Propriétés infrarouges et modulation des ondes térahertz des hétérojonctions graphène/ferrite MnZn/p-Si

Contexte

Les dispositifs infrarouges (IR) et térahertz (THz) sont très importants pour de nombreux systèmes électroniques tels que les radars [1], les communications sans fil [2] et les systèmes de sécurité [3]. Il est donc essentiel d'explorer les matériaux [4,5,6,7] et les structures [8,9,10,11,12,13,14] qui peuvent être utilisés dans la gamme infrarouge et térahertz. Récemment, il a été découvert que la transmission de l'onde THz peut être modulée avec un transistor à effet de champ au graphène (GFET) en ajustant les transitions intrabandes de la monocouche de graphène [8]. Dans leur modulateur GFET THz d'origine, B. Sensale-Rodeiguez et ses collègues utilisent 92 nm SiO₂ comme matériau diélectrique de grille, qui a atteint une profondeur de modulation de 15 % et une vitesse de modulation de 18 Kb/s de l'onde THz [8]. D. Zhang et ses collègues ont étudié la modulation optique THz du graphène/SiO₂ (150 nm)/p-Si GFET, qui peut être réglé par la tension de grille [15].

Plus tard, il a été constaté que la modulation d'onde THz du GFET pouvait être améliorée en remplaçant le diélectrique de grille par un Al₂ dense et élevé. O₃ film mince, qui est développé par dépôt de couche atomique [16]. Une profondeur de modulation de 22 % et une vitesse de 170 kHz ont été obtenues dans le graphène/Al₂ O₃ (60 nm)/p-Si GFET en faisant varier la tension de grille [16]. L'amélioration de la modulation est attribuée à la diffusion réduite des impuretés de Coulomb et à l'effet de cavité [16]. De plus, en utilisant du YIG bi-dopé (k ~12,0) comme matériaux diélectriques dans l'hétérostructure graphène/Bi:YIG (50 nm)/p-Si, une profondeur de modulation de 15 % et une vitesse de 200 kHz ont été obtenues de 0,1 à 1,2 THz. en appliquant la tension de grille [17].

Selon des études antérieures, la couche diélectrique peut largement affecter les performances du GFET utilisé pour les dispositifs à ondes THz et infrarouges. En tamisant soigneusement les matériaux diélectriques, il est possible d'ajuster les performances du GFET. Dans des études antérieures, des couches diélectriques non magnétiques à k élevé ont été utilisées pour les dispositifs térahertz et infrarouges GFET, où le signal électrique est extrait ou appliqué. Cependant, les couches magnétiques et diélectriques bifonctionnelles n'ont pas été étudiées pour le GFET pour les applications térahertz et infrarouge, qui pourraient être réglées par un champ magnétique externe. Ici, nous présentons des films minces de ferrite MnZn pulvérisés à 150 nm comme matériaux diélectriques du GFET pour les applications THz et infrarouge. En tant que matériaux magnétiques à k élevé [18], les films minces de ferrite de MnZn pourraient constituer une excellente couche diélectrique et introduire également de nouvelles fonctionnalités dans les dispositifs GFET THz et infrarouges. La réponse du GFET graphène/ferrite MnZn/p-Si à l'éclairage infrarouge a été observée en comparant les courbes I-V avec et sans éclairage infrarouge à différents biais de grille. Pendant ce temps, la modulation électrique de l'onde THz a été réalisée par le GFET lorsque la tension de grille variait. Un changement subtil de l'onde THz transmise a également été observé lorsque le champ magnétique externe était varié.

Méthodes

Mn_1-x Zn_x Fe₂ O₄ des films minces ont été préparés par pulvérisation cathodique magnétron RF. Le matériau cible a été produit par co-précipitation de Fe(NO₄ )₃ , Mn(NON₄ )₃ , et Zn(NON₄ )₂ solution, qui est calcinée à 950-1000 °C pendant 2 h, puis pressée dans un disque de 60 mm, et enfin frittée à 1250 °C pendant 3,5 h. Les films ont été déposés sur (100) substrats p-Si à 200-300 °C sous une pression de base de 4 × 10 ⁻⁴ Pa et concentration en oxygène de 0 à 25 % (P_O2 /(P_O2 + P_Ar )). Le film (150 nm) a été recuit sous vide entre 400 et 700 °C sous une pression de 0,08 Pa à 5,0 Pa pendant 1,5 h.

