Инфракрасные свойства и модуляция терагерцовой волны гетеропереходов графен / MnZn-феррит / p-Si

Фон

Инфракрасные (ИК) и терагерцовые (ТГц) устройства очень важны для многих электронных систем, таких как радар [1], беспроводная связь [2] и системы безопасности [3]. Таким образом, очень важно изучить материалы [4,5,6,7] и структуры [8,9,10,11,12,13,14], которые можно использовать в инфракрасном и терагерцовом диапазонах. Недавно было обнаружено, что передачу ТГц волны можно модулировать с помощью графенового полевого транзистора (GFET), настраивая внутризонные переходы монослоя графена [8]. В своем оригинальном терагерцевом модулятора GFET B. Sensale-Rodeiguez и его коллеги использовали 92 нм SiO ₂ в качестве диэлектрического материала затвора, который обеспечивает глубину модуляции 15% и скорость модуляции 18 Кбит / с волны ТГц [8]. Д. Чжан и его коллеги исследовали оптическую модуляцию ТГц графена / SiO ₂ (150 нм) / p-Si GFET, который можно настраивать напряжением затвора [15].

Позже было обнаружено, что модуляцию ТГц волны в GFET можно улучшить, заменив затворный диэлектрик на высококалорийный и плотный Al ₂ . О ₃ тонкая пленка, выращенная методом осаждения атомных слоев [16]. Глубина модуляции 22% и скорость 170 кГц были достигнуты в графене / Al ₂ О ₃ (60 нм) / p-Si GFET путем изменения напряжения затвора [16]. Улучшенная модуляция объясняется уменьшением кулоновского рассеяния на примеси и эффекта резонатора [16]. Кроме того, при использовании Bi-легированного ЖИГ (k ~ 12,0) в качестве диэлектрических материалов в гетероструктуре графен / Bi:ЖИГ (50 нм) / p-Si глубина модуляции 15% и скорость 200 кГц были достигнуты от 0,1 до 1,2 ТГц. приложив напряжение затвора [17].

Согласно предыдущим исследованиям, диэлектрический слой может в значительной степени повлиять на характеристики полевого транзистора, который использовался для устройств ТГц и инфракрасного диапазона. Тщательно проверяя диэлектрические материалы, можно настроить характеристики полевого транзистора. В предыдущих исследованиях немагнитные диэлектрические слои с высоким k использовались для терагерцовых и инфракрасных устройств GFET, где извлекается или применяется электрический сигнал. Однако бифункциональные магнитные и диэлектрические слои не изучались для GFET для терагерцовых и инфракрасных приложений, которые можно было бы настраивать внешним магнитным полем. Здесь мы представляем тонкие пленки феррита MnZn с напылением толщиной 150 нм в качестве диэлектрических материалов GFET для ТГц и инфракрасных приложений. Тонкие пленки феррита MnZn в качестве материалов с высоким коэффициентом k [18] и магнитных материалов могут выступать в качестве отличного диэлектрического слоя, а также вводить новые функции в терагерцовом и инфракрасном транзисторах GFET. Отклик графен / феррит MnZn / p-Si GFET на инфракрасное освещение наблюдали путем сравнения ВАХ с инфракрасным освещением и без него при различном смещении затвора. Между тем, электрическая модуляция ТГц волны была достигнута с помощью GFET при изменении напряжения затвора. Незначительное изменение проходящей волны ТГц наблюдалось также при изменении внешнего магнитного поля.

Методы

Мн _1-x Zn _x Fe ₂ О ₄ тонкие пленки были приготовлены методом высокочастотного магнетронного распыления. Целевой материал был получен совместным осаждением Fe (NO ₄ ) ₃ , Mn (NO ₄ ) ₃ , и Zn (NO ₄ ) ₂ раствор, который прокаливают при 950–1000 ° C в течение 2 часов, затем прессуют в диск диаметром 60 мм и, наконец, спекают при 1250 ° C в течение 3,5 часов. Пленки наносились на подложки p-Si (100) при температуре 200–300 ° C и базовом давлении 4 × 10 ⁻⁴ . Па и концентрация кислорода 0–25% (P _O2 / (P _O2 + P _Ar )). Пленку (150 нм) отжигали в вакууме от 400 до 700 ° C под давлением 0,08–5,0 Па в течение 1,5 ч.

