Funzionamento dello split gate

Il funzionamento dello split gate `e stato verificato tramite una serie di mi- sure eseguite con il setup riportato in Fig. 4.17: gli iniettori sono polarizzati imponendo una tensione di iniezione continua Vi, gli split gate sono pola-

rizzati negativamente imponendo una tensione VG. Nella scelta di Vi e VG `e

Figura 4.17: Setup sperimentale utilizzato per il il test di funzionamento degli split gate.

stata prestata particolare attenzione a non superare le soglie di conduzione iniettori-collettore, iniettori-gate, gate-collettore. In Fig. 4.18 `e riportata una misura di Ic in funzione della frequenza del segnale RF applicato ai

trasduttori per vari valori della tensione di polarizzazione dello split gate. Dall’analisi dei risultati emerge come a valori di VG pi`u negativi il picco di

corrente alla frequenza di risonanza dei trasduttori venga progressivamente soppresso: ci`o indica che split gate realizzati secondo il progetto qui presenta- to sono in grado di regolare il trasferimento di carica al collettore. In nessuna misura `e stato mai possibile osservare una completa soppressione del picco di corrente poich´e la tensione di polarizzazione dei gate richiesta sarebbe stata sempre superiore alla soglia di conduzione tra split gate e collettore. Lo stu- dio di una geometria di costruzione differente, oggetto di futuri studi, potr`a porre rimedio a questo inconveniente.

2.90 2.91 2.92 2.93 2.94 2.95 0 1 2 3 4 I c ( n A ) Frequenza (GHz) V G (V): -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 T=5 K Potenza RF 12 dBm Tensione di Iniezione -2 V

Figura 4.18: Misure di corrente di colletore in funzione della frequenza RF di eccitazione dei rasdutori. Vi`e pari a -2 V. Le misure sono state eseguite polarizzando negativamente

lo split gate a varie tensioni VG: si nota la progressiva diminuzione della corrente di picco

a tensioni di gate pi`u negative.

-1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 T=5 K Frequenza RF 2.93 GHz P RF =12 dBm V i =-2 V I c ( n A ) V G (V)

Figura 4.19: Misura di corrente di collettore in funzione di VG. La misura `e stata eseguita

eccitando i trasduttori con un segnale RF di frequenza pari a 2.93 GHz (risonanza) e di potenza 12 dBm. Vi `e pari a -2 V.

Il mio lavoro di tesi `e incentrato sul trasporto acustoelettrico in dispositivi a semiconduttore costituiti da giunzioni laterali e si `e svolto nell’ambito del progetto europeo SECOQC. Tale progetto mira a realizzare una sorgente di singoli fotoni che sfrutti il trasporto di carica mediato da onde acustiche di superficie per indurre una corrente quantizzata fino all’estremo limite di un singolo elettrone per ciclo di funzionamento tra un regione n ed una p situ- ate all’interno di uno stesso strato di un’eterostruttura di GaAs/AlGaAs. Tra i risultati gi`a ottenuti in seno a questo filone di ricerca figurano la dimostrazione della corrente acustoelettrica e la realizzazione di un LED planare compatibile col trasporto indotto da onde acustiche di superficie.

La sorgente di singoli fotoni oggetto degli studi di SECOQC prevede che il trasferimento di carica sia controllato tramite contatti ad effetto di campo posti in una regione i interposta tra quella n e quella p. Se le due giunzioni sono realizzate semplicemente affiancando le tre regioni in uno stesso strato dell’eterostruttura, alle interfacce si creano due barriere di potenziale che im- pediscono il trasporto acustoelettrico. L’effettiva realizzazione della sorgente di singoli fotoni descritta necessita, perci`o, di un meccanismo di iniezione di carica attraverso le due giunzioni che risulti compatibile con il trasporto acustoelettrico.

Il lavoro da me svolto si inserisce in questo contesto ed ha permesso di dimostrare un innovativo meccanismo di iniezione di carica da una regione n ad una i, compatibile con il trasporto indotto da onde acustiche di superficie. Mi sono occupato della progettazione di un dispositivo nin a tre terminali in cui due regioni n (iniettori) sono separate da una sottile regione i. Quando tra gli iniettori `e imposta una corrente, un’onda acustica di superficie che si propaghi lungo la regione i pu`o intrappolare parte degli elettroni che fluiscono

e trasportarli per distanze macroscopiche fino alla terza regione n di raccolta (collettore).

