AIST-onderzoekers hebben een grafeentransistor ontwikkeld met een nieuw werkingsprincipe. In de ontwikkelde transistor, twee elektroden en twee bovenste poorten worden op grafeen geplaatst en grafeen tussen de bovenste poorten wordt bestraald met een heliumionenstraal om kristallijne defecten te introduceren. Gate biases worden onafhankelijk van elkaar toegepast op de twee bovenste poorten, waardoor dragerdichtheden in de top-gated grafeengebieden effectief kunnen worden gecontroleerd. Een elektrische stroom aan/uit-verhouding van ongeveer vier ordes van grootte werd aangetoond bij 200 K (ongeveer -73 ° C). In aanvulling, de polariteit van de transistor kan elektrisch worden bestuurd en omgekeerd, wat tot nu toe niet mogelijk was voor transistors. Deze technologie kan worden gebruikt in de conventionele productietechnologie van geïntegreerde schakelingen op basis van silicium, en zal naar verwachting bijdragen aan de realisatie van elektronica met een ultra-laag stroomverbruik door in de toekomst de bedrijfsspanning te verlagen.

Details van deze technologie werden gepresenteerd op de 2012 International Electron Devices Meeting (IEDM 2012) in San Francisco, VS., van 10 tot 12 december 2012.

In recente jaren, de toename van het stroomverbruik in verband met de verspreiding van mobiele informatieterminals en de vooruitgang op het gebied van IT-apparatuur is een punt van zorg geworden. De maatschappelijke vraag naar vermindering van het energieverbruik van elektronische informatieapparatuur neemt toe. Hoewel er pogingen zijn ondernomen om het energieverbruik van grootschalige geïntegreerde schakelingen (LSI's) te verminderen, de conventionele transistorstructuur wordt geacht inherente limieten te hebben. In de tussentijd, elektronenmobiliteit van grafeen, die het gemak van elektronenbeweging vertegenwoordigt, minstens 100 keer groter is dan die van silicium. Er wordt ook verwacht dat grafeen kan worden gebruikt om de problemen van de inherente limieten van silicium en andere materialen op te lossen. Daarom, grafeen heeft het potentieel om het obstakel te verwijderen voor het verminderen van het stroomverbruik door LSI's, en naar verwachting zal grafeen worden gebruikt als materiaal voor transistors met een ultralaag stroomverbruik van het post-siliciumtijdperk die nieuwe functionele atomaire films gebruiken.

Echter, wanneer grafeen wordt gebruikt in een schakeltransistor, elektrische stroom kan niet voldoende worden onderbroken, omdat grafeen geen band gap heeft. Ook, hoewel er technologie is voor het vormen van bandgaps, elektronenmobiliteit neemt af wanneer de bandafstand die nodig is voor het schakelen wordt gevormd. Daarom, een grafeentransistor met een nieuw werkingsprincipe die de schakelhandeling effectief kan uitvoeren met een kleine bandafstand is vereist.

Het werkingsprincipe van de nieuw ontwikkelde grafeentransistor wordt getoond in figuren 1 (a) tot 1 (c). Om een ​​transportspleet in grafeen van het kanaal tussen de twee bovenste poorten te creëren, een heliumionenmicroscoop werd gebruikt om heliumionen te bestralen met een dichtheid van 6,9 x 10 ¹⁵ ionen/cm ² kristaldefecten te introduceren. De energieband van het grafeen aan beide zijden van het kanaal kan worden gemoduleerd door elektrostatische controle door voorspanningen toe te passen op de bovenste poorten. De polariteit van de dragers in grafeen kan worden veranderd tussen n-type en p-type, afhankelijk van de polariteit van de vooroordelen die op de bovenste poorten worden toegepast. Wanneer de polariteiten aan beide zijden van het kanaal verschillen, de transistor bevindt zich in een uit-stand (Fig. 1 (b)). Als de polariteiten hetzelfde zijn, de transistor bevindt zich in een aan-status (Fig. 1 (c)). Wanneer een conventionele transistor (Fig. 1 (d) tot 1 (f)) in een uit-stand staat, dragertransport wordt geblokkeerd door een barrière die is gevormd aan de bron- of afvoerzijde van het kanaal met de transportspleet. Echter, zoals weergegeven in Fig. 1 (e), de lekstroom van de transistor in de uit-stand is groot, omdat er slechts een kleine barrière wordt gevormd. In de tussentijd, zoals figuur 1 (b) laat zien, de transportkloof in de ontwikkelde transistor werkt als een barrière die groter is dan die van conventionele transistors (Fig. 1 (e)) en blokkeert de ladingsoverdracht. Als resultaat, het is mogelijk om een ​​superieure uit-toestand te verkrijgen dan die van conventionele transistoren.

