[論文レビュー] High-quality BN/WSe2/BN heterostructure and its quantum oscillations

Shuigang Xu, Yu Han+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2015

2D Materials and Applications参考文献 29被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、選択的h-BNエッチングを用いて、封止された数層WSe2を有する高品質なBN/WSe2/BNファンデルワールスヘテロ構造を実現し、超高 Mobility（最大6236 cm²/V·s）および低接触抵抗（0.2–0.5 kΩ·μm）を達成した。このデバイスにより、シュビニコフ＝ド・ハース振動や金属絶縁体転移を含む内在的量子振動の観測が可能となり、WSe2の真の輸送特性が明らかになった。

ABSTRACT

Tungsten diselenide (WSe2), a typical semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs), have recently emerged as a promising two-dimensional (2D) material for potential applications in electronic and optoelectronic devices. Extraordinary physical phenomena such as valley Hall effect, valley Zeeman effect, thickness-dependent band structures have been discovered recently in TMDs mainly through optical characterizations. The intrinsic transport characteristics of TMDs, however, have not been well studied because of extrinsic factors such as the electrode contact problems and charged traps in TMD devices. These problems are also reflected by the low carrier mobility in WSe2 (the highest mobility so far reported is about 600 cm2/V s). Here, we demonstrate a new kind of van der Waals heterostructure which consists of a few-layer WSe2 encapsulated between insulating hexagonal boron nitride (h-BN) sheets. High-quality Ohmic contacts at low temperatures are achieved between the metal electrodes and WSe2 based on a selective etching process for h-BN, and the electrode contact resistance is in the range of 0.2-0.5 k{\Omega}{\mu}m which is sufficiently low for detecting the intrinsic transport properties of few-layer WSe2 and its quantum oscillations. Because of clean interfaces between h-BN and WSe2, BN/WSe2/BN heterostructured devices show ultrahigh field-effect mobility (up to 6236 cm2/V s) at low temperatures. The high quality of the BN/WSe2/BN devices is further verified by the high electron mobility extracted from Hall-effect measurements (over 4200 cm2/V s), metal-insulator transitions at low carrier density (in the order of 1011 cm-2) and interesting features of Shubnikov-der Haas (SdH) oscillations.

研究の動機と目的

• WSe2デバイスにおける内在的輸送を遮蔽する要因となる外部要因（電極接触抵抗や不純物トラップ）を克服すること。
• h-BNとWSe2の間のクリーンな界面を有する高品質なファンデルワールスヘテロ構造を構築し、内在的電子的性質を維持すること。
• h-BNの選択的エッチングプロセスを用いて、数層WSe2への低抵抗オーミック接触を実現すること。
• 散乱や不規則性を最小限に抑えることで、シュビニコフ＝ド・ハース振動などの内在的量子振動の観測を可能にすること。
• 制御された封止2次元ヘテロ構造において、超高 Mobility と金属絶縁体転移を測定・検証すること。

提案手法

• 清浄で原子的に滑らかな界面を確保するため、機械的剥離およびドライトランスファー技術を用いてBN/WSe2/BNヘテロ構造を形成した。
• WSe2チャネル周囲のh-BN層を選択的に除去するエッチングプロセスを適用し、低抵抗のオーミック接触を実現した。
• キャリア密度を制御し、低温での輸送特性を測定するため、二重ゲート型フィールド効果トランジスタ構造を採用した。
• 4.2 Kまでの低温輸送測定を実施し、量子振動を解像し、ホール測定からMobilityを抽出した。
• シュビニコフ＝ド・ハース振動の定量的解析により、キャリア有効質量およびフェルミ面の性質を抽出した。
• 低キャリア密度（約10¹¹ cm⁻²）における金属絶縁体転移を同定し、2次元系における多体効果を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低接触抵抗を有するBN/WSe2/BNヘテロ構造は、数層WSe2の内在的輸送特性を明らかにできるか？
• RQ2 封止されたWSe2における最大達成可能フィールド効果Mobilityは何か？ かつ、以前に報告された値と比較するとどうか？
• RQ3 クリーンな界面と低不規則性は、シュビニコフ＝ド・ハース振動のような量子振動の観測を可能にするか？
• RQ4 封止された数層WSe2において、金属絶縁体転移はどのキャリア密度で発生するか？ また、これにより多体効果について何が示唆されるか？
• RQ5 選択的h-BNエッチングは、2次元ヘテロ構造における接触抵抗をどのように低減させ、電気的接触の品質を向上させるか？

主な発見

• BN/WSe2/BNヘテロ構造は、低温で最大6236 cm²/V·sのフィールド効果Mobilityを達成し、以前に報告された値（約600 cm²/V·s）を著しく上回った。
• ホール効果測定により、4200 cm²/V·sを超える電子Mobilityが確認され、高品質なキャリア輸送と低不規則性を示した。
• シュビニコフ＝ド・ハース振動が明確に観測され、明確なフェルミ面の存在が確認され、有効質量およびキャリア密度の抽出が可能になった。
• キャリア密度が約10¹¹ cm⁻²のオーダーで金属絶縁体転移が検出され、局在化または相関効果の始まりを示した。
• 選択的h-BNエッチングにより接触抵抗が0.2–0.5 kΩ·μmにまで低減され、内在的輸送現象の高精度な測定が可能になった。
• h-BNとWSe2の間のクリーンな界面は、不純物キャリアと散乱を抑制し、量子コherenceの向上と長い平均自由行程を実現した。