本發(fā)明涉及量子器件領(lǐng)域，具體地涉及一種空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒、其制備和使用方法及用途。

背景技術(shù)：

當(dāng)前半導(dǎo)體芯片上集成的元件的尺寸越來越小，量子效應(yīng)變得越來越不可忽略。隨著摩爾定律的逐步失效，半導(dǎo)體行業(yè)有必要去開發(fā)新型的量子器件。自從shor算法(可破解當(dāng)前密碼系統(tǒng)的算法)等利用量子力學(xué)原理的算法出現(xiàn)后，量子計(jì)算機(jī)研制成為了當(dāng)今世界各國競爭的戰(zhàn)略焦點(diǎn)。

目前，在gaas/algaas、sio2/si、si/sige等材料上制作的半導(dǎo)體門型電控量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)因?yàn)槠涫艿降耐饨绺蓴_較小而成為量子比特比較有希望的候選者。并且由于量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的制造工藝完全兼容當(dāng)前半導(dǎo)體工業(yè)，因此在比特的擴(kuò)展和集成上相比于其他量子計(jì)算體系有極大的優(yōu)勢。

量子器件的載流子分為電子型和空穴型兩種，以往人們探索較多的是以電子為載流子的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭昭ㄐ推骷菀茁╇娡瑫r(shí)性質(zhì)不太穩(wěn)定。經(jīng)過近十年在材料生長工藝和樣品加工工藝的實(shí)驗(yàn)與理論等多方面的研究突破之后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)以空穴為載流子的量子比特可能有更長的量子比特退相干時(shí)間(相比于電子的量子比特退相干時(shí)間)?？昭ǖ牟ê瘮?shù)是p軌道，而電子的波函數(shù)是s軌道，空穴相比于電子受到原子核的超精細(xì)相互作用要小很多。另外空穴相比于電子，有更強(qiáng)的自旋軌道耦合相互作用，使得空穴自旋量子比特有更快的比特翻轉(zhuǎn)速度(比特從0變化到1或者從1變化到0)，有利于獲得全電控的長相干快操控的高保真度的空穴自旋量子比特體系。

目前，為了制備出優(yōu)質(zhì)的空穴自旋量子比特，需要獲得二維空穴氣性質(zhì)優(yōu)異的半導(dǎo)體量子芯片材料。二維空穴氣的性質(zhì)主要是空穴密度、空穴遷移率以及半導(dǎo)體材料的均勻性和空穴流動(dòng)的穩(wěn)定性等。目前對(duì)材料的二維空穴氣的性質(zhì)的表征是不方便的。需要能夠方便地表征二維空穴氣性質(zhì)的量子器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了提供表征二維空穴氣性質(zhì)的量子器件，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案。

[1]一種空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒，所述空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒包含：

非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片(100)，所述異質(zhì)結(jié)基片(100)由下到上依次包括非摻雜gaas襯底(101)、非摻雜algaas層(102)和表面非摻雜gaas蓋帽層(103)；

第一對(duì)歐姆接觸電極(201)、(204)，所述歐姆接觸電極(201)、(204)依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入所述非摻雜gaas襯底(101)至少5nm；

第二對(duì)歐姆接觸電極(203)、(205)，所述歐姆接觸電極(203)、(205)依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入所述非摻雜gaas襯底(101)至少5nm，所述第二對(duì)歐姆接觸電極(203)、(205)之間的連線與所述第一對(duì)歐姆接觸電極(201)、(204)之間的連線相互垂直；

歐姆接觸電極(202)，所述歐姆接觸電極(202)依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入所述非摻雜gaas襯底(101)至少5nm，所述歐姆接觸電極(202)與歐姆接觸電極(203)之間的連線與所述第一對(duì)歐姆接觸電極(201)、(204)之間的連線相互平行；

