[论文解读] Electrical Properties of Selective-Area-Grown Superconductor-Semiconductor Hybrid Structures on Silicon

Albert Hertel, L.O. Andersen+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 57被引用 5

一句话总结

本论文提出了一种基于选择性区域外延生长的III-V缓冲层上Al-InAs异质结构的可扩展、单片式超导体-半导体混合平台，集成于硅基底上。该平台实现了高电子迁移率（≈3200 cm²/Vs）、硬诱导超导能隙，以及具有高透射率（T ≈ 0.75）、栅压可调的开关电流（ICRN ≈ 83 µV）和清晰的多重Andreev反射特征，从而实现了在硅基底上高相干、栅压可调的transmon量子比特。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于容错量子计算的可扩展、单片式硅基超导体-半导体混合平台。
• 克服基于纳米线或二维电子气（2DEG）的先前gatemon量子比特平台在可扩展性和相干性方面的局限性。
• 将高质量的Al-InAs界面与低损耗硅基底集成，以提升量子比特相干性。
• 展示约瑟夫森结的栅压可调性与高透射率，以适用于transmon量子比特应用。
• 在毫开尔文温度下表征电学特性，以验证该平台在量子器件中的适用性。

提出的方法

• 采用选择性区域分子束外延（MBE）在GaAs/GaP/Si缓冲层上外延生长平面状InAs纳米线。
• 利用原子层沉积与电子束光刻技术定义介质掩膜，以实现Al和InAs的选择性生长。
• 制备场效应晶体管（FET）以提取InAs沟道中的电子迁移率。
• 利用正常导体-绝缘体-超导体（NIS）结探测超导体-半导体界面质量。
• 通过电流-电压（I-V）测量表征约瑟夫森结，以提取ICRN、结透射率T及过量电流。
• 通过分析栅压与偏置电压下微分电阻的变化，识别多重Andreev反射（MAR）特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在硅基底上实现高迁移率、栅压可调的超导体-半导体异质结构，且退相干效应最小化？
• RQ2 通过选择性区域外延在硅上生长的Al-InAs异质结构中，电子迁移率与界面透射率如何？
• RQ3 在该平台中，约瑟夫森结的透射率与ICRN乘积如何随器件几何结构与栅压变化？
• RQ4 这些结中是否可观测到多重Andreev反射，表明界面高透射率与相干输运？
• RQ5 该平台能否支持高相干、栅压可调的transmon量子比特，适用于可扩展量子计算？

主要发现

• InAs沟道在毫开尔文温度下表现出约3200 cm²/Vs的高平均场效应迁移率。
• 约瑟夫森结显示出高界面透射率T ≈ 0.75，表明超导体-半导体界面质量优异。
• 临界电流与正常态电阻乘积（ICRN）测量值约为83 µV，且观察到栅压可调性。
• 多重Andreev反射特征被清晰分辨，出现在电压Vnm = 2Δ/m处，证实了相干Andreev输运。
• 该平台表现出硬诱导超导能隙与低过量电流，表明次能隙态被有效抑制。
• 器件F的ICRN与T值较低，表明界面质量存在变异性，而其他器件保持高性能。