RU188856U1

RU188856U1 - VALLEY TRANSISTOR

Info

Publication number: RU188856U1
Application number: RU2018145663U
Authority: RU
Inventors: Иван Андреевич Шелых; Иван Владимирович Иорш
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2019-04-25

Abstract

Полезная модель относится к области радиотехники и быстродействующей электроники, в частности к оптически управляемым транзисторам, и может быть использована для построения быстродействующих ключей для логических оптоэлектронных элементов.Долинный транзистор состоит из расположенных на подложке истока, стока, токопроводящего канала, выполненного из графена, и резонатора, а также затвора, и отличается тем, что токопроводящий канал, выполнен из однородного монослоя графена, экранированного резонатором на 25%, а затвор выполнен из терагерцового лазера с функцией изменения электронных свойств графена, находящегося вне площади резонатораБлагодаря использованию однородного монослоя графена значительно повышается технологичность изготовления устройства, а его высокое быстродействие обеспечивается использованием излучения терагерцового лазера в качестве управляющего воздействия. 3 ил.The utility model relates to the field of radio engineering and high-speed electronics, in particular, to optically controlled transistors, and can be used to build high-speed switches for logical optoelectronic elements. The valley transistor consists of source, drain, conductive channel made of graphene, and a resonator , as well as the shutter, and differs in that the conductive channel is made of a uniform graphene monolayer, shielded by a resonator by 25%, and the shutter is made of terague The rc laser with the function of changing the electronic properties of graphene outside the resonator area. Thanks to the use of a uniform graphene monolayer, the manufacturability of the device is greatly improved, and its high speed is ensured by using a terahertz laser radiation as a control. 3 il.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники и быстродействующей электроники, в частности к оптически управляемым транзисторам и может быть использована для построения быстродействующих ключей для логических оптоэлектронных элементов.The utility model relates to the field of radio engineering and high-speed electronics, in particular, to optically controlled transistors and can be used to construct high-speed switches for logical optoelectronic elements.

Из уровня техники известен полевой транзистор на гетероструктуре [Патент РФ №2093924, МПК H01L 29/772, дата приоритета 10.03.1993, опубликовано 20.10.1997]. Данное устройство выполнено из полупроводниковых элементов, характеризующихся разной степенью легирования. Управляющим элементом транзистора является затвор, в котором режим пропускания сигнала через многослойный токопроводящий канал осуществляется посредством приложения к нему электрического поля. Недостатком устройства является низкая подвижность носителей заряда и наличие высоких омических потерь в материале канала, вызывающих ограниченное быстродействие и повышенные требования к отводу тепла от устройства.The prior art field-effect transistor on the heterostructure [RF Patent No. 2093924, IPC H01L 29/772, priority date 03/10/1993, published 10.20.1997]. This device is made of semiconductor elements, characterized by different degrees of doping. The control element of the transistor is a gate in which the mode of passing a signal through a multilayer conductive channel is carried out by applying an electric field to it. The disadvantage of this device is the low mobility of charge carriers and the presence of high ohmic losses in the material of the channel, causing limited performance and increased requirements for heat removal from the device.

Из уровня техники известно устройство полевого транзистора на инжекции спин-поляризованного тока [патент США US 5654566, МПК H01L 29/82, дата приоритета 21.04.1995, опубликовано 5.08.1997]. Данное устройство выполнено из токопроводящего канала на базе полупроводникового канала, двух электродов: стока и истока, выполненных из ферромагнитного материала, и предназначено в том числе для функционирования в ключевом режиме. Принцип работы данного устройства основывается на том, что спиновая поляризации тока инжектированного в исток, управляется с помощью приложенного магнитного поля. При определенных значениях поляризациях стока и истока достигается прохождение или отражение токового импульса, а значит пропускание или блокировка сигнала. Недостатком этого устройства является использование магнитных полей и ферромагнитных материалов.The prior art device of the field-effect transistor for the injection of spin-polarized current [US patent US 5654566, IPC H01L 29/82, priority date 04/21/1995, published 5.08.1997]. This device is made of a conductive channel based on a semiconductor channel, two electrodes: a drain and a source made of a ferromagnetic material, and is intended, inter alia, for operation in a key mode. The principle of operation of this device is based on the fact that the spin polarization of the current injected into the source is controlled by the applied magnetic field. At certain values of the polarizations of the drain and source, the passage or reflection of a current pulse is achieved, which means the transmission or blocking of the signal. A disadvantage of this device is the use of magnetic fields and ferromagnetic materials.

