由金属结构限定的硅量子装置结构的制作方法

本发明涉及一种用于量子计算的硅基量子装置。

背景技术：

1、量子计算通常需要大量的量子比特。在近期中等规模量子计算或中等规模带噪声量子装置(nisq)时代，量子计算过程可以使用50-100个量子比特。量子比特通常被布置在量子装置内的密集阵列中，以便使必要的处理器尺寸最小化。

2、令人希望的是能够用单独的电极寻址每个量子比特以允许实验者操纵该装置内的量子比特。然而，用于对量子比特进行寻址的电极的布线通常要求与量子比特阵列或量子比特晶格内量子比特单独所占据的空间相当或更大的空间。对于平面的量子比特晶格布局，量子比特因此需要被间隔开以便具有足够的空间来对电极进行图案化。

3、已经建议，可以使用垂直于装置的表面延伸的导电通孔垂直地执行布线。然而，这是具有大量处理步骤和高故障率的复杂方法。

4、希望创建一种可扩展的装置结构用于量子计算。

技术实现思路

1、本发明的方面提供了一种硅基量子装置，硅基量子装置包括第一金属结构以及与第一金属结构横向间隔开的第二金属结构。装置包括由第一金属结构与第二金属结构之间的间隔限定的长形通道；长形通道具有顶点。装置包括第三金属结构，第三金属结构被部分地定位在长形通道中。装置还包括布置在第三金属结构的第一端处的第四金属结构和布置在第三金属结构的第二端处的第五金属结构。第一金属结构、第二金属结构、第三金属结构、第四金属结构和第五金属结构被配置为分别连接至第一电势、第二电势、第三电势、第四电势和第五电势，并且第一电势、第二电势、第三电势、第四电势和第五电势是能够控制的以限定电势阱，从而将量子电荷载流子限制在长形通道下方的长形量子点中。第四电势和第五电势以及第四金属结构和第五金属结构的位置分别限定长形通道的第一端和第二端。电势阱的宽度是由第一金属结构、第二金属结构和第三金属结构的位置及其相应的电势来限定的；并且电势阱的长度是由第三金属结构、第四金属结构和第五金属结构的位置及其相应的电势来限定的。第三电势是能够控制的以调整电势阱中的量子电荷载流子能级。

2、装置提供具有量子电荷载流子的改进限制的准一维通道。准一维通道在拐角周围延伸。电荷载流子可以例如是电子或空穴。长形通道可支撑具有顶点的长形量子点，顶点可有利地用于耦接装置的横向间隔开的导电区域。有益的是，在拐角周围延伸的长形量子点可以用于制造二维阵列，同时仅使用平面布线。装置还有益地提供了对电势阱内的电荷载流子占用的改进的控制。

3、第三金属结构的任一侧的第一金属结构和第二金属结构的存在提供了对通道的形状和势阱内的化学势能水平的改进的单独控制。有利地，此装置提供使装置内的不同结构共振的能力。

4、有利地，第四电势和第五电势可以被配置为使得第四金属结构和第五金属结构形成势垒屏障从而与第三金属结构一起限定长形通道的长度。长形通道的宽度通常使用第一金属结构、第二金属结构和第三金属结构来限定。

5、此外，分别向第一金属结构和第二金属结构施加第一电势和第二电势减小了施加第四电势和第五电势对长形通道的形状的影响。有利地，主要使用第一电势和第二电势来控制长形通道的形状。

6、装置包括具有顶点的长形通道。第三金属结构被部分地定位在长形通道中并且因此通常第三金属结构在顶点周围延伸。这具有以下优点：可以放大装置结构以耦合以二维阵列布置的导电区域。通常，第三金属结构的外边缘与长形通道的内边缘大体对准。

7、第一金属结构、第二金属结构、第三金属结构、第四金属结构和第五金属结构被配置为连接至相应的电势，相应的电势能够控制以限定电势阱，从而将量子电荷载流子限制在长形通道下方的长形量子点中。第一金属结构、第二金属结构、第三金属结构、第四金属结构和第五金属结构限定电势阱的宽度和长度。因此，长形量子点通常在顶点周围延伸。这具有以下优点：具有顶点的长形量子点可以用作二维阵列中的导电区域之间的介体点，其中，直的长形量子点是不合适的。该配置提供与平面布线兼容的调解机构。

8、通常，装置进一步包括位于第一金属结构、第二金属结构和第三金属结构下方的衬底。衬底可以包括同位素纯化的硅层，例如硅-28。衬底可进一步包括位于硅-28层下方的额外硅层。装置优选为硅金属氧化物半导体(simos)装置。

