Electrostatic exciton trap in a thin semiconductor membrane for optical coupling to a GaAs spin qubit

Descamps, Thomas Daniel Marian; Bluhm, Jörg (Thesis advisor); Dunin-Borkowska, Beata Ewa (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Die Kopplung von stationären Materie-Qubits mit fliegenden photonischen Qubits ist von großem Interesse im Bereich des Quantencomputing und der Quantenkommunikationstechnologie, da sie eine notwendige Voraussetzung für die Entwicklung eines verteilten Quantencomputers sowie eines Quantennetzwerks ist. Ausgehend von einem Spin-basierten stationären Qubit wäre ein Galliumarsenid (GaAs) Spin-Qubit in Gate-defined quantum dots (GDQD) ein vielversprechender Kandidat für eine Spin-Photonen-Schnittstelle, da die direkte Bandlücke von GaAs eine Wechselwirkung mit Licht ermöglicht. Da der Einschluss in GDQD jedoch auf elektrostatischen Potenzialen beruht, können entweder Löcher oder Elektronen eingeschlossen werden, nicht aber beide gemeinsam. Da ferner der Spin des Photoelektrons nach der Photonenabsorption mit dem Spin des Photolochs verschränkt ist, würde der Verlust des letzteren zur Dekohärenz des ersteren führen. Um einen kohärenten Informationstransfer zwischen dem Spin-Qubit und dem photonischen Qubit zu ermöglichen, besteht eine Lösung darin, die konventionelle Heterostruktur und Gatterarchitektur zu modifizieren und eine Exzitonenfalle als Zwischenglied einzubetten. In dieser Arbeit implementieren wir die Exzitonenfalle, indem wir einen Quantentopf (QW) in die Heterostruktur einbauen und zwei lokale Metallgatter auf beiden Seiten der Heterostruktur vertikal ausrichten. Der QW sorgt für den Einschluss entlang der Wachstumsrichtung, während ein elektrisches Feld, das zwischen den gegenüberliegenden Metallgattern angelegt wird, das Exziton durch den quantum-confined Stark effect in der Ebene einschließt. Die Strukturierung dieser Gates auf den beiden Seiten der 220 nm dicken Heterostruktur ist ein anspruchsvoller Fabrikationsprozess, da das Substrat entfernt werden muss. Zur Charakterisierung der Bauelemente wurde ein Mischkryostat technisch so angepasst, dass darin Spin-Qubit- und Photolumineszenzmessungen bei Millikelvin-Temperaturen möglich sind. Als erster Ansatz zur Akkumulation des zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) in den QW, das zur Bildung von GDQD benötigt wird, wurde eine doppelseitige Dotierung der Barrieren in Betracht gezogen. Um die Oberflächenladungen auf der geätzten Oberfläche nach dem Entfernen des Substrats zu kompensieren und das 2DEG in der Mitte der QW zu halten, wurden die Dotierstoffe symmetrisch in die Barrieren eingebracht. Hall-Messungen zeigten, dass ein Elektronengas mit hoher Mobilität (über 1e6 cm2/(Vs)) auch auf einer verdünnten Heterostruktur erhalten werden kann. Es können auch Quantenpunktkontakte und einzelne GDQD gebildet werden. Die dünne dotierte Heterostruktur zeigte die Photolumineszenz, die man von einem QW erwartet, das mit Elektronen gefüllt ist, die das unterste Unterband des 2DEG besetzen. Die Bildung einer Exzitonenfalle durch den quantum-confined Stark effect mit oberen und unteren lokalen Gattern ist ebenfalls möglich, sofern das 2DEG unterhalb der Gatter dezimiert ist. Obwohl die dotierte Heterostruktur die grundlegenden Voraussetzungen für die Realisierung der oben erwähnten Spin-Photonen-Schnittstelle zeigte, führten die unerwünschten optischen Anregungen der DX-Zentren zusammen mit der schlechten Materialqualität auf die Entwicklung eines zweiten Ansatzes, der aufdotierungsfreien Heterostrukturen basiert. Auf undotierten Heterostrukturen wurden zunächst die Photolumineszenzeigenschaften von Exzitonenfallen mit einem global gewachsenen Back-gate untersucht, um bereits bekannte Verhaltensweisen zu reproduzieren. Auf dieser Grundlage wurden die ungewöhnlichen Exzitonenfallen charakterisiert, die aus lokalen Metallgattern bestehen, die vertikal auf der Ober- und Unterseite des Wafers ausgerichtet sind. Bei einigen Proben lag das Verhalten nahe an den Erwartungen, andere zeigten jedoch erhebliche Abweichungen, die wahrscheinlich auf einen Photostrom oder eine unerwünschte Dissoziation von Exzitonen in der Falle zurückzuführen sind. Die erste Möglichkeit, ein 2DEG im QW zu akkumulieren, beruhte auf dem Feldeffekt, der durch ein globales Back-gate unterhalb des Kanals und der Ohm’schen Kontakte erzeugt wird. Hall-Messungen wurden an Heterostrukturen mit und ohne GaAs-Substrat durchgeführt, um die akkumulierten 2DEG zu charakterisieren, die eine Mobilität von über 1e5 cm2/(Vs) aufwiesen. Die starke Variabilität in der Qualität der ohmschen Kontakte, die zu der dicken Barriere zwischen dem Kanal und dem Back-gate hinzukommt, führte zu einer zweiten Option. Basierend auf dem Feldeffekt, der durch ein Top-gate und die lokale Modulationsdotierung unter den Ohm’schen Kontakten erzeugt wird, zeigten vorläufige Ergebnisse auf dem Substrat ebenfalls eine 2DEG-Mobilität von über 1e5 cm2/(Vs), aber der Mangel an Reproduzierbarkeit sowie die Observation unerwünschter Leckström, legen nahe, dass weitere Entwicklungen erforderlich sind.

Einrichtungen

• Fachgruppe Physik [130000]
• Lehrstuhl für Experimentalphysik und II. Physikalisches Institut [132210]