[論文レビュー] Charge-transfer Contact to a High-Mobility Monolayer Semiconductor

Jordan Pack, Yinjie Guo+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2023

2D Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、α-RuCl₃を用いた電荷移動接触構造を導入し、高移動度モノレイヤーWSe₂への高透過率で低抵抗のp型接触を実現する。界面での電荷移動によるドーピングにより、80,000 cm²/Vsという記録的なホール移動度と、1.6×10¹¹ cm⁻²にまで低いキャリア密度へのアクセスが可能となり、低温で金属絶縁体転移や分数量子ホール状態の観測が可能になった。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) semiconductors, such as the transition metal dichalcogenides, have demonstrated tremendous promise for the development of highly tunable quantum devices. Realizing this potential requires low-resistance electrical contacts that perform well at low temperatures and low densities where quantum properties are relevant. Here we present a new device architecture for 2D semiconductors that utilizes a charge-transfer layer to achieve large hole doping in the contact region, and implement this technique to measure magneto-transport properties of high-purity monolayer WSe$_2$. We measure a record-high hole mobility of 80,000 cm$^2$/Vs and access channel carrier densities as low as $1.6 imes10^{11}$ cm$^{-2}$, an order of magnitude lower than previously achievable. Our ability to realize transparent contact to high-mobility devices at low density enables transport measurement of correlation-driven quantum phases including observation of a low temperature metal-insulator transition in a density and temperature regime where Wigner crystal formation is expected, and observation of the fractional quantum Hall effect under large magnetic fields. The charge transfer contact scheme paves the way for discovery and manipulation of new quantum phenomena in 2D semiconductors and their heterostructures.

研究の動機と目的

• 低温・低キャリア密度における高移動度2次元半導体の高抵抗・非透過的接触の課題を克服すること。
• モノレイヤー遷移金属ジ chalcogenides (TMDs) における強い相関する量子相の輸送測定を可能にすること。
• 広範な低キャリア密度および低温領域において低接触抵抗を維持する接触スキームの開発。
• 原子スケールの完全性を損なわずに、モノレイヤーWSe₂に透過性で低抵抗のp型接触を実現すること。
• 清浄で高移動度の系において、ウィグナー結晶や分数量子ホール効果などの量子現象へのアクセスと特性評価。

提案手法

• モノレイヤーWSe₂と電子受容体としてのα-RuCl₃を界面に接合させたvan der Waalsヘテロ構造を形成し、接触領域におけるp型ドーピングを誘導する。
• WSe₂の反対側に数層グラファイトを用いて、低抵抗金属接触を形成する。
• α-RuCl₃/WSe₂界面での電荷移動により、WSe₂の仕事関数が変化し、シュットキー障壁高が低下する。
• 乾式転写法と電子線リソグラフィーを用いて、精密な静電的制御が可能な二重ゲートホールバー素子をプロセスする。
• 1.5 Kおよび300 mKで、2端子および4端子配置を用いて接触抵抗を測定し、低キャリア密度領域での性能を評価する。
• 低周波数ロックイン法およびDC I-Vスイープを用いて輸送測定を行い、量子輸送現象を調査する。

Figure 1: Charge-Transfer Contact Architecture. a , Schematic illustration of a WSe 2 device integrating charge-transfer contacts. Contact metal is omitted from the diagram to show the WSe 2 - $\alpha$ -RuCl 3 interface. b , Band diagram illustrating the expected charge redistribution when graphite,

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷移動接触スキームは、低キャリア密度における高移動度モノレイヤーWSe₂への低抵抗で透過性のあるp型接触を達成できるか？
• RQ2 電荷移動接触は、量子多体効果が支配的になると予想される1.7×10¹¹ cm⁻²未満のキャリア密度にアクセス可能か？
• RQ3 デバイス構造は、ウィグナー結晶形成の予想される密度領域において金属絶縁体転移を解明できるか？
• RQ4 高移動度かつ低接触抵抗のモノレイヤー半導体で、分数量子ホール状態（偶数分母状態を含む）を観測できるか？
• RQ5 高移動度2次元系において、接触抵抗はキャリア密度およびゲート電圧にどのように依存するか？

主な発見

• 低温下でモノレイヤーWSe₂のホール移動度が80,000 cm²/Vsに達し、記録更新を達成した。
• 接触スキームにより、1.6×10¹¹ cm⁻²という、これまでに達成できなかったオーダーの低キャリア密度にアクセス可能となった。
• ウィグナー結晶形成の予想される領域と整合するキャリア密度で金属絶縁体転移が観測された。
• 大きな磁場下で分数量子ホール状態（ν=2/3状態を含む）が観測され、ギャップが√Bに比例するという、複合フェルミ粒子理論と整合した挙動を示した。
• 接触抵抗は広いキャリア密度範囲で低く維持され、1.7×10¹¹ cm⁻²未満では100 kΩ·μmを超える値を示した。
• 最大接触ゲートバイアス（−13 V）におけるI-V特性は直線的であり、電荷移動接触の高品質性と透過性を確認した。

Figure 2: Transport Properties of Low Density WSe 2 . a , Hall mobility as a function of density from room temperature to 1.5 K. b , Hall mobility from room temperature to 1.5 K at multiple channel densities. c , Comparison of this work with past measurements of low-temperature Hall mobility as a fu