金屬-半導(dǎo)體的異質(zhì)界面對現(xiàn)代電子器件的性能起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)半導(dǎo)體和金屬接觸時,界面處的能帶彎曲情況極大地影響了接觸(電阻)的性質(zhì);它的細(xì)節(jié),比如歐姆接觸還是具有肖特基勢壘,導(dǎo)致不同的電荷密度和電場分布,控制了整個器件的電學(xué)性質(zhì)和對外界調(diào)控的響應(yīng)。一個特殊類型是超導(dǎo)體(如鋁、鉛)和具有強自旋軌道耦合的半導(dǎo)體納米線(如InSb、InAs納米線)的復(fù)合器件,因為它有可能實現(xiàn)馬約拉納零能模和拓?fù)淞孔佑嬎?。在這種超導(dǎo)體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中,兩種材料波函數(shù)的耦合同樣依賴于界面能帶性質(zhì),因為它決定了波函數(shù)的雜化程度以及雜化后的整體性能,比如誘導(dǎo)超導(dǎo)能隙大小、有效朗德 g因子大小和自旋軌道耦合強度等。盡管它很重要,但是一直缺乏系統(tǒng)的實驗研究,一個重要的原因是無法對界面處能帶情況以及接觸實現(xiàn)介觀層面的調(diào)控。
因此,要實現(xiàn)穩(wěn)定的馬約拉納零能模和拓?fù)淞孔佑嬎悖瑢ζ骷|(zhì)量要求特別高,器件加工工藝的優(yōu)化是非常重要的,尤其是超導(dǎo)-半導(dǎo)體的界面控制;另外,拓?fù)淞孔颖忍氐钠骷?gòu)筑非常復(fù)雜,因此器件加工工藝能與現(xiàn)代微加工光刻技術(shù)兼容是非常必要的。最早發(fā)現(xiàn)馬約拉納零能模跡象的復(fù)合量子器件,其制備涉及非原位的加工工藝(可稱為第一代),它是先用刻蝕去除氧化層、而后進行金屬沉積 [Science 336, 1003(2012)]。然而,這種方法往往會導(dǎo)致一個小而軟的誘導(dǎo)超導(dǎo)能隙,容易帶來準(zhǔn)粒子中毒,影響拓?fù)浔Wo和探測馬約拉納零能模。隨后為了誘導(dǎo)更好的超導(dǎo)能隙,催生了第二代制備工藝,包括分子束原位外延生長 [Nature Materials 14, 400 (2015), Nature Nanotechnology 10, 232 (2015)]和結(jié)合氫清潔的特定shadow wall技術(shù) [Nature Communications 12, 4914 (2021), Advanced Functional Materials 31, 2102388 (2021)]。但兩者都不能與微加工光刻技術(shù)完全兼容,靈活度不夠。拓?fù)淞孔颖忍氐膹?fù)雜性對器件制備的靈活性提出了重大挑戰(zhàn),因此亟需開發(fā)一種兼容微加工光刻技術(shù)的通用方法來實現(xiàn)原子層銜接的高質(zhì)量異質(zhì)界面和能帶彎曲的調(diào)節(jié)。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心Q02/HX-Q02課題組一直致力于拓?fù)淞孔颖忍氐难邪l(fā)。之前,制備首個Al/InSb的“馬約拉納島”,嘗試區(qū)分拓?fù)浜头峭負(fù)涞牧隳苣?,測量出了完整(拓?fù)洌┫鄨D,并且看到了可能與馬約拉納零能模的粒子-空穴對稱性相關(guān)的跡象(Nature Commun. 9, 4801 (2018)、PR Research 1, 032031(R) (2019)、PRB 104, 045422 (2021));然后,將“馬約拉納島”嵌入到超導(dǎo)干涉環(huán)中,由超導(dǎo)電流讀出宇稱的信息,這為構(gòu)筑拓?fù)淞孔颖忍靥峁┝恕白x出(readout)”方式(Science Advances 8, eabm9896(2022));之后,和荷蘭埃因霍夫理工大學(xué)的Erik教授研究組合作,實現(xiàn)可控生長InSb納米低維結(jié)構(gòu),并制備了復(fù)雜的量子網(wǎng)絡(luò)器件,為構(gòu)筑拓?fù)淞孔颖忍靥峁崿F(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式(Advanced Functional Materials 33, 2212029(2023))。