在硅衬底上受压缩应变的锗材料中，空穴迁移率超过7 × 10^6 cm2V?1s?1

《Materials Today》：Hole mobility in compressively strained germanium on silicon exceeds 7 × 106 cm2V-1s?1

本文在硅衬底上通过外延生长技术制备了压缩应变硅（cs-Ge）量子阱，实现了空穴迁移率7.15×10^6 cm2/V·s的新纪录，密度为1.7×10^11 cm?2。该结构兼具高迁移率、低远程界面散射和优异电调控制特性，为量子计算和低功耗电子设备提供了兼容CMOS的硅基平台。

　　在现代电子技术的发展中，高载流子迁移率的实现是推动先进经典电子设备和量子电子器件的关键因素。这项研究聚焦于在硅基平台上实现超高迁移率的空穴系统，为下一代低功耗电子器件和量子计算技术提供了新的可能性。研究人员通过精确的材料工程手段，在压缩应变的锗层中实现了前所未有的空穴迁移率，这标志着在第四组半导体材料中，空穴传输性能的突破性进展。

研究团队利用先进的外延生长技术，成功构建了压缩应变的锗-硅异质结构（cs-GoS）。该结构包含一个30纳米厚的压缩应变锗量子阱（QW），夹在放松的Si_0.15Ge_0.85缓冲层和盖层之间，直接生长在150毫米的Si(001)衬底上。这种设计不仅有效抑制了位错的产生，还显著降低了背景杂质的引入，从而实现了高效的应变传递和高质量的结构特性。这些特性是实现超高迁移率的核心基础。

为了实现对空穴气体（2DHG）的精确电场调控，研究人员在量子阱顶部沉积了一层50纳米厚的Al₂O₃介电层，并在其上设置Ti/Au金属栅极电极。这种电极结构能够实现对2DHG的高效电调制，同时保证了低噪声的测量条件。通过这种结构设计，团队能够在极低温环境下（如270毫开尔文）对空穴迁移率进行精确控制，并且保持极低的电滞效应，这为量子电子器件的稳定运行提供了保障。

在实验过程中，团队对不同载流子密度下的空穴迁移率进行了详细研究。结果显示，在极低温（270 mK）和特定载流子密度（1.7×10¹¹ cm^?2）下，空穴迁移率达到了7.15×10⁶ cm²V^?1s^?1，这是目前记录中的最高值之一。这一发现不仅突显了cs-Ge在硅基平台上的卓越性能，也表明通过精确的应变工程和界面优化，可以实现与硅技术兼容的高性能量子材料。

此外，研究还探讨了空穴迁移率与载流子密度之间的关系。在低密度区域，迁移率呈现出对数关系，表明背景离子杂质散射是主要限制因素。随着载流子密度的增加，迁移率逐渐上升，并在某个临界点后出现饱和现象。这一非单调的迁移率变化反映了界面电荷和背景杂质之间的复杂相互作用。在更高密度下，迁移率的恢复进一步证明了增强的静电屏蔽效应和远程电荷的重新配置，使得空穴的传输性能得到显著提升。

研究还强调了界面电荷密度对迁移率的影响。通过调控栅极电压，团队能够精确控制界面电荷，从而影响空穴的迁移行为。实验数据显示，当界面电荷密度较高时，迁移率会相应降低，但随着载流子密度的增加，迁移率的恢复表明系统具有较强的自适应能力。这种动态平衡机制对于理解空穴在异质结构中的传输行为至关重要，也为进一步优化材料结构和界面特性提供了理论依据。

研究团队还对比了不同厚度的量子阱结构，发现30纳米厚度的cs-Ge量子阱在迁移率表现上优于15纳米厚度的结构。这一结果与理论预测相符，表明在相同的远程和背景离子杂质条件下，较宽的量子阱结构能够提供更优的传输性能。这种性能优势主要归因于界面电荷密度的优化和静电屏蔽效应的增强。

这项研究不仅在实验上验证了空穴在压缩应变锗中的高迁移率特性，还通过系统化的测量和分析揭示了影响迁移率的关键因素。这些因素包括应变工程、界面电荷调控、静电屏蔽效应以及载流子密度的动态变化。通过对这些机制的深入理解，研究团队为未来在硅基平台上实现高性能量子器件和经典电子设备提供了坚实的理论和技术基础。

在应用层面，这一成果对于量子计算、低功耗电子器件和人工智能技术具有重要意义。高迁移率的空穴系统能够支持更快的器件运行速度、更低的能耗以及更有效的量子比特操控。此外，由于压缩应变锗在硅技术上的兼容性，这种材料平台具备大规模集成的潜力，能够满足未来大规模量子计算和数据中心的需求。

综上所述，这项研究通过创新的材料设计和精确的工艺控制，实现了硅基平台上前所未有的空穴迁移率。这不仅推动了量子电子学的发展，也为未来的半导体技术提供了新的方向。研究团队通过系统性的实验和理论分析，揭示了影响空穴传输性能的关键机制，为进一步优化和应用这一平台奠定了基础。未来的研究可能会聚焦于进一步减少背景杂质和界面缺陷，以实现更接近理论极限的空穴迁移率，从而推动更高效的量子计算和电子技术的发展。