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用OptistatDry低温恒温器和MFLI锁相放大器表征电纳米器件
神科仪购网/SNKOO-eGo / 2020-08-04

这篇文档演示了用牛津仪器(Oxford Instruments)的OptistatDry低温恒温器和苏黎世仪器(Zurich Instruments)的MFLI锁相放大器对QPC(Quantum Point Contact)设备进行表征的过程。

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1 QPC示意图(a)QPC结构截面图;(b)QPC结构顶面图

Qubits作为量子计算设备的基本单元,需要一种读取机制才能可靠地工作。对于GaAs或半导体QD(quantum dots),QPC是一种读出量子位电荷状态的方法。图2为基于AlGaAs/GaAs异质结构QPC的横截面图,图中给出各层材料的典型厚度,顶层金属分裂栅上施加负偏压Vg,形成对二维电子气的限制。两边宽的2DEG区域为电子库,即QPC的源极和漏极,化学势分别为μ1μ2,可以发射电子使其通过QPC。在电压差V=(μ12)/e作用下产生通过QPC的静电流I。栅极下面的2DEG形成窄的导电通道。

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2实验示意图

QPC的特性与温度有关,因此需要使用OptistatDry来提供易于控制的可变温度环境,如图2所示。OptistatDry是一款闭式循环制冷的台式低温恒温器,其温度可在3小时内从室温低至3K以下。样品通过可拆卸的样品圆盘放置在真空环境中,圆盘包括一个用于精确读取样品温度的温度计和一个用于精确温度控制的加热器。将QPC样品安装在芯片插入件中,PLCC芯片载体使用GE清漆安装在样品圆盘上。用细铝线将电触点从PLCC载体连接到样品圆盘上。图2所示的实验装置布线包括OptistatDry和MFLI之间的ESD保护盒,这样所有信号线都能接地,样品通过仪表信号线处于等电位。线路可单独切换,并可单独切换至Ground或MFLI。当所有线路都接地后,就可以切断圆盘上的ESD保护连接线,将信号线切换到MFLI。

后端用来测量的MFLI是一个数字双相解调器锁定放大器,工作频率为DC-5MHz。前面板有一个电流输入端口(I)、一个差分电压输入端口(V)、一个差分电压输出端口(V),两个辅助输入端口(Aux In)和四个18位辅助输出端口(Aux Out)。两个辅助输入可用来接外部信号参考,也可以向信号输出添加模拟DC偏置。辅助输出可用于输出解调后的信号(X,Y,R,θ)分量,以及用于手动或自动电压偏置扫描。MFLI包含一个多解调器(MF-MD)选件,该选件可以使用四个解调器,允许同时在四个不同的频率(包括DC)上进行I和V测量。如图3所示,MFLI由LabOne用户界面控制,该界面提供了全面的分析工具集,包括示波器,频谱分析仪,参数扫描器等。

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MFLI截图。顶部是带有多解调器(MF-MD)选件的配置设置。底部显示了扫频工具,包含正向(蓝色)和反向(红色)栅极电压扫描的交流(实线)和直流(虚线)电流测量值。

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4(a)测量原理以及MFLI的引线连接。(b)MFLI频率扫描功能得到交流电流(黑色)和电流噪声密度(蓝色)与频率的函数关系。(c)(d)分别为ACDC电流测量值

如图4a所示,测量源-漏电极的电导率(I-V)。源极漏极激励电压为200μV,在100μA输入范围内测量电流,最大输入带宽为5MHz。用锁相放大器的一个辅助输出同时驱动侧栅极。

首先在室温下测量样品的连续性,然后冷却到2.3K,使用LabOne用户界面的示波器工具,测量了输入端的整体噪声频谱(未显示)。为了选择最佳测量区域,使用LabOne扫描工具在10Hz至10kHz范围内进行频率扫描,显示交流电流频率响应(黑色曲线,图4b)。随后的噪声测量(蓝色曲线,图4b)显示,在100Hz的频率下,噪声接近4倍。因此,选择237Hz的测量频率。

通过测量源极-漏极电导的交流和直流电流分量,来监测泄漏电流的传输。首先利用MFLI MF-MD同时使用两个解调器,将测量频率分别设置为直流(0Hz)和交流(237Hz)。其次利用LabOne扫描工具来扫描驱动侧栅的辅助输出电压,电压范围为0到±3V,步长为10mV,等待时间设置为60秒。图4c和4d分别显示了2.3k(黑色)和10k(红色)下的交流和直流电流扫描示例(虚线曲线为反向扫描)。总的来说,由于附加散射机制,随着温度的升高,通道中的传导电流下降。在后向扫描中还观察到一个大的滞后现象,表明在长扫描结束时发生了显著的电荷转移。在相同的栅极电压下,交流和直流电流会发生急剧变化,这表明器件中的电流泄漏是在侧栅和漏极之间。

此外,还测量了源漏电极在不同温度和-1.3v的侧栅电压下的I-V特性。图5显示了在5K到20K的四种不同温度下的测量结果。源漏偏压被限制在10mV。

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55K20K的四个不同温度下直流(a)和交流(b)电流与侧栅偏压的函数关系。

 

 

参考文献:

Efficient electrical nanodevice characterisation with OptistatDry cryostat and MFLI lock-in Amplifier


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