[论文解读] 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 Choi+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本研究展示了在InP(001)、InP(111)B和InP(110)衬底上实现可扩展、选择性区域的化学束外延，用于生长高质量的InAs一维通道，获得了优异的表面选择性和结构保真度。该方法实现了具有强自旋轨道耦合和相位相干输运特性的拓扑超导体网络的制备，电输运测量结果（包括Aharonov-Bohm环和量子点）证实了其性能。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在InP衬底上实现可扩展、选择性区域生长InAs一维通道的方法，用于拓扑超导体网络的应用。
• 研究衬底取向（InP(001)、InP(111)B、InP(110)）对选择性外延生长中InAs纳米线表面选择性和晶面形成的影响。
• 利用横截面透射电子显微镜表征选择性外延生长InAs纳米线的结构质量和缺陷密度。
• 评估InAs纳米线的电输运特性，以适用于量子输运应用，包括自旋轨道耦合和相位相干性。
• 建立一个适用于未来与超导体集成、用于拓扑量子计算架构的平台。

提出的方法

• 采用图案化的SiO₂掩膜在InP(001)、InP(111)B和InP(110)衬底上定义选择性区域生长区域，通过化学束外延引导InAs纳米线的生长。
• 利用俯视扫描电子显微镜分析表面选择性和晶面取向，通过观察到的形貌估算主要晶面的表面能比值。
• 对纳米线脊方向垂直和平行的截面进行透射电子显微镜（TEM）分析，以评估晶体质量和缺陷密度。
• 通过霍尔条、场效应晶体管、量子点和Aharonov-Bohm环器件的电输运测量，探测自旋轨道耦合和相位相干输运行为。
• 系统性地改变衬底取向，将生长形貌和晶面形成与潜在的晶体学对称性相关联。
• 优化生长过程以实现高选择性和低缺陷密度，从而获得高质量的一维通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 衬底取向（InP(001)、InP(111)B、InP(110)）如何影响选择性外延生长InAs纳米线的表面选择性和晶面形成？
• RQ2 通过选择性区域化学束外延在不同InP取向衬底上生长的InAs纳米线的结构质量和缺陷密度如何？
• RQ3 InAs纳米线在多大程度上表现出强自旋轨道耦合和相位相干输运行为？
• RQ4 选择性区域化学束外延方法能否可靠地生成高质量、可扩展的一维半导体通道，适用于拓扑量子器件？
• RQ5 InAs纳米线中主要晶面的表面能比值如何与衬底晶体取向相关？

主要发现

• 选择性区域化学束外延在InP(001)、InP(111)B和InP(110)衬底上均实现了高表面选择性，晶面取向直接取决于衬底的晶体学取向。
• 透射电子显微镜分析显示InAs纳米线缺陷密度较低，且在垂直和平行于脊方向的截面中均观察到高结晶质量。
• 电输运测量结果证实存在强自旋轨道耦合和相位相干输运，表现为Aharonov-Bohm环器件中的量子干涉效应。
• 场效应迁移率测量显示高载流子迁移率，表明电子质量优良，适用于高性能纳米器件。
• 量子点测量显示出清晰的库仑阻塞行为，证实了量子限制效应和单电子输运特性。
• 基于形貌观测，估算了InAs纳米线中主要晶面的表面能比值，为理解生长热力学提供了依据。