具有最高不对称比和三态门可调谐整流能力的石墨烯几何二极管

A Graphene Geometric Diode with the Highest Asymmetry Ratio and Three States Gate-Tunable Rectification Ability

第一作者：王恒 （阿卜杜拉国王科技大学）

指导老师：Atif Shamim

论文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aelm.202300695

DOI: https://doi.org/10.1002/aelm.202300695

摘要

石墨烯几何二极管在太赫兹检测、能量收集和高速整流方面的应用此前一直受到石墨烯质量和几何特征尺寸的限制。 这项研究通过采用 h-BN/单层石墨烯/h-BN 异质结和极其精确的电子束光刻技术，展示了石墨烯几何二极管的重大进步。 制造了两种不同设计的石墨烯几何二极管，颈宽分别为 23 和 26 nm，其中较优的一种具有 1.97 的不对称比、0.6 A/W 的零偏置电流响应度和 12,000 V/W 的电压响应度。 为此类设备设定新基准。 将该器件集成到整流电路中，我们通过实验验证了整流后的直流输出电压可以通过调整二极管的栅极电压进行动态调制甚至反转。 这种行为与石墨烯固有的电荷载流子可调性完美契合，意味着该器件在先进逻辑电路、双向开关和信号调制/解调技术中的应用前景广阔。

研究背景

由于其平面几何结构（极小的电容）和弹道传输机制，几何二极管能够对甚高频信号（> THz）进行零偏置整流。这些属性使几何二极管成为低频率信号的有希望的候选者。 -功率和高频应用。 这些二极管的本质是它们的不对称设计，允许电荷载流子毫不费力地在一个方向上穿过器件，同时在相反方向上遇到障碍物。 这种工作机制使得几何二极管不同于其他依赖于势垒的传统半导体二极管，这会导致大电容并随后限制截止频率。 为了维持弹道传输机制， 这些二极管需要具有长平均自由程 (MFP) 的材料，以便电荷载流子可以在没有任何散射的情况下移动，并且仅在器件的边界处反射。 在所有材料中，石墨烯具有最长的MFP和超高的迁移率之一，这使其成为最适合几何二极管的材料。自从2004年问世以来，石墨烯卓越的电性能引起了人们的广泛研究兴趣和实际应用。 Zhu 等人首次介绍了石墨烯几何二极管 (GGD)，他们展示了由剥离单层石墨烯制成的漏斗形 GGD，颈宽为 75 nm。 他们的工作重点是通过将天线集成到 GGD 来实现整流天线，从而实现 28 THz 整流。 继这项开创性工作之后，该领域的大部分初始工作都集中在基于仿真的几何二极管优化研究上在我们之前的工作中，通过化学气相沉积（CVD）生长石墨烯，我们实验性地展示了颈宽为50 nm的漏斗形GGD以及颈宽为28 nm的GGD新颖设计，这为此类设备的大规模生产铺平了道路。 在这些工作中，石墨烯被放置在 Si/SiO2 基板上。 然而，在 Si/SiO2 衬底上实现高性能 GGD 所必需的高质量石墨烯面临着重大挑战。这主要是由于两个原因：(1) SiO2 无法实现原子级光滑的表面，(2) 源自 SiO2 的光子散射显着阻碍了石墨烯的迁移率。与保持高质量石墨烯相关的另一个问题是缺乏对环境因素的屏蔽，这是我们之前的研究中没有检查的关键步骤。 因此，即使颈宽如此之小，二极管的响应率也仅在 0.03–0.17 A/W 之间。