近期,該團隊的沈潔特聘研究員、呂力研究員、屈凡明研究員、劉廣同研究員和波蘭克拉科夫AGH科技大學(xué)Michal P. Nowak教授、Pawel Wójcik教授、荷蘭愛因霍弗理工大學(xué)Erik Bakker團隊、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所趙建華研究員、潘東研究員、物理所張慶華副研究員、清華大學(xué)谷林教授等人合作,利用自己搭建的器件加工互聯(lián)系統(tǒng),在控制好氬氣刻蝕參數(shù)的情況下,構(gòu)筑了高質(zhì)量的具有原子層界面和彈道輸運的量子器件,解決了復(fù)合量子器件中一直存在的高質(zhì)量界面和微加工工藝不兼容問題,從而嘗試突破拓?fù)淞孔颖忍厮枰母哔|(zhì)量和復(fù)雜器件兼具的瓶頸;同時,該方法還有效調(diào)節(jié)超導(dǎo)體與半導(dǎo)體納米線之間的能帶彎曲情況,并調(diào)節(jié)兩者之間的耦合程度,獲得大誘導(dǎo)超導(dǎo)能隙、非局域的交叉安德略夫反射等有利于構(gòu)建拓?fù)淞孔颖忍氐囊亍?/span>
首先,團隊將具有高遷移率的InSb納米線(由荷蘭愛因霍弗理工大學(xué)Erik Bakker團隊生長)轉(zhuǎn)移到硅襯底上,借助電子束光刻技術(shù)確定電極圖案之后,用氬等離子體除去納米線的氧化層并對界面進行調(diào)制,最后蒸鍍鋁(Al)膜完成器件制備(如圖1a,b)。TEM圖像展示了器件的橫截面,表現(xiàn)出清晰的原子級可分辨的異質(zhì)界面(圖1c-f),且刻蝕后的InSb納米線表面沒有明顯的起伏和粗糙度,這確保了鋁電極和納米線之間的良好接觸(TEM觀測由張慶華團隊完成)。
器件輸運研究團隊(Q02/HX-Q02)立即對器件在背柵電壓變化下的響應(yīng)進行了對比分析(如圖2)。不同刻蝕時間(從20秒到2分鐘)的器件始終表現(xiàn)出具有量子化電導(dǎo)平臺的彈道輸運性質(zhì)(圖2d,f,h),以及多重Andreev反射(MAR)的良好誘導(dǎo)超導(dǎo)性質(zhì),(圖2a-c)。波蘭理論計算團隊利用短結(jié)散射模型對MAR曲線進行擬合得到結(jié)區(qū)透明度(圖2e,g,i),得到接近為1的透射率,這意味著界面具有幾乎完美的透明度。同時,從擬合結(jié)果可以得出誘導(dǎo)能隙的大小接近鋁電極的超導(dǎo)能隙,這表明納米線與超導(dǎo)電極之間的耦合良好。最后值得注意的是,刻蝕時間較長的結(jié)區(qū)表現(xiàn)出更高的電導(dǎo)平臺和更負(fù)的夾斷電壓,這說明在界面處的積累層出現(xiàn)了能帶彎曲增強的特征。
隨后,團隊將重點放在分析刻蝕對能帶彎曲的影響。為了定量描述,采用了 Schrdinger-Poisson方法來計算結(jié)區(qū)處的電子結(jié)構(gòu)和電荷空間分布。電子結(jié)構(gòu)決定了在特定背柵電壓下可能出現(xiàn)的電導(dǎo)平臺(圖3a,c,e),電荷空間分布再現(xiàn)了由于較長的刻蝕時間導(dǎo)致刻蝕表面電荷積累增加的實驗現(xiàn)象(圖3b,d,f)。對于理想的金屬-半導(dǎo)體結(jié),界面處的能帶彎曲由半導(dǎo)體的親合能和金屬的功函數(shù)之間的差值決定。然而,在實際情況下,界面處半導(dǎo)體的表面態(tài)可以改變半導(dǎo)體表面附近的電荷密度和電場分布,從而對能帶彎曲以及對齊情況產(chǎn)生顯著影響。因此該團隊認(rèn)為,隨著刻蝕效應(yīng)的增加,表面態(tài)的態(tài)密度或電中性能級的位置可能會發(fā)生變化,使能帶彎曲程度增加、積累層增強,從而引起從肖特基勢壘到歐姆接觸的轉(zhuǎn)變(圖4),使超導(dǎo)-半導(dǎo)體的耦合增強,使復(fù)合器件雜化以后的波函數(shù)展現(xiàn)出優(yōu)越性能,比如大誘導(dǎo)能隙。