9、第一电势、第二电势、第三电势、第四电势和第五电势优选地被配置成用于限定电势阱的尺寸和电荷载流子占据。优选地，第一电势和第二电势的极性与第三电势的极性相反。

10、通常，第一电势与第二电势大体相同。第一电势和第二电势优选地限定了电势阱的第一壁和第二壁。使用相似或相同电势来限定第一壁和第二壁产生大体对称的电势阱，该电势阱有利地提供更均匀的限制区域。这可以通过在第一金属结构和第二金属结构之间提供电接触或将它们设置在公共层中来实现。

11、可选地，第四电势与第五电势大体相同。这可以提供量子电荷载流子限制的均匀性的优势。在另一示例中，第四电势和第五电势可不同。第四电势和第五电势影响在长形通道的第一端和第二端处的电势势垒的高度。可以改变第四电势和第五电势以改变势垒高度以及相应地改变进出电势阱的穿透势垒的强度。有利地，这允许实验者根据期望操纵量子电荷载流子。

12、第一属结构和第二金属结构通常延伸到装置的外部区域。在外部区域中，第一属结构和第二金属结构可以被连接到电压源，电压源被配置成用于提供电势偏压。偏压的幅值和极性可以根据装置的所期望的特征并且具体地根据势阱进行选择。

13、第一金属结构和第二金属结构可以连接到两个独立的电压源，或者可以连接到相同的电压源。可选地，如果第一金属结构和第二金属结构被连接到相同的电压源，则第一金属结构和第二金属结构可以形成具有第一分支和第二分支的单个结构，使得第一金属结构和第二金属结构被定位在长形通道的任一侧。在这种情况下，使用单个结构来形成第一金属结构和第二金属结构两者确保了两者之间的电连接。可选地，如果第一金属结构和第二金属结构被连接到两个单独的电压源，则设置的电压仍然可以被选择成在每个电压源上是相同的。

14、有利地，如果第一电势和第二电势大体相同，则电势阱的壁将是大体对称的并且因此将提供良好的限制。

15、可选地，第一金属结构和第二金属结构布置在第一金属层中。可以同时沉积多个金属结构以形成单层，其中，横向间隔开的每个结构具有大体相同的厚度。这有利地减少了制造装置所需要的步骤的数目。第三金属结构可以布置在第二金属层中。

16、优选地，装置进一步包括电绝缘层，电绝缘层在第一金属层与第二金属层之间并且覆盖第一金属层。这有利地提供金属层之间的电间隔，其允许第一金属结构、第二金属结构和第三金属结构连接到不同的电势。

17、可选地，第四金属结构和第五金属结构可以布置在第三金属层中。优选地，装置进一步包括在第二金属层与第三金属层之间的另一个电绝缘层。有利地，在金属层之间存在电绝缘层将导电区域间隔开，这为装置结构增加了柔性。

18、通常，第一金属层和第二金属层中的每一个包括多个横向间隔开的金属结构。可选地，第三金属层包括多个横向间隔开的金属结构。在一个或更多个金属层中使用多个金属结构为装置结构提供额外的灵活性。

19、第二金属层可以进一步包括被配置成用于连接至第六电势的第六金属结构。优选地，电荷载流子的储存器可支撑在第六金属结构下方。储存器可以通过接近而与电势阱是可耦合的。耦合强度可通过可修改的电势垒确定，可通过例如第三金属层中的多个金属结构中的一个或更多个金属结构来修改电势垒的高度。有利地，储存器与势阱的耦合改善了势阱的电荷稳定性。

20、第二金属层可以进一步包括第七金属结构，第七金属结构被配置成用于连接至第七电势。优选地，量子点可以支撑在第七金属结构的下方。量子点可以通过接近与电势阱耦合。耦合强度可通过可修改的电势垒确定，可由例如第三金属层中的多个金属结构中的一个或更多个金属结构来修改电势垒的高度。可以在第二金属层中的附加金属结构下方支撑附加量子点。例如，第一量子点可以被支撑在电势阱的第一端附近并且第二量子点可以被支撑在电势阱的第二端附近。有利地，电势阱可以用于在第一量子点与第二量子点之间传递量子信息。

21、装置可以包括额外的金属结构，每个金属结构可以被配置为诱导量子点。装置因此可以适合于支撑量子点阵列，量子点阵列可以用作量子计算中的量子比特。量子点阵列中的每个量子点可以耦合至另一个量子点、电势阱或电荷载流子储存器。装置有利地提供了一种机构，该机构用于在单个装置内耦合量子点以及单独处理大量量子点。

22、优选地，装置进一步包括一个或更多个注入区域。例如，第二金属层中的金属结构可部分地覆盖一个或更多个注入区域中的一者。这有利地引起金属结构与衬底之间的欧姆接触。注入区域通常包括v族离子，诸如磷(p+)等。金属结构可以例如被配置为支撑量子电荷载流子储存器或量子点。

