Влияние ориентации подложки кремния

Использование слоев Ge-Si растворов с ориентацией в направлении [001] дает ряд преимуществ. Прежде всего энергия зоны проводимости изменяется в зависимости от состава быстрее для этого направления. Кроме того, Х₂- и L-зоны пересекаются при составе примерно 90 % Ge вместо 70%, как при ориентации [111]. Это позволяет выбрать твердые растворы с меньшими напряжениями при высоте барьера около 50 мэВ, что более чем в два раза больше, нежели при ориентации [111]. Соответственно, барьерные слои при сохранении той же вероятности туннелирования могут быть тоньше, а допустимые напряжения значительно выше.

Использование ориентации [001] вместо [111] ведет также к увеличению эффективной массы в плоскости пластины и уменьшению ее в направлении роста. Эллипсоид зоны проводимости, расположенный в направлении [111], отклонен на 55° от направления [001], и, таким образом, z-направление больше не совпадает с тяжелой массой в направлении [пн. Тяжелая масса переносится (частично) в ху-плоскость, что приводит к уменьшению боровского радиуса. Однако в целом слои с большим содержанием Ge будут всегда иметь в ху-плоскости боровский радиус больше, чем в слоях с большим содержанием Si. Кроме того, слои с большим содержанием Ge будут выполнять функции туннельных Г-слоев и барьерных ?-слоев точно так же, как и для направления [111].

Рис. 11.10. Конструкция кубита, измененная по сравнению с представленной на рис. 11.7 введением слоя с высокой диэлектрической проницаемостью В работе [20] идея использования слоя с параметрами, приводящими к увеличению боровского радиуса и, следовательно, к увеличению возможного расстояния между кубитами, была развита применением эпитаксиального нанесения активного слоя с большой диэлектрической проницаемостью. На рис. 11.10 приведена конструкция кубита, использующая этот принцип.

Так как в соответствии с выражением для боровского радиуса р_ис ц_шц_ш Температурная зависи мость емкости и диэлектрической _а — проницаемости СОТ от темпе- ^В т ратуры:

1,2-в темноте, 3 — при оевещении его величина растет при увеличении диэлектрической проницаемости е материала и уменьшении эффективной массы т*. Такой средой может служить твердый раствор Pb,__tSn _vTe (ln) (свинец — олово — теллур — СОТ). В работе [19] были проведены измерения диэлектрической проницаемости образца СОТ при различных температурах. Из рис. 11.11 видно, что при понижении температуры от 40 до 4.2. .5 К диэлектрическая проницаемость падает от 2 • 10⁵ до 2 • 10.

Если теперь, используя формулы (11.2.2) и (11.2.4), рассчитать зависимости обменной частоты для различных материалов, то можно получить серию кривых, аналогичных приведенным на рис. 11.12.

Рис. 11.12. Зависимость обменной частоты/двух кубитов от расстояния между ними L.

/- Si (e = 12, w*fm₀ =0.191);2- Ge-(e = 16. т*/т₀=0.082);

• 3 - PbTe — (c = 400, m */m₀ = 0.05) ;
• 4 - Pb₀₇₆Sn₀₂₄Te (e = 2000, m */m₀ = 0.05)

Как видно из рисунка, обменная частота для случая, когда в расчете используются значения диэлектрической проницаемости и эффективной массы, соответствующие СОТ (1п) с составом .т = 0.24, сохраняет высокое значение даже тогда, когда расстояние между кубитами увеличивается почти до 10 мкм.

Появились публикации по решению одной из сложнейших проблем в создании кубита на основе ядерного магнитного резонанса на атомах фосфора в кремнии — точного расположения этих атомов в матрице кремния на расстояниях всего согни ангстрем. На рис. 11.13 приведена схема процесса такого размещения атомов, успешно примененного австралийской группой ученых в Центре технологии квантового компьютера в Сиднее.

Рис. 11. IS. Схема процесса формирования регистра фосфорных кубитов в кремнии Сначала производится очистка поверхности кремния в сверхвысоком вакууме. Затем эта атомарно-чистая поверхность кремния (Si (001) 2×1) пассивируется монослоем водорода. Затем по специальной программе с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа десорбируются в заданных местах отдельные атомы водорода. После этого в камеру вводятся пары фосфина при давлении 10 ⁸ мм рт. ст. Адсорбированные молекулы фосфина затем при температуре 500 °C диссоциируют, оставляя атомы фосфора, связанные с кремнием, в местах адсорбции. После этого производится низкотемпературное заращивание кремнием полученной структуры [20].

В этом же центре разработан необходимый для считывания результатов квантовых расчетов одноэлектронный транзистор на основе структуры А1-А1₂0з. Все эти подготовительные работы в настоящее время позволили, как сообщил директор центра, создать кубит, отвечающий всем требованиям по конструкции В. Капе [18]. Он также сообщил о запланированном в 2007 году испытании твердотельного квантового компьютера на основе ЯМР!