提高GaAs襯底上InAs量子阱的遷移率

德國的研究人員報告說，在分子束外延 （MBE） 期間使用的表面平滑技術提高了砷化銦 （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、Institut Kurz GmbH 和 Paul-Drude-Institut für Festk?rperelektronik 的團隊評論道：“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、更優越的替代品。

研究人員認為他們的成就對量子信息處理特別有趣。他們解釋說：“InAs 的納米線在半導體-超導體異質結構中承載馬約拉納零模式，這些模式是由強自旋-軌道耦合產生的。一對 Majorana 零模式可以實現一個不受局部擾動影響的量子計算的穩健量子比特。因此，半導體-超導體界面處的電子耦合可以是無勢壘的，因為電子積累在 InAs 的表面。在組裝大量量子比特以構建量子計算機時，在異質結構中以光刻方式定義窄通道比使用外延生長的納米線要實用得多。

馬約拉納零模式是指量子理論準粒子結構，它是具有自旋 1/2 的零能量、零電荷準粒子。在超導系統中，這些馬約拉納零模式可以作為電子和空穴的組合出現。

該團隊還表明，他們的技術可以通過使用 InAs QW 晶體管結構提高高頻無線通信系統中的電子遷移率來使傳統電子系統受益。

與磷化銦 （InP） 或銻化鎵 （GaSb） 襯底相反，該平滑解決了 GaAs 上 InAs QW 結構中出現的晶格匹配問題。InAs 與 GaAs 的錯配為 6.7%，而 InP 和 GaSb 的錯配分別為 3.1% 和 -0.6%。基板和 QW 之間的緩沖層材料在如此大的晶格失配下發生塑性弛豫，其效果之一是在材料表面呈現交叉影線圖案。

圖 1：AlInAs 障礙中 InAs QW 的 MBE 生長序列。紅色部分顯示了 Al 之前的生長中斷措施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）的生長溫度提高到 480°C。第一層是在 50nm 中連續分級至 0.75 含量的 AlInAs。緩沖液中的銦含量過沖旨在防止進一步位錯的形成。

該團隊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。研究人員評論說：“這種插入至關重要，因為含鋁表面會吸引 O2 分子被吸附。如果 InAs 層未與 Ga 接口，則生成的界面電荷會導致 QW 中的 2DEG 發生強庫侖散射0.25在0.75作為圖層。

表面平滑測量包括 GaAs 和 InAs 層之間的一系列生長中斷，以增強吸附原子擴散。單個 GaAs 和 InAs 生長步驟的目標厚度分別為 0.25 和 0.75 原子層。因此，這些層相當于 Ga0.25在0.75如。

在 InAs QW 上方的上層勢壘中插入一個 Si δ 摻雜層。QW 上方的位置是不同的。

在明場 （BF） 和高角度環形暗場 （HAADF） 模式下使用透射電子顯微鏡 （TEM） 進行檢查表明，螺紋位錯被有效地捕獲在緩沖層中，對 QW 區域的滲透最小。該團隊評論道：“即使 QW 并非完全沒有螺紋位錯，位錯密度也太小，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，因為聲子散射的影響大大降低（圖 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。

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。紅色和藍色圓圈分別對應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現的移動性增加。（c） 遷移率隨平滑層厚度的變化。

一個令人費解的方面是，即使經過表面平滑處理，與基板和異質結構上層之間的應變松弛相關的交叉影線圖案仍然很明顯。研究人員評論說：“需要強調的是，表面平滑不會改變交叉影線形態，因為與之相關的高度調制比生長中斷對表面遷移的增強所能平滑的要大得多。

根據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過程中引入的“階梯聚束”的影響。該團隊評論說：“表面平滑必須消除通過臺階束束增加的高度遠大于單原子層厚度的臺階。

圖 3：從平滑中去除表面臺階。BF （a） 和 HAADF （b） 模式下 QW 區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階。

階躍聚集發生在明顯小于載波平均自由程的距離上，為散射創造了機會，從而對流動性產生了負面影響。相比之下，交叉影線表面的準周期通常大于平均自由程，因此對遷移率的影響最小。

研究人員評論說：“由于表面遷移的增強，當引入平滑層時，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。

該團隊還報告說，他們曾嘗試在 InP 襯底上使用表面平滑技術，但由此產生的 InAs QW 沒有顯示出明顯的遷移率改善。研究人員評論道：“因此，與我們的 MBE 系統可實現的雜質極限遷移率相比，InP 襯底中源自表面臺階的界面散射可以忽略不計。

另一個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——事實上，表面變得更加粗糙，移動性沒有改善。

研究人員評論說：“AlAs 的表面遷移表明比 GaAs 更難增強。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散有限。生長中斷會擴大島嶼的大小，而不是促進現有階地的階梯流。