碳基电子学研究中心张志勇-彭练矛课题组在异质集成石墨烯磁传感器领域取得重要进展

霍尔传感器作为基于霍尔效应制作的磁场传感器，在工业，汽车，消费电子等领域有着广泛的应用。石墨烯作为新兴的二维材料，拥有高迁移率，超薄厚度等特性，这使得其成为制作霍尔传感器的理想材料。与传统霍尔传感器相比，石墨烯霍尔传感器具有高灵敏度，高线性度，低功耗，低噪声等优点，展现出了强大的竞争力，从而得到了广泛的关注。但传统商用霍尔传感器除霍尔元件外，通常也具备强大的信号处理功能以提升性能。与集成了霍尔元件与互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑架构信号处理电路的传统商业硅基霍尔传感器相比，石墨烯霍尔元件尚未展现出综合的性能优势，这阻碍了石墨烯霍尔传感器的进一步应用。

针对上述问题，北京大学信息科学技术学院电子学系碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室的张志勇-彭练矛联合课题组借助石墨烯工艺与硅基工艺的良好兼容性，开发了一种硅基CMOS集成电路和石墨烯霍尔元件的三维（3D）异质集成技术，得到的石墨烯霍尔传感器的综合性能优于现有的商业霍尔传感器。课题组在单芯片上堆叠集成了基于0.18μm标准硅基CMOS工艺的斩波可编程增益放大器（CPGA），西格玛-德尔塔模数转换器(∑-ΔADC)和基于石墨烯的霍尔元件，利用在片的硅基CMOS电路实现了对霍尔元件测量信号进行放大、模数转换的信号处理功能，大大增强了霍尔传感器的灵敏度、丰富了功能。石墨烯霍尔元件采用优化后的兼容工艺制备在硅基CMOS电路的氮化硅封装层上，不对硅基电路造成损伤，同时保持了自身的高灵敏度。经测试，石墨烯集成霍尔传感器的电流灵敏度和电压灵敏度达到了64000V/A.T和6.12V/V.T，远高于其他已报道的基于纳米材料的霍尔传感器，甚至超过了高端的商用霍尔传感器。课题组也演示了该传感器的可调放大倍率功能和模数转换功能，测试结果展现了该传感器的与实际测量用途匹配，低噪声等优势。此外，该传感器中采用的石墨烯-硅基三维集成技术也可扩展为石墨烯传感器乃至其他纳米材料传感器与硅基CMOS集成电路的通用的集成技术。

2020年11月19日，该工作以“基于石墨烯霍尔元件与硅基工艺电路异质集成的超灵敏磁传感器(Ultrasensitive Magnetic Sensors Enabled by Heterogeneous Integration of Graphene Hall Elements and Silicon Processing Circuits)”为题，在线发表于材料领域著名期刊《美国化学学会.纳米》（ACS Nano）；北京大学电子学系博士研究生戴彤宇、黄乐，厦门理工学院光电与通信工程学院陈铖颖副教授为共同第一作者，张志勇、彭练矛为共同通讯作者。相关课题得到国家重点研发计划、国家自然科学基金，北京市科技计划等资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08435。