Ad una prima fase di progettazione di un’opportuna eterostruttura e di si- mulazione delle sue propriet`a, `e seguita la realizzazione effettiva di dispositivi basati sullo schema da me proposto. In questa fase tramite alcune prove sperimentali ho ottimizzato i parametri di fabbricazione della giunzione nin che `e alla base dei dispositivi. Le propriet`a di trasporto sono state stu- diate a temperature comprese tra 300 K e 5 K: in particolare ho indagato la dipendenza delle soglie di conduzione da temperatura e presenza del segnale RF di eccitazione delle onde acustiche di superficie. Il risultato di maggiore interesse consiste nel fatto, dimostrato nel corso di questo lavoro, che una SAW che si propaghi attraverso la giunione nin che costituisce il dispositivo `e in grado di estrarre elettroni dal flusso di corrente che ha luogo tra gli iniettori e trasportarli fino al collettore. Ho inoltre dimostrato che `e possibile controllare la corrente di collettore tramite opportuni contatti di gate. Una futura ottimizzazione del processo di fabbricazione dei gate permetter`a di controllare il trasferimento di elettroni verso il collettore fino al limite della singola particella.

I risultati ottenuti in questo lavoro saranno sfruttati nell’implementazione della sorgente singoli fotoni oggetto degli studi di SECOQC.

[1] L. Esaki and L. L. Chang, Phys. Rev. Lett., 33, 495 (1974)

[2] Peter Y. Yu and Manuel Cardona Fundamentals of Semiconductors:

Physics and Materials Properties, Springer-Verlag, New York (1999)

[3] R. Dingle et al., Appl. Phys. Lett., 33, 665 (1978)

[4] G. Bastard, Wave mechanics applied to semiconductor eterostructure, Halsted Press, New York (1978)

[5] D. Kahn, The codebrakers: The Story of Secret Writing, Macmillian, New York (1967)

[6] C. E. Shannon, Bell Syst. Tech. J, 28, 656 (1949)

[7] C. H. Bennett and G. Brassard, Proceedings of IEEE International Conference on Computers Systems and Signal Processing, 175 (1984) [8] W. Diffie and M. E. Hellmann, IEEE Trans. Inf. Thery IT-22, 644

(1976)

[9] R. Rivest et al., MIT Laboratory for Computer Science, Technical Report, MTI/LCS/TR-212 (1979)

[10] Tittel et al., Physics World, Marzo 1998, 41 [11] Wixfort et al., Phys. Rev. B., 40, 7874 (1989) [12] Foden et al., Phys. Rev. A, 62, 011803 (2000)

[13] J. M. Shilton et al., J. Phys. Condens. Matter 8, L531 (1996)

[14] J. G. Rarity et al., Elect. Lett., 37, 512 (2001)

[15] J. D. Franson and B. C. Jacobs, Elect. Lett., 31, 232 (1995) [16] P. D. Townsend, Nature, 385, 47 (1997)

[17] L. D. Kouwenhoven et al., Phys. Rev. Lett., 67, 1626 (1991) [18] J. Kim et al., Nature, 397, 500 (1999)

[19] L. J. Geerligs et al., Phys. Rev. Lett., 64, 2691 (1990) [20] C. Brunel et al., Phys. Rev. Lett., 83, 2722 (1999) [21] P. Michler et al., Nature, 290, 2282 (2000)

[22] J. Cunningham et al., Phys. Rev. B 60, 4850 (1999) [23] Utko et al., Acta Phys. Pol. A 103(6), 533 (2003) [24] de Lyon et al., Appl. Phys. Lett., 59, 402 (1992) [25] de Lyon et al., Appl. Phys. Lett., 60, 335 (1992) [26] Chen et al., Appl. Phys. Lett., 74, 3140 (1999)

[27] Akbulut et al., IEEE Photonics Technol. Lett., 13, 85 (2001) [28] Guina et al., IEEE Photonics Technol. Lett., 12, 786 (2000) [29] Saiki et al., Appl. Phys. Lett., 67, 2191 (1995)

[30] North et al., IEEE J. Quant. Elettr., 35, 352 (1999) [31] Kaestner et al., Jpn. J. Appl. Phys., 41, 2513 (2002) [32] Miller, Appl. Phys. Lett., 47, 1309 (1985)

[33] M. Cecchini et al., Appl. Phys. Lett., 82, 636 (2003) [34] M. Cecchini et al., Appl. Phys. Lett., 85, 3020 (2004)

[35] G. De Simoni, Onde acustiche di superficie e diodi planari emettitori di