This thesis provides also a detailed stepwise guideline on the data analysis for scanning X-ray diffraction experiments at a modern synchrotron radiation source. / Halbleiterbasierte Spin-Qubits in elektrostatischen Quantenpunkten haben vor Kurzem
ein technologisches Niveau erreicht, welches lange Kohärenzzeiten und hohe Fidelitäten
ermöglicht. Diese Eigenschaften sind wichtig, um eine große Anzahl von Qubits zu
realisieren, welche durch adiabatische Ladungstransporte miteiander verbunden werden
sollen. Allerdings können lokale Fluktuationen der Gitterverspannung im aktiven
Material die Spinzustände stören, da sie das elektrostatische Potential beeinflussen.
Diese Arbeit untersucht die Gitterverspannung in funktionalen Loch-Spin-Qubits
und in Bauelementen für kohärenten Elektronentransport, welche auf epitaktischen
Ge/Si0.20Ge0.80 und Si/Si0.66Ge0.34 Heterostrukturen mit metallischen Elektroden basieren.
Die experimentelle Herausforderung besteht darin, zugleich eine hohe Sensitivität für
die Gitterdeformation und eine räumliche Auflösung auf der Nanometerskala zu erreichen.
Dies wird durch rasternde Röntgenbeugungsmikroskopie an der Strahllinie ID01/ESRF
ermöglicht, welche eine Abbildung des Verspannungstensors mit einer lateralen Auflösung
von ≤ 50 nm in bis zu 10 nm-dünnen epitaktischen Quantentöpfen ermöglicht.
Die Untersuchung von vier verschiedenen Quantenbauteilen zeigt Modulationen der
Gitterverspannung von 10−4 − 10−3 auf, welche durch die Elektroden und die plastische
Entspannung der Heterostruktur verursacht sind. Diese Modulationen werden in
räumliche Fluktuationen der Bandkantenniveaus von einer Größenordnung von mehreren
meV übersetzt, die damit ähnlich zu den Abständen der orbitalen Energieniveaus
der Quantenpunkte sind. Folglich stellt diese Arbeit wichtige Informationen für die
Realisierung eines skalierbaren Quantenprozessors durch eine Berücksichtigung der
lokalen Materialeigenschaften bereit / Semiconductor spin qubits featuring gate-defined electrostatic quantum dots have
recently reached a maturity level enabling long spin coherence times and high fidelity.
These characteristics are of paramount importance in the realization of large arrays of
qubits interconnected by adiabatic charge shuttling. However, spin coherence can be
strongly affected by local fluctuations of the lattice strain in the active material, since
they impact the electrostatic potential.
This work explores strain fluctuations in functional hole spin qubits and coherent
electron shuttling devices based on epitaxial Ge/Si0.20Ge0.80 and Si/Si0.66Ge0.34
heterostructures with metallic electrodes. The main experimental challenge is to
simultaneously achieve high sensitivity to the lattice deformation together with nanoscale
spatial resolution. These requirements are met by Scanning X-ray Diffraction Microscopy
at the synchotron beamline ID01/ESRF, which allows spatial mapping with ≤ 50 nm
lateral resolution of the strain tensor in quantum well layers as thin as 10 nm.
The analysis of four different devices highlights local modulations of the strain tensor
components in the range of 10−4 − 10−3 induced by the gate electrodes and the plastic
relaxation of the heterostructure. By means of band perturbation calculations, these
strain fluctuations are translated into spatial modulations of the band edge energy levels.
These perturbations are found to be of a few meV and thus on a similar magnitude as the
orbital energy of the quantum dots. As such, this work provides important information
for the realization of a scalable quantum processor with coherent interconnects by
considering local material properties.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/29264 |
| Date | 08 May 2024 |
| Creators | Corley-Wiciak, Cedric |
| Contributors | Schroeder, Thomas, Wenger, Christian, Helm, Manfred |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | (CC BY-NC-SA 4.0) Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International, https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ |
| Relation | 10.1103/PhysRevApplied.20.024056, 10.1021/acsami.2c17395 |
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