作为解决上述问题的方法之一，研究人员在h-BN/单层石墨烯/h-BN（h-BN/MG/h-BN）异质结构中进行一维边缘接触实验，并能够实现迁移率 室温下为 140,000 cm2/Vs，与理论声子散射极限相当。这种非凡的载流子迁移率导致石墨烯器件的性能显着增强。据报道，具有这种异质结构配置的四端石墨烯弹道整流器具有38000 V/W的最高响应度。然而， 这些器件的尺寸较大，整体长宽均在μm范围内，颈宽超过100 nm。 如此大的尺寸降低了芯片上的集成密度，导致寄生电容增加，并且大颈部宽度进一步限制了器件的性能。 只有一篇论文报道了基于 h-BN/MG/h-BN 异质结构的两个末端 GGD，并实现了 1.58 的不对称比。 然而，这项工作中最好的器件的颈宽也很大（125 nm）。颈宽是几何二极管最重要的参数，对器件的性能产生重大影响。 因此，最小化此类设备的颈部宽度是提高其性能的关键一步。 然而，将特征尺寸（特别是此类器件的颈部宽度）从超过 100 nm 减小到明显更小的值提出了显着的挑战，这不仅需要先进的光刻能力，还需要全面的优化策略，以准确地获得所需的特征尺寸 并且一致（不仅仅是减少线的宽度）。 在这项研究中，我们提出了两种不同的 GGD 设计，报道的最小颈宽分别为 23 nm 和 26 nm。 我们的最佳器件（颈宽为 23nm）的不对称率为 1.97，零偏置电流响应率为 0.6 A/W； 两者都是迄今为止报告的最高值。 该器件已集成到整流电路中，实验结果证实，可以通过改变二极管的栅极电压来调制和反转整流后的直流输出电压，这与石墨烯电荷载流子的固有可调性一致。 该器件的这一独特属性表明它可以在高级逻辑电路、双向开关以及信号调制和解调电路中发挥重要作用。

Results and Discussion

图 1. h-BN/MG/h-BN 异质结的成像特征。 a) 光学显微镜图像。 b) SEM 图像。 c) 石墨烯二维波段的拉曼光谱图。 d,e) HAADF-STEM 图像。 f）单层石墨烯的拉曼光谱。

图 1a-c 显示了转移到 Si/SiO2 (580 nm) 上的异质结的光学、扫描电子显微镜 (SEM) 和拉曼光谱图（2D 带强度）。 石墨烯层的存在是引人注目的，因为它在 SEM 中与 h-BN 具有不同的对比度，并且在拉曼映射中与 h-BN 和 SiO2 相比具有不同的强度。 上层和下层的 h-BN 层均经过精心选择，以超出尺寸并确保石墨烯层的完全封装。 在图1d、e中，异质结的横截面高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像及其放大视图揭示了h-BN和MG之间原始的原子级平坦界面。 图 1f 中的拉曼光谱进一步证实了高质量的 MG，其中 G 波段和 2D 波段的两个清晰峰的比例约为 1:2。

图 2. a) h-BN/MG/h-BN 异质结，b) 异质结上添加的一维边缘接触，c) 具有边缘接触的石墨烯几何二极管的示意图。 d) 制造的器件 1、e) 制造的器件 2 的 SEM 图像。 f) 异质结横截面的 EDX 映射图像。 g) 空穴为多数载流子，h) 电子为多数载流子时器件工作机制示意图。

图 2a-c 说明了器件的制造过程示意图，其中需要两个电子束光刻 (EBL) 步骤。 最初的 EBL 步骤有利于与石墨烯形成边缘接触。 随后，采用第二个 EBL 步骤将石墨烯图案化为二极管几何形状。 两种不同设计的颈宽分别为 23 nm（器件 1）和 26 nm（器件 2）的制造器件的 SEM 图像分别如图 2d、e 所示。 在图 2f 中，通过接触区域横截面图像的 EDX 映射确认了器件的边缘接触。 石墨烯几何二极管的一个显着特征是它能够通过调节栅极电压来切换器件方向。 虽然电荷载流子的优选传输方向由几何形状决定，但石墨烯中的主要电荷载流子可以通过栅极电压进行切换。 图 2g、2h 中的插图提供了器件在不同的主要电荷载流子下运行的原理图。 当空穴是主要载流子时，它们在正向偏压下毫不费力地穿过颈部，但在反向偏压下在器件边界处反射，产生比反向电流更高的正向电流。 相反，电子经历了完全相反的情况。 它们在正向偏压下在边界处反射，但在反向偏压下可以轻松穿过颈部，从而产生小于反向电流的正向电流。

图 3. 器件 1（上图）和器件 2（下图）之间的比较：a) 最大空穴和电子迁移率点的 I-V 特性，b) 迁移率和狄拉克曲线，c) 五个不同条件下的不对称率与 VGS VDS 值，d) 电压响应度与 VGS。 e）模拟和测量两个器件在最大迁移点处的不对称率。 f) VGS 为零时的 I-V 特性、g) 不对称率与 VDS 的关系、h) 器件 3 VDS=± 1V 时的不对称率与温度相关的测量结果。

