石墨烯纳米带场效应管

2011-12-22成都石墨烯纳米带场效应管原理微电子与固体电子学专业学生潘立丁S111411指导教师石瑞英摘要：由于石墨烯的导带与价带之间没有能隙，做成晶体管器件时，很难实现开关特性，而且若要运用于现在普遍使用的逻辑电路，其金属性也是一个巨大的难题。如何在石墨烯中引入能隙，成为了石墨烯晶体管器件制造的关键。本文主要关注的石墨烯纳米带场效应管，通过对肖特基势垒石墨烯纳米带场效应管和金属氧化物半导体石墨烯纳米带场效应管这两种结构进行对比和分析来了解其主要特性。关键词：石墨烯纳米带场效应管肖特基势垒Abstract：Becausethereisnoenergygapingraphene，itisverydifficulttoachieveon-offcharacteristicwhileuseittomaketransistors,anditismetallicbehavioralsohavebeenabigproblemifwewanttouseitinlogicalcircuits.Howtogetanenergygapingraphemehasbecomethekeypointofthefabricationofgraphemetransistors.ThispaperfocusongraphenenanoribbonFETs,thecomparisonoftwostructures(GNRSBFETandGNRMOSFET)isusedtoanalyzethemainbehaviorsofgraphenenanoribbonFETs.Keywords：graphenenanoribbonfield-effect-transistorschottkybarrier1、引言石墨烯[1]（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年，石墨烯被成功地从石墨中分离出来。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比碳纳米管或硅晶体迁移率高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子传输的速度极快，因此被期待为可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或电晶体的材料。2、石墨烯纳米带基本结构目前已知可以在石墨烯中引入能隙的手段主要有：(1)利用对称性破缺场或相互作用等使朗道能级发生劈裂，在导带与价带之间引入能隙。这主要通过掺杂、外加电场、化学势场等方式在双层石墨烯中引入对称破缺，实现人工调制能隙。(2)利用量子陷阱效应和边缘效应，通过形成石墨烯纳米结构(如纳米带)引入能2011-12-22成都隙，通过调节带宽，可以实现对能隙宽度的调节。(3)利用化学气相沉积法掺杂产生能隙，通过调节掺杂程度可实现对能隙的调节。(4)利用基底作用诱导(如SiC基底上的外延石墨烯)产生能隙，通过调节基底的作用程度可实现对能隙的调节。本文主要关注的是石墨烯纳米带结构。为了要赋予单层石墨烯某种电性质，会按照特定样式切割石墨烯，形成石墨烯纳米带（Graphenenanoribbon）。切开的边缘形状可以分为扶手椅形[2]（图1a）和锯齿形[3]（图1b）。a扶手椅形纳米带b锯齿形纳米带图1根据密度泛函理论计算得到的结果，显示出扶手椅形具有半导体性质，其能隙与纳米带带宽成反比。而采用紧束缚近似模型做出的计算，预测锯齿形具有金属键性质，又预测扶手椅形具有金属键性质或半导体性质；到底是哪种性质，要依宽度而定。实验结果明确显示，随着纳米带带宽减小，能隙会增大。石墨烯纳米带的边缘效应[4]如图2所示。图2影响边缘散射的因素主要是纳米带宽度和边缘粗糙程度。加上晶格声子散射和量子陷阱等作用，石墨烯纳米带就具备了产生能隙的因素。而一些人也通过计算和模拟的方式来分析其影响。由图3和图4可以看出，扶手椅形纳米带在n为适当值的情况下，显示出半导体的特性，其能隙也可以利用到电子器件中，从而为石墨烯纳米带场效应管的2011-12-22成都产生提供了条件。锯齿型结构石墨烯纳米带显示出较强的金属特性。数字电路应用主要集中在用扶手椅型作为沟道材料。n=3n=4n=5n=6n=7n=8图3采用紧束缚近似计算得出的扶手椅形纳米带结构带宽与能隙的关系其中n为纳米带边缘碳原子个数n=4n=6n=8n=10n=12n=14图4采用紧束缚近似计算得出的锯齿形纳米带结构带宽与能隙的关系其中n为纳米带边缘碳原子个数3、石墨烯纳米带场效应管结构及特性典型的石墨烯纳米带场效应管[5、7]结构图如图5所示。以碳化硅为衬底，沟道材料为石墨烯纳米带，源和漏采用肖特基接触，而栅介质层则用氧化铝和氢烷。2011-12-22成都图5石墨烯纳米带场效应管结构图6显示的是在图5中结构之下纳米带宽度为10nm，长度1.5um，栅介质厚度为15nm，漏源电压为20mV的情况下，在4K和295K下的开关效率。我们可以看到温度对石墨烯纳米带场效应管的开关效率影响非常之大。图6不同温度下的开关效率图74K情况下的石墨烯纳米带场效应管输出特性曲线由图7我们也可以看到，虽然石墨烯纳米带场效应管有良好的开关效率、截止频率等等特性，但是没有饱和特性，也就是非常难以在数字电路中得到广泛的应用。下面我们再通过两种不同结构来对比分析石墨烯纳米带场效应管的结构及其特性。这两种结构分别是肖特基势垒石墨烯纳米带场效应管[6]（GNRSBFET）和金属氧化物半导体石墨烯纳米带场效应管（GNRMOSFET）。2011-12-22成都如图5所示，其中图5a为肖特基势垒石墨烯纳米带场效应管剖面结构，沟道材料为石墨烯纳米带，而源漏采用肖特基接触。通过调制经过肖特基势垒的量子隧穿电流来调制沟道电流。而图5b则是MOS结构石墨烯纳米带场效应管，其源漏都采用掺杂的方式。