[논문 리뷰] High-quality BN/WSe2/BN heterostructure and its quantum oscillations

Shuigang Xu, Yu Han외 13명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 29.

2D Materials and Applications참고 문헌 29인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 소수층 WSe2를 봉입한 고품질 BN/WSe2/BN 반데발스 이종구조를 구현하여 선택적 h-BN 에칭을 통해 초고속 필드효과 이동도(최대 6236 cm²/V·s)와 낮은 접촉 저항(0.2–0.5 kΩ·μm)을 달성하였다. 이 장치를 통해 내재된 양자 진동, 즉 쇼비니코프-드 하아스 진동과 도체-절연체 전이를 관찰할 수 있었으며, 이는 WSe2의 진정된 전도성 특성을 드러내었다.

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.

연구 동기 및 목표

• WSe2 장치에서 내재된 전도성 특성을 가리기 쉬운 외재적 요인들, 예를 들어 전극 접촉 저항과 잡힌 트랩을 극복하기 위해.
• h-BN와 WSe2 사이에 깔끔한 인터페이스를 가진 고품질 반데발스 이종구조를 개발하여 내재된 전자적 특성을 유지하기 위해.
• 선택적 h-BN 에칭 공정을 이용해 소수층 WSe2에 저저항 오믹스 접촉을 구현하기 위해.
• 산란과 무질서를 최소화함으로써 내재된 양자 진동, 예를 들어 쇼비니코프-드 하아스 진동의 관찰을 가능하게 하기 위해.
• 통제된 봉입 2차원 이종구조에서 초고속 전자 이동도와 도체-절연체 전이를 측정하고 검증하기 위해.

제안 방법

• 청결하고 원자적으로 날카로운 인터페이스를 확보하기 위해 기계적 분리 및 건식 전달 기술을 사용하여 BN/WSe2/BN 이종구조를 제작하였다.
• WSe2 채널 주변의 h-BN 층을 선택적으로 제거함으로써 저저항 오믹스 접촉을 가능하게 하는 선택적 h-BN 에칭 공정을 적용하였다.
• 캐리어 밀도를 조절하고 저온에서 전도성 특성을 측정하기 위해 双게이트 필드효과 트랜지스터 기하구조를 사용하였다.
• 저온 전도성 측정(최저 4.2 K)을 활용하여 양자 진동을 해석하고 홀 측정을 통해 이동도를 추출하였다.
• 쇼비니코프-드 하아스 진동의 정량적 분석을 통해 캐리어 효율 질량과 페르미 표면 특성을 추출하였다.
• 저캐리어 밀도(~10¹¹ cm⁻²)에서의 도체-절연체 전이를 특성화하여 2차원 시스템에서의 다체 효과를 탐구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저저항 접촉을 갖춘 BN/WSe2/BN 이종구조는 소수층 WSe2의 내재된 전도성 특성을 드러낼 수 있는가?
• RQ2 봉입된 WSe2에서 달성 가능한 최대 필드효과 이동도는 얼마이며, 이는 이전에 보고된 값들과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 청결한 인터페이스와 낮은 무질서는 WSe2에서 쇼비니코프-드 하아스 진동과 같은 양자 진동의 관찰을 가능하게 하는가?
• RQ4 봉입된 소수층 WSe2에서 도체-절연체 전이는 어느 캐리어 밀도에서 발생하는가, 그리고 이는 다체 효과에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ5 선택적 h-BN 에칭은 2차원 이종구조에서 접촉 저항을 어떻게 감소시키고 전기적 접촉의 품질을 향상시키는가?

주요 결과

• BN/WSe2/BN 이종구조는 저온에서 최대 6236 cm²/V·s의 필드효과 이동도를 달성하였으며, 이는 이전에 보고된 값(~600 cm²/V·s)을 크게 초월하였다.
• 홀 효과 측정을 통해 4200 cm²/V·s를 초과하는 전자 이동도가 확인되어 고품질의 캐리어 전도성과 낮은 무질서를 시사하였다.
• 쇼비니코프-드 하아스 진동이 명확히 관측되어 잘 정의된 페르미 표면이 존재하고, 효율 질량과 캐리어 밀도를 추출할 수 있음을 확인하였다.
• 캐리어 밀도가 약 10¹¹ cm⁻² 수준에서 도체-절연체 전이가 검출되어 국소화 또는 상호작용 효과의 시작을 시사하였다.
• 선택적 h-BN 에칭을 통해 접촉 저항을 0.2–0.5 kΩ·μm로 감소시켜 내재된 전도 현상의 고정밀 측정을 가능하게 하였다.
• h-BN와 WSe2 사이의 청결한 인터페이스는 잡힌 이온 불순물과 산란을 억제하여 향상된 양자 간섭성과 긴 평균 자유로움 길이를 초래하였다.