Les structures cristallines de Mn_1-x Zn_x Fe₂ O₄ les films minces ont été caractérisés par diffraction des rayons X Cu Kα (XRD, D/max 2400 X Series diffractometer, Tokyo, Japon) à 40 kV et 100 mA. Les microstructures du Mn_1-x Zn_x Fe₂ O₄ des couches minces ont été étudiées à l'aide d'un microscope électronique à balayage (SEM :JOEL JSM6490LV). La rugosité moyenne arithmétique de surface (Ra) et la rugosité quadratique moyenne (RMS) ont été mesurées par un microscope à force atomique (AFM :Veeco Mutimode Nano4). L'induction de saturation a été testée par un analyseur Iwatsu BH (SY8232). Les propriétés magnétiques des films ont été mesurées par un magnétomètre à échantillon vibrant (VSM, MODÈLE :BHV-525).

Après optimisation des conditions de croissance de Mn_1-x Zn_x Fe₂ O₄ films minces sur p-Si, des monocouches de graphène ont ensuite été transférées d'une feuille de cuivre sur le Mn_1-x Zn_x Fe₂ O₄ des couches minces pour former des hétérostructures graphène/ferrite MnZn/p-Si. Le graphène a été fabriqué par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) dans un four tubulaire [19]. La méthode de transfert de monocouche de graphène a été adaptée de la référence [20]. Pour fabriquer le GFET, l'électrode de grille, source et drain a été déposée par évaporation d'or. La structure du GFET utilisant la ferrite MnZn comme matériau diélectrique de grille est illustrée dans le schéma 1. Le GFET a ensuite été caractérisé par un analyseur de paramètres à semi-conducteur (Agilent 4155B) avec une station de sonde (SUMMIT 1100B-M). Pour la caractérisation IR, les courbes I-V ont été mesurées sous l'éclairage IR (λ = 915 nm, P = 1 W), qui a été comparé à celui dans l'environnement sombre. La transmission des ondes térahertz a été mesurée par un système de domaine temporel THz (TDS) lors de l'application d'une tension de grille et/ou d'un champ magnétique externe. Le champ magnétique externe est généré par une bobine de cuivre artisanale.

Le GFET utilisant un film mince de ferrite MnZn 150 nm comme matériau diélectrique de grille

Résultats et discussion

La figure 1 montre les modèles XRD du Mn_1-x Zn_x Fe₂ O₄ des couches minces de ferrites sur des substrats p-Si (100) pulvérisés sous des puissances RF de 100, 120, 140, 160 et 180 W, respectivement. La structure spinelle des films minces de ferrite de MnZn a été obtenue sous différentes puissances de pulvérisation. Le pic de diffraction (311) est le plus fort, indiquant la meilleure cristallinité à une puissance de dépôt de 160 W. Le tableau 1 montre la rugosité moyenne arithmétique de surface (Ra) et la rugosité quadratique moyenne (RMS), ainsi que la longueur et la largeur des grains maximum de les films de ferrite sur les substrats en p-Si (100). Comme le montre le tableau 1, la rugosité de surface (Ra et RMS) des films minces de ferrite MnZn augmente avec la puissance RF. Cependant, une puissance RF très faible affectera la formation de films minces de ferrite MnZn. La rugosité des couches minces de ferrite MnZn affecterait les performances des dispositifs GFET IR et THz, dont nous parlerons plus tard.

