ТУННЕЛЬНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА
GRAPHENE-BASED TUNNEL FIELD EFFECT TRANSISTOR

Изобретение относится к области наноэлектроники и, в частности, к активным элементам на основе углеродных наноструктур, а именно, к транзисторам, реализующим эффект управления электрическим током, и может быть использовано в качестве базового коммутирующего устройства и устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением при изготовлении цифровых интегральных схем.
Аналогом изобретения является туннельный полевой транзистор с изолированным затвором, предложенный в [1]. Он представляет из себя туннельный полевой транзистор, роль истока и стока в котором играет высоко легированный кремний, а затвор расположен над областью туннельного перехода. Недостатком данного прибора является ограничение его быстродействия из-за небольшой относительно графена величины подвижности носителей заряда в кремнии.
В качестве прототипа выбран прибор, предложенный в [2] и [3], в котором роль электродов играет графен, обладающий подвижностью носителей заряда на порядки большей, чем у кремния. Отличительной чертой данного прибора является то, что туннельный барьер на графене осуществляется путем интеркаляции требуемой области соединениями бора, углерода и азота, имеющими гексагональную решетку (h-BCN) с разными концентрациями данных элементов. В результате интеркаляции образуется домен гетероструктуры, обладающий полупроводниковым типом проводимости с шириной запрещенной зоны от 1 до 5 электронвольт (в зависимости от концентрации элементов в соединении h-BCN). В данном устройстве не предполагается определенной ориентации кристаллографической решетки графена относительно туннельного промежутка. Основными недостатками данного устройства являются имеющиеся на данный момент проблемы в технологии изготовления доменов гетероструктур необходимых размеров и форм, а также относительно большое напряжение на затворе, требуемое для коммутации данного транзистора.
Туннельный транзистор с графеновыми электродами также предложен в [4]. Он имеет сходство с прототипом, предложенным в [2], [3], однако область туннельного барьера здесь предлагается формировать путем помещения в туннельный зазор кремниевой вставки. Главным недостатком данного устройства является то, что на данный момент технологическая реализация данной операции представляется мало осуществимой. Также данный транзистор требует относительно большого напряжения на затворе для осуществления его переключения.
Таким образом, задачи, которые решает предложенный транзистор, следующие. Во-первых, он расширяет арсенал туннельных транзисторных наноустройств. Во-вторых, наряду с переключающей способностью, его вольт-амперные характеристики обладают областью с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и по этой причине данный прибор может выполнять функции как транзистора, так и диода Ганна. В-третьих, для своей работы он требует напряжений на затворе, более низких, чем в существующих аналогах. В-четвертых, технология изготовления нанощели с кристаллографически ровными краями является на данный момент более достижимой, чем технология создания доменов h-BCN нужной формы и технология внедрения диэлектрической вставки из оксида кремния.
В заявляемом туннельном полевом транзисторе электроды истока и стока выполнены из листов монослойного графена, лежащих на изолирующей подложке в одной плоскости, ориентированных друг к другу кристаллографически ровным краем типа зигзаг и разделенных туннельно-прозрачным для носителей заряда вакуумным барьером. Затвор выполнен из проводящего материала, расположен над областями истока, туннельного перехода и стока.
Отличительными признаками данного изобретения являются:
1. Наличие вакуумного туннельного-прозрачного барьера (нанощели нужной ширины). Вакуумный туннельный барьер не требует манипуляций с внедрением диэлектрической прокладки или создания гибридного домена правильной формы, а может быть осуществлен следующими технологическими методами:
а) нанолитография с помощью сканирующей туннельной микроскопии;
б) электромиграция;
в) локальное анодное окисление;
г) нанофабрикация с использованием просвечивающей электронной микроскопии;
д) каталитическая нанорезка.
2. Ориентация графеновых электродов кристаллографически ровным краем типа зигзаг друг к другу. Вблизи данного края сосредоточены специфические электронные краевые состояния, наличие которых необходимо для функционирования устройства.
Совокупность указанных признаков позволяет достичь поставленной задачи.
Перечень фигур.
На фиг.1 представлен внешний вид устройства.
