Открыть главное меню

Графеновый полевой транзистор

Графеновый полевой транзистор — транзистор из графена, который использует электрическое поле, создаваемое затвором для управления проводимостью канала. На сегодняшний момент не существует промышленного способа получения графена, но предполагается, что его хорошая проводимость поможет создать транзисторы с высокой подвижностью носителей и по этому показателю превзойти подвижность в полевых транзисторах на основе кремниевой технологии[1].

Созданные полевые транзисторы не совершенны и обладают большими токами утечки (из-за того, что графен — полуметалл), хотя модуляция проводимости может быть существенной[2].

Графеновые нанолентыПравить

Основная статья: Графеновые наноленты

Так как графен является полуметаллом, то невозможно избавиться от носителей в нём при приложении затворного напряжения, и поэтому всегда будет существовать высокий ток утечки в графеновых структурах. Для преодоления этого нежелательного эффекта предлагается использовать узкие полоски графена, из-за размера называемые нанолентами, где благодаря квантово-размерному эффекту возможно образование запрещённой зоны, ширина которой обратно пропорциональна поперечному размеру ленты[3][4].

Однако не все наноленты обладают запрещённой зоной, поскольку это сильно зависит от расположения граничных атомов, и в общем случае все наноленты с расположением атомов на краю зигзагом (англ. zig-zag) не имеют запрещённой зоны. Tолько если атомы расположены в виде кресла (англ. armchair), и количество их отлично от (3N-1), где N — целое число, образуется запрещённая зона[5]. При возникновении дефектов на границе наноленты переходят из металлического состояния в полупроводниковое. Так как не представляется возможным добиться атомарной точности при литографии, получить металлическую наноленту до сих пор не удалось. Существует, однако, несколько работ, посвящённых исследованию ширины запрещённой зоны от ширины наноленты[3], где показано, что при ширине ленты 20 нм ширина запрещённой зоны составляет 28 мэВ.

Теоретическому исследованию электронной структуры нанолент посвящено много работ, как основанных на модели сильно связанных электронов[5], так и с использованием решения уравнения Дирака[6], а также численные методы[7][8][9].

ЗатворПравить

Основная статья: Верхний затвор (графен)

Первый прибор с затвором был продемонстрирован в работе[10], где авторы использовали стандартную электронную литографию. Металлический затвор покоился на тонком слое диэлектрика (SiO2). Качество прибора заметно ухудшилось благодаря дополнительному рассеянию носителей в графене, но авторы наблюдали более слабую модуляцию проводимости при приложении напряжения к затвору, чем в случае с обратным затвором. Несмотря на гораздо более пологую зависимость сопротивления от приложенного затворного напряжения, эта работа показала, что обычные методы электронной литографии можно применять и в случае графена.

Альтернативные подходыПравить

На данный момент существуют несколько подходов к созданию полевых транзисторов на основе графена. Среди них можно выделить экспериментально реализованный транзистор на основе кулоновской блокады и использование нового эффекта предсказанного в работе[2].

Кулоновская блокадаПравить

На основе графена возможно построить квантовую точку, в которой при достаточно малых размерах можно наблюдать кулоновскую блокаду[2].

Баллистический транспорт и электронные линзы ВеселагоПравить

В работе[11] показано, что p—n-переход может служить эффективным средством фокусировки баллистических электронов.

Двухслойный графенПравить

Основная статья: Двухслойный графен

Двухслойная плёнка графена обладает не линейным, а параболическим законом дисперсии с нулевой энергетической щелью[12].

Влияние подложкиПравить

Графен, помещённый на подложку BN, обладает спектром носителей с конечной массой[13].

Эпитаксиальный графенПравить

Все вышеприведённые примеры транзисторов были получены с помощью отщепления слоёв графита посредством липкой ленты — процесса ненадёжного и не совместимого с технологическим производством, хотя образцы полученные таким методом обладают на сегодняшнее время самыми хорошими характеристиками. Существует также другой способ получения плёнок графена на подложке карбида кремния (SiC) путём её термического разложения.[14] Этот способ гораздо ближе к масштабному производству.

ПримечанияПравить

  1. Novoselov K. S. et al. «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science 306, 666 (2004) DOI:10.1126/science.1102896
  2. 1 2 3 Geim A. K. and Novoselov K. S. The rise of graphene Nat. Mat. 6, 183 (2007) DOI:10.1038/nmat1849
  3. 1 2 Chen Z. cond-mat/0701599
  4. Han M. Y. cond-mat/0702511
  5. 1 2 Nakada K. et al., Edge state in graphene ribbons: Nanometer size effect and edge shape dependence Phys. Rev. B 54, 17954 (1996) DOI:10.1103/PhysRevB.54.17954
  6. Brey L. and Fertig H. A., Electronic states of graphene nanoribbons studied with the Dirac equation Phys. Rev. B 73, 235411 (2006) DOI:10.1103/PhysRevB.73.235411
  7. Barone V. et al., Electronic Structure and Stability of Semiconducting Graphene Nanoribbons Nano Lett. 6, 2748 (2006) DOI:10.1021/nl0617033
  8. Son Y. et al., Energy Gaps in Graphene Nanoribbons Phys. Rev. Lett. 97, 216803 (2006) DOI:10.1103/PhysRevLett.97.216803
  9. Son Y. et al., Half-metallic graphene nanoribbons Nature 444, 347 (2006) DOI:10.1038/nature05180
  10. Lemme M. C. et al., A Graphene Field-Effect Device IEEE Electron Dev. Lett. 28, 282 (2007) DOI:10.1109/LED.2007.891668
  11. Cheianov V. V. at al., The Focusing of Electron Flow and a Veselago Lens in Graphene p—n Junctions Science 315, 1252 (2007) DOI:10.1126/science.1138020
  12. Ohta T. et al., Controlling the Electronic Structure of Bilayer Graphene Science 313, 951 (2006) DOI:10.1126/science.1130681
  13. Giovannetti G. arXiv:0704.1994
  14. Berger C. et al., Electronic Confinement and Coherence in Patterned Epitaxial Graphene Science 312, 1191 (2006) DOI:10.1126/science.1125925

СсылкиПравить

  • Валерий Кривецкий, «Графен разбит на лоскуты», 06.02.2007 Ссылка