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Designs and procedures for the characterization of Si/SiGe quantum devices
2024 & 2025
Dissertation, RWTH Aachen University, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-05
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-00316
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1000385/files/1000385.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
annealing (frei) ; charge noise (frei) ; laser annealing (frei) ; quantum (frei) ; quantum computing (frei) ; semiconductor (frei) ; silicon (frei) ; silicon germanium (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Die Entwicklung von universellen Quantencomputern verspricht einen Paradigmenwechsel, wobei elektrostatisch-definierte Einzelelektronen-Spin-Qubits in Silizium/Silizium-Germanium (Si/SiGe)-Heterostrukturen (HS) als vielversprechende Kandidaten gelten. Trotz ihrer vorteilhaften Materialeigenschaften wie geringe Spin-Bahn-Kopplung und Möglichkeiten für die Isotopenreinigung sind diese Qubits empfindlich gegenüber den Gegebenheiten in ihrer Umgebung, was zu signifikanter Varianz zwischen Proben führt. In dieser Arbeit werden Ansätze entwickelt, um diese Probenvarianz zu charakterisieren und zu reduzieren. Eine systematische Messmethode zur Untersuchung der Aufladung in gesteuerten Si/SiGe-HS wird vorgestellt. Durch iterative Charakterisierungszyklen werden zwei verschiedene Ladungssignaturen definiert und der gemessene stabile Betriebsbereich von 33 Geräten mit Simulationen verglichen. Die Beobachtungen legen nahe, dass der stabile Betriebsbereich hauptsächlich durch das Auftreten von Ausgleichspfaden begrenzt ist, und nicht durch die Dichte von Fallenzuständen. Ein Ansatz zur Gestaltung neuer Elektrodenanordnungen basierend auf elektrostatischen Simulationen wird präsentiert, der genaue Verhaltensvorhersagen ermöglicht, die mit dem gemessenen Verhalten von Proben übereinstimmen. Dieser Ansatz wird verwendet, um eine Anordnung zum Kartieren von Ladungsrauschen zu entwickeln, die eine effiziente Ausnutzung der verfügbaren Spannungsleitungen hat. Erste Messungen zeigen die Notwendigkeit von systematischen und automatisierten Verfahren zur Einstellung der Elektrodenspannungen, um eine zeiteffiziente Datenerzeugung zu erreichen. Zusätzlich wird das Verhältnis der Herstellungszuverlässigkeit der Elektroden und der Ausbeute von funktionsfähigen Ladungssensoren untersucht. Eine nahezu perfekte Herstellungszuverlässigkeit ist notwendig damit großangelegten Elektrodenanordnungen effizient eingesetzt werden können. Die Übertragung einer Elektrodenanordnung für industrielle Fertigungsprozesse mittels Simulationen wird untersucht und zeigt eine Robustheit gegenüber den beobachteten Fertigungstoleranzen. Des Weiteren wird das Ausnutzung von lokalem aufheizten mittels Laser zur Aktivierung phosphorimplantierter Ohmscher Kontakte untersucht. Optische Kalibrierungsstudien zeigen, dass die Laserleistung der ausschlaggebende Parameter ist, wobei die Leistungsanforderungen hauptsächlich von den Details des virtuellen Substrats abhängen. Für eine, mittels Laser aktivierten, Probe wird ein Kontaktwiderstand von 530 Ω bei einer Temperatur von 4.2 K erreicht, während eine Laser aktivierte Hall Sonde Transporteigenschaften aufweist, die denen eines in einem Ofen aktivierten Referenzproben gleichwertig oder überlegen sind, mit einer Elektronenbeweglichkeit von μ=2.4x105 cm2V-1s-1 bei einer Elektronendichte von n=5.0x1011cm-2.The development of universal quantum computers promises a paradigm shift in problem-solving, with gate-defined single-electron spin qubits in silicon/silicon-germanium (Si/SiGe) heterostructures emerging as promising candidates. Despite their advantageous material properties, such as low spin-orbit coupling and isotropic purification options, these qubits are sensitive to environmental fluctuations, leading to significant inter-device variability. In this thesis, approaches are developed and investigated for characterizing and mitigating this inter-device variability. A systematic measurement method for investigating charging in gated Si/SiGe heterostructures is presented. Through iterative characterization cycles with increasing gate voltages, two distinct charging signatures are defined and the measured stable operation range of 33 devices is compared to simulations. The observations suggest that the stable operating range is primarily limited by the occurrence of equalization paths rather than the density of trap states. An approach for designing new gate layouts based on electrostatic simulations is presented, enabling accurate behavior predictions that are consistent with device measurements. This approach is employed to devise a voltage-line efficient gate layout for mapping charge noise over a large area. Initial measurements of the designed layout underscore the necessity for systematic and automated tuning procedures to ensure time-efficient data generation. Additionally, the relationship between the gate yield and the yield of functioning charge sensors is investigated, showing that a near-perfect gate yield is required to benefit from large devices. The adaptation of a gate layout for industrial fabrication processes is also studied using simulations, which indicate that the device can be operated reliably even when fabrication tolerances are considered. Furthermore, an alternative annealing method based on local laser heating for activating phosphorus-implanted Ohmic contacts is evaluated. Optical calibration studies show laser power as decisive parameter, whereby the power requirement depends primarily on virtual substrate details. A contact resistance of 530 Ω at 4.2 K is achieved for a laser-annealed sample, while a laser-annealed Hall bar exhibits transport properties equal to or superior to a furnace-annealed reference, with an electron mobility of μ = 2.4x105 cm2V-1s-1 at an electron density of n = 5.0x1011cm-2.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030937323
Interne Identnummern
RWTH-2025-00316
Datensatz-ID: 1000385
Beteiligte Länder
Germany
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