二维可扩展量子点结构及其制备方法

1.本公开涉及半导体量子计算领域，具体地，涉及一种二维可扩展量子点结构及其制备方法。


背景技术：

2.量子计算是利用量子力学原理的新型计算方式，利用量子叠加和纠缠等物理特性，以微观粒子构成的量子比特为基本单元，通过量子态的受控演化实现计算处理。但量子比特易受噪声影响失去量子特性，因此，实用的可容错量子计算机需要大量的物理比特来执行逻辑量子比特(即量子纠错码)实现解码和纠错。半导体量子点与超导或囚禁离子量子比特等其他平台相比，具有占地面积小(几十纳米)的优势，使得～106/cm-2
个物理量子比特的面密度成为理论上可能实现的目标。
3.量子计算的实现依赖于对量子芯片内多比特的高精度同步操控和快速表征，随着量子比特数量增加，量子计算算力可呈指数规模拓展。因此，量子比特的相干时间和比特数目对量子计算系统的计算能力和复杂度具有直接的决定性意义，如何实现多量子比特的扩展已成为该领域的一个重要研究方向。
4.拓扑码是一种比较容易实现的量子比特编码方式，通过构造局域的稳定子测量来避免远程的量子比特的交互，这可以降低对物理比特性能的要求。其中，表面编码以其相对较高的容错阈值和可扩展性更好的二维近邻结构而成为大规模可扩展量子比特理论研究的热点。
5.基于表面编码，考虑二维近邻耦合的结构，亟需设计了一种栅极电控二维可扩展量子点结构。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本公开提供了一种二维可扩展量子点结构及其制备方法，以解决上述以及其他方面的至少一种技术问题。
7.为了实现上述目的，本公开的一个方面，提供了一种二维可扩展量子点结构，包括：基底，包含有第一定位标记区，第一定位标记区内包含有至少一个离子注入区；第一绝缘层，设置于基底上；欧姆接触层，设置于离子注入区的外围区域上，欧姆接触层被第一类量子点和第二类量子点共用；多个电极层，设置于所述第一绝缘层上，位于外围电极层的电极区内，电极区在第一定位标记区所在平面的投射位置为第一定位标记区的中心位置，每个电极层由多个纳米级的电极组成，不同电极层之间设有绝缘层。其中多个电极层包括：第一电极层，包含有纳米级的第一屏蔽栅电极和第二屏蔽栅电极；第二电极层，部分或全部设置于第一电极层上方，包含有纳米级的第一能级栅电极、第二能级栅电极以及两组源漏电极，其中源漏电极设置于第一能级栅电极和第二能级栅电极的两侧，第一能级栅电极的两侧各为一组源漏电极；第三电极层，部分或全部设置于第二电极层上方，包含有纳米级的第一势垒栅电极和第二势垒栅电极，其中第一势垒栅电极设于所述第一能级栅电极两侧，第
二势垒栅电极设于第二能级栅电极两侧；第四电极层，部分或全部设置于第三电极层上方，包含有纳米级的第三势垒栅电极，其中第三势垒栅电极设置于第一能级栅电极之间。还包括外围电极层；以及导通区，形成有连接窗口，用来连接外围电极层和多个电极层上的电极。其中，基于电极形成的独立栅极，栅极间相互重叠，施加电压后形成2
×
2阵列量子点结构。
8.根据本公开的实施例，多个纳米级的电极包括：组成2
×
2阵列量子点的纳米级的电极，包括第一屏蔽栅电极、第一能级栅电极、第一势垒栅电极、第三势垒栅电极；以及组成两个电荷感应探测器的纳米级的电极，包括第二屏蔽栅电极、第二能级栅电极、第二势垒栅电极；其中，第二屏蔽栅电极、第二能级栅电极、第二势垒栅电极和源漏电极均设于第一屏蔽栅电极、第一能级栅电极、第一势垒栅电极、第三势垒栅电极的两侧。
9.根据本公开的实施例，电极区在第一定位标记区所在平面的投射位置为第一定位标记区的中心位置200um
×
200um区域内，在50um
×
50um的区域内设置有量子点结构的套刻标记，电极层均设于电极区范围内。
10.根据本公开的实施例，源漏电极的末端与离子注入的内端重叠。