最后,通過非局域測量(圖5a),團隊在強耦合器件中觀測到了明顯的交叉安德略夫反射和彈性共隧穿信號(圖5b,c)。兩種信號之間的平穩(wěn)過渡表明兩種非局域過程同時存在且具有高度可調(diào)性(圖5d),而這種特性是實現(xiàn)人造Kitaev鏈 [Nature 612, 448 (2022), Nature 614, 445 (2023)]的必要條件。為了驗證刻蝕方法的通用性并探索更優(yōu)異的誘導(dǎo)超導(dǎo)能隙,該團隊還制備了Pb和InSb的復(fù)合器件(圖6a-d)。由于鉛(Pb)的超導(dǎo)能隙高達(dá)1.4 meV,幾乎是Al的7倍,通過測量隧穿譜,觀察到遠(yuǎn)超鋁基器件的大超導(dǎo)能隙(圖6e),說明了納米線與Pb之間同樣存在強耦合。此外,該團隊在相同的InAs納米線上制作了不同長度的Pb和InAs納米線的約瑟夫森結(jié)(高質(zhì)量納米線由中科院半導(dǎo)體所趙建華、潘東團隊生長)。輸運測量的結(jié)果顯示, Pb-InAs系統(tǒng)中具有相似的能帶彎曲調(diào)制結(jié)果,進一步支持了該方法在其他復(fù)合量子器件中的潛在應(yīng)用。
總結(jié)如下,團隊證明了一種通用的方法來實現(xiàn)原子級銜接的異質(zhì)界面和高質(zhì)量的復(fù)合器件。重要的是,通過與理論模型的比較,結(jié)果表明制備過程可以有效地調(diào)節(jié)能帶彎曲強度和電荷空間分布,并最終決定器件的性能。該方法可以與先進的光刻制造技術(shù)相結(jié)合,對于制備拓?fù)淞孔颖忍氐膹?fù)雜結(jié)構(gòu),這種靈活的制造工藝和高質(zhì)量的器件特性都展示出巨大的潛力。
上述相關(guān)成果以“Versatile Method of Engineering the Band Alignment and the Electron Wavefunction Hybridization of Hybrid Quantum Devices”為題發(fā)表于《Advanced Materials》,物理所博士研究生李國安、史小凡、林挺、博士后楊光(已出站)為共同第一作者,沈潔特聘研究員、呂力研究員、波蘭克拉科夫AGH科技大學(xué)Micha ?P. Nowak教授、Pawe ?Wójcik教授為共同通訊作者。荷蘭愛因霍弗理工大學(xué)Erik Bakker教授、中科院半導(dǎo)體所趙建華研究員、潘東研究員在樣品生長方面提供了幫助,張慶華副研究員、清華大學(xué)谷林教授等在相關(guān)實驗方面提供了幫助。該工作得到了北京市杰出青年基金、北京市科技新星、國家自然科學(xué)基金委項目、科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院、北京市自然科學(xué)基金委項目、綜合極端條件實驗裝置(SECUF)等資助。

圖1 超導(dǎo)體-半導(dǎo)體納米線復(fù)合器件的電子顯微鏡圖像、測量配置和界面分析。

圖2 三種不同刻蝕時間(t = 20 s, 40 s, 2 min)的約瑟夫森結(jié)器件的彈道輸運測量和量子化電導(dǎo)平臺。

圖3 計算三種不同刻蝕時間的約瑟夫森結(jié)器件的電子結(jié)構(gòu)和空間分布。

圖4 不同刻蝕時間的異質(zhì)界面處能帶彎曲情況。

圖5 約瑟夫森結(jié)器件的非局域測量,其中正的非局域信號對應(yīng)交叉安德略夫反射,負(fù)的對應(yīng)彈性共隧穿。

圖6 Pb-InSb復(fù)合器件和誘導(dǎo)超導(dǎo)能隙表征。圖e顯示了高達(dá)1.4 meV且硬度極高(Gn/Gs超過兩個數(shù)量級)的誘導(dǎo)超導(dǎo)能隙