Полевой туннельный транзистор на графене

Новый подход к созданию полевого транзистора на основе графена предложен группой исследователей Манчестерского университета, возглавляемой лауреатами Нобелевской премии А. Геймом и К. Новоселовым. Разработанный ими транзистор имеет многослойную структуру (рис. 3.34), изготовленную следующим образом. На пластину окисленного кремния исследователи нанесли сравнительно толстый слой гексагонального нитрида бора (h-BN), который играет роль высококачественной атомарно-гладкой подложки. На поверхности h-BN был сформирован слой графена Cr_B, закрытый тонкой (около 1 нм) прокладкой из гексагонального нитрида бора h-BN, выполняющей функции изолирующего барьера, а затем еще один монослой графена Cr_T. Последним элементом этой конструкции, напоминающей сэндвич, стал второй толстый слой h-BN. Распределение слоев показано на рис. 3.34б. Главную роль в этой структуре играют два слоя графена Cr_B и Cr_T, разделенных слоем туннельно прозрачного диэлектрического материала из нитрида бора.

а) б)

Рис. 3.34. Структура полевого туннельного транзистора на графене (а) и распределение слоев (б)

При испытаниях транзистора с такой многослойной структурой исследователи прикладывали управляющее напряжение V_g между кремниевой подложкой и графеновым электродом Gr_B, наблюдая за тем, как это повлияет на величину туннельного тока I(рис. 3.35а). Туннельный ток, возникающий при конечном напряжении смещения V_b между графеновыми электродами Gr_B и Gr_T, демонстрирует типичную для обычных полевых транзисторов зависимость от V_b (рис. 3.35б). Отношения значений туннельной проводимости σ = I/V_b (V_b − напряжение смещения, прикладываемое между монослоями атомов углерода Gr_B и Gr_Т), измеренной на разных V_g, достигали 50.

Следует отметить, что использование графена в качестве наружного электрода Gr_T обусловлено только удобством эксперимента, и в дальнейшем этот электрод может быть заменен на металлический. При Т = 300 К отношение I_on/I_off составляет около 50 и практически не изменяется после охлаждения до температуры жидкого гелия, что объясняется большой (намного превышающей тепловую энергию) высотой туннельного барьера (равной 1,5 эВ), обусловленного наличием слоя h-BN.

а) б)

Рис. 3.35. ВАХ полевого туннельного транзистора: а) схема измерений; б) результаты измерений

(на вставке – сравнение экспериментальной (красная) и теоретической (зеленая) ВАХ при V_g = 5 В

Один из возможных путей дальнейшего увеличения I_on/I_off заключается в замене h-BN на диэлектрик с чуть более узкой запрещенной зоной. Так, для транзисторов из графена с барьером из молибденита MoS₂ (ширина запрещенной зоны 1.3 эВ) получено I_on/I_off ≈ 10⁴ при комнатной температуре. Этого уже вполне достаточно для транзисторов в логических схемах. Однако следует отметить, что в современных кремниевых полевых транзисторах отношение I_on/I_off превосходит 10⁷. Кроме того, в предлагаемой конструкции огромные величины сопротивления между слоями графена и емкости между ними обусловливают довольно большое время задержки, что ограничивает рабочий диапазон частот таких транзисторов. Тем не менее, ученые надеются, что после некоторых улучшений и доработок размер таких транзисторов будет уменьшен до нанометрового уровня, а их рабочие частоты могут приблизиться к терагерцовым значениям.