絕緣層(300)，所述絕緣層(300)覆蓋所述表面非摻雜gaas蓋帽層(103)、所述歐姆接觸電極(201)、(204)、(202)、(203)和(205)；

頂柵極(400)，所述頂柵極(400)設(shè)置在所述絕緣層(300)上，并且其水平投影與所述歐姆接觸電極(201)、(204)、(202)、(203)和(205)均有交疊。

[2]根據(jù)[1]所述的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒，其特征在于，所述頂柵極(400)與所述歐姆接觸電極(201)、(204)、(202)、(203)和(205)中每一個(gè)的交疊面積為1000-5000平方微米，優(yōu)選2000平方微米。

[3]根據(jù)[1]所述的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒，其特征在于，所述非摻雜algaas層(102)的厚度為20-80nm；和/或所述表面非摻雜gaas蓋帽層(103)的厚度為2-10nm；和/或所述歐姆接觸電極(201)、(204)、(202)、(203)和(205)的厚度為50-120nm；和/或所述絕緣層(300)的厚度為20-120nm；和/或所述頂柵極的厚度為50-130nm。

[4]一種制備根據(jù)[1]所述的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒的方法，所述方法包括：

由下到上依次使用分子束外延方式生長非摻雜gaas襯底、非摻雜algaas層和表面非摻雜gaas蓋帽層，形成非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片；

在所述非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片上形成分別形成依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層和非摻雜algaas層，進(jìn)入非摻雜gaas襯底至少5nm的歐姆接觸電極(201)、(204)、(202)、(203)和(205)；

在所述非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片以及所述歐姆接觸電極(201)、(204)、(202)、(203)和(205)上覆蓋絕緣層；

在所述絕緣層上形成頂柵極，其水平投影與所述歐姆接觸電極(201)、(204)、(202)、(203)和(205)均有交疊。

[5]根據(jù)[1]所述的方法，其特征在于，所述形成歐姆接觸電極包括：

利用紫外光刻曝光技術(shù)，在非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片上曝光出歐姆接觸電極窗口；

利用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，將電極材料蒸鍍至所述歐姆接觸電極窗口；

對(duì)所述基片進(jìn)行快速退火，使得蒸鍍的電極材料向下滲透，依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層、非摻雜algaas層，進(jìn)入非摻雜gaas襯底至少5nm，形成歐姆接觸電極。

[6]根據(jù)[5]所述的方法，其特征在于，所述退火溫度為380-450℃，所述退火時(shí)間為2-10分鐘。

[7]一種使用根據(jù)[1]所述的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒的方法，所述方法包括：

在所述頂柵極(400)上施加負(fù)電壓，從而在非摻雜gaas襯底(101)中處于所述頂柵極(400)的水平投影中的區(qū)域形成二維空穴氣層(104)，所述二維空穴氣層(104)與所述歐姆接觸電極(201)、(204)、(202)、(203)和(205)歐姆接觸；

將所述空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒放置在與器件平面垂直的磁場中；

在所述第一對(duì)歐姆接觸電極(201)、(204)上施加電負(fù)荷；

測量歐姆接觸電極(202)和(203)之間，以及歐姆接觸電極(203)、(205)之間的電輸出。

[8]根據(jù)[7]所述的方法，其特征在于，所述電負(fù)荷是恒流源，所述電輸出是電壓降。

[9]根據(jù)[8]所述的方法，其特征在于，由所述電負(fù)荷、歐姆接觸電極(202)和(203)之間的電壓降、和歐姆接觸電極(203)、(205)之間的電壓降計(jì)算空穴載流子密度和遷移率，

[10]根據(jù)[1]所述的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒用于表征半導(dǎo)體量子芯片材料的二維空穴氣的性質(zhì)的用途。

[11]根據(jù)[10]所述的用途，其中所述性質(zhì)包括載流子密度、載流子遷移率、以及二維空穴氣穩(wěn)定性。

本發(fā)明提供了一種空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒，可用于量子比特芯片材料設(shè)計(jì)和表征。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒歐姆接觸電極示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒的示意圖。

圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒的整體示意圖；

圖4為圖2的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒沿電極201和204剖開的剖面示意圖；

圖5為本發(fā)明空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒制作工藝流程圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒的導(dǎo)通電流隨頂柵極電壓調(diào)節(jié)的變化曲線；

圖7為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒進(jìn)行霍爾效應(yīng)測量的連接示意圖；

圖8為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒的一個(gè)霍爾效應(yīng)實(shí)例的磁測量曲線圖；

圖9為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒的空穴載流子密度和遷移率隨著頂柵極電壓變化的曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒，具體是一種非摻雜gaas/algaas半導(dǎo)體空穴載流子異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒能夠在極低溫條件下工作，可以通過磁輸運(yùn)的測量方法獲得該異質(zhì)結(jié)材料的載流子濃度及遷移率等性能，是表征空穴載流子量子芯片材料基本性能的主要手段。這可以為后續(xù)制備空穴自旋量子比特和實(shí)現(xiàn)空穴自旋量子計(jì)算奠定量子芯片材料設(shè)計(jì)和測試的基礎(chǔ)。

本發(fā)明提出了一種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒、其制備和使用方法及用途。所設(shè)計(jì)的霍爾棒結(jié)構(gòu)包括非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片100，歐姆接觸電極200，絕緣層300和頂層金屬大電極400。在這種非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片上通過生長絕緣層、加頂柵極(topgate)的方式可以形成二維空穴氣(頂層?xùn)艠O加負(fù)壓)，通過改變頂層?xùn)艠O電壓可以大范圍調(diào)節(jié)二維空穴氣的載流子濃度和遷移率，選取優(yōu)質(zhì)性能的材料體系，用于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的空穴自旋量子比特研究。本發(fā)明的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒性能穩(wěn)定，不易漏電。

本發(fā)明的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒的一個(gè)實(shí)施方案如圖2和圖4所示，其包含：

非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片(100)，所述異質(zhì)結(jié)基片(100)由下到上依次包括非摻雜gaas襯底(101)、非摻雜algaas層(102)和表面非摻雜gaas蓋帽層(103)；

第一對(duì)歐姆接觸電極(201)、(204)，所述歐姆接觸電極(201)、(204)依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入所述非摻雜gaas襯底(101)至少5nm；

第二對(duì)歐姆接觸電極(203)、(205)，所述歐姆接觸電極(203)、(205)依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入所述非摻雜gaas襯底(101)至少5nm，所述第三對(duì)歐姆接觸電極(203)、(205)之間的連線與所述第一對(duì)歐姆接觸電極(201)、(204)之間的連線相互垂直；

歐姆接觸電極(202)，所述歐姆接觸電極(202)依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入所述非摻雜gaas襯底(101)至少5nm，所述歐姆接觸電極(202)與歐姆接觸電極(203)之間的連線與所述第一對(duì)歐姆接觸電極(201)、(204)之間的連線相互平行；

絕緣層(300)，所述絕緣層(300)覆蓋所述表面非摻雜gaas蓋帽層(103)、所述歐姆接觸電極(201)、(204)、(202)、(203)和(205)；

頂柵極(400)，所述頂柵極(400)設(shè)置在所述絕緣層(300)上，并且其水平投影與所述歐姆接觸電極(201)、(204)、(202)、(203)和(205)均有交疊。

本文中所稱的“上”、“下”、“水平”等方向是為了便于描述各部件相對(duì)位置的作用，而非限定絕對(duì)的方向。

圖2中個(gè)電極上的方塊部表示用于連接外部線路的電極窗口，其是一種可選的連接外電路的端口方式。

另一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施方案示于圖3中。其與圖2結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處是還包括歐姆接觸電極(206)。增加第六個(gè)處于對(duì)稱位置的歐姆接觸電極(206)便于器件的制作，并且也利于器件的使用，例如便于在各方向上接線。而且，當(dāng)(202)、(203)、(205)、(206)中有一個(gè)損壞時(shí)，器件仍可以使用。

