グラフェン/ MnZnフェライト/ p-Siヘテロ接合の赤外線特性とテラヘルツ波変調

背景

赤外線（IR）およびテラヘルツ（THz）デバイスは、レーダー[1]、無線通信[2]、セキュリティシステム[3]などの多くの電子システムにとって非常に重要です。したがって、赤外線およびテラヘルツ範囲で使用できる材料[4,5,6,7]および構造[8,9,10,11,12,13,14]を調査することが重要です。最近、THz波の透過は、グラフェン単分子層のバンド内遷移を調整することにより、グラフェン電界効果トランジスタ（GFET）で変調できることがわかりました[8]。元のGFETHz変調器では、B。Sensale-Rodeiguezとその同僚は92 nm SiO ₂ を使用しています。 15％の変調深度と18 Kb / sのTHz波の変調速度を達成したゲート誘電体材料として[8]。 D. Zhangらは、グラフェン/ SiO ₂ の光THz変調を調査しました。 （150 nm）/ p-Si GFET、ゲート電圧によって調整可能[15]。

その後、GFETのTHz波変調は、ゲート誘電体をhigh-kで高密度のAl ₂ に置き換えることで改善できることがわかりました。 O ₃ 原子層堆積によって成長する薄膜[16]。グラフェン/ Al ₂ では、変調深度22％、速度170kHzが達成されました。 O ₃ （60 nm）/ p-ゲート電圧を変化させることによるSiGFET [16]。変調の改善は、クーロン不純物散乱と空洞効果の減少に起因します[16]。さらに、グラフェン/ Bi：YIG（50 nm）/ p-Siヘテロ構造の誘電体材料としてBiドープYIG（k〜12.0）を使用することにより、変調深度15％、速度200 kHzが0.1〜1.2THzで達成されました。ゲート電圧を印加することによって[17]。

以前の研究によると、誘電体層は、THzおよび赤外線デバイスに使用されたGFETの性能に大きく影響する可能性があります。誘電体を注意深くスクリーニングすることにより、GFETの性能を調整することができます。以前の研究では、非磁性のhigh-k誘電体層がテラヘルツおよび赤外線GFETデバイスに使用され、電気信号が抽出または適用されていました。ただし、テラヘルツおよび赤外線アプリケーション用のGFETについては、外部磁場によって調整できる二機能性の磁性層と誘電体層は研究されていません。ここでは、THzおよび赤外線アプリケーション用のGFETの誘電体材料として、150nmのスパッタMnZnフェライト薄膜を紹介します。 High-k [18]および磁性材料として、MnZnフェライト薄膜は優れた誘電体層として機能し、GFETTHzおよび赤外線デバイスに新しい機能を導入することもできます。異なるゲートバイアスでの赤外線照射がある場合とない場合のI-V曲線を比較することにより、赤外線照明に対するグラフェン/ MnZnフェライト/ p-SiGFETの応答を観察しました。一方、テラヘルツ波の電気的変調は、ゲート電圧を変化させたときにGFETによって達成されました。外部磁場を変化させると、透過テラヘルツ波の微妙な変化も観察されました。

メソッド

Mn _1-x Zn _x Fe ₂ O ₄ 薄膜はRFマグネトロンスパッタリングによって準備されました。対象物質はFe（NO ₄ ） ₃ 、Mn（NO ₄ ） ₃ 、およびZn（NO ₄ ） ₂ 溶液は、950〜1000°Cで2時間煆焼され、次に60 mmディスクにプレスされ、最後に1250°Cで3.5時間焼結されます。フィルムは、4×10 ^-4 のベース圧力下で200〜300°Cで（100）p-Si基板上に堆積されました。 Paおよび酸素濃度0〜25％（P _O2 /（P _O2 + P _Ar ））。フィルム（150 nm）は、0.08 Pa〜5.0 Paの圧力下で400〜700°Cの真空中で1.5時間アニールされました。

Mn _1-x の結晶構造 Zn _x Fe ₂ O ₄ 薄膜は、40kVおよび100mAでCuKαX線回折（XRD、D / max 2400 XシリーズX線回折計、東京、日本）を使用して特性評価されました。 Mn _1-x の微細構造 Zn _x Fe ₂ O ₄ 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：ＪＯＥＬ ＪＳＭ６４９０ＬＶ）を使用して薄膜を調査した。表面算術平均粗さ（Ra）と二乗平均平方根粗さ（RMS）は、原子間力顕微鏡（AFM：Veeco Mutimode Nano4）によって測定されています。飽和誘導は岩崎BHアナライザー（SY8232）でテストしました。フィルムの磁気特性は、振動試料型磁力計（VSM、モデル：BHV-525）によって測定されました。

