Development of spin-qubit devices based on ZnSe/ZnMgSe heterostructures

Khamphasithivong, Felix; Bluhm, Jörg; Pawlis, Alexander

doi:HT030925897

Development of spin-qubit devices based on ZnSe/ZnMgSe heterostructures

Khamphasithivong, Felix^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Felix Khamphasithivong

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Bluhm, Jörg (Thesis advisor)^RWTH* ; Pawlis, Alexander (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-12284
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/999706/files/999706.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)337456818 - Entwicklung von Spin-Qubit Bauelementen aus ZnSe/(Zn,Mg)Se Quantenstrukturen (337456818) (337456818)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Molekularstrahlepitaxie (frei) ; Ohmsche Kontakte (frei) ; Schattenmaskenepitaxy (frei) ; ZnSe (frei) ; molecular-beam-epitaxy (frei) ; ohmic contacts (frei) ; shadow wall epitaxy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Elektrostatisch definierte Quantenpunkte (EDQD) sind eine vielversprechende Plattform für eine erfolgreiche Umsetzung des universellen Quantencomputers mit Millionen von Qubits. Nachdem in isotopisch gereinigten Si-Quantentöpfen (QWs) eine Gattertreue von einem und zwei Qubits oberhalb der Genauigkeitsgrenze von Quantenfehlerkorrektur nachgewiesen wurde, bleibt die Erhöhung der Qubitanzahl eine große Herausforderung [1, 2]. Ein Aspekt ist die Kopplung entfernter Qubits sowie die Realisierung einer effizienten Spin-Photonen-Schnittstelle, die die Kopplung von Quantenprozessoren ermöglicht [3, 4]. Um die potenzielle Verbesserung von ZnSe gegenüber Si als Ausgangsmaterial für EDQD-Anwendungen zu untersuchen, wird in dieser Arbeit ZnSe aufgrund von sechs vielversprechenden Materialeigenschaften untersucht: Isotopenreines ZnSe ist frei von Kernspins, erlaubt kohärente Spin-Photon-Kopplung, kann defektfrei, ohne Schraubenversetzungen, gewachsen werden, es hat keine Täler und weist eine starke Spin-Bahn-Kopplung auf [5-8]. ZnSe ist jedoch eine unterentwickelte Materialplattform, der es an ohmschen Kontakten mit niedrigem Widerstand bei der Betriebstemperatur von Quantenanwendungen ($T\leq4 K$) mangelt. Um die elektrische Erforschung des Potenzials eines vorgeschlagenen EDQD in einer ZnSe/ZnMgSe-Heterostruktur zu ermöglichen, untersuche ich elektrische Kontakte einschließlich Dotierungs-, Oberflächenbehandlungs- und Metallisierungstechniken. Durch die Optimierung der Metall-Halbleiter-Grenzfläche konnte ich einen rekordverdächtig niedrigen Kontaktwiderstand ($\rho_{\text{c}}$ = 4E-5 $\Omega$cm² bei 4 K) für ohmsche Kontakte durch vollständige in-situ-Fertigung, einschließlich epitaktischer Dotierung, erzielen, die wir mit unseren Kooperationspartnern am Forschungszentrum Jülich durchgeführt haben [5]. Hinsichtlich der Skalierbarkeit modifizieren wir unseren Ansatz, um eine ZnSe-Schicht lokal zu kontaktieren ($\rho_{\text{c}}$ $\sim$ 1.4E-3 $\Omega$cm² bei 4 K), aber stellen fest, dass diese Technik aufgrund begrenzter Ätzgenauigkeit nicht mit einem ZnSe-QW kompatibel ist. Bei Hall-Bar-Bauelementen auf ZnSe/ZnMgSe-Heterostrukturen mit elektrischem Gatter zeigt die Beobachtung des Feldeffekts die grundlegende Funktionalität der Bauelemente bei 4 K. Da jedoch lokale ohmsche Kontakte fehlen, beeinträchtigen parasitäre Effekte, die vermutlich von der planaren Dotierung herrühren, wie Parallelleitung außerhalb der ZnSe-QW und Aufladung von Defekten, die Leistung der Bauelemente. Um Leistungseinschränkungen durch planare Dotierung zu vermeiden, entwickeln wir einen alternativen in-situ-Prozess, der gut geeignet ist, einen ZnSe QW lokal zu kontaktieren [9]. Basierend auf selektivem Epitaxiewachstum unter Verwendung einer Schattenmaske liefert unser Ansatz $\rho_{\text{c}}$ $\sim$ 2.5E-3 $\Omega$cm² bei 4 K, gezeigt für einen triangularen ZnSe QW. Die vorgestellte Technik ermöglicht die Erforschung vollelektrischer ZnSe-Quantenbauelemente bei niedrigen Temperaturen ($T\leq4 K$).[1] X. Xue et al., Quantum logic with spin qubitscrossing the surface code threshold, Nature 601, 343 (2022).[2] A. Noiri et al., Fast universal quantum gate above the fault-tolerance threshold insilicon, Nature 601, 338 (2022).[3] D. Awschalom et al., Development of quantum interconnects (QuICs)for next-generation information technologies, PRX Quantum2, 1 (2021).[4] K. Wu et al., Highly efficient spin qubit to photon interface assistedby a photonic crystal cavity, Physics and Simulation of Optoelectronic DevicesXXX, Vol. 11995 (SPIE, 2022).[5] J. Janßen et al., Low-temperature ohmic contacts to n-znse for all-electricalquantum devices, ACS Applied Electronic Materials 2, 898 (2020).[6] K. Sanaka et al., Entangling single photons from independently tuned semiconductor nanoemitters, Nano Letters 12, 4611 (2012).[7] A. Pawlis et al., MBE growth and optical properties of isotopically purified znse heterostructures,ACS Applied Electronic Materials 1, 44 (2019).[8] S. Ghosh et al., Internal magnetic field in thin znse epilayers, Applied Physics Letters89, 242116 (2006).[9] N. von den Driesch et al., Shadow wall epitaxy of compound semiconductors toward all insitu fabrication of quantum devices, ACS Applied Electronic Materials 6, 6246(2024).

