[論文レビュー] Individual charge traps in silicon nanowires: Measurements of location, spin and occupation number by Coulomb blockade spectroscopy

M. Hofheinz, X. Jehl+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2005

Quantum and electron transport phenomena参考文献 42被引用数 53

ひとこと要約

本研究では、シリコンナノワイヤー単電子トランジスタにおけるクーロン遮蔽分光法を用いて、ヒ素ドーパント状態としての個々の電荷トラップを特定・位置特定・特性評価する。磁場下におけるゲート電圧依存性の異常およびゼーマンシフトを分析することで、トラップの位置（ワイヤーの近傍／内部）、スピン状態（S = 1/2）、占有数を特定し、これらのドーパント状態が、CMOS準拠のシリコンデバイスにおけるスケーラブルな量子ビット応用に向けて、高精度でプローブ可能であることを示した。

ABSTRACT

We study anomalies in the Coulomb blockade spectrum of a quantum dot formed in a silicon nanowire. These anomalies are attributed to electrostatic interaction with charge traps in the device. A simple model reproduces these anomalies accurately and we show how the capacitance matrices of the traps can be obtained from the shape of the anomalies. From these capacitance matrices we deduce that the traps are located near or inside the wire. Based on the occurrence of the anomalies in wires with different doping levels we infer that most of the traps are arsenic dopant states. In some cases the anomalies are accompanied by a random telegraph signal which allows time resolved monitoring of the occupation of the trap. The spin of the trap states is determined via the Zeeman shift.

研究の動機と目的

• シリコンナノワイヤー内の個々の電荷トラップがクーロン遮蔽スペクトルに与える影響を特定・特性評価すること。
• 電気的測定を用いて、これらのトラップの物理的配置、スピン、占有数を特定すること。
• ランダムに分布するヒ素ドーパントを、CMOS準拠のシリコンデバイスにおけるスケーラブルな量子ビットとして使用可能かどうかを評価すること。
• スピンおよび電荷の読み出しに寄与するトラップダイナミクス（ランダムテレグラフノイズおよびゼーマンシフト）の役割を調査すること。

提案手法

• 低温下でのシリコンナノワイヤー単電子トランジスタにおけるクーロン遮蔽分光法を実施し、コンダクタンス振動の異常を検出する。
• 容量行列モデルを用いてスペクトル異常形状にフィットさせ、トラップ容量および局在化を抽出する。
• 時間分解型ランダムテレグラフノイズを用いて、個々のトラップの動的占有状態をモニタリングする。
• 磁場（最大16 T）下でのゼーマン効果測定を用いて、捕獲電子のスピン状態（S = 1/2）を特定する。
• 異常幅からトラップのゲート電圧レバーアームを抽出し、ゼーマンシフトのモデル化に用いる。
• 結合した量子ドット－トラップ系のマスター方程式に基づくシミュレーションを実験データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の電荷トラップは、シリコンナノワイヤー内の主要な量子ドットに対して、どこに位置しているか？
• RQ2 捕獲電子のスピン状態は何か？ また、ゼーマン効果を用いてどのようにプローブできるか？
• RQ3 トラップの占有数は時間経過とともにどのように変化するか？ また、時間分解でモニタリング可能か？
• RQ4 トラップの容量行列とその物理的配置との関係は何か？
• RQ5 シリコンナノワイヤー中のヒ素ドーパント状態は、スピンまたは電荷量子ビットとしてのスケーラブルな量子ビットとして利用可能か？

主な発見

• 電荷トラップは、ゲート酸化膜ではなく、シリコンナノワイヤーの近傍または内部に位置しており、容量行列解析および酸化膜に由来するトラップにゼーマンシフトが認められないことから確認された。
• トラップは主にヒ素ドーパント状態であると推定され、ドーピングレベルを変化させたサンプルにおける挙動から導かれた。
• トラップ状態のスピンは S = 1/2 であり、ゼーマン分裂が 0.5 mV/T で確認され、大多数のトラップで磁場下でゲート電圧が低くなるシフトを示した。
• トラップのゲート電圧レバーアームは αt = 0.026–0.043 と測定され、誘電率の低下および局在化長の短縮に伴い磁場に応じて増加した。
• ランダムテレグラフノイズにより、時間分解でのトラップ占有状態のモニタリングが可能であり、単一電子充電ダイナミクスが確認された。
• 観測されたゼーマンシフトは、単一占有状態と整合的である。ゲート電圧が高くなるシフトは稀であり、二重占有状態を示唆する可能性がある。