In de ontwikkelde transistor, de lengte van het kanaal, waarbij de mobiliteit meestal verslechtert, kan worden teruggebracht tot een lengte die korter is dan die van conventionele transistors. In aanvulling, omdat de ontwikkelde transistor een efficiënte uit-toestand kan bereiken met een kleine transportopening, de transportopening kan kleiner worden gemaakt dan die van conventionele apparaten. Door deze eigenschappen de aan/uit-bediening van de transistor kan sneller worden uitgevoerd dan bij conventionele transistors, en dus wordt aangenomen dat een LSI met een lager energieverbruik kan worden gerealiseerd door de bedrijfsspanning van de schakeling te verlagen. In aanvulling, de transistors kunnen worden geproduceerd met behulp van de conventionele fabricagetechnologie voor geïntegreerde siliciumcircuits, zoals lithografie, afzetting, en dopingprocessen, en kan ook gemakkelijk op wafelschaal worden geproduceerd.

Om de werking van de transistor van het nieuwe werkingsprincipe te demonstreren, een transistor werd gefabriceerd door source- en drain-elektroden en een paar toppoorten te vormen op een enkellaags grafeen geïsoleerd van grafiet. Een geschikte dosis heliumionen werd tussen de bovenste poorten aangebracht om een ​​met heliumionen bestraald kanaal te maken (Fig. 2, blauwe stippellijn), en het buitenste onnodige grafeen werd bestraald met een zware dosis heliumionen om het een isolator te maken (Fig. 2, rode stippellijn). Als resultaat, het transistorkanaal is 20 nm lang en 30 nm breed.

Aan / uit-werking van de gefabriceerde transistor werd uitgevoerd bij de lage temperatuur van 200 K (ongeveer -73 ° C). De source- en drainterminals werden toegepast met vooroordelen van −100 mV en +100 mV, respectievelijk. De poortbias van de poort aan de afvoerzijde was vastgesteld op -2 V, and that of the source-side gate was swept from −4 V to +4 V and the electric current flowing between the source and drain electrodes was measured. An on/off ratio of approximately four orders of magnitude was observed (Fig. 3).

In the developed transistor, the on state or off state is controlled according to whether the polarities of the voltages applied to the two top gates are the same or different. Daarom, by fixing one gate bias and changing its polarity, it is possible to control whether the transistor operation by sweeping the other gate voltage is n-type or p-type. In the present experiment, voltages of −100 mV and +100 mV were applied to the source and drain terminals, respectievelijk. The relation between the source-drain current and the bias of the source-side gate when the gate voltage of the drain-side, V _tgD , is fixed to be positive (Fig. 4(a)), is shown in Fig. 4(b). A logarithmic plot of the same data is shown in Fig. 4 (c). Hier, when the gate voltage of the source-side is negative, the transistor is off, and when it is positive, the transistor is on. So it operates as an n-type transistor. In de tussentijd, the relation between the source-drain current and the bias of the source-side gate when the gate voltage of the drain-side is negative (Fig. 4(d)), is shown in Figs 4(e) and 4(f). In dit geval, when the gate voltage of the source-side is negative, the transistor is on, and when positive, the transistor is off. So it operates as a p-type transistor. Met andere woorden, it was actually demonstrated that the polarity of a single transistor can be inverted by electrostatic control.

The transistor polarity of conventional silicon transistors is determined by the type of ion for doping, so it is not possible to change the polarity once a circuit is formed. Echter, because the polarity of the developed transistor can be electrostatically controlled, it is possible to realize an integrated circuit whose circuit structure can be electrically changed.

The researchers are aiming to realize CMOS operation in which transistor polarities can be changed through electrical control. They are also aiming to create a device prototype using a large-scale wafer with graphene synthesized by the CVD method (chemical vapor-phase deposition method). Tegelijkertijd, efforts to achieve higher-quality graphene will be made in order to improve the on/off ratio of electric current at room temperature and carrier mobility.