Development of a charge sensor in III-V semiconductor nanowires for scanning tunneling microscopy

Jekat, Felix Michael; Schäpers, Thomas; Morgenstern, Markus

doi:HT030775657

Development of a charge sensor in III-V semiconductor nanowires for scanning tunneling microscopy

Jekat, Felix Michael^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Felix Michael Jekat, Master of Science

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH* ; Schäpers, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04614
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/985425/files/985425.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
InAs (frei) ; InSb (frei) ; charge detector (frei) ; h-BN (frei) ; hysteresis (frei) ; nanowire (frei) ; noise (frei) ; quantum dot (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit werden die zentralen Errungenschaften vorgestellt, die für die Realisierung eines Einzelelektronen-Rastertunnelmikroskops (SE-STM) erforderlich sind. Ein SE-STM kombiniert die räumliche Auflösung eines STM mit den statistischen Informationen, die durch das Zählen einzelner Elektronen gewonnen werden. Das Design des Ladungsdetektors besteht aus zwei gate gesteuerten Nanodraht-Quantenpunkten (QD) in Reihe. Ein dritter Nanodraht-Quantenpunkt oder Nanodraht-Quantenpunktkontakt (QPC) fungiert als Sensor-QD/QPC. Der Sensor QD/QPC ist über ein Floating-Gate mit dem doppelten Quantenpunkt gekoppelt. Sobald Elektronen durch den doppelten Quantenpunkt tunneln, werden Ladungen auf dem Floating-Gate in Bewegung gesetzt. Aufgrund der Empfindlichkeit des QD/QPC-Stroms gegenüber der umgebenden Ladungsverteilung kann der Ladungszustand des Doppelquantenpunkts durch Analyse der Stromänderungen des Sensors QD/QPC ausgelesen werden. Mit einem SE-STM kann die vollständige Zählstatistik von Tunnelelektronen bis hinunter zur Atomlängenskala analysiert werden. Elektrostatische Simulationen wurden durchgeführt, um das Floating-Gate Design zu optimieren. Die Simulation zeigt, dass das Si-Backgate und die Finger-Gates neben dem Floating-Gate die größten Faktoren sind, die zur Querkapazitivität des Floating-Gates beitragen, da sie $\approx 50$ % zur gesamten Floating-Gate-Kapazität beitragen. Die Verwendung des natürlichen Oxids des Nanodrahtes entkoppelt das Floating-Gate von den relevantesten Kreuzkapazitäten und verbessert so die Ladungskopplung der Quantenpunkte. Um das Design in der Praxis zu verifizieren, wurden Tieftemperatur-Transportmessungen durchgeführt. Die Proben wurden durch die neuartige Kombination zweier Methoden erstellt. Die Nanodrähte wurden unter einem Lichtmikroskop mit einer In-Spitze platziert und dann auf die vorbereitete Finger-Gate-Struktur gestempelt, was zu einer Platzierungsgenauigkeit von $\approx1$ µm führte, selbst bei Verwendung sehr langer $\approx 20$ µm stielloser InSb-Nanodrähte. Mehrere Gate kontrollierbare Quantenpunkte in einem InSb-Nanodraht mit Ladungsenergien $E_\mathrm{C}=2\text{--}3$ meV wurden in 300 mK-Transportstudien analysiert. Das Ladungsstabilitätsdiagramm zeigt angeregte Zustände mit einer Energie von $\Delta=0.6\text{--}1.1$ meV. Zusätzlich wurde ein intrinsischer parasitärer Quantenpunkt in einem InSb-Nanodraht in $T=300$ mK Magnetotransportmessungen analysiert. Dieser ist mit dem Haupt Quantenpunkt gekoppelt. Das resultierende Muster ist qualitativ ähnlich zu dem Messergebnis von 2e zu e Übergängen, die in supraleiterinduzierten InSb-Nanodrähten beobachtet wurden. Der parasitäre Quantenpunkt befindet sich wahrscheinlich in einer Sackgassenkonfiguration mit dem Hauptpunkt. Die Größe des parasitären Quantenpunktes wird auf $\approx 30$ nm geschätzt. Durch die Verwendung von exfoliertem h-BN als Fingergatedielektrikum ist das Potentialfluktuationsrauschen $\sqrt{S_\mathrm{pot}(1\,\mathrm{Hz})}=1$ µeV$/\mathrm{\sqrt{Hz}}$ bei $T=300$ mK in InSb-Nanodraht-Quantenpunkten konkurrenzfähig zu den aktuellen Quantenpunkt-Spin-Qubit-Materialien, $\sqrt{S_\mathrm{pot}(1\,\mathrm{Hz})}=1\text{--}5$ µeV$/\mathrm{\sqrt{Hz}}$ bei $T=300$ mK. Die Nanodraht-Gate-Hysterese wird durch exfoliertes h-BN verbessert. Die Probe zeigt eine $\Delta V_\mathrm{hyst}\approx 2$ mV mit einer Sweeprate von 25 mV/s. Das Verhältnis von Gate-Hysterese zum Gate-Spannungsbereich wurde im Vergleich zu InAs oder InSb Nanodrähten auf anderen Gate-Dielektrika um eine Größenordnung verbessert. Ein SE-STM, das alle in dieser Arbeit berichteten Entdeckungen nutzt, sollte in der Lage sein, einzelne Elektronen mit einer Zeitauflösung von 50 kHz zu zählen und auch als STM zu fungieren.