图 3a-d 比较了制造的器件 1和 2的测量结果。 测量的两个器件的 I-V 特性证实了栅极电压驱动的开关能力，如图 3a 所示。 这里，红色曲线代表空穴占主导地位的情况，而蓝色曲线代表电子为主要载流子的情况。 对于这两种器件，我们选择两个栅极电压，在这两个栅极电压下，正向电流和反向电流具有最大差异，对应于它们的最高空穴和电子迁移率点。 图 3b 显示了测量的狄拉克曲线和使用公式提取的两个器件的迁移率。对于器件 1，最大空穴和电子迁移率分别为 12800 cm2 V-1 s-1 和 7200 cm2 V-1 s-1，分别对应于 120 nm 和 54 nm 的 MFP 值。 这些值远低于器件 2 的值，器件 2 的最大空穴和电子迁移率分别为 131000 cm2 V-1 s-1 和 185000 cm2 V-1 s-1，相应的 MFP 值分别为 485 和 907 nm。 器件 1 迁移率的下降可归因于制造过程中石墨烯上不必要的掺杂。然而，这两种器件的 MFP 都大大超过了颈部宽度，证实了器件周围大区域内的完整弹道输运。

对于器件 1，在不对称率为 1.97 时，零偏置电流响应度达到 0.6 A/W。 值得注意的是，这些指标是迄今为止报道的石墨烯几何二极管的最高值。 相比之下，器件 2 在 VDS = ±1 V 和 VGS = -7 V 时显示出最大不对称率为 1.25，尽管其迁移率要高得多。 这可以归因于影响几何二极管不对称率的两个主要因素：（1）器件的几何形状，它显着影响电荷载流子的运动；（2）材料的迁移率，它确保没有散射 发生在弹道区域内。 与器件 2 相比，器件 1 显示出更优越的几何设计，从而大大增强了性能。

器件 1 几何形状的优越性也可以通过图 3e 得到验证，其中使用蒙特卡罗模拟方法对两个器件进行了比较。在仿真结果中，两种器件的不对称率都超过了测量值，这在几何二极管的仿真中很常见，因为仿真没有考虑不同电荷载流子之间的相互作用，并假设在 设备边缘。 对于真正的石墨烯器件，边缘不可能完全光滑，在制造过程中杂质可能会被引入到石墨烯边缘，这两者都会降低所制造器件的不对称率。 然而，仿真结果可以提供不同设计之间宝贵的相对比较，从而指导几何优化。 此外，我们测量了这两个器件在 1 kHz 频率下的电压响应度，如图 3d 所示。 电压响应度是每单位输入功率的开路直流输出电压。 两种器件的响应度也随着栅极电压的变化而变化，与迁移率趋势保持一致。 值得注意的是，器件1的最高测量电压响应度达到12000 V/W，这为单个石墨烯几何二极管建立了基准。 不幸的是，器件 2 的测量无法完成，因为测量过程中电流持续通过导致器件被烧毁。 由于颈部宽度较小，颈部处的电流密度很大，产生大量热量损坏器件。

另一种器件，称为器件 3，颈宽为 22 nm，设计与器件 2 相同，在高真空条件（<10-6 Torr）下在不同温度下进行测量，以进行低温研究。 零 VGS 时器件测量的 I-V 特性如图 3f 所示，提取的不对称率如图 3g 所示。 随着温度的降低，不对称率偏离 1。这种改善是由于杂质和缺陷引起的晶格振动和散射减少而导致石墨烯在低温下迁移率的提高。图 3h 显示了 VDS = 时的不对称率 每个温度 ±1 V。 值得一提的是，该器件在室温下性能较差，但其不对称比在8 K时达到0.6，与器件1的最小不对称值相当。这一改进凸显了该器件在低温环境下的应用潜力 也证实了弹道输运机制。 值得注意的是，温度引起的变化不应显着影响石墨烯的掺杂。 因此，在石墨烯掺杂没有变化的情况下观察到低温下器件性能的改善有力地支持了这样的解释：观察到的不对称特性主要来自器件的几何形状，而不是来自石墨烯掺杂效应。

