[論文レビュー] Low-noise top-gate graphene transistors

G. Liu, William Stillman+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2009

Graphene research and applications参考文献 20被引用数 101

ひとこと要約

本論文では、単層グラフェンチャネルとトップゲートの間に20 nmのHfO2誘電体層を有する低ノイズトップゲート型グラフェンフィールド効果トランジスタを提示する。実験結果は、1/fに近いフレッカーノイズスペクトル密度と2 × 10⁻³未満のフーヴェパラメータを示しており、これが極めて低い電子的ノイズを示しており、グラフェンベースのエレクトロニクスおよびセンサの性能向上に寄与する。

ABSTRACT

We report results of experimental investigation of the low-frequency noise in the top-gate graphene transistors. The back-gate graphene devices were modified via addition of the top gate separated by 20 nm of HfO2 from the single-layer graphene channels. The measurements revealed low flicker noise levels with the normalized noise spectral density close to 1/f (f is the frequency) and Hooge parameter below 2 x 10^-3. The analysis of the noise spectral density dependence on the top and bottom gate biases helped us to elucidate the noise sources in these devices and develop a strategy for the electronic noise reduction. The obtained results are important for all proposed graphene applications in electronics and sensors.

研究の動機と目的

• グラフェンフィールドエフェクトトランジスタにおける低周波数ノイズの調査と低減を目的とし、エレクトロニクス性能の向上を図ること。
• HfO2誘電体を有するトップゲート構造が単層グラフェンデバイスのノイズ特性に与える影響を評価すること。
• バイアス依存のノイズ測定を通じて、デュアルゲート型グラフェントランジスタにおける主なノイズ源を特定すること。
• グラフェンベースのエレクトロニクスおよびセンシングアプリケーションにおけるノイズ低減戦略の開発

提案手法

• トップゲートと単層グラフェンチャネルの間に20 nmのHfO2誘電体層を有するトップゲート型グラフェントランジスタの作製。
• トップゲートとバックゲートの両方を用いたデュアルゲート構造を採用し、キャリア密度を独立して制御し、ゲートバイアス依存のノイズ特性を調査。
• さまざまな周波数およびゲートバイアスの範囲で低周波数ノイズスペクトル密度を測定。
• ノイズデータをホーイズパラメータを用いて分析し、フレッカーノイズのレベルを定量化し、主なノイズメカニズムを同定。
• トップゲート型と従来のバックゲート型グラフェンデバイスのノイズ性能を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HfO2誘電体を有するトップゲートの導入が、グラフェントランジスタの低周波数ノイズにどのように影響するか？
• RQ2 デュアルゲート型グラフェンデバイスにおけるノイズスペクトル密度がトップゲートおよびバックゲートバイアスにどのように依存するか？
• RQ3 トップゲート型グラフェントランジスタにおける主なノイズ源は何か。また、それらはどのように低減できるか？
• RQ4 トップゲートエンジニアリングを用いることで、グラフェンFETにおけるホーイズパラメータはどの程度低減できるか？

主な発見

• トップゲート型グラフェントランジスタにおけるノーマライズドノイズスペクトル密度は1/fに従うことが確認され、低周波数フレッカーノイズが存在することが示された。
• ホーイズパラメータは2 × 10⁻³未満に測定され、これは従来の半導体で一般的に見られる値と比較して顕著に低い値であった。
• ノイズレベルがトップゲートおよびバックゲートバイアスに強く依存することが判明し、キャリア密度と界面品質がノイズ生成において重要な役割を果たしていることが示された。
• トップゲート構造はノイズを効果的に抑制しており、界面品質の向上とトラップ補助散乱の低減が示唆された。
• 本結果は、トップゲート型グラフェントランジスタが高感度エレクトロニクスおよびセンサ応用に適したノイズ性能を達成できることを示している。