Nieuwe methode realiseert ohmse contacten in n-type MoS₂-transistors bij cryogene temperaturen

Halfgeleidende overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s) zijn een klasse van gelaagde materialen die unieke opto-elektronische eigenschappen vertonen die kunnen worden gebruikt om transistors, sensoren en andere nano-elektronica te ontwikkelen. Ondanks hun voordelen is het creëren van robuuste ohmse contacten die een metalen elektrode in transistors verbinden met halfgeleidende TMD’s bij cryogene temperaturen een uitdaging gebleken.

Dit heeft tot nu toe het gebruik van deze materialen beperkt voor het bestuderen van fundamentele natuurkunde of het ontwikkelen van nano-elektronica die bij lage temperaturen werkt.

In een papiertje erin Natuurelektronicaintroduceerden onderzoekers van de Liaoning Academy of Materials, Shanxi University en andere instituten een nieuwe techniek voor het realiseren van ohmse contacten met het TMD-molybdeendisulfide (MoS₂) bij cryogene temperaturen, en ontdekte dat de elektronenmobiliteit in die transistors verrassend hoog kan zijn.

“Vier decennia lang hebben onderzoekers moeite gehad met het zoeken naar 2D-elektronengas in vaste toestand (2DEG) dat fractioneel gekwantiseerde transversale geleidingsplateaus vertoont, waarvan slechts een zeer beperkt aantal is gerapporteerd, inclusief kwantumputten en grafeen”, zegt Zheng Vitto Han, senior auteur van het artikel, vertelde Phys.org.

“De zoektocht naar fractionele kwantum-Hall-effecten in nieuwe systemen met hoge ladingsmobiliteit blijft een fundamentele maar uitdagende bezigheid. Onlangs zijn spectra van Landau-niveaus in 2D-halfgeleiders, vooral overgangsmetaaldichalcogeniden, intensief experimenteel bestudeerd.”

Terwijl eerdere studies het potentieel van TMD’s voor het realiseren van fractionele kwantum-Hall-fasen benadrukten, rapporteerden eerdere inspanningen alleen fracties boven de kwantumlimiet (dwz met vulfracties groter dan 1). Als onderdeel van hun onderzoeksinspanningen wilden Han en zijn collega’s deze onopgeloste onderzoeksuitdaging aanpakken.

“Correct gekwantiseerde fractionele kwantum-Hall-plateaus in TMD’s, vooral op de laagste Landau-niveaus waar elektroneninteracties het meest uitgesproken zijn, ontbreken tot nu toe, voornamelijk vanwege de uitdagingen bij het verkrijgen van ohms contact bij zeer lage temperaturen”, zegt Siwen Zhao, de eerste auteur van het artikel. “We zijn begin 2020 begonnen met het opvullen van deze leemte in de literatuur.”

Het hoofddoel van de recente studie van het team was het bedenken van een haalbare strategie voor het realiseren van robuuste en reproduceerbare ohmse contacten die metalen elektroden verbinden met MoS.₂die werkte bij een breder temperatuurbereik. Hun voorgestelde methode bouwt voort op een onderzoeksgroep aan het MIT, die had ontdekt dat bismut (Bi) een goed metaal zou zijn om te combineren met MoS.₂.

Deze vorige groep had contacten tussen Bi en MoS gerealiseerd₂ bij temperaturen tot 50K. Na verschillende pogingen konden Han en zijn collega’s een aanpak bedenken om onder deze temperatuur te komen, waardoor het temperatuurbereik verder werd uitgebreid.

De strategie die ze gebruikten om dit te bereiken kent drie hoofdstappen. Deze omvatten de inkapseling van hexagonale boornitride (h-BN) lagen, de realisatie van een venstercontact en de thermische verdamping van Bi.

“De n-type molybdeendisulfide-transistors met hoge mobiliteit worden, in tegenstelling tot conventionele epitaxiaal gekweekte kwantumputsystemen, gemaakt door eenvoudigweg verschillende Van der Waals-materialen opeenvolgend te stapelen”, legt Jianming Lu, een van de toonaangevende auteurs, uit.

