提高量子電阻芯片中霍爾器件的集成密度,是實現量子電阻多量值的關鍵。然而,霍爾器件尺寸微縮是否影響石墨烯基量子電阻性能,成為該領域亟待研究的科學問題之一。

針對上述問題,中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究團隊,在同一石墨烯單晶襯底上,制備出具有不同溝道寬度的霍爾器件。實驗結果表明,寬度減小導致實現完全量子化所需的磁場強度升高。研究團隊通過費米速度測量與角分辨光電子能譜(ARPES)分析發現,能帶結構變化和電子—電子相互作用是引起上述尺寸依賴效應的主要原因。團隊進一步結合有限數據下的機器學習分析,確定了約360μm的溝道寬度,是電阻量值不確定度與提高器件集成度之間的優化平衡點,并基于此制備出輸出量值為8.604kΩ的石墨烯量子電阻陣列。

團隊通過制備不同溝道寬度的石墨烯霍爾器件,并旋涂摻雜劑,精確調控載流子類型和密度。測量結果發現,石墨烯霍爾器件中的載流子密度隨溝道寬度變化呈現規律性差異,即在電子摻雜條件下,載流子密度隨溝道寬度增加而降低;在空穴摻雜條件下,則相反。這一現象在溝道寬度≤400μm時尤為明顯,直接影響了器件進入量子化霍爾平臺所需的磁場閾值。

為揭示其物理機制,團隊結合輸運測量與ARPES,發現器件尺寸變化會導致石墨烯能帶結構的細微重整化。費米速度測量進一步證實,電子—電子相互作用與尺寸效應共同改變了狄拉克錐形狀,從而引起載流子密度隨尺寸變化。基于此規律,團隊采用支持向量回歸(SVR)機器學習模型,對溝道寬度等參數進行協同優化,確定了約360μm為電阻不確定度與集成密度間的最佳平衡點,并據此制備輸出量值為8.604kΩ的量子霍爾電阻陣列。該陣列在約±1.5T磁場下,即可進入量子化平臺,并于85μA電流下,達到3.0×10??的最低不確定度。

該研究揭示了石墨烯量子霍爾器件中,載流子密度的顯著尺寸依賴效應,為高性能、多量值的量子電阻器件設計提供了關鍵依據。

近日,相關研究成果發表在Materials Today Physics上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、上海市等的支持。

不同溝道寬度石墨烯霍爾器件中載流子隨溝道寬度的變化情況

基于機器學習SVR模型預測的器件不確定度與摻雜濃度、電流、溝道寬度之間的關系圖

輸出量值為8.604kΩ的量子電阻陣列照片和高精度測量結果