[论文解读] Low percolation density and charge noise with holes in germanium

Mario Lodari, Nico W. Hendrickx+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本文展示了具有55 nm深度埋藏锗量子阱的平面Ge/SiGe异质结构，实现了低渗漏密度$2.1 \times 10^{10}\ \text{cm}^{-2}$以及在1 Hz时低于$0.2\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$的电荷噪声。通过将量子阱与电介质界面解耦，作者降低了无序性和电荷噪声，确立了锗作为可扩展、低噪声自旋量子比特的领先平台。

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.

研究动机与目标

• 降低基于锗的量子点中的无序性和电荷噪声，以实现可扩展的自旋量子比特阵列。
• 解决浅层Ge/SiGe异质结构的局限性，尽管其迁移率高，但渗漏密度和噪声水平仍较高。
• 设计一种具有55 nm埋藏量子阱的平面Ge/SiGe异质结构，以最小化界面无序性和电介质耦合。
• 测量并基准化电荷噪声在空穴量子点中的表现，确立半导体量子比特的新低噪声标准。
• 通过在阻抗匹配条件下进行库仑峰扫描，验证噪声水平为器件本征特性而非测量伪影。

提出的方法

• 在Si(001)衬底上通过低压金属有机化学气相外延生长Ge/SiGe异质结构，使锗量子阱与半导体/电介质界面之间保持55 nm间距。
• 制备霍尔条形异质结构并测量二维空穴输运特性，以提取渗漏密度和量子迁移率。
• 采用门控定义的量子点及调制门，调节载流子密度，并通过扫描库仑峰探测电荷噪声。
• 实施一种噪声测量协议，比较库仑峰峰顶与侧翼的噪声谱，确保阻抗一致性，从而将器件噪声与放大器伪影分离。
• 利用库仑钻石测量结果进行力臂校准，将栅压噪声转换为能级失谐噪声功率谱密度。
• 使用带宽校准的跨阻放大器测量电流噪声功率谱密度，随后通过拟合$1/f$趋势以提取1 Hz处的噪声水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 增加锗量子阱与电介质界面之间的距离是否能降低Ge/SiGe异质结构中的渗漏密度和无序性？
• RQ2 在深度埋藏的锗量子阱中制造的空穴量子点的本征电荷噪声水平是多少？与较浅的异质结构相比如何？
• RQ3 当器件阻抗在库仑阻塞与输运区域之间显著变化时，能否在量子点中可靠地测量电荷噪声？
• RQ4 与浅层量子阱相比，更深的锗量子阱中量子迁移率和单粒子弛豫时间的提升程度如何？
• RQ5 这些锗基量子点中的电荷噪声与其它领先量子比特平台（如Si、GaAs或InSb）相比如何？

主要发现

• 在55 nm埋藏锗量子阱中，二维空穴输运的渗漏密度测量值为$2.1 \times 10^{10}\ \text{cm}^{-2}$，表明无序势垒显著降低。
• 量子迁移率达到$2.5 \times 10^{4}\ \text{cm}^2/\text{Vs}$，反映出增强的单粒子相干性和减少的散射。
• 空穴量子点中的电荷噪声在1 Hz时低于$0.2\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$的检测限，六个量子点的平均值为$0.6\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$。
• 测得的最低电荷噪声比此前报道的22 nm深锗量子阱（$1.4\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$）低一个数量级。
• 测得的电荷噪声水平与其它领先量子比特材料相当或更优，包括Si/SiO₂中的$0.5\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$和Si/SiGe中的$0.8\ \mu\text{eV}/\sqrt{\text{Hz}}$。
• 本研究通过在库仑峰扫描中保持一致的器件条件，证实了噪声测量对阻抗引起的伪影具有鲁棒性。