石墨烯量子霍尔效应：载流子类型依赖性及其计量学应用

 

石墨烯因其零带隙能带结构和高载流子迁移率，在量子霍尔效应研究中具有独特优势。然而，基于碳化硅衬底的石墨烯（SiC/G）器件中，n型与p型载流子的输运性能差异显著。Xfilm埃利测量作为电阻检测领域的创新引领者，依托ECOPIA 霍尔效应测试仪HMS-3000的高精度量测能力，系统研究了SiC/G器件中n型与p型载流子的输运性能差异，并评估了其在量子计量中的应用潜力，为器件优化提供了理论支持。

单层石墨烯的整数量子霍尔效应示意图

实验设计与低温输送性能对比

/Xfilm

 

通过双层PMMA掺杂工艺调控F4TCNQ⁻阴离子吸附量，制备载流子浓度相近的n型和p型SiC/G器件（载流子浓度：5×10¹⁰cm⁻²）。在5K低温与9T磁场下，两类器件均表现出整数量子霍尔效应（IQHE），霍尔电阻稳定于量子化值RH=h/(2e²)，纵向电阻趋近于零。但p型器件进入量子霍尔态所需的临界磁场（Bc）显著高于n型（p型比n型高1.2T）。n型器件迁移率（μ）始终优于p型，且在载流子浓度升高时，μ下降趋势更平缓（n型：Δμ≈20%，p型：Δμ≈35%）。

n型与p型器件的霍尔电阻和纵向电阻随磁场变化曲线

 

载流子类型依赖性的物理机制

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p型器件性能劣化源于掺杂诱导的强散射效应：

散射机制：初始SiC/G材料具有本征电子掺杂特性，制备p型器件需通过F4TCNQ⁻阴离子吸附中和电子并诱导空穴导电，导致表面负电荷密度升高（实验值：n型掺杂浓度≈1×10¹²cm⁻²，p型≈3×10¹²cm⁻²）。

理论计算（基于Born近似散射模型）：p型空穴与F4TCNQ⁻阴离子的库仑吸引力使散射截面比n型高3倍（σp/σn≈3:1），而n型电子因托马斯-费米屏蔽效应减弱排斥作用。

实验验证：p型器件迁移率仅为n型的1/3。

量子相干性破坏：弱局域化分析显示，p型器件的相位相干长度（Lφ）随温度升高按Lφ∝T-0.5规律衰减，在10K时Lφ=0.6μm，仅为n型（1.2μm）的50%，表明其量子相干性受非弹性散射显著破坏。

F4TCNQ⁻阴离子对电子和空穴的散射截面理论计算结果

变温输送行为与计算应用潜力

/Xfilm

 

在5–100K温区内，两类器件均维持填充因子ν=±2的量子霍尔平台（霍尔电阻稳定于h/(2e²)，纵向电阻趋零），但差异表现为：

临界磁场温度依赖性：p型器件的Bc差值随温度升高扩大（5K时ΔB=1.2T，30K时ΔB=2.2T），与热激发导致散射增强的理论模型一致。

热稳定性对比：在6T磁场下，p型器件的剩余电阻率随温度升高急剧上升（50K时ρp=300Ω），远超n型（ρn=60Ω），证实其热稳定性劣化。

局域化效应：变程跳跃模型分析显示，p型局域化长度（ξp=97nm）远大于n型（ξn=30nm），反映其更强的朗道能级展宽（源于高浓度散射中心的非均匀势场）。

n型p型器件变温对比

ECOPIA霍尔效应测试仪 HMS-3000

/Xfilm

 

 

ECOPIA霍尔效应测试仪HMS-3000是一款专业用于半导体材料电学特性分析的高精度仪器。该仪器可精准测量载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数等关键参数，这些参数是表征半导体材料电学性能的核心指标。

高精度恒流源（1nA~20mA），适应不同材料的测试需求

 

 

六级电流精细分级，最大限度降低误差，确保测量准确性

 

 

低噪声测量技术：范德堡法则转换+非接触式设计，有效抑制仪器噪声，提升信号纯净度

 

 

借助ECOPIA霍尔效应测试仪HMS-3000的高精度测量，精准表征了载流子浓度、迁移率等关键参数，为器件优化提供了数据支撑。Xfilm埃利测量作为量测技术引领者，助力集成电路与新能源领域突破技术瓶颈，为半导体技术发展注入创新动能。

原文出处：《石墨烯量子霍尔效应及其在量子电阻计量芯片中的应用》