InSb量子阱生产难题，自下而上生长的独立纳米结构能否解决？

杨公超

文|看家护院的小黑
编辑|看家护院的小黑
近年来，由InSb制成的低维纳米结构因其潜在的应用前景而受到广泛关注。
在所有III-V族材料中，InSb具有窄带隙，以其高电子迁移率、大朗德g因子和强大的Rashba自旋轨道耦合而著称，使其成为自旋电子学应用的良好候选者。
2DInSb纳米结构，即量子阱，作为这种半导体-超导器件混合体的半导体平台显示出巨大的潜力。

但是InSb量子阱很难在绝缘基板上外延生长，因为它们需要一堆缓冲层来容纳InSb的大晶格常数。解决这些问题的方法就是自下而上生长的独立纳米结构。
独立的2D纳米结构可以在晶格不匹配的基板上生长，因为它们占地面积小可以有效地适应变化。对于器件制造，金属或超导体可以通过阴影间技术选择性地沉积。
这种选择性沉积减轻了对蚀刻和制造的需求，从而实现光滑和原始的金属半导体界面。选择性沉积以及InSb平台的高晶体质量让研究新的传输现象成为可能。

为了诱导两根InSb纳米线合并，我们将Au种子颗粒放置在两个相对倾斜的刻面上，暴露在InP晶片中蚀刻的是V型槽切口沟槽的B平面。需要定位一对金种子颗粒用于合并事件。
在MOVPE反应器中使用HCl气体进行高温蚀刻来创建沟槽，与标准湿法蚀刻技术相比，该工艺可以确保对蚀刻参数的控制，从而在沟槽的横向和垂直尺寸上实现更高的可重复性。
电子束光刻技术用在两个相邻沟槽的两个相对的InPB面上对金种子颗粒进行图案化。
金在纳米孔内蒸发，纳米孔被光刻成薄氮化硅掩码。无定形硅xNy掩模可在选择性区域的VLS生长，即防止掩模上的成核，并且前体被限制在VLS生长中。
由于金种子颗粒位于B刻面上，InSb纳米线沿其首选的B方向生长，该方向垂直于B刻面。

此外，由于B平面是倾斜的，每个纳米线从相反的B面生长，总是相互生长，确保合并事件的高产量。
额外的金种子颗粒可以沉积在相同或另一个沟槽的选定位置，以创建可在定向超导体沉积期间使用的阴影结构。
InSb纳米片和纳米线生长平台示意图。在InP晶圆上制造了暴露B刻面的V形槽切口“沟槽”。金种子颗粒在InPB刻面的预定位置上以光刻图案画出InSb纳米线想要生长的位置。

InSb纳米线通过在相对的InPB晶面上沉积金种子颗粒来迫使其合并，使它们的y坐标在草图中相同。
阴影，非合并纳米线可以生长在同一或另一个沟槽上的纳米片旁边，最小偏移草图中的Δy由InSb纳米结构的最终厚度给出，为了避免碰撞。
系列扫描电子显微镜SEM图像，则显示了从InP茎到InSb纳米片的时间演变和生长阶段。

bInP纳米线“茎”从金颗粒中生长出来，c生长在InP茎顶部的InSb纳米线。d金颗粒的聚结、来自相反的B方向和相同Y坐标的两根InSb纳米线的合并，形成桥接纳米结构。
随着进一步的生长，纳米结构通过形成e纳米桥和f纳米片，沿着由两个原始InSb纳米线跨越的平面变宽。
由于电荷效应，SEM检查诱导了d和f中非合并纳米线之间的接触。所有SEM图像均以30°倾斜角度拍摄。

InP茎首先从金种子颗粒中生长，然后在它们上面生长InSb纳米线。源自一对无偏移的金种子颗粒的两根InSb纳米线将相互生长，最终通过形成InSb桥接纳米结构而合并。
我们观察到在大多数情况下，这种纳米结构会发展成2DInSb纳米结构，其倾向于沿着由两个原始InSb纳米线形成的平面扩展。
因此，这些纳米结构的厚度与两根原始InSb纳米线的直径相当，在合并由MBE生长的InSb纳米线中观察到这种生长行为的证据和移动，与合并InAs纳米线相反，其中纳米线相交却不形成2D纳米结构。

