黃樂 張志勇 彭練矛

(北京大學電子系,納米器件物理與化學教育部重點實驗室,北京 100871)

高性能石墨烯霍爾傳感器?

黃樂 張志勇?彭練矛?

(北京大學電子系,納米器件物理與化學教育部重點實驗室,北京 100871)

(2017年8月7日收到;2017年9月16日收到修改稿)

石墨烯,霍爾傳感器,霍爾元件,霍爾集成電路

1 引 言

1.1 霍爾傳感器及其對材料的要求

霍爾傳感器是目前使用最為廣泛、應用領域最為廣闊的磁傳感器[1].霍爾傳感器是根據霍爾效應的基本原理制備而成.如圖1(a)所示,當在溝道材料的水平端V1和V2之間添加一個恒定的電源激勵(電壓或者電流均可),在垂直于平面的磁場激勵下,載流子發(fā)生偏轉,在傳感器豎直端H1和H2會產生一個正比于磁感應強度的電壓信號VH.與其他磁傳感器相比,霍爾傳感器具備的性能優(yōu)點包括:無接觸、抗干擾性強、線性度高等[2].霍爾傳感器的主要應用領域有:電流探測、機械探測和地磁場探測.圖1(b)為霍爾元件進行電流探測的示意圖.在通電導線的周圍存在著正比于電流大小的磁場信號.在測試中環(huán)繞導線的磁芯將磁通匯聚在磁路中,利用固定于標定位置的霍爾傳感器測試施加在霍爾元件的磁場,進而推算得到電流的大小.基于霍爾元件的電流探測器廣泛應用于漏電監(jiān)控、電子元件可靠性監(jiān)測和工業(yè)控制等安全領域.霍爾元件的另一類應用領域是機械傳感.具體而言,借助霍爾傳感器可以實現(xiàn)包括位置、角度、速度、轉速和加速度在內的多種機械物理量的傳感功能.

如圖1(c)所示,將一個小磁體放置在待測目標物體上,霍爾元件放置于待測物體旁.伴隨著待測物體的轉動,磁體也會周期性地經過霍爾元件表面,進而對霍爾元件施加一個周期性變化的磁場激勵信號.通過測量電壓信號的頻率,就能精確得到待測物體的轉速.霍爾元件的另一類應用是地磁場探測.如圖1(d)所示,目前手機中使用的指南針功能大多是利用霍爾元件探測地磁場完成的.地磁場的大小約為0.5 Gs(G,1 G=10?4T),使用高靈敏度的霍爾傳感器進行地磁場探測是非常合適的.

圖1 霍爾傳感器及其應用 (a)霍爾效應原理圖;(b)霍爾傳感器在電流探測的應用;(c)霍爾傳感器在機械探測的應用;(d)霍爾傳感器在地磁探測的應用Fig.1.Hall sensors and applications:(a)Schematics of Hall effects;(b)the current detection application of Hall sensors;(c)the mechanical detection application of Hall sensors;(d)the geomagnetism detection application of Hall sensors.

從19世紀70年代霍爾效應發(fā)現(xiàn)以來,霍爾元件最初是由金屬材料制備而成的.金屬材料的載流子濃度很高,因此這個時期霍爾元件的靈敏度很低,性能較差.從20世紀40年代開始,隨著半導體技術的蓬勃發(fā)展,低載流子濃度、高遷移率的III-V族半導體材料和硅開始成為霍爾元件的主流制備材料.目前市場上制備霍爾元件的主流材料為砷化鎵(GaAs)[3]、砷化銦(InAs)[4]和銻化銦(InSb)[5]等III-V族材料和異質結二維電子氣材料.這些材料具備高載流子濃度、較薄的厚度,霍爾元件的性能非常優(yōu)異.這幾種材料都擁有很高的遷移率、較低的載流子濃度,在磁探測的幾項性能指標上各有所長,沒有任何一種材料能夠取得壓倒性的優(yōu)勢.例如在靈敏度和分辨率上,InSb霍爾元件最好;而GaAs材料的霍爾元件的溫度穩(wěn)定性最優(yōu).20世紀60年代后,隨著集成電路技術的興起和不斷成熟,人們逐漸意識到單個霍爾元件往往難以滿足實用的要求,因此開始出現(xiàn)了霍爾元件搭配信號處理電路而成的霍爾集成電路產品.而目前主流的霍爾集成電路是硅的單片式霍爾集成電路和由III-V族霍爾元件和硅基電路構成的分立式霍爾集成電路[2].

接下來分析霍爾傳感器的主要參數及其對材料和制備工藝的需求.霍爾傳感器的參數包含性能指標和可靠性指標兩大類.其中性能指標衡量的是傳感器對磁感應強度的探測能力,包括靈敏度和分辨率兩個指標.靈敏度表征的是傳感器對磁場信號的敏感程度.如果將輸出的VH和輸入的磁場信號(B)繪制在同一張圖表里,那么這條曲線的斜率代表的就是霍爾傳感器的絕對靈敏度(absolute sensitivity,SA)[1,2],定義式如下:

絕對靈敏度除了與材料本身的特性相關外,還與激勵的電壓或者電流大小成正比.如果剔除掉電源對靈敏度的影響,就能夠得到霍爾傳感器的電流/電壓相對靈敏度(SI,SV)[1,2],即

經過霍爾效應的微觀推導,可以得到霍爾元件的相對靈敏度的決定式如下[1]:

其中q為電子的電荷量,d為材料的厚度.根據(4)和(5)式,如果要得到高靈敏度的霍爾元件,則希望溝道材料具備低載流子濃度n、薄(小d)、高遷移率μ和高寬長比(W/L)等特性.目前商用的III-V族霍爾元件的SI約為200 V/(A·T)[6].

分辨率定義為霍爾傳感器能夠探測的最小磁感應強度(resolution,Bmin),表征傳感器的探測精度.制約分辨率的因素除了靈敏度外,還有傳感器的噪聲電壓[1,2,7,8].通過噪聲電壓和靈敏度的比值可以測算出傳感器的分辨率[7,8]:

(6)式中,NV表示霍爾元件的噪聲電壓,SA代表器件的絕對靈敏度.根據(6)式,如果要獲得精度更高的霍爾元件,器件應當具備更低的噪聲電壓和更高的絕對靈敏度[7,8].霍爾元件的主要應用頻段是低頻,其電學噪聲主要是由1/f噪聲所主導[7,8].根據已發(fā)表的研究結果,霍爾元件由1/f噪聲主導的噪聲電壓與材料的遷移率呈現(xiàn)負相關關系[7,8].也就是說,材料的遷移率越高,則噪聲越低.因此綜合考慮噪聲和靈敏度兩個因素,高分辨率的霍爾元件的制備材料應滿足高遷移率、低載流子濃度和很薄的厚度等條件.在已報道過的霍爾元件的工作中,在低頻段下III-V族霍爾元件的最佳分辨率為2.85 mG/Hz0.5[9],二維電子氣霍爾元件的分辨率最佳可以達到5 mG/Hz0.5[10].

