提高GaAs襯底上InAs量子阱的遷移率
德國(guó)的研究人員報(bào)告說,在分子束外延 (MBE) 期間使用的表面平滑技術(shù)提高了砷化銦 (InAs) 量子阱 (QW) 在砷化鎵 (GaAs) 襯底上的遷移率,特別是在低于 120K 的低溫下 [A. Aleksandrova et al, Appl. Phys. Lett., v126, p232109, 2025]。來自柏林洪堡大學(xué)、Institut Kurz GmbH 和 Paul-Drude-Institut für Festk?rperelektronik 的團(tuán)隊(duì)評(píng)論道:“隨著表面平滑的引入,GaAs 襯底因此取代了 InP 襯底,成為一種更便宜、更優(yōu)越的替代品。
研究人員認(rèn)為他們的成就對(duì)量子信息處理特別有趣。他們解釋說:“InAs 的納米線在半導(dǎo)體-超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中承載馬約拉納零模式,這些模式是由強(qiáng)自旋-軌道耦合產(chǎn)生的。一對(duì) Majorana 零模式可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)不受局部擾動(dòng)影響的量子計(jì)算的穩(wěn)健量子比特。因此,半導(dǎo)體-超導(dǎo)體界面處的電子耦合可以是無勢(shì)壘的,因?yàn)殡娮臃e累在 InAs 的表面。在組裝大量量子比特以構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)時(shí),在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中以光刻方式定義窄通道比使用外延生長(zhǎng)的納米線要實(shí)用得多。
馬約拉納零模式是指量子理論準(zhǔn)粒子結(jié)構(gòu),它是具有自旋 1/2 的零能量、零電荷準(zhǔn)粒子。在超導(dǎo)系統(tǒng)中,這些馬約拉納零模式可以作為電子和空穴的組合出現(xiàn)。
該團(tuán)隊(duì)還表明,他們的技術(shù)可以通過使用 InAs QW 晶體管結(jié)構(gòu)提高高頻無線通信系統(tǒng)中的電子遷移率來使傳統(tǒng)電子系統(tǒng)受益。
與磷化銦 (InP) 或銻化鎵 (GaSb) 襯底相反,該平滑解決了 GaAs 上 InAs QW 結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的晶格匹配問題。InAs 與 GaAs 的錯(cuò)配為 6.7%,而 InP 和 GaSb 的錯(cuò)配分別為 3.1% 和 -0.6%?;搴?QW 之間的緩沖層材料在如此大的晶格失配下發(fā)生塑性弛豫,其效果之一是在材料表面呈現(xiàn)交叉影線圖案。
圖 1:AlInAs 障礙中 InAs QW 的 MBE 生長(zhǎng)序列。紅色部分顯示了 Al 之前的生長(zhǎng)中斷措施0.25在0.75作為曲面平滑的圖層。
GaAs 上的 MBE 從一系列緩沖層開始(圖 1)。這些包括在高溫下生長(zhǎng)的短周期超晶格和在低溫下以 50nm 步驟排列的具有漸變銦成分的 AlInAs 層序列。緩沖液中的最終銦含量為 0.84。
然后將最后一層(包括 InAs QW)的生長(zhǎng)溫度提高到 480°C。第一層是在 50nm 中連續(xù)分級(jí)至 0.75 含量的 AlInAs。緩沖液中的銦含量過沖旨在防止進(jìn)一步位錯(cuò)的形成。
該團(tuán)隊(duì)在有和沒有表面平滑措施的情況下種植了 InAs QW。在 InAs QW 和 AlInAs 阻擋材料之間插入了 6.5nm GaInAs。研究人員評(píng)論說:“這種插入至關(guān)重要,因?yàn)楹X表面會(huì)吸引 O2 分子被吸附。如果 InAs 層未與 Ga 接口,則生成的界面電荷會(huì)導(dǎo)致 QW 中的 2DEG 發(fā)生強(qiáng)庫(kù)侖散射0.25在0.75作為圖層。
