Cryogenic integrated instrumentation for quantum transport measurements in quantum dots

Silicon quantum dots can achieve quantum mechanical confinement exploiting interfaces between materials, through dopant atom placings and using proper electromagnetic fields, in order to obtain single electron/holes levels. Since the electron spin is a natural two level system, these devices have been considered as good candidates to realize qubits and implement a silicon-based quantum computing architecture. Using the silicon quantum dot as the building block for quantum computing, quantum spin control would benefit of the advanced technology already in place for the silicon industry, in terms of scalability of the devices and possibility of integration with standard electronic circuits. When a MOSFET transistor realized in a scaled commercial CMOS technology is operated at cryogenic temperatures, the thermal energy reduction causes the observation of the discretization of the energy levels thanks to the single electron transport via tunnelling-coupling with the source and the drain terminals. The electrical characterization of quantum dots requires a dedicated electronic instrumentation. The information is detected measuring the current signal from the device under test, which is located inside a cryostat containing liquid helium at a temperature of 4.2 K. The complicated experimental set-up lays some critical problems to the room temperature readout electronics located few meters away from the sample. The long connection cables between the sample and the measurement instrumentation cause a big capacitive load at the input node of the amplifier, reducing the measurement's performance in terms of resolution and bandwidth. A way to improve the performance is to reduce the input capacitance developing an integrated electronics, designed to work inside of the cryostat in close proximity to the sample. In this Thesis work the integrated instrumentation needed to measure quantum transport inside of a quantum dots is presented and analysed. We discuss the results of the experimental characterization of the cryogenic amplifiers contained in the CRYODOT3 integrated chip, designed at Politecnico di Milano in a previous work. A dedicated PCB has been realized in other to exploit one of the cryogenic transimpedance amplifiers in the measurement of the quantum dots' current signals. This PCB has been used to implement the set-up used to characterize quantum transport in a set of quantum dots.The resulting data have been analysed to extract useful quantum dot parameters and their physical implications. The same set-up has also been used to measure the noise behaviour of the quantum dots under test through the extraction of noise spectra in certain bias conditions. To improve the performances of the noise measurement the implementation of the cross-correlation noise analysis technique is discussed, technique that would allow us to cancel-out the noise contribution of the amplifier in the noise measurement. A cross-correlation spectrum analyser has been realized in past years at Politecnico di Milano. To benefit of the promising performances of this instrument in the characterization of quantum dots, a cryogenic PCB has been designed and realised to properly implement the required set-up. In the final part of this Thesis we propose, as a way to improve the performances of future integrated amplifiers, the use of a further scaled technology in the design. In order to implement the required BSIM3v3 model to extract the parameters for the analog and digital simulations, a set of transistor realized by LFoundry in 150nm CMOS technology has been electrically characterized in its DC behaviour.

All'interno di un quantum dot in silicio è possibile ottenere confinamento quantistico, sfruttando le interfacce tra i materiali, il posizionamento degli atomi droganti, e applicando campi elettromagnetici, al fine di ottenere livelli a singolo elettrone. Poiché lo spin dell'elettrone è un sistema a due livelli naturale, questi dispositivi sono considerati ottimi candidati per la realizzazione di qubit e per la costruzione di computer quantistici. Usando il quantum dot in silicio come elemento costitutivo di un architettura di computazione quantistica , la computazione basata sullo spin può sfruttare i benefici di un'industria sviluppata e avanzata come quella dell'elettronica in silicio, sfruttando in particolare la scalabilità dei dispositivi e la possibilità di integrazione con i circuiti elettronici esistenti. Quando un MOSFET transistor, realizzato in tecnologia CMOS scalata viene operato a temperature criogeniche è possibile osservare la discretizzazione dei livelli quantistici, grazie alla riduzione dell'energia termica, e al passaggio di corrente ottenuto tramite coupling quantistico con i terminali di source e drain. La caratterizzazione elettrica di questi dispositivi richiede una strumentazione tecnica dedicata. L'informazione è ottenuta misurando il segnale di corrente in uscita dal quantum dot, che è localizzato dentro a un criostato contenete elio liquido alla temperatura di 4.2K. Il complicato set-up della misurazione risulta problematico per l'elettronica di read out a temperatura ambiente, localizzata a qualche metro di distanza dai campioni. I lunghi cavi di connessione sono causa di un grande carico capacitivo in ingresso agli amplificatori di misurazione, riducendo così le performance della misurazione in termini di banda e risoluzione. Per ridurre il carico capacitivo in ingresso si utilizza un'elettronica integrata, progettata per lavorare a pochi cm di distanza dal campione, all'interno del criostato. In questo lavoro di Tesi viene presentata la strumentazione integrata necessaria per misurare il trasporto quantistico in un quantum dot in silicio. Vengono discussi i risultati sperimentali ottenuti dalla caratterizzazione sperimentale di amplificatori criogenici contenuti nel chip CRYODOT3, realizzato al Politecnico di Milano in progetti passati. Si è progettata una PCB al fine di sfruttare uno degli amplificatori a transimpedenza contenuti nel chip integrato, per la misura in corrente di un quantum dot. La PCB è stata utilizzata per implementare il set up sperimentale utilizzato per caratterizzare i quantum dot e estrarne importati parametri fisici. I quantum dot sono stati anche misurati in termini di rumore, misurandone gli spettri in alcuni punti di polarizzazione. Al fine di migliorare le misure di rumore, si discute l'utilizzo della tecnica di misura cross-correlazione. Uno spettrometro a cross correlazione è stato realizzato negli anni scorsi al Politecnico di Milano. Al fine di sfruttarne i benefici è stata realizzata una apposita PC per la misura di spettro di un quantum dot. Per migliorare le performance di futuri amplificatori integrati, si propone lo scaling dei dispositivi. Al fine di estrarre i necessari modelli di progettazione analogica e digitale sono stati dunque caratterizzati in DC una serie di transistors realizzati in tecnologia CMOS 150nm da LFOUNDRY.