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QUICK REVIEW

[논문 리뷰] Impact of interface traps on charge noise, mobility and percolation density in Ge/SiGe heterostructures

Leonardo Massai, Bence Hetényi|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 09.
Quantum and electron transport phenomena인용 수 5
한 줄 요약

이 연구는 스핀 큐비트의 안정적 운영을 위한 핵심 요소인 산화물과의 이방면에서의 인터페이스 트랩이 Ge/SiGe 헤테로구조에서 전하 노이즈, 히스테리시스 및 열화된 운반성의 주요 원인임을 규명한다. 점점 더 음성의 게이트 전압을 적용함으로써, 저밀도 이동도와 퍼콜레이션 밀도는 감소하고, 지속적인 전기적 불순물 불규칙성이 발생하며, 1/f² 스펙트럼을 가지는 저주파 전하 노이즈가 증가함을 입증한다. 이 노이즈는 약 1일 동안 감쇠되며, 이는 안정적인 스핀 큐비트 작동을 위한 인터페이스 품질의 중요성을 강조한다.

ABSTRACT

Hole spins in Ge/SiGe heterostructure quantum dots have emerged as promising qubits for quantum computation. The strong spin-orbit coupling (SOC), characteristic of heavy-hole states in Ge, enables fast and all-electrical qubit control. However, SOC also increases the susceptibility of spin qubits to charge noise. While qubit coherence can be significantly improved by operating at sweet spots with reduced hyperfine or charge noise sensitivity, the latter ultimately limits coherence, underlining the importance of understanding and reducing charge noise at its source. In this work, we study the voltage-induced hysteresis commonly observed in SiGe-based quantum devices and show that the dominant charge fluctuators are localized at the semiconductor-oxide interface. By applying increasingly negative gate voltages to Hall bar and quantum dot devices, we investigate how the hysteretic filling of interface traps impacts transport metrics and charge noise. We find that the gate-induced accumulation and trapping of charge at the SiGe-oxide interface leads to an increased electrostatic disorder, as probed by transport measurements, as well as the activation of low-frequency relaxation dynamics, resulting in slow drifts and increased charge noise levels. Our results highlight the importance of a conservative device tuning strategy and reveal the critical role of the semiconductor-oxide interface in SiGe heterostructures for spin qubit applications.

연구 동기 및 목표

  • 스핀 큐비트에 사용되는 Ge/SiGe 헤테로구조에서 전압 유도 히스테리시스 및 전하 노이즈의 기원을 규명하는 것.
  • SiGe-산화물 인터페이스의 인터페이스 트랩이 전하 노이즈 증가 및 운반성 열화의 원인인지 확인하는 것.
  • 트랩 충전이 양자점 및 홀 바에서 저밀도 이동도, 퍼콜레이션 밀도 및 전하 노이즈 동역학에 미치는 영향을 평가하는 것.
  • 게이트 전압 사이클링 이후 트랩 유도 효과의 가역성 및 복구 timescale을 평가하는 것.
  • Ge 기반 양자 장치의 안정적이고 재현 가능한 작동을 위한 보수적인 튜닝 전략 수립

