Nuclear Spin‐Free ⁷⁰ Ge/ ²⁸ Si ⁷⁰ Ge Quantum Well Heterostructures Grown on Industrial SiGe‐Buffered Wafers

The coherence of hole spin qubits in germanium planar heterostructures is limited by the hyperfine coupling to the nuclear spin bath due to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mn>29</mml:mn></mml:msup> <mml:mi>Si</mml:mi></mml:mrow> <mml:annotation>$^{29}{\rm Si}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mn>73</mml:mn></mml:msup> <mml:mi>Ge</mml:mi></mml:mrow> <mml:annotation>$^{73}{\rm Ge}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> isotopes. Thus, removing these nuclear spin-full isotopes is essential to extend the hyperfine-limited coherence times needed to implement robust quantum processors. This work demonstrates the epitaxial growth of device-grade nuclear spin-free <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mn>70</mml:mn></mml:msup> <mml:mi>Ge</mml:mi></mml:mrow> <mml:annotation>$^{70}{\rm Ge}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> / <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mn>28</mml:mn></mml:msup> <mml:msup><mml:mi>Si</mml:mi> <mml:mn>70</mml:mn></mml:msup> <mml:mi>Ge</mml:mi></mml:mrow> <mml:annotation>$^{28}{\rm Si}^{70}{\rm Ge}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> heterostructures on industrial SiGe buffers while minimizing the amounts of highly purified <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mn>70</mml:mn></mml:msup> <mml:msub><mml:mi>GeH</mml:mi> <mml:mn>4</mml:mn></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$^{70}{\rm GeH}_4$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mn>28</mml:mn></mml:msup> <mml:msub><mml:mi>SiH</mml:mi> <mml:mn>4</mml:mn></mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$^{28}{\rm SiH}_4$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> used. The obtained <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mn>70</mml:mn></mml:msup> <mml:mi>Ge</mml:mi></mml:mrow> <mml:annotation>$^{70}{\rm Ge}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> / <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mn>28</mml:mn></mml:msup> <mml:msup><mml:mi>Si</mml:mi> <mml:mn>70</mml:mn></mml:msup> <mml:mi>Ge</mml:mi></mml:mrow> <mml:annotation>$^{28}{\rm Si}^{70}{\rm Ge}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> heterostructures exhibit a dislocation density of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics><mml:mrow><mml:mn>5.3</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup><mml:mn>10</mml:mn> <mml:mn>6</mml:mn></mml:msup> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:msup><mml:mi>cm</mml:mi> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:annotation>$5.3 \times 10^{6}\nobreakspace \mathrm{cm}^{-2}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> and an isotopic purity exceeding <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics><mml:mrow><mml:mn>99.99</mml:mn> <mml:mo>%</mml:mo></mml:mrow> <mml:annotation>$99.99\%$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> , with carbon and oxygen impurities below the detection sensitivity, as revealed by atom probe tomography. Magneto-transport measurements on gated Hall bars demonstrate effective gate control of hole density in nuclear spin-free quantum wells. Negative threshold gate voltages confirm the absence of intentional doping in the wells, while Hall and Shubnikov-de Haas analyses yield consistent carrier densities ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>1.4</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup><mml:mn>10</mml:mn> <mml:mn>11</mml:mn></mml:msup> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:msup><mml:mi>cm</mml:mi> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:annotation>$\sim 1.4 \times 10^{11}\nobreakspace \mathrm{cm}^{-2}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> ) and high mobilities ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>2.4</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup><mml:mn>10</mml:mn> <mml:mn>5</mml:mn></mml:msup> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:msup><mml:mi>cm</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn></mml:msup> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>Vs</mml:mi></mml:mrow> <mml:annotation>$\sim 2.4 \times 10^{5}\nobreakspace \mathrm{cm}^{2}/\mathrm{Vs}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> ). Mobility trends reveal interface-trap-limited scattering and percolation concentration below <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup><mml:mn>10</mml:mn> <mml:mn>10</mml:mn></mml:msup> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:msup><mml:mi>cm</mml:mi> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:annotation>$7 \times 10^{10}\nobreakspace \mathrm{cm}^{-2}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> . These analyses, along with atomic-level studies, confirm the high quality of epitaxial <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mn>70</mml:mn></mml:msup> <mml:mi>Ge</mml:mi></mml:mrow> <mml:annotation>$^{70}{\rm Ge}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> / <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mn>28</mml:mn></mml:msup> <mml:msup><mml:mi>Si</mml:mi> <mml:mn>70</mml:mn></mml:msup> <mml:mi>Ge</mml:mi></mml:mrow> <mml:annotation>$^{28}{\rm Si}^{70}{\rm Ge}$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> heterostructures and their relevance as a platform for long-coherence spin qubits.