InSb桥接纳米结构在底部有一个凹边，由于2D展宽，该边缘在较长的生长时间内不会消失。
Nanoflakes被定义为没有凹边的InSb纳米结构，这意味着纳米结构变宽使得凹边不再形成生长前沿。
相反，InSb纳米结构在底部具有明显的凹形边缘，标记“纳米桥”。使用该技术还可以在同一样品上同时生产多个纳米片和纳米线网络，从而制造高产量的阴影设计。
由于成功的合并事件而形成纳米片，其中两个金颗粒聚结成一个，这意味着两个纳米线之间存在尖端碰撞。
两个金种子颗粒在相对的B刻面上的相对位置对于InSb纳米片的形成来说至关重要。只有当一对金种子颗粒完全对齐时，才会发生完美的合并事件。

两个种子颗粒之间的非常小的偏移，就会导致两个InSb纳米线之间的不完美合并，从而产生两个交叉的纳米线。
尖端到尖端碰撞的第二个先决条件是纳米线的相同生长速率，这会产生可重复的纳米片状形态。相反，生长速率的差异将导致尖端到侧壁合并，其中的两个金种子颗粒不会聚结。尽管如此，这种合并仍会产生2D纳米片。
因为这些研究没有考虑源自尖端到侧壁碰撞的2D纳米片和3D笨重的纳米结构，它们在超过50%的合并事件中与金种子颗粒的聚结产生了尖对尖的碰撞，所以没有观察到反复明确形态的笨重3DInSb纳米结构的形成。
在其他情况下，能观察到尖端与侧壁的碰撞或3D笨重纳米结构的形成。TEM共研究了12个纳米片。对TEM数据的分析产生了四个主要结果。

所有纳米片只有一个金种子颗粒；尖端和尖端碰撞之后是两个金种子颗粒的聚结；所有纳米片都表现出闪锌矿晶体相；所有纳米片主要生长在两根纳米线合并后形成的平面中，它们的大侧面是稳定的面。
三种InSb纳米片的晶体取向与其最终形貌之间的关系，两个合并的InSb纳米线的原始方向由白色虚线突出显示，而正方形表示合并区域。黑色箭头指向金种子颗粒的位置。
草图沿方向定向，并根据它们的相对B方向显示了两根原始纳米线的111种可能的合并方向。中的草图显示了基板的方向和两个B方向。
从纳米片上不同区域获得的选定区域电子衍射图揭示了单晶、无缺陷的InSb闪石晶体。I型纳米片相对于原始纳米线位置向上和向下延伸，主要生长垂直于InSb纳米线之一。

与I型纳米片相比，II型和III型纳米片具有晶界，可将纳米片划分为多个单晶InSb结构域。由于衍射对比度，可以看到II型和III型纳米片中有晶界的存在，表现了这两种纳米片不同区域的选定区域衍射图。
平行于B平面的孪生边界是可见的，根据重合站点晶格术语被归类为“Σ3晶界”。Σ3边界在合并过程中形成，并沿两个单晶InSb域的公共B平面向上和向下延伸。
III型纳米片合并区域的代表性HAADF-STEM图像，可见三个单晶InSb域，由两个沿两个相对B平面指向的两个孪生边界和一个以“之字形”行为为特征的晶界隔开。
III型纳米片合并区晶界的生长历史及其发育顺序无法从现有数据中完全解释。

