《Advanced Science》：Buried Unstrained Germanium Channels: A Lattice-Matched Platform for Quantum Technology
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应变锗（ε-Ge）和应变硅（ε-Si）埋入式量子阱使得先进的自旋量子比特量子处理器成为可能。然而，由于缺乏合适的晶格匹配衬底，ε-Ge和ε-Si通常沉积在有缺陷的、渐变弛豫的SiGe缓冲层上，这可能会影响器件性能和可扩展性。本文介绍了一种基于体材料无应变Ge与
应变锗（ε-Ge）和应变硅（ε-Si）埋入式量子阱使得先进的自旋量子比特量子处理器成为可能。然而，由于缺乏合适的晶格匹配衬底，ε-Ge和ε-Si通常沉积在有缺陷的、渐变弛豫的SiGe缓冲层上，这可能会影响器件性能和可扩展性。本文介绍了一种基于体材料无应变Ge与晶格匹配的应变硅锗（ε-SiGe）势垒之间异质结的替代平台，完全消除了对渐变缓冲层的需要。在具有52纳米厚ε-SiGe势垒的结构中，研究人员展示了一种低无序的二维空穴气（2DHG），其具有高迁移率（1.5×105cm2/Vs）和低渗流密度（1.1×1010cm?2）。量子输运研究表明，限制在埋入式无应变Ge沟道中的空穴具有强烈的依赖于密度的面内有效质量（m?）和面外g因子（g?），这与理论相符，表明存在显著的重空穴-轻空穴（HH-LH）混合。量子点接触中塞曼分裂能级的测量进一步突出了这一特征，显示Ge中的面内g因子比ε-Ge中大两倍。该平台具有强自旋轨道相互作用（SOI）、同位素纯化以及与超导配对相关的潜力，使其对于快速量子硬件和混合量子系统具有吸引力。
论文解读：埋入式无应变锗沟道——晶格匹配量子技术平台的突破
研究背景与动机
半导体量子技术的发展依赖于材料的持续进步，特别是基于量子点中的自旋量子比特和超导体-半导体混合器件。早期的自旋量子比特在GaAs基异质结构中实现，但由于III-V族材料中丰富的核自旋导致超精细相互作用强烈限制了自旋相干性，促使研究转向核自旋极少且可进一步同位素纯化的IV族半导体Si和Ge。在Si金属氧化物半导体器件（Si-MOS）中，尽管实现了长自旋相干时间和先进的制造兼容性，但其量子比特定义在半导体-氧化物界面，引入了静电无序和电荷噪声，对扩展构成挑战。另一种方案是利用应变锗（ε-Ge）和应变硅（ε-Si）埋入式量子阱，通过外延SiGe势垒将噪声界面隔离。然而，由于缺乏高质量的SiGe晶圆，这些量子阱通常生长在充当渐变质衬底的弛豫SiGe缓冲层上。这些缓冲层依靠位错网络释放应变，本质上是缺陷性的，会在应变量子阱中引入地形、应变、化学和能带偏移涨落，从而挑战量子器件的性能和跨晶圆均匀性。
研究内容与意义
针对上述挑战，研究人员开发了一种IV族半导体异质结构，旨在单一材料堆栈中结合埋入沟道的低静电无序、与衬底的晶格匹配以实现无缺陷晶体以及同位素纯化的可能性这三个自旋量子比特材料的关键优点。该异质结构基于无应变Ge与拉伸应变SiGe（ε-SiGe）势垒之间的异质结，该势垒与原始Ge衬底晶格匹配，消除了对渐变衬底的需求。这项研究验证了近期利用Ge晶圆进行SiGe异质结构外延的理念，实现了利用相干应变SiGe势垒在Ge衬底上形成二维系统的设计原则。相关研究成果发表在《Advanced Science》期刊上。
关键技术方法
研究人员采用低压化学气相沉积法在Ge(001)晶圆上生长晶格匹配的Ge/ε-SiGe异质结构。半导体堆栈设计包括未掺杂的外延Ge缓冲层、拉伸应变的ε-Si0.2Ge0.8势垒和最终的牺牲Si帽。通过低热处理预算工艺制造霍尔棒形异质结构场效应晶体管（H-FETs），该工艺具有铂-锗硅化物欧姆接触和Al2O3/Ti/Pd栅极堆栈。研究人员利用一维薛定谔-泊松模拟对重空穴（HH）和轻空穴（LH）沿生长方向的能带边缘进行了仿真，并结合高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、能量色散X射线（EDX）谱以及X射线衍射倒易空间映射对材料进行了表征。此外，通过四端低频锁相技术在稀释冰箱中对H-FET进行了磁输运测量，并利用原子力显微镜（AFM）对量子点接触（QPC）器件进行了表征。