23、第一金属结构与第二金属结构横向间隔开，从而在第一金属结构与第二金属结构之间限定长形通道。第三金属结构被部分地定位在长形通道中。长形通道优选地比其宽度更长并且具有顶点。优选地，通道的第一部分相对于通道的第二部分成角度。通过这种方式，通道和在第三金属结构下方形成的随之发生的长形量子点在拐角周围延伸。有利地，此配置提供了用于制造二维阵列同时仅使用平面布线的机构。

24、每个金属结构通常配置成用于连接到相应的电势，从而限定横跨装置的电势形貌。通常，金属结构的每一个延伸到装置的外部区域，在外部区域处金属结构可以连接到电压源，电压源可以用于提供特定的电势偏压。具体地，第三金属结构可以包括第一延伸部，其中，第一延伸部部分地覆盖第一金属结构。第一延伸部可被配置为连接至第三电势，并且通常将定位在长形通道内的第三金属结构的部分与电压源连接。

25、第三金属结构可进一步包括第二延伸部，第二延伸部部分地覆盖第一金属结构。第一延伸部和/或第二延伸部可以被配置成用于连接到第三电势。通过使用第一延伸部将第三金属结构连接至第三电势以及使用第二延伸部检查第一延伸部的正确功能，使用两个延伸部有利地提供了用于对装置进行故障检修的机构。

26、本发明的另一方面提供了一种制造硅基量子装置的方法。方法包括：沉积第一金属结构；沉积与第一金属结构横向间隔开的第二金属结构，使得通过第一金属结构与第二金属结构之间的间隔来限定长形通道；其中，长形通道具有顶点；在长形通道中部分地沉积第三金属结构；在第三金属结构的第一端处沉积第四金属结构；在第三金属结构的第二端处沉积第五金属结构；其中第一金属结构、第二金属结构、第三金属结构、第四金属结构和第五金属结构被配置为分别连接到第一电势、第二电势、第三电势、第四电势和第五电势；其中，第一电势、第二电势、第三电势、第四电势和第五电势能够控制以限定电势阱，从而将量子电荷载流子限制在长形通道下方的长形量子点内。第四电势和第五电势以及第四金属结构和第五金属结构的位置分别限定长形通道的第一端和第二端。电势阱的宽度是由第一金属结构、第二金属结构和第三金属结构的位置及其相应的电势来限定的；并且电势阱的长度是由第三金属结构、第四金属结构和第五金属结构的位置及其相应的电势来限定的。第三电势是能够控制的以调整电势阱中的量子电荷载流子能级。

27、有利地，这种制造硅基装置的方法提供了限制区域，量子电荷载流子可以被限制在限制区域中。长形通道可支撑长形量子点，长形量子点可有利地用于耦合装置的横向间隔开的导电区域，诸如电荷载流子储存器或量子点等。

28、通常，将第三金属结构部分地沉积在长形通道中包括沉积在顶点周围延伸的第三金属结构。第三金属结构优选地部分地沉积在长形通道中并且部分地沉积在第一金属结构上方。通常，第一金属结构、第二金属结构、第四金属结构和第五金属结构限定长形通道的范围。沉积在长形通道中的第三金属结构的部分通常大体填充长形通道。例如，第三金属结构的边缘可以覆盖或邻接第一金属结构、第二金属结构、第四金属结构和第五金属结构中的一个或更多个金属结构的边缘。沉积在顶点周围延伸的第三金属结构的优点是能够使用平面布线制造能够支撑量子点二维阵列的装置。

29、由于沉积在顶点周围延伸的第三金属结构，长形量子点通常在顶点周围延伸。其优点是介导量子装置中的拐角周围的相互作用的能力。

30、优选地，同时沉积第一金属结构和第二金属结构作为第一金属层的一部分。在相同制造步骤中沉积第一金属结构和第二金属结构有利地减少了制造装置所需的制造步骤的数量，并且因此降低了制造复杂度。第三金属结构可在沉积第一金属层之后沉积为第二金属层的一部分。

31、第一金属结构和第二金属结构优选地沉积在硅衬底上以产生硅金属氧化物半导体(simos)装置。

32、方法通常还包括在沉积第一金属层之后且在沉积第二金属层之前沉积第一电绝缘层。第一电绝缘层优选覆盖第一金属层。这有利地将第一金属结构和第二金属结构与第三金属结构电间隔开，从而允许第一电势和第二电势与第三电势不同。

