RU2554694C1 - Graphene-based tunnel field effect transistor - Google Patents

Graphene-based tunnel field effect transistor Download PDF

Info

Publication number
RU2554694C1
RU2554694C1 RU2014103818/28A RU2014103818A RU2554694C1 RU 2554694 C1 RU2554694 C1 RU 2554694C1 RU 2014103818/28 A RU2014103818/28 A RU 2014103818/28A RU 2014103818 A RU2014103818 A RU 2014103818A RU 2554694 C1 RU2554694 C1 RU 2554694C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
source
drain
tunnel
graphene
gate
Prior art date
Application number
RU2014103818/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Всеволод Леонидович Катков
Владимир Андреевич Осипов
Original Assignee
Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Объединенный Институт Ядерных Исследований filed Critical Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority to RU2014103818/28A priority Critical patent/RU2554694C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2554694C1 publication Critical patent/RU2554694C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: in a tunnel field effect transistor with an insulated gate containing electrodes of source and drain made of multilayer graphene and located at an insulating substrate in the same plane, and also the gate made of a conducting material and located above the areas of source, tunnel junction and drain, electrodes of source and drain are oriented towards each other crystallographically by an even edge of a zigzag type and separated by a vacuum barrier transparent for charge carriers.
EFFECT: invention expands the inventory of tunnel transistor nanodevices; this device alongside its pronounced switching property has on the current-voltage curve of the source and drain electrodes the area with a negative differential resistance, which allows its functioning as the Gunn diode; the device requires lower voltage at the gate.
2 dwg

Description

Изобретение относится к области наноэлектроники и, в частности, к активным элементам на основе углеродных наноструктур, а именно, к транзисторам, реализующим эффект управления электрическим током, и может быть использовано в качестве базового коммутирующего устройства и устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением при изготовлении цифровых интегральных схем.The invention relates to the field of nanoelectronics and, in particular, to active elements based on carbon nanostructures, namely, transistors that realize the effect of controlling electric current, and can be used as a basic switching device and a device with negative differential resistance in the manufacture of digital integrated circuits .

Аналогом изобретения является туннельный полевой транзистор с изолированным затвором, предложенный в [1]. Он представляет из себя туннельный полевой транзистор, роль истока и стока в котором играет высоко легированный кремний, а затвор расположен над областью туннельного перехода. Недостатком данного прибора является ограничение его быстродействия из-за небольшой относительно графена величины подвижности носителей заряда в кремнии.An analog of the invention is an insulated gate tunneling field-effect transistor, proposed in [1]. It is a tunneling field-effect transistor, in which the role of source and drain is played by highly doped silicon, and the gate is located above the region of the tunnel junction. The disadvantage of this device is the limitation of its speed due to the small relative to graphene magnitude of the mobility of charge carriers in silicon.

В качестве прототипа выбран прибор, предложенный в [2] и [3], в котором роль электродов играет графен, обладающий подвижностью носителей заряда на порядки большей, чем у кремния. Отличительной чертой данного прибора является то, что туннельный барьер на графене осуществляется путем интеркаляции требуемой области соединениями бора, углерода и азота, имеющими гексагональную решетку (h-BCN) с разными концентрациями данных элементов. В результате интеркаляции образуется домен гетероструктуры, обладающий полупроводниковым типом проводимости с шириной запрещенной зоны от 1 до 5 электронвольт (в зависимости от концентрации элементов в соединении h-BCN). В данном устройстве не предполагается определенной ориентации кристаллографической решетки графена относительно туннельного промежутка. Основными недостатками данного устройства являются имеющиеся на данный момент проблемы в технологии изготовления доменов гетероструктур необходимых размеров и форм, а также относительно большое напряжение на затворе, требуемое для коммутации данного транзистора.As a prototype, a device was proposed in [2] and [3], in which graphene plays the role of electrodes, which has charge carrier mobility orders of magnitude greater than that of silicon. A distinctive feature of this device is that the tunnel barrier on graphene is carried out by intercalating the desired region with boron, carbon, and nitrogen compounds having a hexagonal lattice (h-BCN) with different concentrations of these elements. As a result of intercalation, a heterostructure domain is formed having a semiconductor type of conductivity with a band gap of 1 to 5 electron volts (depending on the concentration of elements in the h-BCN compound). This device does not assume a specific orientation of the crystallographic lattice of graphene relative to the tunnel gap. The main disadvantages of this device are the current problems in the manufacturing technology of heterostructure domains of the required sizes and shapes, as well as the relatively high gate voltage required for switching this transistor.