金种子颗粒生长III型纳米片合并区域的代表性HAADF-STEM图像，可见三个单晶InSb域，由两个沿两个相对B平面指向的两个孪生边界Σ111晶界和一个以“之字形”行为为特征的晶界即Σ9晶界红色箭头隔开。
III型纳米片合并区晶界的生长历史及其发育顺序无法从现有数据中完全解释。然而，我们推断纳米线碰撞发生在两个Σ3晶界之间的区域。
基于原始纳米线的位置，III型纳米片仅沿Σ9晶界向下延伸。Σ9晶界的方向垂直几百纳米，并表现出锯齿形行为，直到形成额外的Σ3晶界。
此时，Σ3晶界横向延伸，在Σ9和新形成的Σ3晶界之间形成新的单晶InSb域关于III型纳米片晶界的其他TEM数据。

I型纳米片将金种子颗粒放置在主要生长侧的边缘。在II型情况下，金种子颗粒总是位于Σ3晶界的顶部边缘。
有趣的是，III型纳米片中金种子颗粒的位置位于Σ9晶界的底部边缘，这意味着金颗粒在合并事件期间“向下翻转”。
三种特殊类型的纳米片的形成可以通过考虑两种合并的InSb纳米线的可能个体取向来解释，InSb纳米线在InP纳米线茎的顶部外延生长，InP纳米线茎外延连接到InP基底。

然而，正如之前报道的那样，这些InP茎具有垂直于生长方向的多个堆叠断层。
这些堆叠缺陷由闪锌矿InP晶格的旋转孪晶组成，这导致InP茎继续增长，晶体取向围绕纳米线轴旋转180°，InP茎中出现奇数堆叠断层，导致孪生取向。
然后将该晶体取向转移到InSb纳米线上，InSb纳米线在其上外延生长且无缺陷，在合并事件之前保持相同的晶格取向。

由于InP线生长在沟槽的两个相对的B面上，所以在两个不同的B方向上生长，围绕其纳米线轴的180°旋转并不是等效的对称操作。比如，InSb晶格绕180-11B方向旋转1°并不等同于绕180-11B方向右线旋转1°。
这其中有两种可能性，其中一根纳米线具有奇数个孪生体并且绕其自身的轴旋转180°，而另一根纳米线具有偶数个孪生体并且与基板具有相同的方向。
这两种情况在镜像对称性上是等效的，它们都导致了Σ3晶界的形成，因此它们俩都是II型纳米片。

两根InSb纳米线共享B方向，因此Σ3晶界可以垂直于它发展，形成Σ3B边界。
如果两个合并的纳米线都有奇数个孪晶，它们将形成Σ9晶界，从而形成III型纳米片这是因为两根纳米线不共享一个共同的B方向。
两个向上的Σ3边界是Σ3B和Σ3B晶界，随着与两个相邻的InSb结构域共享B和B方向的InSb结构域的增长，它们的形成是有可能的。
考虑到合并纳米线的集合，这其中的25%将形成I型纳米片，50%II型纳米片和25%III型纳米片。

笔者观点本文通过合并在InP平台上生长的两根InSb纳米线，详细研究了InSb纳米片的晶体结构和形成动力学，这要归功于我们的生长技术实现的有限厚度。
根据合并纳米线的个体取向，实现三种类型的InSb纳米片是可能的。
I型纳米片是单晶的，II型纳米片含有Σ3晶界，III型纳米片含有Σ9晶界和Σ3晶界，赋予每种类型纳米片不同的形态。

沿InP茎的旋转孪生产生了不同的合并可能性，从而产生了不同类型的纳米片。电子输运研究表明，Σ9晶界对量子器件可能是有害的。
我们的生产技术实现的高水平控制可用于通过定向超导体沉积制造复杂的混合半导体-超导体量子器件。
与以往独立的InSb2D纳米结构VLS生长的方法相比，InSb纳米片状和交叉纳米线网络之间的智能阴影是可能存在的，并且在空间中都具有预定的位置和方向。

可以在InSb纳米片上交叉阴影纳米线来创建4端子约瑟夫森结，并可用于研究新的拓扑特性。
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来源：http://www.yidianzixun.com/article/0qD5fiPF
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