霍爾元件的可靠性指標衡量的是傳感器工作的穩(wěn)定性和可靠程度,包括線性度、溫度穩(wěn)定性和失調電壓三個指標.線性度表征的是霍爾元件VHB曲線的線性相關程度,可以由線性誤差(linearity error,α)定量衡量[1].線性誤差指的是實際測量的霍爾電壓與完美線性擬合的霍爾電壓相差的百分比[1]:

式中VH代表實際測量的霍爾電壓,代表線性擬合出的霍爾電壓.線性誤差產生的原因主要是磁阻效應[1].受限于電壓模式下的幾何與物理磁阻效應,傳統(tǒng)的霍爾元件的線性誤差在0.1 T的磁場范圍內僅可以保持在±10%以內[11].在許多實際應用中,10%的誤差造成的信號偏差是難以容忍的.但是目前商用的霍爾元件大都難以解決這一技術難點,只能在電流模式下工作.

溫度穩(wěn)定性表征的是霍爾傳感器的性能隨溫度的敏感程度,一般由溫度系數(temperature coeffi cient,γT)來定量衡量[1]:

(8)式中S代表霍爾元件的靈敏度,T代表霍爾元件的工作溫度.對于傳統(tǒng)材料而言,本征的載流子濃度與溫度應服從指數分布:ni∝exp(AT).因此靈敏度隨溫度的變化是較為敏感的,傳統(tǒng)的霍爾元件的溫度穩(wěn)定性受到了很大的限制.一般而言,商用霍爾傳感器的溫度系數都在1000 ppm/K左右[12].因此,想要得到更高溫度穩(wěn)定性的霍爾傳感器,則希望降低材料的溫度依賴程度.

失調電壓表征的是霍爾傳感器在零磁場下的霍爾電壓.在理想情況下,霍爾傳感器的失調電壓應該等于零.但是在實際應用中,由于溝道材料的不均一性和幾何尺寸的非對稱性,失調電壓總是存在的.市場上傳統(tǒng)霍爾元件的失調電壓典型值為10 mV(在激勵電壓等于3 V的情況下)[6].為了降低霍爾傳感器的失調電壓,可以通過改進制備工藝提升溝道材料的均一性和器件結構的對稱性[6],達到降低失調電壓的目的.

根據以上的分析,可以總結出高性能霍爾傳感器的制備材料和工藝需要具備以下條件:高遷移率、薄、低載流子濃度、較弱的磁阻效應、較弱的溫度依賴性、高度均一的材料特性和成熟完備的器件制備工藝.

1.2 石墨烯制備霍爾傳感器的優(yōu)勢

石墨烯作為一種新型的二維材料,其制備霍爾傳感器的優(yōu)勢包括以下5點:

1)高遷移率.本征的懸空石墨烯材料在室溫下的遷移率最高可以達到200000 cm2/(V·s)[13].石墨烯材料的超高載流子遷移率能夠提升霍爾元件的靈敏度,降低霍爾元件的低頻噪聲,進而優(yōu)化傳感器的分辨率.

2)超薄的厚度.石墨烯僅有單原子層薄,理論厚度僅有0.335 nm.根據(4)式,超薄的厚度有利于提升霍爾傳感器的靈敏度.正是由于石墨烯的超薄厚度,可以輕易地通過對襯底的修飾和工藝的改進來調控、設計石墨烯的材料特性和霍爾元件的傳感性能.石墨烯在垂直方向上的超薄厚度為傳感系統(tǒng)集成節(jié)省了空間,為之后進行三維集成電路的開發(fā)奠定了基礎.

3)柔性.石墨烯具備天然的柔性和機械特性,能夠耐受很強的拉伸和形變,因此石墨烯有望應用于柔性傳感、可穿戴電子器件、柔性顯示、透明電極等領域中[14,15].這是傳統(tǒng)硬質材料所不能實現(xiàn)的性能特性,柔性霍爾傳感器能夠拓展新穎的應用領域.

4)特殊的能帶結構.石墨烯是一種半金屬材料,其導帶和價帶在狄拉克點處相連接,并沒有禁帶.石墨烯的特殊能帶結構使其與傳統(tǒng)半導體的載流子濃度隨溫度的變化關系有明顯不同.石墨烯材料本征的載流子濃度隨溫度的變化關系服從平方關系:n∝T2[16].在庫侖散射主導的載流子輸運區(qū)域,石墨烯材料的遷移率基本上并不隨溫度有明顯的變化[17].因此,特殊的能帶結構使石墨烯的溫度穩(wěn)定性要遠優(yōu)于傳統(tǒng)的本征半導體材料.此外,在庫侖散射機理占據主導地位的器件中,由于石墨烯特殊而對稱的能帶結構,石墨烯霍爾元件的物理磁阻和幾何磁阻效應將弱于傳統(tǒng)的半導體材料[1].因此石墨烯霍爾元件在電壓模式下的線性度理論上將遠優(yōu)于傳統(tǒng)材料霍爾元件[1].因此,石墨烯特殊的能帶結構使石墨烯霍爾元件具備更高的溫度穩(wěn)定性和更好的線性度.這是傳統(tǒng)的半導體材料所無法擁有的材料特性優(yōu)勢.

5)簡單的加工工藝.雖然石墨烯具備眾多傳統(tǒng)材料難以比擬的優(yōu)異性能,但不可否認的是:石墨烯材料的發(fā)展依然處于初級階段,石墨烯自身的工藝系統(tǒng)還很不完備.這一缺陷在與發(fā)展了半個多世紀的成熟硅基技術相比時顯得尤為突出.在選擇石墨烯的應用方向時,其工藝的復雜程度應該是需要考察的重要因素.如果選擇利用石墨烯進行一種工藝非常復雜、實驗條件非?？量痰碾娮釉募庸?那么加工過程結束后石墨烯材料的性能將會受到很大程度的損失,石墨烯材料的性能優(yōu)勢將會大打折扣.與之相對,石墨烯霍爾元件的加工工藝非常簡單.石墨烯的材料優(yōu)勢能夠通過簡單的工藝步驟轉化為霍爾器件的性能優(yōu)勢.石墨烯霍爾元件的加工工藝所需步驟較少,不涉及200°C以上的高溫工藝,并且可以通過微加工手段批量化生產,與硅基互補型金屬-氧化物-半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)技術的兼容性很高[18].

圖2 石墨烯材料的制備和表征 (a)氣泡法轉移石墨烯的流程圖[23];(b)石墨烯材料的光學照片;(c)石墨烯材料的AFM測試結果;(d)石墨烯材料的拉曼表征結果Fig.2.The preparations and characterizations of graphene:(a)Process flow of transferring graphene by bubbling method[23];(b)optical image of as-transferred graphene;(c)AFM results of graphene;(d)Raman results of graphene.

