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石墨烯場效應(yīng)管

發(fā)布時間:2023-05-17 來源:卓晴 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著硅晶體管的尺寸和性能接近其物理極限,需要尋找替代材料來支持更多的新興技術(shù), 其中一個具有希望的材料石墨烯。由于其出色的電氣、機械和熱性能,使得它最有可能成為場效應(yīng)晶體溝道材料。


一、前言


本文后面根據(jù) All about Circuits 中的一篇文章,介紹有關(guān)石墨烯場效應(yīng)晶體管 (GFET)的構(gòu)造、優(yōu)勢以及現(xiàn)在遇到的挑戰(zhàn)。


隨著硅晶體管的尺寸和性能接近其物理極限,需要尋找替代材料來支持更多的新興技術(shù), 其中一個具有希望的材料石墨烯。由于其出色的電氣、機械和熱性能,使得它最有可能成為場效應(yīng)晶體溝道材料。


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▲ 圖1.1 石墨烯場效應(yīng)管


二、GFET結(jié)構(gòu)

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基本 GFET 是一種三端器件,在某些方面類似于傳統(tǒng) FET。它由源極、漏極和頂柵或背柵組成。與硅基晶體管不同,GFET 在源極和漏極金屬電極之間存在一個薄的石墨烯通道,厚度通常為幾十微米。


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▲ 圖2.1 石墨烯場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)

圖片來自于 BGT Materials


柵極控制石墨烯通道中的電子和空穴的產(chǎn)生與分布,從而控制通道的行為。


三、石墨烯特性

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石墨烯材料有著一些顯著特性,使其制作的 GFET 適用于電子、通信、化學(xué)、生物、能源和其他行業(yè)的應(yīng)用。


石墨烯是一種二維單碳原子層材料,碳原子以二維蜂窩或六方晶格形式組成晶體結(jié)構(gòu)。


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▲ 圖3.1 石墨烯材料結(jié)構(gòu)


石墨烯材料的一些優(yōu)越性能包括:


●   高導(dǎo)電性:石墨烯理論上可以100%的效率傳輸電能。石墨烯在室溫下電阻率非常低,超過硅硅本征遷移率的 100 倍。它在某些條件下表現(xiàn)出超導(dǎo)性(例如,以 1.1 度的角度扭曲雙層石墨烯或?qū)⑵淅鋮s至絕對零以上 1.7°C)。


●   高導(dǎo)熱性:石墨烯是一種各向同性導(dǎo)體,可以向各個方向散熱,導(dǎo)熱性優(yōu)于其他材料,包括金剛石、碳納米管和石墨。


●   光學(xué)性能好:石墨烯極薄,但仍可見,可吸收約2.3%的白光。(這對于 2D 材料來說是相當(dāng)多的)。將這種能力與卓越的電性能相結(jié)合,使石墨烯成為適合制造高效太陽能電池的材料。


●   化學(xué)性能優(yōu)異:石墨烯是一種惰性材料,不易與其他材料發(fā)生反應(yīng)。然而,在某些條件下,它可以通過吸收一些其它分子和原子來改變其性質(zhì), 這使其適用于化學(xué)和生物傳感器等應(yīng)用。


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▲ 圖3.2 石墨烯半導(dǎo)體硅片


四、GFET柵極三種結(jié)構(gòu)

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GFET 有三種主要的柵極配置。典型的晶體管可以具有頂柵、全局背柵或兩者結(jié)合,如下圖所示。


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▲ 圖4.1 石墨烯三種柵極配置形式


與傳統(tǒng)的硅 FET 一樣,GFET 中的柵極控制電子或空穴在其通道中的流動。由于晶體管溝道只有一個原子厚,所有電流都在其表面流動,因此石墨烯 FET 具有非常高的靈敏度。


普通的硅器件使用電子或空穴兩者之一形成電流流動。然而,GFET 卻可以使用兩者(電子,空穴)形成電流, 所以GFET 器件具有雙極性特征,在負(fù)偏壓下通道采用空穴載流子傳導(dǎo),在正偏壓下通道采用電子載流子傳導(dǎo)。


兩條傳導(dǎo)曲線在狄拉克點或電荷中性點相交,理論上應(yīng)該為零電壓。在實踐中,實際的狄拉克點可能會根據(jù)摻雜、石墨烯表面的雜質(zhì)水平、周圍大氣和其他條件而發(fā)生變化。例如,一些 p 型摻雜石墨烯 FET 器件的典型值為 10-40V。


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▲ 圖4.3 底部柵極GFET對應(yīng)的傳輸特性以及狄拉克點