Mn _1-x の成長条件を最適化した後 Zn _x Fe ₂ O ₄ 次に、p-Si上の薄膜、グラフェン単分子層を銅箔からMn _1-x に転写しました。 Zn _x Fe ₂ O ₄ グラフェン/ MnZnフェライト/ p-Siヘテロ構造を形成する薄膜。グラフェンは管状炉で化学蒸着（CVD）法によって製造されました[19]。グラフェン単分子層の転写方法は、参考文献[20]から採用されました。 GFETを製造するために、ゲート、ソース、およびドレインの電極が金の蒸着によって堆積されました。ゲート誘電体材料としてMnZnフェライトを使用したGFETの構造をスキーム1に示します。次に、GFETは、プローブステーション（SUMMIT 1100B-M）を備えた半導体パラメータアナライザ（Agilent 4155B）によって特性評価されました。 IR特性評価では、I-V曲線をIR照明（λ）の下で測定しました。 =915 nm、 P =1 W）、これは暗い環境での比較と比較されました。テラヘルツ波の透過率は、ゲート電圧および/または外部磁場の印加時にTHz時間領域（TDS）システムによって測定されました。外部磁場は自家製の銅コイルによって生成されます。

ゲート誘電体材料として150nmMnZnフェライト薄膜を使用するGFET

結果と考察

図1は、Mn _1-x のXRDパターンを示しています。 Zn _x Fe ₂ O ₄ それぞれ100、120、140、160、および180 WのRF電力でスパッタされたp-Si（100）基板上のフェライト薄膜。 ＭｎＺｎフェライト薄膜のスピネル構造は、異なるスパッタリングパワーの下で得られた。 （311）回折ピークが最も強く、160 Wの堆積電力で最高の結晶性を示します。表1は、表面の算術平均粗さ（Ra）と二乗平均平方根粗さ（RMS）、および最大粒子の長さと幅を示しています。 p-Si（100）基板上のフェライト膜。表1に示すように、MnZnフェライト薄膜の表面粗さ（RaおよびRMS）は、RF電力とともに増加します。ただし、非常に低いRF電力は、MnZnフェライト薄膜の形成に影響を与えます。 MnZnフェライト薄膜の粗さは、後で説明するGFETIRおよびTHzデバイスの性能に影響を与えます。

p-Si（100）基板上にあり、さまざまなRFマグネトロンスパッタリングパワー100、120、140、160、および180WでスパッタされたサンプルのXRDパターン

p-Si基板上のMnZnフェライト薄膜のSEMおよびAFM画像を図2に示します。MnZnフェライト薄膜の粒子をはっきりと観察することができました。焼きなまし後、結晶粒径は図2b、dに示すように増加します。図3aは、さまざまな温度でアニールされたMnZnフェライト薄膜のXRDパターンを示しています。 MnZnフェライト薄膜の（311）ピークは、膜を550°Cでアニールしたときに最も強くなります。これらの薄膜の磁気ヒステリシスループも室温でVSMによって測定され、図3bに示されています。この図から、飽和磁化（ Ms ）および磁気保磁力（ Hc ）が取得されます。図3cは、 Ms を示しています。 および Hc 最大4Paの窒素ガス圧下でアニールされたMnZnフェライト薄膜の割合。3Pa未満では、最も高い Ms そして最低の Hc 0.5Paで得られます。3Paを超えると、Msが劇的に減少します。これは、窒素ガスと薄膜の反応が原因である可能性があります。図3dは、 Ms を示しています および Hc 1.5Paの窒素圧力でのアニーリング温度の関数としてのフェライト薄膜の特性。 Ms （ Hc ）MnZn薄膜の値は、550°Cで330 kA / m（1600 A / m =20 Oe）の最大（最小）値に達します。最大の Ms 最小の Hc これは、MnZn薄膜の最高の結晶化度に対応しており、図3aのXRDデータと一致しています。より高い温度とガス圧で、薄膜の表面原子は不純物に窒化され、MnZnフェライト薄膜の磁気特性を劣化させます。その結果、MnZn薄膜は、550°Cのアニーリング温度と3Pa未満の真空圧下で調製されました。

（ a のSEM画像 ）入金時および（ b ）アニールされたMnZnフェライト薄膜、（ c ）および（ d ）対応するAFM画像を表示する

スパッタされたMnZn薄膜の特性評価。 （ a ）XRDパターンと（ b ）350、450、550、650、および750°CでアニールされたMnZn薄膜のヒステリシスループ。飽和磁化（ Ms ）0.0Paから4.5Pa in（ c ）の圧力下でアニールしたときのMnZn薄膜の ）および温度は450〜700°C（ d ） ）

