Infraroteigenschaften und Terahertz-Wellenmodulation von Graphen/MnZn-Ferrit/p-Si-Heterojunctions

Hintergrund

Infrarot (IR) und Terahertz (THz) Geräte sind für viele elektronische Systeme wie Radar [1], drahtlose Kommunikation [2] und Sicherheitssysteme [3] von großer Bedeutung. Daher ist es wichtig, die Materialien [4,5,6,7] und Strukturen [8,9,10,11,12,13,14] zu erforschen, die im Infrarot- und Terahertz-Bereich verwendet werden können. Kürzlich wurde festgestellt, dass die Übertragung von THz-Wellen mit Graphen-Feldeffekttransistoren (GFET) moduliert werden kann, indem die Intraband-Übergänge der Graphen-Monoschicht abgestimmt werden [8]. In ihrem ursprünglichen GFET-THz-Modulator verwenden B. Sensale-Rodeiguez und Mitarbeiter 92 nm SiO₂ als Gatedielektrikumsmaterial, das eine Modulationstiefe von 15 % und eine Modulationsgeschwindigkeit von 18 Kb/s der THz-Welle erreichte [8]. D. Zhang und Mitarbeiter untersuchten die optische THz-Modulation von Graphen/SiO₂ (150 nm)/p-Si-GFET, der durch die Gatespannung eingestellt werden kann [15].

Später wurde festgestellt, dass die THz-Wellenmodulation von GFET verbessert werden konnte, indem das Gate-Dielektrikum durch High-k und dichtes Al₂ . ersetzt wurde O₃ dünner Film, der durch Atomlagenabscheidung gezüchtet wird [16]. Im Graphen/Al₂ . wurde eine Modulationstiefe von 22 % und eine Geschwindigkeit von 170 kHz erreicht O₃ (60 nm)/p-Si-GFET durch Variation der Gatespannung [16]. Die verbesserte Modulation wird auf die reduzierte Coulomb-Störstellenstreuung und den Hohlraumeffekt zurückgeführt [16]. Durch die Verwendung von Bi-dotiertem YIG (k ~12,0) als dielektrische Materialien in der Graphen/Bi:YIG (50 nm)/p-Si-Heterostruktur wurden außerdem eine Modulationstiefe von 15 % und eine Geschwindigkeit von 200 kHz von 0,1 bis 1,2 THz . erreicht durch Anlegen einer Gatespannung [17].

Früheren Studien zufolge kann die dielektrische Schicht die Leistung von GFETs beeinflussen, die für THz- und Infrarotwellengeräte verwendet wurden. Durch sorgfältiges Sieben der dielektrischen Materialien ist es möglich, die Leistung des GFET abzustimmen. In früheren Studien wurden nichtmagnetische High-k-Dielektrikumschichten für Terahertz- und Infrarot-GFET-Bauelemente verwendet, bei denen elektrische Signale extrahiert oder angelegt werden. Bifunktionale magnetische und dielektrische Schichten wurden jedoch nicht für GFET für Terahertz- und Infrarotanwendungen untersucht, die durch ein externes Magnetfeld abgestimmt werden könnten. Hier stellen wir 150 nm gesputterte MnZn-Ferrit-Dünnfilme als dielektrische Materialien von GFET für THz- und Infrarotanwendungen vor. Als High-k- [18] und magnetische Materialien könnten MnZn-Ferrit-Dünnfilme als ausgezeichnete dielektrische Schicht fungieren und auch neue Funktionalitäten in GFET-THz- und Infrarot-Bauelementen einführen. Die Reaktion des Graphen/MnZn-Ferrit/p-Si-GFET auf die Infrarotbeleuchtung wurde durch Vergleich der I-V-Kurven mit und ohne Infrarotbeleuchtung bei unterschiedlicher Gate-Vorspannung beobachtet. Inzwischen wurde eine elektrische Modulation der THz-Welle durch den GFET erreicht, wenn die Gatespannung variiert wurde. Eine subtile Änderung der übertragenen THz-Welle wurde auch beobachtet, wenn das externe Magnetfeld variiert wurde.