제안 방법

  • 점점 더 음성의 게이트 전압을 적용하여 트랩 충전 동역학을 탐색하기 위해 홀 바 및 양자점 장치에서 전압 스윕을 수행하였다.
  • 저밀도 이동도 및 퍼콜레이션 밀도를 최소 게이트 전압의 기능으로 추출하기 위해 자화율 및 미분 전도도를 측정하였다.
  • 쿠론브 피크 추적(CPT) 및 파wer 스펙트럼 밀도(PSD) 분석을 사용하여 전하 노이즈를 정량화하였으며, 거기에 파워 법칙 모델(S₀/f^α)을 피팅하였다.
  • 전압 사이클링 이후 30시간 이상 전하 노이즈의 시간적 진화를 모니터링하여 트랩된 전하의 복구 동역학을 평가하였다.
  • 봉쇄 게이트에서의 사이클릭 전압 스윕을 수행하여 게이트 전극 근처의 국소적 트랩 충전을 확인하였으며, 이는 인터페이스 기원임을 확인하였다.
  • 열 사이클링을 사용하여 트랩된 전하를 초기화함으로써, 운반성 지표 및 노이즈 변화와 인터페이스 트랩 충전 정도를 상관관계 분석하였다.
Figure 1: Device layouts and Ge/SiGe heterostructure : a , Schematic illustration of the measurement setup and Hall bars used for magnetoresistance measurements. The Hall bar gate is defined either in GL1 (green) or GL2 (blue) for HB 1 and HB 2 , respectively. Nominally, the channel width is $W=20$
Figure 1: Device layouts and Ge/SiGe heterostructure : a , Schematic illustration of the measurement setup and Hall bars used for magnetoresistance measurements. The Hall bar gate is defined either in GL1 (green) or GL2 (blue) for HB 1 and HB 2 , respectively. Nominally, the channel width is $W=20$

실험 결과

연구 질문

  • RQ1왜 SiGe 기반 양자 장치에서 전압 유도 히스테리시스가 일반적으로 관찰되는가?
  • RQ2SiGe-산화물 이방면에서의 인터페이스 트랩은 Ge/SiGe 헤테로구조에서 저밀도 이동도 및 퍼콜레이션 밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
  • RQ3음성 게이트 전압 하에서 관찰되는 증가된 저주파 전하 노이즈의 기원과 시간 상수는 무엇인가?
  • RQ4저밀도 운반성 특성의 현저한 열화에도 불구하고 피크 이동도가 그대로 유지되는 이유는 무엇인가?
  • RQ5트랩 유도 불순물 및 노이즈는 게이트 전압 재설정으로 복구될 수 있는가, 아니면 열 사이클링이 필요한가?

주요 결과

  • 전압 유도 히스테리시스는 부품 결함이 아니라 SiGe-산화물 인터페이스에서의 인터페이스 트랩 점진적 충전에서 기인한다.
  • 저밀도 이동도 및 퍼콜레이션 밀도는 점점 더 음성의 게이트 전압이 증가함에 따라 강하게 상관관계를 가지며 반비례하게 감소하며, 지속적인 전기적 불순물 불규칙성을 나타낸다.
  • 피크 이동도는 거의 변화하지 않으며, 이는 저밀도 및 소수의 운반자 영역 장치에 대한 기준으로서의 부적합성을 보여준다.
  • 전하 노이즈는 저주파수 범위(f < 10⁻² Hz)에서 1/f² 스펙트럼 성분을 가지며, V_min가 더 음성이지록 증가함에 따라 증가함을 나타내어, 트랩된 전하의 느린 회복 동역학을 시사한다.
  • 증가한 저주파 노이즈는 약 1일 동안 단조롭게 감쇠되며, 이는 인터페이스에 트랩된 전하의 시간 의존적 회복 과정을 확인한다.
  • 열 사이클링은 인터페이스 트랩 인구를 완전히 초기화하지만, 0V 게이트 전압으로 복귀하는 것은 그렇지 않으며, 이는 전압 반전으로 트랩 상태가 완전히 비어나지 않는다는 것을 의미한다.
Figure 2: Hall bar measurement data and analysis for HB 2 : a , Schematic diagram illustrating the measurement protocol. b , Channel turn-on curves for $V_{\text{min}}$ decreasing from $-0.15$ V (red) to $-3$ V (blue). The grey dashed line marks 90 $\%$ of $I_{\rm{xx,max}}$ , used to extract the tur
Figure 2: Hall bar measurement data and analysis for HB 2 : a , Schematic diagram illustrating the measurement protocol. b , Channel turn-on curves for $V_{\text{min}}$ decreasing from $-0.15$ V (red) to $-3$ V (blue). The grey dashed line marks 90 $\%$ of $I_{\rm{xx,max}}$ , used to extract the tur

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