石墨烯霍爾效應(yīng)磁場傳感器(GHSs)具有與最先進的III-V半導(dǎo)體制成的商用霍爾傳感器相當(dāng)?shù)母咝阅?。石墨烯也適用于CMOS兼容的制造工藝，使GHSs成為生物傳感和掃描探針應(yīng)用中成像領(lǐng)域的磁性傳感器陣列的有吸引力的候選者。然而，它們的實際吸引力受到響應(yīng)異質(zhì)性和漂移的限制，這是由二維(2D)材料對局部器件缺陷的高靈敏度引起的。為了解決這一挑戰(zhàn)，本研究設(shè)計了一個GHS陣列，其中每個GHS都添加了一個單獨的后門，允許每個傳感器的載波密度獨立于陣列中的其他傳感器進行靜電調(diào)諧。與使用相同后門對所有設(shè)備進行調(diào)優(yōu)時遇到的限制相比，我們期望單個調(diào)優(yōu)所提供的靈活性將允許陣列的靈敏度、均勻性和可重構(gòu)性得到增強。本研究制作了16個GHS陣列，每個都有自己的后門終端，并表征了在CMOS兼容電壓范圍內(nèi)調(diào)制GHS載流子密度和霍爾靈敏度的能力。然后，本研究證明了單個設(shè)備調(diào)諧可以用來打破GHS陣列中設(shè)備靈敏度和均勻性之間的權(quán)衡，從而增強這兩個目標(biāo)。研究結(jié)果表明，在單后門操作下，GHS陣列表現(xiàn)出>30%的可變性，可以通過單獨調(diào)優(yōu)來補償，使其在對陣列靈敏度影響最小的情況下達(dá)到<2%的可變性。
圖1. 可調(diào)諧石墨烯霍爾傳感器(GHSs)的概念與設(shè)計。(A)石墨烯霍爾傳感器中典型的非均質(zhì)源示意圖。(B)在氧化硅襯底上實現(xiàn)傳統(tǒng)GHS的原理圖。局部非理想性導(dǎo)致器件之間性能的變化(由霍爾系數(shù)RH量化)。均勻性可以通過調(diào)整施加在基板上的柵極電壓來改善，但要犧牲性能。(C)所設(shè)計的GHS調(diào)諧機構(gòu)原理圖，其中每個器件都用一個局部絕緣的后門終端制造，減輕了均勻性和性能之間的權(quán)衡。(D)石墨烯集成后16個傳感器陣列的光學(xué)顯微照片。用于傳輸長度測量的測試結(jié)構(gòu)由虛線框表示。(E)單個GHS的偽彩色掃描電鏡(SEM)圖像。(F) GHS的拉曼圖，顯示了濾波和基線減除后2D峰(位于2680 cm
-1附近)和G峰(位于1580cm
-1附近)的振幅之比。沒有顯著峰的區(qū)域用白色陰影表示。
圖2. GHS性能和調(diào)優(yōu)特性。(A)偏置電壓變化時，偏置電流與后門電壓的關(guān)系。(B)同時測量偏置電流(藍(lán)色)和霍爾電壓(綠色)，以增加后門電壓。(C)增加(藍(lán)色)和減少(綠色)后門電壓時測量的霍爾系數(shù)RH。(D)變化偏置電壓下可達(dá)到的最大霍爾系數(shù)(藍(lán)色)和霍爾電壓(綠色)。(E)初始霍爾系數(shù)調(diào)諧曲線與環(huán)境條件下42天后測量的霍爾系數(shù)調(diào)諧曲線的比較。在室溫環(huán)境條件下，同一傳感器的所有測量值。誤差條表示兩次重復(fù)掃描的標(biāo)準(zhǔn)誤差。
圖3. GHS性能的變化。(A) N = 12個傳感器的偏置電流調(diào)諧曲線疊加在單個芯片上(排除4個無響應(yīng)傳感器)。每條曲線歸一化到它的最大值。(B) 12個傳感器霍爾系數(shù)調(diào)諧曲線在單個芯片上的疊加。(C)圖3B中的霍爾系數(shù)在對應(yīng)于“最佳CV”(最低變異系數(shù))、“最差CV”(最高變異系數(shù))、“最佳傳感器”(組中表現(xiàn)最佳的傳感器的最大值)和“最佳平均值”(最大平均霍爾系數(shù))的VBG值處繪制。(D, E)使用“最佳平均”條件。(D)制造后和在環(huán)境條件下42天后測量的霍爾系數(shù)分布的比較。(E) 4個獨立芯片上霍爾系數(shù)分布的比較。
圖4. 最大化GHS響應(yīng)和補償變異性與后門調(diào)諧。(A)為同一芯片上的所有傳感器選擇工作點以使霍爾靈敏度最大化。(B)單個后門電壓(左)與單獨調(diào)諧每個器件以最大化靈敏度(右)的可實現(xiàn)霍爾靈敏度分布的比較。(C)調(diào)整器件以使靈敏度最大化后陣列范圍內(nèi)平均霍爾靈敏度和變異系數(shù)的變化。(D)為同一芯片上的所有傳感器選擇工作點，以最大限度地提高均勻性。此條件下的限敏裝置用黑色表示。(E)單個后門電壓(左)與單獨調(diào)諧每個器件以最大化均勻性(右)的霍爾靈敏度分布的比較。(F)調(diào)整器件以使均勻性最大化后陣列范圍內(nèi)平均霍爾靈敏度和變異系數(shù)的變化。
相關(guān)研究成果由的賓夕法尼亞大學(xué)
Firooz Aflatouni和
David A. Issadore課題組 2024年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c03288)上。原文：
Mitigation of Device Heterogeneity in Graphene Hall Sensor Arrays Using Per-Element Backgate Tuning
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
