南京大学电子科学与工程学院余林蔚、王军转教授课题组在锗量子点精准构筑与单空穴器件研究方面取得重要进展

在先进半导体器件向更小尺寸、更高性能演进的进程中，量子点（QDs）作为实现单电子/单空穴操控的核心单元，被视为构建未来量子计算、超灵敏传感及低功耗纳米电子学的关键基石。其中，锗（Ge）因其强自旋-轨道耦合、高载流子迁移率、无谷简并特性以及与Si基CMOS工艺的天然兼容性，成为实现全电控空穴自旋量子比特的理想材料平台。

然而，长期以来，如何在无需高分辨率光刻的前提下，实现位置与尺寸双重精准可控的锗量子点（Ge-QDs）集成，一直是制约其规模化应用的核心瓶颈。目前，Ge-QDs制备方法基于Si/Ge异质结能带工程实现，但需依赖极紫外或电子束光刻多重栅极静电约束，工艺复杂、成本高昂；而基于自下而上气液固（VLS）催化生长的Si/Ge异质纳米线虽具备“天然”量子限域潜力，却受限于纳米线垂直生长的特性，需额外转移至平面进行后续器件制备，严重阻碍了可靠电学连接与阵列化集成。

近日，南京大学电子科学与工程学院余林蔚、王军转教授课题组基于面内固液固生长（IPSLS）机制提出一种“台阶限域异质前驱体供给”（sc-HPS）新策略，首次在无需高精度光刻的前提下，实现了Ge-QDs在硅纳米线中的精准定位与尺寸可控构筑，利用Si/Ge之间的Type II带隙偏移，成功制备出可在50 K温度下稳定运行的单空穴晶体管器件，为硅基量子器件的大规模可控制造提供了全新技术路径。

图1. Ge-QD单空穴晶体管的概念和实现路线。基于IPSLS机制的sc-HPS策略：IPSLS生长嵌入在SiNW中的单个Ge-QD，形成明确的SiNW/Ge-QD/SiNW轴向异质结构。

关键突破：从“随机形成”到“确定性构筑”

研究课题组以IPSLS生长机制为基础，通过精准的前驱体空间限域设计，实现了Ge-QDs的定域成核与尺寸调控。核心创新在于对SiO₂/非晶锗（a-Ge）叠层进行斜向图案化刻蚀，将a-Ge的供给严格限制在预设台阶边缘的窄条区域，铟（In）催化剂液滴仅能在指定位置吸收Ge源，使Ge-QDs于台阶边缘精准成核生长，最终实现单步生长形成连续的SiNW/Ge-QD/SiNW轴向异质结构。

通过系统优化叠层前驱体厚度与催化剂尺寸等关键参数，实现Ge-QDs尺寸可调范围约25–150 nm，Si/Ge界面过渡区仅约3.5 nm，形成原子级锐利的异质界面，为单空穴的3D量子限域提供了优良的结构基础。

图2. SiNW中精确定位的Ge-QD的结构和成分表征。

机理揭示：建立空间受限前驱体供给与液滴动力学平衡模型

研究课题组进一步系统揭示了sc-HPS机制下Ge-QDs形成的动力学过程，建立了基于前驱体供给量与催化液滴体积之间的定量关系模型，划定了实现连续SiNW/Ge-QD/SiNW异质结构的生长窗口。

研究发现，当暴露Ge前驱体供给量满足临界条件时（h_a−Ge < h^crit_a−Ge），液滴内Ge浓度可稳定维持在低于自发成核阈值范围（ϕ^∗_Ge < ϕ_Ge），从而避免随机成核并确保Ge-QDs仅在纳米线后端异质界面处外延生长，实现连续异质结构的稳定形成。同时，该模型进一步揭示了Ge-QDs尺寸与催化液滴尺寸之间的线性关系，为量子点尺寸可控调节提供了理论基础。

图3. sc-HPS机制下Ge-QDs形成的动力学过程。

器件验证：实现50 K稳定运行单空穴晶体管

课题组基于该SiNW/Ge-QD/SiNW轴向异质结构，利用Si/Ge之间的Type II带隙偏移实现空穴在Ge-QD内的强3D限域，成功制备出单空穴晶体管原型器件。电学测试表明，该器件在50K温度下呈现出显著的库仑阻塞振荡和清晰的库仑菱形特征，证实了Ge-QD对空穴的高效量子限域和稳定的单空穴充电行为，提取的器件充电能量约14 meV，与理论计算高度吻合。对比实验进一步证明，器件的单空穴特性来源于Ge-QD的量子限域效应，而非SiNW。

图4.单空穴晶体管的制备与测试。

应用前景广阔

该sc-HPS策略不仅解决了Ge-QDs定位难、集成难的长期挑战，更开创了一种“材料自对准”替代“工艺对准”的新范式。其低温（<350°C）、CMOS兼容的工艺特性，使其可直接拓展至玻璃、聚酰亚胺等柔性衬底，为柔性、透明量子电子器件提供可能。此外，该方法具有优异的材料普适性——通过替换前驱层组合，有望构建SiGeNW/Ge-QD或GeNW/Si-QD等新型异质结构，为多材料体系量子器件设计开辟新路径。

该工作近期以“Lithography-free, site-controlled germanium quantum dots in silicon nanowires for single-hole transistors operating up to 50 K”为题发表于国际权威期刊《Science Advances》。南京大学电子科学与工程学院博士生安钧洋为文章第一作者，余林蔚教授和王军转教授为共同通讯作者。该研究得到了南京大学陈坤基教授、徐骏教授、施毅教授的支持与指导，并受到国家自然科学基金杰出青年学者项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目以及江苏省自然科学基金的资助。

论文信息：

Junyang An, Zhiyan Hu, Zhengyi He, Songlin Li, Xiaopan Song, Lijuan Zhao, Junzhuan Wang, Linwei Yu

Lithography-free, site-controlled germanium quantum dots in silicon nanowires for single-hole transistors operating up to 50 K

Science Advances12(7), eaed0335, 2026.

DOI:10.1126/sciadv.aed0335.