Кристаллические структуры Mn _1-x Zn _x Fe ₂ О ₄ Тонкие пленки были охарактеризованы с помощью рентгеновской дифракции Cu Kα (XRD, D / max рентгеновский дифрактометр серии 2400 X, Токио, Япония) при 40 кВ и 100 мА. Микроструктуры Mn _1-x Zn _x Fe ₂ О ₄ тонкие пленки исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM:JOEL JSM6490LV). Средняя арифметическая шероховатость поверхности (Ra) и среднеквадратичная шероховатость (RMS) были измерены с помощью атомно-силового микроскопа (AFM:Veeco Mutimode Nano4). Индукцию насыщения проверяли анализатором Iwatsu BH (SY8232). Магнитные свойства пленок измеряли с помощью магнитометра с вибрирующим образцом (VSM, МОДЕЛЬ:BHV-525).

После оптимизации условий роста Mn _1-x Zn _x Fe ₂ О ₄ тонкие пленки на p-Si, монослои графена затем переносились с медной фольги на Mn _1-x Zn _x Fe ₂ О ₄ тонкие пленки для формирования гетероструктур графен / феррит MnZn / p-Si. Графен был изготовлен методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) в трубчатой ​​печи [19]. Метод переноса монослоя графена был адаптирован из ссылки [20]. Для изготовления GFET электроды затвора, истока и стока наносились методом напыления золота. Структура GFET с использованием феррита MnZn в качестве диэлектрического материала затвора показана на схеме 1. Затем GFET был охарактеризован анализатором параметров полупроводника (Agilent 4155B) с зондовой станцией (SUMMIT 1100B-M). Для ИК-характеристики ВАХ были измерены при ИК-освещении ( λ =915 нм, P =1 Вт), что сравнивалось с таковой в темноте. Передача терагерцовой волны измерялась системой ТГц временной области (TDS) при приложении напряжения затвора и / или внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле создается самодельной медной катушкой.

GFET с использованием тонкой пленки феррита MnZn толщиной 150 нм в качестве диэлектрического материала затвора

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 показаны рентгенограммы Mn _1-x Zn _x Fe ₂ О ₄ тонкие пленки ферритов на подложках p-Si (100), напыленные при ВЧ-мощностях 100, 120, 140, 160 и 180 Вт соответственно. Шпинельная структура тонких пленок феррита MnZn была получена при различной мощности распыления. Дифракционный пик (311) является самым сильным, что указывает на лучшую кристалличность при мощности наплавки 160 Вт. В таблице 1 показаны среднеарифметическая шероховатость поверхности (Ra) и среднеквадратичная шероховатость (RMS), а также длина и ширина максимальных зерен ферритные пленки на подложках p-Si (100). Как показано в таблице 1, шероховатость поверхности (Ra и RMS) тонких пленок феррита MnZn увеличивается с увеличением ВЧ мощности. Однако очень низкая ВЧ-мощность будет влиять на формирование тонких пленок феррита MnZn. Шероховатость тонких пленок феррита MnZn повлияет на характеристики устройств GFET IR и THz, которые мы обсудим позже.

