引言
在近年來，二維材料在半導體領域引起了廣泛關注，尤其是過渡金屬二硫族化物（TMDs）因其優異的電子特性和高度可調的帶隙，成為高性能電子器件的理想候選材料。然而，盡管這些材料在理論上具有極高的載流子遷移率，實際應用中如何實現高遷移率的器件仍然是一個挑戰。尤其是在低溫和低載流子密度下，常見的接觸問題限制了這些材料的量子效應研究。為了解決這一難題，上海交通大學Tingxin Li發表了個人見解，介紹了一種新的窗口接觸方法，能夠在低溫下實現高質量的歐姆接觸，成功地在n型高遷移率的MoS2晶體管中探測到分數量子霍爾效應。通過將這種技術與低熔點半金屬（如鉍）結合使用，本文提出的接觸方式顯著改善了接觸電阻，并擴展了對低載流子密度下量子輸運行為的研究，為未來的低溫納米電子學應用提供了新的技術路徑。
具體內容
原子級薄的范德華半導體，特別是過渡金屬二硫族化物（TMDs），由于其半導體帶隙和理論上高的載流子遷移率，成為高性能晶體管的有前途平臺。然而，實際在器件中實現高載流子遷移率仍然具有挑戰性。在室溫下，TMD材料的遷移率主要受到聲子散射的限制，這表明需要將溫度降至低溫才能實現其固有的高遷移率。此外，六方氮化硼（hBN）與干轉移方法結合，已被證明是包裹原子級薄的范德華材料并獲得高遷移率器件的理想選擇。這是因為hBN具有原子級的平整性和化學穩定性，能夠最大程度地減少基底和界面引起的無序效應。然而，在低溫和低載流子密度下，制造與原子級薄TMD接觸的歐姆接觸仍然是困難的，尤其是在hBN封裝的器件中。這主要是由于當范德華半導體與金屬電極接觸時，形成了肖特基勢壘，導致電子輸運的透明度低，從而阻礙了固有電子特性的探測。已經有一些方法被提出，可以在幾開爾文溫度下為hBN封裝的TMD器件提供合理的良好接觸。例如，已經使用預圖案化和清潔過的金或鉑底電極，在低溫下與原子級薄的二硫化鉬（MoS2）或二硒化鎢（WSe2）接觸。通過細致的選擇性刻蝕方法對TMD的界面結合進行工程化，也可以在低溫下顯著改善接觸。然而，盡管這些技術在低溫下提供了對TMD量子輸運行為的某些訪問，但歐姆接觸仍然僅限于相對高的載流子密度，這使得在量子霍爾狀態下無法進行低于量子極限的輸運實驗（即，Landau能級填充因子小于1）。在《自然電子學》上，Siwen Zhao及其同事報告了一種窗口接觸技術，用于在低溫和低載流子密度下為n型高遷移率MoS2晶體管制造歐姆接觸。該方法能夠記錄高場效應遷移率并觀察到分數量子霍爾狀態。 圖 1：在n型MoS?晶體管中探測分數量子霍爾態。圖1：示意圖展示了MoS?晶體管中的二維窗口接觸方法。窗口是在幾層hBN中創建的，hBN用于封裝MoS?。黃色和綠色球體分別代表硫和鉬原子。紅色圓圈和箭頭表示Landau能級填充因子為1/5的Laughlin態。最近，低熔點的半金屬（如鉍和銻）已被用于實現與n型MoS2的接觸，具有可忽略的肖特基勢壘和低接觸電阻，尤其在室溫下。趙及其同事開發的方法結合了使用鉍接觸MoS2和hBN封裝的優點，來實現高遷移率器件。該方法特別能夠為原子級薄的MoS2在接近導電帶邊緣的低載流子密度下實現歐姆接觸，從而使得能夠在高磁場和低溫下測量分數量子霍爾態。研究人員（來自中國、美國、日本和法國的多個研究機構）在幾層hBN中預圖案化了約1×1μm2大小的二維窗口，并將其用作hBN/MoS2/hBN夾層結構中的頂部封裝層。然后，通過熱蒸發鉍/金（25nm/30nm）在這些結構的頂部制造接觸。這種二維窗口接觸方法與廣泛應用于hBN封裝石墨烯器件的單維接觸方法不同，其在1.5K下的接觸電阻為450Ω μm（載流子密度為4.1×1012 cm?2），低于先前在此類溫度下的報告。 對二維窗口接觸的MoS2晶體管進行的輸運測量顯示出線性電流-電壓曲線，具有高的開關比（超過10?），并且場效應電子遷移率可達到105cm2 V?1 s?1。通過Matthiessen定律提取的遷移率隨溫度（T）變化，表達式為1/μ(T) = 1/μimp + 1/μph(T)，其中μimp是低溫下的庫侖雜質限制遷移率，μph是受到光學聲子影響的遷移率。研究發現，當溫度降到大約20K以下時，遷移率達到最大值并趨于平穩。此外，估計的接觸電阻保持在低于10kΩ μm的水平，直到載流子密度降至約2×1011 cm?2，低于在20 T磁場下訪問量子極限所需的載流子密度（大約5×1011 cm?2）。事實上，研究團隊在高達34T的磁場和0.3K的基礎溫度下對其器件進行了檢查，并發現雙層MoS2晶體管中填充因子為4/5和2/5的分數量子霍爾態的證據。此外，對于雙層MoS2的情況，鉍/金電極僅與一個頂部表面形成歐姆接觸，基于不對稱的接觸結構。電氣測量因此僅探測到部分總導電性，從而以特定的方式檢查每個TMD層中的Landau能級，并允許在雙門掃描中觀察到Landau能級交叉。這一特征非常引人注目，因為它可能為將來調節分數量子霍爾態提供新的方法。早在七月，一項研究報道了在p型WSe2中觀察到分數量子霍爾效應。這得益于使用電荷轉移接觸方法，在低孔載流子密度（約1.6×1011 cm?2）下制造歐姆接觸。實現了n型和p型TMD高遷移率晶體管，并且能夠在低載流子濃度限制下工作，必將為低溫納米電子學開辟新的機會。這可能包括twistronics、庫侖拖曳、低溫放大器器件和互補邏輯的發展。 Li, T. Contact through a window. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01311-z
