什么是石墨烯场效应晶体管?建设、利益和挑战

随着硅晶体管的尺寸和性能接近其物理极限，有必要寻找替代材料来支持新兴技术。其中一种正在研究的材料是石墨烯，由于其优越的电气、机械和热性能，石墨烯是一种很有吸引力的场效应晶体管通道材料。

在这篇文章中，我们将讨论gfet的基础，包括它们的结构，它们优于其他场效应晶体管的地方，以及它们面临的挑战。

石墨烯晶体管的定义

基本的FET是一种三端器件，在某些方面与传统FET相似。它由一个源、漏、顶或后门组成。与硅基晶体管不同，get在源极和漏极金属电极之间有一个薄的石墨烯通道，通常有几十微米厚。

带有石墨烯通道的石墨烯场效应晶体管。图片由英国达人的材料

栅极控制电子的反应方式，从而控制通道的行为。

石墨烯材料的性能

让我们来谈谈石墨烯材料的显著特性，这使得GFETs适用于电子、通信、化学、生物、能源等行业的应用。雷竞技最新app

石墨烯是一种二维的单碳原子层材料，通常被发现为二维蜂窝或六角形晶格中紧密排列的原子。

石墨烯层的结构。图片由芯材(2.0 CC冲锋队]

石墨烯材料的一些优越性能包括:

• 高电气性能:理论上，石墨烯可以以100%的效率传递电流。一般来说，石墨烯在室温下的电阻率很低，其固有迁移率超过硅的100倍。此外，在某些条件下(例如，以1.1度的角度扭曲双层石墨烯或将其冷却至绝对零度以上1.7℃)，它还具有超导性。
• 高导热系数:石墨烯是一种向各个方向散热的各向同性导体，比金刚石、碳纳米管和石墨等其他材料具有更好的导热性。
• 良好的光学性质:石墨烯非常薄，但仍然可见，可以吸收约2.3%的白光。(这对于2D材料来说是相当多的)。将这种能力与优越的电气性能相结合，使石墨烯成为建造高效太阳能电池的一种有吸引力的材料。
• 优秀的化学性质:石墨烯是一种惰性材料，不易与其他材料发生反应。然而，在某些条件下，它可以吸收一些不同的分子和原子，从而改变其性质。这使得它适用于化学和生物传感器等应用。

get配置和门偏置

fet有三种主要的栅极结构。典型的晶体管可以有一个顶栅，一个全局后门，或者两者都有，如下所示。

石墨烯fet中的不同栅极结构:a)顶栅fet, b)后栅fet, c)双栅fet

与传统的硅fet一样，fet中的栅极控制电子或空穴在其沟道上的流动。由于晶体管通道只有一个原子厚，所有电流都在其表面流动，因此石墨烯fet具有高灵敏度。

硅器件中的电流主要是通过电子或空穴流动的。然而，get允许电子和空穴相等的传导。典型的，get器件具有双极行为，在负偏压下，孔洞载流子传导发生在通道区域。另一方面，正偏压导致电子载流子导电。

这两条传导曲线在狄拉克或电荷中性点相交，理论上应该是零电压。然而，在实际应用中，实际的狄拉克点可能会根据掺杂、石墨烯表面杂质水平、环境气氛等条件发生变化。例如，一些p掺杂石墨烯FET器件的典型值为10-40V。

后栅偏压下get的传递特性和Dirac点

虽然后门栅极晶体管是最常见的，但同时使用顶部和后门栅极的四端栅极晶体管适用于某些应用。双栅get使通道具有两种不同的电压偏置。

石墨烯FET双栅偏压图像，来自Giubileo, F.， & Bartolomeo, A.(2017)。接触电阻在石墨烯场效应器件中的作用。表面科学进展，92,143-175。

在典型的应用中，双门控场效应晶体管利用两个门偏来控制沟道的电荷集中。

石墨烯基场效应晶体管的优点

石墨烯优越的导电性和导热性导致了比硅低的电阻损失和更好的散热。因此，石墨烯晶体管具有提高性能和效率的潜力。

单原子厚的结构意味着整个通道都在表面。对于传感器应用，通道因此直接暴露在材料或测试环境中。因此，一些GFETs是高度敏感的，适合广泛的生物和化学传感应用。例如，它可以检测分离或附着在表面上的单个分子。

最后，研究人员已经确定，使用薄的顶栅绝缘体材料可以改善fet参数，如开路增益、正向传输系数和截止频率。因此，这为fet的应用开辟了其他可能性，包括在非常高的频率下操作。从理论上讲，晶体管有潜力在非常高的速度下切换，接近太赫兹范围，这比硅基fet能达到的速度快几倍。

传统半导体材料的晶格结构有一定的局限性，在较高的频率下会散发更多的热量。另一方面，石墨烯的六边形晶格结构、高电子迁移率等因素使其能够更好地在太赫兹频率下工作。

GFET挑战

石墨烯场效应晶体管是硅基晶体管的一个有吸引力的替代品。然而，有一些挑战使商业生产变得困难，即:

• 隙的局限性
• 制造成本
• 饱和

缺乏能带

尽管get是一种快速高效的晶体管，但它没有带隙。无间隙结构意味着价带和导带在零伏相遇，因此使石墨烯表现得像金属。在像硅这样的半导体材料中，两个带被一个在正常情况下像绝缘体一样的间隙隔开。

通常，电子需要一些额外的能量才能从价带跃迁到导带。在fet中，偏置电压使电流通过在无偏置时充当绝缘体的带。

不幸的是，在get中没有带隙使得很难关闭晶体管，因为它不能作为一个绝缘体。不能完全关闭它的结果在一个开/关电流比约5，这是相当低的逻辑操作。因此，在数字电路中使用gfet是一个挑战。然而，这不是模拟电路的问题，因此使get适用于放大器，混合信号电路和其他模拟应用。

石墨烯的E-k图。放大的部分表示在狄拉克点处的零带隙。图片由曼彻斯特大学

多方正在研究解决这些带隙挑战的方法，包括负电阻法和自底向上的合成技术。

精细而昂贵的制作

石墨烯晶体管的制造工艺不同于硅器件，需要精密、复杂和昂贵的方法。

fet的制作过程包括在硅片上沉积石墨烯层，然后在其末端添加金属接触。制造商经常使用化学气相沉积法来合成石墨烯层。然后通过分层过程将合成的石墨烯转移到目标SiO2衬底上。

其他步骤包括构造栅极介质、栅极触点，最后，使用升降过程或其他合适的方法构造接触电极。

传统的做法往往会在石墨烯通道材料中引入杂质和缺陷。有时这会引起载流子的散射，并降低掺杂水平。具体问题包括狄拉克点移位和低迁移率。

模拟电路的饱和

广泛采用get的另一个挑战是电流饱和不足，这阻碍了晶体管在射频应用中达到最大电压增益和振荡频率。

然而，制造商可以通过优化顶部栅极的介电材料来克服这个问题。通常，良好的介质栅材料可以更好地控制石墨烯通道中的载流子，从而提高性能。

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