[논문 리뷰] Individual charge traps in silicon nanowires: Measurements of location, spin and occupation number by Coulomb blockade spectroscopy

M. Hofheinz, X. Jehl외 4명|arXiv (Cornell University)|2005. 04. 13.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 42인용 수 53

한 줄 요약

이 연구는 실리콘 나노와이어 단일 전자 트랜지스터에서 쿨롱 차폐 스펙트로스코피를 사용하여 인돌 도핑 상태로 개별 전하 트랩을 특정하고 위치를 파악하며 특성화한다. 자석장 하에서의 게이트 전압 의존성 이상 현상과 증발 효과를 분석함으로써 저자들은 트랩의 위치(와이어 근처/내부), 스핀 상태(S = 1/2), 그리고 점유 수를 결정하였으며, 이러한 도핑 상태가 CMOS 호환 실리콘 장치에서 확장 가능한 양자 비트 응용을 위해 고정밀도로 탐지될 수 있음을 보여주었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 나노와이어 내에서 쿨롱 차폐 스펙트럼을 방해하는 개별 전하 트랩을 특정하고 특성화하는 것.
• 전기적 측정을 통해 이러한 트랩의 물리적 위치, 스핀, 점유 수를 결정하는 것.
• 랜덤하게 분포된 인 도핑 상태가 CMOS 호환 실리콘 장치에서 확장 가능한 양자 비트로 사용될 수 있는지 평가하는 것.
• 스핀 및 전하 읽기의 관점에서 트랩 동역학(예: 랜덤 텔레그래프 노이즈 및 증발 효과)의 역할을 조사하는 것.

제안 방법

• 저온에서 실리콘 나노와이어 단일 전자 트랜지스터에서 쿨롱 차폐 스펙트로스코피를 수행하여 도전성 진동에서의 이상 현상을 탐지한다.
• 스펙트럼 이상 현상의 형태를 맞추기 위해 용량 매트릭스 모델을 사용하여 트랩 용량과 국소화 정도를 추출한다.
• 시간 해상도를 가진 랜덤 텔레그래프 노이즈를 사용하여 개별 트랩의 동적 점유 상태를 모니터링한다.
• 자기장(최대 16 T) 하에서의 증발 효과 측정을 통해 트랩 전자의 스핀 상태(S = 1/2)를 결정한다.
• 이상 현상의 너비에서 트랩의 게이트 전압 레버 암을 추출하여 증발 효과 이격을 모델링한다.
• 결합된 양자 점-트랩 시스템에 대한 마스터 방정식 기반 시뮬레이션을 실험 데이터와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 나노와이어의 주요 양자 점과 비교해 개별 전하 트랩은 어디에 위치해 있는가?
• RQ2 트랩 전자의 스핀 상태는 무엇이며, 증발 효과를 통해 어떻게 탐지할 수 있는가?
• RQ3 트랩의 점유 수는 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가? 동적으로 모니터링할 수 있는가?
• RQ4 트랩의 용량 매트릭스와 그 물리적 위치 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ5 실리콘 나노와이어 내 인 도핑 상태는 스핀 또는 전하 큐비트로 확장 가능한 양자 비트로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 트랩은 게이트 산화막이 아닌 실리콘 나노와이어 근처 또는 내부에 위치해 있으며, 용량 매트릭스 분석과 산화막 기반 트랩에서의 증발 이격 없음으로 확인되었다.
• 트랩은 주로 인 도핑 상태이며, 다양한 도핑 농도를 가진 샘플에서의 행동으로부터 유추되었다.
• 트랩 상태의 스핀은 S = 1/2이며, 증발 분리 0.5 mV/T로 확인되었으며, 대부분의 트랩이 자기장 하에서 더 낮은 게이트 전압으로 이격되는 것으로 나타났다.
• 트랩의 게이트 전압 레버 암은 αt = 0.026–0.043로 측정되었으며, 유전율 감소와 국소화 길이 증가로 인해 자기장 증가에 따라 증가한다.
• 랜덤 텔레그래프 노이즈를 통해 트랩 점유 상태의 시간 해상도 모니터링이 가능하여 단일 전자 충전 역학이 확인되었다.
• 관측된 증발 이격은 단일 점유 트랩과 일치하며, 더 높은 게이트 전압으로의 이격은 드물게 나타나며 이는 이중 점유 상태일 가능성을 시사한다.