Туннельный транзистор с графеновыми электродами также предложен в [4]. Он имеет сходство с прототипом, предложенным в [2], [3], однако область туннельного барьера здесь предлагается формировать путем помещения в туннельный зазор кремниевой вставки. Главным недостатком данного устройства является то, что на данный момент технологическая реализация данной операции представляется мало осуществимой. Также данный транзистор требует относительно большого напряжения на затворе для осуществления его переключения.A tunneling transistor with graphene electrodes was also proposed in [4]. It resembles the prototype proposed in [2], [3], however, it is proposed here to form the region of the tunnel barrier by placing a silicon insert in the tunnel gap. The main disadvantage of this device is that at the moment the technological implementation of this operation seems to be little feasible. Also, this transistor requires a relatively large voltage at the gate to perform its switching.

Таким образом, задачи, которые решает предложенный транзистор, следующие. Во-первых, он расширяет арсенал туннельных транзисторных наноустройств. Во-вторых, наряду с переключающей способностью, его вольт-амперные характеристики обладают областью с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и по этой причине данный прибор может выполнять функции как транзистора, так и диода Ганна. В-третьих, для своей работы он требует напряжений на затворе, более низких, чем в существующих аналогах. В-четвертых, технология изготовления нанощели с кристаллографически ровными краями является на данный момент более достижимой, чем технология создания доменов h-BCN нужной формы и технология внедрения диэлектрической вставки из оксида кремния.Thus, the tasks that the proposed transistor solves are as follows. Firstly, it expands the arsenal of tunneling transistor nanodevices. Secondly, along with the switching ability, its current-voltage characteristics have a region with negative differential resistance, and for this reason this device can perform the functions of both a transistor and a Gunn diode. Thirdly, for its work, it requires gate voltages lower than in existing analogs. Fourth, the technology for producing a nanogap with crystallographically even edges is currently more achievable than the technology for creating h-BCN domains of the desired shape and the technology for introducing a dielectric insert from silicon oxide.

В заявляемом туннельном полевом транзисторе электроды истока и стока выполнены из листов монослойного графена, лежащих на изолирующей подложке в одной плоскости, ориентированных друг к другу кристаллографически ровным краем типа зигзаг и разделенных туннельно-прозрачным для носителей заряда вакуумным барьером. Затвор выполнен из проводящего материала, расположен над областями истока, туннельного перехода и стока.In the inventive tunneling field effect transistor, the source and drain electrodes are made of monolayer graphene sheets lying on the insulating substrate in the same plane, oriented to each other by a crystallographically even zigzag edge and separated by a tunnel-transparent vacuum barrier for charge carriers. The shutter is made of conductive material located above the source, tunnel passage and drain areas.

Отличительными признаками данного изобретения являются:Distinctive features of this invention are:

1. Наличие вакуумного туннельного-прозрачного барьера (нанощели нужной ширины). Вакуумный туннельный барьер не требует манипуляций с внедрением диэлектрической прокладки или создания гибридного домена правильной формы, а может быть осуществлен следующими технологическими методами:1. The presence of a vacuum tunnel-transparent barrier (nanogaps of the desired width). The vacuum tunnel barrier does not require manipulation with the introduction of a dielectric strip or the creation of a hybrid domain of the correct shape, but can be carried out by the following technological methods:

а) нанолитография с помощью сканирующей туннельной микроскопии;a) nanolithography using scanning tunneling microscopy;

б) электромиграция;b) electromigration;

в) локальное анодное окисление;c) local anodic oxidation;

г) нанофабрикация с использованием просвечивающей электронной микроскопии;g) nanofabrication using transmission electron microscopy;

д) каталитическая нанорезка.e) catalytic nanorecision.

2. Ориентация графеновых электродов кристаллографически ровным краем типа зигзаг друг к другу. Вблизи данного края сосредоточены специфические электронные краевые состояния, наличие которых необходимо для функционирования устройства.2. Orientation of graphene electrodes with a crystallographically even edge of the zigzag type to each other. Near this edge are concentrated specific electronic edge states, the presence of which is necessary for the functioning of the device.

