利用低溫低頻噪聲分析六方氮化硼石墨烯超晶格結(jié)構(gòu)

X. Li, et al [3]通過外延生長制備石墨烯/h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種新型超晶格結(jié)構(gòu)提供了同時(shí)觀察Dirac點(diǎn)(DP)和 Satellite Dirac 點(diǎn)(SDP)的機(jī)會(huì)。作者對(duì)于器件的 1/f 噪聲特性做了一系列測量和分析，得到了原本只能通過掃描隧道顯微鏡或低溫磁輸運(yùn)測試才能獲得的推論。
 
作者在 300K 對(duì) 4 個(gè)基于 h-BN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的石墨烯場效應(yīng)管做測量，測得其電阻隨背柵電壓Vbg 的變化，如圖3-1(a-d)；測得在100Hz處的歸一化噪聲功率譜密度 Sid/Id2 隨 Vbg 的變化，如圖3-1(e-h)。1/f 噪聲譜上的3個(gè)局部小值點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng) 2 個(gè)SDP 點(diǎn)和 1 個(gè) DP 點(diǎn)，與電阻測量的結(jié)果一致。對(duì)于所有器件，1/f 噪聲在 Vbg=-5V 附近處有一個(gè)局部低點(diǎn)，對(duì)應(yīng) DP 點(diǎn)；其它兩個(gè)極小值點(diǎn)對(duì)應(yīng) SDP 點(diǎn)。
 
在 SDP 處，電子和空穴同時(shí)貢獻(xiàn)噪聲，殘留電荷對(duì)于陷阱電荷提供有效的屏蔽。當(dāng)柵壓遠(yuǎn)離從負(fù)向遠(yuǎn)離SDP時(shí)，空穴強(qiáng)于電子，電子引起的噪聲增量將多于空穴引起的噪聲減少；當(dāng)柵壓從正向遠(yuǎn)離 SDP 時(shí)，電子強(qiáng)于空穴，空穴引起的噪聲增量多于電子引起的噪聲減少；因此在SDP處會(huì)觀測到一個(gè)噪聲極小值。在 SDP 附近，噪聲極值點(diǎn)的表現(xiàn)，要比電阻的表現(xiàn)顯著得多。實(shí)驗(yàn)中4個(gè)器件在 SDP 附近表現(xiàn)出類似的IV特性，但噪聲特性有顯著差異。
 

圖3-1.(a-d)Resistance versus applied gate voltage (Vbg) for four different graphene/h-BNsamples at room temperature, Vd=50mV. (e-h) Current spectral density Sid/Id2at f = 100 Hz versus back gate voltage Vbg for the corresponding FETs. The dotted lines show that the resistance peaks in panels a-d coincide with the(Sid/Id2) min in the panels e-h.
 
作者進(jìn)一步研究噪聲功率譜與電流的關(guān)系，如圖3-2，注意到左右 SDP 處噪聲的不對(duì)稱性相對(duì)于電流顯著得多。在這種超晶格中觀測到的非對(duì)稱的噪聲現(xiàn)象，不能用傳統(tǒng)的噪聲模型解釋。因?yàn)槔?Hooge 模型和 McWorther 模型等經(jīng)典模型，噪聲均依賴于載流子數(shù)或遷移率波動(dòng)。而在這里電流接近但噪聲不同，噪聲的非對(duì)稱性應(yīng)該與一種電子-空穴的對(duì)稱性破缺有關(guān)，它源自鄰近層間耦合，并且這種機(jī)制與載流子數(shù)或遷移率波動(dòng)相比有很顯著的影響。
 

圖3-2.(a)Asymmetry in drain current (red) and noise level (blue) at the two SDPs forfour different devices at room temperature. (b) Area normalized noise spectral density as a function of mobility at the DP and two SDPs.
 
作者進(jìn)一步對(duì)比同一個(gè)器件在 300K 和 4.3K 的溫度條件下，不同 Vbg 條件下測得電阻（Vd=50mV）和歸一化噪聲功率譜密度（f=100Hz），如圖3-3。在低溫下，SDP 仍然對(duì)應(yīng)噪聲極小值點(diǎn)。對(duì)于 DP 點(diǎn)，噪聲隨柵壓變化，在常溫下表現(xiàn)為M型，而在低溫下轉(zhuǎn)變?yōu)棣?。這可以解釋為，由于低溫下活躍陷阱凍結(jié)而電子能夠更好地屏蔽電勢(shì)波動(dòng)，使得噪聲形態(tài)從M型變?yōu)棣?；?SDP 點(diǎn)處 V 型的噪聲形態(tài)不隨溫度變化，說明電子屏蔽效應(yīng)在此處不明顯，而 SDP 能級(jí)處也沒有很多活躍陷阱。
 

圖3-3.(a-b)Resistance versus applied gate voltage (Vbg) for device 1 at 300 and 4.3K. (c-d) Current spectral density Sid/Id2 at f=100 Hz versus back gate voltage Vbg for the same device at the corresponding temperature.
 
作者引入的低頻噪聲測試，作為非破壞性的手段，能夠用于確定石墨烯/h-BN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管的DP、SDP，并進(jìn)一步協(xié)助分析結(jié)構(gòu)機(jī)理，獲得之前只能通過掃描隧道顯微鏡電鏡或低溫磁輸運(yùn)測試才能獲得的結(jié)論。