[論文レビュー] Large gap quantum spin Hall insulator, massless Dirac fermions and bilayer graphene analogue in InAs/Ga(In)Sb heterostructures

S. S. Krishtopenko, F. Teppe|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Quantum and electron transport phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、層厚さと構造設計に応じて、大きなギャップを有する量子スピンホール絶縁体（QSHI）、質量のないディラックフェルミオン、および二層グラフェンに類似した状態を実現する新しいクラスのInAs/Ga(In)Sbマルチレイヤー異質接合を提案する。歪みを制御したGaInSbバリアと対称的なInAs/GaInSb/InAs構造を用いることで、最大60 meVのトップオロジカルギャップを達成し、室温における熱エネルギーの2倍に相当する。これにより、従来のIII-V系に比べてより高い温度で頑健なトップオロジカル状態を実現可能にする。

ABSTRACT

The quantum spin Hall insulator (QSHI) state has been demonstrated in two semiconductor systems - HgTe/CdTe quantum wells (QWs) and InAs/GaSb QW bilayers. Unlike the HgTe/CdTe QWs, the inverted band gap in InAs/GaSb QW bilayers does not open at the $Γ$ point of the Brillouin zone, preventing the realization of massless Dirac fermions. Here, we propose a new class of semiconductor systems based on InAs/Ga(In)Sb multilayers, hosting a QSHI state, a graphene-like phase and a bilayer graphene analogue, depending on their layer thicknesses and geometry. The QSHI gap in the novel structures can reach up to 60 meV for realistic design and parameters. This value is twice as high as the thermal energy at room temperature and significantly extends the application potential of III-V semiconductor-based topological devices.

研究の動機と目的

• HgTe/CdTe や InAs/GaSb バイレイヤーのような既存のIII-V量子スピンホール絶縁体（QSHI）におけるギャップの制限を克服すること。
• 大ギャップQSHIギャップを実現しつつ、質量のないディラックフェルミオンおよび二層グラフェンに類似した振る舞いを維持できる新しいマルチレイヤー異質接合を設計すること。
• InAs/Ga(In)Sb異質接合における歪みおよび層厚さをエンジニアリングすることで、55 meVを超えるトップオロジカルギャップを達成すること。これは歪みを加えたHgTe量子井戸で報告された最大値に相当する。
• InAs、GaSb、およびInSb材料におけるバンド順序の安定性を活用することで、QSHIギャップの温度依存性を低減すること。
• 対称的InAs/GaInSb/InAs構造を、頑健で高温に耐えるトップオロジカル量子デバイスのプラットフォームとして実証すること。

提案手法

• Vurgaftmanら（2001）の材料パラメータを用いた8バンドケインモデルを採用し、InAs/Ga(In)Sbマルチレイヤーにおけるバンド構造を計算した。
• 中心バリアとキャリア局在の異なる2種類の3層量子井戸（InAs設計：InAs/GaInSb/InAs、GaSb設計：GaInSb/InAs/GaInSb）を設計した。
• InAsおよびGaInSb層の層厚さ（d₁, d₂）と歪み（ε₁, ε₂）を、バンド反転および準位順序の制御に用いる調整パラメータとした。
• k=0における電子的準位（E₁）とヘビーホール的準位（H₁）のエネルギー交差を分析することで、Γ点におけるバンドギャップを計算した。
• 磁場下におけるランダウ準位スペクトルをシミュレートし、二層グラフェンに類似した状態およびグラフェンに類似した相を同定した。
• InAs/GaInSb異質接合におけるQSHIギャップの最大値を、d₁, d₂およびGaInSb中のインジウム含有量（例：Ga₀.₆In₀.₄SbおよびGa₀.₆₈In₀.₃₂Sbバッファー）の最適化により評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 III-V半導体異質接合において、55 meVを超えるギャップを有する大ギャップ量子スピンホール絶縁体を実現できるか？
• RQ2 InAs/GaSbマルチレイヤーにGaInSb合金バリアを含めることで、Γ点に質量のないディラックフェルミオンを支持する対称的バンド構造が得られるか？
• RQ3 トンネルカップリングされた電子およびホール準位が存在する3層InAs/GaInSb/InAs異質接合において、二層グラフェンに類似した状態が出現するか？
• RQ4 InAsおよびGaInSb層における歪みエンジニアリングが、トップオロジカルギャップおよびQSHI状態の安定性にどのように影響するか？
• RQ5 本新規異質接合におけるQSHIギャップの温度依存性は、HgTe/CdTe量子井戸に比べてどの程度改善されるか？

主な発見

• Ga₀.₆₈In₀.₃₂Sbバッファー上に成長したd₁ = 27 MLおよびd₂ = 11 MLのInAs/Ga₀.₆In₀.₄Sb/InAs異質接合は、約60 meVのトップオロジカルギャップを示す。
• この60 meVのギャップは、室温における熱エネルギー（kBT ≈ 25 meV）の2倍に相当するため、室温またはその付近でトップオロジカルデバイスを動作可能にする可能性を有する。
• InAs設計量子井戸は、Γ点におけるバンド反転と対称的バンド構造のおかげで、大ギャップQSHI状態を支持しており、質量のないディラックフェルミオンを実現可能である。
• GaSb設計量子井戸は、線形分散および臨界磁場Bc ≈ 3.7 Tにおけるゼロモードランダウ準位を有する二層グラフェンに類似した相を示す。
• InAs/GaInSb異質接合におけるQSHIギャップは、InAs、GaSb、およびInSb材料におけるバンド順序の安定性のおかげで、HgTe/CdTe量子井戸よりも温度依存性が小さいと予測される。
• 現在のMBE技術を用いることで、高品質な構造を有する40周期の歪みを加えたInAs/Ga₀.₆In₀.₄Sbスーパーラティスの擬似的成長が可能であり、これらの構造の実験的実現が期待される。