Совокупность указанных признаков позволяет достичь поставленной задачи.The combination of these features allows you to achieve the task.

Перечень фигур.Enumeration of figures.

На фиг.1 представлен внешний вид устройства.Figure 1 shows the appearance of the device.

1. - лист графена, шириной не меньше 10 нм и длиной не меньше 100 нм1. - a graphene sheet with a width of at least 10 nm and a length of at least 100 nm

2. - лист графена, шириной не меньше 10 нм и длиной не меньше 100 нм2. - a graphene sheet with a width of at least 10 nm and a length of at least 100 nm

3. - изолятор (например, оксид кремния)3. - an insulator (for example, silicon oxide)

4. - затвор, выполненный из проводящего материала (например из золота)4. - a shutter made of a conductive material (for example, gold)

5. - омические контакты (например из титана), призваны обеспечить соединение электродов со внешней электрической цепью5. - ohmic contacts (for example, from titanium), are designed to ensure the connection of the electrodes with an external electrical circuit

6. - контакт истока6. - source contact

7. - контакт стока7. - drain contact

На фиг.2 представленная схематическая диаграмма плотности состояний для левого и правого электродов.Figure 2 presents a schematic diagram of the density of states for the left and right electrodes.

Для того чтобы избежать эффектов размерного квантования, листы графена 1 и 2 на фиг.1 должны обладать длиной (размер в направлении от истока к стоку) не менее 100 нанометров и шириной не менее 10 нм. Толщина изолятора 3 на фиг.1 должна быть достаточной, чтобы избежать туннельного тока между листами 1 и 2 на фиг.1 и затвора 4 на фиг.1 (в несколько раз больше ширины туннельного промежутка). К внешнем цепям листы графена подключаются с помощью омических контактов 5 на фиг.1. Работа устройства может быть пояснена с помощью фиг.2.In order to avoid the effects of size quantization, graphene sheets 1 and 2 in FIG. 1 must have a length (size from source to drain) of at least 100 nanometers and a width of at least 10 nm. The thickness of the insulator 3 in figure 1 should be sufficient to avoid the tunneling current between the sheets 1 and 2 in figure 1 and the shutter 4 in figure 1 (several times the width of the tunnel gap). The graphene sheets are connected to the external circuits using ohmic contacts 5 in Fig. 1. The operation of the device can be explained using figure 2.

На данном рисунке изображена краевая плотность состояний для левого и правого контактов в зависимости от энергии. Область состояний, заполненная электронами, закрашена черным. Верхняя часть черной области, соответствует уровню Ферми. Частично прозрачный прямоугольник обозначает транспортное окно - тот интервал энергии, в котором возможен направленный туннельный транспорт. Фиг.2(а) соответствует состоянию, при котором разность потенциалов V между истоком (6 на фиг.1) и стоком (7 на фиг.1) равна нулю и напряжение Vg на затворе (4 на фиг.1) отсутствует, при этом область заполненных краевых состояний левого электрода соответствует области заполненных краевых состояний правого электрода, туннелирование электронов невозможно, ток через структуру не течет. После того как к истоку и стоку будет приложена разность потенциалов, часть заполненных состояний в левом электроде будут соответствовать области свободных состояний в правом электроде, появится направленный туннельный ток электронов из левого электрода в правый. На фиг.2(b) изображена зонная диаграмма при разности потенциалов между истоком и стоком, при которой наблюдается максимальное значение туннельного тока, так как в этом случае максимум занятых состояний левого электрода соответствует максимуму свободных состояний правого электрода. В данном состоянии транзистор "открыт". Дальнейшее увеличение разности потенциалов приведет к расхождению пиков плотности состояний и падению тока, что иллюстрирует фиг.2(c). Данный участок будет характеризоваться отрицательным дифференциальным сопротивлением.This figure shows the edge density of states for the left and right contacts, depending on the energy. The region of states filled with electrons is blacked out. The upper part of the black region corresponds to the Fermi level. A partially transparent rectangle denotes a transport window — the energy interval in which directional tunnel transport is possible. Figure 2 (a) corresponds to a state in which the potential difference V between the source (6 in figure 1) and the drain (7 in figure 1) is zero and the voltage V g at the gate (4 in figure 1) is absent, In this case, the region of the filled edge states of the left electrode corresponds to the region of the filled edge states of the right electrode, electron tunneling is impossible, current does not flow through the structure. After the potential difference is applied to the source and the drain, part of the filled states in the left electrode will correspond to the region of free states in the right electrode, a directed tunneling electron current from the left electrode to the right will appear. Figure 2 (b) shows the band diagram for the potential difference between the source and the drain, at which the maximum value of the tunneling current is observed, since in this case the maximum of occupied states of the left electrode corresponds to the maximum of free states of the right electrode. In this state, the transistor is “open”. A further increase in the potential difference will lead to a divergence of the peaks in the density of states and a drop in current, as illustrated in FIG. 2 (c). This section will be characterized by negative differential resistance.

