半導體所在砷化鎵/鍺中拓撲相研究方面獲重要發(fā)現

　　中國科學(xué)院半導體研究所常凱研究組提出利用表面極化電荷在傳統常見(jiàn)半導體材料GaAs/Ge中實(shí)現拓撲絕緣體相。通過(guò)第一性原理計算和多帶k.p理論成功地證明了GaAs/Ge極化電荷誘導的拓撲絕緣體相，這為拓撲絕緣體的器件應用又向前推進(jìn)了一步。

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

　　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(jiàn)的半導體材料GaN/InN/GaN中發(fā)現拓撲絕緣體相(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(jiàn)半導體材料GaAs/Ge系統中實(shí)現拓撲絕緣體相。GaAs/Ge系統與GaN/InN/GaN系統相比不同的地方是，GaAs材料和Ge材料晶格常數匹配，更易于材料的生長(cháng)。另外GaAs/Ge是傳統的半導體材料，制造工藝成熟，更利于拓撲絕緣體器件的集成。該工作對在常見(jiàn)半導體中探索新的拓撲相，及其開(kāi)展介觀(guān)輸運的研究具有重要意義。