[论文解读] Atomic fluctuations lifting the energy degeneracy in Si/SiGe quantum dots

Brian Paquelet Wuetz, Merritt P. Losert+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2021

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用 5

一句话总结

该论文提出，硅/硅锗量子点中原子尺度的锗浓度涨落是谷能级分裂差异性的主要来源，且通过有意在硅量子阱中引入少量锗，可使超过95%的器件实现谷能级分裂超过100 μeV。这一反直觉的方法利用固有的合金无序性，实现大而均匀的谷能级分裂，对硅量子处理器中可扩展自旋量子比特至关重要。

ABSTRACT

Electron spins in Si/SiGe quantum wells suffer from nearly degenerate conduction band valleys, which compete with the spin degree of freedom in the formation of qubits. Despite attempts to enhance the valley energy splitting deterministically, by engineering a sharp interface, valley splitting fluctuations remain a serious problem for qubit uniformity, needed to scale up to large quantum processors. Here, we elucidate and statistically predict the valley splitting by the holistic integration of 3D atomic-level properties, theory and transport. We find that the concentration fluctuations of Si and Ge atoms within the 3D landscape of Si/SiGe interfaces can explain the observed large spread of valley splitting from measurements on many quantum dot devices. Against the prevailing belief, we propose to boost these random alloy composition fluctuations by incorporating Ge atoms in the Si quantum well to statistically enhance valley splitting.

研究动机与目标

• 解决硅/硅锗量子点中长期存在的谷能级分裂差异性问题，该问题限制了量子比特的均匀性与可扩展性。
• 识别谷能级分裂分布的原子级起源，超越确定性界面工程的范畴。
• 提出一种实用策略，通过有意在硅量子阱中掺入锗原子来增强平均谷能级分裂。
• 证明可利用随机合金浓度涨落，实现大而统计稳健的谷能级分裂。
• 提供一个预测性框架，将三维原子尺度界面结构与电学器件行为及理论模型相联系。

提出的方法

• 结合三维原子探针穿刺术（APT）对硅/硅锗异质界面处的原子浓度涨落进行高空间分辨率测绘。
• 将实验获得的APT数据整合进原子尺度紧束缚模拟中，计算真实量子点几何结构下的谷能级分裂分布。
• 采用统计建模方法，将波函数重叠与富锗区域相关联，以预测谷能级分裂的增强。
• 模拟在量子阱中界面宽度与锗浓度（从0%到5%）变化下的谷能级分裂，评估性能权衡。
• 通过多个量子点器件的实验测量验证预测结果，谷能级分裂分布达到定量一致。
• 探究确定性界面清晰度与随机合金无序性之间的相互作用，以识别最优设计策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 硅/硅锗量子点中观察到的谷能级分裂广泛分布的原子尺度起源是什么？
• RQ2 硅量子阱内锗浓度涨落如何影响谷能级分裂的统计分布？
• RQ3 是否可通过有意在硅量子阱中掺入锗，使平均谷能级分裂超出典型的20–100 μeV范围？
• RQ4 原子尺度涨落在决定谷能级分裂时，其主导程度是否超过确定性界面效应？
• RQ5 当锗被引入量子阱时，增强谷能级分裂与电子迁移率之间的权衡关系如何？

主要发现

• 硅/硅锗界面中的原子浓度涨落足以解释实验观测到的硅/硅锗量子点中谷能级分裂的广泛分布。
• 在硅量子阱中掺杂5%锗可使平均谷能级分裂显著提高，使得超过95%的器件实现分裂大于100 μeV。
• 预测的95%器件谷能级分裂超过100 μeV的良率，超过典型工作温度20–100 mK，足以通过泡利自旋阻塞实现99%的读出保真度。
• 即使在低锗浓度（5%）下，浓度涨落带来的统计增强效应也导致谷能级分裂显著提升，其优势超过清晰界面带来的益处。
• 模拟结果表明，仅通过界面展宽可增加谷能级分裂，但该效应在实现高平均分裂方面仍不及量子阱中掺锗的效果。
• 所提出的策略虽反直觉但具实用性：利用内在合金随机性而非抑制它，从而实现可扩展的量子比特设计。