界面增强石墨烯纳晶碳膜/SiO₂/p-Si异质结室温面内磁致电阻效应

石墨烯在室温范围的磁致电阻行为主要来自磁场对沿其法向面内传输载流子的散射偏转。为了提高上述磁致电阻效应，一种有效途径是将石墨烯与半导体结合，在异质界面形成局域化的高迁移率通道，从而增强载流子偏转引起的电阻增大。然而，石墨烯通常只能在特定衬底（例如Ni，Fe，Cu）生长，需要通过转移才能与常见的半导体材料（例如Si，SiO2）形成异质结构，这限制了石墨烯磁致电阻效应器件的质量控制和批量生产。因此，探索可直接在晶圆级尺度的硅片上大规模性地制备石墨烯基异质磁致电阻器件具有重要意义。

本文工作利用课题组自主研发的电子回旋共振量子制造系统在硅基衬底上原位生长石墨烯纳晶薄膜。如图1所示，首先在离子照射模式下刻蚀SiO2层达到预期厚度，之后切换到电子照射模式诱导站立式石墨烯纳晶（GNC）薄膜生长，制成GNC-SiO2-Si异质器件，其界面方向与电流方向平行。实验结果显示，GNC/SiO2/p-Si 器件在温度超过200 K时发生磁致电阻变号（由负到正），并在280-300 K范围展现出最大磁致电阻，而这正与载流子迁移率达到最高有关。当SiO2层为5 nm时，器件的室温磁致电阻与没有SiO2层相比提高八倍，与SiO2层为50 nm相比提高近百倍，这归因于5 nm-SiO2层的存在使得异质界面形成高质量载流子通道，从而极大地提高了界面空穴气的迁移率（如图2所示）。

图1：电子回旋共振（ECR）等离子体辅助制造系统的示意图，（a）当将-50 V偏压施加到衬底上时形成离子刻蚀模式，以减小SiO2厚度；（b）当向衬底施加80 V偏压以及向靶材施加340 V偏压时形成电子照射模式以生长石墨烯纳晶碳（GNC）薄膜。

图2：室温下(a) GNC-SiO2-50 nm、(b) GNC - SiO2-5 nm和(c) GNC-SiO2-0 nm异质结构的载流子输运；(d)随着温度的升高，在GNC/SiO2/Si界面处形成高迁移率通道。

这项研究展示出电子回旋共振量子制造方法可以实现晶圆尺度下石墨烯纳晶-半导体衬底异质器件的精准原位生长。由于与经典的物理气相沉积工艺兼容，这一方法为面向磁性传感器和磁性逻辑器的石墨烯基磁电阻器件高性能大规模生产提供了实用途径。

该成果发表在Appl. Phys. Lett. 120, 212402 (2022)；DOI：10.1063/5.0087316，本文第一作者为课题组硕士生孙康成同学。值得注意的是，王超副教授团队近年来在石墨烯基衍生碳纳米材料领域开展了一系列有意义的研究工作，包括电流可调节巨大的磁致电阻开关性能（Carbon. 2022, 190, 291-298）；石墨烯纳晶碳膜的本征磁致电阻效应机理（Carbon. 2020, 163, 19-25）等等。

原文信息

标题：Interlayer-enhanced room temperature in-plane magnetoresistance in graphene nano-crystalline carbon (GNC) film/SiO2/p-Si heterostructures

期刊号：Appl. Phys. Lett. 120, 212402 (2022)

作者：Kangcheng Sun, Xiaohan Chen, Qingkang Ren, and Chao Wang*

原文链接：

https://doi.org/10.1063/5.0087316

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