介观系统量子输运

来源：中科院半导体所

介观系统是研究新兴量子现象的绝佳平台，尤其在电子输运领域发挥着重要作用。纳米线、量子点以及二维电子气等都是典型的介观系统。另外，量子输运涵盖了凝聚态物理广阔的研究领域，涉及了包括超导电性、量子霍尔效应以及新型介观功能器件在内的许多研究方向。

《半导体学报》组织了一期“介观系统量子输运”专刊，并邀请了北京大学物理学院叶堉研究员和山西大学光电研究所韩拯教授共同担任特约编辑。该专刊已于2020年第7期正式出版并可在线阅读，欢迎关注。

在本专刊中，共有10个研究团队分别针对介观器件物理相关的多个专业领域的前沿研究进行了报道。本期的一些精彩内容，剪影如下：利用化学气相沉积法合成了一种新型二维绝缘纳米晶体Na2Ta4O11，该材料作为介电材料在实现纳米场效应晶体管方面具有很好的应用潜力；此外，专刊还对量子电子传输，如超薄半导体GaTe纳米片中栅极调控的金属-绝缘体转换、分子束外延制备的Mn掺杂Dirac半金属Cd3As2中栅极可控的Shubnikov-de Haas振荡和量子霍尔效应、双栅量子限域的MoS2通道中的电荷输运现象、以及硅基无结纳米线晶体管中的电子跃迁行为等进行了介绍；以范德华异质结构为平台，专刊还报道了一种新型的非易失性光阻随机存储器和等离子激元效应辅助的高效室温红外光电探测器等。本专刊还收录了评论短文和综述文章，这些文章分别就二维过渡金属硫族化物中备受关注的电极接触问题、以硅量子点作为单自旋调控的典型体系等问题展开了讨论。

综述文章

1.

二维半导体接触工程

二维材料，包括石墨烯，黑磷和过渡金属硫族化合物，在光电子器件应用上具有很大潜力。二维材料和外部电路的接触，对于光电子器件的性能具有重要的影响。然而，由于金属和二维半导体接触带来的势垒和钉轧效应等因素，目前大多数器件的性能都被严重限制。

鉴于此，北京航空航天大学宫勇吉教授课题组，全面概述了二维半导体接触的肖特基势垒和表面费米能级钉轧效应等对器件性能的影响，并给出了传统金属-二维半导体接触，包括三维金属表面接触和三维金属边缘接触和二维金属材料-二维半导体接触，包括二维金属材料表面接触和二维金属边缘接触等研究进展。特别的，本文强调了用传统CVD生长二维金属材料作为接触的优势。

虽然目前接触工程取得了很大进展，但是诸多问题仍然悬而未决。一方面，费米能级钉轧效应的起源目前还处于争论中。本文给出了费米能级钉轧效应的基本物理含义和可能的作用机制，对于实验上避免或改善费米能级钉轧效应具有指导意义。另一方面，虽然CVD生长二维金属材料作为接触的优势，但是在实际应用之前，需要发展大面积，通用性的合成策略。相信本文对于改善并提高器件接触性能和发展大面积普适性CVD策略合成具有重要意义。

图（a）和（b）传统三维金属-二维半导体表面接触和边缘接触。（c）和（d）二维金属材料-二维半导体表面接触和边缘接触。

Contact engineering for two-dimensional semiconductors

Peng Zhang, Yiwei Zhang, Yi Wei, Huaning Jiang, Xingguo Wang, Yongji Gong

J. Semicond. 2020, 41(7): 071901

doi: 10.1088/1674-4926/41/7/071901

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研究论文

1.

化学气相沉积法生长大尺寸二维绝缘体Na2Ta4O11

湖南大学刘松教授课题组首次使用化学气相沉积法制备了二维非层状绝缘体Na2Ta4O11，为目前报道的最小厚度，并且其横向尺寸可达100 μm以上。该材料被认为是潜在的光催化剂。目前关于Na2Ta4O11纳米材料合成的工作主要集中于三维尺度，在二维薄层方面的合成工作非常缺乏。在二维尺度上，电子会被限制在二维的纳米尺度运动，因此二维Na2Ta4O11薄膜的成功制备将赋予其新的性能和应用。该工作为合成其它非层状2D金属氧化物材料提供了借鉴方法。

图1. （左）单层五边形双锥体TaO7的俯视图。（右）CVD生长的Na2Ta4O11薄片的典型光学图像。

Growth of large-scale two-dimensional insulator Na2Ta4O11 through chemical vapor deposition

Yuanyuan Jin, Huimin Li, Song Liu

J. Semicond.  2020, 41(7): 072901

doi: 10.1088/1674-4926/41/7/072901

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2.

