[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究提出了一种基于原位Al₂O₃钝化层与低温SiNₓ电介质沉积的无损伤顶栅技术，适用于外延生长的(Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃薄膜，实现了从n型到p型载流子的全范围可调谐高效双极性栅控。该方法保持了高表面迁移率（约1300 cm² V⁻¹ s⁻¹），并通过弱反局域化分析证实了顶面与底面输运行为的解耦，表明在整个栅压范围内均表现出真正的本征绝缘行为。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高质量外延(Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃拓扑绝缘体薄膜的无损伤顶栅技术。
• 在不降低表面迁移率的前提下，实现费米能级在狄拉克点附近的可调谐化学势。
• 在本征绝缘薄膜中证明顶面与底面输运行为的解耦。
• 为未来拓扑量子器件实现高效局部栅控。
• 在电介质沉积过程中通过保护性钝化层保持薄膜质量。

提出的方法

• 采用分子束外延法在蓝宝石(0001)衬底上外延生长了20 nm厚、x ≈ 0.15的(Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃薄膜。
• 在低温（<100 °C）下原位沉积4 nm厚的Al₂O₃钝化层，以保护表面免受后续工艺损伤。
• 通过低温热丝化学气相沉积法（≤80 °C）沉积200 nm厚的SiNₓ电介质层，以最大限度减少表面损伤。
• 采用光刻、湿法刻蚀（HCl:H₂O₂:CH₃COOH:H₂O）和Pd电极沉积工艺制备顶栅霍尔条形器件。
• 通过磁输运测量，利用Hikami-Larkin-Nagaoka（HLN）公式提取载流子迁移率和相位相干长度。
• 应用弱反局域化（WAL）分析，通过参数α确定独立输运通道的数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否开发一种顶栅技术，在电介质沉积过程中有效保护外延(Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₃薄膜的表面质量与迁移率？
• RQ2 在本征绝缘的拓扑绝缘体薄膜中，通过顶栅调控，化学势在狄拉克点附近的可调谐范围有多大？
• RQ3 在输运行为中，顶面与底面表面态是否呈现解耦，表明真正的本征绝缘行为？
• RQ4 所观测到的弱反局域化行为是否证实存在两个独立的表面输运通道？
• RQ5 是否可在不显著降低表面迁移率的前提下，实现载流子类型（n型到p型）的栅控调制？

主要发现

• Al₂O₃钝化层有效保护了表面，使狄拉克点附近顶面迁移率保持在高达1300 cm² V⁻¹ s⁻¹。
• 在整个栅压范围内实现了双极性栅控，成功将顶面载流子类型从n型调制至p型。
• 相位相干长度（lϕ）在所有栅压下均保持在约120 nm，显著超过薄膜厚度。
• 弱反局域化参数α在所有栅压下均接近1.0，表明存在两个独立的输运通道。
• α值保持恒定，排除了表面耗尽作为解耦机制的可能性，证实了本征本体绝缘行为，且本体载流子贡献可忽略。
• 磁输运数据未显示顶面与底面表面态之间存在杂化，证实二者在整个栅压范围内均保持解耦。