Entwicklung und Validierung von Einzelelektronenpumpen auf Basis von GaAs/A/GaAs-Quantenpunkten für ein Quantenstromnormal

 

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Th. Gerster

Entwicklung und Validierung von Einzelelektronenpumpen auf Basis von GaAs/A/GaAs-Quantenpunkten für ein Quantenstromnormal

ISBN: 978-3-95606-684-9   |   Erscheinungsjahr: 2022    |    Auflage: 1
Seitenzahl: 168   |    Einband: Broschur    |    Gewicht: 524 g
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Eine Möglichkeit der direkten Darstellung der Basiseinheit Ampere in der im Jahre 2019 eingeführten Revision des SI-Systems ist die Verwendung des mit der Frequenz f getakteten Einzelelektronentransports. Der erzeugte Strom I = ne f ist hierbei nur von der als Naturkonstante festgelegten Elementarladung e, der Anzahl der Elektronen pro Taktzyklus n und der auf die SI-Basiseinheit Sekunde rückführbaren Frequenz f abhängig. Eine technische Umsetzung dieses Prinzips in Form einer Einzelelektronenpumpe ist die Verwendung eines dynamischen Quantenpunkts mit modulierbaren Tunnelbarrieren. Inhalt dieser Arbeit ist die reproduzierbare und robuste Realisierung dieses physikalischen Prinzips in einem nanoelektronischem, mesoskopischem Bauelement auf Basis einer GaAs/AlGaAs-Heterostruktur in einer Kleinserie. Hierfür wird zunächst der lithographische Einschluss des Quantenpunkts durch die Kombination eines Shallow Etch mit metallischen Gatestrukturen hinsichtlich der robusten technischen Realisierung und der hierbei auftretenden Varianz der Lithographieergebnisse untersucht. Zentrale Eigenschaften der erzeugten statischen Quantenpunkte, wie die Ladeenergie, werden durch elektrische Transportmessungen bei kryogenen Temperaturen gewonnen und deren Größenordnungen sowie Varianzen in Verhältnis zu den vorher bestimmten Lithographieergebnissen gesetzt. Hierbei konnte eine hohe Ausbeute symmetrischer Quantenpunkte bei gleichzeitig guter Reproduzierbarkeit der Ladeenergie nachgewiesen, sowie auch die maximal möglichen Grenzen des geometrischen Einschlusses, gezeigt werden. Für die Validierung der dynamischen Quantenpunkte als Quantenstromnormale wird eine Richtlinie entwickelt, die nicht mehr alleinig die rückgeführte Messung des gepumpten Stroms gegen ein mit einer endlichen Messunsicherheit behafteten Transfernormal prüft, sondern die Übereinstimmung der Fehlerprozesse unter verschiedenen Betriebsbedingungen mit der idealisierten Modellvorstellung des Quantenpunkts mit dynamischen Tunnelbarrieren validiert. Aufbauend auf den Erkenntnissen des lithographischen Einschlusses sowie der statischen Quantenpunkteigenschaften mit einer Vielzahl an Referenzwerten wird hiermit ein Verifizierungs- und Validierungskonzept für eine Richtlinie zur Herstellung und metrologischen Anwendung von Einzelelektronenpumpen entwickelt und an einem Probensystem demonstriert.

PTB E-120