Electron Transport in Quantum Dots Defined in Low-Dimensional Semiconductor Structures

Abstract

This thesis focuses on electron transport in single and double quantum dots defined in low-dimensional, narrow-band-gap III-V semiconductor materials. Fabrication schemes are presented for defining single and double quantum dots in lateral InGaAs/InP heterostructures, either by a combination of etching and local gating or solely by local top gating. The quantum dots are here electrostatically confined in at least one dimension. This allows for insitu control of the tunnel coupling of the quantum dots using gate voltages. Nanowire-defined quantum dots have also been studied. Here, the quantum dots are formed in an InSb nanowire segment through a metal electrode Schottky barrier.



Electron transport properties have been investigated in these systems at low temperatures and single-electron charging behavior consistent with both many- and few-electron single quantum dots was observed. Magneto-transport measurements of InGaAs defined many- and few-electron single quantum dots show level-dependent effective electron g-factors of ~ 2 - 4. For the InSb nanowire quantum dot, giant and level-depended g-factors of up to ~ 70 were observed. The level-to-level fluctuation in the g-factor is attributed to the presence of strong spin-orbit interaction in these systems. The magnitude of the spin-orbit interaction was investigated in an InSb nanowire quantum dot by finite bias magneto-spectroscopy. Spin-orbit mixing of a ground state and a first excited state with opposite spins induced an avoided level crossing in the quantum dot dominated by Zeeman energy. The avoided level crossing allowed a spin-orbit energy of ~ 280 μeV to be directly extracted. The spin filling sequence of a few-electron InGaAs single quantum dot was also investigated using ground state magneto-spectroscopy and parallel spin filling configurations were identified. From these configurations the lower bound of the exchange energy in the dot was estimated to be ~ 210 μeV.



Single quantum dots were also studied in the strong coupling regime where correlated electron transport processes become important. Here, co-tunneling, the spin-1/2 Kondo effect as well as an gate-induced splitting of the Kondo effect of a few-electron InGaAs quantum dot were investigated and the characteristic energy scales of the system were extracted. In addition, the degeneracy point of two quantum levels of equal spin was studied in the strong coupling regime of an InSb nanowire quantum dot. Strong suppression of the co-tunneling background current was observed at the level degeneracy. This current suppression is attributed to the destructive interference of two spin-correlated conduction paths.



Pauli spin blockade at the (3,5) → (2,6) charge state transition in an InGaAs defined double quantum dot was identified, where (N1,N2) refers to the number of electrons in dot 1 and dot 2, respectively. An integrated quantum point contact charge state read-out sensor was used to determine the exact charge state of the double quantum dot. Leakage current was observed through the spin blockade, caused by triplet-to-singlet relaxation. The main contribution to the mixing of the singlet and triplet states is attributed to the hyperfine interaction between the electron spin and nuclear spin in the material. An effective nuclear magnetic field of ~ 2.7 mT was determined from the magnetic field dependence of the leakage current for detuned energy levels.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I denna avhandling studeras ledningsförmågan hos nanometer-stora kvantprickar tillverkade i halvledarmaterial. Halvledare är material vars ledningsförmåga ligger någonstans mellan ledare (metaller) och isolatorer. I halvledare kan ledningsförmågan ändras med elektriska fält, vilket har möjliggjort utvecklandet av halvledartransistorn. Utvecklandet av halvledartransistorn har revolutionerat våra vardagliga liv eftersom den utgör den grundläggande byggstenen i elektroniska apparater som datorer, mobiltelefoner och digitala kameror. Det som har bidragit till den snabba utvecklingen av elektroniska komponenter är en ständigt pågående miniatyrisering av transistorns storlek. Denna miniatyrisering kan dock inte fortsätta eftersom det finns en gräns för hur små transistorer kan vara och samtidigt fungera som de gör idag. Gränsen nås då storleken på transistorn närmar sig våglängden på elektronerna i materialet. Elektronerna uppvisar då icke-klassiska, så kallade kvantmekaniska egenskaper som försämrar transistorns prestanda. Forskare försöker nu tillverka elektroniska nano-komponenter baserade på nya fysikaliska principer som utnyttjar de kvantmekaniska egenskaperna istället för att begränsas av dem. Kvantprickar är möjliga kandidater bland dessa nya nano-komponenter eftersom de uppvisar tydliga kvantmekaniska egenskaper och tillåter kontrollerad och flexibel manipulation med elektriska och magnetiska fält.



