[发明专利]一种窄禁带半导体/超导体异质结纳米线的制备方法

说明书

一种窄禁带半导体/超导体异质结纳米线的制备方法，包括：将衬底(10)放置于制备设备中，在衬底表面生长半导体纳米线(11)，以半导体纳米线(11)为内核，在半导体纳米线(11)的侧壁上原位外延生长窄禁带半导体纳米线壳层(12)，在窄禁带半导体纳米线壳层(12)表面原位外延生长超导体层(13)。该方法制备的窄禁带半导体/超导体异质结纳米线具有高的晶体质量，异质结界面可达原子级平整。

技术领域

本公开涉及半导体材料制备技术领域，尤其涉及一种窄禁带半导体/超导体异质结纳米线的制备方法。

背景技术

基于Majorana费米子的容错拓扑量子计算是一种近年来被提出并得到认可的解决量子计算机纠错问题的方法。探测并找到Majorana费米子是其用于容错拓扑量子计算的关键。2012年，荷兰代尔夫特理工大学的Kouwenhoven教授团队[Science 336(2012)1003]及瑞典隆德大学徐洪起教授团队[Nano Letters 12(2012)6414]等分别在实验上证明了在拓扑超导纳米线中存在Majorana零能态，并且Majorana零能态的电导具有量子化特征。然而，在这些实验中，半导体纳米线上的超导金属采用传统的非外延的沉积方法制备，通过这种方式得到的半导体纳米线/超导异质结纳米线，超导金属会通过近邻效应在纳米线中形成的软超导能隙，该软超导能隙中存在拓扑平庸的低能量态，即安德列夫束缚态，其能量小于近邻效应诱导的超导能隙。安德列夫束缚态在微分电导和约瑟夫森效应的测量中，可以表现出类似Majorana零能态的实验信号，更进一步，它会造成Majorana零能态承载的量子信息的退相干，对拓扑量子信息处理极为不利。最近的理论研究表明，上述软超导能隙的出现源于半导体纳米线和超导体间的界面无序。

目前，制备可实现准一维弹道输运且界面达原子级平整的高质量半导体/超导体异质结纳米线，是消除软超导能隙的主要方法。例如： 2015年，丹麦哥本哈根大学的Marcus教授团队[Nature Materials 14 (2015)400]利用MBE技术，在InAs衬底上直接外延生长了高质量的 InAs纳米线，并原位外延生长超导金属Al，获得了高质量的InAs/Al 异质结纳米线，实现了硬超导能隙。但这种在衬底上直接外延生长纳米线的方式受到晶格失配的限制，对于晶格失配大的半导体材料，特别是InSb，难以被用于制备高质量的纳米线。为了解决这一困难，2018 年，代尔夫特理工大学的Kouwenhoven教授团队[Nature 556(2018)74] 利用MOCVD技术，在InP纳米线轴向上生长了高质量的InSb纳米线，并转移至MBE系统中外延生长超导金属Al，获得InSb/Al异质结纳米线，实现了硬超导能隙、特别是观察到了量子化的电导平台，为基于窄禁带半导体/超导体纳米线体系的拓扑量子计算奠定了坚实基础。由于MOCVD技术无法外延超导金属Al，使得样品在制备过程中必须进行转移，而纳米线的表面在转移过程中极易受到破坏，使得原子级平整的半导体/超导体异质界面难以获得。因此，探索新的方式来制备用于研究Majorana束缚态的高质量窄禁带半导体/超导体异质纳米线仍是当前需要解决的重要问题之一。

发明内容

本发明提供了一种窄禁带半导体/超导体异质结纳米线的制备方法，以获得具有高晶体质量且异质结界面达原子级平整的窄禁带半导体/超导体异质结纳米线。

本公开一方面提供了一种窄禁带半导体/超导体异质结纳米线的制备方法，包括：将衬底放置于制备设备中；在所述衬底表面生长半导体纳米线；以所述半导体纳米线为内核，在所述半导体纳米线的侧壁上原位外延生长窄禁带半导体纳米线壳层；在所述窄禁带半导体纳米线壳层表面原位外延生长超导体层。

可选地，所述半导体纳米线垂直于所述衬底表面生长。

可选地，所述窄禁带半导体纳米线壳层与所述超导体层均在高真空环境下制备。

可选地，所述在所述半导体纳米线的侧壁上原位外延生长窄禁带半导体纳米线壳层，以及，所述在所述窄禁带半导体纳米线壳层表面原位外延生长超导体层的方法包括分子束外延和化学束外延。