[논문 리뷰] Low percolation density and charge noise with holes in germanium

Mario Lodari, Nico W. Hendrickx외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 13.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 55 nm 깊이에 매립된 게르마늄 양자우물이 있는 평판형 Ge/SiGe 이종구조를 제시하며, 1 Hz에서 $2.1 \times 10^{10}\ \text{cm}^{-2}$의 낮은 침투 밀도와 $0.2\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$ 이하의 전하 노이즈를 달성한다. 저자들은 양자우물을 유전체 인터페이스에서 분리시켜 무질서와 전하 노이즈를 감소시켰으며, 게르마늄이 확장 가능한 저노이즈 스핀 큐비트를 위한 선도적 플랫폼이 됨을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 스핀 큐비트 어레이를 위한 게르마늄 기반 양자점에서 무질서와 전하 노이즈를 감소시키기 위해.
• 높은 이동도에도 불구하고 높은 침투 밀도와 노이즈를 보이는 浅층 Ge/SiGe 이종구조의 한계를 해결하기 위해.
• 표면과의 상호작용을 최소화하기 위해 55 nm 깊이의 매립된 양자우물을 가진 평판형 Ge/SiGe 이종구조를 설계하여 무질서와 유전체 결합을 감소시키기 위해.
• 홀 양자점에서 전하 노이즈를 측정하고 기준을 설정하여 반도체 큐비트의 새로운 저노이즈 표준을 확립하기 위해.
• 코울롱 피크 스캐닝을 통해 임피던스가 일치하는 조건을 유지함으로써 노이즈 수준이 장치의 고유 특성임을 검증하고 측정 오차의 영향을 배제하기 위해.

제안 방법

• Si(001) 웨이퍼 기반에서 감압 화학기상 에피택셜 방법을 사용해 Ge/SiGe 이종구조를 성장시키며, 게르마늄 양자우물과 반도체/유전체 인터페이스 사이의 간격을 55 nm로 설정한다.
• 홀-바 형상의 이종구조를 제작하고, 2차원 홀 운반체를 측정하여 침투 밀도와 양자 이동도를 추출한다.
• 플런저 게이트를 사용해 캐리어 밀도를 조절하고, 코울롱 피크를 스캔함으로써 전하 노이즈를 탐지하는 게이트 정의된 양자점을 활용한다.
• 코울롱 피크의 끝부분과 정상에서 노이즈 스펙트럼을 비교하는 노이즈 측정 프로토콜을 도입하여, 임피던스 일관성을 확보함으로써 장치 노이즈를 증폭기 오차에서 분리한다.
• 코울롱 다이아몬드 측정을 통해 레버 암 캘리브레이션을 적용하여 게이트 전압 노이즈를 디튜닝 노이즈 스펙트럼 밀도로 변환한다.
• 캘리브레이션된 대역폭을 가진 전도도-전압 증폭기를 사용해 전류 노이즈 전력 스펙트럼 밀도를 측정한 후, $1/f$ 경향성에 맞추어 피팅하여 1 Hz에서의 노이즈를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게르마늄 양자우물과 유전체 인터페이스 사이의 거리를 증가시키면 Ge/SiGe 이종구조에서 침투 밀도와 무질서가 감소하는가?
• RQ2 깊이가 깊은 매립된 게르마늄 양자우물에 제작된 홀 양자점에서의 고유 전하 노이즈 수준은 얼마이며, 얕은 이종구조와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 코울롱 차폐 상태와 운반 상태 사이에서 장치 임피던스가 크게 변할 경우, 양자점에서 전하 노이즈를 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ4 얕은 경우에 비해 더 깊은 게르마늄 양자우물에서 양자 이동도와 단일 입자 리프레시 타임은 어느 정도 향상되는가?
• RQ5 이러한 게르마늄 기반 양자점의 전하 노이즈는 실리콘, GaAs, 또는 InSb와 같은 다른 주요 큐비트 플랫폼과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 55 nm 매립된 게르마늄 양자우물에서의 2차원 홀 운반체에 대한 침투 밀도는 $2.1 \times 10^{10}\ \text{cm}^{-2}$로 측정되어 무질서 잠재력 장면이 크게 감소한 것으로 나타났다.
• 양자 이동도는 $2.5 \times 10^{4}\ \text{cm}^2/\text{Vs}$에 도달하여 단일 입자 간의 위상 일관성이 향상되고 산란이 감소한 것으로 나타났다.
• 홀 양자점에서의 전하 노이즈는 1 Hz에서 $0.2\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$ 이하로 측정되었으며, 6개의 양자점 평균에서 $0.6\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$였다.
• 측정된 최저 전하 노이즈는 이전에 보고된 22 nm 깊이의 게르마늄 양자우물의 노이즈($1.4\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$)보다 한 단계 낮았다.
• 측정된 전하 노이즈는 실리콘/SiO₂($0.5\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$) 및 실리콘/SiGe($0.8\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$)와 유사하거나 뛰어난 수준이었다.
• 코울롱 피크 스캐닝 중 일관된 장치 조건을 유지함으로써 임피던스 유도 오차에 대한 민감도가 없음을 확인하여 노이즈 측정의 신뢰성이 입증되었다.