[论文解读] Germanium wafers for strained quantum wells with low disorder

Lucas E. A. Stehouwer, Alberto Tosato+5 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2023

Advanced Data Storage Technologies参考文献 3被引用 5

一句话总结

本研究证明，在100 mm本征锗晶圆上直接外延生长应变Ge/SiGe异质结构，可将螺型位错密度降低至(6±1)×10⁵ cm⁻²——较在硅晶圆上生长的样品降低近一个数量级——从而形成具有超低无序度的二维空穴气，其渗滤密度为(1.22±0.03)×10¹⁰ cm⁻²，且在空穴密度饱和时实现(8.4±0.5)×10⁴ cm²/Vs的创纪录量子迁移率。

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.

研究动机与目标

• 解决在硅晶圆上外延生长的传统Ge/SiGe异质结构中高无序度与螺型位错密度的问题。
• 改善应变量子阱中二维空穴气（2DHG）的晶体质量与电子特性。
• 通过减少短程散射与应变涨落，提升锗基自旋量子比特架构的性能与可扩展性。
• 确立锗晶圆作为高质量SiGe应变弛豫缓冲层在量子器件应用中的优越衬底地位。
• 为未来量子处理器中组IV半导体低无序空穴系统提供基准参考。

提出的方法

• 采用低压金属有机化学气相外延（RPCVD）在100 mm本征锗晶圆上外延生长Ge/SiGe异质结构。
• 采用前向渐变SiGe应变弛豫缓冲层（SRB），在1-x = 0.07、0.13、0.17处设置组分台阶，实现与Ge衬底的晶格匹配生长。
• 在800 °C下进行原位热处理，随后在500 °C下外延生长量子阱与盖层，以确保界面清晰。
• 采用外置HF浸蚀与原位烘烤工艺，对高质锗晶圆表面进行预处理以利于外延生长。
• 通过霍尔条场效应晶体管（H-FET）对输运特性进行定量分析，提取渗滤密度、迁移率与量子迁移率。
• 采用公式 μ_q = (1 + √(B_c^odd / B_c^even)) / (2 B_c^odd) 估算量子迁移率，无需假设有效质量或寿命。

实验结果

研究问题

• RQ1 在锗晶圆上直接外延生长Ge/SiGe异质结构是否能显著降低螺型位错密度，相较于硅衬底？
• RQ2 降低的位错密度如何影响应变Ge量子阱中二维空穴气的无序特性？
• RQ3 晶体质量的提升在多大程度上增强了Ge/SiGe异质结构中的量子迁移率与渗滤密度？
• RQ4 使用锗晶圆作为衬底是否能实现更高性能与可扩展性的锗基自旋量子比特架构？
• RQ5 抑制应变涨落与短程散射对这些异质结构中二维空穴气输运参数有何影响？

主要发现

• 在锗晶圆上生长的Ge富集SiGe应变弛豫缓冲层中，螺型位错密度为(6±1)×10⁵ cm⁻²，较硅衬底上的对照样品降低近十倍。
• 二维空穴气表现出(1.22±0.03)×10¹⁰ cm⁻²的渗滤密度，表明无序度极低且均匀性优异。
• 在空穴密度饱和至(1.65±0.02)×10¹¹ cm⁻²时，最大量子迁移率达到(8.4±0.5)×10⁴ cm²/Vs，显著优于以往结果。
• 最大迁移率(3.4±0.1)×10⁶ cm²/Vs，较在硅晶圆上生长的对照异质结构高出三倍以上。
• 所观测到的量子迁移率具有保守性，因微小的密度不均匀性可能限制低磁场下Shubnikov–de Haas振荡的起始。
• 本研究为组IV半导体异质结构中空穴迁移率与无序抑制设立了新基准，为下一代量子器件铺平道路。