Из уровня техники известно устройство спинового транзистора [Патент РФ №2387047, МПК H01L 29/82, дата приоритета 23.09.2008, опубликовано 20.04.2010]. В данном устройстве содержатся эмиттер (исток) спин поляризованных носителей, выполненный из ферромагнетика (EuO:Fe), база, выполненная из оксидного соединения, и детектор (сток), выполненный из широкозонного полупроводника (GaAs). Сила пропускаемого через базу туннельного спин-поляризованного тока зависит от величины приложенного внешнего магнитного поля, а использованные материалы допускают функционировании устройства при комнатной температуре. Недостатком этого устройства являются необходимость использования достаточно высоких магнитных полей для модификации транспортных свойств носителей заряда, приводящих к наличию у устройства двух характерных величин проводимости.The prior art device of the spin transistor [RF Patent No. 2387047, IPC H01L 29/82, priority date 09/23/2008, published April 20, 2010]. This device contains an emitter (source) spin of polarized carriers made of a ferromagnet (EuO: Fe), a base made of an oxide compound, and a detector (drain) made of a wide-gap semiconductor (GaAs). The strength of a spin-polarized tunnel current passed through the base depends on the magnitude of the applied external magnetic field, and the materials used allow the device to operate at room temperature. A disadvantage of this device is the need to use sufficiently high magnetic fields to modify the transport properties of charge carriers, resulting in the device having two characteristic conductivity values.

Наиболее близким аналогом долинного транзистора является известное устройство туннельного полевого транзистора на основе графена [Патент РФ №2554694, H01L 29/786, дата приоритета 05.02.2014, опубликовано 27.06.2015]. В этом устройстве содержатся расположенные на подложке электроды стока и истока, затвор, выполненный из проводящего материала (например золота), а также токопроводящий канал из многослойного графена, содержащий вакуумный барьер с кристаллографическим краем типа зигзаг. В данном устройстве управляющим воздействием является электрический потенциал, прикладываемый к затвору и регулирующий коэффициент прохождения туннельного тока через вакуумный барьер. Недостатками устройства аналога являются высокие предъявляемые требования к технологическому оборудованию при изготовлении вакуумного барьера для многослойного графена, а также невысокая производительность, ограниченная быстродействием управляющего воздействия.The closest analogue of the valley transistor is the well-known device of a tunnel field-effect transistor based on graphene [RF Patent №2554694, H01L 29/786, priority date 05.02.2014, published 27.06.2015]. This device contains the drain and source electrodes located on the substrate, a gate made of a conductive material (such as gold), and a conductive channel of multilayer graphene containing a vacuum barrier with a zigzag-type crystallographic edge. In this device, the control action is the electric potential applied to the gate and regulating the coefficient of passage of the tunnel current through the vacuum barrier. The disadvantages of the device analog are the high requirements for technological equipment in the manufacture of a vacuum barrier for multilayer graphene, as well as low productivity, limited by the speed of the control action.

Решается задача увеличения технологичности изготовления устройства и повышения быстродействия управляющего воздействия.Solves the problem of increasing the manufacturability of the device and increase the speed of control.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом долинном транзисторе, содержащем расположенные на подложке исток, сток и токопроводящий канал, выполненный из графена, используется однородный монослой графена, а функцию затвора выполняет терагерцовый лазер, работающий на частоте 33 ТГц с плотностью мощности 300 Вт/см².The technical result is achieved in that in the proposed valley transistor containing a source, drain and conductive channel made of graphene located on the substrate, a homogeneous monolayer of graphene is used, and the function of the gate is performed by a 33 Hz terahertz laser with 300 W / cm ²

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется рисунками, гдеThe essence of the proposed utility model is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 представлено схематическое изображение долинного транзистора.in fig. 1 is a schematic representation of a valley transistor.

на фиг. 2 представлена плотность носителей зарядов, протекающих через долинный транзистор, при нормальном режиме работы.in fig. 2 shows the density of charge carriers flowing through a valley transistor during normal operation.

на фиг. 3 представлена плотность носителей зарядов, протекающих через долинный транзистор, при инверсном режиме работы.in fig. Figure 3 shows the density of charge carriers flowing through a valley transistor during inverse operation.

Устройство выполнено в виде расположенной на подложке 1 многослойной гетероструктуры, состоящей из истока 2, стока 3, токопроводящего канала в виде монослоя графена 4, резонатора 5, экранирующего примерно 25% площади графена, а также затвора 6, выполненного в виде терагерцового лазера, который располагается над гетероструктурой.The device is designed as a multilayer heterostructure located on the substrate 1, consisting of source 2, drain 3, a conductive channel in the form of a graphene monolayer 4, a resonator 5 shielding approximately 25% of the graphene area, and a gate 6 made in the form of a terahertz laser, which is located over heterostructure.