次に、同じ銅箔上で成長したグラフェンをMnZnフェライト薄膜に転写して、スキーム1に示す構造のGFETを作成しました。ここでは、100および150 WでスパッタされたMnZnフェライト薄膜を使用してGFETを製造し、上記のように最適な条件でアニールしました。 。図4a、bは、2つのGFETに印加されたゲート電圧の関数としてドレインとソースの間で測定された電流を示しています。測定中、ソースとドレイン間の印加電圧は1 Vで一定に保たれます。ゲート電圧が負に増加すると、電流は徐々に増加します。ゲート電圧が正にバイアスされている場合、電流は非常にゆっくりと変化します。 2つのGFETの非対称I-V特性は、ゲート領域とアクセス領域の間の接合部での熱イオン放出とバンド間トンネリングの結果である可能性があります[21]。図4a、bと比較して、100 WのスパッタMnZnフェライト薄膜のグラフェンの抵抗は、同じゲートバイアスでの150Wのスパッタ薄膜の抵抗よりもはるかに小さくなっています。図4bの抵抗が大きいのは、表1と比較して、150 WのスパッタMnZnフェライト薄膜の粗さが大きいためである可能性があります。グラフェン単分子層の粗さによって引き起こされる波形は、電荷キャリアの輸送を抑制し、抵抗を高くする可能性があります。 [22]。

IRの特性評価。 （ a ）および（ b ）I _sd -V _sg MnZnフェライト薄膜をそれぞれ100Wと150WでスパッタリングしたGFETの曲線。 （ c ）および（ d ）I _sd を比較します -V _sg IR照明下および照明なしの曲線。ソースとドレインの間に印加される電圧は、すべての曲線で1.0Vです

図4c、dは、それぞれ100Wと150WのスパッタMnZnフェライト薄膜を使用したGFETの暗環境と赤外線照明下でのI-V曲線の比較を示しています。赤外光の波長は915nm、出力は1 Wで、ウィンドウは約1 cm ² 。ソースとドレインの間に印加される電圧は1Vです。赤外線照明下でのGFETのI-V曲線は、暗い環境で測定されたものと類似していますが、電流が大幅に向上しています。誘電体層として100WのスパッタMnZnフェライト薄膜を使用したGFETの場合、150WのスパッタMnZnフェライト薄膜を使用した場合よりも強化がはるかに強力です。増強は、100WのスパッタされたMnZnフェライト薄膜の場合は10Vのゲート電圧で約7.5倍であり、150WのスパッタされたMnZnフェライト薄膜の場合は約2.5倍です。つまり、MnZnフェライト薄膜の表面粗さも赤外線オプトエレクトロニクス特性に影響を与える可能性があります。

次に、100 WのスパッタMnZnフェライト薄膜を備えたGFETを使用して、THz波の変調特性を調べました。図5aは、異なるゲートバイアスを適用した場合のGFETを介したTHz波の透過率を示しています。透過率は、THz-TDSシステムを使用したTHzパルスによって測定され、周波​​数領域の透過率は、ベースラインとして空気を使用したフーリエ変換によって取得されました。ゲート電圧を25Vから-25Vに変化させると、図4aに示すように、ソースとドレイン間の抵抗が減少します。抵抗が減少すると、図5aに示すように、テラヘルツ波の透過率が低下します。 。つまり、テラヘルツ波の透過は、GFETの異なるゲート電圧を印加することによって変調することができます。送信されたTHz波は、外部磁場が印加されたときにも測定されました。これを図5bに示します。外部磁場が増加すると、送信されるTHz波の強度が減少し、50Oeを超えると飽和します。外部磁場下でのテラヘルツ波の透過強度の変化は、グラフェンの磁気抵抗が非常に大きいことが原因である可能性があります[23]。下のMnZnフェライト薄膜は、外部磁場による磁化時に強いフリンジ磁場を提供します。グラフェン/ MnZnフェライト/ p-Siヘテロ接合の磁気抵抗は、補足情報の追加ファイル1：図S1に示されています。ただし、テラヘルツ波の変調は微妙（5％）です。これは、MnZnフェライト薄膜の表面が不均一であるか、抵抗によるテラヘルツ変調のわずかな変化が原因である可能性があります。グラフェンは、非常に滑らかなMnZnフェライト薄膜上ではるかに強く均一なフリンジフィールドを感じる可能性があります。これにより、グラフェンの磁気抵抗が大きくなり、外部磁場による変調深度が大きくなる可能性があります。

THzの特性評価。 （ a ）-25〜25 Vのさまざまなゲート電圧での0.2〜1.0 THzのTHz透過率のスペクトル、および（ b ）0.63〜0.70THzのさまざまな外部磁場下での周波数領域スペクトル

結論

グラフェン/ MnZnフェライト/ p-Siヘテロ構造は、IRおよびTHzデバイスアプリケーション用に製造されました。 MnZnフェライト薄膜はマグネトロンスパッタリングによってp-Si上に堆積され、GFET製造に使用される前にアニールされました。 MnZnフェライト薄膜は、GFETIRおよびTHzデバイスの代替誘電体材料を提供します。磁性と高抵抗の薄膜として、追加の挿入損失を導入することなく、グラフェンの磁気抵抗と透過テラヘルツの変調を強化できます。 MnZnフェライト薄膜の表面粗さは、IRおよびTHzデバイスの性能に大きく影響する可能性があります。 MnZnフェライト薄膜をより滑らかにすることで、より高い性能を実現できます。そのような作業は進行中です。