갈륨비소 양자점 소자의 전자 전도특성 및 산탄잡음 연구

Abstract

본 논문에서는 갈륨비소/알루미늄갈륨비소 (GaAs/AlGaAs)의 이종접합구조에 전자빔 (electron beam) 리소그래피 (lithography)로 형성된 아주 작은 양자점 소자의 제작과 전기적 특성에 대해 알아본다. 웨이퍼 표면에 있는 금속 게이트로 조절되는 양자점 소자는 충전에너지 (charging energy)가 5 meV, 그리고 수 개의 전자를 가질 수 있도록 제작되었고 이것은 split gate 형태로 제작된 것 중 가장 작은 것으로 확인된다. 양자점 소자의 일반적인 특성인 쿨롱차폐 (Coulomb blockade)와 쿨롱 다이아몬드 (Coulomb diamond)를 측정하였고 소자의 전기적 변수를 알게 되었다. 또한, 전자 터널링에 대한 정보를 가질 수 있는 산탄잡음 (shot noise)에 대한 측정을 아주 작은 양자점 소자의 터널링 메카니즘을 알아보기 위해 도입하였다. 아주 작은 양자점은 수 개의 전자를 가질 수 있기 때문에 상대적으로 강한 상호작용을 나타낸다. 따라서 본 연구에서 산탄잡음은 전자-전자 상호작용 (electron-electron interaction)에 의해 민감한 변화가 관측되었다. 추가적으로, 규소게르마늄 공명 밴드간 터널링 다이오드 (SiGe resonant interband tunneling diodes)의 터널링 특성과 산탄잡을 관찰하였다. 산탄잡음은 전류-전압 특성 곡선에서 양성미분저항 (positive differential resistance) 뿐만아니라 부성미분저항 (negative differential resistance)의 평평한 부분이 나타나는 영역 (plateau-like region)에서도 결맞는 터널링 (coherent tunneling)을 보여준다. 산탄잡음 측정으로부터 얻게 되는 Fano factor분석을 통하여 부성저항영역에서 결맞는 터널링이 명확해짐을 알수 있었다. 또한 실험으로 얻게된 Fano factor의 변화는 결맞는 터널링에 대한 최신 이론 모델에 따라 설명하였다.; In this thesis, fabrication and electrical characterizations of lithographically defined ultra-small quantum dots based on a GaAs/AlGaAs heterostructure are demonstrated. Ultra-small quantum dots are defined with electron beam lithography method adjusting beam conditions, and are fabricated to have a charging energy of 5 meV with few electron numbers, which is known to date as the smallest dot as a split gate type. Coulomb blockade and Coulomb diamond as general features of quantum dot devices, are measured and extracted their electrical parameters. Also, shot noise, which is proved to be an effective method to offer information of tunneling transport, is introduced to evaluate tunneling mechanisms of ultra-small GaAs quantum dots. The three kinds of tunneling, elastic, inelastic cotunneling, and sequential tunneling are evaluated by shot noise and conductance measurement. Because the few electron quantum dots relatively have strong interaction strength, we consider that shot noise shows sensitively resolved variations by the electron-electron interaction. Additionally, the SiGe resonant interband tunneling diodes are reported with tunneling transport properties. The shot noise measurements show the signatures of coherent transport not only in the positive differential resistance region but also in the plateau-like region on the negative differential resistance side of the current-voltage trace. The experimentally extracted Fano factor, F < 0.5, may suggest that the coherent transport gradually becomes obvious in the NDR region. The variation of the Fano factor through the resonance process is discussed according to the recent theoretical model of coherent tunneling.