最先端の半導体デバイスが小型化、高性能化する過程で、量子ドット (QD) 単一の電子として/単一穴操作のコアユニットは、将来の量子コンピューティング、超高感度センシング、低電力ナノエレクトロニクスを構築するための重要な基礎とみなされます。その中でもゲルマニウム(ゲ) スピンが強いため-軌道結合、高いキャリア移動度、バレーフリー縮退特性、およびシベースCMOSプロセスの自然な互換性は、完全に電気的に制御されたホールスピン量子ビットを実現するための理想的な材料プラットフォームとなっています。
しかし、高解像度のフォトリソグラフィーを使用せずにゲルマニウム量子ドットの正確に制御可能な位置とサイズを実現する方法は長い間知られていなかった(Ge-QD) 統合は常に、その大規模アプリケーションを制限する中心的なボトルネックでした。現在、Ge-QDに基づく準備方法シ/ゲヘテロ接合エネルギーバンドエンジニアリングは実現可能ですが、極端紫外線または電子ビームリソグラフィーによる複数ゲートの静電制約に依存する必要があり、複雑でコストがかかります。ボトムアップの気体-液体-固体に基づいています (VLS) 触媒的な成長シ/ゲ異種ナノワイヤは「自然な」量子閉じ込めポテンシャルを持っていますが、ナノワイヤの垂直方向の成長特性によって制限され、その後のデバイスの準備のために平面への追加の転写が必要となり、信頼性の高い電気接続とアレイの統合が著しく妨げられます。
最近、当大学のYu Linwei教授とWang Junzhuan教授の研究グループは、面内固体-液体-固体成長に基づいた研究を行った(IPSLS) メカニズムは、「ステップ制限された不均一前駆体供給」を提案します (sc-HPS) 新しい戦略は、高精度のフォトリソグラフィーを必要とせずに初めて実現されましたGe-QDシリコン ナノワイヤを使用した、正確な位置決めとサイズ制御可能な構造シ/ゲ間タイプ IIバンドギャップ シフト、正常に準備され、利用可能になりました50 K高温でも安定して動作するシングルホール トランジスタ デバイスは、シリコン ベースの量子デバイスの大規模な制御可能な製造に新しい技術的パスを提供します。
写真1.ゲ-QDシングルホールトランジスタのコンセプトと実装ルート。に基づいてIPSLS機械sc-HPS戦略:IPSLS成長を埋め込むSiNW独身ゲ-QD、明示的なSiNW/Ge-QD/SiNWアキシャルヘテロ構造。
重要な進歩: 「ランダム形成」から「決定論的構築」へ
研究グループの名前はこうですIPSLS成長メカニズムに基づき、前駆体の正確な空間閉じ込め設計を介してGe-QDシオ2/アモルファスゲルマニウム (a-Ge) スタックは斜めにパターン化され、エッチングされており、a-Geの供給は、プリセット ステップの端にある狭いストリップ領域に厳密に制限されます。インジウム (中) 触媒液滴は指定された場所でのみ吸収されますゲソース、作成Ge-QDステップの端で正確な核生成と成長を実現し、最終的には単一ステップの成長を達成して連続的な層を形成します。SiNW/Ge-QD/SiNW軸方向ヘテロ構造。
積層前駆体の厚さや触媒のサイズなどの重要なパラメーターを体系的に最適化することで達成Ge-QD調整可能なサイズ範囲は約25–150 nm，シ/ゲインターフェース遷移領域はわずか約35nm、単一の穴である原子的に鋭い不均一界面を形成3D量子閉じ込めは優れた構造基盤を提供します。
写真2 SiNW正確な位置ゲ-QDの構造的および組成的特徴。
メカニズムの解明: 空間限定の前駆体供給と液滴動力学平衡モデルの確立
