[논문 리뷰] Germanium wafers for strained quantum wells with low disorder

Lucas E. A. Stehouwer, Alberto Tosato외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 15.

Advanced Data Storage Technologies참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 100 mm 게르마늄 웨이퍼에 직접적으로 스트레인된 Ge/SiGe 이종구조를 성장시킴으로써 테이퍼 디스locations 밀도를 (6±1)×10⁵ cm⁻²로 감소시켜 실리콘 웨이퍼에 비해 거의 10배 낮추며, 초저조직의 이차원 구멍 가스를 구현함으로써, (1.22±0.03)×10¹⁰ cm⁻²의 퍼콜레이션 밀도와 포화된 구멍 농도에서 (8.4±0.5)×10⁴ cm²/Vs의 기록적인 양자 이동도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 실리콘 웨이퍼에 성장된 전통적인 Ge/SiGe 이종구조에서의 높은 조직도와 테이퍼 디스클로케이션 밀도 문제를 해결하기 위해.
• 스트레인된 양자우물 내 이차원 구멍 가스(2DHG)의 결정 품질과 전자적 성질을 향상시키기 위해.
• 단거리 산란과 응력 변동을 감소시킴으로써 게르마늄 기반 스핀 큐비트 아키텍처의 고성능 및 확장성 향상을 위해.
• 고품질 SiGe 스트레인 완화 버퍼를 위한 양자 장치 응용 분야에서 게르마늄 웨이퍼를 열등한 기초재로 설정하기 위해.
• 미래의 양자 프로세서를 위한 제4족 반도체에서 저조직도 구멍 시스템의 기준을 제시하기 위해.

제안 방법

• 100 mm 인트리닉 게르마늄 웨이퍼에 감압화학기상증착(RPCVD)을 이용한 Ge/SiGe 이종구조 성장.
• Ge 기초재에 적합한 격자 매칭 성장을 위해 1-x = 0.07, 0.13, 0.17에서 조성 단계를 가진 정방향으로 변화하는 SiGe 스트레인 완화 버퍼(SRB) 사용.
• 고체계면을 확보하기 위해 800 °C에서의 인라인 열처리 후, 양자우물 및 캡층에 대해 500 °C에서 에피택셜 성장을 수행.
• 외부에서 HF 담그기 에칭 및 인라인 베이킹을 통해 에피택시에 적합한 고품질 게르마늄 웨이퍼 표면을 준비.
• 홀 바 장치의 전기적 특성을 분석하여 퍼콜레이션 밀도, 이동도, 양자 이동도를 추출하기 위해 홀 바 필드효과트랜지스터(H-FET)를 통한 정량적 운반성질 분석.
• 효율 질량이나 수명을 가정하지 않고, μ_q = (1 + √(B_c^odd / B_c^even)) / (2 B_c^odd) 식을 사용하여 양자 이동도를 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ge 웨이퍼에 직접적으로 Ge/SiGe 이종구조를 성장시키는 것이 실리콘 기초재에 비해 테이퍼 디스클로케이션 밀도를 크게 감소시키는가?
• RQ2 감소된 디스클로케이션 밀도가 스트레인된 Ge 양자우물 내 이차원 구멍 가스의 조직도 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 향상된 결정 품질이 Ge/SiGe 이종구조 내에서 양자 이동도와 퍼콜레이션 밀도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 Ge 웨이퍼를 기초재로 사용함으로써 게르마늄 기반 스핀 큐비트 아키텍처의 성능 향상과 확장성 향상이 가능한가?
• RQ5 억제된 응력 변동과 단거리 산만이 이러한 이종구조 내 2DHG의 운반 특성 지표에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Ge 기초재에 성장된 Ge-rich SiGe 스트레인 완화 버퍼의 테이퍼 디스클로케이션 밀도는 (6±1)×10⁵ cm⁻²로, 실리콘 웨이퍼에 성장된 제어 샘플에 비해 거의 10배 감소한 것으로 나타났다.
• 이차원 구멍 가스는 (1.22±0.03)×10¹⁰ cm⁻²의 퍼콜레이션 밀도를 보이며, 극도로 낮은 조직도와 높은 균일성을 나타낸다.
• 포화된 구멍 농도 (1.65±0.02)×10¹¹ cm⁻²에서 최대 양자 이동도가 (8.4±0.5)×10⁴ cm²/Vs에 도달하여 이전 결과에 비해 크게 향상되었다.
• 최대 이동도 (3.4±0.1)×10⁶ cm²/Vs는 실리콘 웨이퍼에 성장된 제어 이종구조의 이동도보다 3배 이상 높았다.
• 관측된 양자 이동도는 보수적인 것으로 평가되며, 낮은 자기장에서 셰브니코프-드 하아스 진동의 시작이 작은 농도 비균일성에 의해 제한될 수 있기 때문이다.
• 이 결과는 제4족 반도체 이종구조에서의 구멍 이동도 향상과 조직도 억제를 위한 새로운 기준을 설정하며, 차세대 양자 장치의 실현 가능성을 열어준다.