При подаче на электрод затвора (4 на фиг.1) положительного потенциала относительно истока и стока, произойдет увеличение области занятых состояний (так называемый конденсаторный эффект [4]), что проиллюстрировано на фиг.2(d). При подаче разности потенциалов исток-сток ток в транзисторе будет подавлен из-за крайне низкой плотности состояний в транспортном окне (фиг.2(e)). В данном состоянии транзистор "закрыт". Дальнейшее увеличение разности потенциалов исток-сток приведет к тому, что один из пиков плотности состояний попадет в транспортное окно (что показано на фиг.2(f)), последнее, в свою очередь, приведет к резкому повышению (ступеньке) тока между истоком и стоком.When a positive potential is applied to the gate electrode (4 in FIG. 1) with respect to the source and the drain, the region of occupied states will increase (the so-called capacitor effect [4]), as illustrated in FIG. 2 (d). When applying the potential difference, the source-drain current in the transistor will be suppressed due to the extremely low density of states in the transport window (figure 2 (e)). In this state, the transistor is “closed”. A further increase in the source-drain potential difference will cause one of the peaks of the density of states to fall into the transport window (as shown in Fig. 2 (f)), the latter, in turn, will lead to a sharp increase (step) in the current between the source and runoff.

Таким образом, в данном приборе может быть осуществлен процесс переключения из "открытого" в "закрытое" состояние путем изменения потенциала затвора, что является основным положительным эффектом работы транзистора. Кроме того, данное устройство обладает дополнительным полезным эффектом, а именно в вольт-амперной характеристике данного устройства присутствует область с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что позволяет ему выполнять функцию диода Ганна.Thus, in this device, the process of switching from an “open” to a “closed” state by changing the gate potential, which is the main positive effect of the operation of the transistor, can be carried out. In addition, this device has an additional useful effect, namely, in the current-voltage characteristic of this device there is a region with negative differential resistance, which allows it to perform the function of a Gunn diode.

СсылкиReferences

[1] Патент RU 2354002[1] Patent RU 2354002

[2] G. Fiori, A. Betti, S. Bruzzone, and G. Iannaccone, Nano Vol.6, 2642 (2012)[2] G. Fiori, A. Betti, S. Bruzzone, and G. Iannaccone, Nano Vol. 6, 2642 (2012)

[3] Патент WO 2013080237 A1[3] Patent WO 2013080237 A1

[4] Д.А. Свинцов, B.B. Вьюрков, В.Ф. Лукичев, A.A. Орликовский, А. Буренков, P. Охснер, Физика и техника полупроводников, 2013, том 47, вып.2 стр.244[4] D.A. Lead, B.B. Vyurkov, V.F. Lukichev, A.A. Orlikovsky, A. Burenkov, P. Ochsner, Physics and Technology of Semiconductors, 2013, Volume 47, Issue 2, p. 244

Claims (1)