不受限于任何理論，在本發(fā)明的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒中，當(dāng)在頂柵極上施加電壓時(shí)，在異質(zhì)結(jié)中非摻雜gaas襯底中在頂柵極的水平投影區(qū)域，產(chǎn)生空穴載流子，并形成圖4中的二維空穴氣層(104)。該二維空穴氣層與各歐姆接觸電極歐姆接觸，形成二維空穴載流子導(dǎo)通區(qū)域。也就是說，相當(dāng)于形成了一個(gè)與頂柵極相同形狀的片狀電阻。該片狀電阻可以例如為矩形，并在四邊上各自具有電極。這些電極形成一個(gè)典型的霍爾棒橋狀器件。片狀電阻當(dāng)然也可以不是矩形的，但從計(jì)算和建模的方便性來說，矩形是優(yōu)選的(也就是說頂柵極是矩形的)。通過在垂直磁場中在第一對(duì)電極上施加電負(fù)荷，可以在第二對(duì)電極以及在同一邊上的兩個(gè)電極上獲得電輸出。此處的垂直表示垂直于所有歐姆接觸電極所在的平面，也稱為器件平面。

作為一個(gè)具體實(shí)例，本發(fā)明提供的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒構(gòu)體包括非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片(100)、歐姆接觸電極(201、202、203、204、205、206)、絕緣層(300)和頂層金屬大電極(400)。其中電極(206)是任選的。或者換言之，在(202)、(203)、(205)、(206)中可以只形成其中任意三個(gè)。下文不再重復(fù)解釋。

其中所述非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片依次包括非摻雜的gaas襯底(101)、非摻雜algaas層(102)和表面的非摻雜gaas蓋帽層(103)以及通過在頂柵極400上施加負(fù)電壓之后在非摻雜gaas層(101)中穩(wěn)定形成的二維空穴氣結(jié)構(gòu)層(104)，如圖4的剖面圖所示。二維空穴氣層(104)一般位于距離非摻雜algaas層(102)以下大約5nm處。

非摻雜gaas襯底(101)的厚度可以是300-800nm，優(yōu)選500nm。

非摻雜algaas層(102)的厚度可以為20-80nm，優(yōu)選40nm，其中al所占的比例可以為10摩爾％-90摩爾％，優(yōu)選70摩爾％。

表面非摻雜gaas蓋帽層(103)的厚度可以為2-10nm，優(yōu)選5nm。

非摻雜gaas及非摻雜algaas均是已知的材料。各層具有穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)的單晶材料可以依次使用分子束外延生長。該發(fā)明使用的基片依次使用分子束外延生長各層具有穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)的單晶材料。

歐姆接觸電極可以如下形成：在表面非摻雜gaas蓋帽層(103)上紫外光學(xué)曝光歐姆電極窗口(201、202、203、204、205、206)。利用電子束蒸發(fā)鍍膜電極材料，例如aube合金(be的重量比為1％)，利用高溫退火使得合金滲入窗口，依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)、非摻雜algaas層(102)，進(jìn)入非摻雜gaas襯底(101)至少5nm處，到達(dá)二維空穴氣層(104)，形成良好的歐姆接觸。為了形成良好的歐姆接觸，歐姆接觸電極穿過異質(zhì)結(jié)，當(dāng)其下端至少低于所述非摻雜algaas層(102)以下5nm時(shí)，可以保證與二維空穴氣層有良好的歐姆接觸。歐姆接觸電極(201、202、203、204、205、206)的金屬鍍膜厚度為50-120nm，優(yōu)選80nm。電極可以具有較大的遠(yuǎn)端，利于接線并對(duì)其施加一定范圍的電壓或電流。也可以用其他合適的方式形成穿過異質(zhì)結(jié)的電極。