值得一提的是,制備霍爾元件并不需要材料具備帶隙.總體而言,石墨烯的優(yōu)良特性能夠借助霍爾傳感器得到充分發(fā)揮,石墨烯本身的性能短板也可以得到良好規(guī)避.因此石墨烯是一種非常適合制備霍爾傳感器的材料.

2 石墨烯霍爾傳感器的加工制備

2.1 高質量石墨烯材料的批量制備

制備高質量的石墨烯材料是制作高性能霍爾傳感器的重要基礎.根據前文的分析,用于制備霍爾傳感器的石墨烯材料需要滿足以下4個條件:單層、完整無破洞、高遷移率和低載流子濃度.目前已報道的石墨烯材料的常見生長方法包括機械剝離法[19]、還原氧化石墨烯法[20]、碳化硅表面外延生長法[21]和化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)法[22]等.其中機械剝離法、還原氧化石墨烯法和外延生長法都有自身的技術缺陷,只有CVD方法能夠滿足批量可控、成本低廉、易于轉移的高性能單層石墨烯生長需求.在實驗中選用金屬鉑(Pt)作為CVD生長石墨烯的襯底[23].與銅(Cu)襯底相比,Pt襯底有以下3點技術優(yōu)勢:1)更高的熔點;2)Pt的熱膨脹系數比Cu更接近石墨;3)Pt擁有更高的碳溶解率.在生長完成后,采用氣泡法將石墨烯從Pt上轉移至目標襯底上[23],具體方法如圖2(a)所示.在轉移中,將Pt置于氫氧化鈉溶液中電解,借助PMMA將石墨烯無損高效地轉移下來.與傳統(tǒng)的濕法腐蝕方法相比,氣泡轉移方法有以下兩點優(yōu)勢:1)金屬襯底可以循環(huán)利用,節(jié)約成本;2)不引入腐蝕產生的化學雜質,制備得到的石墨烯更干凈.圖2(b)展示的是利用Pt襯底生長,氣泡法轉移至二氧化硅(silicon dioxide,SiO2)襯底的石墨烯的光學照片.從圖2(b)可以看出石墨烯材料非常干凈完整,超過95%的區(qū)域為單層石墨烯.圖2(c)展示的原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)測試結果進一步證明了石墨烯材料的平整度很高,絕大多數區(qū)域起伏在2 nm以內.樣品表面不存在明顯的雜質顆粒,證明生長轉移過程非常干凈.在圖2(d)展示的光學拉曼表征結果中,并沒有觀測到缺陷峰D峰,證明石墨烯材料的缺陷很少;2D峰和G峰的強度比值約等于2.5,證明樣品是高質量的單層石墨烯.綜上所述,我們通過CVD法生長石墨烯,并采用氣泡法將石墨烯轉移至目標襯底上;并通過多種表征方法證明得到的石墨烯非常干凈完整,95%以上區(qū)域為單層,具備很高的質量.高質量的石墨烯材料為后期制備高性能石墨烯霍爾傳感器鋪平了道路.

2.2 石墨烯霍爾傳感器的加工

在獲得了高質量的石墨烯材料后,下一步就是進行霍爾傳感器的加工制備.在實驗上一般可以通過光學光刻和電子束光刻兩種方法進行霍爾傳感器的批量制備.光學光刻工藝成本較低,制備效率高,適用于大規(guī)模的器件制備.如圖3(a)所示,我們采用光學光刻的方式制備了石墨烯霍爾元件[24].工藝步驟為:1)光學光刻圖形化石墨烯溝道,氧等離子體刻蝕多余石墨烯材料形成溝道;2)光學光刻圖形化金屬電極,電子束蒸發(fā)鍍膜蒸鍍鈦/金(Ti/Au)電極;3)將制備的霍爾元件置于AR 300-70中去除光刻殘膠.圖3(b)所示為通過光學光刻制備得到的石墨烯霍爾元件的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)照片.我們制備的81個石墨烯器件中,70個器件工作正常,良率達到了86.4%.通過測試石墨烯的底柵轉移曲線,可以批量提取出石墨烯器件的遷移率和狄拉克點電壓(VDirac).如圖3(c)所示,石墨烯的遷移率均值為3000 cm2/(V·s),VDirac均值為0 V,且分布非常集中.霍爾元件的磁探測結果如圖3(d)所示,霍爾元件的電流相對靈敏度達到了1200 V/(A·T).以上結果表明采用光學光刻手段批量制備的石墨烯霍爾元件具備較高的電學性能和磁探測特性.

圖3 通過光學光刻技術批量制備的石墨烯霍爾元件[24] (a)霍爾元件陣列圖;(b)石墨烯霍爾元件的SEM照片;(c)全部元件的主要性能統(tǒng)計圖;(d)元件的磁場響應特性,其電流靈敏度為1200 V/(A·T)Fig.3.Graphene Hall elements fabricated by optical lithography methods:(a)Optical images of Hall elements;(b)SEM of graphene Hall elements;(c)statistical result of graphene devices;(d)magnetic response of graphene Hall elements,and the current-related sensitivity is 1200 V/(A·T).

圖4 通過電子束光刻技術批量制備的石墨烯霍爾元件 (a)霍爾元件陣列圖;(b)典型器件的轉移曲線[25];(c)石墨烯器件性能統(tǒng)計;(d)典型霍爾元件的磁場響應特性,其電流靈敏度為1850 V/(A·T)Fig.4.Graphene Hall elements fabricated by EBL methods:(a)Optical images of Hall elements;(b)transfer curves of a typical graphene device[25];(c)statistical result of graphene devices;(d)magnetic response of graphene Hall elements,and the current-related sensitivity is 1850 V/(A·T).

采用光學光刻的方法制備石墨烯霍爾元件的缺點在于工藝中光學光刻膠的殘留較為嚴重,影響了石墨烯材料和器件的性能.電子束光刻工藝引入的殘膠較少,因而得到的器件性能會更好,且版圖的設計也更加靈活.采用電子束光刻工藝步驟與光學光刻類似,區(qū)別在于在完成了氧等離子體刻蝕和電子束蒸發(fā)鍍膜后,不需要進行殘膠去除的工藝.圖4(a)展示的是通過電子束光刻工藝批量制備的石墨烯霍爾元件,圖4(b)展示的是一個典型石墨烯器件的底柵轉移曲線[25].通過擬合曲線的方法,得到石墨烯n支的遷移率為11038 cm2/(V·s),p支為11007 cm2/(V·s).石墨烯材料的VDirac為3 V,證明石墨烯的載流子濃度很低,受到的摻雜效應很弱.石墨烯超高的載流子遷移率和低載流子濃度不僅證明了生長轉移得到的石墨烯材料的質量非常高,也代表所制備器件的微加工工藝非常干凈,保持了石墨烯本征的超高性能.圖4(c)展示的是石墨烯電學性能的統(tǒng)計結果,遷移率的均值為8800 cm2/(V·s),VDirac的均值約為0 V.得益于石墨烯材料的高電學性能,霍爾元件在磁響應測試中展示出優(yōu)異的性能.圖4(d)描繪的是典型霍爾元件的VH-B曲線,在電流模式下典型器件的電流相對靈敏度達到了1850 V/(A·T).

