[논문 리뷰] Top gating of epitaxial (Bi_{1-x}Sb_x)2Te3 topological insulator thin films

Fengyuan Yang, AA Taskin외 5명|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|2014. 04. 21.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 저온에서 SiNₓ 유전체 증착과 함께 현장에서 형성된 Al₂O₃ 캡피г 층을 이용한 손상 없는 상단 게이팅 기술을 제시한다. 이는 에pitaxial (Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃ 박막에서 효율적인 양극성 게이팅을 가능하게 하며, 전도성 타입을 n형에서 p형으로 완전히 조절 가능하게 한다. 이 방법은 높은 표면 이동도(~1300 cm² V⁻¹ s⁻¹)를 유지하며, 약한 반국소화 분석을 통해 상부 및 하부 표면 전도가 분리되어 있음을 확인하여 전체 게이트 전압 범위에서 진정한 부스터 절연 거동을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고품질 에pitaxial (Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃ 위상적 절연체 박막을 위한 손상 없는 상단 게이팅 기술 개발
• 표면 이동도가 떨어지지 않도록 디르락 포인트를 중심으로 화학적 피드백을 조절 가능한 방법 확보
• 부스터 절연성 박막에서 상부 및 하부 표면 상태 간의 전도가 분리되어 있음을 입증
• 미래의 위상적 양자 장치에 필수적인 효율적인 국소 게이팅 제어 실현
• 보호 캡피그 층을 이용한 유전체 증착 중에 박막 품질 유지

제안 방법

• 20 nm 두께, x ≈ 0.15인 에pitaxial (Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃ 박막은 분자선 에피택시 방식으로 sapphire (0001) 기판에 성장시켰다.
• 후속 공정 동안 표면을 보호하기 위해 저온(<100 °C)에서 현장에서 4-nm 두께의 Al₂O₃ 캡피그 층을 증착하였다.
• 표면 손상을 최소화하기 위해 저온 핫워이어 화학 기상 에피택시(≤80 °C) 방식으로 200-nm 두께의 SiNₓ 유전체 층을 증착하였다.
• 포토리소그래피, 습식 에칭(HCl:H₂O₂:CH₃COOH:H₂O), Pd 전극 증착을 이용해 상단 게이팅 헬라바 장치를 제작하였다.
• 자기장 전도 측정을 통해 Hikami-Larkin-Nagaoka (HLN) 공식을 이용해 전도체 이동도와 위상 일관성 길이를 추출하였다.
• 약한 반국소화(WAL) 분 析를 통해 매개변수 α를 통해 독립적인 전도 채널의 수를 결정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유전체 증착 동안 (Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃ 박막의 표면 품질과 이동도를 유지할 수 있는 상단 게이팅 방법을 개발할 수 있는가?
• RQ2 부스터 절연성 위상적 절연체 박막에서 상단 게이팅을 통해 디르락 포인트를 중심으로 화학적 피드백을 얼마나 넓게 조절할 수 있는가?
• RQ3 상부 및 하부 표면 상태 간의 전도가 분리되어 있음을 확인할 수 있는가? 이는 진정한 부스터 절연성을 의미하는가?
• RQ4 관측된 약한 반국소화 행동이 두 개의 독립적인 표면 채널 존재를 확인하는가?
• RQ5 표면 이동도가 현저히 떨어지지 않는 조건에서 게이팅에 의한 전도성 타입 전환(n형에서 p형으로)이 가능할 수 있는가?

주요 결과

• Al₂O₃ 캡피그 층이 표면을 효과적으로 보호하여, 디르락 포인트 근처에서 최대 1300 cm² V⁻¹ s⁻¹의 상부 표면 이동도를 유지하였다.
• 전체 게이트 전압 범위에서 양극성 게이팅이 구현되어 상부 표면에서 n형에서 p형 전도성 타입으로의 전환이 가능하였다.
• 모든 게이트 전압 범위에서 위상 일관성 길이(lϕ)는 약 120 nm로 거의 일정했으며, 이는 박막 두께보다 크게 초과하였다.
• 모든 게이트 전압 범위에서 약화된 반국소화 매개변수 α는 약 1.0에 가까웠으며, 이는 두 개의 독립적인 전도 채널 존재를 시사하였다.
• 일정한 α 값은 표면 고갈이 분리 현상의 근본 원인이 아니며, 부스터 기여가 극히 미미한 진정한 부스터 절연성을 확인한다.
• 자기장 전도 측정 데이터는 상부 및 하부 표면 상태 간의 혼성화 증거를 보이지 않으며, 전체 게이트 전압 범위에서 이들의 분리된 성질을 확인한다.