1. - лист графена, шириной не меньше 10 нм и длиной не меньше 100 нм
2. - лист графена, шириной не меньше 10 нм и длиной не меньше 100 нм
3. - изолятор (например, оксид кремния)
4. - затвор, выполненный из проводящего материала (например из золота)
5. - омические контакты (например из титана), призваны обеспечить соединение электродов со внешней электрической цепью
6. - контакт истока
7. - контакт стока
На фиг.2 представленная схематическая диаграмма плотности состояний для левого и правого электродов.
Для того чтобы избежать эффектов размерного квантования, листы графена 1 и 2 на фиг.1 должны обладать длиной (размер в направлении от истока к стоку) не менее 100 нанометров и шириной не менее 10 нм. Толщина изолятора 3 на фиг.1 должна быть достаточной, чтобы избежать туннельного тока между листами 1 и 2 на фиг.1 и затвора 4 на фиг.1 (в несколько раз больше ширины туннельного промежутка). К внешнем цепям листы графена подключаются с помощью омических контактов 5 на фиг.1. Работа устройства может быть пояснена с помощью фиг.2.
g
На данном рисунке изображена краевая плотность состояний для левого и правого контактов в зависимости от энергии. Область состояний, заполненная электронами, закрашена черным. Верхняя часть черной области, соответствует уровню Ферми. Частично прозрачный прямоугольник обозначает транспортное окно - тот интервал энергии, в котором возможен направленный туннельный транспорт. Фиг.2(а) соответствует состоянию, при котором разность потенциалов V между истоком (6 на фиг.1) и стоком (7 на фиг.1) равна нулю и напряжение V на затворе (4 на фиг.1) отсутствует, при этом область заполненных краевых состояний левого электрода соответствует области заполненных краевых состояний правого электрода, туннелирование электронов невозможно, ток через структуру не течет. После того как к истоку и стоку будет приложена разность потенциалов, часть заполненных состояний в левом электроде будут соответствовать области свободных состояний в правом электроде, появится направленный туннельный ток электронов из левого электрода в правый. На фиг.2(b) изображена зонная диаграмма при разности потенциалов между истоком и стоком, при которой наблюдается максимальное значение туннельного тока, так как в этом случае максимум занятых состояний левого электрода соответствует максимуму свободных состояний правого электрода. В данном состоянии транзистор "открыт". Дальнейшее увеличение разности потенциалов приведет к расхождению пиков плотности состояний и падению тока, что иллюстрирует фиг.2(c). Данный участок будет характеризоваться отрицательным дифференциальным сопротивлением.
При подаче на электрод затвора (4 на фиг.1) положительного потенциала относительно истока и стока, произойдет увеличение области занятых состояний (так называемый конденсаторный эффект [4]), что проиллюстрировано на фиг.2(d). При подаче разности потенциалов исток-сток ток в транзисторе будет подавлен из-за крайне низкой плотности состояний в транспортном окне (фиг.2(e)). В данном состоянии транзистор "закрыт". Дальнейшее увеличение разности потенциалов исток-сток приведет к тому, что один из пиков плотности состояний попадет в транспортное окно (что показано на фиг.2(f)), последнее, в свою очередь, приведет к резкому повышению (ступеньке) тока между истоком и стоком.
Таким образом, в данном приборе может быть осуществлен процесс переключения из "открытого" в "закрытое" состояние путем изменения потенциала затвора, что является основным положительным эффектом работы транзистора. Кроме того, данное устройство обладает дополнительным полезным эффектом, а именно в вольт-амперной характеристике данного устройства присутствует область с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что позволяет ему выполнять функцию диода Ганна.
Ссылки
[1] Патент RU 2354002
[2] G. Fiori, A. Betti, S. Bruzzone, and G. Iannaccone, Nano Vol.6, 2642 (2012)
[3] Патент WO 2013080237 A1
[4] Д.А. Свинцов, B.B. Вьюрков, В.Ф. Лукичев, A.A. Орликовский, А. Буренков, P. Охснер, Физика и техника полупроводников, 2013, том 47, вып.2 стр.244