(PhysOrg.com) -- I ricercatori dell'Electro-Optics Center (EOC) di Penn State hanno dimostrato una tecnica che utilizza l'idrogeno per migliorare le prestazioni dei transistor sui dispositivi al grafene del mondo reale. In un articolo pubblicato il 1 agosto, 2011, edizione online di Nano lettere , i ricercatori hanno dimostrato un miglioramento di 3 volte nella mobilità degli elettroni del grafene epitassiale cresciuto sulla faccia di silicio di un wafer di carburo di silicio da 100 mm, così come un miglioramento simile nelle prestazioni dei transistor a radiofrequenza.

“Ci sono due facce in un wafer di carburo di silicio, ” spiega lo scienziato dei materiali dell'EdC Joshua Robinson. “Il grafene cresciuto sulla faccia in carbonio di solito ha una maggiore mobilità degli elettroni, ma questo perché sotto lo strato di grafene cresciuto sulla faccia di silicio c'è uno strato tampone ricco di carbonio legato al carburo di silicio che agisce per disperdere gli elettroni, riducendo così la loro mobilità. Se riesci a sbarazzarti del livello di buffer, gli elettroni andranno molto più veloci, il che significa che i tuoi dispositivi funzioneranno più velocemente. È anche più facile controllare lo spessore del grafene sulla faccia in silicio, che è fondamentale se si desidera realizzare dispositivi su scala wafer altamente uniformi. Questo è quello che siamo stati in grado di fare".

La carta, intitolato "Transistor epitassiali al grafene:miglioramento delle prestazioni tramite l'intercalazione dell'idrogeno, ” riporta una frequenza di taglio estrinseca di 24 GHz nelle prestazioni dei transistor, il più alto riportato finora in un dispositivo di grafene epitassiale del mondo reale, gli autori credono. (La frequenza di taglio estrinseca è una misura della velocità del dispositivo in condizioni operative, ed è tipicamente una frazione delle velocità intrinseche spesso riportate.) La tecnica di idrogenazione, che è stato sviluppato per la prima volta da un gruppo in Germania (Riedl, et al.; Fis. Rev. Lett. 2009, 103, 246804), implica trasformare lo strato tampone in un secondo, strato di grafene dello spessore di un atomo che fluttua liberamente, passivando i legami di carbonio penzolanti usando l'idrogeno. Ciò si traduce in due strati di grafene fluttuanti. ricercatori della Penn State, guidato da Joshua Robinson e David Snyder, hanno implementato una fase di processo aggiuntiva al loro processo di sintesi del grafene su scala wafer che converte completamente lo strato tampone in grafene. Con questa tecnica di idrogenazione, le strutture di prova del grafene epitassiale hanno mostrato un aumento del 200-300% della mobilità del portatore, da 700-900 cm ² /(V s) a una media di 2050 cm ² /(V s) in aria e 2375 cm ² /(V s) nel vuoto.

La squadra di Penn State, che include l'autore principale Robinson, David Snyder, Matteo Hollander, Michael La Bella, III, Kathleen A. Trumbull e Randy Cavalero, intendono utilizzare questa tecnica per migliorare le prestazioni dei transistor nei dispositivi a radiofrequenza. “La conduzione ambipolare del grafene permette di semplificare i circuiti, mentre la sua elevata mobilità e velocità degli elettroni fornisce un mezzo per arrivare al funzionamento in terahertz. Il problema è che la risposta in frequenza esemplare riportata fino ad oggi in letteratura non è la prestazione del mondo reale. L'idrogenazione e il ridimensionamento del dispositivo ci avvicinano molto alle vere prestazioni ad alta frequenza, ” Osserva Robinson.

In un secondo articolo nello stesso numero di Nano lettere , il gruppo riporta anche una nuova tecnica di semina dell'ossido mediante deposizione di strati atomici che hanno sviluppato per depositare materiali dielettrici su grafene epitassiale su scala di wafer. La loro tecnica ha portato a un aumento delle prestazioni di 2-3 volte rispetto ai metodi di semina più tradizionali. Gli autori ritengono che questi due progressi costituiscano i prossimi elementi costitutivi nella creazione di tecnologie valide basate sul grafene da utilizzare nelle applicazioni a radiofrequenza. La seconda carta, “Miglioramento delle prestazioni di trasporto e transistor con dielettrici di gate ad alto k di semi di ossido su grafene epitassiale su scala wafer, ” è stato scritto da Matthew J. Hollander, Michael La Bella, Zachary R. Hughes, Michael Zhu, Kathleen A. Trumbull, Randal Cavalero, David W. Snyder, Xiaojun Wang, Euichul Hwang, Suman Datta, e Joshua A. Robinson, tutto Penn State.