Рентгенограммы образцов на подложке p-Si (100), распыленных при различных мощностях ВЧ магнетронного распыления 100, 120, 140, 160 и 180 Вт

СЭМ- и АСМ-изображения тонких пленок феррита MnZn на подложках p-Si показаны на рис. 2. Зерна тонких пленок феррита MnZn можно отчетливо наблюдать. После отжига размер зерна увеличивается, как показано на рис. 2b, d. На рис. 3а показаны рентгенограммы тонких пленок феррита MnZn, отожженных при различных температурах. Пик (311) тонкой пленки феррита MnZn является наиболее сильным при отжиге пленки при 550 ° C. Петли магнитного гистерезиса этих тонких пленок также были измерены с помощью VSM при комнатной температуре и показаны на рис. 3b, откуда намагниченность насыщения ( Ms ) и магнитной коэрцитивности ( Hc ) получены. На рисунке 3c показано Ms и Hc тонких пленок феррита MnZn, отожженных под давлением газообразного азота до 4 Па. Ниже 3 Па самая высокая Ms и самый низкий Hc достигаются при 0,5 Па. Выше 3 Па Ms резко снижаются, что может быть связано с реакцией между газообразным азотом и тонкой пленкой. На рисунке 3d показано Ms и Hc тонкой пленки феррита в зависимости от температуры отжига при давлении азота 1,5 Па. Ms ( Hc ) значение тонких пленок MnZn достигает максимального (минимального) значения 330 кА / м (1600 А / м =20 Э) при 550 ° C. Максимальный Ms и минимальный Hc что соответствует наилучшей кристалличности тонких пленок MnZn, что согласуется с данными XRD на рис. 3а. При более высокой температуре и давлении газа поверхностные атомы тонкой пленки азотировались до примесей, которые ухудшали магнитные свойства тонкой пленки феррита MnZn. В результате были получены тонкие пленки MnZn при температуре отжига 550 ° C и давлении вакуума ниже 3 Па.

СЭМ-изображения ( a ) в момент депонирования и ( b ) тонкая пленка из отожженного феррита MnZn, ( c ) и ( d ) показать соответствующие изображения АСМ

Определение характеристик напыленных тонких пленок MnZn. ( а ) Картины XRD и ( b ) петли гистерезиса тонких пленок MnZn, отожженных при 350, 450, 550, 650 и 750 ° C. Намагниченность насыщения ( Ms ) тонких пленок MnZn при отжиге под давлением от 0,0 Па до 4,5 Па на дюйм ( c ) и температуре от 450 до 700 ° C в ( d )

Графен, выращенный на той же медной фольге, затем был перенесен на тонкие пленки феррита MnZn для создания GFET со структурой, показанной на схеме 1. Здесь мы изготовили GFET с тонкими пленками феррита MnZn, напыленными при 100 и 150 Вт и отожженными в оптимальных условиях, как обсуждалось выше. . На рис. 4a, b показан электрический ток, измеренный между стоком и истоком, как функция приложенного напряжения затвора для двух полевых транзисторов. Во время измерения приложенное напряжение между истоком и стоком поддерживается постоянным на уровне 1 В. Ток постепенно увеличивается по мере увеличения напряжения затвора. При положительном смещении напряжения затвора ток изменяется очень медленно. Асимметричные ВАХ двух полевых транзисторов могут быть результатом термоионной эмиссии и межзонного туннелирования на стыках между закрытой и доступной областями [21]. Сопротивление графена на распыленной тонкой пленке феррита MnZn мощностью 100 Вт намного меньше, чем сопротивление на распыленной тонкой пленке мощностью 150 Вт при том же смещении затвора, по сравнению с рис. 4a, b. Более высокое сопротивление на рис. 4b может быть результатом большей шероховатости тонких пленок напыленного феррита MnZn мощностью 150 Вт по сравнению с таблицей 1. Гофрирование монослоя графена, вызванное шероховатостью, может подавить перенос носителей заряда, что приведет к более высокому сопротивлению. [22].

