Transport in ultra-scaled Ge quantum dots embedded in Al-Ge-Al nanowire heterostructures

Abstract

Metall-Halbleiter-Metall Heterostrukturen sind für grundlegende Untersuchungen von niedrigdimensionalen Nanostrukturen und der Erforschung zukünftiger hochleistungsfähiger Nanoelektronik- und Quantenbauelemente attraktiv. Insbesondere bieten sie ein enormes Potenzial für eine Vielzahl von Schlüsselkomponenten von Quantencomputern wie beispielsweise SQUIDs, Oszillatoren, Mischern und Verstärkern. In diesem Zusammenhang nimmt Ge, durch die Kombination hoher Ladungsträgermobilitäten und ausgeprägterer Quanten-Confinement-Effekte, eine Sonderstellung für die Entwicklung neuartiger Quantenbauteile in der Post-Si-Ära ein. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass unter Verwendung einer thermisch induzierten Austauschreaktion zwischen einkristallinen Ge-Nanodrähten und Al-Kontakten, Al-Ge-Al Nanodraht-Heterostrukturen mit ultra-kurzen Ge-Segmenten und kristallinen quasi-1D Al-Zuleitungen, ohne lithografische Einschränkungen, hergestellt werden können. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie belegten dabei die perfekte Kristallinität aller Komponenten der Nanodraht-Heterostruktur. Durch die Integration ultrakurzer Ge Segmente als aktive Kanäle in elektrostatisch gesteuerten Feldeffekttransistoren wurde eine Plattform für die systematische Untersuchung elektrischer Transportmechanismen in ultra-skalierten Ge-Nanodrähten geschaffen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kurzkanalbauelementen verhindert die quasi-1D Metall-Halbleiter-Metall Architektur eine Abschirmung des elektrischen Feldes der Gate-Elektrode durch die Anschlusskontakte und ermöglicht somit eine perfekte elektrostatische Steuerung von ultra-skalierten Ge-Kanälen. Basierend auf diesen Strukturen wurden ballistische und quantenballistische Transportphänomene in Abhängigkeit der Kanallänge und dem Nanodrahtdurchmesser untersucht. Temperaturabhängige Messungen des spezifischen Widerstands und Gate-abhängige Leitfähigkeitsmessungen im Bereich zwischen 5K und 300K, haben einen quantisierten Stromtransport durch einzelne quasi-1D Subbänder nachgewiesen. Darüber hinaus, wurden die Transporteffekte im Temperaturbereich von 10K bis 2K untersucht. Hier war es möglich zu zeigen, dass ein kurzer Ge-Kanal die Charakteristik eines Single-Hole Transistors aufweist. Systematische Untersuchungen des Tunnelns einzelner Löcher ergaben ein Multi-Quantum-Dot System innerhalb des Ge-Segments, welches sich über die Gate-Spannung in ein Single-Quantum-Dot System überführen ließ. Des Weiteren, wurde das Temperaturregime von 1.5K bis 400mK untersucht, in dem ein ultra-skalierter Ge-Kanal, der an supraleitende Al-Zuleitungen gekoppelt ist, einem Josephson-Feldeffekttransistor entspricht. Hier konnte der experimentelle Nachweis für den Austauschs von Cooper-Paaren zwischen den supraleitenden Al-Kontakten durch den Gate-kontrollierbaren Ge-Kanal basierend auf dem supraleitenden Proximity-Effekt erbracht werden. Die Transportmessungen ergaben dabei einen einstellbaren kritischen Superstrom im Ge-Quantenpunkt bis zu ca. 20 nA.

Metal-semiconductor-metal heterostructures are attractive for both fundamental studies of low-dimensional nanostructures as well as for future high-performance low power dissipating nanoelectronic and quantum devices. Most notably, they bear enormous potential for a vast array of key components for quantum computing such as SQUIDs, oscillators, mixers and amplifiers. In this context, combining high carrier mobilities and leveraging strong quantum confinement effects due to a more than five times larger exciton Bohr radius compared to Si, Ge occupies an exceptional position for the development of novel quantum devices in the post Si era. Within this thesis, it is shown that utilizing a thermally induced exchange reaction between single-crystalline Ge nanowires and Al pads, monolithic Al-Ge-Al nanowire heterostructures with ultra-small Ge segments contacted by self-aligned, quasi-1D, crystalline Al leads can be fabricated without lithographic constraints. High-resolution transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy proved the composition and perfect crystallinity of the entire nanowire heterostructure. Integrating such Al-Ge-Al nanowire heterostructures as active channels in electrostatically gated field-effect transistor devices, provides a platform for the systematic investigation of electrical transport mechanisms in ultra-scaled Ge nanowires. In contrast to common short channel devices, the 1D monolithic metal-semiconductormetal architecture effectively prevents the screening of the gate electric field by lithographically defined contacts and thus enables perfect electrostatic control of ultra-scaled Ge channels. Based on these structures, ballistic transport as well as quantum ballistic transport phenomena were systematically investigated depending on the Ge channel length and nanowire diameter. Resistivity and gate-dependent conductance measurements as well as detailed bias spectroscopy studies in the temperature range between 5K and 300K revealed a current transport through spindegenerate 1D sub-bands in ultra-scaled Ge channels up to room temperature. The second part of the thesis is dedicated to the transport effects in the temperature range from 10K to 2K, where a small Ge channel reveals the characteristic of a single hole-transistor. Systematic investigations of single-hole tunnelling through Ge quantum dots revealed a complex charge trapping related multi-dot system near the pinch-off gate-voltage that evolves into a single-dot regime. The third set of experiments investigated the temperature regime from 1.5K to 400mK, where an ultra-scaled Ge channel coupled to superconducting Al leads, reassembles a Josephson field-effect transistor. The experimental proof of exchanging Cooper pairs between the superconducting Al leads and a gate-tunable Ge channel, mediated by the superconducting proximity effect enabled the first demonstration of superconductivity induced in a pure Ge channel. Gate-dependent transport measurements revealed a tunable critical supercurrent in the Ge quantum dot from zero to approximately 20 nA.