This thesis presents key achievements needed to realize a single electron scanning tunneling microscope (SE-STM). A SE-STM combines the spatial resolution of a STM and the statistical information gained by counting single electrons. The design of the charge detector features two gate- controlled nanowire quantum dots (QD) in series. A third nanowire quantum dot or nanowire quantum point contact (QPC) acts as the sensor QD/QPC. The sensor QD/QPC is coupled to the double quantum dot by a floating gate. As soon as electrons tunnel through the double quantum dot, charges on the floating gate are set in motion. Due to the sensitivity of the QD/QPC current to the surrounding charge distribution, the charge state of the double quantum dot can be read out by analyzing the current changes of the sensor QD/QPC. With a SE-STM the full counting statistics of tunneling electrons can be analyzed down to the atomic length scale. Electrostatic simulations were carried out to optimize the floating gate design. The simulation reveals that the Si backgate and the finger gates adjacent to the floating gate are the biggest contributing factors to the cross capacitance of the floating gate, as they contribute $\approx 50$ % to the total floating gate capacitance. The usage of the nanowire's natural oxide decouples the floating gate from the most relevant cross- capacitances and thus improves the charge coupling of the quantum dots. In order to verify the design in practice, low temperature transport measurements were carried out. Samples were fabricated by the novel combination of two fabrication methods. The nanowires were placed under an optical microscope with an In tip and then stamped onto the prepared finger gate structure, resulting in a placement precision of $\approx1$ µm even when using very long $\approx 20$ µm stemless InSb nanowires. Multiple gate controllable quantum dots in an InSb nanowire, with charging energies $E_\mathrm{C}=2\text{--}3$ meV were analyzed in 300 mK transport studies. The charge stability diagram reveals excited states with an energy of $\Delta=0.6\text{--}1.1$ meV. Magnetic field measurements reveal an intrinsic parasitic quantum dot in an InSb nanowire coupled to the main quantum dot. The resulting pattern looks qualitatively similar to the measurement result of 2e to e transitions observed in superconductor induced InSb nanowires. The parasitic quantum dot is likely in a dead end configuration with the main dot. The size of the parasitic dot is estimated at $\approx 30 $nm. Employing exfoliated h-BN as the finger gate dielectric, the potential fluctuation noise of $\sqrt{S_\mathrm{pot}(1\,\mathrm{Hz})}=1$ µeV$/\mathrm{\sqrt{Hz}}$ at $T=300$ mK in InSb nanowire quantum dots is competitive to the current state of the art quantum dot spin qubit materials which have a potential fluctuation noise of $\sqrt{S_\mathrm{pot}(1\,\mathrm{Hz})}=1\text{--}5$ µeV$/\mathrm{\sqrt{Hz}}$ at $T=300$ mK. The nanowire gate hysteresis is improved by exfoliated h-BN. The sample reveals a $\Delta V_\mathrm{hyst}\approx 2$ mV with a sweep rate of 25 mV/s. The ratio of gate hysteresis to the gate voltage range was improved by one order of magnitude in comparison to InAs or InSb nanowires on other gate dielectrics. A SE-STM utilizing all the discoveries reported in this thesis, should be able to count single electrons with a 50 kHz time resolution and also function as a STM.

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