研究结果
1. 结果与讨论（Results and Discussion）
异质结构与栅极堆栈设计
通过仿真显示，顶部绝缘栅的电场在埋入的Ge/ε-SiGe异质结处诱导出一个三角量子阱，用于积累二维空穴气（2DHG）。HH波函数主要位于无应变Ge层中，在异质结处由ε-SiGe层中的应变诱导HH和LH能带分裂以及Ge层内栅极感应电荷的量子限制共同促成了空穴限制，能带偏移约为50 meV。HAADF-STEM图像证实了高质量的外延沉积，且没有可见缺陷穿过埋入异质结，估算的异质结界面特征长度尺度约为2.3 nm。X射线衍射分析表明ε-SiGe和Ge峰位于同一垂直线上，晶格间距差异仅为0.07%，证实了异质结构是晶格匹配的，且Pendell?sung条纹表明了高结晶质量和平坦平行的界面。
电学特性表征
对H-FET的磁输运测量显示，在积累模式下形成了2DHG，载流子密度可调。栅压与霍尔密度的线性关系证实了电容感应沟道的形成，排除了向SiGe LH态或表面的电荷隧穿。估算的单位面积电容为6.7×10?4F/m2，与类似势垒和介电层厚度的ε-Ge量子阱一致。测得的最小霍尔密度为1.1×1010cm?2，暗示了极低的无序度。空穴迁移率最高达到1.5×105cm2/Vs，通过二维渗流理论拟合得到的临界密度为1.1×1010cm?2，表明在低载流子密度下具有与ε-Ge/SiGe相当的低无序电势景观。Landau能级风扇图显示了整数和分数量子霍尔态，特别是在固定密度下观察到了对应填充因子ν=1/3的极小值，这是分数量子霍尔态的标志。
能带结构与量子输运
通过对Ge/ε-SiGe应变势垒异质结和参考的ε-Ge量子阱的能带结构模拟，研究人员评估了有效质量（m?）和g因子（g?）。在无应变Ge沟道中，HH-LH能带分裂较小（约30 meV），主要由电场诱导的量子限制引起，导致HH基态色散表现出强烈的非抛物线性和自旋依赖性。通过Shubnikov-de Haas振荡电阻率最小值的热衰减提取参数，发现随着密度增加，Ge/ε-SiGe中的m?增大而g?减小，这与HH-LH混合增强的理论预测一致。在最低测量密度下，有效质量为0.11m0，g?为4.85。
量子点接触（QPC）研究
研究人员制备了QPC器件以进一步探究HH-LH混合态的电子和自旋特性。AFM图像显示，ε-Ge量子阱中存在与QPC纳米级栅电极尺寸相当的十字纹图案，而晶格匹配的Ge/ε-SiGe平台则无此现象。源漏偏置谱显示了清晰的1D子带量子化。从子带能量间距分析来看，无应变Ge沟道的间距减小反映了预期较重的有效质量。塞曼谱显示，Ge/ε-SiGe中的无应变Ge QPC表现出比ε-Ge/SiGe更高的面内g因子，这与增强的重空穴-轻空穴混合有关。
结论
研究人员介绍并实验验证了一种在缺陷自由晶体宿主环境中容纳高质量埋入沟道的IV族半导体平台。由于该平台与Ge衬底晶格匹配，消除了对应变弛豫缓冲层的需求，有望提高未来基于此平台的量子点器件在同质性和可扩展性方面的表现。Ge/ε-SiGe异质结构中应变和能带偏移的涨落极小，导致能带结构参数对外界电场高度敏感，为在低无序、无位错的平面平台上进行量子工程提供了途径。无应变Ge层中由丰富的价带结构诱导的强HH-LH混合，诱导了可调的面外g因子和面内有效质量。进一步限制到QPC的研究突显了HH和LH的强混合，与ε-Ge相比，Ge中的子带能更小而g因子更大。无应变Ge层有望用于空穴自旋量子比特，预计与ε-Ge量子阱相比，拉比频率和品质因数显著提高。这种低无序系统中预期的增强自旋轨道耦合，加上承载超导配对相关性和观察分数量子霍尔态的潜力，使得这种无位错Ge平台对于基于自旋量子比特的快速量子硬件、基于半导体-超导量子器件的混合量子系统以及基础凝聚态物理研究具有广阔前景。