11.根据本公开的实施例，电极材料为钛/钯或铝，电极厚度范围为30nm-100nm。
12.本公开的另一个方面，提供了一种制备二维可扩展量子点结构的方法，包括：s1：在基底上进行整体定位标记101，确定量子点结构的位置与整体尺寸；s2：制备离子注入区，并进行离子注入和退火；s3：在所述基底上生长第一绝缘层，并在离子注入区的外围区域上刻蚀第一绝缘层后制备欧姆接触层；s4：制备量子点结构的所有定位标记和套刻标记；s5：在第一绝缘层上制备纳米级的电极，2
×
2阵列量子点的电极与电荷感应探测器的电极相同层的可以同时制备，共分为四层；s6：在s5步骤中的每一层电极制备完成后，在电极层上形成与下一层电极绝缘的绝缘层；s7：根据定位标记，制备外围电极层；s8：刻蚀电极表面绝缘层并制备导通区，使电极与外围电极层上的电极相连接。
13.根据本公开的实施例，电极层的形成过程包括：s51：利用定位标记建立量子点结构坐标系，通过扫描套刻标记，进一步精确定位量子点电极制备位置，制备第一电极层上的第一屏蔽栅电极和第二屏蔽栅电极；s52：利用定位标记和套刻标记，在第一电极层上方制备第二电极层的第一能级栅电极、第二能级栅电极以及两组源漏电极；s53：利用定位标记和套刻标记，在第二电极层上方制备第三电极层的第一势垒栅电极和第二势垒栅电极，其中，第二势垒栅电极设于第二能级栅电极两侧，第一势垒栅电极设于第一能级栅电极两侧；s54：利用定位标记和套刻标记，在第三电极层上方制备第四电极层的第三势垒栅电极，其中第三势垒栅电极设置于第一能级栅电极之间。
14.根据本公开的实施例，步骤s2中，离子注入过程注入的离子为五价元素磷，注入能量为25kev，注入剂量为2
×
10
15
atoms/cm2，离子注入深度为应变硅层深度35nm～45nm，退火真空度小于10-3
pa，退火温度为680℃～720℃，退火时间25s～35s。
15.根据本公开的实施例，步骤s2和s3中的欧姆接触层、定位标记和套刻标记的材料选用钛和金，其中钛的厚度为2nm-5nm，金的厚度为30nm-70nm。
16.根据本公开的实施例，步骤s2中所述第一绝缘层的材料为氧化铝或氧化铪，生长温度为250℃-300℃，厚度为10nm-20nm。步骤s4中电极层之间的绝缘层的材料为氧化铝，通过生长氧化铝绝缘层或对铝电极进行等离子体氧化的方式制成。其中，等离子体氧化的方
式为在高纯氧环境下，氧化温度为150℃-250℃，氧化气压为0.2pa-0.5pa，射频功率100w，氧化时间10min-20min，氧化铝厚度为5nm-10nm。
17.根据本公开的上述实施例的二维可扩展量子点结构及其制备方法，基于电极形成的独立栅极，栅极间相互重叠，施加电压后形成2
×
2阵列量子点结构，电极分布密集，有利于栅极电势更好的束缚和调控目标量子点，有利于二维多量子点的制备和相互耦合。同时，电荷感应探测器与2
×
2阵列量子点共用欧姆接触层，减少了测量所需的电极数量，缓解了由于量子点数量增加带来的对芯片布线以及测控系统线路数量的压力。此外，每个量子点的可控栅极都独立扇出，为量子比特的实现以及调控提供了极大的灵活性和可控性。
附图说明
18.图1示意性示出了根据本公开实施例的基底结构以及基底上的定位标记区和离子注入区的位置图；
19.图2示意性示出了根据本公开实施例的欧姆接触层的位置图；
20.图3示意性示出了根据本公开实施例的电极的定位标记和套刻标记的位置图；
21.图4示意性示出了根据本公开实施例的第一电极层的电极结构和位置图；
22.图5示意性示出了根据本公开实施例的第二电极层的电极结构和位置图；
23.图6示意性示出了根据本公开实施例的第三电极层的电极结构和位置图；
24.图7示意性示出了根据本公开实施例的第四电极层的电极结构和位置图；
