディエータゲートをリザーバゲート４１９から分離するバリアゲートを形成する金属構造を有している。第３の金属層４１３の金属構造に印加される電位は、隣接する量子電荷キャリア閉じ込め領域間の結合強度を制御するように制御され得る。閉じ込め領域は、典型的には、メディエーターゲート４１８が部分的に位置決めされる伸長したチャネル４２０の下に形成される電位井戸のような電位井戸の形態である。
【0075】
本実施形態は、第３の金属構造４０３が付加的な延長部を備える点で、図１Ｂに示されたものと異なる。メディエーターゲート４１８を形成する第３の金属構造４０３は、第１の部分４２１、第２の部分４２２および第３の部分４２３を備えている。第１の部分４２１は、第１の金属層４１１内の横方向に分離された金属構造４０１の間の伸長したチャネル４２０に位置決めされる。第３の金属構造４０３の第２の部分４２２および第３の部分４２３は、互いに実質的に平行に、且つ第１の部分４２１に対して実質的に垂直に、デバイスの外側領域まで延在する。第２および第３の部分４２２、４２３は、それぞれメディエータゲート４１８の第１および第２の延長部であり、電圧源に接続するためにデバイスの外側領域まで延在している。第２および第３の部分４２２、４２３のいずれか一方または両方が電圧源に接続されてもよい。本実施形態における第３の金属構造、すなわちメディエータゲート４１８は「Ｕ」字型である。
【0076】
図４は、シリコン系量子デバイスの上面図を模式的に示している。第１の金属層５１１は、第１の金属構造５０１と第２の金属構造５０２とを備えている。第１および第２の金属構造５０１、５０２は、両金属構造間に伸長したチャネル５２０を画定するように横方向に分離されている。本実施形態では、伸長したチャネル５２０は頂点５０５を有する。
【0077】
第２の金属層５１２は、ソースゲート５１４、ドレインゲート５１６およびメディエータゲート５１８を備えている。ソースゲート５１４は伸長した金属構造であり、同様の構造のドレインゲート５１６に対して斜めに位置決めされている。メディエータゲート５１８は、伸長したチャネル５２０内に位置決めされ、頂点５０５の周りに延在している。メディエータゲート５１８の第１の領域は、メディエータゲート５１８の第２の領域に対して角度が付けられており、第１および第２の領域は、伸長したチャネル５２０内に配置される。メディエーターゲート５１８の第１の領域は、ソースゲート５１４と軸方向に整列し（図４の視座から水平に）、メディエーターゲート５１８の第２の領域は、ドレインゲート５１６と軸方向に整列する（図４の視座から垂直に）。本実施形態では、ソースおよびドレインゲート５１４、５１６とメディエータゲート５１８の第１および第２の領域との間の角度は略直角である。例えば、角度は、８５度から９５度の間であってもよく、好ましくは８９度から９１度の間である。別の実施形態では、角度は約４５度または１３５度であってよい。メディエータゲート５１８は、伸長したチャネル５２０内に位置決めされる第１の部分５２１と、メディエータゲート５１８からデバイスの外側領域まで延在する第２の部分５２２とを有する。
【0078】
第３の金属層５１３は、第１のバリアゲート５３１および第２のバリアゲート５３２を備えている。第１のバリアゲートは、ソースゲート５１４とメディエータゲート５１８との間に位置決めされる。第２のバリアゲートは、メディエータゲート５１８とドレインゲート５１６との間に位置決めされる。
【0079】
このデバイス構造を用いることで、コーナー付近での相互作用を媒介することが可能になる。これにより、量子ドットの２次元アレイを、平面配線を使ってデバイス内でアドレスすることができる。別の実施形態では、デバイスは、量子ドットゲートと、メディエータゲートとソースおよび／またはドレインゲートとの間の付加的なバリアゲートとを含み得る。伸長した量子ドットは、メディエータゲートの下に頂点を有するように形成され得る。
【0080】
図５は、シリコン系量子デバイスの上面図を模式的に示している。第１の金属層７１１は、協働して第１のチャネル７２４および第２のチャネル７２５を画定する複数の金属構造を備えている。第２の金属層７１２は、第１および第２の量子ドットゲート７０５、７０６、第１および第２のソースゲート７１４、７１５、ならびに第１および第２のドレインゲート７１６、７１７を備えている。第３の金属層７１３は、第１および第２のバリアゲート７３１、７３２を備えている。バリアゲート７３１、７３２は、第１および第２のチャネル７２４、７２５に対して実質的に垂直に位置決めされ、各バリアゲートは各チャネルに部分的に位置決めされる。
【0081】
したがって、第１のチャネル７２４は、第１および第２のバリアゲート７３１、７３２によって分離された第１のソースゲート７１４、第１の量子ドットゲート７０５および第１のドレインゲート７１６の一部を含む。第２のチャネル７２５は、第１および第２のバリアゲート７３１、７３２によって同様に分離された第２のソースゲート７１５、第２の量子ドットゲート７０６および第２のドレインゲート７１６の一部を含む。
【0082】
