提高GaAs衬底上InAs量子阱的迁移率

德国的研究人员报告说，在分子束外延 （MBE） 期间使用的表面平滑技术提高了砷化铟 （InAs） 量子阱 （QW） 在砷化镓 （GaAs） 衬底上的迁移率，特别是在低于 120K 的低温下 [A. Aleksandrova et al， Appl. Phys. Lett.， v126， p232109， 2025]。来自柏林洪堡大学、Institut Kurz GmbH 和 Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik 的团队评论道：“随着表面平滑的引入，GaAs 衬底因此取代了 InP 衬底，成为一种更便宜、更优越的替代品。

研究人员认为他们的成就对量子信息处理特别有趣。他们解释说：“InAs 的纳米线在半导体-超导体异质结构中承载马约拉纳零模式，这些模式是由强自旋-轨道耦合产生的。一对 Majorana 零模式可以实现一个不受局部扰动影响的量子计算的稳健量子比特。因此，半导体-超导体界面处的电子耦合可以是无势垒的，因为电子积累在 InAs 的表面。在组装大量量子比特以构建量子计算机时，在异质结构中以光刻方式定义窄通道比使用外延生长的纳米线要实用得多。

马约拉纳零模式是指量子理论准粒子结构，它是具有自旋 1/2 的零能量、零电荷准粒子。在超导系统中，这些马约拉纳零模式可以作为电子和空穴的组合出现。

该团队还表明，他们的技术可以通过使用 InAs QW 晶体管结构提高高频无线通信系统中的电子迁移率来使传统电子系统受益。

与磷化铟 （InP） 或锑化镓 （GaSb） 衬底相反，该平滑解决了 GaAs 上 InAs QW 结构中出现的晶格匹配问题。InAs 与 GaAs 的错配为 6.7%，而 InP 和 GaSb 的错配分别为 3.1% 和 -0.6%。基板和 QW 之间的缓冲层材料在如此大的晶格失配下发生塑性弛豫，其效果之一是在材料表面呈现交叉影线图案。

图 1：AlInAs 障碍中 InAs QW 的 MBE 生长序列。红色部分显示了 Al 之前的生长中断措施0.25在0.75作为曲面平滑的图层。

GaAs 上的 MBE 从一系列缓冲层开始（图 1）。这些包括在高温下生长的短周期超晶格和在低温下以 50nm 步骤排列的具有渐变铟成分的 AlInAs 层序列。缓冲液中的最终铟含量为 0.84。

然后将最后一层（包括 InAs QW）的生长温度提高到 480°C。第一层是在 50nm 中连续分级至 0.75 含量的 AlInAs。缓冲液中的铟含量过冲旨在防止进一步位错的形成。

该团队在有和没有表面平滑措施的情况下种植了 InAs QW。在 InAs QW 和 AlInAs 阻挡材料之间插入了 6.5nm GaInAs。研究人员评论说：“这种插入至关重要，因为含铝表面会吸引 O2 分子被吸附。如果 InAs 层未与 Ga 接口，则生成的界面电荷会导致 QW 中的 2DEG 发生强库仑散射0.25在0.75作为图层。

表面平滑测量包括 GaAs 和 InAs 层之间的一系列生长中断，以增强吸附原子扩散。单个 GaAs 和 InAs 生长步骤的目标厚度分别为 0.25 和 0.75 原子层。因此，这些层相当于 Ga0.25在0.75如。

在 InAs QW 上方的上层势垒中插入一个 Si δ 掺杂层。QW 上方的位置是不同的。

在明场 （BF） 和高角度环形暗场 （HAADF） 模式下使用透射电子显微镜 （TEM） 进行检查表明，螺纹位错被有效地捕获在缓冲层中，对 QW 区域的渗透最小。该团队评论道：“即使 QW 并非完全没有螺纹位错，位错密度也太小，无法降低 2DEG 的迁移率。

表面平滑在提高低温（低于 120K）下的迁移率方面特别有效，因为声子散射的影响大大降低（图 2）。研究人员指出，之前的工作表明，GaAs 衬底上的迁移率性能与更昂贵的 InP 上的迁移率性能相当。

图 2：通过引入平滑层提高电子迁移率。（一、二）在 InAs QW 二维电子气 （2DEG） 中，实心圆和空心圆分别显示迁移率和片状载流子浓度随温度的变化。红色和蓝色圆圈分别对应于带平滑层和不带平滑层的 QW。δ 掺杂与 （Ga，In）As 层的距离 d 在 （a） 中为 14nm，在 （b） 中为 20nm。绿色箭头表示通过表面平滑实现的移动性增加。（c） 迁移率随平滑层厚度的变化。

一个令人费解的方面是，即使经过表面平滑处理，与基板和异质结构上层之间的应变松弛相关的交叉影线图案仍然很明显。研究人员评论说：“需要强调的是，表面平滑不会改变交叉影线形态，因为与之相关的高度调制比生长中断对表面迁移的增强所能平滑的要大得多。

根据横截面透射电子显微镜检查（图 3），表面平滑减少了缓冲液生长过程中引入的“阶梯聚束”的影响。该团队评论说：“表面平滑必须消除通过台阶束束增加的高度远大于单原子层厚度的台阶。

图 3：从平滑中去除表面台阶。BF （a） 和 HAADF （b） 模式下 QW 区的透射电子显微照片。（c） HAADF 图像的放大视图。红色箭头指向平滑层的顶部和底部界面。绿色箭头显示聚束生成的曲面台阶。

阶跃聚集发生在明显小于载波平均自由程的距离上，为散射创造了机会，从而对流动性产生了负面影响。相比之下，交叉影线表面的准周期通常大于平均自由程，因此对迁移率的影响最小。

研究人员评论说：“由于表面迁移的增强，当引入平滑层时，InAs QW 的界面变得平坦和突兀。因此，界面散射被抑制，提高了迁移率，至少与使用 InP 衬底获得的迁移率一样大。

该团队还报告说，他们曾尝试在 InP 衬底上使用表面平滑技术，但由此产生的 InAs QW 没有显示出明显的迁移率改善。研究人员评论道：“因此，与我们的 MBE 系统可实现的杂质极限迁移率相比，InP 衬底中源自表面台阶的界面散射可以忽略不计。

另一个潜在的变化是在平滑序列中使用 AlAs 而不是 GaAs。然而，这又一次失败了——事实上，表面变得更加粗糙，移动性没有改善。

研究人员评论说：“AlAs 的表面迁移表明比 GaAs 更难增强。具体来说，AlAs 可能更喜欢形成岛，这可能是由于吸附原子的扩散有限。生长中断会扩大岛屿的大小，而不是促进现有阶地的阶梯流。