[論文レビュー] Influence of Interface Traps and Electron-Hole Puddles on Quantum Capacitance and Conductivity in Graphene Field-Effect Transistors

Gennady I. Zebrev, Evgeny V. Melnik+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2010

Graphene research and applications参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本理論的研究では、界面準位および電子・ホールプールがグラフェンフィールド効果トランジスタにおける量子容量および電導度に与える影響を調査する。自己整合的電気的状態および界面準位の容量を解析的モデルに組み込むことで、ゲート電圧に対する電荷密度および量子容量の明示的表現が導出され、実験的データの不一致を解消するための準位パラメータの抽出が可能になる。

ABSTRACT

We study theoretically an influence of the near-interfacial insulator traps and electron-hole puddles on the small-signal capacitance and conductance characteristics of the gated graphene structures. Based on the self-consistent electrostatic consideration and taking into account the interface trap capacitance the explicit analytic expressions for charge carrier density and the quantum capacitance as functions of the gate voltage were obtained. This allows to extract the interface trap capacitance and density of interface states from the gate capacitance measurements. It has shown that self-consistent account of the interface trap capacitance enables to reconcile discrepancies in universal quantum capacitance vs the Fermi energy extracted for different samples. The electron-hole puddles and the interface traps impact on transfer I-V characteristics and conductivity has been investigated. It has been shown that variety of widths of resistivity peaks in various samples could be explained by different interface trap capacitance values.

研究の動機と目的

• ゲート付きグラフェン構造における小信号容量および電導度に及ぼす近接界面絶縁体準位および電子・ホールプールの影響を理解すること。
• 異なるグラフェンサンプル間で報告された普遍的量子容量とフェルミエネルギーの関係に生じる不一致を解消すること。
• ゲート容量測定から物理的パラメータを抽出する際に界面準位容量を考慮する理論的枠組みを構築すること。
• 異なるグラフェンFETサンプルで観測される抵抗率ピーク幅の変動を説明すること。
• 界面準位およびプールがトランスファ特性I-Vおよび電導度に与える影響を分析すること。

提案手法

• ゲート付きグラフェン構造内のポテンシャル分布を記述するための自己整合的電気的モデルを採用する。
• 界面準位の容量を電荷バランス方程式に明示的に組み込む。
• ゲート電圧関数としてのキャリア密度および量子容量の解析的表現を導出する。
• モデルを用いて、シミュレーションまたは実験的容量-電圧データから界面準位容量および界面状態密度を抽出する。
• 電子・ホールプールが電導度および抵抗率ピークの形状に与える影響を分析する。
• 理論的予測と実験的観測を比較し、本モデルが量子容量測定の不一致を解消する能力を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 界面準位は、グラフェンフィールド効果トランジスタにおける量子容量および電荷密度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 界面準位容量は、異なるグラフェンサンプル間で報告された普遍的量子容量曲線の不一致をどの程度説明できるか？
• RQ3 電子・ホールプールおよび界面準位は、トランスファI-V特性および電導度にどのように共同で影響を与えるか？
• RQ4 なぜ異なるグラフェンサンプルでは、輸送測定における抵抗率ピーク幅にばらつきが生じるのか？
• RQ5 提案されたモデルを用いることで、ゲート容量測定から界面準位容量を信頼性高く抽出できるか？

主な発見

• 自己整合的モデルに界面準位容量を組み込むことで、異なるグラフェンサンプル間で長年の不一致を示していたフェルミエネルギーに対する普遍的量子容量データの不整合が解消された。
• ゲート電圧関数としてのキャリア密度および量子容量の明示的解析的表現が導出され、容量測定からの直接的パラメータ抽出が可能になった。
• 本モデルは、異なるサンプル間での抵抗率ピーク幅のばらつきを、異なる界面準位容量値の関数としてうまく説明できた。
• 界面準位は有効容量および電導度を顕著に変化させ、I-Vおよび電導度特性に測定可能な歪みを引き起こす。
• 電子・ホールプールおよび界面準位は共同で輸送挙動に影響を与え、それらの組合せ効果が実験データの非理想性を説明できた。
• 本研究では、提案された理論的枠組みを用いることで、界面準位密度および容量をゲート容量測定から定量的に抽出できることを示した。