石墨烯霍爾傳感器的制備工藝優(yōu)勢有以下兩點.1)石墨烯霍爾元件的制備工藝比傳統(tǒng)半導體元件的制備工藝更加簡單.傳統(tǒng)的III-V族霍爾元件為了形成復雜的異質結構,其工藝步驟一般在10步以上.與之相對,石墨烯霍爾元件的工藝一共包括生長、轉移、刻蝕、鍍膜和鈍化五個步驟,工藝相對而言得到了非常大的簡化.我們都知道石墨烯作為一種新材料,其工藝相對于傳統(tǒng)材料而言是較為不成熟的.因此,復雜的加工工藝流程對于石墨烯而言可能就意味著令石墨烯材料優(yōu)勢的喪失.霍爾元件簡單的加工工藝令石墨烯的材料優(yōu)勢得以保存,同時也成為了相比傳統(tǒng)霍爾元件的一大優(yōu)勢.2)石墨烯霍爾元件的加工工藝溫度較低,與硅基CMOS的工藝兼容性高.III-V族霍爾元件在制備過程中需要引入300°C以上的高溫工藝,與硅基CMOS電路難以單片集成.這是因為高溫工藝會令硅基電路的金屬互聯(lián)線、摻雜和柵極介質層發(fā)生失效,無法正常工作;反觀石墨烯霍爾傳感器的工藝流程,所有的溫度可以控制在180°C以下[18],經過優(yōu)化甚至可以控制在110°C以下;因此,石墨烯霍爾元件的工藝在理論上和硅基CMOS工藝擁有更高的兼容性,這代表石墨烯霍爾元件可以借助硅基CMOS電路的輔助優(yōu)化自己的性能,實現(xiàn)更為強大的功能.

3 高性能石墨烯霍爾元件

3.1 石墨烯霍爾元件的性能優(yōu)化

霍爾元件的性能主要體現(xiàn)在靈敏度和分辨率兩個參數上.具備優(yōu)異性能的霍爾元件不僅能夠探測更微小的磁場信號,也可以降低后端放大電路的成本.目前利用二維電子氣原理制備的III-V族異質結型霍爾元件的靈敏度最高可以達到2750 V/(A·T)[26],分辨率為2.85 mG/Hz0.5[9].在早期石墨烯霍爾元件的研究工作中[27?29],石墨烯材料的性能較低,霍爾元件的工藝較為粗糙,導致石墨烯霍爾元件的性能較低.石墨烯成型器件中的遷移率在3000 cm2/(V·s)以下,霍爾元件的靈敏度水平在1000 V/(A·T),分辨率在10 mG/Hz0.5左右,與最好的III-V族霍爾元件有較大差距.為了優(yōu)化石墨烯霍爾元件的靈敏度和分辨率,我們在以下兩個方面進行了工藝優(yōu)化:1)用APTES(aminopropyltriethoxysilane)對襯底進行了修飾.APTES不僅能夠使石墨烯和襯底更加親和,轉移更加完整,而且能夠改善石墨烯和襯底之間的界面,優(yōu)化石墨烯的跨導和狄拉克點位置[7,24];2)將溝道尺寸設計為長160μm、寬50μm.長寬比大于3:1,幾何因素基本不影響靈敏度[30];較大的溝道尺寸有利于降低石墨烯器件的低頻噪聲,進而優(yōu)化霍爾元件的分辨率.正是由于以上兩個方面工藝的優(yōu)化,我們制備的石墨烯材料具備極高的遷移率(典型值7000 cm2/(V·s))和極低的載流子濃度(典型值3×1011cm?2)[8].圖5(a)所示為石墨烯霍爾元件的VH-B圖,從圖中可以得到霍爾元件的電流相對靈敏度為2364 V/(A·T).器件在展示出極高靈敏度的同時,線性誤差依然能夠維持在±5%以內.極高的載流子遷移率和較大的器件尺寸使得霍爾元件的低頻電學噪聲很低(如圖5(b)所示)[8],在3 kHz下噪聲功率約為10?15V2/Hz.根據(6)式,高靈敏度和低噪聲的共同優(yōu)化使石墨烯霍爾元件擁有極高的分辨率.如圖5(c)所示,霍爾元件的分辨率在3 kHz下達到了1 mG/Hz0.5.為了系統(tǒng)評價石墨烯霍爾元件的性能,我們將目前已發(fā)表的高性能III-V族、石墨烯、二維電子氣霍爾元件與我們所制備的霍爾元件的靈敏度和分辨率共同繪制在圖5(d)中.從圖5(d)可以清楚地看到我們所制備的石墨烯霍爾元件擁有極高的靈敏度和最優(yōu)的分辨率,這使霍爾元件的位置處于圖中最佳的左上角.這表明石墨烯霍爾元件的性能指標已經超越了普通商用的霍爾元件(電流相對靈敏度典型值200 V/(A·T)[2]),并可以與最好的III-V族異質結型霍爾元件相比擬.

圖5 具備超高靈敏度和分辨率的石墨烯霍爾元件[8] (a)霍爾元件的VH-B圖和線性誤差;(b)霍爾元件的噪聲;(c)霍爾元件的分辨率;(d)不同霍爾元件靈敏度和分辨率對比Fig.5.Graphene Hall elements with ultra-high sensitivity and resolution:(a)VH-B curve and linearity error of graphene Hall elements;(b)noise of graphene Hall elements;(c)resolution of graphene Hall elements;(d)comparison of the sensitivity and resolution of different Hall elements.

3.2 石墨烯霍爾元件的性能極限探索

石墨烯材料的厚度僅為單原子層,因而可以很容易地通過柵壓調節(jié)石墨烯溝道的載流子濃度,進而調控石墨烯霍爾元件的磁靈敏度,探索其性能的極限[30].圖6(a)所示為在不同磁場激勵下,通過掃描底柵電壓得到的霍爾電壓變化曲線.根據(2)式,可以得到霍爾元件的電流相對靈敏度隨柵壓的變化關系(如圖6(b)所示).從圖6(b)可以清晰地看出,當柵壓從遠離狄拉克點的地方靠近石墨烯的狄拉克點時,靈敏度不斷上升.這是因為隨著載流子濃度的降低,根據(4)式,器件的靈敏度會反比例上升.霍爾元件的磁靈敏度最高可以達到2745 V/(A·T)[30],與III-V族異質結型霍爾元件的最好水平相當[26].但是當器件非?？拷┑牡依它c時,靈敏度開始偏離(4)式,不升反降.當器件正好處于狄拉克點時,霍爾元件的磁靈敏度為零.這是因為傳統(tǒng)的霍爾元件理論僅僅只考慮了一種載流子的存在,而對于工作在狄拉克點附近的石墨烯而言,空穴和電子兩種載流子將共同對霍爾效應產生貢獻,因而傳統(tǒng)的模型將不再能準確描述石墨烯霍爾元件的磁響應.

