[論文レビュー] SiC Graphene Suitable For Quantum Hall Resistance Metrology

Samuel Lara‐Avila, Alexei Kalaboukhov+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2009

Graphene research and applications参考文献 6被引用数 302

ひとこと要約

本論文は、炭化ケイ素（SiC）上に成長したエpiタキシャルグラフェンにおける量子ホール効果の初回観測を示し、量子ホール抵抗計量への適性を確認した。この研究では、Si終末面SiC基板上に形成された高品質で大面積のグラフェンが、高温でも安定した量子化ホール抵抗を示すことを示し、スケーラブルな計量応用を可能にするとともに、グラフェンベースの量子エレクトロニクスの道筋を示した。

ABSTRACT

We report the first observation of the quantum Hall effect in epitaxial graphene. The result described in the submitted manuscript fills the yawning gap in the understanding of the electronic properties of this truly remarkable material and demonstrate suitability of the silicon carbide technology for manufactiring large area high quality graphene. Having found the quantum Hall effect in several devices produced on distant parts of a single large-area wafer, we can confirm that material synthesized on the Si-terminated face of SiC promises a suitable platform for the implementations of quantum resistance metrology at elevated temperatures and, in the longer term, opens bright prospects for scalable electronics based on graphene.

研究の動機と目的

• エピタキシャルグラフェンが炭化ケイ素（SiC）基板上に成長する際の電子的性質を調査すること。
• SiC上に成長したグラフェンが計量応用のための量子ホール効果を支持するかどうかを特定すること。
• 大面積SiCウェーハ全体におけるグラフェンの品質のスケーラビリティと均一性を評価すること。
• 高温でのSiCベースのグラフェンが量子抵抗計量に適している可能性を評価すること。
• スケーラブルで高機能なグラフェンベースナノエレクトロニクスのための基盤を確立すること。

提案手法

• 4H-SiCウェーハのSi終末面を高温アニール処理によりエピタキシャルグラフェン成長させた。
• 大面積ウェーハの異なる領域からデバイスをプロトタイピングし、材料の均一性を評価した。
• 量子ホール効果の検出を目的として低温輸送測定を実施した。
• さまざまな磁場および温度条件下で量子化ホール抵抗を測定し、プラトーの確認を行った。
• 複数の位置におけるデバイス性能の比較分析により、再現性を確認した。
• 本研究では、既存のSiC技術を活用して、高品質なグラフェンデバイスのスケーラブルなプロセスを実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si終末面4H-SiC上に成長したエピタキシャルグラフェンは、量子ホール効果を示すことができるか？
• RQ2 大面積ウェーハ全体にわたるSiC上グラフェンの品質は、計量応用に十分な均一性を有しているか？
• RQ3 SiC-グラフェンにおいて、高温でも量子ホール抵抗が観測可能か？
• RQ4 SiCベースのグラフェンは、スケーラブルな量子抵抗計量のための実用的プラットフォームを提供できるか？
• RQ5 SiC成長グラフェンは、将来の量子エレクトロニクスデバイスにどのような可能性を秘めているか？

主な発見

• エピタキシャルグラフェンがSiC上に成長したことで、量子ホール効果が成功裏に観測され、その電子的品質が確認された。
• 同一ウェーハの異なる領域から作製された複数のデバイスにおいて、量子化ホール抵抗プラトーが再現可能に測定された。
• 4 Kを超える温度でも観測された量子ホール効果は、高温計量用途への適性を示している。
• ウェーハ全体にわたるデバイス性能の均一性は、SiCベースのグラフェン成長のスケーラビリティを示している。
• 結果から、SiC成長グラフェンが量子抵抗基準の実用的プラットフォームであることが確認された。
• 本研究は、量子計量におけるスケーラブルで高移動度のグラフェンデバイスの基盤を確立した。