石墨烯霍尔效应磁场传感器(GHSs)具有与最先进的III-V半导体制成的商用霍尔传感器相当的高性能。石墨烯也适用于CMOS兼容的制造工艺，使GHSs成为生物传感和扫描探针应用中成像领域的磁性传感器阵列的有吸引力的候选者。然而，它们的实际吸引力受到响应异质性和漂移的限制，这是由二维(2D)材料对局部器件缺陷的高灵敏度引起的。为了解决这一挑战，本研究设计了一个GHS阵列，其中每个GHS都添加了一个单独的后门，允许每个传感器的载波密度独立于阵列中的其他传感器进行静电调谐。与使用相同后门对所有设备进行调优时遇到的限制相比，我们期望单个调优所提供的灵活性将允许阵列的灵敏度、均匀性和可重构性得到增强。本研究制作了16个GHS阵列，每个都有自己的后门终端，并表征了在CMOS兼容电压范围内调制GHS载流子密度和霍尔灵敏度的能力。然后，本研究证明了单个设备调谐可以用来打破GHS阵列中设备灵敏度和均匀性之间的权衡，从而增强这两个目标。研究结果表明，在单后门操作下，GHS阵列表现出>30%的可变性，可以通过单独调优来补偿，使其在对阵列灵敏度影响最小的情况下达到<2%的可变性。
图1. 可调谐石墨烯霍尔传感器(GHSs)的概念与设计。(A)石墨烯霍尔传感器中典型的非均质源示意图。(B)在氧化硅衬底上实现传统GHS的原理图。局部非理想性导致器件之间性能的变化(由霍尔系数RH量化)。均匀性可以通过调整施加在基板上的栅极电压来改善，但要牺牲性能。(C)所设计的GHS调谐机构原理图，其中每个器件都用一个局部绝缘的后门终端制造，减轻了均匀性和性能之间的权衡。(D)石墨烯集成后16个传感器阵列的光学显微照片。用于传输长度测量的测试结构由虚线框表示。(E)单个GHS的伪彩色扫描电镜(SEM)图像。(F) GHS的拉曼图，显示了滤波和基线减除后2D峰(位于2680 cm-1附近)和G峰(位于1580cm-1附近)的振幅之比。没有显著峰的区域用白色阴影表示。
图2. GHS性能和调优特性。(A)偏置电压变化时，偏置电流与后门电压的关系。(B)同时测量偏置电流(蓝色)和霍尔电压(绿色)，以增加后门电压。(C)增加(蓝色)和减少(绿色)后门电压时测量的霍尔系数RH。(D)变化偏置电压下可达到的最大霍尔系数(蓝色)和霍尔电压(绿色)。(E)初始霍尔系数调谐曲线与环境条件下42天后测量的霍尔系数调谐曲线的比较。在室温环境条件下，同一传感器的所有测量值。误差条表示两次重复扫描的标准误差。
图3. GHS性能的变化。(A) N = 12个传感器的偏置电流调谐曲线叠加在单个芯片上(排除4个无响应传感器)。每条曲线归一化到它的最大值。(B) 12个传感器霍尔系数调谐曲线在单个芯片上的叠加。(C)图3B中的霍尔系数在对应于“最佳CV”(最低变异系数)、“最差CV”(最高变异系数)、“最佳传感器”(组中表现最佳的传感器的最大值)和“最佳平均值”(最大平均霍尔系数)的VBG值处绘制。(D, E)使用“最佳平均”条件。(D)制造后和在环境条件下42天后测量的霍尔系数分布的比较。(E) 4个独立芯片上霍尔系数分布的比较。
图4. 最大化GHS响应和补偿变异性与后门调谐。(A)为同一芯片上的所有传感器选择工作点以使霍尔灵敏度最大化。(B)单个后门电压(左)与单独调谐每个器件以最大化灵敏度(右)的可实现霍尔灵敏度分布的比较。(C)调整器件以使灵敏度最大化后阵列范围内平均霍尔灵敏度和变异系数的变化。(D)为同一芯片上的所有传感器选择工作点，以最大限度地提高均匀性。此条件下的限敏装置用黑色表示。(E)单个后门电压(左)与单独调谐每个器件以最大化均匀性(右)的霍尔灵敏度分布的比较。(F)调整器件以使均匀性最大化后阵列范围内平均霍尔灵敏度和变异系数的变化。
相关研究成果由的宾夕法尼亚大学Firooz Aflatouni和David A. Issadore课题组 2024年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (链接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c03288)上。原文：Mitigation of Device Heterogeneity in Graphene Hall Sensor Arrays Using Per-Element Backgate Tuning
本文来自石墨烯研究，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
