本發(fā)明中的至少一個實施例涉及量子和半導體芯片領域，尤其涉及一種用于硅基半導體量子芯片的單電子晶體管射頻反射測量結構及其制備方法。

背景技術：

1、量子計算具有超越經典計算的潛力。在能夠實現(xiàn)量子計算的各種系統(tǒng)中，半導體量子點中電子自旋的限制為量子信息處理提供了一個有吸引力的平臺。具體而言，硅中的自旋量子比特被認為是實現(xiàn)大規(guī)模量子處理器的有力競爭者，因為它們具有量子比特尺寸小、局部和全局控制能、互補金屬氧化物半導體（cmos）兼容性、相干時間長、超精細相互作用弱以及可在1開氏溫度（k）以上運行的可能性。其中，保真度超過99.9%的單量子比特門和保真度高達99%的雙量子比特門已被證明，標志著量子糾錯協(xié)議實施方面取得了重大進展。

2、相關技術中，單電子晶體管仍然是應用單電子器件中最重要的器件。在半導體量子點中，直流測量因其電路簡單、對量子比特影響最小、能夠利用低通濾波器減輕部分高頻噪聲而被廣泛使用。然而，單電子晶體管的主要缺點在于測量帶寬有限，通常只有幾千赫茲（使用濾波器可以進一步降低），這歸因于直流線路中存在寄生電容（通常在數(shù)百皮法（pf）范圍內）以及放大器的相對較高的輸入阻抗和單電子晶體管的輸出電阻（通常在數(shù)百千歐姆（kω）范圍內）。與在納秒（ns）級別運行的單量子比特操縱速率和量子比特之間的交換耦合（可達數(shù)十兆赫）相比，該測量速率明顯較慢。

3、射頻（rf）反射法是一種有效且靈敏的技術，可用于檢測半導體量子點中的電荷和自旋信號。對于以累積模式工作的器件，促進rf測量的通用方法是將離子注入?yún)^(qū)域重新定位到距離單電子晶體管中心約10微米的位置，并優(yōu)化積累柵極的設計。此優(yōu)化過程包括減少離子注入?yún)^(qū)域和積累柵極之間的重疊，以及縮短柵極長度。這些設計修改旨在減輕寄生電容導致的信號泄漏并解決由于測量電路中的高阻抗而導致的耗散損耗。盡管如此，與微納米制造相關的挑戰(zhàn)仍然存在。

4、對于硅-金屬氧化物半導體（si-mos）等增強模式器件，當射頻電路連接到歐姆接觸（歐姆方法）時，電極下方的二維電子氣可以充當射頻信號的泄漏通道。引線柵極和二維電子氣之間的電容使射頻信號能夠穿過低阻抗接地電容和印刷電路板上的線路電阻，使得有效跟蹤單電子晶體管阻抗的瞬態(tài)變化變得具有挑戰(zhàn)性。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了單電子晶體管射頻反射測量結構及其制備方法，能夠減少射頻信號的泄露。

2、作為本發(fā)明實施例的一個方面，提供了一種單電子晶體管射頻反射測量結構，用于硅基半導體量子芯片，單電子晶體管射頻反射測量結構包括基片、柵氧化層、劈裂柵極組件和間隔設置的源極和漏極。柵氧化層設置在上述基片上，劈裂柵極組件，設置在上述柵氧化層上，上述劈裂柵極組件包括條狀的溝道限制柵極、第一柵極單元和第二柵極單元。條狀的溝道限制柵極，沿橫向方向布置在上述柵氧化層上，適用于使位于柵氧化層和上述基片之間的界面上形成耗盡區(qū)，以阻止電子從上述耗盡區(qū)的一側隧穿到另一側。第一柵極單元，設置在上述溝道限制柵極的第一側，適用于在上述界面上并且位于上述耗盡區(qū)的一側形成第一量子點。第二柵極單元，設置在上述溝道限制柵極與上述第一側相對的第二側，適用于在上述界面上并且位于上述耗盡區(qū)的另一側形成第二量子點。源極和漏極均在上述第一側，且均從上述柵氧化層的上方延伸至上述界面，上述源極和上述漏極與上述第一量子點和上述第一柵極單元形成單電子晶體管。其中，上述第一柵極單元包括第一積累柵極，第一積累柵極鄰近上述第一量子點設置，適用于傳輸來自外部的射頻信號，以利用上述射頻信號，以及利用上述單電子晶體管與上述第二量子點之間的電容耦合作用，實現(xiàn)對上述第二量子點中的第二電子狀態(tài)的測量。