歐姆接觸電極(201、202、203、204、205、206)及表面gaas蓋帽層(103)上的絕緣層(300)使用原子層沉積方式生長，生長溫度為100-300℃，優(yōu)選200℃，生長厚度為20-100nm(這里氧化層的厚度決定著器件的擊穿電壓，氧化層越厚，頂層?xùn)艠O越不容易擊穿，器件的飽和電流越大)，優(yōu)選40nm，絕緣層材料為三氧化二鋁或者氧化鉿，優(yōu)選三氧化二鋁。

絕緣層(300)上為頂層金屬大電極(400)，金屬電極鍍膜材料可以為ti和au，厚度分別為10-30nm和40-100nm，優(yōu)選10nm和70nm，在表面非摻雜gaas蓋帽層(103)的中間位置，其大小和形狀與歐姆接觸電極形狀匹配。頂層金屬大電極與歐姆接觸電極中間靠絕緣層隔開，有一定的交疊，如圖4所示，交疊區(qū)域從下往上依次為歐姆接觸電極、絕緣層和頂層金屬大電極，并有一定的交疊面積(交疊才能保證頂柵極形成的二維空穴氣在各電極之間導(dǎo)通)，交疊面積為1000-5000平方微米，優(yōu)選2000平方微米。在歐姆接觸電極上表面可以缺少一部分絕緣層，露出接線窗口。

由于所有的歐姆接觸電極200都在絕緣層的下面，為了能夠把歐姆接觸電極通過引線接出，需要在適當(dāng)?shù)奈恢瞄_接線窗口，將其位置上的絕緣層刻蝕掉，以便引線可以與各個(gè)歐姆接觸電極電學(xué)連通，用于后續(xù)霍爾棒器件的測量。

本發(fā)明還涉及制備空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒的方法。具體地，依次提供非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片，形成五個(gè)歐姆接觸電極，覆蓋絕緣層，并形成頂柵極?？梢允褂贸Ｒ?guī)的制備過程制備本發(fā)明的空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒。可以使用常用的工藝，如紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜、原子層沉積、濕法蝕刻等工藝，制備半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒的各個(gè)部件。特別地，本發(fā)明中的歐姆接觸電極可以通過快速退火的工藝形成。

在本發(fā)明提供的一種制備上述空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒的方法中，包括形成歐姆接觸電極的過程，所述過程包括：

利用紫外光刻曝光技術(shù)，在非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片上曝光出歐姆接觸電極窗口；

利用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，將電極材料蒸鍍至所述歐姆接觸電極窗口；

對(duì)所述基片進(jìn)行快速退火，使得蒸鍍的電極材料從表面往下滲透，依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層、非摻雜algaas層，深入到非摻雜gaas襯底層深度5nm處，形成歐姆接觸電極。

通過該方法，可以在想要的位置簡單地形成依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層、非摻雜algaas層與二維空穴氣區(qū)域良好歐姆接觸的歐姆接觸電極。

在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的制備步驟可以包括：分子束外延(mbe)生長非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片；紫外光刻、電子束鍍膜技術(shù)制備歐姆接觸電極；保護(hù)氣條件下高溫快速退火歐姆接觸；原子層沉積技術(shù)生長絕緣層；紫外光刻、濕法刻蝕技術(shù)制備歐姆接觸接線窗口；紫外光刻、電子束蒸發(fā)鍍膜制備頂層金屬大電極。詳細(xì)制備步驟如下(如圖5所示)：

(1)、利用分子束外延技術(shù)(mbe)生長非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片，非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)基片包括非摻雜gaas襯底(101)、非摻雜algaas層(102)、表面非摻雜gaas蓋帽層(103)；

(2)、取4英寸的基片，甩光刻膠保護(hù)，切成2cm*2cm大小的小片，依次用ace(丙酮)、tce(三氯乙烯)、ace(丙酮)、ipa(異丙醇)及di(去離子水)清洗樣品，每個(gè)試劑清洗時(shí)可以同時(shí)使用超聲清洗30s，最后高純氮?dú)獯蹈桑?/p>