25.图8示意性示出了根据本公开实施例的外围电极层的电极结构和位置图；
26.图9示意性示出了根据本公开实施例的电极层的电极和外围电极层的电极的连接点位置图；
27.图10示意性示出了根据本公开实施例的各标定区域的位置关系图；
28.图11示意性示出了根据本公开实施例的制备方法的流程图；
29.图12示意性示出了根据本公开实施例的扫描电子显微镜图；以及
30.图13示意性示出了根据本公开实施例的库伦振荡曲线。
31.附图标记说明
32.100 基底
33.101 第一定位标记区
34.102 离子注入区
35.200 第一绝缘层
36.201 欧姆接触层
37.301 定位标记
38.302 套刻标记
39.401 第一屏蔽栅电极
40.402 第二屏蔽栅电极
41.501(501-1、501-2、501-3、501-4) 第一能级栅电极
42.502 第二能级栅电极
43.503 源漏电极
44.601(601-1) 第一势垒栅电极
45.602 第二势垒栅电极
46.701(701-1) 第三势垒栅电极
47.800 外围电极层
48.801 电极区
49.900 连接窗口
具体实施方式
50.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
51.量子计算的实现依赖于对量子芯片内多比特的高精度同步操控和快速表征，随着量子比特数量增加，量子计算算力可呈指数规模拓展。而多量子比特比较容易实现的编码方式为拓扑码，表面编码是拓扑码中有较高的容错阈值和可扩展性更好的二维近邻结构的编码方式。因此，基于表面编码，亟需设计一种二维可扩展量子点结构及其制备方法，以实现多量子比特的扩展。
52.二维可扩展量子点结构的形成基于应变硅异质结材料，该结构在弛豫的锗硅衬底上沉积硅薄膜，由于硅的晶格常数小于锗硅合金的晶格常数，两种薄膜存在晶格失配，硅薄膜在平行衬底的方向受到双轴张应力，晶格被拉伸从而形成应变硅层。异质结构类似三明治结构，即在应变硅薄膜上再生长一层锗硅薄膜，使得应变硅层的导带低于两边锗硅层导带，通过表面电极施加电压，在应变硅层积聚二维电子气，从而形成导电通道。由于硅应变，电子有效质量下降，且应变硅层原子间距离拉长，单位长度上原子数目减少，电子通过时所受阻力减少，这些都有利于提高电子的迁移率，从而有利于形成量子点。
53.在此应变硅异质结材料结构基础上，设计并制备了一种二维量子点器件，被探测的量子点以2
×
2阵列分布。由于随着量子点中电子被依次排出量子点，相邻量子点之间的隧穿耦合都会减弱，当到达少电子区，电流输运信号就很难被探测到，所以在2
×
2阵列的上下我们各设计了一个与量子点通过电容相互作用耦合的电荷感应探测器来探测量子点中的电荷状态。随着被探测阵列量子点的扩展，电极数量相应增多，考虑稀释制冷机测量系统热负载以及空间的限制，我们将电荷感应探测器与被探测阵列量子点的欧姆接触电极共用，简化结构，减少电极，从而缓解测量线路的压力。
54.为此，根据本公开的一个方面的总体上的发明构思，提供一种二维可扩展量子点结构，包括：基底，包含有第一定位标记区，第一定位标记区内包含有至少一个离子注入区；第一绝缘层，设置于基底上；欧姆接触层，设置于离子注入区的外围区域上，欧姆接触层被第一类量子点和第二类量子点共用；多个电极层，设置于所述第一绝缘层上，位于外围电极层的电极区内，电极区在第一定位标记区所在平面的投射位置为第一定位标记区的中心位置，每个电极层由多个纳米级的电极组成，不同电极层之间设有绝缘层。其中多个电极层包括：第一电极层，包含有纳米级的第一屏蔽栅电极和第二屏蔽栅电极；第二电极层，部分或全部设置于第一电极层上方，包含有纳米级的第一能级栅电极、第二能级栅电极以及两组源漏电极，其中源漏电极设置于第一能级栅电极和第二能级栅电极的两侧，第一能级栅电极的两侧各为一组源漏电极；第三电极层，部分或全部设置于第二电极层上方，包含有纳米级的第一势垒栅电极和第二势垒栅电极，其中第一势垒栅电极设于所述第一能级栅电极两