Flexibiliteten hos kvantprickar har lett till förslag att använda kvantprickar som komponenter i så kallade kvantdatorer. Tanken är att använda en elektrons spinn i en kvantprick som en grundläggande enhet, en kvant-bit, för att lagra information. Spinn är en kvantmekanisk egenskap som alla elementarpartikar besitter och kan sägas beskriva en partikels rörelsemängdsmoment. Kvantdatorer kan i teorin användas för att lösa vissa typer av problem väldigt mycket snabbare än dagens datorer.



Kvantprickarna som har studerats i denna avhandling har en storlek i nanometerskalan. En nanometer är en miljarddels meter, det vill säga 1/10^9 meter. Kvantprickar kan liknas vid nanometerstora öar som elektroner är begränsade att röra sig inom. På denna skala är de kvantmekaniska effekterna synliga och elektroner uppvisar både partikel- och vågegenskaper. Kvantprickar kan tillverkas på många olika sätt. I denna avhandling studeras kvantprickar som tillverkats i så kallade heterostrukturer eller nanotrådar bestående av halvledarmaterial. I dessa strukturer begränsas elektronernas rörelse i en respektive två riktningar. Med hjälp av elektriska fält kan de begränsas i alla riktningar. I våra mätningar har vi visat att vi kan skapa både enskilda kvantprickar samt två kvantprickar i följd. Storleken på de kvantprickar vi har skapat är cirka 100 nanometer i diameter.



Kvantprickar uppvisar många fysikaliska egenskaper som liknar egenskaperna hos atomer och brukar därför kallas artificiella atomer. Bland annat uppvisar kvantprickar ett diskret energispektrum där elektronerna som ockuperar kvantpricken bara kan anta vissa specifika energivärden. Dessa energivärden kan bestämmas genom att mäta ledningsförmågan genom kvantpricken. Strömmen genom kvantpricken är hög för de tillåtna energierna och låg för de förbjudna energierna. Genom att manipulera energinivåerna utifrån med elektriska och magnetiska fält kan diverse fysikaliska egenskaper, samt växelverkan mellan de elektroner som ockuperar kvantpricken, bestämmas genom att mäta ledningsförmågan på kvantpricken. Vi har lyckats bestämma dessa tillåtna energivärden i våra kvantprickar samt flera karakteristiska energier associerade med diverse fysikaliska egenskaper.



Även växelverkan mellan elektronerna på kvantpricken och omgivningen kan mätas. Vi har undersökt den elektrostatiska växelverkan mellan elektronerna på kvantpricken och en intilliggande ledare. På detta sätt har vi bestämt det exakta antalet elektroner som ockuperar kvantpricken. Vi har även lyckats mäta växelverkan mellan elektronerna på kvantpricken och de atomkärnor som utgör och omger kvantpricken, den så kallade hyperfinväxelverkan. Växelverkan med omgivningen har stor betydelse för kvantdatorn eftersom denna växelverkan frivilligt eller ofrivilligt kan påverka de tillstånd som kvantprickarna befinner sig i.

• author: Larsson, Marcus
• supervisor: Hongqi Xu
• opponent: Professor Ensslin, Klaus, ETH Zürich, Switzerland
• organization: Solid State Physics; NanoLund: Centre for Nanoscience
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Condensed Matter Physics
• defense location: Lecture Hall B, Department of Physics, Sölvegatan 14, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-10-28 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-172-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 60ed777a-9301-4616-9804-16aa4bffc071 (old id 2167825)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:46:11
• date last changed: 2018-11-21 22:48:00