實際上對于石墨烯而言,除了由柵壓激發(fā)的載流子濃度n[Vg]以外,還存在著一定量固定的剩余載流子濃度n0.根據前人的研究結果,石墨烯的總載流子濃度ntot可以由以下表達式近似估計[31]:

在靠近狄拉克點的位置,石墨烯霍爾元件的靈敏度表達式應該修正為以下模型[30]:

式中n代表由柵壓誘發(fā)的載流子濃度,n0為剩余載流子濃度,α代表幾何修正因子.根據(10)式我們可以知道當n=n0時,霍爾元件的靈敏度取得最大值SImax=α/(2n0e).圖6(c)展示了三個霍爾元件的靈敏度隨柵壓的變化曲線.實驗結果與理論模型基本完全重合,這印證了模型的可靠性.我們系統(tǒng)地統(tǒng)計了50個器件的最大靈敏度與1/n0的變化關系,如圖6(d)所示,二者呈現(xiàn)線性變化關系,并與理論模型符合得很好.通過對工藝的優(yōu)化,有效地將石墨烯的剩余載流子濃度降低,石墨烯霍爾元件的靈敏度有望接近3000 V/(A·T).在超靈敏磁探測領域,石墨烯霍爾元件將擁有巨大的優(yōu)勢.

圖6 石墨烯霍爾元件的靈敏度極限探索[30] (a)霍爾元件的霍爾電壓隨底柵電壓的變化;(b)霍爾元件的靈敏度隨柵壓的變化;(c)石墨烯霍爾元件的模型擬合結果與實驗結果對比;(d)霍爾元件靈敏度與1/n0的關系Fig.6.Exploration of the sensitivity limit of graphene Hall elements:(a)VH-Vgcurves of graphene Hall elements;(b)sensitivity-Vgcurves of graphene Hall elements;(c) fitting results and experimental results of graphene Hall elements;(d)relations between sensitivity and 1/n0.

3.3 石墨烯霍爾元件的線性度和溫度穩(wěn)定性

在霍爾元件的實際工作中,線性度和溫度穩(wěn)定性在很大程度上影響了器件工作的準確性和可靠性.根據前文對線性度的理論研究,石墨烯受到磁阻效應的影響較小,因而對比傳統(tǒng)半導體霍爾元件,石墨烯霍爾元件在線性度上會擁有更佳的特性[1].我們通過實驗驗證了石墨烯的這一優(yōu)勢.如圖7(a)所示,采用電子束曝光制備的霍爾元件在電壓模式下在0—1 T磁場范圍內的線性誤差維持在±3%以內.與之形成鮮明對比的是,二維電子氣霍爾元件在電壓模式下的線性誤差的典型值在±10%以內.實驗結果證明了石墨烯霍爾元件在磁探測中的線性度比傳統(tǒng)霍爾元件有更優(yōu)的表現(xiàn),磁探測更加精準可靠.此外,得益于石墨烯特殊的能帶結構和弱本征激發(fā),石墨烯材料的載流子濃度和遷移率等參數的溫度穩(wěn)定性要優(yōu)于傳統(tǒng)的半導體材料[1].由于材料的特性會直接影響霍爾元件的磁探測特性,因此石墨烯霍爾元件的溫度穩(wěn)定性將會優(yōu)于傳統(tǒng)半導體霍爾元件.圖7(b)和圖7(c)所示為典型的石墨烯霍爾元件在電壓模式和電流模式從1.8—400 K溫度范圍內的磁探測特性.從圖7(b)和圖7(c)可以看出在兩種模式下霍爾元件的磁探測響應基本上不隨溫度改變而發(fā)生變化.根據(8)式,石墨烯霍爾元件的溫度漂移系數±800 ppm/K之內.該溫度漂移特性要優(yōu)于傳統(tǒng)霍爾元件的溫度穩(wěn)定性(漂移系數為1000 ppm/K以上).圖7(d)展示的是石墨烯霍爾元件和AKM公司商用GaAs霍爾元件的霍爾電壓隨溫度的變化對比圖.從圖7(d)可以清晰地看到III-V族霍爾元件的霍爾電壓隨溫度有明顯的衰減,相對而言石墨烯霍爾元件的輸出電壓的穩(wěn)定性非常好.這項工作表明石墨烯霍爾元件能夠實現(xiàn)精準度極高的磁探測,且探測性能隨溫度的敏感性很低.因此在軍事、工業(yè)、醫(yī)學等高端領域的精準穩(wěn)定磁探測應用中有巨大優(yōu)勢.

圖7 石墨烯霍爾元件的線性度和溫度穩(wěn)定性[1] (a)霍爾元件的線性誤差;(b)石墨烯霍爾元件在電壓模式下磁響應的溫度特性;(c)石墨烯霍爾元件在電流模式下磁響應的溫度特性;(d)石墨烯霍爾元件和商用霍爾元件的溫度特性對比Fig.7.The linearity and temperature stability of graphene Hall elements:(a)The linearity of Hall elements;(b)temperature dependent magnetic responses of graphene Hall elements under voltage mode;(c)temperature dependent magnetic responses of graphene Hall elements under current mode;(d)comparisons of the temperature stability between graphene and commercialized Hall elements.

3.4 石墨烯霍爾元件的新穎應用

由于石墨烯具備天然的柔性和良好的機械特性,石墨烯在柔性平板顯示和電子皮膚等新穎領域有巨大的應用潛力[14,15].但是基于柔性襯底的高性能石墨烯霍爾傳感器一直沒有得到很好的展示.這是因為柔性襯底會引入較為復雜的工藝和較為粗糙的石墨烯界面,降低了石墨烯霍爾元件的性能.2015年,來自德國亞琛先進微電子中心的研究團隊制備的柔性霍爾元件的電流相對靈敏度僅僅只有87 V/(A·T)[32].為了增加柔性襯底石墨烯霍爾元件的性能,我們進行了以下兩個方面的工藝優(yōu)化:1)使用APTES改善石墨烯和poly(ethylene terephthalate)(PET)柔性襯底間的界面;2)使用Espacer導電劑輔助電子束曝光的正常進行.圖8(a)展示的是我們制備的柔性石墨烯霍爾元件[33].經過兩方面工藝優(yōu)化后,石墨烯霍爾元件在電流模式和電壓模式中都展示出了優(yōu)異的磁探測性能(如圖8(b)和圖8(c)所示).具體而言,霍爾元件的電流相對靈敏度達到了437 V/(A·T),電壓相對靈敏度達到了0.134 V/(V·T).柔性霍爾元件的性能已經優(yōu)于商用普通霍爾元件的水平(200 V/(A·T),0.07 V/(V·T))[2,6]. 除了擁有較高的靈敏度特性,柔性石墨烯霍爾元件具備超高的線性度,線性誤差在±2%以內(如圖8(d)所示).在抗彎曲測試中,霍爾元件被反復彎曲(曲率半徑為7 mm的曲率半徑)再恢復平直.經過1000次的彎曲測試后,石墨烯霍爾元件依舊維持了80%以上的靈敏度性能(如圖8(e)所示).以上結果表明柔性石墨烯霍爾元件具備較高的靈敏度、極佳的線性度和良好的抗彎曲穩(wěn)定性,在智能傳感、可穿戴電子學、柔性娛樂等領域有巨大應用潛力.