侧，第二势垒栅电极设于第二能级栅电极两侧；第四电极层，部分或全部设置于第三电极层上方，包含有纳米级的第三势垒栅电极，其中第三势垒栅电极设置于第一能级栅电极之间。还包括外围电极层；以及导通区，形成有连接窗口，用来连接外围电极层和多个电极层上的电极。其中，基于电极形成的独立栅极，栅极间相互重叠，施加电压后形成2
×
2阵列量子点结构。
55.根据本公开的另一个方面的总体上的发明构思，提供一种制备二维可扩展量子点结构的方法，包括：s1：在基底100上进行整体定位标记101，确定量子点结构的位置与整体尺寸；s2：制备离子注入区102，并进行离子注入和退火；s3：在所述基底100上生长第一绝缘层200，并在离子注入区102的外围区域上刻蚀第一绝缘层200后制备欧姆接触层201；s4：制备量子点结构的所有定位标记301和套刻标记302；s5：在第一绝缘层200上制备纳米级的电极，2
×
2阵列量子点的电极与电荷感应探测器的电极相同层的可以同时制备，共分为四层；s6：在s5步骤中的每一层电极制备完成后，在电极层上形成与下一层电极绝缘的绝缘层；s7：根据定位标记301，制备外围电极层800；s8：刻蚀电极表面绝缘层并制备导通区900，使电极与外围电极层上的电极相连接。
56.上述二维可扩展量子点结构及其制备方法中，通过多层电极层中的电极形成的独立栅极，栅极间相互重叠，施加电压后形成2
×
2阵列量子点结构，电极分布密集，有利于栅极电势更好的束缚和调控目标量子点，有利于二维多量子点的制备和相互耦合。同时，电荷感应探测器与2
×
2阵列量子点共用欧姆接触层，减少了测量所需的电极数量，缓解了由于量子点数量增加带来的对芯片布线以及测控系统线路数量的压力。此外，每个量子点的可控栅极都独立扇出，为量子比特的实现以及调控提供了极大的灵活性和可控性。
57.以下列举具体实施例来对本公开的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本公开。
58.图1示意性示出了根据本公开实施例的基底结构以及基底上的定位标记区和离子注入区的位置图；图2示意性示出了根据本公开实施例的欧姆接触层的位置图；图3示意性示出了根据本公开实施例的电极的定位标记和套刻标记的位置图；图4示意性示出了根据本公开实施例的第一电极层的电极结构和位置图；图5示意性示出了根据本公开实施例的第二电极层的电极结构和位置图；图6示意性示出了根据本公开实施例的第三电极层的电极结构和位置图；图7示意性示出了根据本公开实施例的第四电极层的电极结构和位置图；图8示意性示出了根据本公开实施例的外围电极层的电极结构和位置图；图9示意性示出了根据本公开实施例的电极层的电极和外围电极层的电极的连接点位置图；图10示意性示出了根据本公开实施例的各标定区域的位置关系图；图12示意性示出了根据本公开实施例的扫描电子显微镜图。
59.如图1-10和图12所示，本公开提供一种二维可扩展量子点结构，包括：基底100、第一绝缘层200、欧姆接触层201、多个电极层、外围电极层800和导通区900。
60.其中，参见图1，基底100包含有第一定位标记区101，在第一定位标记区101内包含有至少一个离子注入区102。第一绝缘层200，设置于基底100上。
61.参见图2，欧姆接触层201，设置于离子注入区102的外围区域上，在对应离子注入区102的外围区域的位置刻蚀掉第一绝缘层200后，再镀上钛/金的金属层形成欧姆接触层，欧姆接触层被第一类量子点和第二类量子点共用。其中，第一类量子点为2
×
2阵列量子点；
