Electron Transport in Nanowire Quantum Devices

Abstract

This thesis focuses on electron transport in semiconductor InAs/InP and InSb nanowire quantum devices. However, first the temperature dependence of classical charge transport in InSb nanowire field-effect transistors, FETs, is characterized, using InAs nanowire FETs as a reference. We find that the InSb FETs, in the same way as InAs FETs, are n-type with good current saturation and low voltage operation. The off-current for the InSb FET shows a strong temperature dependence, which we attribute to a lowering of the barrier due to an increased band-to-band tunneling in the drain part of the channel.

Next, we demonstrate multiple tunnel junction, MTJ, memories, fabricated from InAs/InP heterostructure nanowires. Two types of devices were considered. We demonstrate storage of single electrons at a temperature of 4.2 K, using a second InAs/InP heterostructure nanowire single-electron transistor as a detector. We also present temperature dependence and write-speed measurements on a many-electron MTJ nanowire memory, using a lithographically defined storage node and a nanowire FET detector. The MTJ memory operates at temperatures up to around 150 K and has write-times down to at least 15 ns.

The main part of the thesis concerns low temperature electron transport in InSb nanowire devices. We report on magnetotransport measurements in InSb quantum dots. Here, we show that the quantum levels of InSb quantum dots have giant, level-dependent g factors, with absolute values up to ≈ 70, the largest value ever reported for semiconductor quantum dots. The presence of giant g factors indicates that considerable contributions from the orbital motion of electrons are preserved in the measured InSb nanowire quantum dots, while the level-to-level fluctuations arise from spin-orbit interaction. We have deduced a value of Δso = 280 μeV for the strength of spin-orbit interaction from an avoided level crossing between the ground state and first excited state of an InSb nanowire quantum dot with a fixed number of electrons. We also demonstrate InSb quantum dots, with a strong coupling between localized electrons inside the quantum dots, and non-localized electrons in the metal leads. Here, we report on the spin-1/2 as well as the even electron-number Kondo effect. We report specifically on the effect of spin-orbit coupling on even electron-number Kondo effect. Using the even electron-number Kondo effect or the onset of inelastic cotunneling, we characterize the spin-orbit strength in a full magnetotransport spectrum of over 30 level crossings. In this spectrum we also measure the quantum level g factors and the quantum level spacing and relate this to the measured spin-orbit coupling strengths. In addition, due to the strongly level dependent g factors, we are able to characterize a degeneracy of two quantum levels of equal spin, in the strong coupling regime. Here, we find a strong suppression of the cotunneling background at the level degeneracy. This we attribute to destructive interference of two spin-correlated conduction paths.

We also demonstrate measurements on a hybrid Ti/Al-InSb-Ti/Al, superconductor-semiconductor-superconductor nanowire device. Here, we demonstrate a conductance fluctuation-dependent, induced supercurrent through the InSb nanowire, at temperatures below ≈ 400 mK, with a critical current up to 7 nA. We report on multiple Andreev reflections between the two superconductor-semiconductor interfaces. We investigate the magnetic and temperature-dependent properties of both the induced supercurrent as well as the multiple Andreev reflections.

Finally, we demonstrate a radio-frequency, single-electron transistor, RF-SET, fabricated from suspended InAs/InP double-barrier heterostructure nanowires. The charge sensitivity was measured to be 2.5 μerms/√Hz at T = 4.2 K, which is similar to the best values reported for conventional Al/AlOx RF-SETs. At low frequencies this device showed a typical 1/f noise behavior, with a level extrapolated to 300 μerms/√Hz at 10 Hz.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I den här avhandlingen studeras de elektriska egenskaperna hos nanotrådar av halvledarmaterial. En halvledare är ett mellanting av en ledare och en isolator, där den elektriska ledningsförmågan kan styras både genom att förorena materialet med andra ämnen och genom att påverka materialet med ett elektriskt fält. I princip all modern elektronik bygger på komponenter av halvledare, där dessa egenskaper utnyttjas. Den snabba utveckling av elektronisk utrustning, till exempel datorer, som skett under det senaste tiotalet år bygger på möjligheten att minska storleken på dess halvledarkomponenter. Samtidigt vet man att det finns en gräns där storleken blir så liten att de elektriska egenskaperna hos komponenten börjar ändras. Nanotrådar har en diameter som är mindre än 100 nanometer, vilket är en tiotusendel av en millimeter, och en längd i storleksordningen en mikrometer, vilket är en tusendels millimeter. Det har visat sig vara möjligt att tillverka nanotrådar av många olika halvledarmaterial, på en bas av billig kiselkristall. På så sätt är det möjligt att tillverka små halvledarkomponenter av bättre men dyrare material ovanpå ett billigt material. Vi har undersökt nanotrådar av indiumantimonid, vilket är ett av de bästa halvledarmaterialen som finns att tillgå för att tillverka snabba komponenter.