3、根據(jù)本發(fā)明的實施例，上述第一柵極單元還包括兩個引線柵極，兩個引線柵極中一個引線柵極與上述源極電連接，另一個引線柵極與上述漏極電連接，每一個上述引線柵極適用于與位于該引線柵極下方的二維電子氣形成耦合電容，其中，上述二維電子氣是由從上述源極和漏極流入的電子在上述引線柵極施加的電壓下，在上述界面上匯聚形成的。其中，上述射頻信號被配置為通過上述耦合電容施加到上述第一量子點。

4、根據(jù)本發(fā)明的實施例，上述第一柵極單元還包括第一柱塞柵極、兩個第一勢壘柵極和第一限制柵極。第一柱塞柵極與上述溝道限制柵極電隔離設置，從上述溝道限制柵極向遠離上述溝道限制柵極的方向延伸，適用于在橫向方向定義上述第一量子點的寬度。兩個第一勢壘柵極與上述第一柱塞柵極和上述溝道限制柵極電隔離設置，從上述溝道限制柵極向遠離上述溝道限制柵極的方向延伸設置在上述第一柱塞柵極的兩側，適用于調控上述第一量子點中的第一電子的隧穿速率。第一限制柵極與上述溝道限制柵極間隔設置，向遠離上述溝道限制柵極的方向延伸，并且與上述第一柱塞柵極、兩個上述第一勢壘柵極電隔離，上述第一限制柵極設置在上述第一柱塞柵極和兩個上述第一勢壘柵極下方，適用于在縱向方向定義上述第一量子點的長度。

5、根據(jù)本發(fā)明的實施例，上述第一積累柵極、上述引線柵極、上述第一柱塞柵極、上述第一勢壘柵極和上述第一限制柵極向遠離上述溝道限制柵極的方向延伸的轉折線與上述橫向方向的夾角為45度或135度。

6、根據(jù)本發(fā)明的實施例，上述第一積累柵極從靠近上述第一量子點的位置向遠離上述溝道限制柵極的方向延伸，上述第一積累柵極的縱向長度隨著上述第一積累柵極距離上述第一量子點的橫向長度的增大而增大。

7、根據(jù)本發(fā)明的實施例，上述第二柵極單元包括第二柱塞柵極、兩個第二勢壘柵極和第二限制柵極。第二柱塞柵極與上述溝道限制柵極電隔離設置，從上述溝道限制柵極向遠離上述溝道限制柵極的方向延伸，適用于在橫向方向定義上述第二量子點的寬度。兩個第二勢壘柵極與上述第二柱塞柵極和上述溝道限制柵極電隔離設置，從上述溝道限制柵極向遠離上述溝道限制柵極的方向延伸設置在上述第二柱塞柵極的兩側，適用于調控上述第二量子點內的第二電子的隧穿速率。第二限制柵極與上述溝道限制柵極間隔設置，向遠離上述溝道限制柵極的方向延伸，與上述第二柱塞柵極、兩個第二勢壘柵極電隔離設置，并且設置在上述第二柱塞柵極和兩個第二勢壘柵極下方，適用于在縱向方向定義上述第二量子點的長度。兩個第二積累柵極，設置在兩個上述第二勢壘柵極的相遠離的兩側，以控制上述第二電子進出上述第二量子點。

