Nanoscale Mapping of the 3D Strain Tensor in a Germanium Quantum Well Hosting a Functional Spin Qubit Device

材料科学 量子位元 纳米尺度 拉伤 自旋(空气动力学) 张量(固有定义) 量子 光电子学 纳米技术 凝聚态物理 量子力学 物理 生物 解剖 纯数学 热力学 数学
作者
Cedric Corley‐Wiciak,Carsten Richter,Marvin Hartwig Zoellner,Ignatii Zaitsev,Costanza Lucia Manganelli,Edoardo Zatterin,Tobias U. Schülli,Agnieszka Anna Corley‐Wiciak,Jens Katzer,Felix Reichmann,W. M. Klesse,Nico W. Hendrickx,Amir Sammak,Menno Veldhorst,Giordano Scappucci,Michele Virgilio,Giovanni Capellini
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (2): 3119-3130 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acsami.2c17395
摘要

A strained Ge quantum well, grown on a SiGe/Si virtual substrate and hosting two electrostatically defined hole spin qubits, is nondestructively investigated by synchrotron-based scanning X-ray diffraction microscopy to determine all its Bravais lattice parameters. This allows rendering the three-dimensional spatial dependence of the six strain tensor components with a lateral resolution of approximately 50 nm. Two different spatial scales governing the strain field fluctuations in proximity of the qubits are observed at <100 nm and >1 μm, respectively. The short-ranged fluctuations have a typical bandwidth of 2 × 10–4 and can be quantitatively linked to the compressive stressing action of the metal electrodes defining the qubits. By finite element mechanical simulations, it is estimated that this strain fluctuation is increased up to 6 × 10–4 at cryogenic temperature. The longer-ranged fluctuations are of the 10–3 order and are associated with misfit dislocations in the plastically relaxed virtual substrate. From this, energy variations of the light and heavy-hole energy maxima of the order of several 100 μeV and 1 meV are calculated for electrodes and dislocations, respectively. These insights over material-related inhomogeneities may feed into further modeling for optimization and design of large-scale quantum processors manufactured using the mainstream Si-based microelectronics technology.
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