[論文レビュー] Selective-Area Chemical Beam Epitaxy of In-Plane InAs One-Dimensional Channels Grown on InP(001) and InP(111)B Surfaces

Joon Sue Lee, Sukgeun Choi+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、InP(001)、InP(111)B、およびInP(110)基板上に高品質なInAs一次元チャネルを成長させるスケーラブルで選択的領域の化学ビームエpitaxyを実証した。表面選択性と構造的正確性に優れ、強いスピンオービット結合と位相一貫性を示すトポロジカル超伝導体ネットワークの作製を可能にした。アハロノフ＝ボームループや量子ドットを含む電気的輸送測定により、その有効性が裏付けられた。

ABSTRACT

We report on the selective-area chemical beam epitaxial growth of InAs in-plane, one-dimensional (1-D) channels using patterned SiO$_{2}$-coated InP(001), InP(111)B, and InP(110) substrates to establish a scalable platform for topological superconductor networks. Top-view scanning electron micrographs show excellent surface selectivity and dependence of major facet planes on the substrate orientations and ridge directions, and the ratios of the surface energies of the major facet planes were estimated. Detailed structural properties and defects in the InAs nanowires (NWs) were characterized by transmission electron microscopic analysis of cross-sections perpendicular to the NW ridge direction and along the NW ridge direction. Electrical transport properties of the InAs NWs were investigated using Hall bars, a field effect mobility device, a quantum dot, and an Aharonov-Bohm loop device, which reflect the strong spin-orbit interaction and phase-coherent transport characteristic in the selectively grown InAs systems. This study demonstrates that selective-area chemical beam epitaxy is a scalable approach to realize semiconductor 1-D channel networks with the excellent surface selectivity and this material system is suitable for quantum transport studies.

研究の動機と目的

• トポロジカル超伝導体ネットワークへの応用を目的として、InP基板上にスケーラブルで選択的領域の成長が可能なInAs一次元チャネルの開発。
• 基板の表面指向性（InP(001)、InP(111)B、InP(110)）が、InAsナノワイヤの表面選択性および側面平面形成に与える影響の調査。
• 横断的透過電子顕微鏡（TEM）を用いて、選択的成長したInAsナノワイヤの構造的品質および欠陥密度の評価。
• スピンオービット結合および位相一貫性を含む量子輸送応用を想定し、InAsナノワイヤの電気的輸送特性の評価。
• 将来の超伝導体との統合を想定した、トポロジカル量子計算アーキテクチャに適した基盤の確立。

提案手法

• SiO₂マスクをパターン化して、InP(001)、InP(111)B、InP(110)基板上に選択的領域成長領域を定義し、化学ビームエpitaxyを用いてInAsナノワイヤの成長を誘導。
• 表面選択性および側面平面の向きを評価するため、上方向からの走査型電子顕微鏡を用い、観察された形態から主要な側面の表面エネルギー比を推定。
• 結晶品質および欠陥密度を評価するため、ナノワイヤのリッジ方向に対して垂直および平行な断面で透過電子顕微鏡（TEM）を実施。
• ホールバー、フィールド効果トランジスタ、量子ドット、アハロノフ＝ボームループデバイスを用いた電気的輸送測定により、スピンオービット結合および位相一貫性輸送を調査。
• 基板の表面指向性を系統的に変化させ、成長形態および側面形成が下伏する結晶学的対称性と関連するかを検証。
• 高い選択性および低欠陥密度を達成するため、成長プロセスを最適化し、高品質な1次元チャネルの実現を図った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板の表面指向性（InP(001)、InP(111)B、InP(110)）は、選択的成長したInAsナノワイヤの表面選択性および側面平面形成にどのように影響するか？
• RQ2 異なるInP指向性上に選択的領域化学ビームエpitaxyで成長したInAsナノワイヤの構造的品質および欠陥密度はどの程度か？
• RQ3 InAsナノワイヤは、どの程度まで強いスピンオービット結合および位相一貫性輸送を示すか？
• RQ4 選択的領域化学ビームエpitaxy法は、トポロジカル量子デバイスに適した高品質でスケーラブルな1次元半導体チャネルを信頼性高く生成できるか？
• RQ5 InAsナノワイヤの主要な側面平面の表面エネルギー比は、基板の結晶指向性とどのように相関するか？

主な発見

• 選択的領域化学ビームエpitaxyにより、InP(001)、InP(111)B、InP(110)基板上に高い表面選択性が達成され、側面平面の向きが基板の結晶学的指向性に直接依存した。
• 透過電子顕微鏡の結果、InAsナノワイヤには低欠陥密度が確認され、リッジ方向に対して垂直および平行な断面両方で高い結晶品質が観察された。
• 電気的輸送測定により、アハロノフ＝ボームループデバイスにおける量子干渉効果によって、強いスピンオービット結合および位相一貫性輸送が確認された。
• フィールド効果移動度測定により高いキャリア移動度が得られ、良好な電子的品質およびナノスケールデバイスへの応用可能性が示された。
• 量子ドット測定では明確なクーロン遮蔽効果が観察され、量子閉じ込めおよび単一電子輸送の特性が確認された。
• 形態観察から、InAsナノワイヤの主要な側面平面の表面エネルギー比が推定され、成長の熱力学的メカニズムに関する知見が得られた。