33、在沉积第二金属层之后，优选地同时沉积第四金属结构和第五金属结构作为第三金属层的一部分。方法通常还包括在沉积第二金属层之后并且在沉积第三金属层之前沉积第二电绝缘层，其中，第二电绝缘层覆盖第二金属层。

34、方法优选地进一步包括在金属沉积之前在硅衬底中创建一个或更多个注入区域。例如，可以注入磷离子以在装置中创建负掺杂区域。第二金属层中的金属结构可被定位成使得金属结构的一部分延伸以覆盖或部分覆盖一个或更多个注入区域中的一者。有利地，这引起金属结构和衬底之间的欧姆接触。

35、本发明的另一方面提供了一种操作硅基量子装置的方法。该方法包括：向第一金属结构施加第一电势；向第二金属结构施加第二电势，其中，第二金属结构与第一金属结构横向间隔开，使得通过第一金属结构与第二金属结构之间的间隔限定长形通道；其中，长形通道具有顶点；向第三金属结构施加第三电势，其中，第三金属结构被部分地定位在长形通道中；向设置在第三金属结构的第一端处的第四金属结构施加第四电势；向设置在第三金属结构的第二端处的第五金属结构施加第五电势；以及控制第三电势以调整电势阱中的量子电荷载流子能级。第一金属结构、第二金属结构、第三金属结构、第四金属结构和第五金属结构被配置为分别连接至第一电势、第二电势、第三电势、第四电势和第五电势。第一电势、第二电势、第三电势、第四电势和第五电势是能够控制的以限定电势阱，从而将量子电荷载流子限制在长形通道下方的长形量子点内；以及第四电势和第五电势以及第四金属结构和第五金属结构的位置分别限定长形通道的第一端和第二端。电势阱的宽度是由第一金属结构、第二金属结构和第三金属结构的位置及其相应的电势来限定的；并且电势阱的长度是由第三金属结构、第四金属结构和第五金属结构的位置及其相应的电势来限定的。

36、有利地，方法可以用于操作量子点的二维阵列，同时仅使用平面布线。

37、通常，第三金属结构在顶点周围延伸。第三电势被施加到第三金属结构上并且第三电势可以被控制以调节电势阱中的量子电荷载流子能级。有利地，当第三金属结构具有顶点时，可以控制第三电势以限定具有顶点的电势阱。这可以用于操作支撑量子点二维阵列的装置。

38、因此，长形量子点通常在顶点周围延伸。有利地，在顶点周围延伸的长形量子点可以用于介导拐角周围的相互作用。

39、优选地，第一电势和第二电势的极性与第三电势的极性相反。有利地，这增强了量子电荷载流子在长形量子点内的限制。第一金属结构和第二金属结构以及相应的电势通常在第三金属结构的每一侧上提供静电势垒。第三金属结构和第三电势优选地提供柱塞栅。

40、通常，第一电势与第二电势大体相同。第一电势和第二电势优选地限定了电势阱的第一壁和第二壁。使用相似或相同电势来限定第一壁和第二壁产生大体对称的电势阱，大体对称的电势阱有利地提供更均匀的限制区域。这可以通过在第一金属结构和第二金属结构之间提供电接触或将它们提供在公共层中来实现。

41、可选地，第四电势与第五电势大体相同。这可以提供量子电荷载流子限制的均匀性的优势。在另一示例中，第四电势和第五电势可不同。第四电势和第五电势影响在长形通道的第一端和第二端处的电势垒的高度。可以改变第四电势和第五电势以改变势垒高度以及相应地改变进出电势阱的穿透势垒的强度。有利地，这允许实验者根据需期望操纵量子电荷载流子。

42、本发明的另一方面提供了一种硅基量子装置，硅基量子装置包括第一金属结构、第二金属结构以及第三金属结构。第一金属结构被配置成用于连接到第一电势。第二金属结构被配置成用于连接到第二电势。至少部分地位于第一金属结构和第二金属结构之间的长形通道中的第三金属结构被配置用于连接到第三电势，以使得电势阱由第一金属结构、第二金属结构和第三金属结构的电势限定，从而将量子电荷载流子限制在长形通道下方。第三电势是能够控制的以调整电势阱中的量子电荷载流子能级。

43、本发明的另一方面提供了一种制造硅基量子装置的方法。方法包括：沉积第一金属结构和第二金属结构；以及至少部分地在第一金属结构与第二金属结构之间的长形通道中沉积第三金属结构；其中第一金属结构、第二金属结构和第三金属结构被配置用于分别连接到第一电势、第二电势和第三电势，以使得电势阱由第一电势、第二电势和第三电势限定，从而将量子电荷载流子限制在长形通道下方。第三电势是能够控制的以调整电势阱中的量子电荷载流子能级。