Methoden

Mn_1-x Zn_x Fe₂ O₄ dünne Filme wurden durch RF-Magnetron-Sputtern hergestellt. Das Zielmaterial wurde durch gemeinsame Fällung von Fe(NO₄ )₃ , Mn(NO₄ )₃ , und Zn(NO₄ )₂ Lösung, die 2 h bei 950–1000 °C kalziniert, dann zu einer 60-mm-Scheibe gepresst und schließlich 3,5 h bei 1250 °C gesintert wird. Die Filme wurden auf (100) p-Si-Substraten bei 200–300 °C unter einem Basisdruck von 4 × 10 ^–4 . abgeschieden Pa und Sauerstoffkonzentration von 0–25% (P_O2 .) /(P_O2 + P_Ar )). Der Film (150 nm) wurde im Vakuum zwischen 400 und 700 °C unter einem Druck von 0,08 Pa–5,0 Pa 1,5 h lang getempert.

Die Kristallstrukturen von Mn_1-x Zn_x Fe₂ O₄ Dünnschichten wurden unter Verwendung von Cu Kα-Röntgenbeugung (XRD, D/max Röntgendiffraktometer der X-Serie 2400, Tokio, Japan) bei 40 kV und 100 mA charakterisiert. Die Mikrostrukturen des Mn_1-x Zn_x Fe₂ O₄ dünne Filme wurden unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (REM:JOEL JSM6490LV) untersucht. Der arithmetische Mittelwert der Oberflächenrauhigkeit (Ra) und der quadratische Mittelwert der Rauhigkeit (RMS) wurden mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM:Veeco Mutimode Nano4) gemessen. Die Sättigungsinduktion wurde mit einem Iwatsu BH-Analysator (SY8232) getestet. Die magnetischen Eigenschaften der Filme wurden mit einem Vibrationsproben-Magnetometer (VSM, MODELL:BHV-525) gemessen.

Nach Optimierung der Wachstumsbedingungen von Mn_1-x Zn_x Fe₂ O₄ dünne Filme auf p-Si, Graphen-Monoschichten wurden dann von Kupferfolie auf das Mn_1-x . übertragen Zn_x Fe₂ O₄ dünne Filme zur Bildung von Graphen/MnZn-Ferrit/p-Si-Heterostrukturen. Graphen wurde durch das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) in einem Röhrenofen hergestellt [19]. Die Transfermethode der Graphen-Monoschicht wurde aus Lit. [20] übernommen. Um den GFET herzustellen, wurden die Elektroden von Gate, Source und Drain durch Goldverdampfung abgeschieden. Die Struktur des GFET unter Verwendung von MnZn-Ferrit als Gatedielektrikumsmaterial ist in Schema 1 gezeigt. Der GFET wurde dann durch einen Halbleiterparameteranalysator (Agilent 4155B) mit einer Sondenstation (SUMMIT 1100B-M) charakterisiert. Zur IR-Charakterisierung wurden die I-V-Kurven unter IR-Beleuchtung gemessen (λ = 915 nm, P = 1 W), die mit der in der dunklen Umgebung verglichen wurde. Die Übertragung von Terahertz-Wellen wurde durch ein THz-Zeitbereichs-(TDS)-System bei Anlegen einer Gate-Spannung und/oder eines externen Magnetfelds gemessen. Das externe Magnetfeld wird von einer selbstgebauten Kupferspule erzeugt.