图5(a)GNRSBFET(b)GNRMOSFET目前对石墨烯纳米带场效应管的电流电压特性分析大部分都采用计算机辅助模拟的方式，我们可以参考YoungkiYoon[6]等人对理想肖特基势垒石墨烯纳米带场效应管和MOS结构石墨烯纳米带场效应管ID和VG特性模拟来分析其特点。模拟器件[9]的条件：SiO2栅绝缘层的厚度为1.5nm，介电常数κ=3.9；沟道材料为n=12的扶手椅形石墨烯纳米带，纳米带长度为15nm，宽度为1.35nm；禁带宽度为Eg≈0.6eV；肖特基势垒的高度等于禁带宽度的一半。图6理想GNRSBFET和MOSFET的ID-VG特性对比如图6所示，a、b两图分别是GNRSBFET和GNRMOSFET的ID-VG特性。2011-12-22成都SBFET的最小漏电流为Ioff=10-7A，导通电压定义为Von=Voff+VDD。而a、b两图的灰色区域则定义为各个器件的工作电压。可以看到其工作电压的范围是相同的。图6c中显示的是栅极功函数调制之后的理想器件传输特性，此时关闭电压Voff可以调制到VG=0V。模拟结果显示理想的GNRMOSFET比理想GNRSBFET多50%的离子含量。图6d是开启电流Ion和Ion/Ioff的关系。从图中可以看出GNRMOSFET比GNRSBFET有明显更好地开关效率。图7图7a是当VG=0.5V时GNRSBFET和GNRMOSFET的ID-VD之间的关系。而图7b是当VD=VDD时输出电导与栅压的关系。而GNRMOSFET显示出来更好的饱和特性，输出电导更小。图8图8a显示的是截止频率fT与VG的关系。图8b显示的是传输延迟τ与Ion/Ioff之间的关系。由此可见GNRMOSFET比GNRSBFET有着更高的截止频率和更小的传输延迟。由以上的对比我们不难看到，在理想情况下，GNRMOSFET器件显示出更好的特性：高开关频率、开启电流较大、跨导较大、更小的输出电导和更高的截止频率。2011-12-22成都4、总结本文介绍了石墨烯纳米带的特性原理以及用石墨烯纳米带作为沟道材料的场效应管的特性原理。通过参考前人对肖特基结构和金属氧化物半导体结构石墨烯纳米带场效应管的特性对比来初步了解了其器件的电流电压特性和频率特性。因为石墨烯器件工艺条件的限制，本文的图表及数据均由计算机模拟加上理论方程的解答而得到。石墨烯具有零带隙的特殊性质，使得其在目前的逻辑集成电路中得运用非常困难，要成为目前成熟的硅工艺的替代者和硅电子集成电路的革命者，其要走的路还很长。最后感谢在此过程中指导我学习的石瑞英老师，感谢刘杰同学和刘艳同学在文献资料方面对我的帮助。2011-12-22成都参考文献[1]袁明文.石墨烯基电子学研究进展.中国电子科技集团公司第十三研究所,2010[2]胡小颖，乔靓，郑伟涛.电场作用下扶手椅型石墨烯纳米带的第一原理计算.纳米技术与精密工程，第9卷，第3期，2011[3]毕冬梅，赵利军，付志雄.不同宽度锯齿型石墨烯纳米带的第一原理研究.长春大学学报，第20卷，第12期，2010[4]YijianOuyang,XinranWang,HongjieDai,andJingGuo.Carrierscatteringingraphenenanoribbonfield-effecttransistors.AppliedPhysicsLetters92,2008[5]K.Tahy,W.S.Hwang,J.L.Tedesco,R.L.Myers-Ward,P.M.Campbell,C.R.EddyJr.,D.K.Gaskill,H.Xing,A.Seabaugh,andD.Jena.Sub-10nmEpitaxialGrapheneNanoribbonFETs.NavalResearchLaboratory,2011[6]YoungkiYoon,GianlucaFiori,SeokminHong,GiuseppeIannaccone,andJingGuo.PerformanceComparisonofGrapheneNanoribbonFETsWithSchottkyContactsandDopedReservoir.UniversitàdiPisa,2008[7]B.Obradovic,R.Kotlyar,F.Heinz,P.Matagne,T.Rakshit,M.D.Giles,andM.A.Stettler,D.E.Nikonov.Analysisofgraphenenanoribbonsaschannelmaterialforfield-effecttransistors.USA:AppliedPhysicsLetters88,2006[8]KartikMohanram,JingGuo.GraphenenanoribbonFETs:TechnologyexplorationandCAD.RiceUniversity,Houston.UniversityofFlorida,Gainesville,2008[9]Kai-TakLam,DaweiSeah,Sai-KongChin,S.BalaKumar,G.Samudra,Yee-ChiaYei,andGengchiauLiang.ASimulationStudyofGraphene-NanoribbonTunnelingFETWithHeterojunctionChannel,IEEEElectronDeviceLetters,VOL.31,NO.6,JUNE2010[10]DavideMencarelli,TullioRozai,LucaPieratoni,FabioCoccetti.Self-consistentsimulationoflocalpotentialinexternal-gatebiasedgraphenenanoribbons,978-1-4244-5118-0/11/IEEE,2011[11]GianlucaFiori,Giuse