高遷移率n型モリブデン⼆硫化物トランジスターにおける分数量子ホール相研究

背景および研究動機

低温環境において、半導体遷移金属ダイカルコゲナイド（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）に基づくトランジスターは、理論的に高いキャリア移動度、強いスピン軌道相互作用、そして量子基底状態における内在的な強電子相互作用を提供することができます。これにより、多体電子相互作用や量子状態の探索に理想的なプラットフォームとなります。しかし、極低温でTMD材料に対して信頼性の高いオーミック接触（Ohmic Contact）を実現する難しさから、フェルミ準位がバンド端近くにある場合の電子相関特性、特に部分充填されたランドー準位（Landau Levels, LLs）での分数量子ホール効果（Fractional Quantum Hall, FQH）現象の研究が長らく制約されていました。

本研究では、「ウィンドウ接触技術」を提案し、ミリケルビンから室温までの温度範囲においてn型モリブデン⼆硫化物（MoS₂）とのオーミック接触を実現しました。この技術により、二層MoS₂の最下部ランドー準位において充填率4/5および2/5のFQH状態が確認され、TMDが量子計算や低温電子デバイスでの応用に向けた新たな可能性を示しています。

論文の情報

本研究は、Siwen Zhao、Jinqiang Huang、Valentin Crépelらによって行われ、中国、アメリカ、フランス、日本の複数の著名な研究機関からなる国際的なチームによる成果です。本稿は、2024年12月号の《Nature Electronics》（Volume 7，1117–1125）に掲載されています。本論文の対応著者はJing Zhang（山西大学）、Nicolas Regnault（パリ高等師範学校）らです。

研究の設計と方法

研究プロセスと実験手法

1. 試料の作製と構造設計
   著者らは「ウィンドウ型」電極接触法を採用し、試料用のn型単層および二層MoS₂のオーミック接触を構築しました。まず、窒素ガスグローブボックス内で乾式転送法によりモリブデン⼆硫化物（MoS₂）と六方窒化ホウ素（hBN）を封止し、「hBN/MoS₂/hBN」のサンドイッチ構造を生成。次に、電子ビーム描画装置を用いて上部のhBNにエッチングウィンドウを事前に加工し、Bi/Au電極を熱蒸着法でMoS₂表面に沈着させ、低温環境下でのオーミック接触を実現しました。

2. 移動度測定と比較
   300ミリケルビン（mK）～300 Kの温度範囲で、2端子法および4端子法による試料の移動度測定を行いました。その結果、10万cm²·V⁻¹·s⁻¹を超える場効果移動度、ならびに3000cm²·V⁻¹·s⁻¹を超える量子移動度を観測しました。これらの値は、エッジ接触やベース接触といった他のTMD接触法と比較して顕著な優位性を示しています。

3. ランドー準位と量子状態の特性評価
   最大34テスラ（T）の磁場と300 mKという低温環境を用いて、二重ゲート制御下で試料のランドー準位分布を詳細に研究しました。極低キャリア密度および量子リミット条件（充填率ν ≤ 1）において、4/5および2/5の充填率を持つFQH状態の存在を明らかにしました。縦方向および横方向電導量の量子化特性を通じて、これらのFQH状態が電子相互作用によるものであることを確認しました。

4. 理論モデリングと計算
   微視的理論モデルを基に、二層MoS₂の層間効果と電子相互作用を数値シミュレーションで解析しました。電子間の相互作用における効果的なハミルトニアンを特定するためHaldane疑似ポテンシャルを使用し、実験で観測されたFQH状態の挙動が理論的傾向と整合することを確認したほか、特定の充填率（例えば1/3）が観測されない理由についても議論を行っています。

研究上の独創的な点

• 革新的なオーミック接触手法
  従来のエッジ接触や底部接触方式とは異なり、「ウィンドウ接触技術」は低温条件で二層MoS₂と電極間の接触抵抗を効果的に低下させました（約450Ω·μm）。この手法は、量子ホール輸送特性の測定を可能にする安定したプラットフォームを提供します。

• 二層TMDの特性解明
  二層MoS₂の層間相互作用についての研究では、有限な垂直電場（Ez）の条件下で単層MoS₂と同様の電子挙動を示し、層と谷（valley）がロックされる特性（layer-valley locking）が観測されました。これは、TMD異種構造中の電子-電子相互作用を探索する将来的な方向性に新しい視点を提供します。

研究結果と結論

1. 主要な実験発見

   • 実験において、二層MoS₂の最下部ランドー準位で充填率4/5および2/5の量子ホール状態が初めて観測されました。これらの状態は層極性依存の特徴を持ち、理論予測と一致しています。
   • 分数状態のギャップサイズは約1 Kであり、外部電場（Ez）による調整に対して感受性が低いことが分かりました。

2. 理論的検証
   理論モデルにより、MoS₂の有限厚みおよび誘電環境の遮蔽効果がHaldane疑似ポテンシャルに与える影響が明確化され、実験で特定のFQH状態が観測されない可能性を説明しました。特に二層MoS₂では、遮蔽効果が1/3のようなギャップの小さいFQH状態に顕著な影響を及ぼすことが示されています。

3. 潜在的な応用領域

   • 著者は、この技術に基づく高移動度ユニットが低温量子計算プラットフォームで重要な役割を果たす可能性があると指摘しています。
   • 他にも、TMDツイストロニクス（Twistronics）、クーロンドラッグデバイス、超低温で稼働する高移動度トランジスターなど様々な設計への適用可能性が示唆されました。

研究の学術的および応用的価値

本研究の意義は以下にまとめられます：
1. 科学的価値
従来の二次元電子ガスシステム（例えばGaAsやグラフェン）だけでなく、半導体性TMDシステムに分数量子ホール相の研究を拡大し、TMDでの電気的性質や層間相互作用が量子状態の安定性に及ぼす影響を解明しました。 2. 技術的価値
提案された低抵抗オーミック接触技術は、低温量子輸送特性を探索する上でかつてない実験的な利便性を提供し、将来的に他のTMDや二次元材料への応用も期待できます。 3. 応用の可能性
TMD層間結合やバンド特性を精密に操作することで、トポロジカル量子計算や超低温電子機器に使用される高性能な量子デバイスの開発が可能です。

研究のハイライト

• 最先端の実験環境：最大34テスラの磁場と300 mKの低温といった実験条件は、量子試験の世界的な最前線に位置します。
• 革新的な方法：「ウィンドウ接触技術」を初めて採用し、二層TMDの特性探索に独自の道を切り拓きました。
• 信頼性の高い結果：実験データと理論モデルを融合した解析により、双方向性の一致が確認されました。

本研究は、TMD材料の低温電子研究を促進するだけでなく、新しい量子計算および電子デバイスの開発に利用できる基盤技術として重要であり、今後のさらなる発展が期待されます。