图 4.a) 整流电路示意图。 b) 不同VGS下整流电路的直流输出电压测量值。 c) 器件1在不同VGS和VDS下的不对称比映射。 d) 不同频率下测得的直流输出。 e) 测量器件 1

为了测试真实的整流能力，器件1被集成到一个基本的RC半波整流电路中。 电路原理图如图 4a 所示，其中来自信号发生器的信号由锁相放大器输出的正弦信号进行调制，并将调制后的信号传送到器件。 然后，使用锁定放大器的一个通道来测量电阻负载上的整流直流输出电压。通过示波器监测施加在器件上的电压，峰值固定在 0.75 V 左右，在该电压下器件保持相对较高的整流能力，而不会因热而损坏。 图 4b 说明了通过调整栅极电压来调制直流输出电压，揭示了三种不同的工作状态。 这些状态反映了图中描绘的狄拉克锥体的三种状态。 当栅极电压位于狄拉克点左侧时，空穴载流子占主导地位，使器件处于“正导通”状态。 因此，整流后的直流输出为正。 相反，当栅极电压移至狄拉克点右侧时，电子载流子占主导地位，使器件处于“负导通”状态。 因此，整流后的直流输出是反向的。 此外，如果栅极电压恰好位于狄拉克点上，器件就会失去整流能力，使其处于“关闭”状态。 为了更清楚地了解器件的状态转换，我们在图 4c 中绘制了不同 VGS 和 VDS 值的不对称率，其中可以看到两个不同的区域。 红色阴影区域表示“正开启”状态，而蓝色阴影区域表示“负开启”状态。 中间区域的不对称率接近 1，代表器件的“关闭”状态。 此外，在极小的 VDS 区域（< 0.1 V）中，阴影接近“关闭”区域，这意味着该器件在这些级别上表现出相对较弱的整流能力。 总体而言，这种门可调谐性使该器件成为逻辑门和信号调制/解调电路等众多应用的有希望的候选者。

为了研究该器件与频率相关的整流性能，我们测量了该器件在高达 2 GHz 的各种输入电压下的直流输出。 直流输出随着频率的增加而下降，如图 4d 所示。 然而，这种减少并不是器件固有的，而是由所采用的电路的限制引起的。 使用标准直流探头测试设备会导致高频下的阻抗失配问题。 随着频率的增加，由于探头和设备电极之间的阻抗不匹配，很大一部分信号功率在探头尖端面临反射。 因此，输送到设备的输入功率减少了。 尽管如此，我们观察到直流输出电压持续高达 2 GHz。 增加输入信号的幅度可能使我们能够辨别更高频率的输出信号，但会带来损坏设备的风险。 因此，我们施加的最高输入电压为 0.5 V。在图 4e 中，我们将我们的器件与商用 1N4148 信号二极管进行了比较，该二极管在固定输入信号幅度下的截止频率约为 240 MHz（在图 S2d 中测量）。 0.4 V。在频率≤100 MHz时，商用二极管显示出比我们的器件1高得多的直流输出。然而，在100 MHz以上，由于商用器件的截止，直流输出迅速下降到噪声水平 ，而我们的设备仍然表现出比噪声水平更高的直流输出。 这种观察到的行为进一步证实了外部电路限制的影响。

Conclusion

在这项研究中，通过极其精确的 EBL 工艺在高质量 h-BN/MG/h-BN 异质结上制造了两种不同设计的石墨烯几何二极管，其最小面积和颈宽分别为 23 和 26 nm。 最佳器件的测量结果显示，最高不对称比为1.97，零偏置电流响应度为0.6 A/W，电压响应度为12000 V/W。 这些数字为石墨烯几何二极管领域树立了新的基准。 两种设计的测量性能比较与蒙特卡罗模拟比较非常吻合，进一步增强了我们结果的可靠性。 此外，对另一种器件的温度依赖性研究表明，石墨烯几何二极管的性能在低温下可以显着增强，凸显了它们在低温应用中的潜力。 此外，我们的工作展示了整流电路中石墨烯几何二极管独特的栅极可调性，以及所示器件的三种不同状态。 这项研究中展示的创新方法和有希望的结果为将这些二极管集成到复杂的逻辑电路中铺平了道路。