空穴型半導體異質結霍爾棒、其制備和使用方法及用途與流程

本發明涉及量子器件領域，具體地涉及一種空穴型半導體異質結霍爾棒、其制備和使用方法及用途。

背景技術：

當前半導體芯片上集成的元件的尺寸越來越小，量子效應變得越來越不可忽略。隨著摩爾定律的逐步失效，半導體行業有必要去開發新型的量子器件。自從shor算法(可破解當前密碼系統的算法)等利用量子力學原理的算法出現后，量子計算機研制成為了當今世界各國競爭的戰略焦點。

目前，在gaas/algaas、sio2/si、si/sige等材料上制作的半導體門型電控量子點結構因為其受到的外界干擾較小而成為量子比特比較有希望的候選者。并且由于量子點結構的制造工藝完全兼容當前半導體工業，因此在比特的擴展和集成上相比于其他量子計算體系有極大的優勢。

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構，因為空穴型器件容易漏電同時性質不太穩定。經過近十年在材料生長工藝和樣品加工工藝的實驗與理論等多方面的研究突破之后，科學家們發現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間(相比于電子的量子比特退相干時間)。空穴的波函數是p軌道，而電子的波函數是s軌道，空穴相比于電子受到原子核的超精細相互作用要小很多。另外空穴相比于電子，有更強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，為了制備出優質的空穴自旋量子比特，需要獲得二維空穴氣性質優異的半導體量子芯片材料。二維空穴氣的性質主要是空穴密度、空穴遷移率以及半導體材料的均勻性和空穴流動的穩定性等。目前對材料的二維空穴氣的性質的表征是不方便的。需要能夠方便地表征二維空穴氣性質的量子器件。

技術實現要素：

為了提供表征二維空穴氣性質的量子器件，本發明提供了以下技術方案。

[1]一種空穴型半導體異質結霍爾棒，所述空穴型半導體異質結霍爾棒包含：

非摻雜gaas/algaas異質結基片(100)，所述異質結基片(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)，進入所述非摻雜gaas襯底(101)至少5nm；

第二對歐姆接觸電極(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)，進入所述非摻雜gaas襯底(101)至少5nm，所述第二對歐姆接觸電極(203)、(205)之間的連線與所述第一對歐姆接觸電極(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[1]所述的空穴型半導體異質結霍爾棒，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)中每一個的交疊面積為1000-5000平方微米，優選2000平方微米。

[3]根據[1]所述的空穴型半導體異質結霍爾棒，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[1]所述的空穴型半導體異質結霍爾棒的方法，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異質結基片；

在所述非摻雜gaas/algaas異質結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異質結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[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，在非摻雜gaas/algaas異質結基片上曝光出歐姆接觸電極窗口；

利用電子束蒸發鍍膜技術，將電極材料蒸鍍至所述歐姆接觸電極窗口；

對所述基片進行快速退火，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，進入非摻雜gaas襯底至少5nm，形成歐姆接觸電極。

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

[7]一種使用根據[1]所述的空穴型半導體異質結霍爾棒的方法，所述方法包括：

在所述頂柵極(400)上施加負電壓，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；

將所述空穴型半導體異質結霍爾棒放置在與器件平面垂直的磁場中；

在所述第一對歐姆接觸電極(201)、(204)上施加電負荷；

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[7]所述的方法，其特征在于，所述電負荷是恒流源，所述電輸出是電壓降。

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

[10]根據[1]所述的空穴型半導體異質結霍爾棒用于表征半導體量子芯片材料的二維空穴氣的性質的用途。

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

本發明提供了一種空穴型半導體異質結霍爾棒，可用于量子比特芯片材料設計和表征。

附圖說明

圖1為根據本發明的一個實施方案的空穴型半導體異質結霍爾棒歐姆接觸電極示意圖；

圖2為根據本發明的一個實施方案的空穴型半導體異質結霍爾棒的示意圖。

圖3為根據本發明的另一個實施方案的空穴型半導體異質結霍爾棒的整體示意圖；

圖4為圖2的空穴型半導體異質結霍爾棒沿電極201和204剖開的剖面示意圖；

圖5為本發明空穴型半導體異質結霍爾棒制作工藝流程圖；

圖6為根據本發明的一個實施方案的空穴型半導體異質結霍爾棒的導通電流隨頂柵極電壓調節的變化曲線；

圖7為根據本發明的一個實施方案的空穴型半導體異質結霍爾棒進行霍爾效應測量的連接示意圖；

圖8為根據本發明的一個實施方案的空穴型半導體異質結霍爾棒的一個霍爾效應實例的磁測量曲線圖；

圖9為根據本發明的一個實施方案的空穴型半導體異質結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。

具體實施方式

本發明提供一種半導體異質結霍爾棒，具體是一種非摻雜gaas/algaas半導體空穴載流子異質結材料結構。半導體異質結霍爾棒能夠在極低溫條件下工作，可以通過磁輸運的測量方法獲得該異質結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。這可以為后續制備空穴自旋量子比特和實現空穴自旋量子計算奠定量子芯片材料設計和測試的基礎。

