Hydrogeneringsteknik tredobler transistorydelsen i epitaxial grafen

(PhysOrg.com)-En teknik, der bruger hydrogen til at forbedre transistorens ydeevne på grafen-enheder i den virkelige verden, er blevet demonstreret på wafer-skalaen af ​​forskere i Penn State's Electro-Optics Center (EOC). I et papir, der blev offentliggjort den 1. august, 2011, online udgave af Nano bogstaver , forskerne demonstrerede en 3x forbedring i elektronmobilitet af epitaxial grafen dyrket på siliciumfladen på en 100 mm siliciumcarbidskive, samt en lignende forbedring i radiofrekvens transistor ydeevne.

”Der er to ansigter til en siliciumcarbidskive, ”Forklarer EOC materialeforsker Joshua Robinson. “Graphen, der vokser på kulstofoverfladen, har normalt større elektronmobilitet, men det er fordi der under grafenlaget, der vokser på siliciumfladen, er et kulstofrigt bufferlag bundet til siliciumcarbidet, der virker til at sprede elektroner, dermed reducere deres mobilitet. Hvis du kan slippe af med bufferlaget, elektronerne vil gå meget hurtigere, hvilket betyder, at dine enheder fungerer hurtigere. Det er også lettere at kontrollere tykkelsen af ​​grafen på siliciumfladen, hvilket er afgørende, hvis du vil lave meget ensartede wafer-skalaenheder. Det er det, vi har kunnet gøre. ”

Papiret, med titlen “Epitaxial Graphene Transistors:Forbedring af ydeevne via hydrogeninterkalering, ”Rapporterer en ekstern afskæringsfrekvens på 24 GHz i transistorydelse, det højeste, der hidtil er rapporteret om en epitaksial grafen-enhed i den virkelige verden, mener forfatterne. (Ekstrinsisk afskæringsfrekvens er et mål for enhedshastighed under driftsbetingelser, og er typisk en brøkdel af iboende hastigheder, der ofte rapporteres.) Hydrogeneringsteknikken, som først blev udviklet af en gruppe i Tyskland (Riedl, et al .; Fys. Lett. 2009, 103, 246804), involverer at gøre bufferlaget til et sekund, frit svævende et-atom-tykt lag af grafen ved at passivere dinglende kulstofbindinger ved hjælp af hydrogen. Dette resulterer i to frit flydende lag af grafen. Penn State -forskere, ledet af Joshua Robinson og David Snyder, har implementeret et yderligere procestrin til deres grafisk synteseproces i wafer-skala, der fuldstændigt omdanner bufferlaget til grafen. Med denne hydrogeneringsteknik, de epitaksiale grafenteststrukturer viste en 200-300% stigning i bærermobilitet, fra 700-900 cm ² /(V s) til et gennemsnit på 2050 cm ² /(V s) i luft og 2375 cm ² /(V s) i vakuum.

Penn State -holdet, som inkluderer hovedforfatter Robinson, David Snyder, Matthew Hollander, Michael LaBella, III, Kathleen A. Trumbull og Randy Cavalero, agter at bruge denne teknik til at forbedre transistorens ydeevne i radiofrekvente enheder. “Graphens ambipolære ledning giver dig mulighed for at forenkle kredsløb, mens dens høje mobilitet og elektronhastighed giver et middel til at komme til terahertz -drift. Problemet er, at det eksemplariske frekvensrespons, der er rapporteret til dato i litteraturen, ikke er den virkelige verden. Hydrogenering og enhedsskalering bringer os meget tættere på ægte højfrekvent ydeevne, ”Bemærker Robinson.

I et andet papir i samme nummer af Nano bogstaver , gruppen rapporterer også om en ny oxidsåningsteknik ved atomlagsaflejring, de udviklede for at deponere dielektriske materialer på epitaxial grafen i wafer-skala. Deres teknik resulterede i en 2-3x ydelsesforøgelse i forhold til mere traditionelle såningsmetoder. Forfatterne mener, at disse to fremskridt udgør de næste byggesten til at skabe levedygtige grafenbaserede teknologier til brug i radiofrekvensapplikationer. Det andet papir, “Forbedret transport- og transistorydelse med oxidfrøede High-k Gate Dielectrics på Wafer-Scale Epitaxial Graphene, ”Blev medforfatter af Matthew J. Hollander, Michael LaBella, Zachary R. Hughes, Michael Zhu, Kathleen A. Trumbull, Randal Cavalero, David W. Snyder, Xiaojun Wang, Euichul Hwang, Suman Datta, og Joshua A. Robinson, hele Penn State.