Modèles XRD d'échantillons sur substrat p-Si(100) et pulvérisés sous différentes puissances de pulvérisation magnétron RF 100, 120, 140, 160 et 180 W

Les images SEM et AFM des films minces de ferrite de MnZn sur des substrats p-Si sont présentées sur la figure 2. Les grains de films minces de ferrite de MnZn ont pu être clairement observés. Après recuit, la taille des grains augmente comme le montrent les figures 2b, d. La figure 3a montre les motifs XRD des films minces de ferrite MnZn recuits à différentes températures. Le pic (311) du film mince de ferrite MnZn est le plus fort lorsque le film est recuit à 550 °C. Les boucles d'hystérésis magnétique de ces couches minces ont également été mesurées par VSM à température ambiante et sont représentées sur la figure 3b, d'où l'aimantation à saturation (Ms ) et la coercivité magnétique (Hc ) on obtient. La figure 3c montre le Ms et Hc des films minces de ferrite de MnZn recuits sous la pression d'azote gazeux jusqu'à 4 Pa. En dessous de 3 Pa, la Ms la plus élevée et le plus bas Hc sont obtenus à 0,5 Pa. Au-dessus de 3 Pa, le Ms diminue considérablement, ce qui pourrait être dû à la réaction entre l'azote gazeux et le film mince. La figure 3d montre Ms et Hc du film mince de ferrite en fonction de la température de recuit à une pression d'azote de 1,5 Pa. La Ms (Hc ) la valeur des couches minces de MnZn atteint la valeur maximale (minimale) de 330 kA/m (1600 A/m = 20 Oe) à 550 °C. Le maximum de Ms et le Hc minimum correspondant à la meilleure cristallinité des films minces de MnZn, ce qui est cohérent avec les données XRD de la figure 3a. À une température et une pression de gaz plus élevées, les atomes de surface du film mince ont été nitrurés en impuretés, ce qui détériore les propriétés magnétiques du film mince de ferrite MnZn. En conséquence, les films minces de MnZn ont été préparés à une température de recuit de 550 °C et sous une pression de vide inférieure à 3 Pa.

Images SEM de (a ) tel que déposé et (b ) couche mince de ferrite MnZn recuit, (c ) et (d ) afficher les images AFM correspondantes

Caractérisation de couches minces de MnZn pulvérisées. (un ) modèles XRD et (b ) boucles d'hystérésis de films minces de MnZn recuits à 350, 450, 550, 650 et 750 °C. Aimantation de saturation (Ms ) des couches minces de MnZn lorsqu'elles sont recuites sous la pression de 0,0 Pa à 4,5 Pa en (c ) et température de 450 à 700 °C en (d )

Le graphène cultivé sur la même feuille de cuivre a ensuite été transféré sur des films minces de ferrite MnZn pour fabriquer des GFET avec la structure illustrée dans le schéma 1. Ici, nous avons fabriqué le GFET avec des films minces de ferrite MnZn pulvérisés à 100 et 150 W et recuits dans les conditions optimales, comme indiqué ci-dessus. . La figure 4a, b montre le courant électrique mesuré entre le drain et la source en fonction de la tension de grille appliquée pour les deux GFET. Pendant la mesure, la tension appliquée entre la source et le drain est maintenue constante à 1 V. Le courant augmente progressivement à mesure que la tension de grille augmente négativement. Le courant change très lentement lorsque la tension de grille est polarisée positivement. Les caractéristiques I-V asymétriques des deux GFET pourraient être le résultat de l'émission thermoionique et de l'effet tunnel interbande aux jonctions entre les régions fermées et d'accès [21]. La résistance du graphène sur le film mince de ferrite MnZn pulvérisé de 100 W est beaucoup plus petite que celle sur le film mince pulvérisé de 150 W avec la même polarisation de grille, par rapport à la Fig. 4a, b. La résistance plus élevée de la figure 4b pourrait être le résultat d'une plus grande rugosité des films minces de ferrite MnZn pulvérisés de 150 W, par rapport au tableau 1. L'ondulation induite par la rugosité de la monocouche de graphène pourrait supprimer le transport des porteurs de charge, conduisant à une résistance plus élevée [22].

