Оптимизация ИК и ТГц модуляции в гетероструктурах графен/MnZn феррит/p-Si

Аннотация

Высокодиэлектрические, магнитакивно активные тонкие пленки MnZn феррита осадили на p-Si подложки и интегрировали как диэлектрический слой в графеновых полевых транзисторах (GFET) для инфракрасных (ИК) и терагерцовых (ТГц) приложений. Оптимизируя параметры осаждения, достигли ультратонких, высокопрозрачных слоев MnZn феррита, позволяющих магнитную модуляцию ТГц прохождения через большой магнитосопротивление монослойного графенового канала. ИК фототранспорт также исследовали под различными затворными смещениями, выявив существенное усиление тока, коррелирующее с качеством поверхности диэлектрика.

Введение

ИК и ТГц технологии интегральны для радаров, беспроводной связи и систем безопасности. Поэтому поиск материалов и гетероструктур, эффективно работающих в этих спектральных окнах, остается приоритетом. Недавние работы показали, что GFET может модулировать ТГц прохождение настройкой внутризонных переходов в монослое графена. Например, GFET с 92 нм SiO₂ как затворным диэлектриком достиг 15% глубины модуляции на 18 кГц, а графен/SiO₂ (150 нм)/p-Si с Al₂O₃ (60 нм) как high-k затворным изолятором — 22% на 170 кГц. Bi-доперированный YIG (k ≈ 12) диэлектрик аналогично обеспечил 15% глубину на 200 кГц по 0,1–1,2 ТГц.

Эти исследования показывают, что диэлектрический слой в значительной степени диктует GFET производительность в ИК и ТГц режимах. Хотя немарнитные high-k диэлектрики изучены широко, интеграция бифункционального магнитного диэлектрика — способного к внешней магнитной настройке — остается в значительной степени неисследованной. MnZn феррит, high-k (k ≈ 16) и ферромагнитный оксид, предлагает перспективную платформу для объединения диэлектрической надежности с магнитным контролем. Здесь мы сообщаем об осаждении 150-нм MnZn феррит пленок на p-Si, их интеграции в GFET и полученных ИК фототранспорте и ТГц модуляции под электрическими и магнитными стимулами.

Методы

Mn₁₋ₓZnₓFe₂O₄ тонкие пленки изготавливали RF магнетронным спуттерингом. Мишень, полученная ко-преципитацией Fe(NO₃)₃, Mn(NO₃)₃ и Zn(NO₃)₂, кальцинировали при 950–1000 °C 2 ч, прессовали в 60-мм диск и синтерили при 1250 °C 3,5 ч. Пленки осаждали на (100) p-Si подложках при 200–300 °C под базовым давлением 4×10⁻⁴ Па с 0–25% O₂ (P_O2/(P_O2+P_Ar)). 150-нм пленку затем отжигали в вакууме (0,08–5,0 Па) при 400–700 °C 1,5 ч.

Структурный анализ: Cu Kα XRD (D/max 2400) при 40 кВ/100 мА. Морфологию изучали SEM (JOEL JSM6490LV) и AFM (Veeco Mutimode Nano4) для извлечения средней арифметической шероховатости (Ra) и квадратичной (RMS). Магнитные свойства измеряли вибрирующим образцовым магнетометром (VSM, BH-V525) и насыщенную индукцию анализатором Iwatsu BH (SY8232).

После оптимизации роста MnZn феррита, монослойный графен переносили с медной фольги на ферритовые пленки стандартным PMMA-ассистированным методом для формирования графен/MnZn феррит/p-Si гетероструктур. Золотые источник, сток и затвор электроды испаряли для завершения GFET (см. Схему 1). Электрические характеристики записывали на Agilent 4155B. ИК отклик оценивали измерением I-V кривых под 915 нм освещением (1 Вт, ~1 см²) против темноты. ТГц прохождение измеряли системой временной области спектроскопии (TDS) при варьировании затворного напряжения и приложении внешнего магнитного поля от кастомной медной катушки.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 показывает XRD паттерны Mn₁₋ₓZnₓFe₂O₄ пленок, осажденных при RF мощностях 100–180 Вт. Все образцы демонстрируют спинельную решетку, с доминантным отражением (311) при 160 Вт, указывающим на оптимальную кристалличность. Ra и RMS монотонно возрастают с мощностью спуттеринга, что указывает на то, что более высокоэнергетическое осаждение шершавит поверхность — эффект, способный деградировать GFET производительность.

SEM и AFM (рис. 2) подтвердили колононистые зерна, грубеющие при отжиге. XRD после отжига (рис. 3a) показал, что 550 °C максимизирует интенсивность (311). Магнитные гистерезисные петли (рис. 3b) при комнатной температуре дали насыщенную намагниченность (M_s) 330 кА/м и коэрцитивную силу (H_c) 1600 А/м (≈20 Ое) при 550 °C под 0,5 Па азота, оптимальном условии отжига. Повышенные температуры или давления газа вводили азотосвязанные дефекты, снижая M_s и увеличивая H_c.

GFET изготавливали на пленках, осажденных при 100 и 150 Вт. Кривые I_sd vs V_sg (рис. 4a,b) показывают выраженную активацию электронного канала под отрицательным затворным смещением, в то время как положительное смещение дает более слабый отклик, вероятно, из-за асимметричного термиоидного излучения и межзонного туннелирования на границе затвора/доступа. Прибор с 100-Вт пленкой показывает меньшее сопротивление, чем 150-Вт, отражая более гладкую диэлектрическую поверхность и сниженное рассеяние заряженных носителей.

Под 915 нм освещением оба прибора демонстрируют заметный рост тока, но 100-Вт устройство получает ~7,5× усиление при 10 В против ~2,5× для 150-Вт. Эта разница подчеркивает влияние шероховатости диэлектрика на фотоиндуцированный перенос носителей.

ТГц прохождение оценивали сканированием затворного напряжения от +25 до –25 В. По мере падения канального сопротивления при отрицательном смещении передаваемая ТГц интенсивность снижается (рис. 5a), демонстрируя затворно-контролируемую модуляцию. При приложении внешнего магнитного поля передаваемая ТГц интенсивность падает дальше, насыщаясь выше 50 Ое (рис. 5b). Это тонкое 5% модуляция атрибутируется большому магнитосопротивлению графена под किनевыми полями от MnZn феррита, хотя поверхностная неравномерность ограничивает эффект. Более гладкий диэлектрик, вероятно, усилит магнито-ТГц модуляцию.

Заключение

Мы продемонстрировали, что MnZn феррит тонкие пленки, осажденные и отожженные под оптимизированными условиями, служат high-k, магнитореактивным диэлектриком для графеновых гетероструктур. Полученные GFET показывают значительное ИК фотоэлектрическое усиление и затворно-контролируемое ТГц прохождение, со скромной магнитной полем настройкой, исходящей от большого магнитосопротивления графена. Производительность прибора сильно коррелирует с шероховатостью поверхности диэлектрика; дальнейшее сглаживание MnZn феррит слоя ожидается усилит глубины ИК и ТГц модуляции. Будущая работа сосредоточится на уточнении морфологии пленки для раскрытия полного потенциала магнитно настраиваемых ИК/ТГц устройств.