8、根據(jù)本發(fā)明的實施例，上述基片包括硅襯底和純化硅層。純化硅層設置在上述硅襯底與上述柵氧化層之間，其中上述界面位于上述純化硅層與上述柵氧化層之間。上述單電子晶體管射頻反射測量結構還包括磁體層，磁體層與上述第二量子點間隔設置在上述第二量子點周圍，適用于向上述第二量子點提供橫向梯度磁場，以補償上述第二電子在上述第二量子點內的純化硅中的自旋軌道耦合，產生量子比特的驅動旋轉。

9、根據(jù)本發(fā)明的實施例，上述源極和上述漏極中每一個包括離子注入?yún)^(qū)和歐姆電極。離子注入?yún)^(qū)形成在上述基片內部，歐姆電極與上述離子注入?yún)^(qū)電連接。其中，兩個上述引線柵極與兩個上述離子注入?yún)^(qū)一一對應地電連接，至少一個引線柵極與上述第一積累柵極電接觸，以形成第一電子庫，為上述第一量子點中的第一電子的加載和第一電子與第一電子庫的交換提供條件。

10、根據(jù)本發(fā)明的實施例，上述引線柵極與上述第一積累柵極在平行于上述基片的平面上的接觸面積為1um×1um。

11、作為本發(fā)明實施例的另一個方面，提供了一種上述任一種單電子晶體管射頻反射測量結構的制備方法，制備方法包括：

12、在形成有柵氧化層的基片上形成源極和漏極；

13、在形成有上述源極和上述漏極的基片上，形成溝道限制柵極、第一限制柵極、兩個引線柵極、第二限制柵極，使兩個上述引線柵極中的一個與上述源極電連接，兩個上述引線柵極中的另一個和上述漏極電連接，并使上述第一限制柵極位于上述溝道限制柵極的第一側，第二限制柵極位于上述溝道限制柵極的第二側；

14、在上述溝道限制柵極、上述第一限制柵極、兩個上述引線柵極和上述第二限制柵極表面形成第一氧化層，得到第一基體；

15、在上述第一基體上形成第一柱塞柵極、兩個第一積累柵極、第二柱塞柵極和兩個第二積累柵極，使上述第一柱塞柵極和兩個上述第一積累柵極從上述溝道限制柵極向遠離上述第二側的方向向外延伸，并位于上述第一限制柵極上，上述第二柱塞柵極和兩個上述第二積累柵極從上述溝道限制柵極遠離上述第一側的方向延伸，并位于上述第二限制柵極上；

16、在上述第一柱塞柵極、兩個上述第一積累柵極、上述第二柱塞柵極和兩個上述第二積累柵極表面形成第二氧化層，得到第二基體；

17、在上述第二基體上形成兩個第一勢壘柵極和兩個第二勢壘柵極，使兩個上述第一勢壘柵極分別位于上述第一柱塞柵極的兩側并位于兩個上述第一限制柵極之間，兩個上述第二勢壘柵極分別位于上述第二柱塞柵極的兩側并位于兩個上述第二限制柵極之間；

18、在兩個上述第一勢壘柵極和兩個上述第二勢壘柵極表面形成第三氧化層，得到上述單電子晶體管射頻反射測量結構。

19、根據(jù)本發(fā)明實施例的單電子晶體管射頻反射測量結構，通過將第一積累柵極緊鄰第一量量子點設置，可以通過第一積累柵極將射頻信號傳輸?shù)降谝涣孔狱c附近，減少射頻信號的泄露。通過射頻信號影響所述第一量子點內的第一電子的狀態(tài)，并且射頻信號產生的電場通過單電子晶體管與第一量子點之間的電容耦合作用影響第二量子點中的第二電子的狀態(tài)，第二電子的狀態(tài)變化進一步通過電容耦合作用影響第一電子的狀態(tài)，從而改變單電子晶體管的阻抗，改變射頻信號的幅值、相位和頻率等參數(shù)，以根據(jù)所述幅值、相位和頻率等參數(shù)可以確定第一量子點中的第一電子的數(shù)量和位置等信息。