[논문 리뷰] Clean quantum point contacts in an InAs quantum well grown on a lattice-mismatched InP substrate

Connie L. Hsueh, Praveen Sriram외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 11.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 59인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 격자 불일치하는 InP 기반에서 성장한 InAs 양자우물에서 청결하고 게이트로 정의된 양자점접촉(QPCs)을 보여주며, 자장을 제로로 유지할 때까지 최대 여덟 개인자화된 도통도 플레이트오우를 달성한다. 3.3%의 격자 불일치에도 불구하고 QPCs는 높은 안정성과 잘 구분된 서브밴드 간격(~5 meV)을 보이며, 다체 상호작용으로 인해 수직 방향 g인자 |g*⊥| = 27±1이 강하게 증가하여, 이 물질이 토폴로지 양자 장치에 적합함을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 격자 불일치가 상당한 InAs/InP 이종구조에서 고품질의 전기적 정의된 양자점접촉(QPCs)을 구현하는 것.
• 격자 불일치 기반에서 고이동도 InAs 2차원 전자기체(2DEG)의 전송 특성과 다체 상호작용을 평가하는 것.
• InAs/InP 이종구조가 스케일러블한 토폴로지 양자 장치 및 스핀 큐비트 플랫폼으로 사용 가능한지 평가하는 것.
• QPC 내에서 효과적인 g인자와 서브밴드 구조를 특성화하여 스핀-오르빗 결합과 다체 효과를 탐색하는 것.

제안 방법

• 900 nm의 InAlAs 점진적 버퍼층을 포함한 분자비화학적 에피택시(MBE) 성장된 InAs/InGaAs/InP 이종구조에 전자선 리소그래피 및 건식 에칭을 통해 QPC를 제작.
• 2DEG를 표면 상태로부터 전기적으로 분리하고 산란을 감소시키기 위해 120 nm 두께의 InAlAs 캡층을 사용.
• 1.5 K에서 게이트 전압(Vg)과 소스-드레인 전압의 기능으로 도통도를 측정하여 양자화된 도통도 플레이트오우와 서브밴드 구조를 탐색.
• 자장을 적용하여 도통도 단계의 자성분열을 통해 평면 내 및 수직 방향 g인자를 추출.
• 유한한 전압 스펙트로스코피를 통해 서브밴드 간격을 추출하고 조화 진동자형 구속 포텐셜을 확인.
• 다중 쿨다운 동안 반복적인 Vg 스윕과 장기적인 도통도 모니터링을 통해 안정성 및 재현성을 테스트.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 격자 불일치하는 InP 기반에서 성장한 InAs 양자우물에서 스트레인과 잠재적 결함이 존재함에도 불구하고 청결하고 잘 구분된 양자점접촉을 실현할 수 있는가?
• RQ2 도통도 양자화와 전압 스펙트로스코피를 통해 드러난 QPC의 서브밴드 간격과 구속 포텐셜 형태는 무엇인가?
• RQ3 QPC 내 평면 내 및 수직 방향 효과적인 g인자는 부품 InAs 값과 비교하여 어떻게 다른가? 이는 다체 상호작용에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ4 InAs와 InP 사이의 격자 불일치가 장치 성능을 얼마나 떨어뜨리는가? 여전히 고품질 QPC를 확보할 수 있는가?
• RQ5 QPC는 시간이 지남에 따라 얼마나 안정하고 반복적인 Vg 스윕에 대해 재현성이 있는가? 그에 영향을 주는 요인은 무엇인가?

주요 결과

• QPC는 자장을 제로로 유지할 때까지 최대 여덟 개의 잘 구분된 양자화된 도통도 플레이트오우를 보이며, 1차원 채널에서 고품질의 비탄성 운동을 나타낸다.
• 소스-드레인 직류 전압 스펙트로스코피는 약 5 meV의 서브밴드 간격을 가지며 조화 구속 포텐셜임을 드러낸다.
• 평면 내 g인자는 등방성이며 부품 InAs 값과 유사하다: |g*ₓ| = |g*ᵧ| = 12±2.
• 수직 방향 g인자는 다체 교환 상호작용으로 인해 강하게 증가한다: |g*⊥| = 27±1, 부품 값(~15)보다 현저히 높다.
• QPC는 시간이 지남에 따라 뛰어난 안정성을 보이며, 1시간 동안 도통도 변동이 1.5% 이내이며, 10회 양방향 스윕에서 히스테리시스가 약 1 mV에 불과하다.
• 3.3%의 격자 불일치에도 불구하고 장치 성능에 대한 열악한 영향이 최소한으로 나타나며, InP 기반에서 고품질의 InAs 기반 나노구조를 지원할 수 있음을 보여준다.