Nichtlineare Magnetotransportuntersuchungen an elektrostatisch eingeschnürten Kanälen in Silizium-MOSFETs

Abstract

Im Rahmen eines auf Silizium basierenden Quanten Computers, der Spinzustände nutzt, bietet der Quanten Hall Effekt eine Möglichkeit spinpolarisierte Elektronen in individuellen Randzuständen bei kleinen Füllfaktoren durch Transportmessungen zu untersuchen. Diese Messungen könnten mit einem Bauelement durchgeführt werden, das aus zwei Quantenpunktkontakten besteht. Um dieses Konzept in Silizium verwirklichen zu können, muss ein einzelner Quantenpunktkontakt in Silizium realisierbar sein. Daher wurde in dieser Arbeit zunächst ein Prozess entwickelt, mit dem ein zweidimensionales Elektronengas in der Inversionsschicht eines MOSFETs erzeugt werden kann. Die elektrische Charakterisierung dieser Hallbar-Bauelemente fand in einem He-Kryostat bei 1,5 Kelvin und Magnetfeldern von bis zu 8 Tesla statt. Messungen von Shubnikov-de Haas-Oszillationen und Stufen in der Hall-Spannung (Quanten-Hall-Effekt) zeigen, dass ein zweidimensionales Elektronengas realisierbar ist und der Zugang zu spinpolarisierten Elektronen besteht, da eine Spinaufspaltung des ersten Landau-Niveaus beobachtbar war. Spinaufspaltung konnte auch an Bauelementen ohne Feldoxid beobachtet werden, wodurch die Zahl an nötigen optischen Maskenebenen bei Splitgate-Bauelementen auf vier begrenzt werden konnte. Splitgates aus Chrom wurde mittels Elektronenstrahllithographie und nachfolgendem Lift-off in die Bauelemente integriert. Um den Gesamtprozess einfach zu halten, war eine Vertauschung von Oxidationsschritt und Dotierschritt und zusätzlicher Parameteranpassung (Temperatur, Dauer) notwendig. Shubnikov-de Haas- und Quanten-Hall-Messungen an diesen Splitgate-Bauelementen zeigen ebenfalls Spinaufspaltung. Der differentielle Leitwert G des mit den Splitgates definierten Kanals zeigt beim Öffnen bzw. Schließen des Kanals im Bereich G<e2/h Peaks, die als Längenresonanzen, welche durch Reflexion am Anfang und am Ende des Kanals hervorgerufen werden, interpretiert werden. Im Bereich G>e2/h findet man bei allen Splitgate-Bauelementen Schultern im Kurvenverlauf, die bei allen Magnetfeldern bei der gleichen Splitgate-Spannung auftreten. Eine Verschiebung von Stufen im Leitwert hin zu positiveren Splitgate-Spannungen bei zunehmender Stärke des Magnetfelds wäre für einen ballistischen Quantenpunktkontakt erwartet worden. Der Transport im Kanal ist folglich diffusiver Natur. Einflüsse von Störstellen auf den Transport zeigen sich durch die Beobachtung von Random Telegraph Rauschen, spontanen Verschiebungen der Leitwertkennlinien und bei Verschiebungen des Kanals, wenn zwischen den Elektroden des Splitgates ein konstanter Spannungsunterschied beim Schließen vorhanden ist. Peaks, die auf Grund ihrer Form auf resonantes Tunneln über eine Störstelle im Kanal hin- deuten, wurden ebenfalls identifiziert. Um die mittlere freie Weglange der Elektronen zu erhöhen, wurden Transportmessungen in einem 3He/4He-Entmischungskryostaten bei einer Basistemperatur von 100mK durchgeführt. Dabei wurde eine Stufe in der Leitwertkurve beobachtet, die die oben beschriebene Magnetfeldabhängigkeit für Leitwertstufen eines Quantenpunktkontaktes zeigt. Nach Berücksichtigung eines plausiblen Spannungsabfalls über dem zweidimensionalen Elektronengas kann der Leitwert der Stufe auf 4e²/h oder 8 e2/h korrigiert werden. Dies ist bis jetzt der stärkste Hinweis auf ballistischen Transport in einem elektrostatisch in der Inversionsschicht eines Silizium-MOSFETs erzeugten Quantenpunktkontakt.

In the context of a silicon based quantum computer which uses spin states the quantum Hall effect offers an opportunity to study spin-polarized electrons in individual edge states at low filling factors by transport measurements. These measurements could be carried out with a device which consists of two quantum point contacts. To be able to realize this concept in silicon one single quantum point contact has to be implemented. Therefore in a first step a process was developed in this work to be able to generate a two dimensional electron gas in the inversion layer of a MOSFET. The electrical characterization of these Hall bar devices was carried out in a He-Cryostat at 1.5 Kelvin a magnetic fields of up to 8 Tesla. Measurements of Shubnikov-de Haas oscillations and steps in the hall voltage (quantum Hall effect) show that a two dimensional electron gas is able to be realized and spin polarized electrons are accessible as a spin splitting of the first Landau level was observable. Spin splitting could also be observed at devices without field oxide whereby the number of necessary optical mask layers at split gate devices could be reduced to four. Split gates of chromium were integrated into the devices by means of electron beam lithography and subsequent lift off. To keep the complete process simple the exchange of the oxidation and doping step and additional parameter adjustment (temperature, duration) was necessary. Shubnikov-de Haas and quantum Hall measurements at these split gate devices show spin splitting as well. The differential conductance G of the channel defined by the split gates shows in the range of G<2e²/h peaks when the channel is opened or closed. These peaks are interpreted by length resonances which are caused by reflecting at the beginning and the end of channel. In the range G>e²/h all split gate devices show shoulders in the curve which appear at all magnetic fields at the same split gate voltage. A shifting of steps in the conductance to more positive split gate voltages with increasing magnetic field is expected for a ballistic quantum point contact. The nature of the transport in the channel is therefore diffusive. Influences by impurities on the transport arise by the observation of random telegraph noise, sudden shifts of the conductance curve and by shifts of the channel if a constant voltage difference is applied to the electrodes of the split gate while closing. Peaks which indicate due to their shape a resonant tunnelling via an impurity in the channel were identified as well. To increase the mean free path of the electrons transport measurements were carried out in a 3He/4He dilution refrigerator at a baste temperature of 100mK. Thereby a step in the conductance curve was observed which showed the above described dependence on the magnetic field for conductance steps of a quantum point contact. After considering a reasonable voltage drop over the two dimensional electron gas, the conductance of the step can be corrected to 4e²/h or 8e²/h. This is up to now the strongest indication for ballistic transport in a quantum point contact which is electrostatic defined in inversion layer of a silicon MOSFET.