Der GFET mit einem 150-nm-MnZn-Ferrit-Dünnfilm als Gate-Dielektrikum

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt die XRD-Muster von Mn_1-x Zn_x Fe₂ O₄ Ferrit-Dünnfilme auf p-Si (100)-Substraten, die mit HF-Leistungen von 100, 120, 140, 160 bzw. 180 W gesputtert wurden. Die Spinellstruktur von MnZn-Ferrit-Dünnfilmen wurde unter verschiedenen Sputterleistungen erhalten. Der (311)-Beugungspeak ist der stärkste und weist auf die beste Kristallinität bei einer Abscheidungsleistung von 160 W hin. Tabelle 1 zeigt die arithmetische mittlere Oberflächenrauhigkeit (Ra) und den quadratischen Mittelwert der Rauhigkeit (RMS) sowie die Länge und Breite der maximalen Körner von die Ferritfilme auf den p-Si (100)-Substraten. Wie in Tabelle 1 gezeigt, nimmt die Oberflächenrauhigkeit (Ra und RMS) der MnZn-Ferrit-Dünnfilme mit der HF-Leistung zu. Eine sehr geringe HF-Leistung beeinträchtigt jedoch die Bildung von MnZn-Ferrit-Dünnfilmen. Die Rauheit der MnZn-Ferrit-Dünnfilme würde die Leistung der GFET-IR- und THz-Bauelemente beeinträchtigen, auf die wir später eingehen werden.

XRD-Muster von Proben auf p-Si(100)-Substrat und gesputtert unter verschiedenen HF-Magnetron-Sputterleistungen 100, 120, 140, 160 und 180 W

Die SEM- und AFM-Bilder der MnZn-Ferrit-Dünnfilme auf p-Si-Substraten sind in Abb. 2 gezeigt. Die Körner der MnZn-Ferrit-Dünnfilme konnten deutlich beobachtet werden. Nach dem Glühen nimmt die Korngröße zu, wie in Abb. 2b, d gezeigt. Abbildung 3a zeigt die XRD-Muster der MnZn-Ferrit-Dünnfilme, die bei verschiedenen Temperaturen geglüht wurden. Der (311)-Peak des MnZn-Ferrit-Dünnfilms ist am stärksten, wenn der Film bei 550 °C getempert wird. Die magnetischen Hystereseschleifen dieser dünnen Filme wurden ebenfalls durch VSM bei Raumtemperatur gemessen und sind in Abb. 3b gezeigt, aus der die Sättigungsmagnetisierung (Ms ) und magnetische Koerzitivfeldstärke (Hc ) werden erhalten. Abbildung 3c zeigt die Frau und Hc der MnZn-Ferrit-Dünnschichten, die unter dem Druck von Stickstoffgas bis zu 4 Pa geglüht wurden. Unter 3 Pa die höchsten Ms und niedrigste Hc werden bei 0,5 Pa erhalten. Oberhalb von 3 Pa nimmt Ms dramatisch ab, was an der Reaktion zwischen Stickstoffgas und dem Dünnfilm liegen könnte. Abbildung 3d zeigt Frau und Hc des Ferrit-Dünnfilms als Funktion der Glühtemperatur bei einem Stickstoffdruck von 1,5 Pa. Die Ms (Hc )-Wert der MnZn-Dünnschichten erreicht den maximalen (minimalen) Wert von 330 kA/m (1600 A/m = 20 Oe) bei 550 °C. Die maximale Frau und das minimale Hc entsprechend der besten Kristallinität der MnZn-Dünnfilme, die mit den XRD-Daten in Fig. 3a übereinstimmt. Bei höherer Temperatur und Gasdruck wurden die Oberflächenatome des Dünnfilms zu Verunreinigungen nitriert, die die magnetischen Eigenschaften des MnZn-Ferrit-Dünnfilms verschlechtern. Als Ergebnis wurden die MnZn-Dünnschichten bei einer Glühtemperatur von 550 °C und einem Vakuum von weniger als 3 Pa hergestellt.

