鍺/硅量子線具有高空穴遷移率、低超精細相互作用、強自旋-軌道相互作用以及與硅兼容等優點，成為實現硅基高性能自旋甚至拓撲量子計算的材料系統（https://arxiv.org/abs/2004.08133）。儘管非面內生長的量子線在新奇物性探索方面取得了很多重要成果，但缺少面內按需定位生長量子線是阻礙量子器件精確尋址和大規模擴展集成的瓶頸。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室研究員張建軍長期從事硅鍺量子材料的外延製備和物性研究工作。他首次在Si(001)襯底上實現了Ge量子線無需使用金屬催化劑的面內生長（Phys. Rev. Lett. 109, 085502 (2012)），解決了傳統VLS方法生長中Ge量子線存在金屬汙染及難以大規模轉移和排列的問題。近年來與國內外團隊合作，成功利用這種量子線製備了首個Ge量子比特（Nat. Comm. 9, 3902 (2018)），實現了量子點與超導微波諧振腔的耦合（Nano Lett. 18, 2091-2097 (2018)）。
在上述研究基礎之上，為解決面內Ge量子線按需定位生長的難題，課題組博士生高飛（已畢業）和王建桓等在張建軍的指導下，結合納米加工和分子束外延（MBE），成功在Si(001)圖形襯底上實現了晶圓級面內Ge量子線位置、長度、週期以及結構的可控生長。如圖，Ge量子線位於凹槽邊緣，尺寸非常均勻，無缺陷，高度為3.8 nm，標準偏差僅0.11 nm，長度原則上可以任意長。此外，還實現了緊密排列的平行Ge量子線以及“口”、“L”形等特殊結構的有序陣列。在生長機制研究方面與西安交通大學副教授胡昊及猶他大學教授劉鋒合作，解釋了面內Ge量子線在槽邊優先成核和定位生長的機理；在器件研究方面與奧地利科學技術研究所教授Georgios Katsaros以及瑞士巴塞爾大學教授Daniel Loss小組合作，觀測和理解了自旋軌道耦合強度和InAs，InSb量子線相當的可電場調控強自旋軌道作用，並且觀測到緊密排列量子線上量子點間的電容耦合。圖形結構製備及材料表徵得到中科院微電子研究所王桂磊和物理所姚湲的支持。該研究工作為Ge量子器件的精確尋址和大規模擴展集成奠定了重要的材料基礎。研究成果最近以Site-Controlled Uniform Ge/Si Hut Wires with Electrically Tunable Spin-Orbit Coupling為題發表在《先進材料》上（Adv. Mater. 32, 1906523 (2020)），並被選為inside front cover。
該工作得到國家重點研發計劃（批准號：2016YFA0301701，2016YFA0300600）、國家自然科學基金委（批准號：11574356，11434010，11404252）以及中科院B類先導專項（專項編號：XDB30000000）的支持。
晶圓級硅基鍺量子線的自組裝定位生長研究獲進展
來源：中國科學院物理研究所
