[논문 리뷰] Electrical Properties of Selective-Area-Grown Superconductor-Semiconductor Hybrid Structures on Silicon

Albert Hertel, L.O. Andersen외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 08.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 57인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 III-V 버퍼층 위에 선택적 영역에서 성장시킨 알루미늄-인간화갈륨산화물(Al-InAs) 이종구조를 이용해 실리콘 기반의 확장 가능하고 단일 구조의 초전도체-반도체 하이브리드 플랫폼을 제시한다. 이 플랫폼은 높은 전자 이동도(≈3200 cm²/Vs), 딱딱한 유도 초전도 갭, 높은 투과도(T ≈ 0.75)를 가진 조지프슨 접합을 실현하며, 게이트 전압 조절이 가능한 스위칭 전류(ICRN ≈ 83 µV)와 다중 앤드리브 반사의 명확한 신호를 보이며, 실리콘 기반에서 고코herency, 게이트 조절이 가능한 트랜스몬 큐비트를 실현한다.

ABSTRACT

We present a superconductor-semiconductor material system that is both scalable and monolithically integrated on a silicon substrate. It uses selective area growth of Al-InAs hybrid structures on a planar III-V buffer layer, grown directly on a high resistivity silicon substrate. We characterized the electrical properties of this material system at millikelvin temperatures and observed a high average field-effect mobility of $\mu \approx 3200\,\mathrm{cm^2/Vs}$ for the InAs channel, and a hard induced superconducting gap. Josephson junctions exhibited a high interface transmission, $\mathcal{T} \approx 0.75 $, gate voltage tunable switching current with a product of critical current and normal state resistance, $I_{\mathrm{C}}R_{\mathrm{N}} \approx 83\,\mathrm{\mu V}$, and signatures of multiple Andreev reflections. These results pave the way for scalable and high coherent gate voltage tunable transmon devices and other superconductor-semiconductor hybrids fabricated directly on silicon.

연구 동기 및 목표

• 고장내성 양자 컴퓨팅을 위한 실리콘 기반의 확장 가능하고 단일 구조의 초전도체-반도체 하이브리드 플랫폼을 개발하기 위해.
• 나노와이어나 2DEG 기반의 이전 게이트모 큐비트 플랫폼에서의 확장성과 코herency의 한계를 극복하기 위해.
• 저손실 실리콘 기반 기판과 고품질 Al-InAs 인터페이스를 통합하여 큐비트의 코herency를 향상시키기 위해.
• 트랜스몬 큐비트 응용을 위한 조지프슨 접합의 게이트 전압 조절 가능성과 고투과도를 입증하기 위해.
• 플랫폼의 적합성을 검증하기 위해 밀리켈빈 온도에서 전기적 특성을 특성화하기 위해.

제안 방법

• 플레인 인간화갈륨산화물 나노워이어를 GaAs/GaP/Si 버퍼층 위에서 선택적 영역 분자빔 에피택시(MBE)를 이용해 성장시켰다.
• 원자층 증착 및 전자빔 리터그래피를 통해 선택적 알루미늄 및 인간화갈륨산화물 성장을 위한 유전체 마스크를 정의하였다.
• InAs 채널 내 전자 이동도를 추출하기 위해 필드효과 트랜지스터(FET)를 제작하였다.
• 정상 도체-절연체-초전도체(NIS) 접합을 사용하여 초전도체-반도체 인터페이스 품질을 조사하였다.
• 전류-전압(I-V) 측정을 통해 조지프슨 접합을 특성화하여 ICRN, 접합 투과도 T, 초과 전류를 추출하였다.
• 게이트 전압과 편향에 따른 미분 저항 분석을 통해 다중 앤드리브 반사(MAR) 특징을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고이동도, 게이트 조절이 가능한 초전도체-반도체 하이브리드는 디코herence를 최소화하면서 실리콘 기반에 단일 구조로 통합될 수 있는가?
• RQ2 선택적 영역 에피택시를 통해 실리콘 기반에 성장한 알루미늄-인간화갈륨산화물 이종구조에서 전자 이동도와 인터페이스 투과도는 얼마인가?
• RQ3 이 플랫폼에서 조지프슨 접합의 투과도와 ICRN 곱은 장치 기하학적 구조와 게이트 전압에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 이 접합에서 다중 앤드리브 반사 현상이 관측 가능한가, 이는 높은 인터페이스 투과도와 코herent한 전도를 나타내는가?
• RQ5 이 플랫폼은 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 적합한 고코herency, 게이트 조절이 가능한 트랜스몬 큐비트를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• InAs 채널은 밀리켈빈 온도에서 평균적으로 높은 필드효과 이동도 μ ≈ 3200 cm²/Vs를 나타내었다.
• 조지프슨 접합은 높은 인터페이스 투과도 T ≈ 0.75를 보이며, 고품질의 초전도체-반도체 인터페이스를 나타낸다.
• 임계 전류와 정상 상태 저항 곱(ICRN)은 약 83 µV로 측정되었으며, 게이트 전압 조절 가능성이 관측되었다.
• 다중 앤드리브 반사(MAR) 특징은 명확하게 해석되었으며, 전압 Vnm = 2Δ/m에서 나타나, 코herent한 앤드리브 전도를 확인한다.
• 플랫폼는 딱딱한 유도 초전도 갭과 낮은 초과 전류를 보이며, 고체 상태 상태의 억제를 나타낸다.
• 장치 F는 낮은 ICRN와 T를 보이며, 인터페이스 품질의 변동성을 시사하지만, 나머지 장치들은 높은 성능 유지를 보였다.