Veröffentlichung: Dielectric Surface Charge Engineering for Electrostatic Doping of Graphene

21.04.2020
  Schema, dass das Konzept der Steuerung der Oberflächenladung erklärt

Abstract:

Die Kontrolle des Dotierungsniveaus in Graphen während der Integration in Silizium-CMOS-kompatible Bauelemente ist eine offene Herausforderung. Im Allgemeinen wird das Dotierungsniveau in Graphen über Substratwechselwirkungen, Metallkontakte und Verkapselungsschichten beeinflusst. Hier zeigen wir eine Methode zur Kontrolle des Fermi-Niveaus in Graphen durch Übertragung auf ionisch dotierte Oxidoberflächen. Die Substrate wurden zu diesem Zweck durch Diffusion von Ammoniak und Aluminium auf der Oxidoberfläche vorbereitet, wodurch positive (NSiO+) und negative (AlSiO-) Ladungen auf der Oxidschicht induziert werden. Van der Pauw-Messungen zeigen, dass die Ladungsneutralität oder Dirac-Spannung in Graphen durch Manipulation der Oberflächenladung von etwa -60 V (n = -8,62 × 1012 cm-2) auf Standard-SiO2 bis etwa 13 V (n = 2,17 × 1012 cm-2) auf negativ dotierten SiO2-Schichten verschoben werden kann. Hall-Messungen zeigen, dass die Elektronenmobilität in Graphen, das auf einer gewachsenen Oxidoberfläche übertragen wird, höher ist als bei Graphen auf einem dotierten Oxid, bedingt durch zusätzliche Streuzentren. Messungen mit der Transferlinienmethode zeigen, dass der Kontaktwiderstand zwischen Graphen- und Nickelelektroden im Durchschnitt von 683,3 Ω·μm auf SiO2 bis 1046,6 Ω·μm auf negativ dotiertem SiO2 variiert und dass er sowohl von der Oberflächenladung des Substrats als auch vom Graphen-Schichtwiderstand abhängt. Ionisch dotierte Oxidoberflächen sind im Allgemeinen temperaturstabil in Bezug auf die Front- und Back-End-Halbleiterfertigung. Die hier vorgestellte Methode erlaubt Anpassungen der Oberflächenladungsdichte des Substrats und damit in Graphen, die durch eine organische oder metallische Funktionalisierung nicht realisiert werden können. Daher eignet sich die Methode möglicherweise für die Entwicklung von Bauelementen und Schaltungen auf Graphenbasis, insbesondere für Anwendungen, die komplementäre Bauelemente oder eine bestimmte Position des Fermi-Niveaus in Graphen erfordern, z.B. zur Einstellung des Kontaktwiderstands, des Schichtwiderstands oder der Sensorempfindlichkeit.

Diese Forschung wurde von der Europäischen Kommission im Rahmen des Projekts Graphene Flagship (785219,881603), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF (GIMMIK, 03XP0210), und der Deutschen Forschungsgemeinschaft, DFG (MOSTFLEX, LE 2440/7-1) finanziell unterstützt.

https://doi.org/10.1021/acsaelm.0c00051