第二类量子点为组成位于所述2
×
2阵列量子点的上下两端的两个电荷感应探测器的量子点，电荷感应探测器通过电容相互作用与2
×
2阵列量子点耦合，用来探测2
×
2阵列量子点中的电荷状态。
62.根据本公开的实施例，多个电极层则设置于第一绝缘层200上，位于外围电极层800的电极区801内，电极区801在第一定位标记区101所在平面的投射位置为第一定位标记区101的中心位置，每个电极层由多个纳米级的电极组成，不同电极层之间设有绝缘层。
63.多个电极层包括：参见图4，第一电极层包含有纳米级的第一屏蔽栅电极401和第二屏蔽栅电极402。
64.参见图5，第二电极层，设置于第一电极层上方，包含有纳米级的第一能级栅电极501、第二能级栅电极502以及两组源漏电极503。其中源漏电极503设置于第一能级栅电极501和第二能级栅电极502的两侧，第一能级栅电极501的两侧各为一组源漏电极503，其中第一能级栅电极501包括图12所示的501-1、501-2、501-3、501-4。
65.参见图6，第三电极层，设置于第二电极层上方，包含有纳米级的第一势垒栅电极601和第二势垒栅电极602，其中第一势垒栅电极601设于第一能级栅电极501两侧，第二势垒栅电极602设于第二能级栅电极502两侧，其中第一势垒栅电极601包括图12所示的601-1。
66.参见图7，第四电极层设置于第三电极层上方，包含有纳米级的第三势垒栅电极701，其中第三势垒栅电极701设置于第一能级栅电极501之间，其中第三势垒栅电极701包括图12所示的701-1。如图12所示，第三势垒栅电极701设置于第一能级栅电极501-3和第一能级栅电极501-4之间，第三势垒栅电极701-1设置于第一能级栅电极501-1和第一能级栅电极501-2之间。
67.参见图8，外围电极层800外侧四周包含外围电极，还包含有在第一定位标记区101所在平面的投射位置为第一定位标记区101的中心位置的电极区801。
68.参见图9，导通区内形成有连接窗口900，用来连接外围电极层800的电极与对应位置的多个电极层上的电极。
69.其中，基于电极形成的独立栅极，栅极间相互重叠，施加电压后形成2
×
2的四量子点结构。
70.根据本公开的实施例，多个纳米级的电极包括：组成2
×
2阵列量子点的纳米级的电极，包括第一屏蔽栅电极401、第一能级栅电极501、第一势垒栅电极601、第三势垒栅电极701；以及组成两个电荷感应探测器的纳米级的电极，包括第二屏蔽栅电极402、第二能级栅电极502、第二势垒栅电极602；
71.其中，第二屏蔽栅电极402、第二能级栅电极502、第二势垒栅电极602和源漏电极503均设于第一屏蔽栅电极401、第一能级栅电极501、第一势垒栅电极601、第三势垒栅电极701的两侧。由于随着量子点中电子被依次排出量子点，相邻量子点之间的隧穿耦合都会减弱，当到达少电子区，电流输运信号就很难被探测到，所以在2
×
2阵列的上下我们各设计了一个与2
×
2阵列量子点通过电容相互作用耦合的电荷感应探测器，两侧的第二屏蔽栅电极402、第二能级栅电极502、第二势垒栅电极602组成两个电荷感应探测器，用来探测四量子点中的电荷状态。
72.根据本公开的实施例，电极区801在第一定位标记区101所在平面的投射位置为第
一定位标记区101的中心位置200um
×
200um区域内，在50um
×
50um的区域内设置有量子点结构的套刻标记302，电极层均设于电极区801区域范围内。
73.根据本公开的实施例，源漏电极503的末端与离子注入102的内端重叠。
74.根据本公开的实施例，基底所用材料为应变硅异质结非掺杂基底，离子注入区102注入五价元素，形成n型半导体。
75.根据本公开的实施例，离子注入区102注入五价元素磷。
