石墨烯霍爾效應磁場傳感器(GHSs)具有與最先進的III-V半導體制成的商用霍爾傳感器相當的高性能。石墨烯也適用于CMOS兼容的制造工藝，使GHSs成為生物傳感和掃描探針應用中成像領域的磁性傳感器陣列的有吸引力的候選者。然而，它們的實際吸引力受到響應異質性和漂移的限制，這是由二維(2D)材料對局部器件缺陷的高靈敏度引起的。為了解決這一挑戰，本研究設計了一個GHS陣列，其中每個GHS都添加了一個單獨的后門，允許每個傳感器的載波密度獨立于陣列中的其他傳感器進行靜電調諧。與使用相同后門對所有設備進行調優時遇到的限制相比，我們期望單個調優所提供的靈活性將允許陣列的靈敏度、均勻性和可重構性得到增強。本研究制作了16個GHS陣列，每個都有自己的后門終端，并表征了在CMOS兼容電壓范圍內調制GHS載流子密度和霍爾靈敏度的能力。然后，本研究證明了單個設備調諧可以用來打破GHS陣列中設備靈敏度和均勻性之間的權衡，從而增強這兩個目標。研究結果表明，在單后門操作下，GHS陣列表現出>30%的可變性，可以通過單獨調優來補償，使其在對陣列靈敏度影響最小的情況下達到<2%的可變性。
圖1. 可調諧石墨烯霍爾傳感器(GHSs)的概念與設計。(A)石墨烯霍爾傳感器中典型的非均質源示意圖。(B)在氧化硅襯底上實現傳統GHS的原理圖。局部非理想性導致器件之間性能的變化(由霍爾系數RH量化)。均勻性可以通過調整施加在基板上的柵極電壓來改善，但要犧牲性能。(C)所設計的GHS調諧機構原理圖，其中每個器件都用一個局部絕緣的后門終端制造，減輕了均勻性和性能之間的權衡。(D)石墨烯集成后16個傳感器陣列的光學顯微照片。用于傳輸長度測量的測試結構由虛線框表示。(E)單個GHS的偽彩色掃描電鏡(SEM)圖像。(F) GHS的拉曼圖，顯示了濾波和基線減除后2D峰(位于2680 cm
-1附近)和G峰(位于1580cm
-1附近)的振幅之比。沒有顯著峰的區域用白色陰影表示。
圖2. GHS性能和調優特性。(A)偏置電壓變化時，偏置電流與后門電壓的關系。(B)同時測量偏置電流(藍色)和霍爾電壓(綠色)，以增加后門電壓。(C)增加(藍色)和減少(綠色)后門電壓時測量的霍爾系數RH。(D)變化偏置電壓下可達到的最大霍爾系數(藍色)和霍爾電壓(綠色)。(E)初始霍爾系數調諧曲線與環境條件下42天后測量的霍爾系數調諧曲線的比較。在室溫環境條件下，同一傳感器的所有測量值。誤差條表示兩次重復掃描的標準誤差。
圖3. GHS性能的變化。(A) N = 12個傳感器的偏置電流調諧曲線疊加在單個芯片上(排除4個無響應傳感器)。每條曲線歸一化到它的最大值。(B) 12個傳感器霍爾系數調諧曲線在單個芯片上的疊加。(C)圖3B中的霍爾系數在對應于“最佳CV”(最低變異系數)、“最差CV”(最高變異系數)、“最佳傳感器”(組中表現最佳的傳感器的最大值)和“最佳平均值”(最大平均霍爾系數)的VBG值處繪制。(D, E)使用“最佳平均”條件。(D)制造后和在環境條件下42天后測量的霍爾系數分布的比較。(E) 4個獨立芯片上霍爾系數分布的比較。
圖4. 最大化GHS響應和補償變異性與后門調諧。(A)為同一芯片上的所有傳感器選擇工作點以使霍爾靈敏度最大化。(B)單個后門電壓(左)與單獨調諧每個器件以最大化靈敏度(右)的可實現霍爾靈敏度分布的比較。(C)調整器件以使靈敏度最大化后陣列范圍內平均霍爾靈敏度和變異系數的變化。(D)為同一芯片上的所有傳感器選擇工作點，以最大限度地提高均勻性。此條件下的限敏裝置用黑色表示。(E)單個后門電壓(左)與單獨調諧每個器件以最大化均勻性(右)的霍爾靈敏度分布的比較。(F)調整器件以使均勻性最大化后陣列范圍內平均霍爾靈敏度和變異系數的變化。
相關研究成果由的賓夕法尼亞大學
Firooz Aflatouni和
David A. Issadore課題組 2024年發表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.4c03288)上。原文：
Mitigation of Device Heterogeneity in Graphene Hall Sensor Arrays Using Per-Element Backgate Tuning
轉自《石墨烯研究》公眾號