研究チームはさらに体系的に明らかにしましたsc-HPSメカニズムの下Ge-QD形成の速度論的プロセスについては、前駆体の供給と触媒液滴の体積に基づく定量的関係モデルが確立され、連続的な実現の概要が示されましたSiNW/Ge-QD/SiNWヘテロ構造の成長ウィンドウ。
暴露すると次のことが研究で判明ゲ前駆体の供給が臨界条件を満たしたとき (ha−ゲ< hクリティカルa−ゲ)、液滴の中ゲ濃度は自発核生成閾値範囲以下に安定して維持できます (ϕ∗ゲ <ϕゲ)、これによりランダムな核生成を回避し、Ge-QDナノワイヤ後端のヘテロ界面でのみエピタキシャル成長し、連続ヘテロ構造の安定した形成を実現します。同時に、モデルはさらに次のことを明らかにしますGe-QD間の線形関係サイズと触媒液滴のサイズは、量子ドットのサイズを制御可能に調整するための理論的基礎を提供します。
写真3 sc-HPSメカニズムの下Ge-QDダイナミックな形成過程。
デバイス検証: 実装50K安定動作のシングルホール トランジスタ
研究チームはこれに基づいていますSiNW/Ge-QD/SiNWアキシャルヘテロ構造、利用シ/ゲ間タイプ IIバンドギャップシフトによりホールインが実現ゲ-QD内なる強さ3D限られたエリアで、シングルホールトランジスタのプロトタイプデバイスの準備に成功しました。電気テストにより、デバイスが50K温度で顕著なクーロンブロッキング発振と明確なクーロン菱形特性を示し、確認済みゲ-QD正孔の効率的な量子閉じ込めと安定した単一正孔の充電動作により、抽出されたデバイスの充電エネルギーは約14 meV、これは理論上の計算と非常に一致しています。比較実験により、デバイスの単一穴の特性が由来することがさらに証明されています。ゲ-QDの量子閉じ込め効果、ではありませんSiNW。
写真4.シングルホールトランジスタの準備とテスト。
幅広い用途の見通し
そのsc-HPS戦略は解決するだけではないGe-QD難しい位置付けと統合という長期的な課題により、「プロセスの調整」が「材料の自己調整」に置き換わる新しいパラダイムが生み出されました。その低温 (<350°C）、CMOS互換性のあるプロセス特性により、ガラスやポリイミドなどのフレキシブル基板に直接拡張でき、フレキシブルで透明な量子電子デバイスの可能性が得られます。さらに、この方法は材料の普遍性に優れており、前駆体層の組み合わせを置き換えることにより、次のような構造を構築することが期待されます。SiGeNW/Ge-QDまたはGeNW/Si-QDおよびその他の新しいヘテロ構造は、マルチマテリアルシステムにおける量子デバイスの設計に新しい道を切り開きます。
この仕事の最近のタイトルは「最大 50 K で動作するシングルホール トランジスタ向けのシリコン ナノワイヤ内のリソグラフィー不要のサイト制御ゲルマニウム量子ドットこのタイトルは、国際的に権威ある雑誌「科学の進歩》。クイーンカジノ入金不要ボーナスの博士課程学生、An Junyang 氏がこの論文の筆頭著者であり、Yu Linwei 教授と Wang Junzhuan 教授が共同責任著者です。この研究は、南京大学のChen Kunji教授、Xu Jun教授、Shi Yi教授の支援と指導を受け、国家自然科学財団の中国優秀若手学者プログラム、国家重点研究開発プログラム、中国国家自然科学財団重点プロジェクト、および江蘇省自然科学財団の資金援助を受けた。
論文情報:
Junyang An、Zhiyan Hu、Zhengyi He、Songlin Li、Xiaopan Song、Lijuan Zhao、Junzhuan Wang、Linwei Yu
最大 50 K で動作するシングルホール トランジスタ向けのシリコン ナノワイヤ内のリソグラフィー不要のサイト制御ゲルマニウム量子ドット
科学の進歩 12(7)、eaed0335、2026。
DOI:.