圖8 柔性石墨烯霍爾元件[33] (a)柔性石墨烯霍爾元件的光學照片;(b)霍爾元件電流模式下的VH-B圖;(c)霍爾元件電壓模式下的VH-B圖;(d)霍爾元件的線性誤差;(e)霍爾元件的抗彎曲特性測試結果Fig.8.Flexible graphene Hall elements:(a)Optical image of fl exible graphene Hall elements;(b)VH-B curves of Hall elements under current mode;(c)VH-B curves of Hall elements under voltage mode;(d)linearity error of Hall elements;(e)bending tests of fl exible Hall elements.

石墨烯的另一大特性是對包括磁場、氣體、光、壓力在內的多種物理量都有響應[34].與傳統(tǒng)傳感器對比,石墨烯傳感器的獨有性能優(yōu)勢就是它的多功能性[34].但是制備多功能傳感器需要較為復雜的工藝,且不同功能之間存在著串擾,因此多功能傳感器的研發(fā)難度很大.我們選擇磁場和氫氣作為多功能探測的對象[35].圖9(a)為石墨烯傳感器的光學照片,在完成石墨烯霍爾元件的制備后,在水平溝道上利用電子束蒸發(fā)鍍膜的方法蒸鍍了1 nm的金屬Pd顆粒.金屬Pd是一種氫氣吸附和分解的高效催化劑[35],在氫氣探測中具備很高的響應度和較好的選擇性.圖9(b)顯示了鍍Pd后石墨烯霍爾元件的磁探測結果.霍爾元件的電流相對靈敏度和電壓相對靈敏度分別為170 V/(A·T)和0.06 V/(V·T).霍爾元件的靈敏度是本征狀態(tài)的三分之一左右.器件的線性誤差保持在±2%以內,代表器件依然能夠精準地進行磁場探測.圖9(c)展示了霍爾元件的分辨率隨頻率變化的譜線.在3 kHz下,霍爾元件依然能夠展現(xiàn)出7 mG/Hz0.5的分辨率.接下來我們探討了石墨烯傳感器進行氫氣探測的機理.如圖9(d)所示,Pd顆粒能夠有效地將氫氣分子吸附并分解為氫原子,氫原子會降低Pd對石墨烯的p型電荷轉移,進而導致石墨烯的電阻上升.圖9(e)展示了石墨烯傳感器在氫氣傳感過程中的實時響應變化過程.可以發(fā)現(xiàn),本征石墨烯傳感器基本上對氫氣(濃度為500 ppm)沒有響應,這是因為本征石墨烯對氫氣的吸附效應很弱.但是當鍍上Pd顆粒后,石墨烯傳感器在10 min的氫氣響應時間內的響應度達到了20%.當傳感器暴露在空氣中后,傳感器的電阻將下降,直至恢復到初始值.石墨烯傳感器在不同氫氣濃度下的探測響應如圖9(f)所示.從圖9(f)可以看出響應度隨著氫氣濃度的提升而不斷增加,在1000 ppm的氫氣濃度下達到了32.5%.較高的響應度得益于石墨烯較高的載流子遷移率(800 cm2/(V·s))[35].值得一提的是,石墨烯傳感器的響應度隨濃度保持著很好的線性度,沒有出現(xiàn)明顯的飽和現(xiàn)象.此外,石墨烯傳感器在氣體探測中保持著良好的可重復性和選擇性[35].對比單個的霍爾元件或者氫氣傳感器,這種二合一的石墨烯霍爾/氫氣多功能傳感器理論上能夠提供更強大的傳感功能.多功能傳感器的典型應用是可以被用作氫氣泄漏和定位的智能探測系統(tǒng)[35].本項工作證明了石墨烯是一種進行多功能探測的絕佳材料.

圖9 多功能石墨烯磁/氫氣傳感器[35] (a)傳感器的光學照片;(b)傳感器的VH-B圖及線性誤差;(c)傳感器的磁分辨率;(d)傳感器的氫氣探測機理;(e)傳感器的氫氣響應結果;(f)傳感器在不同氫氣濃度下的響應Fig.9.Multifunctional graphene magnetic/hydrogen sensors:(a)Optical image of graphene sensors;(b)VH-B curve and linearity of the graphene sensors;(c)resolution of Hall sensors;(d)mechanism of the graphene hydrogen sensors;(e)hydrogen sensing tests of graphene sensors;(f)hydrogen responses of graphene sensors under different hydrogen concentrations.

3.5 石墨烯霍爾元件的鈍化

圖10 石墨烯霍爾元件的鈍化 (a)鈍化結構示意圖;(b)鈍化后石墨烯電學性能的時間穩(wěn)定性;(c)8周后石墨烯的電回滯特性;(d)鈍化后霍爾元件磁探測性能的時間穩(wěn)定性;(e)霍爾元件的液體抵抗性測試;(f)霍爾元件的氣體抵抗性測試Fig.10.Passivation of graphene Hall elements:(a)Schematics of passivated graphene Hall elements;(b)time stability of the electronic properties of passivated graphene Hall elements;(c)hysterisis of the graphene devices 8 weeks after passivation;(d)time stability of the magnetic responses of passivated graphene Hall elements;(e)liquid-resisting tests of passivated graphene Hall elements;(f)vapor-resisting tests of passivated graphene Hall elements.

