Imagen óptica de transistores y estructuras para probar el rendimiento del dispositivo en grafeno epitaxial hidrogenado. Crédito:Joshua Robinson, EOC de Penn State
(PhysOrg.com) - Investigadores del Centro de Electroóptica (EOC) de Penn State han demostrado a escala de obleas una técnica que utiliza hidrógeno para mejorar el rendimiento del transistor en dispositivos de grafeno del mundo real. En un artículo publicado el 1 de agosto, 2011, edición en línea de Nano letras , Los investigadores demostraron una mejora 3 veces mayor en la movilidad electrónica del grafeno epitaxial cultivado en la cara de silicio de una oblea de carburo de silicio de 100 mm. así como una mejora similar en el rendimiento de los transistores de radiofrecuencia.
“Hay dos caras en una oblea de carburo de silicio, ”Explica el científico de materiales de EOC Joshua Robinson. "El grafeno cultivado en la cara del carbono suele tener una mayor movilidad de electrones, pero eso se debe a que debajo de la capa de grafeno que crece en la cara de silicio hay una capa amortiguadora rica en carbono unida al carburo de silicio que actúa para dispersar los electrones, reduciendo así su movilidad. Si puede deshacerse de la capa de búfer, los electrones irán mucho más rápido, lo que significa que sus dispositivos funcionarán más rápido. También es más fácil controlar el grosor del grafeno en la cara de silicona, lo cual es crucial si desea hacer dispositivos de escala de obleas altamente uniformes. Eso es lo que hemos podido hacer ".
El papel, titulado “Transistores de grafeno epitaxial:mejora del rendimiento mediante la intercalación de hidrógeno, ”Informa una frecuencia de corte extrínseca de 24 GHz en el rendimiento del transistor, el más alto informado hasta ahora en un dispositivo de grafeno epitaxial del mundo real, los autores creen. (La frecuencia de corte extrínseca es una medida de la velocidad del dispositivo en condiciones de funcionamiento, y es típicamente una fracción de las velocidades intrínsecas que a menudo se informa.) La técnica de hidrogenación, que fue desarrollado por primera vez por un grupo en Alemania (Riedl, et al .; Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 246804), implica convertir la capa de amortiguación en una segunda, capa de grafeno flotante de un átomo de espesor mediante la pasivación de enlaces de carbono colgantes con hidrógeno. Esto da como resultado dos capas de grafeno que flotan libremente. Investigadores de Penn State, dirigido por Joshua Robinson y David Snyder, han implementado un paso de proceso adicional a su proceso de síntesis de grafeno a escala de obleas que convierte completamente la capa amortiguadora en grafeno. Con esta técnica de hidrogenación, las estructuras de prueba de grafeno epitaxial mostraron un aumento del 200-300% en la movilidad del portador, desde 700-900 cm 2 / (V s) a un promedio de 2050 cm 2 / (V s) en el aire y 2375 cm 2 / (V s) en vacío.
Imagen SEM en falso color de un transistor de grafeno (izquierda) y puertas de varias longitudes (derecha). La puerta superior es de 75 nm. Crédito:Joshua Robinson, EOC de Penn State
El equipo de Penn State, que incluye al autor principal Robinson, David Snyder, Matthew Hollander, Michael LaBella, III, Kathleen A. Trumbull y Randy Cavalero, tiene la intención de utilizar esta técnica para mejorar el rendimiento de los transistores en dispositivos de radiofrecuencia. "La conducción ambipolar del grafeno le permite simplificar los circuitos, mientras que su alta movilidad y velocidad electrónica proporciona un medio para llegar a la operación de terahercios. El problema es que la respuesta de frecuencia ejemplar informada hasta la fecha en la literatura no es el rendimiento del mundo real. La hidrogenación y el escalado del dispositivo nos acercan mucho más al verdadero rendimiento de alta frecuencia, ”Comenta Robinson.
En un segundo artículo en el mismo número de Nano letras , el grupo también informa sobre una nueva técnica de siembra de óxido por deposición de capa atómica que desarrollaron para depositar materiales dieléctricos en grafeno epitaxial a escala de obleas. Su técnica dio como resultado un aumento de rendimiento de 2-3 veces en comparación con los métodos de siembra más tradicionales. Los autores creen que estos dos avances constituyen los siguientes pilares en la creación de tecnologías viables basadas en grafeno para su uso en aplicaciones de radiofrecuencia. El segundo papel, “Rendimiento mejorado del transporte y del transistor con dieléctricos de puerta de alto k con semillas de óxido en grafeno epitaxial a escala de oblea, ”Fue coautor de Matthew J. Hollander, Michael LaBella, Zachary R. Hughes, Michael Zhu, Kathleen A. Trumbull, Randal Cavalero, David W. Snyder, Xiaojun Wang, Euichul Hwang, Suman Datta, y Joshua A. Robinson, todo Penn State.
