低温下实现n型MoS₂晶体管欧姆接触的新方法

半导体过渡金属二硫化物（TMD）是一类具有独特光电性能的层状材料，可用于开发晶体管、传感器和其他纳米电子学。尽管它们具有优势，但在低温下创建将晶体管中的金属电极连接到半导体TMD的坚固欧姆接触已被证明是具有挑战性的

到目前为止，这限制了这些材料用于研究基础物理学或开发在低温下工作的纳米电子学

在《自然电子学》的一篇论文中，辽宁材料科学院、山西大学和其他研究所的研究人员介绍了一种在低温下实现TMD二硫化钼（MoS2）欧姆接触的新技术，并发现这些晶体管中的电子迁移率可以高得惊人

该论文的资深作者Zheng Vitto Han告诉Phys.org：“四十年来，研究人员一直在努力寻找表现出分数量子化横向电导平台的固态二维电子气（2DEG），只有非常有限的数量被报道，包括量子阱和石墨烯。”

“在具有高电荷迁移率的新系统中寻找分数量子霍尔效应仍然是一个基本但具有挑战性的追求。最近，对二维半导体，特别是过渡金属二硫化物中的朗道能级光谱进行了深入的实验研究。”报告的分数高于量子极限（即填充分数大于1）。作为他们研究工作的一部分，韩和他的同事们着手解决这一尚未解决的研究挑战

该论文的第一作者赵说：“到目前为止，TMD中正确量化的分数量子霍尔平台，特别是在电子相互作用最明显的最低朗道能级，一直缺失，主要是由于在非常低的温度下获得欧姆接触的挑战。”。“我们从2020年初开始努力填补文献中的这一空白。”

该团队最近研究的主要目标是设计一种可行的策略，实现将金属电极连接到MoS2的稳健和可重复的欧姆接触，该接触在更宽的温度范围内工作。他们提出的方法建立在麻省理工学院的一个研究小组的基础上，该小组发现铋（Bi）是一种与MoS2结合的良好金属。

前一个小组在低至50K的温度下实现了铋和MoS2之间的接触。经过多次尝试，韩和他的同事们能够设计出一种方法来达到这个温度以下，从而进一步扩大了温度范围

他们实现这一目标的策略有三个主要步骤。这些包括六方氮化硼（h-BN）层的封装、窗口接触的实现和铋的热蒸发。

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“与传统的外延生长量子阱系统不同，高迁移率n型二硫化钼晶体管是通过简单地按顺序堆叠几种范德华材料制成的，”主要作者之一Jianming Lu解释道

“第一个是h-BN层（厚度为几nm），带有约1x1-um的窗口，然后用于在手套箱中拾取MoS2层（单层或几层）。其次，将带窗口的BN/MoS2堆叠沉积在另一个BN薄片上，使MoS2像三明治一样被封装，但厚度为nm。”

完成这些步骤后，研究人员使用标准光刻技术处理了他们创建的整个堆叠。然后，他们在他们创建的晶体管中金属化电极，并测试了由此产生的器件的性能

韩和他的同事发现，他们制造的基于MoS2的晶体管显示出300K至50mK的欧姆IV曲线。此外，这些器件在低温下表现出超过100000 cm2/V/s的显著电子迁移率。它还允许在300 mK的温度下在34 T的磁场下观察分数量子霍尔相。“我们设备中的分数量子霍尔效应依赖于拓扑结构和相互作用的联盟，导致基本粒子之间没有等价物的准粒子的出现，”主要作者之一Nicolas Regnault说

“其中一些准粒子被设想为一种通过内置误差校正进行量子计算的方法。在基本层面上，我们仍然不确切地知道取决于电子的准粒子是否以及哪些类型的准粒子在材料中相互作用。”

韩和他们的同事在最近的论文中概述的方法可能会为基于TMD MoS2的低温纳米电子学的实现开辟新的可能性。未来，它可以激励其他研究小组采用类似的技术来实现欧姆接触，使电子在低温下在金属和TMD之间自由流动

“能够在我们的样品中观察到分数量子霍尔效应是在不久的将来可以设想的器件质量的基准，”主要作者之一王宁说

“我们现在计划探索各种研究方向。首先，MoS2中的谷层锁定，完全谷极化和自旋极化的朗道能级，因此影响FQH相的风味与其他材料系统相比是独一无二的（实际上，到目前为止只有石墨烯和半导体量子阱）。它可能允许通过一个全新的调谐旋钮来调谐FQH态，例如偏振光，这在量子阱和石墨烯中都是不可能的，”主要作者之一张静补充道

在接下来的研究中，韩和他的同事们还计划探索他们的实验结果的其他潜在应用。例如，基于TMD晶体管在mK温度下的高性能，他们的策略可以开发低温纳米电子学，如支持量子技术运行的低温逻辑电路 More information: Siwen Zhao et al, Fractional quantum Hall phases in high-mobility n-type molybdenum disulfide transistors, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01274-1.

Journal information: Nature Electronics