Udvikling af grafentransistor med nyt driftsprincip

AIST-forskere har udviklet en grafentransistor med et nyt driftsprincip. I den udviklede transistor, to elektroder og to topporte er placeret på grafen, og grafen mellem topportene bestråles med en heliumionstråle for at introducere krystallinske defekter. Portforspændinger påføres de to øverste porte uafhængigt, gør det muligt effektivt at kontrollere bærertætheder i de top-gatede grafenområder. Et elektrisk strøm tænd/sluk-forhold på cirka fire størrelsesordener blev demonstreret ved 200 K (ca. -73 °C). Ud over, dens transistorpolaritet kan styres elektrisk og inverteres, hvilket til dato ikke har været muligt for transistorer. Denne teknologi kan bruges i den konventionelle produktionsteknologi af integrerede kredsløb baseret på silicium, og forventes at bidrage til realiseringen af ​​elektronik med ultralavt strømforbrug ved at reducere driftsspændingen i fremtiden.

Detaljer om denne teknologi blev præsenteret på 2012 International Electron Devices Meeting (IEDM 2012) afholdt i San Francisco, USA., fra 10. til 12. december, 2012.

I de seneste år, stigningen i strømforbruget i forbindelse med udbredelsen af ​​mobile informationsterminaler og fremskridtene inden for IT-enheder er blevet en bekymring. Samfundets efterspørgsel efter reduktion af den strøm, der forbruges af elektroniske informationsenheder, er stigende. Selvom forsøg på at reducere strømforbruget af storskala integrerede kredsløb (LSI'er) er blevet avanceret, den konventionelle transistorstruktur anses for at have iboende grænser. I mellemtiden elektronmobilitet af grafen, som repræsenterer den lette elektronbevægelse, er mindst 100 gange større end siliciums. Det forventes også, at grafen kan bruges til at løse problemerne med de iboende grænser for silicium og andre materialer. Derfor, grafen har potentialet til at fjerne forhindringen for at reducere strømforbruget af LSI'er, og det forventes, at grafen vil blive brugt som materiale til transistorer med ultra-lavt strømforbrug fra post-siliciumalderen, der udnytter nye funktionelle atomfilm.

Imidlertid, når grafen bruges i en koblingstransistor, elektrisk strøm kan ikke afbrydes tilstrækkeligt, fordi grafen ikke har noget båndgab. Også, selvom der er teknologi til at danne båndgab, elektronmobilitet falder, når det båndgab, der kræves til omskiftning, dannes. Derfor, Der kræves en grafentransistor med et nyt driftsprincip, der kan udføre koblingsoperationen effektivt med et lille båndgab.

Driftsprincippet for den nyudviklede grafentransistor er vist i fig. 1(a) til 1(c). For at skabe et transportgab i grafen i kanalen mellem de to øverste porte, et helium ion mikroskop blev brugt til at bestråle helium ioner med en tæthed på 6,9 x 10 ¹⁵ ioner/cm ² at introducere krystallinske defekter. Grafenens energibånd på begge sider af kanalen kan moduleres ved elektrostatisk kontrol ved at påføre forspændinger til topportene. Polariteten af ​​bærerne i grafen kan ændres mellem n-type og p-type, afhængig af polariteten af ​​de forspændinger, der påføres topportene. Når polariteterne på begge sider af kanalen er forskellige, transistoren er i en slukket tilstand (fig. 1(b)). Når polariteterne er de samme, transistoren er i en tændt tilstand (fig. 1(c)). Når en konventionel transistor (fig. 1(d) til 1(f)) er i en slukket tilstand, bærertransport er blokeret af en barriere dannet på kilde- eller afløbssiden af ​​kanalen med transportspalten. Imidlertid, som vist i fig. 1(e), lækstrømmen af ​​transistoren i slukket tilstand er stor, fordi der kun dannes en lille barriere. I mellemtiden som fig. 1(b) viser, transportgabet i den udviklede transistor fungerer som en barriere, der er større end den for konventionelle transistorer (fig. 1(e)) og blokerer ladningsoverførsel. Som resultat, det er muligt at opnå en overlegen slukket tilstand end konventionelle transistorer.