本發明提出了一種半導體異質結霍爾棒、其制備和使用方法及用途。所設計的霍爾棒結構包括非摻雜gaas/algaas異質結基片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異質結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(頂層柵極加負壓)，通過改變頂層柵極電壓可以大范圍調節二維空穴氣的載流子濃度和遷移率，選取優質性能的材料體系，用于進一步實現量子計算的空穴自旋量子比特研究。本發明的半導體異質結霍爾棒性能穩定，不易漏電。

本發明的空穴型半導體異質結霍爾棒的一個實施方案如圖2和圖4所示，其包含：

非摻雜gaas/algaas異質結基片(100)，所述異質結基片(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)，進入所述非摻雜gaas襯底(101)至少5nm；

第二對歐姆接觸電極(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)，進入所述非摻雜gaas襯底(101)至少5nm，所述第三對歐姆接觸電極(203)、(205)之間的連線與所述第一對歐姆接觸電極(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位置的作用，而非限定絕對的方向。

圖2中個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。

另一個本發明的實施方案示于圖3中。其與圖2結構基本相同，不同之處是還包括歐姆接觸電極(206)。增加第六個處于對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(202)、(203)、(205)、(206)中有一個損壞時，器件仍可以使用。

不受限于任何理論，在本發明的半導體異質結霍爾棒中，當在頂柵極上施加電壓時，在異質結中非摻雜gaas襯底中在頂柵極的水平投影區域，產生空穴載流子，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通區域。也就是說，相當于形成了一個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。這些電極形成一個典型的霍爾棒橋狀器件。片狀電阻當然也可以不是矩形的，但從計算和建模的方便性來說，矩形是優選的(也就是說頂柵極是矩形的)。通過在垂直磁場中在第一對電極上施加電負荷，可以在第二對電極以及在同一邊上的兩個電極上獲得電輸出。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。

作為一個具體實例，本發明提供的半導體異質結霍爾棒構體包括非摻雜gaas/algaas異質結基片(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。下文不再重復解釋。

其中所述非摻雜gaas/algaas異質結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上施加負電壓之后在非摻雜gaas層(101)中穩定形成的二維空穴氣結構層(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，優選500nm。

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

表面非摻雜gaas蓋帽層(103)的厚度可以為2-10nm，優選5nm。

非摻雜gaas及非摻雜algaas均是已知的材料。各層具有穩定化學結構的單晶材料可以依次使用分子束外延生長。該發明使用的基片依次使用分子束外延生長各層具有穩定化學結構的單晶材料。

歐姆接觸電極可以如下形成：在表面非摻雜gaas蓋帽層(103)上紫外光學曝光歐姆電極窗口(201、202、203、204、205、206)。利用電子束蒸發鍍膜電極材料，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)，進入非摻雜gaas襯底(101)至少5nm處，到達二維空穴氣層(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結，當其下端至少低于所述非摻雜algaas層(102)以下5nm時，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，優選80nm。電極可以具有較大的遠端，利于接線并對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結的電極。

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，頂層柵極越不容易擊穿，器件的飽和電流越大)，優選40nm，絕緣層材料為三氧化二鋁或者氧化鉿，優選三氧化二鋁。

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通)，交疊面積為1000-5000平方微米，優選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，需要在適當的位置開接線窗口，將其位置上的絕緣層刻蝕掉，以便引線可以與各個歐姆接觸電極電學連通，用于后續霍爾棒器件的測量。

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

在本發明提供的一種制備上述空穴型半導體異質結霍爾棒的方法中，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，在非摻雜gaas/algaas異質結基片上曝光出歐姆接觸電極窗口；

利用電子束蒸發鍍膜技術，將電極材料蒸鍍至所述歐姆接觸電極窗口；

對所述基片進行快速退火，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層與二維空穴氣區域良好歐姆接觸的歐姆接觸電極。

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

(1)、利用分子束外延技術(mbe)生長非摻雜gaas/algaas異質結基片，非摻雜gaas/algaas異質結基片包括非摻雜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，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，每個試劑清洗時可以同時使用超聲清洗30s，最后高純氮氣吹干；

(3)、使用甩膠機，在小的樣品基片上甩上光刻膠，光刻膠的型號為az54214e，甩膠的轉速為：4000轉/s，時間為：40s，烤膠參數為：95℃烘烤90s。

(4)使用紫外光學曝光機進行紫外光學曝光刻蝕，紫外光學曝光時間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處理2-4min以除去殘膠，再利用電子束蒸發鍍膜技術沉積aube合金約120nm，形成歐姆接觸電極，鍍膜時的真空度為：4*10^-8torr

(5)、把鍍膜后的基片放入ace(丙酮)中進行金屬剝離，金屬剝離時間為10-60分鐘，優選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，每個試劑清洗時可以同時使用超聲清洗30s，最后高純氮氣吹干；

