引言
在近年来，二维材料在半导体领域引起了广泛关注，尤其是过渡金属二硫族化物（TMDs）因其优异的电子特性和高度可调的带隙，成为高性能电子器件的理想候选材料。然而，尽管这些材料在理论上具有极高的载流子迁移率，实际应用中如何实现高迁移率的器件仍然是一个挑战。尤其是在低温和低载流子密度下，常见的接触问题限制了这些材料的量子效应研究。为了解决这一难题，上海交通大学Tingxin Li发表了个人见解，介绍了一种新的窗口接触方法，能够在低温下实现高质量的欧姆接触，成功地在n型高迁移率的MoS2晶体管中探测到分数量子霍尔效应。通过将这种技术与低熔点半金属（如铋）结合使用，本文提出的接触方式显著改善了接触电阻，并扩展了对低载流子密度下量子输运行为的研究，为未来的低温纳米电子学应用提供了新的技术路径。
具体内容
原子级薄的范德华半导体，特别是过渡金属二硫族化物（TMDs），由于其半导体带隙和理论上高的载流子迁移率，成为高性能晶体管的有前途平台。然而，实际在器件中实现高载流子迁移率仍然具有挑战性。在室温下，TMD材料的迁移率主要受到声子散射的限制，这表明需要将温度降至低温才能实现其固有的高迁移率。此外，六方氮化硼（hBN）与干转移方法结合，已被证明是包裹原子级薄的范德华材料并获得高迁移率器件的理想选择。这是因为hBN具有原子级的平整性和化学稳定性，能够最大程度地减少基底和界面引起的无序效应。然而，在低温和低载流子密度下，制造与原子级薄TMD接触的欧姆接触仍然是困难的，尤其是在hBN封装的器件中。这主要是由于当范德华半导体与金属电极接触时，形成了肖特基势垒，导致电子输运的透明度低，从而阻碍了固有电子特性的探测。已经有一些方法被提出，可以在几开尔文温度下为hBN封装的TMD器件提供合理的良好接触。例如，已经使用预图案化和清洁过的金或铂底电极，在低温下与原子级薄的二硫化钼（MoS2）或二硒化钨（WSe2）接触。通过细致的选择性刻蚀方法对TMD的界面结合进行工程化，也可以在低温下显著改善接触。然而，尽管这些技术在低温下提供了对TMD量子输运行为的某些访问，但欧姆接触仍然仅限于相对高的载流子密度，这使得在量子霍尔状态下无法进行低于量子极限的输运实验（即，Landau能级填充因子小于1）。在《自然电子学》上，Siwen Zhao及其同事报告了一种窗口接触技术，用于在低温和低载流子密度下为n型高迁移率MoS2晶体管制造欧姆接触。该方法能够记录高场效应迁移率并观察到分数量子霍尔状态。 图 1：在n型MoS₂晶体管中探测分数量子霍尔态。图1：示意图展示了MoS₂晶体管中的二维窗口接触方法。窗口是在几层hBN中创建的，hBN用于封装MoS₂。黄色和绿色球体分别代表硫和钼原子。红色圆圈和箭头表示Landau能级填充因子为1/5的Laughlin态。最近，低熔点的半金属（如铋和锑）已被用于实现与n型MoS2的接触，具有可忽略的肖特基势垒和低接触电阻，尤其在室温下。赵及其同事开发的方法结合了使用铋接触MoS2和hBN封装的优点，来实现高迁移率器件。该方法特别能够为原子级薄的MoS2在接近导电带边缘的低载流子密度下实现欧姆接触，从而使得能够在高磁场和低温下测量分数量子霍尔态。研究人员（来自中国、美国、日本和法国的多个研究机构）在几层hBN中预图案化了约1×1μm²大小的二维窗口，并将其用作hBN/MoS2/hBN夹层结构中的顶部封装层。然后，通过热蒸发铋/金（25nm/30nm）在这些结构的顶部制造接触。这种二维窗口接触方法与广泛应用于hBN封装石墨烯器件的单维接触方法不同，其在1.5K下的接触电阻为450Ω μm（载流子密度为4.1×10¹² cm⁻²），低于先前在此类温度下的报告。 对二维窗口接触的MoS2晶体管进行的输运测量显示出线性电流-电压曲线，具有高的开关比（超过10⁶），并且场效应电子迁移率可达到105cm² V⁻¹ s⁻¹。通过Matthiessen定律提取的迁移率随温度（T）变化，表达式为1/μ(T) = 1/μimp + 1/μph(T)，其中μimp是低温下的库仑杂质限制迁移率，μph是受到光学声子影响的迁移率。研究发现，当温度降到大约20K以下时，迁移率达到最大值并趋于平稳。此外，估计的接触电阻保持在低于10kΩ μm的水平，直到载流子密度降至约2×10¹¹ cm⁻²，低于在20 T磁场下访问量子极限所需的载流子密度（大约5×10¹¹ cm⁻²）。事实上，研究团队在高达34T的磁场和0.3K的基础温度下对其器件进行了检查，并发现双层MoS2晶体管中填充因子为4/5和2/5的分数量子霍尔态的证据。此外，对于双层MoS2的情况，铋/金电极仅与一个顶部表面形成欧姆接触，基于不对称的接触结构。电气测量因此仅探测到部分总导电性，从而以特定的方式检查每个TMD层中的Landau能级，并允许在双门扫描中观察到Landau能级交叉。这一特征非常引人注目，因为它可能为将来调节分数量子霍尔态提供新的方法。早在七月，一项研究报道了在p型WSe2中观察到分数量子霍尔效应。这得益于使用电荷转移接触方法，在低孔载流子密度（约1.6×10¹¹ cm⁻²）下制造欧姆接触。实现了n型和p型TMD高迁移率晶体管，并且能够在低载流子浓度限制下工作，必将为低温纳米电子学开辟新的机会。这可能包括twistronics、库仑拖曳、低温放大器器件和互补逻辑的发展。 Li, T. Contact through a window. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01311-z
