Mitigation of Device Heterogeneity in Graphene Hall Sensor Arrays Using Per-Element Backgate Tuning

石墨烯 材料科学 霍尔效应传感器 灵敏度(控制系统) 光电子学 电压 CMOS芯片 霍尔效应 纳米技术 磁场 电子工程 电气工程 物理 磁铁 工程类 量子力学
作者
Vasant Iyer,A. T. Charlie Johnson,Firooz Aflatouni,David Issadore
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (30): 39761-39770 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.4c03288
摘要

Graphene Hall-effect magnetic field sensors (GHSs) exhibit high performance comparable to state-of-the-art commercial Hall sensors made from III-V semiconductors. Graphene is also amenable to CMOS-compatible fabrication processes, making GHSs attractive candidates for implementing magnetic sensor arrays for imaging fields in biosensing and scanning probe applications. However, their practical appeal is limited by response heterogeneity and drift, arising from the high sensitivity of two-dimensional (2D) materials to local device imperfections. To address this challenge, we designed a GHS array in which an individual backgate is added to each GHS, allowing the carrier density of each sensor to be electrostatically tuned independent of other sensors in the array. Compared to the constraints encountered when all devices are tuned with the same backgate, we expected that the flexibility afforded by individual tuning would allow for the array's sensitivity, uniformity, and reconfigurability to be enhanced. We fabricated an array of 16 GHSs, each with its own backgate terminal, and characterized the ability to modulate GHS carrier density and Hall sensitivity within CMOS-compatible voltage ranges. We then demonstrated that individual device tuning can be used to break the trade-off between device sensitivity and uniformity in the GHS array, allowing for enhancement of both objectives. Our results showed that GHS arrays exhibiting >30% variability under single-backgate operation could be compensated using individual tuning to achieve <2% variability with minimal impact on the array sensitivity.

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