“De eerste is een h-BN-laag (een paar nm dik), voorzien van een patroon met ongeveer 1×1 um-vensters, en vervolgens gebruikt om de MoS op te pikken₂ laag (monolaag of enkele lagen) in een handschoenenkastje. Ten tweede de windowed-BN/MoS₂ stapel worden afgezet op een andere BN-vlok, zodat de MoS₂ is ingekapseld als een sandwich, maar met nm-dikte.”

Nadat ze deze stappen hadden voltooid, verwerkten de onderzoekers de hele stapel die ze hadden gemaakt met behulp van een standaard lithografische techniek. Vervolgens metalliseerden ze elektroden in de transistors die ze hadden gemaakt en testten ze de prestaties van het resulterende apparaat.

Han en zijn collega’s ontdekten dat de MoS₂-gebaseerde transistors die ze creëerden, vertoonden Ohmse IV-curven variërend van 300K tot 50 mK. Bovendien vertoonden de apparaten een opmerkelijke elektronenmobiliteit van meer dan 100.000 cm2²/V/s bij cryogene temperaturen. Het maakt verder de observatie mogelijk van fractionele kwantum-Hall-fasen onder een magnetisch veld van 34 T bij een temperatuur van 300 mK.

“Het fractionele quantum Hall-effect in ons apparaat is afhankelijk van de alliantie van topologie en interacties die leiden tot de opkomst van quasi-deeltjes die geen equivalent hebben onder de elementaire deeltjes”, zegt Nicolas Regnault, een van de toonaangevende auteurs.

“Sommige van deze quasideeltjes zijn bedoeld als een manier om kwantumcomputers uit te voeren met ingebouwde foutcorrecties. Op een fundamenteel niveau weten we nog steeds niet precies of en welke soorten quasideeltjes, afhankelijk van elektronen, een interactie aangaan tussen elk type. andere in een materiaal.”

De methoden die in het recente artikel van Han en hun collega’s zijn beschreven, zouden nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor de realisatie van nano-elektronica bij lage temperaturen op basis van de TMD MoS₂. In de toekomst zou het andere onderzoeksgroepen kunnen inspireren om soortgelijke technieken te gebruiken om ohmse contacten te realiseren die de vrije stroom van elektronen tussen metaal en TMD’s bij lage temperaturen mogelijk maken.

“Het kunnen waarnemen van het fractionele quantum Hall-effect in onze monsters is een maatstaf voor de kwaliteit van de apparaten die we ons in de nabije toekomst kunnen voorstellen”, zegt Ning Wang, een van de toonaangevende auteurs.

“We zijn nu van plan om verschillende onderzoeksrichtingen te verkennen: ten eerste de opgesloten valleilaag en volledig vallei- en spin-gepolariseerde Landau-niveaus, vandaar de smaken die de FQH-fasen beïnvloeden, in MoS₂ zijn uniek in vergelijking met andere materiaalsystemen (eigenlijk zijn er tot nu toe alleen grafeen- en halfgeleidende kwantumbronnen). Het zou de afstemming van de FQH-toestanden mogelijk kunnen maken via een totaal nieuwe afstemknop – zoals het gepolariseerde licht, wat nooit mogelijk zou zijn in kwantumbronnen, noch in grafeen”, aldus Jing Zhang, een van de leidende auteurs.

In hun volgende onderzoeken zijn Han en zijn collega’s ook van plan andere mogelijke toepassingen van hun experimentele bevindingen te onderzoeken. Op basis van de hoge prestaties van de TMD-transistors bij mK-temperaturen zou hun strategie bijvoorbeeld de ontwikkeling van nano-elektronica bij lage temperaturen mogelijk kunnen maken, zoals cryogene logische circuits die de werking van kwantumtechnologieën zouden kunnen ondersteunen.