På grund av nanotrådens ringa diameter kan inte elektronerna röra sig så

mycket i sidled, utan mest längs med nanotråden. Genom att begränsa elektronernas utrymme även i längsled i nanotråden, kan man tillverka mycket

små öar av halvledarmaterial. När dessa placeras i en elektrisk krets kommer

det faktum att en elektrisk ström består av enskilda elektroner att märkas. I

och med öarnas ringa storlek kan det gå åt så mycket energi att föra dit fler

elektroner att strömmen blockeras. Genom att påverka komponenten med ett

elektriskt fält kan man hitta tillstånd där ön har exakt en halv för mycket

eller för lite elektron i sig, och då kan elektronantalet skifta mellan två olika värden. Därmed kan strömmen åter flyta, en elektron åt gången. I avhandlingen har vi studerat hur man, med hjälp av nanotrådar av indiumarsenid,

kan tillverka snabba datorminnen som baseras på sådana komponenter.

När halvledaröarna görs riktigt små, börjar elektronernas så kallade vågegenskaper synas. Detta innebär att elektronerna på samma sätt som i en

atom, endast kan anta vissa specifika energier när de befinner sig på ön. Dessa

elektriska komponenter brukar kallas konstgjorda atomer eller kvantprickar,

där man då syftar på kvantiseringen av elektronens energi. Då man utsätter

en kvantprick för ett starkt magnetfält märker man varje elektronenergi delar

sig till två olika värden. Detta beror på att elektronerna i kvantpricken

har en extra egenskap, förutom den elektriska laddningen, nämligen spinn.

Denna egenskap kan anta två olika värden, spinn-upp eller spinn-ner, och

beroende på vilken av dessa två värden elektronen har påverkas den olika av

det magnetiska fältet. Just i halvledarmaterialet indiumantimonid påverkas

elektronerna väldigt mycket av magnetfältet. Vi har därför undersökt egenskaperna hos kvantprickar tillverkade av nanotrådar av indiumantimonid, och

bland annat mätt exakt hur mycket elektronerna påverkas av ett magnetiskt

fält.

I en kvantprick där elektronerna väldigt lätt kan ta sig till och från ön, är

det möjligt för en elektron att vistas en kort tid på ön utan att ha en energi

som passar in. Det gör att en liten ström kan flyta genom komponenten, trots att den borde vara blockerad. Beroende på vilket spinn elektronerna på ön har, kan sannolikheten för att en ström ska flyta vara annorlunda. Vi har undersökt dessa egenskaper hos kvantprickar tillverkade av indiumantimonid. Med hjälp av denna undersökning har vi även kunnat studera hur elektronens spinn påverkas av elektronens rörelse i kvantpricken.

När man kyler ner vissa metaller till låga temperaturer, kan de bli supraledande. Detta innebär att de leder ström utan något som helst motstånd.

Man vet sedan tidigare att när ett annat ämne befinner sig i närheten av en

supraledare, kan supraledningen spridas över till det andra materialet. I denna

avhandling har vi undersökt vad som händer när man gör två supraledande

kontakter till en nanotråd av indiumantimonid. Vi har funnit att supraledningen

kan spridas även till detta material. Vi har även undersökt hur en ström reflekteras mot ytan mellan indiumantimonid och ett supraledande material.

Oftast är elektronik baserad på kvantprickar väldigt långsam, men man vet sedan tidigare att det går att kombinera dessa komponenter med annan snabbare elektronik och på så sätt öka hastigheten. I denna avhandling har vi visat att det är möjligt att göra detta även med kvantprickar tillverkade av nanotrådar av indiumarsenid. På så sätt har vi lyckats mäta hur elektronerna i dessa beter sig vid höga elektriska frekvenser.

• author: Nilsson, Henrik
• supervisor: Lars Samuelson; Claes Thelander; Hongqi Xu
• opponent: Professor Goodnick, Stephen, Arizona State University
• organization: Solid State Physics; Nanometer structure consortium (nmC)-lup-obsolete (research group); NanoLund: Centre for Nanoscience
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Condensed Matter Physics
• keywords: Superconductivity, Spin-orbit coupling, the Kondo effect, the Zeeman effect, Quantum dots, Nanowire memories, Nanowire transistors, InSb, InAs, Nanowires, Electron transport, Andreev reflections, Nanowire RF-SET, Noise in nanowires
• defense location: Room B, Department of Physics, Sölvegatan 14, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2010-05-28 10:15:00
• ISBN: 978-91-628-8125-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: e96c8c41-be5b-44f3-9898-478ad9183c21 (old id 1599046)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:11:45
• date last changed: 2018-11-21 22:59:04