[논문 리뷰] 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 Choi외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 14.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 InP(001), InP(111)B 및 InP(110) 기질 상에서 고질적 인아르세니드 일차원 채널을 성장시키기 위한 확장 가능하고 선택적 영역 화학기상 epitaxy를 보여주며, 뛰어난 표면 선택성과 구조적 정밀도를 달성한다. 이 방법은 강한 스핀오비트 결합과 위상공명 운반을 갖는 토폴로지 초전도체 네트워크의 제작을 가능하게 하며, 아하로노프-보함 루프 및 양자점과 같은 전기적 운반 측정을 통해 확인된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 톱올로지 초전도체 네트워크에 사용하기 위한 InP 기질 상에서 확장 가능하고 선택적 영역 성장 방법을 개발하기 위해.
• 기질 정렬(InP(001), InP(111)B, InP(110))이 선택적 성장된 InAs 나노와이어의 표면 선택성과 면형성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 가로단면 투과전자현미경을 사용하여 선택적 성장된 InAs 나노와이어의 구조적 품질과 결함 농도를 특성화하기 위해.
• 스핀오비트 결합과 위상공명 운반과 같은 양자 운반 응용을 위한 InAs 나노와이어의 전기적 운반 특성을 평가하기 위해.
• 미래의 초전도체와의 통합을 위한 토폴로지 양자계산 아키텍처에 적합한 플랫폼을 확립하기 위해.

제안 방법

• 선택적 영역 성장을 위한 영역을 정의하기 위해 패턴 처리된 SiO₂ 마스크를 사용하여 InP(001), InP(111)B 및 InP(110) 기질 상에서 InAs 나노와이어 성장을 유도하는 화학기상 epitaxy를 수행하였다.
• 표면 선택성과 면형성 방향을 분석하기 위해 상부면 스캐닝 전자현미경을 사용하였으며, 관측된 형태에서 주요 면의 표면 에너지 비율을 추정하였다.
• 결정 품질과 결함 농도를 평가하기 위해 나노와이어 고리 방향에 수직 및 평행한 방향으로 가로단면 투과전자현미경(TEM) 측정을 수행하였다.
• 스핀오비트 결합과 위상공명 운반을 탐색하기 위해 할르 바, 필드효과 트랜지스터, 양자점, 아하로노프-보함 루프 장치를 사용한 전기적 운반 측정을 수행하였다.
• 성장 형태와 면 형성과 기질의 결정학적 대칭성 간의 상관관계를 규명하기 위해 기질 정렬을 체계적으로 변화시켰다.
• 고선택성과 저결함 농도를 달성하기 위해 성장 공정을 최적화하여 고품질의 1차원 채널을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 InP(001), InP(111)B, InP(110) 기질 정렬이 선택적 성장된 InAs 나노와이어의 표면 선택성과 면형성 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 다른 InP 정렬에서 선택적 영역 화학기상 epitaxy를 통해 성장된 InAs 나노와이어의 구조적 품질과 결함 농도는 어떠한가?
• RQ3 InAs 나노와이어는 어느 정도의 강한 스핀오비트 결합과 위상공명 운반 거동를 나타내는가?
• RQ4 선택적 영역 화학기상 epitaxy 방법은 토폴로지 양자 장치에 적합한 고품질, 확장 가능한 1차원 반도체 채널을 신뢰성 있게 생성할 수 있는가?
• RQ5 InAs 나노와이어의 주요 면형의 표면 에너지 비율은 기질의 결정학적 정렬과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 선택적 영역 화학기상 epitaxy는 InP(001), InP(111)B 및 InP(110) 기질에서 고표면 선택성을 달성하였으며, 면형성 방향은 기질의 결정학적 성질에 직접적으로 의존하였다.
• 투과전자현미경 측정을 통해 InAs 나노와이어의 저결함 농도를 확인하였으며, 고리 방향 수직 및 평행한 가로단면에서 모두 높은 결정 품질을 관찰하였다.
• 전기적 운반 측정을 통해 강한 스핀오비트 결합과 위상공명 운반을 확인하였으며, 아하로노프-보함 루프 장치에서의 양자 간섭 효과로써 이를 뒷받침하였다.
• 필드효과 이동도 측정을 통해 높은 실리콘 이동도를 확보하였으며, 이는 양호한 전자적 품질과 고성능 나노스케일 장치 잠재력을 시사하였다.
• 양자점 측정에서 명확한 쿨롱 차폐 행동이 관찰되어 양자 구속성과 단일 전자 운반 특성을 확인하였다.
• 형태 관측에서 유도된 InAs 나노와이어의 주요 면형 표면 에너지 비율을 추정하여 성장 열역학에 대한 통찰을 제공하였다.