Туннельный полевой транзистор на основе графена с изолированным затвором, содержащий электроды истока и стока, выполненные из монослойного графена и лежащие на изолирующей подложке в одной плоскости, а также затвор, выполненный из проводящего материала и расположенный над областями истока, туннельного перехода и стока, отличающийся тем, что электроды истока и стока ориентированы друг к другу кристаллографически ровным краем типа зигзаг и разделены туннельно-прозрачным для носителей заряда вакуумным барьером. A graphene-based tunneling field effect transistor with an insulated gate containing source and drain electrodes made of monolayer graphene and lying on the insulating substrate in the same plane, as well as a gate made of conductive material and located above the source, tunnel junction and drain areas, characterized in that the source and drain electrodes are oriented to each other by a crystallographically even edge of the zigzag type and are separated by a tunnel-transparent vacuum barrier for charge carriers.
RU2014103818/28A 2014-02-05 2014-02-05 Graphene-based tunnel field effect transistor RU2554694C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014103818/28A RU2554694C1 (en) 2014-02-05 2014-02-05 Graphene-based tunnel field effect transistor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014103818/28A RU2554694C1 (en) 2014-02-05 2014-02-05 Graphene-based tunnel field effect transistor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2554694C1 true RU2554694C1 (en) 2015-06-27

Family

ID=53498615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014103818/28A RU2554694C1 (en) 2014-02-05 2014-02-05 Graphene-based tunnel field effect transistor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2554694C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109659356A (en) * 2018-12-18 2019-04-19 河南师范大学 The nano-device with negative differential resistance and on-off action based on copper selenide single layer
RU188856U1 (en) * 2018-12-20 2019-04-25 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) VALLEY TRANSISTOR

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2354002C1 (en) * 2007-10-16 2009-04-27 Закрытое Акционерное Общество "ТЕЛЕКОМ-СТВ" Tunnel field-effect nanotransistor with insulated gate
CN102694030A (en) * 2012-06-01 2012-09-26 北京大学 Tunneling field effect transistor with graphene nanoribbon heterostructure

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2354002C1 (en) * 2007-10-16 2009-04-27 Закрытое Акционерное Общество "ТЕЛЕКОМ-СТВ" Tunnel field-effect nanotransistor with insulated gate
CN102694030A (en) * 2012-06-01 2012-09-26 北京大学 Tunneling field effect transistor with graphene nanoribbon heterostructure

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109659356A (en) * 2018-12-18 2019-04-19 河南师范大学 The nano-device with negative differential resistance and on-off action based on copper selenide single layer
RU188856U1 (en) * 2018-12-20 2019-04-25 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) VALLEY TRANSISTOR

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Echtermeyer et al. Nonvolatile switching in graphene field-effect devices
US9608101B2 (en) Semiconductor device
Liao et al. Interface engineering of two-dimensional transition metal dichalcogenides towards next-generation electronic devices: recent advances and challenges
US20110089404A1 (en) Microfabrication of Carbon-based Devices Such as Gate-Controlled Graphene Devices
US10872973B2 (en) Semiconductor structures with two-dimensional materials
US8841650B2 (en) Electronic-structure modulation transistor
Lan et al. Atomic-monolayer MoS2 band-to-band tunneling field-effect transistor
Liu et al. Approaching ohmic contact to two-dimensional semiconductors
Li et al. Complementary-like graphene logic gates controlled by electrostatic doping
WO2009119103A1 (en) Semiconductor substrate, semiconductor device and semiconductor device manufacturing method
EP1648041A2 (en) Unipolar nanotube transistor using a carrier-trapping material
CN104218089B (en) Stepped gate-dielectric double-layer graphene field effect transistor and production method thereof
Fang et al. Ultrathin-body high-mobility InAsSb-on-insulator field-effect transistors
JP5513955B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
Kim et al. In-situ metallic oxide capping for high mobility solution-processed metal-oxide TFTs
JP2011198938A (en) Transistor
RU2554694C1 (en) Graphene-based tunnel field effect transistor
Schwierz et al. Six decades of research on 2D materials: Progress, dead ends, and new horizons
Meng et al. Adjustment methods of Schottky barrier height in one-and two-dimensional semiconductor devices
Ullah et al. Near-thermal limit gating in heavily doped III-V semiconductor nanowires using polymer electrolytes
US9425329B2 (en) Rectifying device and method for manufacturing the same
Kliros Modeling of carrier density and quantum capacitance in graphene nanoribbon FETs
Tsukagoshi et al. Semiconducting properties of bilayer graphene modulated by an electric field for next-generation atomic-film electronics
CN104538442A (en) Tunnel field effect transistor and preparation method thereof
Koo et al. Strain-dependent characteristics of triangular silicon nanowire-based field-effect transistors on flexible plastics