REM-Bilder von (a ) wie hinterlegt und (b ) geglühter MnZn-Ferrit-Dünnfilm, (c ) und (d ) zeigen Sie die entsprechenden AFM-Bilder

Charakterisierung von gesputterten MnZn-Dünnschichten. (a ) XRD-Muster und (b ) Hystereseschleifen von MnZn-Dünnfilmen, die bei 350, 450, 550, 650 und 750 °C getempert wurden. Sättigungsmagnetisierung (Ms ) der MnZn-Dünnschichten beim Tempern unter einem Druck von 0,0 Pa bis 4,5 Pa in (c ) und Temperatur von 450 bis 700 °C in (d )

Auf derselben Kupferfolie gewachsenes Graphen wurde dann auf MnZn-Ferrit-Dünnfilme übertragen, um GFETs mit der in Schema 1 gezeigten Struktur herzustellen. Hier haben wir GFET mit MnZn-Ferrit-Dünnfilmen hergestellt, die bei 100 und 150 W gesputtert und unter optimalen Bedingungen wie oben beschrieben getempert wurden . Abbildung 4a, b zeigt den zwischen Drain und Source gemessenen elektrischen Strom als Funktion der angelegten Gatespannung für die beiden GFETs. Während der Messung wird die angelegte Spannung zwischen Source und Drain konstant bei 1 V gehalten. Der Strom steigt allmählich an, wenn die Gatespannung negativ erhöht wurde. Der Strom ändert sich sehr langsam, wenn die Gatespannung positiv vorgespannt ist. Die asymmetrischen I-V-Eigenschaften der beiden GFETs könnten auf die thermoionische Emission und das Interband-Tunneln an den Übergängen zwischen den Gate- und Access-Regionen zurückzuführen sein [21]. Der Widerstand des Graphens auf dem gesputterten 100 W-MnZn-Ferrit-Dünnfilm ist viel kleiner als der auf dem 150 W-gesputterten Dünnfilm bei derselben Gate-Vorspannung, verglichen mit Fig. 4a, b. Der größere Widerstand in Abb. 4b könnte das Ergebnis einer größeren Rauheit der gesputterten 150 W-MnZn-Ferrit-Dünnfilme im Vergleich zu Tabelle 1 sein. Die rauheitsinduzierte Wellung der Graphen-Monoschicht könnte den Transport von Ladungsträgern unterdrücken, was zu einem höheren Widerstand führt [22].

IR-Charakterisierung. (a ) und (b ) Ich_sd -V_sg Kurven des GFET mit MnZn-Ferrit-Dünnfilm, der bei 100 bzw. 150 W gesputtert wurde. (c ) und (d ) vergleichen Sie die I_sd -V_sg Kurven unter IR-Beleuchtung und ohne Beleuchtung. Die zwischen Source und Drain angelegte Spannung beträgt für alle Kurven 1,0 V

Abbildung 4c, d zeigt den Vergleich der I-V-Kurven unter dunkler Umgebung und Infrarotbeleuchtung für GFETs mit 100 bzw. 150 W gesputterten MnZn-Ferrit-Dünnfilmen. Das Infrarotlicht hat eine Wellenlänge von 915 nm und eine Leistung von 1 W in einem Fenster von ~1 cm ² . Die angelegte Spannung zwischen Source und Drain beträgt 1 V. Die I-V-Kurve des GFET unter Infrarotbeleuchtung ist analog zu der in dunkler Umgebung gemessenen, jedoch mit deutlich erhöhtem Strom. Die Verbesserung ist für den GFET, der 100 W gesputterte MnZn-Ferrit-Dünnfilme als dielektrische Schicht verwendet, viel stärker als bei einem GFET mit 150 W gesputtertem MnZn-Ferrit-Dünnfilm. Die Verstärkung beträgt bei einer Gatespannung von 10 V für 100 W gesputterter MnZn-Ferrit-Dünnfilm das ~7,5-fache, was für den gesputterten MnZn-Ferrit-Dünnfilm mit 150 W das ~2,5-fache beträgt. Die Oberflächenrauheit von MnZn-Ferrit-Dünnfilmen könnte nämlich auch die optoelektronischen Infraroteigenschaften beeinflussen.