I den udviklede transistor, længden af ​​kanalen, hvor mobiliteten normalt forringes, kan reduceres til en kortere længde end konventionelle transistorer. Ud over, fordi den udviklede transistor kan opnå en effektiv slukket tilstand med et lille transportgab, transportgabet kan gøres mindre end ved konventionelle anordninger. På grund af disse egenskaber, tænd/sluk-driften af ​​transistoren kan udføres hurtigere end med konventionelle transistorer, og således antages det, at en LSI med lavere strømforbrug kan realiseres ved at reducere kredsløbets driftsspænding. Ud over, transistorerne kan fremstilles ved hjælp af den konventionelle fremstillingsteknologi til integrerede siliciumkredsløb, såsom litografi, aflejring, og dopingprocesser, og kan også nemt fremstilles i waferskala.

For at demonstrere transistordriften af ​​det nye operationsprincip, en transistor blev fremstillet ved at danne source- og drænelektroder og et par topporte på et enkeltlags grafen isoleret fra grafit. En passende dosis heliumioner blev påført mellem de øverste porte for at lave en heliumionbestrålet kanal (fig. 2, blå stiplet linje), og den ydre unødvendige grafen blev bestrålet med en stor dosis heliumioner for at gøre det til en isolator (fig. 2, rød stiplet linje). Som resultat, transistorkanalen er 20 nm i længden og 30 nm i bredden.

On/off-drift af den fremstillede transistor blev udført ved den lave temperatur på 200 K (ca. -73 °C). Kilde- og drænterminalerne blev påført med forspændinger på -100 mV og +100 mV, henholdsvis. Portforspændingen af ​​afløbssideporten blev fastsat til -2 V, and that of the source-side gate was swept from −4 V to +4 V and the electric current flowing between the source and drain electrodes was measured. An on/off ratio of approximately four orders of magnitude was observed (Fig. 3).

In the developed transistor, the on state or off state is controlled according to whether the polarities of the voltages applied to the two top gates are the same or different. Derfor, by fixing one gate bias and changing its polarity, it is possible to control whether the transistor operation by sweeping the other gate voltage is n-type or p-type. In the present experiment, voltages of −100 mV and +100 mV were applied to the source and drain terminals, henholdsvis. The relation between the source-drain current and the bias of the source-side gate when the gate voltage of the drain-side, V _tgD , is fixed to be positive (Fig. 4(a)), is shown in Fig. 4(b). A logarithmic plot of the same data is shown in Fig. 4 (c). Her, when the gate voltage of the source-side is negative, the transistor is off, and when it is positive, the transistor is on. So it operates as an n-type transistor. I mellemtiden the relation between the source-drain current and the bias of the source-side gate when the gate voltage of the drain-side is negative (Fig. 4(d)), is shown in Figs 4(e) and 4(f). In this case, when the gate voltage of the source-side is negative, the transistor is on, and when positive, the transistor is off. So it operates as a p-type transistor. Med andre ord, it was actually demonstrated that the polarity of a single transistor can be inverted by electrostatic control.

The transistor polarity of conventional silicon transistors is determined by the type of ion for doping, so it is not possible to change the polarity once a circuit is formed. Imidlertid, because the polarity of the developed transistor can be electrostatically controlled, it is possible to realize an integrated circuit whose circuit structure can be electrically changed.

The researchers are aiming to realize CMOS operation in which transistor polarities can be changed through electrical control. They are also aiming to create a device prototype using a large-scale wafer with graphene synthesized by the CVD method (chemical vapor-phase deposition method). På samme tid, efforts to achieve higher-quality graphene will be made in order to improve the on/off ratio of electric current at room temperature and carrier mobility.