雖然背柵GFET最常見,但同時使用頂柵和背柵的四端GFET可以適合某些特殊應(yīng)用。雙柵極 GFET 可以用兩個不同的電壓對通道進行偏置。


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▲ 圖4.4 雙柵極GFET結(jié)構(gòu)


在典型應(yīng)用中,雙柵極 FET 使用兩個柵極偏置來控制通道的電荷濃度。


GFET的優(yōu)勢


●   石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性使其工作時的電能損耗更低、散熱性能更好 所以基于石墨烯的晶體管有可能獲得更大的功率器件。


●   一個原子厚的結(jié)構(gòu)意味著整個通道都在表面上。因此,在傳感器應(yīng)用中,通道直接暴露于被測材料或環(huán)境, 提高了器件的敏感度。生物和化學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用。比如它可以檢測在其石墨烯通道表面上的單個分子。


●   使用薄的頂柵絕緣體材料可以改善 GFET 參數(shù),例如開路增益、正向傳輸系數(shù)和截止頻率。這使得 GFET 適合應(yīng)用在高頻信號處理方面。從理論上講,GFET的開關(guān)頻率可以接近太赫茲范圍, 這比硅基 FET 可以達到的速度快幾倍。


●   傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的晶格結(jié)構(gòu)存在一些局限性,高頻下功耗增加, 而石墨烯的六方晶格結(jié)構(gòu)缺陷少、電子遷移高率等因素提高了在太赫茲頻率下的性能。


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▲ 圖5.1 石墨烯特性檢測


五、GFET 挑戰(zhàn)

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石墨烯 FET 是硅基晶體管的潛在替代品, 但要形成商業(yè)應(yīng)用還需要克服一下三個方面的困難:


●   帶隙限制

●   制造成本

●   飽和


1、缺乏帶隙

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盡管 GFET 是一種快速高效的晶體管,但它沒有帶隙, 它的價帶和導(dǎo)帶在零偏壓下相遇,此時石墨烯表現(xiàn)得像金屬。


硅等半導(dǎo)體材料兩個能帶被一個間隙隔開,在正常條件下表現(xiàn)為絕緣體。電子需要一些額外的能量才能從價帶躍遷到導(dǎo)帶。在 FET 中,偏置電壓使電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶。


不幸的是,因GFET 中沒有帶隙,因此很難關(guān)閉晶體管,因為它不能充當(dāng)絕緣體。無法將其完全關(guān)閉。GFET的開/關(guān)電流比約為 5,這對于邏輯操作來說非常低, 這使得GFET無法直接應(yīng)用在數(shù)字開關(guān)電路中。在模擬電路中, GFET工作在變阻區(qū)時就沒有問題了,所以GFET 適用于放大器、混合信號電路和其他模擬應(yīng)用。


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▲ 圖6.1 石墨烯的E-k圖。其中放大部分顯示了狄拉克處的零帶隙


現(xiàn)在很多針對石墨烯帶隙的問題提出相應(yīng)的解決方案,包括負(fù)電阻方法和自下而上的合成制造技術(shù)等技術(shù)。


制作工藝復(fù)雜昂貴

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石墨烯晶體管的制造工藝不同于硅器件,需要一種精密、復(fù)雜且成本高昂的方法。


GFET 制造過程包括將石墨烯層沉積到硅晶片上,然后在末端添加金屬觸點。通常使用化學(xué)氣相沉積來合成石墨烯層。然后通過分層工藝轉(zhuǎn)移合成的石墨烯并將其沉積到目標(biāo) SiO2 基板上。


其他步驟包括使用剝離工藝或其他合適的方法構(gòu)建柵極電介質(zhì)、柵極接觸,以及最后的接觸電極。


傳統(tǒng)做法通常會在石墨烯通道材料中引入雜質(zhì)和缺陷。有時,除了改變摻雜水平外,還會導(dǎo)致載流子散射并降低電氣性能。具體問題包括狄拉克點位移和低流動性。


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▲ 圖6.2 石墨烯場效應(yīng)管在太赫茲高頻下的信號調(diào)制


模擬電路中容易飽和

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影響GFET 推廣的另一個挑戰(zhàn)是電流飽和度不足,這會阻止晶體管在 RF 應(yīng)用中所能達到最大電壓增益和振蕩頻率。


然而,制造商可以通過優(yōu)化絕緣頂柵的介電材料來克服這個問題。通常,良好的介電柵極材料可以更好地控制石墨烯溝道中的載流子,從而提高性能。


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▲ 圖6.3 GFET在放大模擬信號


參考資料


[1] TRANSISTOR CASEIR?O ! realmente ficou PODEROSO TBJ e MOSFET?: https://www.youtube.com/watch?v=fK3v6JZpnGo



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