Nanostrutture di semiconduttori III-V per il rilevamento di microonde

The detection of microwave (MW) radiation is essential for a wide range of applications, such as telecommunication, cosmology and quantum technologies. In certain regimes, no prevailing technology for the detection of this radiation has clearly emerged yet, although different solutions have been tested in different contexts. This thesis focuses on the experimental study of III-V nanowire (NW) based devices as detectors in the 1-10 GHz range. These devices consist of both bare and heterostructured NWs; the latter were used in order to define Quantum Dots (QD) and Double Quantum Dots (DQD). On a fundamental level, the interplay of radiation with these systems depends drastically on type of nanostructure considered, with different effects that can take place. Classical MW radiation can lead to electrical phenomena, such as modulation of carrier density, but also to a distinct set of effects due to MW induced heating. In quantum system the interplay of the discrete energy states with either classical radiation or individual MW photons might lead to radically different effects. In this systems MW radiation is of particular interest since the photon energies (40µeV at 10 GHz, equivalent to a thermal energy of ~0.5 K) are comparable to the typical energy scales of quantum devices (µeV to meV). The following chapters describe the work I performed, consisting of the whole fabrication and characterization process: from the device design to the data analysis. The electrical characterization of the devices was carried out either at room temperature in a probe station, or at low temperatures (0.3-300 K) in two cryostats that I wired for low level, low noise DC magneto-transport measurements and microwave spectroscopy. Finally, the measurement data were acquired using the Python framework QCoDeS and their analysis performed with Igor Pro. The results section is split in three parts. In part one I shall present the potential application of NW Field Effect Transistors (FET) as detectors of MW radiation. These detector show good performance and stable operation in a wide temperature range (20-300 K) with two detection modes: measuring current or voltage response. In part two, I present the effect of MW radiation on a QD. This was obtained starting from a InAs NWs, in which two InP layers were epitaxially defined along the axial direction during the growth process. The microwave radiation is in this case fed to the system though a superconducting (YBCO) coplanar microwave resonator which enhances the electric field in the proximity of the device, providing a “focusing” effect. This greatly enhances the coupling of the MW radiation to the QD, at the cost restricting the device use to a single frequency. Finally, in part three, the impact of microwave radiation in the 1-10 GHz range on the transport features of a DQD is presented. Zero and finite bias results are used to gain complementary information about the device response, which allows to operate it as a calibration-free detector of MW power. These results can be rationalized invoking an effective AC bias to model the classical radiation interacting with the quantum mechanical states in the DQD. This systems shows the highest potential in terms of the figures of merit among the three presented here, but requires more stringent conditions in terms of gate voltages and operation temperature.

La rivelazione della radiazione a microonde (MW) è essenziale per un'ampia gamma di applicazioni, come le telecomunicazioni, la cosmologia e le tecnologie quantistiche. In alcuni regimi, non è ancora emersa chiaramente una tecnologia prevalente a questo scopo, sebbene siano state sperimentate soluzioni distinte in contesti diversi. Questa tesi si concentra sullo studio sperimentale di dispositivi a base di nanostrutture III-V come rivelatori nella gamma 1-10 GHz. Questi dispositivi sono costituiti a partire da NW sia semplici che eterostrutturati; questi ultimi sono stati utilizzati per definire Quantum Dot (QD) e Doppi Quantum Dot (DQD). Ad un livello fondamentale, l'interazione della radiazione con questi sistemi dipende dal tipo di nanostruttura considerata. La radiazione alle MW classica può portare a fenomeni elettrici, come la modulazione della densità di portatori dentro il nanofilo, ma anche a una serie di effetti dovuti al riscaldamento indotto dalle MW. Nei sistemi quantistico invece, l'interazione degli stati energetici discreti con la radiazione classica o con i singoli fotoni alle MW può portare a effetti radicalmente diversi. In questi sistemi la radiazione alle MW è di particolare interesse in quanto le energie dei fotoni (40 µeV a 10 GHz, equivalenti a un'energia termica di ~0,5 K) sono confrontabili con le tipiche scale energetiche dei quanti dispositivi (da µeV a meV). I prossimi capitoli descrivono il lavoro che ho svolto, il quale consiste nell'intero processo di fabbricazione e caratterizzazione: dal disegno del dispositivo all'analisi dati. La caratterizzazione elettrica dei dispositivi è stata effettuata o a temperatura ambiente in una probe station, o a bassa temperatura (0.3-300K) in due criostati che ho cablato per misure a bassi livelli per misure di magneto-trasporto in dc. Per finire, i dati venivano acquisiti utilizzando il framework Python QcoDeS, e la loro analisi svolta in Igor Pro. La sezione dei risultati è suddivisa in tre parti. Nella prima parte presento la potenziale applicazione dei transistori ad effetto di campo (FET) NW come rivelatori di radiazione MW. Questi rivelatori mostrano buone prestazioni e funzionamento stabile in un ampio intervallo di temperature (20-300 K) con due modalità di rilevamento: misurazione di corrente o di tensione. Nella seconda parte, presento l'effetto della radiazione MW su un QD. Questo è stato ottenuto partendo da un InAs NWs, in cui due strati InP sono stati definiti epitassialmente lungo la direzione assiale durante il processo di crescita. La radiazione a microonde viene in questo caso fornita al sistema attraverso un risonatore a microonde coplanare superconduttore (in YBCO) che amplifica il campo elettrico in prossimità del dispositivo, fornendo un effetto di “focalizzazione”. Ciò migliora notevolmente l'accoppiamento della radiazione MW al QD, a costo di limitare l'uso del dispositivo a una singola frequenza. Infine, nella terza parte, viene presentato l'impatto della radiazione a microonde nella gamma 1-10 GHz sulle caratteristiche di trasporto di un DQD. I risultati con voltaggio di bias zero e finito vengono utilizzati per ottenere informazioni complementari sulla risposta del dispositivo. Ciò consente di utilizzarlo come rilevatore di potenza MW senza dover prima effettuare una calibrazione con un riferimento esterno. Questi risultati possono essere razionalizzati invocando un bias efficace AC. Questo sistema mostra il potenziale più alto in termini di figure di merito tra i tre qui presentati, ma richiede condizioni più stringenti in termini di tensioni di gate e temperatura di funzionamento.