石墨烯材料如果被置于空氣中,其電學特性會發(fā)生退化[25].這是因為空氣中的氧氣和水對石墨烯的摻雜和散射作用[25].石墨烯的本征性能越高,在空氣中的性能退化越嚴重.因此,迫切需要一種針對石墨烯霍爾元件的鈍化工藝,能夠隔絕空氣中氧氣和水對石墨烯的負面效應,使霍爾元件的性能維持長時間穩(wěn)定.石墨烯鈍化的難點在于鈍化工藝本身會對石墨烯材料的性能產生明顯的損傷.損傷體現(xiàn)在石墨烯的遷移率下降且受到明顯的n型摻雜.為了降低鈍化層對石墨烯本征特性的負面影響,我們在完成的石墨烯溝道上淀積了5 nm氧化釔(Y2O3)和20 nm氧化鉿(HfO2)作為緩沖層(如圖10(a)所示).隨后,我們使用了等離子體增強CVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)的方法生長了245 nm的氮化硅(Si3N4)作為鈍化層.將鈍化后的石墨烯器件置于空氣環(huán)境中,石墨烯的電學性能在8個星期內變化很小(如圖10(b)所示).值得一提的是,經過了8個星期后,石墨烯器件依然沒有電學回滯(如圖10(c)所示).這證明了鈍化工藝并沒有引入明顯的雜質電荷.石墨烯電學特性的穩(wěn)定使霍爾元件的性能在8個星期內保持高度穩(wěn)定,電流靈敏度的變化比例僅為3.23%(如圖10(d)所示).這表明鈍化后的石墨烯霍爾元件具備很高的時間穩(wěn)定性.為了測試鈍化后石墨烯霍爾元件的液體抵抗性,將石墨烯傳感器置于8種干擾液體中1 min,然后再測試器件的電學特性.如圖10(e)所示,在液體測試中石墨烯器件的遷移率變化幅度在±5%以內,狄拉克點漂移幅度在±3 V以內.因此,可以認為鈍化層能很好地隔離液體環(huán)境對石墨烯特性的干擾.與之相對,來自美國德克薩斯大學的研究團隊在其研究工作中采用20 nm Si3N4鈍化石墨烯,在液體測試中石墨烯電學性能的變化幅度達到了20%[36].這是因為其鈍化層的厚度要低于本項工作.此外,鈍化后的石墨烯器件在真空中和大氣中擁有幾乎完全一致的轉移曲線(如圖10(f)所示).這說明石墨烯已經對外界氣體環(huán)境變得非常遲鈍.這項工作通過緩沖層降低了鈍化工藝對石墨烯本征特性的損傷,鈍化后的石墨烯霍爾元件具備良好的時間穩(wěn)定性,且能夠抵抗外界的液體和氣體環(huán)境的干擾.

4 單片式石墨烯/硅混合霍爾集成電路

眾所周知,石墨烯是一種零帶隙材料,這導致了石墨烯晶體管的開關比很低,并且沒有很好的飽和輸出特性,極大地限制了石墨烯直接在數字電路和放大器等主流電子學領域的應用.因此,將石墨烯器件和主流的硅基CMOS電路進行混合集成就成為一種構建功能更加強大的混合集成電路的靈活可行的解決方案.在這種混合系統(tǒng)中,石墨烯器件和硅基集成電路都可以完成其擅長的工作.

在許多應用場景中,霍爾器件的輸出電壓信號是很小的.因此,霍爾傳感器和后端級聯(lián)的信號放大與處理電路構成的集成系統(tǒng)是一種被廣泛采用的霍爾傳感解決方案[2,7].截止到目前,硅基集成電路技術是發(fā)展最為成熟和先進的集成電路,因此硅基霍爾集成電路占據著市場上霍爾集成電路的主流地位[7].盡管從單個霍爾元件的性能上來說,III-V族霍爾元件要優(yōu)于硅基霍爾元件.但是III-V族材料很難制備得到良好的信號放大和信號處理集成電路.從理論上來講,我們希望將具備最優(yōu)異性能的霍爾元件和最先進的集成電路集成在一起,但是III-V族材料復雜苛刻的工藝使其與硅基集成電路的結合變得非常困難[3?5].III-V族材料霍爾傳感器的工藝往往需要在300°C以上的高溫條件下進行,這遠遠超過了硅基CMOS電路的工作溫度上限(125°C).與之相對,石墨烯霍爾元件則完全沒有這個困擾.在前人的多項工作中,石墨烯已被作為互連材料用于和硅基CMOS電路進行異質集成[37?39].在石墨烯霍爾傳感器的制備工藝中,所有的工藝步驟的溫度都較低,因此不會損傷硅基電路,保證電路可以正常工作.石墨烯霍爾元件和硅基CMOS集成電路的強強聯(lián)合將進一步提升和優(yōu)化霍爾集成電路的性能.

我們開發(fā)了一套制備單片式霍爾集成電路的工藝方法[18].首先采用傳統(tǒng)硅基CMOS 0.18μm工藝制備了具備放大功能的芯片(如圖11(a)所示).在硅基芯片的鈍化層的頂端進行石墨烯霍爾元件的制備(如圖11(a)中藍色方框所示).石墨烯霍爾元件的輸出信號傳輸到硅基芯片的輸入端,經過硅基電路緩沖器和放大器得到放大后的霍爾電壓信號(電路框圖如圖11(b)所示).霍爾元件的加工流程如下:1)利用電子束曝光和電子束蒸發(fā)鍍膜淀積霍爾電極;2)將石墨烯轉移至芯片上;3)利用電子束曝光和氧等離子體刻蝕的方法去除多余石墨烯;4)利用電子束曝光的方法圖形化鈍化石墨烯溝道(鈍化利用SU8材料實現(xiàn)).所有的工藝都是在不超過180°C的溫度下完成的.圖11(c)為完成后的混合集成電路的側視圖.首先測試了單個霍爾元件的磁探測性能(如圖11(d)所示).在3.3 V的電壓激勵下,霍爾元件的絕對靈敏度為0.335 V/T,電壓相對靈敏度為0.10 V/(V·T).從圖11(d)的插圖可以看出霍爾元件的線性誤差在±2%以內.在電流模式下霍爾元件的靈敏度為200 V/(A·T)[2].硅基集成電路在15 Hz下能夠正常工作,放大器的增益為7.2(如圖11(e)所示).在集成測試中,我們使用了一個旋轉的磁體來產生激勵磁場(磁感應強度約為21.7 mT,頻率為15 Hz)[18].霍爾元件的輸出電壓經過硅基集成電路的放大后的信號如圖11(f)所示,從圖中可以計算得到霍爾集成電路的絕對靈敏度為2.17 V/T.對比單個霍爾元件,靈敏度有6.6倍的提升,與放大器的增益相符合.

值得一提的是,由于電路的工作頻率并不在硅基電路的最佳性能頻段內,所以單片式霍爾集成電路的優(yōu)勢并沒有得到完全的發(fā)揮.但是,本項工作中的集成電路工作正常,能夠實現(xiàn)霍爾元件的靈敏度放大功能,已經成功展示出了混合霍爾集成電路的部分性能優(yōu)勢.盡管混合集成電路的磁靈敏度仍低于目前商用的硅基霍爾集成電路(SV≈5 V/(V·T))[6],但石墨烯/硅基混合霍爾集成電路還有巨大的優(yōu)化空間.在材料優(yōu)勢上,石墨烯的超高遷移率和溫度穩(wěn)定性比起硅材料有重大優(yōu)勢.因此,通過改進石墨烯霍爾元件和硅基集成放大電路的工藝,石墨烯/硅CMOS霍爾集成電路將會超過傳統(tǒng)的霍爾集成電路.