Der GFET mit 100 W gesputterten MnZn-Ferrit-Dünnfilmen wurde dann verwendet, um die Modulationseigenschaften von THz-Wellen zu untersuchen. Abbildung 5a zeigt die Transmission von THz-Wellen durch den GFET bei Anlegen einer unterschiedlichen Gate-Vorspannung. Die Transmission wurde durch einen THz-Puls unter Verwendung eines THz-TDS-Systems gemessen, und die Transmission im Frequenzbereich wurde durch Fourier-Transformation unter Verwendung von Luft als Basislinie erhalten. Wenn die Gatespannung von 25 V auf –25 V variiert wird, wird der Widerstand zwischen Source und Drain verringert, wie in Abb. 4a gezeigt. Die Reduzierung des Widerstands führt zu einer verringerten Transmission der THz-Welle, wie in Abb. 5a gezeigt . Die Übertragung der THz-Welle könnte nämlich durch Anlegen unterschiedlicher Gate-Spannungen des GFET moduliert werden. Die übertragene THz-Welle wurde auch gemessen, wenn ein externes Magnetfeld angelegt wurde, was in Fig. 5b gezeigt ist. Wenn das externe Magnetfeld zunimmt, nimmt die Intensität der übertragenen THz-Welle ab, die über 50 Oe sättigt. Die Änderung der übertragenen Intensität der THz-Welle unter einem externen Magnetfeld könnte auf den extrem großen Magnetowiderstand von Graphen zurückzuführen sein [23]. Der darunterliegende MnZn-Ferrit-Dünnfilm stellt bei Magnetisierung durch ein externes Magnetfeld ein starkes Randfeld bereit. Der Magnetowiderstand des Graphen/MnZn-Ferrit/p-Si-Hetroübergangs ist in Zusatzdatei 1:Abbildung S1 in den Zusatzinformationen dargestellt. Die Modulation der Terahertz-Welle ist jedoch subtil (5%), was an der unebenen Oberfläche von MnZn-Ferrit-Dünnfilmen und/oder der kleinen Änderung der Terahertz-Modulation mit dem Widerstand liegen könnte. Graphen könnte ein viel stärkeres und gleichmäßigeres Randfeld auf einem extrem glatten MnZn-Ferrit-Dünnfilm spüren, der einen größeren Magnetowiderstand von Graphen aufweisen und eine größere Modulationstiefe durch ein externes Magnetfeld ergeben könnte.

THz-Charakterisierung. (a ) das Spektrum der THz-Transmission von 0,2 bis 1,0 THz bei verschiedenen Gate-Spannungen von -25 bis 25 V und (b ) das Frequenzbereichsspektrum unter verschiedenen externen Magnetfeldern von 0,63 bis 0,70 THz

Schlussfolgerungen

Graphen/MnZn-Ferrit/p-Si-Heterostruktur wurde für IR- und THz-Geräteanwendungen hergestellt. Der MnZn-Ferrit-Dünnfilm wurde auf dem p-Si durch Magnetron-Sputtern abgeschieden, das vor der Verwendung für die GFET-Herstellung getempert wurde. Die MnZn-Ferrit-Dünnfilme bieten ein alternatives dielektrisches Material für die GFET IR- und THz-Bauelemente. Als magnetischer und hochohmiger Dünnfilm kann er den Magnetowiderstand von Graphen und die Modulation des übertragenen THz verstärken, ohne zusätzliche Einfügungsdämpfung einzuführen. Die Oberflächenrauheit des MnZn-Ferrit-Dünnfilms kann die Leistung der IR- und THz-Geräte stark beeinflussen. Eine höhere Leistung könnte erreicht werden, indem der MnZn-Ferrit-Dünnfilm glatter gemacht wird. Solche Arbeiten sind im Gange.