[論文レビュー] Low percolation density and charge noise with holes in germanium

Mario Lodari, Nico W. Hendrickx+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、55 nmの深さに埋め込まれた埋め込みゲルマニウム量子井戸を有する平面的Ge/SiGeヘテロ構造を示し、低percolation密度 $2.1 \times 10^{10}\ \text{cm}^{-2}$ および1 Hzにおける電荷ノイズが $0.2\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$ 未満を達成した。量子井戸を誘電体界面から分離することで、著者らは不規則性と電荷ノイズを低減し、スケーラブルで低ノイズなスピンキュービットのためのゲルマニウムを顕著なプラットフォームとして確立した。

ABSTRACT

We engineer planar Ge/SiGe heterostructures for low disorder and quiet hole quantum dot operation by positioning the strained Ge channel 55~nm below the semiconductor/dielectric interface. In heterostructure field effect transistors, we measure a percolation density for two-dimensional hole transport of $2.1 imes10^{10}~ ext{cm}^{-2}$, indicative of a very low disorder potential landscape experienced by holes in the buried Ge channel. These Ge heterostructures support quiet operation of hole quantum dots and we measure charge noise levels that are below the detection limit $\sqrt{S_ ext{E}}=0.2~μ ext{eV}/\sqrt{ ext{Hz}}$ at 1 Hz. These results establish planar Ge as a promising platform for scaled two-dimensional spin qubit arrays.

研究の動機と目的

• スケーラブルなスピンキュービットアレイを実現するため、ゲルマニウムベースの量子ドットにおける不規則性と電荷ノイズを低減すること。
• 高い移動度を示すにもかかわらず、高percolation密度とノイズを示す浅いGe/SiGeヘテロ構造の限界を克服すること。
• 界面不規則性と誘電体結合を最小限に抑えるために、55 nmの埋め込み量子井戸を有する平面的Ge/SiGeヘテロ構造を設計すること。
• ホール量子ドットにおける電荷ノイズを測定・ベンチマーク化し、半導体キュービットの新たな低ノイズ基準を確立すること。
• Coulombピーク走査を用いてインピーダンス整合条件を満たすことで、ノイズレベルが装置固有のものであり測定アーチファクトではないことを検証すること。

提案手法

• Si(001)ウェーハ上に、Ge量子井戸と半導体／誘電体界面の間隔が55 nmとなるように、低圧化学気相成長法を用いてGe/SiGeヘテロ構造を成長させる。
• ホール2次元移動度を抽出するために、ホールバー形状のヘテロ構造をフォーミングし、2次元ホール輸送を測定する。
• プラッパー・ゲートを用いたゲート定義量子ドットを用い、キャリア密度を調整し、Coulombピークを走査することで電荷ノイズをプローブする。
• Coulombピークの側面と頂点におけるノイズスペクトルを比較するノイズ測定プロトコルを実装し、インピーダンスの一貫性を保つことで、装置ノイズとアンプアーチファクトを分離する。
• Coulombダイヤモンド測定から得られるレバーアームキャリブレーションを応用し、ゲート電圧ノイズをデチューニングノイズスペクトル密度に変換する。
• 帯域幅がキャリブレーションされたコンバータを用いて電流ノイズのパワー・スペクトル密度を測定し、その後 $1/f$ の傾向にフィットさせ、1 Hzにおけるノイズを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ge量子井戸と誘電体界面の距離を増やすことで、Ge/SiGeヘテロ構造におけるpercolation密度と不規則性を低減できるか？
• RQ2 深く埋め込まれたGe量子井戸に作製されたホール量子ドットにおける内在的電荷ノイズレベルは何か？また、浅いヘテロ構造と比較してどうなるか？
• RQ3 Coulomb遮断状態と輸送状態の間で装置インピーダンスが著しく変化する場合、量子ドットにおける電荷ノイズを信頼性高く測定できるか？
• RQ4 浅い量子井戸と比較して、より深いGe量子井戸では、量子移動度と単粒子リラクゼーション時間はどの程度向上するか？
• RQ5 これらのGeベース量子ドットにおける電荷ノイズは、Si、GaAs、またはInSbといった他の主要なキュービットプラットフォームと比較してどうなるか？

主な発見

• 55 nmの埋め込みGe量子井戸における2次元ホール輸送のpercolation密度は $2.1 \times 10^{10}\ \text{cm}^{-2}$ と測定され、不規則性の低いポテンシャルランドスケープを示している。
• 量子移動度は $2.5 \times 10^{4}\ \text{cm}^2/\text{Vs}$ に達し、単粒子コherenecと散乱の低減を反映している。
• ホール量子ドットにおける電荷ノイズは1 Hzで $0.2\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$ 未満であり、6つの量子ドットの平均で $0.6\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$ であった。
• 測定された最低電荷ノイズは、以前報告された22 nmの深さのGe量子井戸（$1.4\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$）の10分の1未満に達している。
• 測定された電荷ノイズは、Si/SiO₂（$0.5\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$）およびSi/SiGe（$0.8\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$）など、他の主要なキュービット材料と同等または優れている。
• Coulombピーク走査時に一貫した装置条件を維持することで、ノイズ測定がインピーダンス由来のアーチファクトに対して頑健であることが確認された。