少层GaTe晶体管中的金属绝缘体转变

自石墨烯被首次制备以来，二维半导体材料，包括过渡金属硫化物，黑磷以及二维铁电/铁磁半导体材料等，由于其在新型微纳器件中的巨大应用潜力而得到研究人员大量的关注与研究，并由此引发出一些新奇的物理现象在该材料体系中被发现，如谷霍尔效应、电场调控的金属绝缘体转变、魔角石墨烯中的超导电性等。近些年，一种具有直接带隙的层状半导体材料碲化镓（GaTe）由于其优异的光电性能而逐渐进入人们的视野，其在光电器件领域表现出巨大的应用前景。然而，目前针对GaTe的输运性质的研究较为缺乏，特别是其在低温下的输运特性还有待进一步研究。

中国科学院金属研究所王汉文助理研究员等利用干法转移技术以及微纳加工技术制备出GaTe场效应器件，并详细研究了GaTe在低温下的电学输运行为。测试结果表明，GaTe具有显著的载流子调制能力，在二氧化硅的栅介质调控下，薄层GaTe器件实现了金属绝缘体转变。此外，在该器件中还观察到了双极型场效应行为。这项工作显示了GaTe在未来功能器件中的巨大潜力。

图1. GaTe和典型的BN / GaTe / BN器件的特性。（a）GaTe层状晶格示意图，层间间距约为0.8 nm。（b）设备示意图。（c）设备的光学显微照片，比例尺为10 µm。（d）设备的AFM形貌图像，其沿（d）中绿色虚线绘制的高度轮廓如（e）所示。

Metal–insulator transition in few-layered GaTe transistors

Xiuxin Xia, Xiaoxi Li, Hanwen Wang

J. Semicond.  2020, 41(7): 072902

doi: 10.1088/1674-4926/41/7/072902

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3.

砷化镉薄膜栅控输运性质的锰掺杂效应研究

作为典型的拓扑狄拉克半金属，Cd3As2是研究诸多新奇物理现象的理想材料平台。例如，人们在Cd3As2 及其相关器件结构中成功观察到三维量子霍尔效应、手性反常引起的负磁阻、阿哈罗诺夫-玻姆和法诺干涉等物理效应。此外，Cd3As2 还展现出较为优异的超快动力学、热电和中红外探测性能，在功能器件方面具有潜在的应用价值。更有趣的是，通过破缺Cd3As2 中的空间或时间反演对称性，将有望观测到拓扑量子相变等重要物理现象。

打破对称性的有效方法包括引入应变（如利用晶格失配或压电衬底）和磁性掺杂等。已有研究表明，通过掺入3d过渡族金属如Cr和Mn元素可以降低Cd3As2 的晶格对称性并打开能隙，获得有质量的狄拉克费米子。实际上，在拓扑材料中掺入磁性元素是观测宏观量子现象的重要手段，量子反常霍尔效应就是其最佳例证。因此，系统研究磁性元素掺杂对Cd3As2 材料物理性质的影响颇具紧迫性和重要性。

近来，中国科学半导体研究所赵建华研究员课题组的王海龙副研究员等结合晶格应变和Mn元素掺杂研究了对称性破缺对Cd3As2薄膜输运性质的影响。他们利用低温分子束外延技术直接在GaAs(111)B衬底上生长出了Mn掺杂的单晶Cd3As2薄膜，测试表明Mn组分的增大会减小Cd3As2薄膜的晶格参数和电子迁移率，同时增大样品的有效能隙。利用栅压调控样品的载流子浓度，能够观测到舒比尼科夫-德哈斯量子振荡和量子霍尔效应发生相应改变。他们的结果为进一步研究磁性元素掺杂对Cd3As2 物理性质的影响提供了有意义的参考。

图. (a) 结合晶格失配和Mn元素掺杂方法打破空间反演对称性；(b) 低温下施加磁场，在Cd3As2 薄膜中形成朗道能级，通过栅压调控载流子浓度能够改变朗道能级的电子填充情况；(c) 不同Mn含量样品霍尔电阻随磁场的变化曲线；(d) 在不同栅压下，Mn含量为0.5%的薄膜样品霍尔电阻随磁场的变化曲线。