ИК-характеристика. ( а ) и ( b ) Я _sd -V _sg кривые GFET с тонкой пленкой феррита MnZn, распыленной при 100 и 150 Вт соответственно. ( c ) и ( d ) сравните I _sd -V _sg кривые при ИК-освещении и без освещения. Напряжение, приложенное между истоком и стоком, составляет 1,0 В для всех кривых

На рис. 4c, d показано сравнение ВАХ в темноте и инфракрасном освещении для полевых транзисторов, использующих распыленные тонкие пленки феррита MnZn мощностью 100 и 150 Вт соответственно. Инфракрасный свет имеет длину волны 915 нм и мощность 1 Вт в окне размером ~ 1 см ² . . Приложенное напряжение между истоком и стоком составляет 1 В. Кривая ВАХ GFET при инфракрасном освещении аналогична кривой, измеренной в темноте, однако со значительно увеличенным током. Это усиление намного сильнее для GFET, использующего тонкие пленки феррита MnZn с напылением мощностью 100 Вт в качестве диэлектрического слоя, чем при использовании тонкой пленки феррита MnZn с напылением мощностью 150 Вт. Увеличение составляет ~ 7,5 раз при напряжении на затворе 10 В для тонкой пленки феррита MnZn с напылением мощностью 100 Вт, что в ~ 2,5 раза для тонкой пленки феррита MnZn, напыляемой методом напыления 150 Вт. А именно, шероховатость поверхности тонких пленок феррита MnZn также может влиять на инфракрасные оптоэлектронные свойства.

Затем GFET с тонкими пленками напыленного феррита MnZn мощностью 100 Вт использовался для исследования модуляционных свойств ТГц волн. На рис. 5а показано пропускание ТГц волн через GFET при применении различного смещения затвора. Коэффициент пропускания измерялся терагерцовым импульсом с использованием системы THz-TDS, а коэффициент пропускания в частотной области был получен преобразованием Фурье с использованием воздуха в качестве базовой линии. Когда напряжение затвора изменяется от 25 В до -25 В, сопротивление между истоком и стоком уменьшается, как показано на рис. 4а. Уменьшение сопротивления приводит к уменьшению пропускания волны ТГц диапазона, как показано на рис. 5а. . А именно, передачу волны ТГц можно модулировать, применяя другое напряжение затвора GFET. Прошедшая волна ТГц измерялась также при приложении внешнего магнитного поля, что показано на рис. 5б. По мере увеличения внешнего магнитного поля интенсивность прошедшей волны ТГц уменьшается, достигая насыщения выше 50 Э. Изменение прошедшей интенсивности ТГц волны во внешнем магнитном поле могло быть связано с чрезвычайно большим магнитосопротивлением графена [23]. Тонкая пленка феррита MnZn под ней создает сильное краевое поле при намагничивании внешним магнитным полем. Магнитосопротивление гетроперехода графен / феррит MnZn / p-Si показано в дополнительном файле 1:рисунок S1 в дополнительной информации. Однако модуляция терагерцовой волны незначительна (5%), что может быть из-за неровной поверхности тонких пленок феррита MnZn и / или небольшого изменения терагерцовой модуляции в зависимости от сопротивления. Графен может ощущать гораздо более сильное и однородное краевое поле на чрезвычайно гладкой тонкой пленке феррита MnZn, которая может иметь большее магнитосопротивление графена и давать большую глубину модуляции внешним магнитным полем.

ТГц характеристика. ( а ) Спектр пропускания ТГц от 0,2 до 1,0 ТГц при различных напряжениях затвора от -25 до 25 В, и ( b ) спектр частотной области при различном внешнем магнитном поле от 0,63 до 0,70 ТГц

Выводы

Гетероструктура графен / феррит MnZn / p-Si была изготовлена ​​для устройств ИК и ТГц диапазона. Тонкая пленка феррита MnZn была нанесена на p-Si методом магнетронного распыления, который был отожжен перед использованием для изготовления полевого транзистора. Тонкие пленки феррита MnZn представляют собой альтернативный диэлектрический материал для устройств GFET IR и THz. Как магнитная тонкая пленка с высоким сопротивлением, она может усиливать магнитосопротивление графена и модуляцию передаваемого ТГц диапазона без дополнительных вносимых потерь. Шероховатость поверхности тонкой пленки феррита MnZn может в значительной степени повлиять на характеристики устройств ИК и ТГц диапазона. Более высокие характеристики могут быть достигнуты, если сделать тонкую пленку феррита MnZn более гладкой. Такая работа ведется.