[論文レビュー] Germanium wafers for strained quantum wells with low disorder

Lucas E. A. Stehouwer, Alberto Tosato+5 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2023

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ひとこと要約

本研究では、100 mm ゲルマニウムウェーパー上に直接成長した歪み付き Ge/SiGe ハイエロストラクチャが、シリコンウェーパー上に成長した場合と比較して、スレッドディスロケーション密度を (6±1)×10⁵ cm⁻² まで低減することを示している。これは、ほぼ1桁低い値であり、超低雑音の二次元ホールガスを実現し、パーコレーション密度は (1.22±0.03)×10¹⁰ cm⁻²、飽和ホール密度における記録的量子移動度は (8.4±0.5)×10⁴ cm²/Vs を達成した。

ABSTRACT

We grow strained Ge/SiGe heterostructures by reduced-pressure chemical vapor deposition on 100 mm Ge wafers. The use of Ge wafers as substrates for epitaxy enables high-quality Ge-rich SiGe strain-relaxed buffers with a threading dislocation density of (6$\pm$1)$ imes$10$^5$ cm$^{-2}$, nearly an order of magnitude improvement compared to control strain-relaxed buffers on Si wafers. The associated reduction in short-range scattering allows for a drastic improvement of the disorder properties of the two-dimensional hole gas, measured in several Ge/SiGe heterostructure field-effect transistors. We measure an average low percolation density of (1.22$\pm$0.03)$ imes$10$^{10}$ cm$^{-2}$, and an average maximum mobility of (3.4$\pm$0.1)$ imes$10$^{6}$ cm$^2$/Vs and quantum mobility of (8.4$\pm$0.5)$ imes$10$^{4}$ cm$^2$/Vs when the hole density in the quantum well is saturated to (1.65$\pm$0.02)$ imes$10$^{11}$ cm$^{-2}$. We anticipate immediate application of these heterostructures for next-generation, higher-performance Ge spin-qubits and their integration into larger quantum processors.

研究の動機と目的

• シリコンウェーパー上に成長した従来の Ge/SiGe ハイエロストラクチャにおける高い雑音とスレッドディスロケーション密度の問題に取り組むこと。
• 歪み付き量子井戸における二次元ホールガス (2DHG) の結晶品質と電子的性質を向上させること。
• 短距離散乱と歪みのフラクチュエーションを低減することで、ゲルマニウムベースのスピンキュービットの性能とスケーラビリティを向上させること。
• ゲルマニウムウェーパーを、量子デバイス応用における高品質な SiGe ストレインリリーフバッファの優れた基板として確立すること。
• 今後の量子プロセッサ用に、グループIV半導体における低雑音ホール系のベンチマークを提供すること。

提案手法

• 100 mm のイントリックゲルマニウムウェーパー上に、低圧化学気相成長法 (RPCVD) を用いて Ge/SiGe ハイエロストラクチャを成長させること。
• Ge基板上での格子整合成長を達成するため、組成ステップを 1-x = 0.07, 0.13, 0.17 に設定した前方勾配付き SiGe ストレインリリーフバッファ (SRB) を使用すること。
• 量子井戸およびキャップ層のエpitaxial成長の前に、800 °C でのインサイト熱処理を実施し、界面の鋭さを確保すること。
• エキシシット HF ディップエッチングとインサイトベイクを用いて、エpitaxyに適した高品質なゲルマニウムウェーパー表面を準備すること。
• ホールバー型フィールド効果トランジスタ (H-FET) を用いた輸送特性の定量的分析により、パーコレーション密度、移動度、量子移動度を抽出すること。
• 有効質量や寿命を仮定せずに量子移動度を推定するため、μ_q = (1 + √(B_c^odd / B_c^even)) / (2 B_c^odd) の式を用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Geウェーパー上に直接成長させた Ge/SiGe ハイエロストラクチャは、Si基板上に成長させた場合と比較して、顕著にスレッドディスロケーション密度を低減できるか？
• RQ2 低減されたディスロケーション密度は、歪み付き Ge 量子井戸内の二次元ホールガスの雑音特性にどのように影響するか？
• RQ3 向上した結晶品質は、Ge/SiGe ハイエロストラクチャにおける量子移動度およびパーコレーション密度をどの程度向上させるか？
• RQ4 Geウェーパーを基板として用いることで、ゲルマニウムベースのスピンキュービットアーキテクチャの性能とスケーラビリティを向上させられるか？
• RQ5 抑制された歪みのフラクチュエーションと短距離散乱の低減が、これらのハイエロストラクチャ内の 2DHG の輸送特性に及ぼす影響は何か？

主な発見

• Geウェーパー上に成長したGe富含SiGe ストレインリリーフバッファにおけるスレッドディスロケーション密度は (6±1)×10⁵ cm⁻² であり、これはSiウェーパー上に成長したコントロールサンプルと比較してほぼ10倍の低減を示している。
• 二次元ホールガスはパーコレーション密度 (1.22±0.03)×10¹⁰ cm⁻² を示しており、極めて低い雑音と高い均一性を示している。
• 飽和ホール密度 (1.65±0.02)×10¹¹ cm⁻² における最大量子移動度は (8.4±0.5)×10⁴ cm²/Vs に達し、これまでの結果と比べ顕著な向上を示している。
• 最大移動度は (3.4±0.1)×10⁶ cm²/Vs に達しており、Siウェーパー上に成長したコントロールハイエロストラクチャのそれよりも3倍以上高い。
• 観測された量子移動度は保守的であり、低磁場におけるシューブニコフ＝ド・ハース振動の発生が小さな密度非均一性によって制限されている可能性がある。
• 本結果により、グループIV半導体ハイエロストラクチャにおけるホール移動度と雑音抑制の新たなベンチマークが確立され、次世代量子デバイスの実現に向けた基盤が築かれた。