Scanning X-ray Diffraction Microscopy Reveals the Nanoscale Strain Landscape of Novel Quantum Devices
Creators: name: Corley-Wiciak, Cedric
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: Synchrotron
subject: Roentgenbeugung
subject: Quantenprozessoren
subject: Gitterverspannung
subject: Silizium-Germanium
subject: Halbleiter
subject: X-ray Diffraction
subject: Quantum Computing
subject: Lattice Strain
subject: Silicon Germanium
subject: Semiconductors
subject: 530 Physik

description: This thesis provides also a detailed stepwise guideline on the data analysis for scanning X-ray diffraction experiments at a modern synchrotron radiation source.
description: 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
description: 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.