(3)、使用甩膠機(jī)，在小的樣品基片上甩上光刻膠，光刻膠的型號(hào)為az54214e，甩膠的轉(zhuǎn)速為：4000轉(zhuǎn)/s，時(shí)間為：40s，烤膠參數(shù)為：95℃烘烤90s。

(4)使用紫外光學(xué)曝光機(jī)進(jìn)行紫外光學(xué)曝光刻蝕，紫外光學(xué)曝光時(shí)間12s，用顯影液(az400k∶di＝1∶6)顯影60s，形成歐姆接觸窗口200(包括201、202、203、204、205、206)，接著使用氧氣等離子體清洗技術(shù)處理2-4min以除去殘膠，再利用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)沉積aube合金約120nm，形成歐姆接觸電極，鍍膜時(shí)的真空度為：4*10^-8torr

(5)、把鍍膜后的基片放入ace(丙酮)中進(jìn)行金屬剝離，金屬剝離時(shí)間為10-60分鐘，優(yōu)選30分鐘。然后依次用tce(三氯乙烯)、ace(丙酮)、ipa(異丙醇)、di(去離子水)將基片洗干凈，每個(gè)試劑清洗時(shí)可以同時(shí)使用超聲清洗30s，最后高純氮?dú)獯蹈桑?/p>

(6)、將清洗干凈的樣品基片，放入高溫快速退火爐，在保護(hù)氣的條件下進(jìn)行高溫快速退火，使得蒸鍍的歐姆接觸金屬從表面往下滲透，依次穿過表面非摻雜gaas蓋帽層(103)和非摻雜algaas層(102)，深入到非摻雜gaas襯底(101)至少5nm，到達(dá)二維空穴氣區(qū)域(在柵極加負(fù)電壓后在該區(qū)域中將形成二維空穴氣層(104))，與二維空穴氣區(qū)域形成良好的接觸，形成歐姆接觸電極(201、202、203、204、205、206)。保護(hù)氣采用h2和n2混合氣，h2的比例為15％。退火溫度為380-450℃，優(yōu)選420℃；退火時(shí)間為2-10分鐘，優(yōu)選3分鐘(退火溫度如果太低，歐姆電極無法和二維載流子氣形成良好的接觸，退火溫度如果太高，歐姆電極表面非常粗糙，在生長了絕緣層后容易擊穿絕緣層漏電；相比于退火時(shí)間，退火溫度的影響更為顯著)；如圖1所示；

(7)、把經(jīng)過高溫退火后的基片按照依次用tce(三氯乙烯)、ace(丙酮)、ipa(異丙醇)、di(去離子水)將基片洗干凈，每個(gè)試劑清洗時(shí)可以同時(shí)使用超聲清洗30s，最后高純氮?dú)獯蹈?；再放入原子層沉積系統(tǒng)中進(jìn)行絕緣層的生長，生長溫度為100-300℃，優(yōu)選200℃，生長厚度為20-100nm，優(yōu)選40nm，生長氧化層為三氧化二鋁或者氧化鉿，優(yōu)選三氧化二鋁；

(8)、生長完絕緣層之后的基片，再次使用紫外光學(xué)曝光機(jī)進(jìn)行紫外光學(xué)曝光刻蝕，紫外光學(xué)曝光時(shí)間12s，用顯影液(az400k∶di＝1∶6)顯影60s，使用氧氣等離子體清洗技術(shù)處理2-4min以除去殘膠，形成歐姆電極的刻蝕窗口，然后再用絕緣層刻蝕液于190℃刻蝕窗口10-25s，優(yōu)選12s，用來除去歐姆電極上的絕緣層，這樣后續(xù)測量時(shí)才能在歐姆接觸電極上鏈接測量引線，這里氧化鋁刻蝕液為通用的transetch-n刻蝕液；

