[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出一种基于α-RuCl₃的电荷转移接触结构，实现了高迁移率单层WSe₂的高透明、低电阻p型接触。通过界面电荷转移对接触区域进行掺杂，该方法实现了80,000 cm²/Vs的创纪录空穴迁移率，并可实现低至1.6×10¹¹ cm⁻²的载流子密度，从而促进在低温下观测到金属-绝缘体转变及分数量子霍尔效应。

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.

研究动机与目标

• 为解决在低温和低载流子密度下，高迁移率二维半导体中高电阻、非透明接触的挑战。
• 实现对单层过渡金属二硫属化物（TMDs）中强关联量子物态的输运测量。
• 开发一种在宽范围低载流子密度和低温下均保持低接触电阻的接触方案。
• 在不破坏其原子尺度完整性的前提下，实现单层WSe₂的透明、低电阻p型接触。
• 实现并表征清洁、高迁移率体系中的量子现象，如莫特晶体和分数量子霍尔效应。

提出的方法

• 通过将单层WSe₂与作为电子受体的α-RuCl₃界面接触，构建范德华异质结，以在接触区域诱导p型掺杂。
• 在WSe₂的另一侧使用少层石墨，形成低电阻金属接触。
• α-RuCl₃/WSe₂界面处的电荷转移通过改变WSe₂的功函数，降低了肖特基势垒高度。
• 采用干法转移技术和电子束光刻，制备双栅霍尔条形器件，以实现精确的静电调控。
• 在1.5 K和300 mK下，通过两探针和四探针配置测量接触电阻，以评估在低载流子密度下的性能。
• 采用低频锁相技术与直流I-V扫描进行输运测量，以探测量子输运现象。

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,

实验结果

研究问题

• RQ1 电荷转移接触方案是否可在低载流子密度下实现对高迁移率单层WSe₂的低电阻、透明p型接触？
• RQ2 该电荷转移接触是否可实现低于1.7×10¹¹ cm⁻²的载流子密度，使强关联多体效应占主导？
• RQ3 该器件结构是否可在预期的莫特晶体形成密度范围内分辨出金属-绝缘体转变？
• RQ4 在高迁移率、低接触电阻的单层半导体中，是否可观测到分数量子霍尔态，包括偶数分母态？
• RQ5 在高迁移率二维系统中，接触电阻如何随载流子密度和栅压变化？

主要发现

• 器件在低温下实现了单层WSe₂中80,000 cm²/Vs的创纪录空穴迁移率。
• 该接触方案可实现低至1.6×10¹¹ cm⁻²的载流子密度，比以往实现的低一个数量级。
• 在与莫特晶体形成预期密度区域一致的载流子密度下，观测到了金属-绝缘体转变。
• 在大磁场下观测到分数量子霍尔态，包括ν=2/3态，其能隙随√B变化，与复合费米子理论一致。
• 接触电阻在宽范围载流子密度下保持较低，仅在载流子密度低于1.7×10¹¹ cm⁻²时超过100 kΩ·μm。
• 在最大接触栅压（−13 V）下的I-V特性曲线呈线性响应，证实了电荷转移接触的高质量与高透明性。

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