Nano Letters：双层石墨烯基超陡坡度低温晶体管！！

亚琛工业大学第二物理研究所Christoph Stampfer 发表了题为“Ultrasteep Slope Cryogenic FETs Based on Bilayer Graphene ”的工作在Nano letters期刊上。

本文研究了基于双层石墨烯的超陡坡度低温场效应晶体管（FETs），这些FETs在0.1 K时显示出低至250 μV/dec的逆亚阈值斜率，接近玻尔兹曼极限。这一成果表明，在没有体材料界面的范德瓦尔斯异质结构中有效抑制了能带尾部效应，从而在低温下实现了优越的器件性能。

背景

低温场效应晶体管（FETs）在量子信息处理器的古典控制电子学、外太空电子设备、半导体-超导体耦合系统、科学仪器如红外传感器等领域具有潜在应用。低温操作的优势包括降低功耗、最小化热噪声和加快信号传输。在量子信息处理领域，低温控制电子学的可用性对于操作大型量子处理器至关重要。

主要内容

• 器件制备：通过标准干法范德瓦尔斯转移技术制备了基于双层石墨烯的场效应晶体管。
• 电学特性：在0.1 K下测量了器件的漏电流与栅极电压的关系，观察到了随位移场增加而增加的电阻区域，表明了带隙的形成和调控。
• 带隙调控：通过有限偏压谱测量研究了带隙随位移场的变化，发现带隙边缘清晰，表明带隙内部几乎没有陷阱态。

实验细节概括

• 器件结构：使用机械剥离法制备的石墨烯、六方氮化硼（hBN）和石墨片，通过范德瓦尔斯堆叠并转移到硅基底上。
• 接触制作：采用电子束光刻、反应离子刻蚀和金属蒸发后剥离工艺制作了一维侧接触。
• 测量设置：在稀释制冷机中，采用双端配置进行测量，漏源电压对称施加。

创新点

• 超陡亚阈值斜率：实现了接近玻尔兹曼极限的逆亚阈值斜率，显示出器件在低温下卓越的开关性能。
• 范德瓦尔斯异质结构：利用全范德瓦尔斯材料构建的器件展现出更干净的界面，有效抑制了能带尾部效应。
• 带隙调控：通过改变位移场实现了对双层石墨烯带隙的电调控，为基于电场效应的器件设计提供了新思路。
• 逆亚阈值斜率：在0.1 K下，逆亚阈值斜率低至250 μV/dec，接近玻尔兹曼极限的20 μV/dec。
• 带隙调控：通过改变位移场，带隙大小可以从约50 meV调至约70 meV。
• 器件对称性：有限偏压谱测量显示带隙边缘对称性高，表明带隙内部无明显陷阱态。
• 界面质量：与使用金顶栅的器件相比，使用石墨顶栅的器件展现出更高的带隙和更低的亚阈值斜率，证实了清洁界面的重要性。
• 器件性能：在1.5 K下，器件的开启-关闭比可达10^5，操作电压范围仅为6-7 mV。

结论

本文展示了基于双层石墨烯的范德瓦尔斯异质结构在低温下具有超陡亚阈值斜率的场效应晶体管，为低温电子学和量子计算领域提供了高性能的器件平台。

图文内容

图1. (a) 双层石墨烯基场效应晶体管的示意图。在器件的活性区域中，hBN-BLG-hBN异质结构（见插图）夹在上下石墨门之间。这些门允许独立调节位移场 D 和有效栅极电压 Vg。在所有测量中，漏源电压 Vds 对称施加。(b) BLG 的电阻 (R = Vds/Id) 随 Vbg 和 Vtg 的变化（T = 1.6 K 和 Vds = 1 mV）。蓝色箭头指示位移场 D 和 Vg 的增加方向。(c) 在不同位移场下的 BLG 带结构计算（见标签）。(d) 在不同位移场下，dI/dVds 随 Vds 和 Vg 的变化（T = 0.1 K），带隙 Eg 可以从 Vds 轴上的菱形扩展中提取（见标签）。(e) 提取的 Eg 随 |D/ε0| 的变化。实验数据与理论计算（根据参考文献31，εBLG = 1，蓝线）相符，包括 5 meV 的偏移（灰色虚线）。注意，在相同位移场下，与使用金顶栅的最先进 BLG 器件相比，达到的带隙几乎高出 20 meV（从参考文献32 中取的开放圆圈）。

图2。(a, b) 在四种不同位移场下（参见面板b中的不同颜色和标签），电流作为栅极电压的函数，接近价带边缘（面板a）和导带边缘（面板b）。栅极漏电流以灰色曲线示例性显示，D/ε0 = 470 mV/nm（参见图S4）。测量在Vds = 0.1 mV和T = 0.1 K下进行。(c) 提取的最小反向亚阈斜率作为位移场的函数，分别对应价带（黑色）和导带（蓝色）边缘。黑色实心圆和蓝色圆圈分别对应直接从面板a和b中的测量数据中提取的数据（见黑色虚线）。向上的三角形是从略高的Vds ≈ 0.5 mV下的类似测量中提取的。两种测量结果都在价带边缘附近显示出约0.3 mV/dec的值。导带边缘的SSmin值随着D的增加而增加。向下的三角形表示负位移场下提取的SS。灰色符号表示从两个具有金顶栅的器件中提取的SS（交叉：第一个器件在50 mK下测量，灰色向上的三角形：第二个器件在1.5 K下测量）。(d) 不同层间现场势差Δ的计算带结构。Δkx表示相对于K和K’点的动量。由于三角形弯曲效应，带结构在存在带隙的情况下显示出不对称变形。随着现场势差的增加，变形的不对称性增加，指示了反向亚阈斜率值不对称的可能起源。

图3. (a, b) 在固定位移场 D/ε0 ≈ 0.24 V/nm 下，不同的漏源电压 Vds 对栅极电压 Vg 的漏电流的影响。面板 a 中的数据是在 T = 0.1 K 的稀释冰箱中采集的，而面板 b 中的数据则是在 T = 1.5 K 的泵浦 4He 低温冷却器中采集的。第一个系统将开态电流限制在大约 10^-8 A。第二个系统允许更高的开态电流，达到 1 μA。然而，我们观察到更高的噪声水平导致了轻微的关态电流增加。

图4. 不同类型场效应晶体管 (FET) 设备在低温下提取的 SS 值比较。红点对应于本文所述的设备。蓝色三角形指代一个类似的设备，但顶栅材料为金而非石墨，绿色三角形则代表一个额外在 hBN 和金栅之间具有 Al2O3 层的第三个双层石墨烯 (BLG) 设备。空心符号对应于文献中报告的基于不同技术的 FET 的 SS 值（硅绝缘体 (SOI)、大规模 CMOS、鳍式和纳米线 FET）。基于范德瓦尔斯异质结构的 FET 在低温下的 SS 表现优于所有其他技术。实黑线是理论的玻尔兹曼极限 SSBL = kBT/e ln(10)。

文献：Ultrasteep Slope Cryogenic FETs Based on Bilayer Graphene. Nano Letters, 2024.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02463