(9)、把刻蝕后的基片迅速放入去離子水中di中浸泡(同時(shí)放到光學(xué)顯微鏡下觀察三氧化二鋁是否刻蝕完全，若刻蝕完全放入下一杯di中等待清洗，否則再次放進(jìn)刻蝕液進(jìn)行刻蝕)，去離子水di中浸泡5分鐘、丙酮ace中浸泡10分鐘，并可以使用超聲振10s，然后使用ipa清洗，并用高純氮?dú)獯蹈桑?/p>

(10)、清洗干凈的基片，再次使用紫外光學(xué)曝光機(jī)進(jìn)行光刻曝光刻蝕，紫外光學(xué)曝光12s，用顯影液(az400k∶di＝1∶6)顯影60s，使用氧氣等離子體清洗技術(shù)處理2-4min以除去殘膠，形成頂層金屬大電極(400)的窗口。然后利用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)依次鍍10-30nmti和40-100nmau，優(yōu)選10nm和70nm。把鍍膜后的基片放入ace(丙酮)中進(jìn)行金屬剝離，并可以使用超聲振動(dòng)4-10s，然后放入異丙醇中浸泡10分鐘并清洗干凈，最后用高純氮?dú)獯蹈?，至此霍爾棒的制作完成。如圖3所示。圖4顯示了第一對(duì)歐姆接觸電極之間的剖面圖。其中光學(xué)曝光技術(shù)，使用紫外光刻機(jī)曝光，光學(xué)曝光膠型號(hào)為az5214e，甩膠參數(shù)為：轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/s、甩膠時(shí)間40s，烤膠溫度95℃烘烤時(shí)間90s，紫外光刻曝光12s，用顯影液(az400k∶di＝1∶6)顯影60s，使用去離子水di清洗15-30s，最后用高純氮?dú)獯蹈?，電子束鍍膜前使用氧氣等離子體清洗技術(shù)處理2-4min以除去殘膠。

其中樣品清洗過程：將樣品依次使用ace(丙酮)、tce(三氯乙烯)、ace(丙酮)、ipa(異丙醇)及di(去離子水)各清洗5分鐘，每種試劑清洗時(shí)伴隨超聲清洗30秒，最后用高純氮?dú)獯蹈伞?/p>

其中金屬剝離技術(shù)，使用丙酮(ace)浸泡2-12個(gè)小時(shí)，根據(jù)圖形的大小選擇不同的時(shí)間，圖形尺寸越小選擇的浸泡時(shí)間越長。

高溫快速退火條件為380-450℃，優(yōu)選420℃，退火時(shí)間為2-10min，優(yōu)選3min，退火保護(hù)氣體15％h2和85％n2。

刻蝕絕緣層的刻蝕劑試通用的transetch-n刻蝕液，條件為刻蝕液于190℃持續(xù)加熱30min以上，刻蝕時(shí)間為10-25s，優(yōu)選12s，用來除去歐姆電極上的絕緣層。

本發(fā)明還提供了一種使用上述霍爾棒的方法，所述方法包括：

將所述空穴型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)霍爾棒放置在與器件平面垂直的磁場中；

在所述頂柵極(400)上施加負(fù)電壓，從而在非摻雜gaas襯底(101)的靠近所述非摻雜algaas層(102)的部分中處于所述頂柵極(400)的水平投影中的區(qū)域形成二維空穴氣層(104)，所述二維空穴氣層(104)與歐姆接觸電極(201)、(204)、(202)、(206)、(203)和(205)歐姆接觸；

