High mobility Ge/SiGe heterostructures for quantum applications : characterization of transport properties

Quantum computing has become a major research topic in the past few years but there has not yet been a real breakthrough for the implementation of the qubit. A promising realization is that formed by two coupled quantum dots hosted in a two-dimensional carrier gas. This qubit would be advantageous for its long coherence time and its relatively straightforward integration with classical hardware. The purpose of this master’s thesis is the realization and characterization of Ge/SiGe heterostructures in which to confine a 2D hole gas. The heterostructures were grown by LEPECVD (low-energy plasma-enhanced chemical vapour deposition) at the L-NESS. Transport properties of the hole gas are studied, especially at low temperature (down to 1.6 K) using both classical and quantum Hall effect. Effective mass, mobility, two-dimensional carrier gas density and Dingle ratio have been extracted for each analyzed sample. Special attention was given to the analysis of the mobility in order to understand the scattering mechanisms which limit the mobility at cryogenic temperature, and how it would be possible to improve it. 14

Negli ultimi anni il computer quantistico ha assunto un ruolo preminente nel mondo della ricerca. Purtroppo, un’implementazione definitiva del qubit ancora non è stata delineata. Una realizzazione promettente è quella formata da due quantum dot accoppiati definiti in un gas bidimensionale di portatori. Questo qubit avrebbe come vantaggi il lungo tempo di coerenza e la possibile integrazione con l’hardware attuale. Lo scopo di questa tesi è la realizzazione e la caratterizzazione di eterostrutture di Ge/SiGe in cui è confinato il gas bidimensionale di portatori. Le eterostrutture sono state cresciute tramite la tecnica LEPECVD (low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition) in L-NESS. Le proprietà di trasporto del gas bidimensionale sono state studiate a bassa temperatura (fino a 1.6 K) attraverso l’effetto Hall classico e quantistico. La massa efficace, la mobilità, la densità bidimensionale di portatori e il Dingle ratio sono stati estrapolati per ogni campione analizzato. Particolare attenzione è stata data all’analisi della mobilità per comprendere qual è il meccanismo di scattering che la limita a temperatura criogenica e come incrementarla.