76.图11示意性示出了根据本公开实施例的制备方法的流程图。
77.如图11所示，本公开提供一种二维可扩展量子点结构的制备方法，包括：s1：在基底100上进行整体定位标记101，确定量子点结构的位置与整体尺寸；s2：制备离子注入区102，并进行离子注入和退火；s3：在基底100上生长第一绝缘层200，并在离子注入区102的外围区域上刻蚀第一绝缘层200后制备欧姆接触层201；s4：制备量子点结构的所有定位标记301和套刻标记302；s5：在第一绝缘层200上制备纳米级的电极，2
×
2阵列量子点的电极与电荷感应探测器的电极相同层的可以同时制备，共分为四层；s6：在s5步骤中的每一层电极制备完成后，在所述电极层上形成与下一层电极绝缘的绝缘层；s7：根据定位标记301，制备外围电极层800；s8：刻蚀电极表面绝缘层并制备导通区900，使电极与外围电极层上的电极相连接。
78.根据本公开的实施例，电极层的形成过程包括：s51：利用定位标记301建立量子点结构坐标系，通过扫描套刻标记302，进一步精确定位量子点电极制备位置，制备第一电极层上的第一屏蔽栅电极401和第二屏蔽栅电极402。s52：利用定位标记301和套刻标记302，在第一电极层上方制备第二电极层的第一能级栅电极501、第二能级栅电极502以及两组源漏电极503。s53：利用定位标记301和套刻标记302，在第二电极层上方制备第三电极层的第一势垒栅电极601和第二势垒栅电极602。其中，第二势垒栅电极602设于第二能级栅电极502两侧，第一势垒栅电极601设于第一能级栅电极501两侧。s54：利用定位标记301和套刻标记302，在第三电极层上方制备第四电极层的第三势垒栅电极701，其中第三势垒栅电极701-1设置于第一能级栅电极501-1和第一能级栅电极501-2之间。
79.根据本公开的实施例，基底的面积大小约为1cm
×
1cm，采用光刻和等离子体刻蚀技术制备第一定位标记区101。
80.根据本公开的实施例，利用定位标记101建立坐标系，光刻出离子注入区102，参见图1，并进行离子注入。
81.根据本公开的实施例，离子注入过程注入的离子为五价元素磷，注入能量为25kev，注入剂量为2
×
10
15
atoms/cm2，离子注入深度为应变硅层深度35nm～45nm。使用标准样品清洗工艺清洗基片后，对基底进行离子注入退火激活，退火真空度小于10-3
pa，退火温度为680℃～720℃，退火时间25s～35s。
82.根据本公开的实施例，离子注入过程优选退火温度为700℃，时间30s。
83.根据本公开的实施例，第一绝缘层200的材料选用三氧化二铝或氧化铪，生长源为三甲基铝，生长温度为250℃-300℃，厚度为10nm-20nm。
84.根据本公开的实施例，第一绝缘层200的材料选用三氧化二铝，生长温度为250℃，厚度为15nm。
85.根据本公开的实施例，采用光刻和磷酸湿法刻蚀将图2中离子注入区102的外围区
域上的氧化铝绝缘层200刻掉，利用电子束蒸发镀膜和金属剥离技术在欧姆接触窗口处镀上钛和金的金属层，与重掺杂的n型离子注入区形成欧姆接触层。
86.根据本公开的实施例，欧姆接触材料为钛 金，其中，钛作为粘附层，钛的厚度优选10nm，金的厚度优选70nm；其尺寸可根据实际需求设定，本发明不做限制。
87.根据本公开的实施例，步骤s2和s3中的欧姆接触层(201)、定位标记(301)和套刻标记(302)的材料选用钛/金，其中钛的厚度为2nm-5nm，金的厚度为30nm-70nm。
88.根据本公开的实施例，在s3步骤的样品上旋涂特定电子束胶，参照图3，利用电子束曝光技术，在基底100上曝光出一组微米级别的十字标记，作为曝光定位标记301，再曝光出一组纳米级十字标记作为曝光套刻标记302，采用与特定电子束胶相应的显影液显影出十字标记窗口。利用电子束蒸发镀膜技术在两组十字标记窗口处镀上钛/金的金属层，后续的定位拍照以及所有的金属电极的曝光套刻以这两组十字金属标记为基础。