在所述第一對(duì)歐姆接觸電極(201)、(204)上施加電負(fù)荷；

測量歐姆接觸電極(203)和(205)之間以及歐姆接觸電極(202)和(203)之間的電輸出。

本發(fā)明還提供了對(duì)空穴型量子霍爾棒的基本性能表征，如圖6所示為在所設(shè)計(jì)制備的霍爾棒的源電極201上施加一定的交流激勵(lì)(20uv)之后，使用鎖相技術(shù)測量漏電極204的電流，隨著頂柵極所加電壓的變化曲線，由于基片本身非摻雜，因此沒有在頂柵極上施加電壓時(shí)，基片本身沒有載流子，隨著施加在頂柵極上電壓的絕對(duì)值逐漸增大(由于是空穴載流子，所以施加的電壓為負(fù)值)，可以看到源漏之間在-1.2v左右開始導(dǎo)通，并隨著電壓的進(jìn)一步增大而達(dá)到基本處于飽和的狀態(tài)，最大電流可以達(dá)到約15na，計(jì)算出電阻約3.3千歐，是比較好的歐姆接觸。同時(shí)頂柵極電壓達(dá)到-5v時(shí)并沒有出現(xiàn)頂層向歐姆接觸漏電的現(xiàn)象，證明本發(fā)明的霍爾棒的絕緣層性能也是優(yōu)秀的，上述測量結(jié)果證明本發(fā)明的霍爾棒性能是非常優(yōu)秀的。

如圖7所示，為本發(fā)明制作的非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的霍爾棒進(jìn)行霍爾效應(yīng)測量的連接示意圖。一般地，將霍爾棒放在垂直磁場中，但也可以在不垂直的磁場中工作。在歐姆接觸電極201和204上加恒流源(電流可以為i＝100na)，測量電極202和203之間的電壓降(vxx)和電極203和205之間的電壓降(vxy)，可以得到如圖8所示的非摻雜gaas/algaas異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的霍爾棒的一個(gè)霍爾效應(yīng)實(shí)例的磁測量曲線圖?？梢缘玫娇v向電阻rxx＝vxx/i，霍爾電阻rh＝rxy＝vxy/i。當(dāng)樣品處于低溫強(qiáng)磁場環(huán)境中時(shí)(b＜1t)，二維空穴氣的行為類似經(jīng)典情況，霍爾電阻rh隨著磁場增加線性增加，根據(jù)磁輸運(yùn)曲線斜率可以得到空穴載流子密度n＝b/(e*rxy)，結(jié)合空穴載流子密度和磁場為零時(shí)刻的電阻率，可以得到空穴載流子的遷移率u＝1/(nerxx)。

在高磁場時(shí)，不再類似于經(jīng)典情況，rxy出現(xiàn)寬的電阻平臺(tái)，而平臺(tái)處的電阻rxx降為零(在圖8中在約6000mt處)，rxx的振蕩和rxy出現(xiàn)平臺(tái)的出現(xiàn)表明器件處于無耗散輸運(yùn)狀態(tài)，這就是量子霍爾效應(yīng)，此處不作贅述。

如圖9所示，為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案制備的其中一種結(jié)構(gòu)的非摻雜砷化鎵異質(zhì)結(jié)量子霍爾棒的空穴載流子密度和遷移率隨著施加在頂柵極上電壓的變化曲線，其中的數(shù)據(jù)點(diǎn)來自按照?qǐng)D7和圖8所示的測量結(jié)構(gòu)在不同的頂層?xùn)艠O電壓下測得的空穴載流子密度和遷移率。數(shù)據(jù)表明，空穴載流子密度隨著電壓絕對(duì)值的增加線性增加，其密度可以大范圍可調(diào)節(jié)，空穴載流子的遷移率隨著空穴密度的增加而增加，達(dá)到一定值時(shí)，遷移率趨于飽和。

可見，本發(fā)明的霍爾棒器件可以較快較容易地測量空穴載流子密度和遷移率，用于表征半導(dǎo)體量子芯片材料的二維空穴氣性質(zhì)，如載流子密度、載流子遷移率、以及二維空穴氣穩(wěn)定性等，進(jìn)而用于篩選半導(dǎo)體量子芯片材料和合適的運(yùn)行參數(shù)。為基于非摻雜空穴載流子的量子比特研究提供了基片材料設(shè)計(jì)和表征的研究基礎(chǔ)。在物質(zhì)性質(zhì)研究方面，還可用于空穴載流子的質(zhì)量，郎道能級(jí)態(tài)等物理特性研究。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。