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（ha−Ge < hcrita−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 < ϕGe），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 Advances 12(7), eaed0335, 2026. DOI: 10.1126/sciadv.aed0335.
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