本実施形態では、第１の金属層７１１の複数の金属構造のうちの１つは水平閉じ込めゲート７２０を形成する。水平閉じ込めゲート７２０は、第１および第２のチャネル７２４、７２５が量子ドットおよび／またはメディエータドットの線形アレイを支持できるように、第１のチャネル７２４と第２のチャネル７２５との間にバリアを提供する。したがって、このデバイス構造は、平面配線のみを使用して量子ドットの隣接する線形アレイをアドレスするための機構を提供する。
【0083】
図６Ｂは、図６Ａに図示された伸長したチャネル８２０に沿った電位地形８００を模式的に示す図である。図６Ａは、伸長したチャネル８２０の断面図であり、第１のバリア電極８３１および第２のバリア電極８３２によって分離されたソース電極８１４、メディエータ電極８１８およびドレイン電極８１６が描かれている。ソース電極、ドレイン電極およびメディエータ電極８１４、８１６、８１８は第２の金属層８１２内の金属構造である。第１および第２のバリア電極８３１、８３２は第３の金属層８１３内の金属構造である。第１の金属層は伸長したチャネルの各側に配置され、したがって、断面図には示されていない。
【0084】
伸長したチャネル８２０内の金属構造８１４、８３１、８１８、８３２、８１６の各々は、対応する電位に接続するように構成される。これらの電位は、伸長したチャネル８２０に沿った電位エネルギー地形８００を画定する。伸長したチャネル８２０内の量子電荷キャリアの横方向の閉じ込めは、第１の金属層内の閉じ込め電極の電位を用いて達成される。図６Ｂは、例示的な電位エネルギー地形８００を描写している。しかしながら、伸長したチャネル８２０内の金属構造８１４、８３１、８１８、８３２、８１６の各々の電位を調節して、要件に従って電位エネルギー地形８００を修正できる。
【0085】
電位エネルギー地形８００は、第１、第２および第３の電位井戸８４１、８４２、８４３を含む。第１の電位井戸８４１はメディエータ電極８１８の下に形成される。第２および第３の電位井戸８４２、８４３はソースおよびドレイン電極８１４、８１６の下にそれぞれ形成される。本実施形態では、ソースおよびドレイン電極８１４、８１６の電位は実質的に同一であり、メディエータ電極８１８の電位よりも小さい。従って、第１電位井戸８４１は第２および第３電位井戸８４２、８４３より深く、第２および第３電位井戸８４２、８４３は同様の深さである。
【0086】
電位井戸内に閉じ込められる量子電荷キャリアの数は、電位井戸の深さに関連する。図６Ｂは、第１、第２および第３の電位井戸８４１、８４２、８４３のそれぞれの中の最上位のエネルギーレベル８５１、８５２、８５３をそれぞれ図示している。量子電荷キャリアは、１つの可能な構成で最上部のエネルギーレベル８５１～８５３を占めるものとして図示されている。
【0087】
電位エネルギー地形８００は、第１および第２のバリア電極８３１、８３２の下にそれぞれ形成された第１および第２のバリア８４４、８４５も含む。第１のバリア８４４は、第２の電位井戸８４２を第１の電位井戸８４１から分離する。第２のバリア８４５は、第３の電位井戸８４３を第１の電位井戸８４１から分離する。第１および第２のバリア電極８３１、８３２の電位は、隣接する電位井戸間のトンネル結合を制御するように調整され得る。トンネル結合の制御を用いて、各電位井戸８４１～８４３内の量子電荷キャリア占有率を調節できる。
【0088】
理解されるように、シリコン系量子デバイスが、そのデバイスの製造方法と共に開示される。説明されるようなシリコン系量子デバイスの各々は、順次堆積される一連の金属層を含む。金属層を電気的に分離するために、電気絶縁層が金属層の各々の間に堆積される。金属層の各々は複数の金属構造を含む。各金属構造は、それぞれの電位に接続するように構成されている。金属構造の相対的な配置と電位は共に、デバイス内の電子または正孔などの量子電荷キャリアを操作するために使用できる電位トポグラフィーを画定する。
【符号の説明】
【0089】
１００ シリコン基板
１０１ 第１の金属構造
１０２ 第２の金属構造
１０３ 第３の金属構造
１１１ 第１の金属層
１１２ 第２の金属層
１２０ 伸長したチャネル
３０１、３０２、３０３、３０４ 量子ドット
３０５、３０６、３０７、３０８ 量子ドットゲート
３１３ 第３の金属層
３１４ ソースゲート
３１６ ドレインゲート
３１８ メディエータゲート
３１９ リザーバゲート
３２４ 第１のチャネル
３２５ 第２のチャネル
３３１、３３２、３３３、３３４、３３５、３３６、３３７ バリアゲート
１０１ 第１の金属構造
１０２ 第２の金属構造
１０３ 第３の金属構造
１１１ 第１の金属層
１１２ 第２の金属層
１２０ 伸長したチャネル
３０１、３０２、３０３、３０４ 量子ドット
３０５、３０６、３０７、３０８ 量子ドットゲート
３１３ 第３の金属層
３１４ ソースゲート
３１６ ドレインゲート
３１８ メディエータゲート
３１９ リザーバゲート
３２４ 第１のチャネル
３２５ 第２のチャネル
３３１、３３２、３３３、３３４、３３５、３３６、３３７ バリアゲート
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【国際調査報告】