(6)、將清洗干凈的樣品基片，放入高溫快速退火爐，在保護氣的條件下進行高溫快速退火，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，到達二維空穴氣區域(在柵極加負電壓后在該區域中將形成二維空穴氣層(104))，與二維空穴氣區域形成良好的接觸，形成歐姆接觸電極(201、202、203、204、205、206)。保護氣采用h2和n2混合氣，h2的比例為15％。退火溫度為380-450℃，優選420℃；退火時間為2-10分鐘，優選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；相比于退火時間，退火溫度的影響更為顯著)；如圖1所示；

(7)、把經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，每個試劑清洗時可以同時使用超聲清洗30s，最后高純氮氣吹干；再放入原子層沉積系統中進行絕緣層的生長，生長溫度為100-300℃，優選200℃，生長厚度為20-100nm，優選40nm，生長氧化層為三氧化二鋁或者氧化鉿，優選三氧化二鋁；

(8)、生長完絕緣層之后的基片，再次使用紫外光學曝光機進行紫外光學曝光刻蝕，紫外光學曝光時間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，優選12s，用來除去歐姆電極上的絕緣層，這樣后續測量時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(同時放到光學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，否則再次放進刻蝕液進行刻蝕)，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，并用高純氮氣吹干；

(10)、清洗干凈的基片，再次使用紫外光學曝光機進行光刻曝光刻蝕，紫外光學曝光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鍍膜技術依次鍍10-30nmti和40-100nmau，優選10nm和70nm。把鍍膜后的基片放入ace(丙酮)中進行金屬剝離，并可以使用超聲振動4-10s，然后放入異丙醇中浸泡10分鐘并清洗干凈，最后用高純氮氣吹干，至此霍爾棒的制作完成。如圖3所示。圖4顯示了第一對歐姆接觸電極之間的剖面圖。其中光學曝光技術，使用紫外光刻機曝光，光學曝光膠型號為az5214e，甩膠參數為：轉速4000轉/s、甩膠時間40s，烤膠溫度95℃烘烤時間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，最后用高純氮氣吹干，電子束鍍膜前使用氧氣等離子體清洗技術處理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，每種試劑清洗時伴隨超聲清洗30秒，最后用高純氮氣吹干。

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

高溫快速退火條件為380-450℃，優選420℃，退火時間為2-10min，優選3min，退火保護氣體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℃持續加熱30min以上，刻蝕時間為10-25s，優選12s，用來除去歐姆電極上的絕緣層。

本發明還提供了一種使用上述霍爾棒的方法，所述方法包括：

將所述空穴型半導體異質結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；

在所述第一對歐姆接觸電極(201)、(204)上施加電負荷；

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。

本發明還提供了對空穴型量子霍爾棒的基本性能表征，如圖6所示為在所設計制備的霍爾棒的源電極201上施加一定的交流激勵(20uv)之后，使用鎖相技術測量漏電極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，基片本身沒有載流子，隨著施加在頂柵極上電壓的絕對值逐漸增大(由于是空穴載流子，所以施加的電壓為負值)，可以看到源漏之間在-1.2v左右開始導通，并隨著電壓的進一步增大而達到基本處于飽和的狀態，最大電流可以達到約15na，計算出電阻約3.3千歐，是比較好的歐姆接觸。同時頂柵極電壓達到-5v時并沒有出現頂層向歐姆接觸漏電的現象，證明本發明的霍爾棒的絕緣層性能也是優秀的，上述測量結果證明本發明的霍爾棒性能是非常優秀的。

如圖7所示，為本發明制作的非摻雜gaas/algaas異質結結構的霍爾棒進行霍爾效應測量的連接示意圖。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異質結結構的霍爾棒的一個霍爾效應實例的磁測量曲線圖。可以得到縱向電阻rxx＝vxx/i，霍爾電阻rh＝rxy＝vxy/i。當樣品處于低溫強磁場環境中時(b＜1t)，二維空穴氣的行為類似經典情況，霍爾電阻rh隨著磁場增加線性增加，根據磁輸運曲線斜率可以得到空穴載流子密度n＝b/(e*rxy)，結合空穴載流子密度和磁場為零時刻的電阻率，可以得到空穴載流子的遷移率u＝1/(nerxx)。

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

如圖9所示，為根據本發明的實施方案制備的其中一種結構的非摻雜砷化鎵異質結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，其中的數據點來自按照圖7和圖8所示的測量結構在不同的頂層柵極電壓下測得的空穴載流子密度和遷移率。數據表明，空穴載流子密度隨著電壓絕對值的增加線性增加，其密度可以大范圍可調節，空穴載流子的遷移率隨著空穴密度的增加而增加，達到一定值時，遷移率趨于飽和。

可見，本發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，用于表征半導體量子芯片材料的二維空穴氣性質，如載流子密度、載流子遷移率、以及二維空穴氣穩定性等，進而用于篩選半導體量子芯片材料和合適的運行參數。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計和表征的研究基礎。在物質性質研究方面，還可用于空穴載流子的質量，郎道能級態等物理特性研究。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。