半導(dǎo)體所在砷化鎵/鍺中拓?fù)湎嘌芯糠矫娅@重要發(fā)現(xiàn)

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所常凱研究組提出利用表面極化電荷在傳統(tǒng)常見半導(dǎo)體材料GaAs/Ge中實(shí)現(xiàn)拓?fù)?/strong>絕緣體相。通過第一性原理計(jì)算和多帶k.p理論成功地證明了GaAs/Ge極化電荷誘導(dǎo)的拓?fù)浣^緣體相，這為拓?fù)浣^緣體的器件應(yīng)用又向前推進(jìn)了一步。

拓?fù)浣^緣體是目前凝聚態(tài)物理的前沿?zé)狳c(diǎn)問題之一。它具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，在體內(nèi)能帶存在能隙，表現(xiàn)出絕緣體的行為;表面或邊界的能帶是線性的無能隙的Dirac錐能譜，因而是金屬態(tài)。這種量子物態(tài)展現(xiàn)出豐富而新奇的物性，如量子自旋霍爾效應(yīng)、磁電耦合、量子反?；魻栃?yīng)等。由于這種新奇的物性源自自旋軌道耦合，因而目前所知的拓?fù)浣^緣體都是含有重原子的窄能隙半導(dǎo)體體系，如HgTe,Bi2X3(X=Se,Sb,……)和Heusler合金等材料。這兩個(gè)約束極大地限制拓?fù)浣^緣體家族的擴(kuò)展，而這些材料不夠成熟的生長制備工藝則阻礙了拓?fù)浣^緣體潛在的器件應(yīng)用。

常凱研究組繼前期首次打破窄能隙和重元素的限制，在常見的半導(dǎo)體材料GaN/InN/GaN中發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體相(Phys. Rev. Lett. 109, 186803(2012))后，首次理論上提出利用表面極化電荷在常見半導(dǎo)體材料GaAs/Ge系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體相。GaAs/Ge系統(tǒng)與GaN/InN/GaN系統(tǒng)相比不同的地方是，GaAs材料和Ge材料晶格常數(shù)匹配，更易于材料的生長。另外GaAs/Ge是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，制造工藝成熟，更利于拓?fù)?strong>絕緣體器件的集成。該工作對(duì)在常見半導(dǎo)體中探索新的拓?fù)?/strong>相，及其開展介觀輸運(yùn)的研究具有重要意義。