89.根据本公开的实施例，利用电子束曝光技术、电子束蒸发镀膜技术、金属剥离技术以及等离子体氧化技术，依次制备第一、二、三、四电极层上的纳米级的电极和电极层间的绝缘层。
90.根据本公开的实施例，s5步骤中以第一电极层的电极制备为例：在上述s4步骤后的样品上旋涂特定的电子束胶，通过电子束曝光技术，利用定位标记301确定量子点纳米级结构曝光大致位置，扫描套刻标记302进一步套刻对准纳米级结构曝光位置。电子束曝光第一屏蔽栅电极401和第二屏蔽栅电极402完成后，利用特定显影液显影，随后利用电子束蒸发镀膜技术，在曝光显影图形区镀35nm铝膜，参见图4。
91.s6步骤中，在上述s5步骤对图形进行金属剥离后，利用等离子体氧化技术，在温度为150℃-250℃、高纯氧气环境下施加射频，氧化时间10min-15min，在电极表面形成致密的氧化铝绝缘膜。如此便完成了第一电极层上第一屏蔽栅电极401和第二屏蔽栅电极402以及电极层间的绝缘层的制备。第二、三、四电极层均沿用s5、s6步骤的制备方法，选择相应的电极结构(参见图5、6、7)以及电极厚度制备完成。
92.根据本公开的实施例，各电极层的电极材料可选钛/钯或者铝，优选地，选用铝。
93.根据本公开的实施例，s6步骤中，电极层之间的绝缘层的材料为氧化铝，通过生长氧化铝绝缘层或对铝电极进行等离子体氧化的方式制成；其中等离子体氧化的方式为在高纯氧环境下，氧化温度为150℃-250℃，氧化气压为0.2pa，-0.5pa，射频功率100w，氧化时间10min-20min，氧化铝厚度为5nm-10nm。
94.根据本公开的实施例，进一步地，s6步骤中电极层之间的绝缘层在高纯氧环境下等离子体氧化的方式，氧化温度为200℃，氧化气压为0.26pa，射频功率100w，氧化时间15min，氧化铝厚度为5nm。
95.根据本公开的实施例，s7步骤中，在上述s5所述四层纳米级的电极制备完成后，利用光刻技术、电子束蒸发镀膜技术以及金属剥离技术，通过金属定位标记301制备外围电极层800上的电极，如图8所示。
96.根据本公开的实施例，外围电极层800上的电极材料可选钛/钯或者铝，优选铝，电极厚度优选100nm，用于扇出接线，参见图8。施加一定范围的电压时，形成2
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2阵列量子点与电荷感应探测器；当电子在2
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2阵列量子点中输运时，会引起上下两边的电荷感应探测器中的电导变化，从而出现电导峰。
97.根据本公开的实施例，s8步骤中，利用电子束曝光技术在外围电极层上的电极与电极层上的电极互搭处曝光方形窗口形成连接窗口900，如图9所示。通过离子束刻蚀技术刻蚀电极层上的电极表面的绝缘层，随后利用电子束蒸发镀膜在互搭窗口内沉积电极材料使外围电极层上的电极与电极层上的电极相连接，完成二维可扩展量子比特结构的制备。
98.根据本公开的实施例，电极材料为钛/钯或铝，电极厚度范围为30nm-100nm。
99.根据本公开的实施例，第一电极层的第一屏蔽栅电极401与第二屏蔽栅电极402的电极厚度优选35nm。第二电极层第一能级栅电极501和第二能级栅电极502以及源漏电极503的电极厚度优选50nm。第三电极层的第一势垒栅电极601和第二势垒栅电极602的电极厚度优选65nm。第四电极层的第三势垒栅电极701的电极厚度优选80nm。
