[論文レビュー] Clean quantum point contacts in an InAs quantum well grown on a lattice-mismatched InP substrate

Connie L. Hsueh, Praveen Sriram+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2022

Quantum and electron transport phenomena参考文献 59被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、格子不整合なInP基板上に成長したInAs量子井戸において、クリーンでゲートで定義された量子点接触（QPC）を実現し、ゼロ磁場下で最大8つの量子化された伝導度プラトーを達成した。3.3%の格子不整合にもかかわらず、QPCは高い安定性と明確に解離した準位間隔（約5 meV）を示し、多数体交換相互作用によって、垂直方向の有効g因子が著しく増大（|g*⊥| = 27±1）した。これは、トポロジカルな量子デバイスへの材料の可能性を裏付けている。

ABSTRACT

Strong spin-orbit coupling, the resulting large $g$ factor, and small effective mass make InAs an attractive material platform for inducing topological superconductivity. The surface Fermi level pinning in the conduction band enables highly transparent ohmic contact without excessive doping. We investigate electrostatically defined quantum point contacts (QPCs) in a deep-well InAs two-dimensional electron gas. Despite the 3.3% lattice mismatch between the InAs quantum well and the InP substrate, we report clean QPCs with up to eight pronounced quantized conductance plateaus at zero magnetic field. Source-drain dc bias spectroscopy reveals a harmonic confinement potential with a nearly $5$ meV subband spacing. We find a many-body exchange interaction enhancement for the out-of-plane $g$ factor $|g_{\perp}^*| = 27 \pm 1$, whereas the in-plane $g$ factor is isotropic $|g^*_{x}| = |g^*_{y}| = 12 \pm 2$, close to the bulk value for InAs.

研究の動機と目的

• 格子不整合が顕著なInAs/InPヘテロ構造において、高品質で静電的に定義された量子点接触（QPC）を実証すること。
• 格子不整合基板上に形成された高移動度InAs二次元電子気体（2DEG）の輸送特性および多数体相互作用を評価すること。
• InAs/InPヘテロ構造がスケーラブルなトポロジカル量子デバイスおよびスピンキュービットのプラットフォームとして実現可能かどうかを評価すること。
• QPCにおける有効g因子および準位構造を特徴づけることで、スピン軌道結合および多数体効果を調査すること。

提案手法

• 分子線エpitaxy（MBE）成長によるInAs/InGaAs/InPヘテロ構造に、900 nmのInAlAs段階的バッファ層を含む基板上に、電子線リソグラフィーおよびドライエッチングを用いてQPCをフォーマリング。
• 2DEGを表面状態から電気的に遮断し、散乱を低減するため、120 nmのInAlAsキャップ層を用いる。
• 1.5 Kでゲート電圧（Vg）およびソース・ドレイン電圧の関数としての伝導度を測定し、量子化された伝導度プラトーおよび準位構造を調査。
• ゼーマン分裂による伝導度ステップの解析を通じて、面内および垂直方向の有効g因子を抽出。
• 有限バイアス分光法を用いて準位間隔を抽出し、調和的封じ込めポテンシャルを確認。
• 繰り返しVgスイープおよび複数回の冷却サイクルにわたる長時間の伝導度モニタリングにより、安定性および再現性をテスト。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 格子不整合なInP基板上に成長したInAs量子井戸において、歪みおよび不純物欠陥が存在するにもかかわらず、クリーンで解離度の高い量子点接触を実現可能か？
• RQ2 伝導度量子化およびバイアス分光法によって明らかになるQPC内の準位間隔および封じ込めポテンシャルの形状は何か？
• RQ3 QPCにおける面内および垂直方向の有効g因子は、バルクInAsの値と比較してどう異なるか？これは多数体相互作用に何を示唆するか？
• RQ4 InAsとInPの格子不整合がデバイス性能に及ぼす影響はどの程度か？高品質なQPCは依然として達成可能か？
• RQ5 QPCは時間経過および繰り返しゲート電圧スイープに対してどの程度安定しているか？再現性に影響を与える要因は何か？

主な発見

• ゼロ磁場下で最大8つの明確に解離した量子化伝導度プラトーを示し、準位一次元チャネルにおける高品質でボルテージ的輸送を示している。
• ソース・ドレインdcバイアス分光法により、調和的封じ込めポテンシャルが確認され、準位間隔は約5 meVであった。
• 面内g因子は等方的であり、バルクInAs値に近く、|g*ₓ| = |g*ᵧ| = 12±2であった。
• 垂直方向g因子は多数体交換相互作用によって著しく増大しており、|g*⊥| = 27±1と、バルク値（約15）を大幅に上回った。
• QPCは時間経過および繰り返しゲート電圧スイープにおいて優れた安定性を示し、1時間の間に伝導度変動が1.5%以内、10回の往復スイープでヒステリシスがわずか約1 mVにとどまった。
• 3.3%の格子不整合にもかかわらず、デバイス性能に顕著な劣化は認められず、InP基板が高品質なInAsベースナノ構造を支持可能であることを示した。