(PhysOrg.com) -- Une technique qui utilise l'hydrogène pour améliorer les performances des transistors sur des dispositifs de graphène du monde réel a été démontrée à l'échelle de la plaquette par des chercheurs de l'Electro-Optics Center (EOC) de Penn State. Dans un article publié le 1er août 2011, édition en ligne de Lettres nano , les chercheurs ont démontré une amélioration par 3 de la mobilité électronique du graphène épitaxié cultivé sur la face de silicium d'une plaquette de carbure de silicium de 100 mm, ainsi qu'une amélioration similaire des performances des transistors radiofréquence.

"Il y a deux faces à une plaquette de carbure de silicium, », explique Joshua Robinson, scientifique en matériaux d'EOC. « Le graphène cultivé sur la face du carbone a généralement une mobilité électronique plus élevée, mais c'est parce que sous la couche de graphène développée sur la face de silicium, il y a une couche tampon riche en carbone liée au carbure de silicium qui agit pour disperser les électrons, réduisant ainsi leur mobilité. Si vous pouvez vous débarrasser de la couche tampon, les électrons iront beaucoup plus vite, ce qui signifie que vos appareils fonctionneront plus rapidement. Il est également plus facile de contrôler l'épaisseur du graphène sur la face de silicium, ce qui est crucial si vous voulez fabriquer des dispositifs à l'échelle des tranches très uniformes. C'est ce que nous avons pu faire."

Le papier, intitulé « Transistors épitaxiaux au graphène :amélioration des performances via l'intercalation de l'hydrogène, ” rapporte une fréquence de coupure extrinsèque de 24 GHz dans les performances des transistors, le plus élevé rapporté jusqu'à présent dans un dispositif de graphène épitaxié du monde réel, croient les auteurs. (La fréquence de coupure extrinsèque est une mesure de la vitesse de l'appareil dans des conditions de fonctionnement, et est typiquement une fraction des vitesses intrinsèques souvent rapportées.) La technique d'hydrogénation, qui a d'abord été développé par un groupe en Allemagne (Riedl, et al.; Phys. Rév. Lett. 2009, 103, 246804), consiste à transformer la couche tampon en une seconde, couche flottante de graphène d'une épaisseur d'un atome en passivant les liaisons carbonées pendantes à l'aide d'hydrogène. Il en résulte deux couches flottantes de graphène. Chercheurs de Penn State, dirigé par Joshua Robinson et David Snyder, ont mis en œuvre une étape de processus supplémentaire à leur processus de synthèse de graphène à l'échelle d'une plaquette qui convertit entièrement la couche tampon en graphène. Avec cette technique d'hydrogénation, les structures de test épitaxiale au graphène ont montré une augmentation de 200 à 300 % de la mobilité des porteurs, de 700 à 900 cm ² /(V s) à une moyenne de 2050 cm ² /(V s) dans l'air et 2375 cm ² /(V s) dans le vide.

L'équipe de Penn State, qui comprend l'auteur principal Robinson, David Snyder, Matthieu Hollander, Michael LaBella, III, Kathleen A. Trumbull et Randy Cavalero, ont l'intention d'utiliser cette technique pour améliorer les performances des transistors dans les dispositifs à radiofréquence. « La conduction ambipolaire du graphène permet de simplifier les circuits, tandis que sa mobilité élevée et sa vitesse électronique fournissent un moyen d'atteindre un fonctionnement térahertz. Le problème est que la réponse en fréquence exemplaire rapportée à ce jour dans la littérature n'est pas la performance du monde réel. L'hydrogénation et la mise à l'échelle des appareils nous rapprochent beaucoup plus des véritables performances à haute fréquence, », remarque Robinson.

Dans un deuxième article du même numéro de Lettres nano , le groupe rapporte également une nouvelle technique d'ensemencement d'oxyde par dépôt de couche atomique qu'ils ont développée pour déposer des matériaux diélectriques sur du graphène épitaxié à l'échelle d'une plaquette. Leur technique a permis d'augmenter les performances de 2 à 3 fois par rapport aux méthodes de semis plus traditionnelles. Les auteurs pensent que ces deux avancées constituent les prochains éléments constitutifs de la création de technologies viables à base de graphène à utiliser dans les applications de radiofréquence. Le deuxième papier, « Amélioration des performances de transport et de transistor avec des diélectriques à porte élevée à k ensemencés d'oxyde sur du graphène épitaxié à l'échelle de la plaquette, » a été co-écrit par Matthew J. Hollander, Michael LaBella, Zachary R. Hughes, Michael Zhu, Kathleen A. Trumbull, Randal Cavalero, David W. Snyder, Xiaojun Wang, Euichul Hwang, Suman Datta, et Joshua A. Robinson, tout l'État de Penn.