表面平滑測(cè)量包括 GaAs 和 InAs 層之間的一系列生長(zhǎng)中斷,以增強(qiáng)吸附原子擴(kuò)散。單個(gè) GaAs 和 InAs 生長(zhǎng)步驟的目標(biāo)厚度分別為 0.25 和 0.75 原子層。因此,這些層相當(dāng)于 Ga0.25在0.75如。
在 InAs QW 上方的上層勢(shì)壘中插入一個(gè) Si δ 摻雜層。QW 上方的位置是不同的。
在明場(chǎng) (BF) 和高角度環(huán)形暗場(chǎng) (HAADF) 模式下使用透射電子顯微鏡 (TEM) 進(jìn)行檢查表明,螺紋位錯(cuò)被有效地捕獲在緩沖層中,對(duì) QW 區(qū)域的滲透最小。該團(tuán)隊(duì)評(píng)論道:“即使 QW 并非完全沒有螺紋位錯(cuò),位錯(cuò)密度也太小,無法降低 2DEG 的遷移率。
表面平滑在提高低溫(低于 120K)下的遷移率方面特別有效,因?yàn)槁曌由⑸涞挠绊懘蟠蠼档停▓D 2)。研究人員指出,之前的工作表明,GaAs 襯底上的遷移率性能與更昂貴的 InP 上的遷移率性能相當(dāng)。
圖 2:通過引入平滑層提高電子遷移率。(一、二)在 InAs QW 二維電子氣 (2DEG) 中,實(shí)心圓和空心圓分別顯示遷移率和片狀載流子濃度隨溫度的變化。紅色和藍(lán)色圓圈分別對(duì)應(yīng)于帶平滑層和不帶平滑層的 QW。δ 摻雜與 (Ga,In)As 層的距離 d 在 (a) 中為 14nm,在 (b) 中為 20nm。綠色箭頭表示通過表面平滑實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)性增加。(c) 遷移率隨平滑層厚度的變化。
一個(gè)令人費(fèi)解的方面是,即使經(jīng)過表面平滑處理,與基板和異質(zhì)結(jié)構(gòu)上層之間的應(yīng)變松弛相關(guān)的交叉影線圖案仍然很明顯。研究人員評(píng)論說:“需要強(qiáng)調(diào)的是,表面平滑不會(huì)改變交叉影線形態(tài),因?yàn)榕c之相關(guān)的高度調(diào)制比生長(zhǎng)中斷對(duì)表面遷移的增強(qiáng)所能平滑的要大得多。
根據(jù)橫截面透射電子顯微鏡檢查(圖 3),表面平滑減少了緩沖液生長(zhǎng)過程中引入的“階梯聚束”的影響。該團(tuán)隊(duì)評(píng)論說:“表面平滑必須消除通過臺(tái)階束束增加的高度遠(yuǎn)大于單原子層厚度的臺(tái)階。
圖 3:從平滑中去除表面臺(tái)階。BF (a) 和 HAADF (b) 模式下 QW 區(qū)的透射電子顯微照片。(c) HAADF 圖像的放大視圖。紅色箭頭指向平滑層的頂部和底部界面。綠色箭頭顯示聚束生成的曲面臺(tái)階。
階躍聚集發(fā)生在明顯小于載波平均自由程的距離上,為散射創(chuàng)造了機(jī)會(huì),從而對(duì)流動(dòng)性產(chǎn)生了負(fù)面影響。相比之下,交叉影線表面的準(zhǔn)周期通常大于平均自由程,因此對(duì)遷移率的影響最小。
研究人員評(píng)論說:“由于表面遷移的增強(qiáng),當(dāng)引入平滑層時(shí),InAs QW 的界面變得平坦和突兀。因此,界面散射被抑制,提高了遷移率,至少與使用 InP 襯底獲得的遷移率一樣大。
該團(tuán)隊(duì)還報(bào)告說,他們?cè)鴩L試在 InP 襯底上使用表面平滑技術(shù),但由此產(chǎn)生的 InAs QW 沒有顯示出明顯的遷移率改善。研究人員評(píng)論道:“因此,與我們的 MBE 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的雜質(zhì)極限遷移率相比,InP 襯底中源自表面臺(tái)階的界面散射可以忽略不計(jì)。
另一個(gè)潛在的變化是在平滑序列中使用 AlAs 而不是 GaAs。然而,這又一次失敗了——事實(shí)上,表面變得更加粗糙,移動(dòng)性沒有改善。
研究人員評(píng)論說:“AlAs 的表面遷移表明比 GaAs 更難增強(qiáng)。具體來說,AlAs 可能更喜歡形成島,這可能是由于吸附原子的擴(kuò)散有限。生長(zhǎng)中斷會(huì)擴(kuò)大島嶼的大小,而不是促進(jìn)現(xiàn)有階地的階梯流。
評(píng)論