[论文解读] 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 4

一句话总结

这项理论研究探讨了界面陷阱和电子-空穴液滴如何影响石墨烯场效应晶体管中的量子电容和电导率。通过将自洽静电学和界面陷阱电容纳入解析模型，作者推导出电荷密度和量子电容随栅压变化的显式表达式，从而能够提取陷阱参数，并调和了不同样品间普遍量子电容数据的不一致之处。

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.

研究动机与目标

• 理解近界面绝缘层陷阱和电子-空穴液滴对门控石墨烯结构中小信号电容和电导的影响。
• 解决不同石墨烯样品中报告的普遍量子电容与费米能级关系的不一致问题。
• 建立一个理论框架，以在从门电容测量中提取物理参数时考虑界面陷阱电容。
• 解释不同石墨烯 FET 样品在输运测量中电阻率峰宽变化的实验观测结果。
• 分析界面陷阱和液滴对转移 I-V 特性及电导率的影响。

提出的方法

• 采用自洽静电模型来描述门控石墨烯结构中的电势分布。
• 将界面陷阱电容显式地纳入电荷平衡方程中。
• 推导出电荷载流子密度和量子电容作为栅压函数的解析表达式。
• 利用该模型从模拟或实验的电容-电压数据中提取界面陷阱电容和界面态密度。
• 分析电子-空穴液滴对电导率和电阻率峰形的影响。
• 将理论预测与实验观测进行比较，以验证该模型调和量子电容测量差异的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 界面陷阱如何影响石墨烯场效应晶体管中的量子电容和电荷密度？
• RQ2 界面陷阱电容在多大程度上可以解释不同石墨烯样品间报告的普遍量子电容曲线的差异？
• RQ3 电子-空穴液滴和界面陷阱如何共同影响转移 I-V 特性和电导率？
• RQ4 为何不同石墨烯样品在输运测量中表现出不同的电阻率峰宽？
• RQ5 能否使用所提出的模型从门电容测量中可靠地提取界面陷阱电容？

主要发现

• 在自洽模型中引入界面陷阱电容，解决了不同石墨烯样品间普遍量子电容与费米能级数据长期存在的不一致问题。
• 推导出电荷载流子密度和量子电容作为栅压函数的显式解析表达式，使得能够直接从电容测量中提取参数。
• 该模型成功地将不同样品间电阻率峰宽的变化解释为界面陷阱电容值不同的结果。
• 界面陷阱显著改变了有效电容和电导率，导致 I-V 和电导特性出现可测量的畸变。
• 电子-空穴液滴和界面陷阱共同影响输运行为，其综合效应可解释实验数据中的非理想性。
• 本研究证明，利用所提出的理论框架，可从门电容测量中定量提取界面陷阱密度和电容。