Caractérisation IR. (un ) et (b ) Je_sd -V_sg courbes du GFET avec un film mince de ferrite de MnZn pulvérisé à 100 et 150 W, respectivement. (c ) et (d ) comparer le I_sd -V_sg courbes sous éclairage IR et sans éclairage. La tension appliquée entre la source et le drain est de 1,0 V pour toutes les courbes

La figure 4c, d montre la comparaison des courbes I-V dans un environnement sombre et un éclairage infrarouge pour les GFET utilisant respectivement des films minces de ferrite MnZn pulvérisés de 100 et 150 W. La lumière infrarouge a une longueur d'onde de 915 nm et une puissance de 1 W dans une fenêtre d'environ 1 cm ² . La tension appliquée entre la source et le drain est de 1 V. La courbe I-V du GFET sous éclairage infrarouge est analogue à celle mesurée dans l'environnement sombre, cependant, avec un courant considérablement amélioré. L'amélioration est beaucoup plus forte pour le GFET utilisant des films minces de ferrite MnZn pulvérisés de 100 W comme couche diélectrique que celle utilisant un film mince de ferrite MnZn pulvérisé de 150 W. L'amélioration est d'environ 7,5 fois à une tension de grille de 10 V pour un film mince de ferrite MnZn pulvérisé de 100 W, ce qui est environ 2,5 fois pour le film mince de ferrite de MnZn pulvérisé de 150 W. À savoir, la rugosité de surface des films minces de ferrite de MnZn pourrait également affecter les propriétés optoélectroniques infrarouges.

Le GFET avec des couches minces de ferrite MnZn pulvérisé de 100 W a ensuite été utilisé pour examiner les propriétés de modulation des ondes THz. La figure 5a montre la transmittance des ondes THz à travers le GFET lors de l'application de différentes polarisations de grille. La transmittance a été mesurée par une impulsion THz en utilisant un système THz-TDS, et la transmittance dans le domaine fréquentiel a été obtenue par la transformation de Fourier en utilisant l'air comme ligne de base. Lorsque la tension de grille varie de 25 V à -25 V, la résistance entre la source et le drain est diminuée, comme le montre la figure 4a. La réduction de la résistance entraîne une transmission réduite de l'onde THz, comme le montre la figure 5a. . À savoir, la transmission de l'onde THz pourrait être modulée en appliquant une tension de grille différente du GFET. L'onde THz transmise a également été mesurée lorsqu'un champ magnétique externe a été appliqué, comme le montre la figure 5b. À mesure que le champ magnétique externe augmente, l'intensité de l'onde THz transmise diminue, qui sature au-dessus de 50 Oe. Le changement d'intensité transmise de l'onde THz sous champ magnétique externe pourrait être dû à la magnétorésistance extrêmement grande du graphène [23]. Le film mince de ferrite MnZn sous-jacent fournit un champ de franges puissant lors de la magnétisation par un champ magnétique externe. La magnétorésistance de l'hétrojonction graphène/ferrite MnZn/p-Si est indiquée dans le fichier supplémentaire 1 :figure S1 dans les informations supplémentaires. Cependant, la modulation de l'onde térahertz est subtile (5 %), ce qui pourrait être dû à la surface inégale des films minces de ferrite de MnZn et/ou au petit changement de modulation térahertz avec la résistance. Le graphène pourrait ressentir un champ de franges beaucoup plus fort et uniforme sur un film mince de ferrite MnZn extrêmement lisse, qui pourrait avoir une plus grande magnétorésistance du graphène et donner une plus grande profondeur de modulation par un champ magnétique externe.

Caractérisation THz. (un ) Le spectre de transmittance THz de 0,2 à 1,0 THz à différentes tensions de grille de -25 à 25 V, et (b ) le spectre du domaine fréquentiel sous différents champs magnétiques externes de 0,63 à 0,70 THz

Conclusions

L'hétérostructure graphène/ferrite MnZn/p-Si a été fabriquée pour les applications de dispositifs IR et THz. Le film mince de ferrite MnZn a été déposé sur le p-Si par pulvérisation magnétron, qui a été recuit avant d'être utilisé pour la fabrication du GFET. Les films minces de ferrite MnZn fournissent un matériau diélectrique alternatif pour les dispositifs GFET IR et THz. En tant que film mince magnétique et hautement résistif, il peut renforcer la magnétorésistance du graphène et la modulation du THz transmis sans introduire de perte d'insertion supplémentaire. La rugosité de surface du film mince de ferrite MnZn peut grandement affecter les performances des dispositifs IR et THz. Des performances plus élevées pourraient être obtenues en rendant le film mince de ferrite de MnZn plus lisse. Ces travaux sont en cours.