Electrostatically defined quantum dots (EDQDs) are a promising platform for a successful implementation of universal quantum computing utilizing millions of qubits. After single and two qubit gate fidelities above the quantum error correction threshold were demonstrated in isotopically purified Si quantum wells (QWs), scaling up the qubit number remains a major challenge [1, 2]. One aspect is linking distant qubits, as well as realization of an efficient spin-photon interface that enables linking of quantum processors [3, 4]. To explore the potential improvement of ZnSe versus Si as host material for EDQD applications, this work investigates ZnSe motivated by six promising material properties: ZnSe is free of nuclear spins if isotopically purified, it provides a coherent spin-photon interface, it can be grown defect free, it has no threading dislocations, it has no valleys and it exhibits a strong spin-orbit coupling [5-8]. However, ZnSe is an underdeveloped material platform lacking Ohmic contacts with low resistivity at the operation temperature of quantum devices ($T\leq4 K$). To unlock the electrical exploration of the potential of a proposed EDQD in a ZnSe/ZnMgSe heterostructure, I investigate electrical contacts including doping, surface treatment and metallization techniques. By optimization of the metal-semiconductor interface, I report a record low contact resistivity ($\rho_{\text{c}}$ = 4E-5 $\Omega$cm² at 4 K) for Ohmic contacts by all in-situ fabrication including epitaxial doping, entirely conducted in-house with our collaboration partners at Forschungszentrum Jülich [5]. Regarding scaling, we modify our approach to locally contact a ZnSe channel ($\rho_{\text{c}}$ $\sim$ 1.4E-3 $\Omega$cm² at 4 K), but find this technique incompatible with a ZnSe QW, facing limits in etch precision. For gated Hall-bar devices on ZnSe/ZnMgSe heterostructures, observation of the field effect demonstrates basic device functionality at 4 K. However, lacking local Ohmic contacts, parasitic effects presumably originating from planar doping such as parallel conduction outside the ZnSe QW and recharging of defects compromises device performance. To avoid performance limitations originating from planar doping, we develop an alternative in-situ process well suited to locally contact a ZnSe QW [9]. Based on selective epitaxial growth utilizing a shadow mask, our approach yields $\rho_{\text{c}}$ $\sim$ 2.5E-3 $\Omega$cm² at 4 K, demonstrated for for a triangular ZnSe QW. The presented technique enables exploration of all-electrical ZnSe quantum devices at low temperature ($T\leq4 K$).[1] X. Xue et al., Quantum logic with spin qubitscrossing the surface code threshold, Nature 601, 343 (2022).[2] A. Noiri et al., Fast universal quantum gate above the fault-tolerance threshold insilicon, Nature 601, 338 (2022).[3] D. Awschalom et al., Development of quantum interconnects (QuICs)for next-generation information technologies, PRX Quantum2, 1 (2021).[4] K. Wu et al., Highly efficient spin qubit to photon interface assistedby a photonic crystal cavity, Physics and Simulation of Optoelectronic DevicesXXX, Vol. 11995 (SPIE, 2022).[5] J. Janßen et al., Low-temperature ohmic contacts to n-znse for all-electricalquantum devices, ACS Applied Electronic Materials 2, 898 (2020).[6] K. Sanaka et al., Entangling single photons from independently tuned semiconductor nanoemitters, Nano Letters 12, 4611 (2012).[7] A. Pawlis et al., MBE growth and optical properties of isotopically purified znse heterostructures,ACS Applied Electronic Materials 1, 44 (2019).[8] S. Ghosh et al., Internal magnetic field in thin znse epilayers, Applied Physics Letters89, 242116 (2006).[9] N. von den Driesch et al., Shadow wall epitaxy of compound semiconductors toward all insitu fabrication of quantum devices, ACS Applied Electronic Materials 6, 6246(2024).

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