Characterization of InAs-Al semiconductor-superconductor hybrid devices

Abstract

In this thesis we study charge and spin transport through InAs-Al nanowire superconductor-semiconductor hybrid devices. We focus on assessing the quality of the InAs-Al contact interface when using a weak HCl acid to wet-etch the nanowire surface prior to metal evaporation. The contact quality assessment is based on parameters extracted via electrical characterization performed mK temperatures in a dilution refrigerator. In order to successfully study transport through superconductor-semiconductor hybrids it is highly important to achieve a high-quality contact interface. With an ultimate goal of producing devices suitable for the study of hybridized sub-gap states in mind, we discuss the viability of using our proposed fabrication scheme in this context.

In hybrid devices there is superconductivity induced in the semiconductor via the proximity effect. The interplay between s-wave superconductivity from the superconductor and the unique properties of the semiconductor, e.g spin-orbit interaction, g*-factor, and tunable electron configuration via external gates, can give rise to exotic superconducting phenomena. Of particular relevance are Majorana bound states, which are candidates for the realization of stable qubits to be used in topological quantum computing. Experimental signatures of Majorana bound states have been reported in devices which are similar to devices presented in this thesis. This thesis attempts to further the understanding of quantum transport through, and in particular the magnetic field behavior of, proximitized nanowire quantum dots. Furthering this understanding proves beneficial when ultimately interpreting transport data in devices which are designed to hold Majorana bound states.

High-quality Al contacts on InAs nanowires have been manufactured and measured at mK temperatures. Supercurrents were measured in shunted Al-InAs-Al Josephson junction devices, and the critical magnetic field of the contacts was observed to depend on field direction. Excess currents were extracted in order to estimate the transparency of the contacts. Spectroscopy devices were manufactured study the density of states in a proximitized InAs segment in Al-InAs-Au nanowire-based devices, where a crystal-phase engineered band-offset has been incorporated in the semiconductor junction. These latter devices showed quantum dot behavior and a wide variation in coupling strength to the superconducting lead. We conclude the relative coupling strength primarily from observed degree of Yu-Shiba-Rusinov screening of dot spins, which determines the nature of our observed sub-gap states.

Popular Abstract (Swedish)

Olösliga problem blir lösbara med framtidens kvantdatorer! Under 1900-talet gjordes oerhörda framsteg i vår förståelse av kvantmekaniska fenomen, men för varje besvarad fråga väcks två nya. Många högaktuella frågor, och mål, gäller förverkligandet av kvantdatorn, där en av de främsta frågorna är: vilka kvantmekaniska fenomen ska utgöra grunden för kvantdatorns grundkomponent (en ’qubit’)? Alternativen är många, men en favorittippad kandidat är de exotiska tillstånd som kan uppstå när en halvledare kopplas direkt till en supraledare!

Idag görs beräkningar i en klassisk dator av hundratals miljarder(!) transistorer på ett litet chip, en dator på 1970-talet hade ungefär ett tusental transistorer på en motsvarande yta. Datorer blir snabbare och mer energieffektiva främst genom att göra transistorerna mindre och mindre. Beroende på om en transitor är "på" eller "av" läser vi ut "1" eller "0", en klassisk bit som utgör grunden för beräkningar i den klassiska datorn. Motsvarigheten i kvantdatorn, en qubit, består av en blandning av både "0" och "1". En analogi är att en klassisk bit antingen är svart eller vit, medans en ’qubit’ kan vara hela gråskalan, från svart till vitt. Att säga att en kvantdator är snabbare än än klassisk dator är, i en lika kryptisk anda, både rätt och fel. En klassisk dator är oerhört bra på att göra en sak, nämligen att skifta snabbt mellan "1" och "0" på många transistorer samtidigt. En sådan metod är överlägsen på många beräkningsproblem! En kvantdator vinner endast då den, för väldigt specifika problem, har möjligheten att göra nästintill oändligt många beräkningar samtidigt, vilket gör den överlägsen för vissa stora och beräkningstunga problem. Sådana problem finns i, och agerar farthinder för, många vetenskapliga fält, till exempel vid utveckligen av mediciner, simulering av proteinvikning, kvantsimuleringar, artificiell intelligens och kryptering.

I den klassiska datorn utgörs en ’bit’ av transistorer av halvledarmaterial. Vad som kan utgöra en ’qubit’ i en kvantdator är egentligen ganska flexibelt, och det finns många alternativ. Det principiella problemet som begränsar valmöjligheten är livstiden på kvanttillståndet som utgör ens ’qubits’, vilket i sin tur är avgörande för att bygga upp faktiska kretsar av ’qubits’. Interaktioner mellan ’qubits’ och oljud från omgivningen är förödande för kvanttillståndet. En kandidat är ’qubits’ grundade på exotiska partiklar, "Majorana kvasipartiklar", som kan uppstå när en halvledare är i kontakt med en supraledare. Dessa kvasipartiklar är förutspådda att vara extra toleranta mot oljud i omgivningen!

Det är däremot väldigt komplicerat att studera kvasipartiklarna, bland annat på grund av otillräcklig forskning om kvanttransport genom halvledare-supraledare-system, och då kanske primärt vid pålagda magnetfält. I sin tur kompliceras forskning på området av svåruppnådda krav vid tillverkningen, exempelvis extremt hög renhet och låg oxidering mellan halvledaren och supraledaren. Denna avhandlingen visar att en viss förenkling av tillverkningsprocessen är möjlig, och vi studerar elektriskt olika geometrier av supraledare och halvledare vid väldigt låga temperaturer. Den något förenklade tillverkningen till trots såg vi oerhört tydliga spektrallinjer från sub-tillstånd när en artificiell atom bakades in i halvledarkomponenten. Liknande sub-tillstånd är utmärkta exempel på vad man vill studera för att bättre förstå sig på kvanttransport genom halvledare-supraledare-system, så tydligheten i mätningarna var onekligen väldigt glädjande!

• author: Aspegren, Markus
• supervisor: Claes Thelander; Heidi Potts
• organization: Solid State Physics; Department of Physics
• course: FYSM30 20192
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: quantum dot, superconductivity, quantum transport, josephson junction, spectroscopy, yu-shiba-rusinov, hybrid devices, sub-gap states, quantum computer, majorana bound state, bogoliubov quasiparticle
• language: English
• id: 9030082
• date added to LUP: 2020-09-29 17:00:49
• date last changed: 2020-09-29 17:00:49