Работа долинного транзистора осуществляется следующим образом. Долинный транзистор может работать в двух режима: прямом и инверсионном. При этом параметры функционированию меняются только за счет изменения эффективности переноса заряда от стока к истоку (или наоборот). В прямом режиме работы в исток 2 инжектируются электроны с заданным волновым вектором. Попадая в токопроводящий слой 4, находящийся между металлическими обкладками резонатора 5, электрон оказывается в невозмущенном электромагнитным полем лазера 6 графене, а значит приобретает дисперсионную зависимость с фиксированным значением ширины запрещенной зоны. В свою очередь, дисперсионная зависимость электронов вне резонатора 5 в зависимости от взаимных значений волнового вектора электрона и направления циркулярной поляризации электромагнитного поля лазера 6 приобретает дополнительное увеличение или уменьшение ширины запрещенной зоны. А именно, в случае наличия у электрона волнового вектора K, и при облучении устройства циркулярно поляризованным полем с плотностью мощности 300 Вт/см² и частотой 33 ТГц, ширина запрещенной зоны вне резонатора 5 меньше, чем внутри. Это приводит к тому, что электрон покидает область инжекции и беспрепятственно достигает стока 3, создавая токовый сигнал. Если электрон имеет волновой вектор K', то ширина запрещенной зоны вне резонатора 5 больше, чем внутри. Поэтому заряд, инжектированный в исток 2, не выходит за пределы резонатора 5, что приводит к отсутствию токового сигнала. Обратная картина наблюдается при смене направления циркулярной поляризации электромагнитного поля. В этом случае электроны с волновым вектором K, будут локализоваться в области резонатора 5, а с волновым вектором K' беспрепятственно достигать стока 3.The operation of the valley transistor is as follows. The valley transistor can operate in two modes: direct and inversion. In this case, the functioning parameters change only due to a change in the efficiency of charge transfer from the drain to the source (or vice versa). In the direct mode of operation, electrons with a given wave vector are injected into source 2. Getting into the conductive layer 4, located between the metal plates of the resonator 5, the electron is in a graphene unperturbed by the electromagnetic field of the laser 6, and thus acquires a dispersion relation with a fixed value of the width of the forbidden zone. In turn, the dispersion dependence of electrons outside the resonator 5, depending on the mutual values of the electron wave vector and the direction of the circular polarization of the electromagnetic field of the laser 6, acquires an additional increase or decrease in the width of the forbidden band. Namely, if the electron has a wave vector K, and when the device is irradiated with a circularly polarized field with a power density of 300 W / cm ² and a frequency of 33 THz, the band gap outside the resonator 5 is smaller than inside. This leads to the fact that the electron leaves the injection area and freely reaches the drain 3, creating a current signal. If the electron has a wave vector K ', then the band gap outside the resonator 5 is larger than inside. Therefore, the charge injected into source 2 does not exceed the limits of resonator 5, which leads to the absence of a current signal. The opposite picture is observed when changing the direction of the circular polarization of the electromagnetic field. In this case, the electrons with the wave vector K, will be localized in the region of the resonator 5, and with the wave vector K 'will easily reach the drain 3.

При функционировании устройства в инверсном режиме электроны с заданным вектором K инжектируются в сток 3, после чего сразу попадают в токопроводящий канал 4, облучаемый электромагнитным полем лазера 6. При этом ширина запрещенной зоны в графене в области резонатора 5 для таких электронов оказывается больше, а значит, они не способны достичь области истока 2 и создать сигнал. Для электронов, обладающих волновым вектором K' область графена внутри резонатора 5 имеет меньшую ширину запрещенной зоны, а значит является для таких носителей ловушкой. Электроны, локализованные внутри резонатора 5, затем могут создать токовый сигнал, проникая в исток 2. Как и в случае прямого режима работы, инверсия направления циркулярной поляризации приводит к инверсии характеристик по отношению к состояниям K и K'.When the device operates in the inverse mode, electrons with a given vector K are injected into drain 3, after which they immediately enter the conductive channel 4 irradiated by the electromagnetic field of the laser 6. At the same time, the band gap in graphene in the region of the resonator 5 is larger for such electrons, which means they are not able to reach the source area 2 and create a signal. For electrons with a wave vector K ', the graphene region inside the cavity 5 has a smaller band gap, and therefore is a trap for such carriers. The electrons localized inside the cavity 5 can then create a current signal, penetrating into the source 2. As in the case of direct operation, inversion of the direction of circular polarization leads to inversion of the characteristics with respect to the states K and K '.

