(PhysOrg.com) - En teknik som använder väte för att förbättra transistorprestanda på verkliga grafenenheter har demonstrerats på wafer-skalan av forskare i Penn State's Electro-Optics Center (EOC). I en tidning publicerad den 1 augusti, 2011, onlineupplaga av Nanobokstäver , forskarna visade en 3x förbättring av elektronrörligheten för epitaxiell grafen odlad på kiselytan av en 100 mm kiselkarbidskiva, samt en liknande förbättring i radiofrekvenstransistorprestanda.

"Det finns två ytor på en kiselkarbidskiva, ” förklarar EOC-materialforskaren Joshua Robinson. "Grafen som odlas på kolytan har vanligtvis högre elektronrörlighet, men det beror på att under grafenskiktet som växer på kiselytan finns ett kolrikt buffertskikt bundet till kiselkarbiden som verkar för att sprida elektroner, vilket minskar deras rörlighet. Om du kan bli av med buffertlagret, elektronerna kommer att gå mycket snabbare, vilket innebär att dina enheter kommer att fungera snabbare. Det är också lättare att kontrollera tjockleken på grafenet på kiselytan, vilket är avgörande om du vill göra mycket enhetliga enheter i wafer-skala. Det är vad vi har kunnat göra."

Pappret, med titeln "Epitaxial Graphene Transistors:Enhancing Performance via Hydrogen Intercalation, ” rapporterar en yttre gränsfrekvens på 24 GHz i transistorprestanda, den högsta rapporterade hittills i en verklig epitaxiell grafenenhet, tror författarna. (Extrinsic cut-off frekvens är ett mått på enhetens hastighet under driftsförhållanden, och är vanligtvis en bråkdel av de inre hastigheterna som ofta rapporteras.) Hydreringstekniken, som först utvecklades av en grupp i Tyskland (Riedl, et al.; Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 246804), innebär att förvandla buffertlagret till ett andra, fritt flytande ett-atomtjockt lager av grafen genom att passivera hängande kolbindningar med väte. Detta resulterar i två fritt flytande lager av grafen. Penn State forskare, ledd av Joshua Robinson och David Snyder, har implementerat ett ytterligare processsteg till sin grafensyntesprocess i wafer-skala som helt omvandlar buffertskiktet till grafen. Med denna hydreringsteknik, de epitaxiella grafenteststrukturerna visade en 200-300% ökning av bärarrörlighet, från 700-900 cm ² /(V s) till ett genomsnitt av 2050 cm ² /(V s) i luft och 2375 cm ² /(Vs) i vakuum.

Penn State-laget, som inkluderar huvudförfattaren Robinson, David Snyder, Matthew Hollander, Michael LaBella, III, Kathleen A. Trumbull och Randy Cavalero, avser att använda denna teknik för att förbättra transistorprestanda i radiofrekvensenheter. "Graphenes ambipolära ledning gör att du kan förenkla kretsar, medan dess höga rörlighet och elektronhastighet ger ett sätt att komma till terahertz-drift. Problemet är att det exemplariska frekvenssvaret som hittills rapporterats i litteraturen inte är den verkliga prestandan. Hydrogenering och enhetsskalning tar oss mycket närmare äkta högfrekvensprestanda, ” kommenterar Robinson.

I en andra tidning i samma nummer av Nanobokstäver , gruppen rapporterar också om en ny oxidsåddsteknik genom atomlageravsättning som de utvecklade för att deponera dielektriska material på epitaxial grafen i wafer-skala. Deras teknik resulterade i en prestandaökning på 2-3 gånger jämfört med mer traditionella såningsmetoder. Författarna tror att dessa två framsteg utgör nästa byggstenar för att skapa livskraftiga grafenbaserade teknologier för användning i radiofrekvensapplikationer. Den andra tidningen, "Förbättrad transport- och transistorprestanda med oxidfröad High-k Gate Dielectrics på wafer-scale epitaxial grafene, ” var medförfattare av Matthew J. Hollander, Michael LaBella, Zachary R. Hughes, Michael Zhu, Kathleen A. Trumbull, Randal Cavalero, David W. Snyder, Xiaojun Wang, Euichul Hwang, Suman Datta, och Joshua A. Robinson, hela Penn State.