Grafeentransistor

Grafeentransistor on transistor, mis sarnaneb tööpõhimõttelt tavalise väljatransistoriga, kuid selle ehituses kasutatakse väga õhukesi grafeenikihte, mis tagavad grafeentransistorile väga väikesed mõõtmed.

Ajalugu

Esimese grafeeni baasil transistori prototüübi töötas 2004. aastal välja Manchesteri Ülikooli teadlane professor Andrei Geim koos oma meeskonnaga. Algsete grafeeni baasil transistoride töös oli palju ebaselget ja seetõttu ei õnnestunud luua kasutuskõlblikku seadist. Järgneva aastakümne jooksul toimus grafeeni baasil transistoride arenduses ja uurimises tohutu edasiminek ning pidev arendustöö kestab edasi. Esimese grafeentransistori looja professor Geimi arvates on grafeen räni järeltulija, kuid tõenäoliselt ei jõua sellel tehnoloogial põhinevad mikrokiibid laiale turule varem kui aastal 2025.

Grafeentransistoride eelised

Praegune, peamiselt ränil põhinev pooljuhttehnoloogia on oma arenguga lähenemas fundamentaalsete võimaluste piiridele. Seepärast otsitakse uusi mittetraditsioonilisi materjale, mille tööolekut saaks tüürida (juhtida, muuta) elektriväljaga. Üht võimalikku lahendust pakuvad süsiniknanotorud (CNT), kuid suure hulga identsete karakteristikutega nanotorude tootmine on siiani raske tehnoloogiline ülesanne. Praegustele uurimistulemustele tuginedes tundub, et grafeen lahendab selle probleemi lähitulevikus. Juba on olemas tehnoloogiad, mis võimaldavad katta pinda ühtlase grafeenikihiga näiteks keemilise aurufaassadestuse (CVD) või [[ALD |aatomkihtsadestuse meetodil.
Grafeemil põhinevat seadist peetakse elektroonikatööstuses räni basil seadiste vägagi reaalseks järeltulijaks.

Grafeentransistori valmistamine

Grafeeni on saadud peamiselt õhukeste lehtedena mikromehaanilise lõhestamise teel, kuid see ei sobi elektroonikatööstuse tarbeks. Seepärast on välja töötatud tehnoloogiad grafeeni kasvatamiseks otse metallidele ning termilise lagundamise meetodil ka otse SiC-vahvlitele.
Kui grafeenikiht on peale kantud, järgnevad juba tüüpilised pooljuhttehnoloogia etapid, nagu litograafia, söövitamine, metallitamine jt.
Laborites on juba loodud stabiilseid grafeentransistori mõne nanomeetri suurusi struktuure . Selline mõõtmete oluline vähendamine avab perspektiivid valmistada näiteks superkiireid protsessoreid. Töökiiruse (lülitamissageduse) suurendamist soodustab ka grafeeni väga hea elektrijuhtivus ja vastavalt parem laengukandjate liikuvus kui ränis.

Grafeentransistori tüürimine

Grafeenseadiste loomisel on olnud probleemiks transistori tööoleku muutmine. Erinevalt räni-pooljuhist ei ole grafeemi aatomitel juhtivus- ja valentsitsooni vahel keelutsooni. Indutseeritud keelutsooni tekitamiseks on teadlased välja pakkunud mitmesuguseid lahendusi, näiteks nanoribade (nanoscale ribbons) või kvantpunktide kasutamist, aga ka grafeeni keemilist modifitseerimist. Põhimõtteliselt on nimetatud variandid võimalikud, ent mõjutavad grafeeni sedavõrd, et materjali juhtivus väheneb. Seepärast jätkusid katsed grafeentransistori tüürimiseks ilma keelutsoonita.
Esimese niisuguse grafeentransistori töötas välja Manchesteri Ülikooli teadlane Leonid Ponomarenko koostöös Nobeli auhinna laureaatide Konstantin Novosjolovi ja Andre Geimiga. Transistor on täisfunktsionaalne, seda saab nii sisse kui ka välja lülitada, hoolimata sellest et grafeemis puudub aatomitel keelutsoon.
Transistor on valmistatud kahest grafeenilehekesest, mida eraldab mõne aatomi paksune isoleeriv kiht boornitriidist (BN) või molübdeendisulfiidist (MoS₂). Välise elektrivälja abil saab muuta grafeenilehtede vahel kulgeva voolu ning sellega kaasneva tunnelleerumisvoolu tihedust. Nimelt indutseerib elektriväli grafeenis elektrone, millel on suur tõenäosus grafeenikihtide vahel tunnelleeruda.
Üldiselt takistab iga isolaator elektronide tunnelleerumist, ent paari aatomi paksuse sobiva materjali (BN ja MoS₂) puhul on tunnelleerumisvool siiski võimalik ja tunnelleeruvate elektronide energiat saab välise elektrivälja abil moduleerida. Mida tugevam on väli, seda rohkem taolisi laengukandjaid tekib. Niisiis saab elektripingega muuta kihtidevahelist voolu ja seega kasutada niisugust seadist ka elektronlülitina (nagu isoleeritud paisuga väljatransistori).