100.根据本公开的实施例，电极之间的间距为30nm-60nm，优选地，电极之间的间距为50nm。
101.根据本公开的实施例，2
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2阵列四量子点的第一屏蔽栅电极401与电荷感应探测器的第二屏蔽栅电极402用于选择性地屏蔽第二、三、四电极层施加电压后的电势，从而束缚出导电沟道，如图4所示，其尺寸可根据实际需求设定，本公开第一电极层宽度优选300nm；其他电极层的电极宽度范围为40nm-80nm。
102.根据本公开的实施例，第二电极层的第一能级栅电极501的宽度优选70nm，第三电极层的第一势垒栅电极601和第四电极层的第三势垒栅电极701宽度优选55nm；第二电极层的第二能级栅电极502的宽度优选80nm，第三电极层的第二势垒栅电极602的宽度优选60nm。
103.图13示意性示出了根据本公开实施例的库伦振荡曲线。
104.如图13所示，利用上述方法制备出二维可扩展量子点结构的样品后，测量所得量子点501-1、501-2、501-3处的库伦振荡曲线图，通过调节第一势垒栅电极601以及第一能级栅电极501电压形成量子点后，改变施加在第一能级栅电极501上的电压大小使第一能级栅电极501下方的电子可以隧穿通过一定高度和宽度的势垒，从而获得不同电子载流子密度的输运曲线。以量子点501-1为例，如图12所示，调节第一势垒栅电极601-1、第三势垒栅电极701-1的电压，使第一能级栅电极501-1中的电子被束缚在势阱中，从而形成量子点501-1。保持第一势垒栅电极601-1、第三势垒栅电极701-1的电压不变，扫描施加在第一能级栅电极501-1上的电压(从大到小)，量子点501-1中的能级逐渐被抬高，能级依次经过左右势垒窗口，量子点501-1中的电子跳出，电流逐渐减小。改变第一势垒栅电极601-1、第三势垒栅电极701-1可以改变量子点大小，也能改变量子点中电子载流子密度。库仑峰的高度有所不同，这是由于量子点所处状态以及量子点中不同能级的能级波函数与源漏费米面的交叠程度等一些细节的不同而有所不同。
105.根据本公开的上述实施例的二维可扩展量子点结构及其制备方法，基于电极形成的独立栅极，栅极间相互重叠，施加电压后形成2
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2阵列量子点结构，电极分布密集，有利于栅极电势更好的束缚和调控目标量子点，有利于二维多量子点的制备和相互耦合。同时，电荷感应探测器与2
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2阵列量子点共用欧姆接触层，减少了测量所需的电极数量，缓解了由于量子点数量增加带来的对芯片布线以及测控系统线路数量的压力。此外，每个量子点的可控栅极都独立扇出，为量子比特的实现以及调控提供了极大的灵活性和可控性。
106.以下列举具体实施例来对本公开的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中
的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本公开。
107.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
108.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
109.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
110.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。