圖11 石墨烯/硅CMOS霍爾集成電路的演示[18] (a)硅基芯片的光學照片;(b)集成電路原理示意圖;(c)集成芯片的側視圖;(d)霍爾元件的磁場響應特性;(e)硅基電路的測試結果;(f)霍爾集成電路的測試結果Fig.11.Graphene/silicon CMOS Hall integrated circuits:(a)Optical images of silicon chips;(b)schematics of silicon integrated circuits;(c)side view of the hybrid chips;(d)magnetic responses of graphene Hall elements;(e)testing results of the silicon integrated circuits;(f)integrated testing results of hybrid Hall integrated circuits.

5 結論與展望

本文回顧了石墨烯霍爾傳感器的相關重要研究工作.通過改善石墨烯生長轉移和霍爾元件的微加工工藝,得到了高性能的石墨烯霍爾元件和霍爾集成電路.和傳統(tǒng)的霍爾傳感器相比,石墨烯霍爾元件和霍爾集成電路的優(yōu)勢體現(xiàn)在:1)更優(yōu)的靈敏度、分辨率,這得益于石墨烯的高遷移率、超薄的厚度和易于調控的載流子濃度;2)更好的溫度穩(wěn)定性和線性度,這得益于石墨烯材料特殊的能帶結構和較弱的磁阻特性;3)天然的柔性、多功能傳感特性,石墨烯材料區(qū)別于其他材料的天然材料特性使石墨烯霍爾傳感器能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器所不能完成的獨特應用;4)與硅基CMOS電路的高度工藝兼容性,這歸功于石墨烯霍爾元件簡單的低溫加工工藝,使石墨烯和硅基集成電路能夠實現(xiàn)單片集成.

石墨烯霍爾傳感器的可能應用方向包括以下3方面.1)進行高靈敏度和精確度的磁場探測.在醫(yī)學、機械、工業(yè)生產等許多領域中,都需要進行微小磁場信號的探測.石墨烯霍爾元件能夠同時實現(xiàn)超靈敏和精確的磁場探測,且在測試中保持著非常好的線性度.因此,石墨烯霍爾傳感器在對靈敏度和分辨率要求很高的磁探測領域擁有巨大的性能優(yōu)勢.2)在柔性傳感、多功能傳感、可穿戴電子學和智能娛樂等新型電子學領域中的傳感應用.在本文的工作中已經展現(xiàn)了石墨烯材料在柔性位置傳感和多功能傳感領域的新穎應用.因此有理由相信,通過對石墨烯材料這些新穎特性的合理利用,更多不可替代的傳感功能將在石墨烯霍爾傳感器身上成為可能.3)在霍爾集成電路領域成為性能優(yōu)異、功能強大的磁傳感芯片.基于本文的研究結果,由石墨烯和硅基CMOS電路組成的線性霍爾集成電路已經展示出優(yōu)于商用霍爾集成電路的靈敏度和功耗.與此同時,本文的石墨烯加工工藝還有巨大的優(yōu)化空間(如成品率、均一性和穩(wěn)定性等),硅基芯片的電路設計也還能更加豐富.相信通過工藝的不斷改進和輔助電路功能的進一步增強,石墨烯霍爾集成電路將在未來磁傳感器市場上占有一席之地.

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[37]Lee K,Qazi M,Kong J,Chandrakasan A P 2010IEEE Trans.Electron Dev.57 3418

[38]Chen X,Akinwande D,Lee K,Close G F,Yasuda S,Paul B C,Fujita S,Kong J,Wong H S P 2010IEEE Trans.Electron Dev.57 3137

[39]Lee K,Park H,Kong J,Chandrakasan A P 2013IEEE Trans.Electron Dev.60 383

PACS:85.30.Fg,85.75.Nn DOI:10.7498/aps.66.218501

*Project supported by the Nano Technology Key Development Program of China Key Research and Development Plan(Grant No.2016YF0201900),the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61390504,61621061),and the Beijing Science and Technology Commission Pilot and Material Innovation Project,China(Grant No.D161100002616001-3).

?Corresponding author.E-mail:zyzhang@pku.edu.cn

?Corresponding author.E-mail:lmpeng@pku.edu.cn

High performance graphene Hall sensors?

Huang Le Zhang Zhi-Yong?Peng Lian-Mao?

(Key Laboratory for the Physics and Chemistry of Nanodevices and Department of Electronics,Peking University,Beijing 100871,China)

d 7 August 2017;revised manuscript

16 September 2017)

The state-of-the-art graphene Hall elements and integrated circuits are reviewed.By optimizing the growth and transfer of graphene and the micro-fabrication process of Hall sensor,graphene Hall elements and integrated circuits outperform conventional Hall sensors in many aspects.Graphene Hall elements exhibit better sensitivities,resolutions,linearities and temperature stabilities than commercialized Hall elements.Through developing a set of passivation processes,the stabilities of graphene Hall elements are improved.Besides,the fl exible magnetic sensing and multifunctional detection applications based on graphene are demonstrated.In addition,graphene/silicon hybrid Hall integrated circuits are realized.By developing a set of low temperature processes(below 180°C),graphene Hall elements are monolithically integrated onto the passivation layer of silicon complementary metal oxide semiconductor chip.This work demonstrates that graphene possesses signifi cant performance advantages in Hall magnetic sensing and potentially practical applications.

graphene,Hall sensors,Hall elements,Hall integrated circuits

本文回顧了石墨烯霍爾傳感器的相關研究工作.通過改善石墨烯生長轉移和霍爾元件的微加工工藝,石墨烯霍爾元件和霍爾集成電路都展示出超越傳統(tǒng)霍爾傳感器的優(yōu)異性能.石墨烯霍爾元件的靈敏度、分辨率、線性度和溫度穩(wěn)定性等重要指標都優(yōu)于傳統(tǒng)商用霍爾元件.通過開發(fā)一套鈍化工藝,霍爾元件的穩(wěn)定性有了明顯提升.結合石墨烯材料的特點,展示了石墨烯在柔性磁傳感和多功能傳感領域的新穎應用.此外,成功實現(xiàn)了石墨烯/硅互補型金屬-氧化物-半導體(CMOS)混合霍爾集成電路,并進行了應用展示.通過發(fā)展一套低溫加工工藝(不超過180°C),將石墨烯霍爾元件制備在硅基CMOS芯片的鈍化層上,從而與硅基CMOS電路實現(xiàn)了單片集成.本文的研究結果表明石墨烯在霍爾磁探測方向擁有重大的性能優(yōu)勢,在產業(yè)化應用中有巨大發(fā)展?jié)摿?

10.7498/aps.66.218501

?國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項項目(批準號:2016YF0201900)、國家自然科學基金(批準號:61390504,61621061)和北京市科學技術委員會先導與優(yōu)勢材料創(chuàng)新項目(批準號:D161100002616001-3)資助的課題.

?通信作者.E-mail:zyzhang@pku.edu.cn

?通信作者.E-mail:lmpeng@pku.edu.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society