Ниже приведен конкретный пример результатов апробации.Below is a specific example of the test results.

Для моделирования электронного транспорта во всех режимах работы долинного транзистора были использованы следующие параметры модели. Радиус верхней пластины резонатора, выполненной из золота равен 2 мкм. Толщина слоя, изолирующего монослой графена от обкладок микрорезонатора - 3 нм. Параметры управляющего электромагнитного поля: плотность мощности 300 Вт/см², частота - 33 ТГц. Расстояние между истоком, располагаемым в центре резонатора и стоком - 15 мкм.To simulate the electron transport in all modes of operation of the valley transistor, the following model parameters were used. The radius of the upper plate of the resonator, made of gold is equal to 2 microns. The thickness of the layer that isolates the graphene monolayer from the microresonator plates is 3 nm. The parameters of the control electromagnetic field: power density of 300 W / cm ² , frequency - 33 THz. The distance between the source located at the center of the resonator and the drain is 15 μm.

Результат моделирования прямого режима работы долинного транзистора представлен на Фиг. 2. Плотность электронов, имеющих волновой вектор K и K', в момент инжекции одинакова и приведена на Фиг. 2 (а). Дальнейшая временная динамика электронов, имеющих волновой вектор (К), приведена на панелях (b)-(d), а К' на панелях (e)-(f). Видно, что в первом случае электронная плотность достигает стока за времена порядка 30 пикосекунд, тогда как во втором случае электронная плотность остается локализованной в пределах резонатора произвольное время.The result of the simulation of the direct mode of operation of the valley transistor is shown in FIG. 2. The density of electrons having a wave vector K and K 'is the same at the time of injection and is shown in FIG. 2 (a). Further temporal dynamics of electrons having a wave vector (K) is shown on panels (b) - (d), and K 'on panels (e) - (f). It can be seen that in the first case, the electron density reaches a drain in a time of about 30 picoseconds, whereas in the second case, the electron density remains localized within the cavity for an arbitrary time.

Результат моделирования инверсного режима работы долинного транзистора представлен на Фиг. 3. В это случае электронная плотность инжектируется в сток на расстоянии 15 мкм от истока. Как и в случае прямого режима работы, начальная электронная плотность электронов имеющих волновые вектора K и K' одинакова и приведена на Фиг. 3 (а). Расчет эволюции электронной плотности показывает, что в случае инжекции в сток электронов с волновым вектором K, они не достигают истока, рассеиваясь о потенциальный барьер, находящийся у границ резонатора. В случае инжекции электронов с волновым вектором K' происходит их частичный сбор в области резонатора за время, меньше чем 70 пс, что приводит к появлению токового сигнала.The result of the simulation of the inverse mode of operation of the valley transistor is shown in FIG. 3. In this case, the electron density is injected into the drain at a distance of 15 μm from the source. As in the case of direct mode of operation, the initial electron density of electrons having wave vectors K and K 'is the same and is shown in FIG. 3 (a). The calculation of the evolution of electron density shows that in the case of injection of electrons with a wave vector K into the drain, they do not reach the source, dissipating about the potential barrier located at the edges of the resonator. In the case of injection of electrons with the wave vector K ', they are partially collected in the region of the resonator for a time less than 70 ps, which leads to the appearance of a current signal.

Как показывают результаты моделирования, долинный транзистор обеспечивает функционал полевого транзистора, работающего в ключевом режиме с логическими сигналами за счет наличия двух характерных величин проводимости канала, зависящих от управляющего воздействия. Как и классический транзистор, долинный транзистор способен работать в двух режимах: прямом и инверсном, причем переключение между режимами может осуществляться как за счет изменения параметров инжектируемых носителей, так и за счет смены направления поляризации управляющего сигнала. В качестве управляющего сигнала в долинном транзисторе предлагается использование циркулярно поляризованного электромагнитного поля.As the simulation results show, the valley transistor provides the functionality of a field-effect transistor operating in the key mode with logic signals due to the presence of two characteristic channel conduction values depending on the control action. Like a classic transistor, a valley transistor can operate in two modes: direct and inverse, and switching between modes can be done both by changing the parameters of the injected carriers and by changing the polarization direction of the control signal. The use of a circularly polarized electromagnetic field is proposed as a control signal in a valley transistor.

Claims

A valley transistor containing a source, a drain, a conductive channel made of graphene, and a resonator, as well as a gate, characterized in that the conductive channel is made of a uniform graphene monolayer shielded by a resonator by about 25%, and the gate is made of a terahertz laser with the function of changing the electronic properties of the unshielded region of graphene during its irradiation.