[論文レビュー] Top gating of epitaxial (Bi_{1-x}Sb_x)2Te3 topological insulator thin films

Fengyuan Yang, AA Taskin+5 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Apr 21, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、イオンエビクション法を用いたエピタキシャル (Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃薄膜に対するダメージフリーなトップゲーティング技術を提案する。この技術は、イン・スイット・Al₂O₃キャッピング層と低温SiNₓ誘電体積積法を組み合わせ、効率的なアンビポーラゲーティングを可能にし、n型からp型キャリアへの完全なチューニングを実現する。この方法により、高い表面移動度（約1300 cm² V⁻¹ s⁻¹）を維持し、弱い反局在解析によりトップ面とボトム面の輸送が分離されていることが確認され、全ゲート電圧範囲で真のバルク絶縁行動を示すことが示された。

ABSTRACT

The tunability of the chemical potential for a wide range encompassing the Dirac point is important for many future devices based on topological insulators. Here we report a method to fabricate highly efficient top gates on epitaxially grown (Bi_{1-x}Sb_x)2Te3 topological insulator thin films without degrading the film quality. By combining an in situ deposited Al2O3 capping layer and a SiN_x dielectric layer deposited at low temperature, we were able to protect the films from degradation during the fabrication processes. We demonstrate that by using this top gate, the carriers in the top surface can be efficiently tuned from n- to p-type. We also show that magnetotransport properties give evidence for decoupled transport through top and bottom surfaces for the entire range of gate voltage, which is only possible in truly bulk-insulating samples.

研究の動機と目的

• 高品質なエピタキシャル (Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃トポロジカル絶縁体薄膜に対するダメージフリーなトップゲーティング法の開発。
• 表面移動度の劣化を伴わずに、ディラック点を越えて化学ポテンシャルをチューニングすることの実現。
• バルク絶縁性を示す薄膜において、トップ面とボトム面の輸送が分離していることを実証すること。
• 将来のトポロジカル量子デバイスに不可欠な効率的なローカルゲート制御を可能にすること。
• 保護キャッピング層を用いた誘電体積積工程における薄膜品質の維持。

提案手法

• 20 nm 厚のエピタキシャル (Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃薄膜（x ≈ 0.15）を、サファイア (0001) サブストレート上に分子線エピタキシー法を用いて成長させた。
• その後のプロセッシング中に表面を保護するため、低温（100 °C未満）でイン・スイットに4-nmのAl₂O₃キャッピング層を形成した。
• 表面損傷を最小限に抑えるために、低温ホットワイヤー化学蒸着法（80 °C以下）を用いて200-nmのSiNₓ誘電体層を積層した。
• フォトレジスト加工、湿式エッチング（HCl:H₂O₂:CH₃COOH:H₂O）、Pd電極の蒸着を用いて、トップゲーテッドホールバー型デバイスをプロセスした。
• 磁場依存輸送測定を実施し、Hikami-Larkin-Nagaoka（HLN）式を用いてキャリア移動度と位相相関長を抽出した。
• 弱い反局在（WAL）解析を用いて、パラメータαを介して独立した輸送チャネルの数を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エピタキシャル (Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃薄膜の誘電体積積工程中に表面品質と移動度を保持できるトップゲーティング法を開発可能か？
• RQ2 バルク絶縁性を示すトポロジカル絶縁体薄膜において、トップゲーティングを用いてディラック点を越えて化学ポテンシャルをどの程度チューニングできるか？
• RQ3 トップ面とボトム面の表面状態が輸送において分離しているか、真のバルク絶縁性を示しているか？
• RQ4 観測された弱い反局在行動は、2つの独立した表面チャネルの存在を確認するものか？
• RQ5 キャリア型（n型からp型）のゲート誘導チューニングは、表面移動度の著しい劣化を伴わず実現可能か？

主な発見

• Al₂O₃キャッピング層は表面を効果的に保護し、ディラック点近傍で最大1300 cm² V⁻¹ s⁻¹のトップ表面移動度を維持した。
• 全ゲート電圧範囲でアンビポーラゲーティングが達成され、トップ面でのn型からp型キャリアへのチューニングが可能となった。
• 位相相関長（lϕ）は全ゲート電圧範囲で約120 nmとほぼ一定であり、薄膜厚さを著しく上回っていた。
• 弱い反局在パラメータαは全ゲート電圧範囲で1.0に近い値を示し、2つの独立した輸送チャネルが存在することを示した。
• αの一定値は、分離の原因が表面のデプリーションである可能性を排除し、わずかなバルクキャリア寄与を伴う真の内在的バルク絶縁性を確認した。
• 磁場依存輸送データは、トップ面とボトム面の表面状態間にハイブリダイゼーションの痕跡を示さず、全ゲート電圧範囲で両者の輸送が分離していることを確認した。