Open Access

Marcin Malecha

• Beim Übergang zwischen der makroskopischen und der mikroskopischen Welt treten die Quanteneffekte immer stärker in den Vordergrund, was neuartige Anwendungen ermöglicht. Eine der Anwendungen, an der bereits sehr engagiert geforscht wird, ist der sogenannte Quantencomputer. Seine Basiseinheit besteht aus einem Quantenbit (Qbit), einem gekoppelten Zwei-Niveau-System. Dieser kann u.a. durch zwei Quantenpunkte realisiert werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung, Charakterisierung und Beeinflussung von Halbleiter-Quantenpunkten im zweidimensionalen Elektronengas auf der Basis einer AlGaAs/GaAs-Heterostruktur. Die Quantenpunkte werden durch nasschemisches Ätzen eingeprägt. Zusätzlich werden auf die Oberfläche Metallleitungen, sogenannte Top Gates, aufgebracht, um die Eigenschaften des Quantenpunktes gezielt zu steuern. Während die Ätzstruktur die grobe Potentiallandschaft festlegt, kann mit Hilfe der Top Gates eine sehr feine Steuerung der Tunnelbarrieren zwischen demBeim Übergang zwischen der makroskopischen und der mikroskopischen Welt treten die Quanteneffekte immer stärker in den Vordergrund, was neuartige Anwendungen ermöglicht. Eine der Anwendungen, an der bereits sehr engagiert geforscht wird, ist der sogenannte Quantencomputer. Seine Basiseinheit besteht aus einem Quantenbit (Qbit), einem gekoppelten Zwei-Niveau-System. Dieser kann u.a. durch zwei Quantenpunkte realisiert werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung, Charakterisierung und Beeinflussung von Halbleiter-Quantenpunkten im zweidimensionalen Elektronengas auf der Basis einer AlGaAs/GaAs-Heterostruktur. Die Quantenpunkte werden durch nasschemisches Ätzen eingeprägt. Zusätzlich werden auf die Oberfläche Metallleitungen, sogenannte Top Gates, aufgebracht, um die Eigenschaften des Quantenpunktes gezielt zu steuern. Während die Ätzstruktur die grobe Potentiallandschaft festlegt, kann mit Hilfe der Top Gates eine sehr feine Steuerung der Tunnelbarrieren zwischen dem Quantenpunkt und den Kontakten vorgenommen werden. Eine weitere Einflussnahme ermöglichen prozessierte interdigitale Schallwandler, die akustoelektrische Wellen erzeugen in deren Schallpfad der Quantenpunkt liegt. Die Arbeit enthält drei Teile: der erste erklärt die zum Verständnis notwendige theoretischen Konzepte, der zweite beschreibt die Probenprozessierung und die Messmethodik. Der dritte Teil enthält die durchgeführten Messungen und die Ergebnisse. Dieser umfangreichste Teil stellt anhand ausgewählter Messungen die Möglichkeiten der Erzeugung von Quantenpunkten sowie die Steuerung seiner elektrischen Eigenschaften, wie seine Symmetrie, die Niveauabstände oder die Kopplung an die Kontakte dar. Der Einfluss der Oberflächenwelle auf so präparierte Quantenpunkte wurde ebenfalls untersucht.…
• When reducing the size of physical systems from macroscopic towards microscopic dimensions quantum mechanical effects become more predominant. Such effects enable to design novel quantum-electronic devices which allow for the realization of a quantum bit (qubit), the basic logical element of a quantum computer. Such a qubit is formed by a two level system and can be defined for example by the charge of an electron in two coupled quantum dots. The main topic of this thesis is fabrication, characterization and electrical tuning of single and coupled quantum dot architectures which are defined in a two dimensional electron gas formed at a AlGaAs/GaAs heterointerface. Firstly, the geometric shape of the quantum dots was defined by means of shallow wet-chemical etching. Secondly, tuning of the inter-dot tunnel barriers and between the dot and the leads, top gates were processed directly above the structure. A further way to control the electronic states of the quantum dot is provided by aWhen reducing the size of physical systems from macroscopic towards microscopic dimensions quantum mechanical effects become more predominant. Such effects enable to design novel quantum-electronic devices which allow for the realization of a quantum bit (qubit), the basic logical element of a quantum computer. Such a qubit is formed by a two level system and can be defined for example by the charge of an electron in two coupled quantum dots. The main topic of this thesis is fabrication, characterization and electrical tuning of single and coupled quantum dot architectures which are defined in a two dimensional electron gas formed at a AlGaAs/GaAs heterointerface. Firstly, the geometric shape of the quantum dots was defined by means of shallow wet-chemical etching. Secondly, tuning of the inter-dot tunnel barriers and between the dot and the leads, top gates were processed directly above the structure. A further way to control the electronic states of the quantum dot is provided by a pair of interdigital transducers for generating surface acoustic waves. This thesis contains three parts: the first provides the theoretical background; the second describes the sample processing and the applied experimental techniques. In the third part the most significant experimental results are presented. This data demonstrates the potential of this architecture to define fully tunable quantum dots. These tunable properties include the strength of the coupling between the dot and the leads, the dot symmetry, the resulting quantized energy level structure or its response to the dynamic piezoelectric potential induced by a surface acoustic wave.…