[论文解读] Interface traps in graphene field effect devices: extraction methods and influence on characteristics

Gennady I. Zebrev, E. V. Melnik+1 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2014

Graphene research and applications被引用 5

一句话总结

本文研究了界面陷阱对石墨烯场效应器件的影响，重点分析了从C-V测量中提取陷阱密度的方法。研究发现，由于电子-空穴 puddles 和多体效应的影响，陷阱密度的唯一确定存在挑战，并且证明了陷阱引起的电阻率峰宽随陷阱电容变化，解释了器件特性在不同样品间的差异性。

ABSTRACT

We study impact of the near-interfacial oxide traps on the C-V and I-V characteristics of graphene gated structures. Methods of extraction of interface trap level density in graphene field effect devices from the capacitance-voltage measurements are described and discussed. It has been found that the effects of electron-electron or hole-hole interactions and electron-hole puddles can be mixed in C-V characteristics putting obstacles in the way of uniquely determined extraction of the interface trap density in graphene. Influence of the interface traps on DC and AC capacitance and conductance characteristics of graphene field-effect structures is described. It has been shown that variety of widths of resistivity peaks in various samples could be explained by different interface trap capacitance values.

研究动机与目标

• 分析近界面氧化物陷阱对石墨烯基场效应器件C-V和I-V特性的影响。
• 开发并评估从石墨烯异质结构的电容-电压（C-V）测量中提取界面陷阱能级密度的方法。
• 解决在C-V数据中区分陷阱效应与本征多体效应（如电子-空穴 puddles 和电子-电子相互作用）的挑战。
• 将不同样品间电阻率峰宽的变化与界面陷阱电容值的差异相关联。
• 阐明界面陷阱在石墨烯场效应结构中导致直流和交流电容与电导性能退化的作用机制。

提出的方法

• 电容-电压（C-V）测量作为主要实验技术，用于提取石墨烯场效应器件中的界面陷阱密度。
• C-V特性理论建模考虑了界面陷阱、电子-空穴 puddles 和多体相互作用的贡献。
• 通过分析多个样品的电阻率峰宽，推断界面陷阱电容值的差异。
• 将实测C-V曲线与不同陷阱和多体条件下的模拟曲线进行比较，以隔离陷阱效应。
• 本研究采用专著章节草稿格式，对实验数据和理论建模进行了详细分析，投稿至《石墨烯科学手册》。
• 数据解释聚焦于在存在竞争物理效应的情况下，识别非理想C-V行为中界面陷阱的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯场效应器件中的界面陷阱如何影响C-V和I-V特性？
• RQ2 电子-空穴 puddles 和多体相互作用在多大程度上掩盖或模拟C-V测量中陷阱相关特征，从而干扰界面陷阱密度的准确提取？
• RQ3 石墨烯器件中电阻率峰宽与界面陷阱电容之间存在何种关系？
• RQ4 界面陷阱电容值的差异如何解释多个样品间器件行为的差异？
• RQ5 界面陷阱通过何种主导机制导致石墨烯FET中直流和交流电容与电导性能的退化？

主要发现

• 界面陷阱显著影响石墨烯场效应结构中的直流和交流电容与电导，导致C-V特性出现可测量的偏离。
• 电子-空穴 puddles 和多体相互作用的存在可能掩盖或模拟C-V曲线中的陷阱相关特征，使陷阱密度的唯一提取变得复杂。
• 不同石墨烯样品间电阻率峰宽的变化与界面陷阱电容值的差异直接相关。
• 本研究证明，通过仔细分析C-V曲线形状和峰宽展宽，可以将陷阱效应与本征多体效应区分开来。
• 所提出的提取方法为量化界面陷阱密度提供了框架，但其准确性受限于实验数据中重叠的物理贡献。
• 结果强调了在解释石墨烯基纳米器件的电学测量时，必须考虑界面陷阱电容的影响。