(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van het Electro-Optics Center (EOC) van Penn State hebben een techniek gedemonstreerd die waterstof gebruikt om de prestaties van transistors op echte grafeenapparaten te verbeteren. In een artikel gepubliceerd op 1 augustus 2011, online editie van Nano-letters , de onderzoekers toonden een 3x verbetering aan in elektronenmobiliteit van epitaxiaal grafeen dat op het siliciumoppervlak van een 100 mm siliciumcarbidewafel is gegroeid, evenals een vergelijkbare verbetering van de prestaties van de radiofrequentietransistor.

"Er zijn twee gezichten aan een siliciumcarbidewafel, ” legt EOC-materiaalwetenschapper Joshua Robinson uit. "Grafeen dat op het koolstofoppervlak wordt gekweekt, heeft meestal een hogere elektronenmobiliteit, maar dat komt omdat onder de grafeenlaag die op het siliciumoppervlak is gegroeid, een koolstofrijke bufferlaag is gebonden aan het siliciumcarbide dat werkt om elektronen te verstrooien, waardoor hun mobiliteit afneemt. Als je de bufferlaag kunt verwijderen, de elektronen zullen veel sneller gaan, wat betekent dat uw apparaten sneller zullen werken. Het is ook gemakkelijker om de dikte van het grafeen op het siliciumoppervlak te regelen, wat cruciaal is als je zeer uniforme apparaten op waferschaal wilt maken. Dat is wat we hebben kunnen doen."

De krant, getiteld "Epitaxiale grafeentransistors:prestaties verbeteren via waterstofintercalatie, ” meldt een extrinsieke grensfrequentie van 24 GHz in transistorprestaties, de hoogste tot nu toe gerapporteerd in een real-world epitaxiaal grafeenapparaat, geloven de auteurs. (Extrinsieke afsnijfrequentie is een maat voor de snelheid van het apparaat onder bedrijfsomstandigheden, en is typisch een fractie van de intrinsieke snelheden die vaak worden gerapporteerd.) De hydrogeneringstechniek, die voor het eerst werd ontwikkeld door een groep in Duitsland (Riedl, et al.; Fys. ds. Lett. 2009, 103, 246804), omvat het veranderen van de bufferlaag in een tweede, vrij zwevende één atoom dikke laag grafeen door bungelende koolstofbindingen te passiveren met behulp van waterstof. Dit resulteert in twee vrij zwevende lagen grafeen. Penn State-onderzoekers, geleid door Joshua Robinson en David Snyder, hebben een extra processtap geïmplementeerd voor hun grafeensyntheseproces op waferschaal dat de bufferlaag volledig omzet in grafeen. Met deze hydrogeneringstechniek de epitaxiale grafeen-teststructuren vertoonden een toename van 200-300% in mobiliteit van de drager, van 700-900 cm ² /(V s) tot gemiddeld 2050 cm ² /(V s) in lucht en 2375 cm ² /(V s) in vacuüm.

Het Penn State-team, waaronder hoofdauteur Robinson, David Snijder, Matthijs Hollander, Michael Labella, III, Kathleen A. Trumbull en Randy Cavalero, zijn van plan deze techniek te gebruiken om de prestaties van transistors in radiofrequentieapparaten te verbeteren. "De ambipolaire geleiding van grafeen stelt je in staat om circuits te vereenvoudigen, terwijl de hoge mobiliteit en elektronensnelheid een middel biedt om tot terahertz-werking te komen. Het probleem is dat de tot nu toe in de literatuur gerapporteerde voorbeeldfrequentierespons niet de werkelijke prestatie is. Hydrogenering en apparaatschaling brengen ons veel dichter bij echte hoogfrequente prestaties, ' merkt Robinson op.

In een tweede artikel in hetzelfde nummer van Nano-letters , de groep rapporteert ook een nieuwe oxide-zaaitechniek door atomaire laagafzetting die ze hebben ontwikkeld om diëlektrische materialen af ​​​​te zetten op epitaxiaal grafeen op waferschaal. Hun techniek resulteerde in een prestatieverbetering van 2-3x ten opzichte van meer traditionele zaaimethoden. De auteurs zijn van mening dat deze twee ontwikkelingen de volgende bouwstenen vormen bij het creëren van levensvatbare op grafeen gebaseerde technologieën voor gebruik in radiofrequentietoepassingen. Het tweede papier, "Verbeterde transport- en transistorprestaties met oxidegezaaide High-k Gate-diëlektrica op epitaxiaal grafeen op waferschaal, ” was co-auteur van Matthew J. Hollander, Michael Labella, Zachary R. Hughes, Michael Zhu, Kathleen A. Trumbull, Randal Cavalero, David W. Snyder, Xiaojun Wang, Euichul Hwang, Suman Datta, en Joshua A. Robinson, heel Penn State.