Single-nanometer-scale graphene tunnel field effect transistors for ultra-low-power nano electronics

用于超低功耗纳米电子器件的单纳米级石墨烯隧道场效应晶体管

• 批准号: 18F18365
• 负责人: 水田 博
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Japan Advanced Institute of Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-11-09 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18F18365/
• 关键词: グラフェン; トンネルトランジスタ; 超微細加工; ナノイオンビーム; サブサーマルスイッチング; グラフェン; トンネルトランジスタ; 超微細加工; ナノイオンビーム; サブサーマルスイッチング

原子層材料グラフェンは炭素原子１層厚のSP2結合原子シートであり、2003年の発見以来、その優れた電気的性質、機械的性質、熱的性質などから様々な応用分野で大きな注目を集めている。本研究は、バンドギャップがゼロであるグラフェンを、新原理のトンネルトランジスタ開発に用いるという逆転の発想に基づいた独創的プロジェクトである。具体的には、電子線および集束ヘリウムイオンビームを用いた超微細加工技術によりグラフェン膜をナノリボン（GNR）状に加工し、量子閉じ込め効果により小さなバンドギャップを形成する。これにより、高いトンネル電流を有するグラフェントンネルトランジスタ(GTFET)、およびグラフェン単電子トンネルトランジスタ（GSET）を作製し、その基本動作の実証を目的とした。まず、大面積CVDグラフェン膜を用いて、電子線直接描画により、幅約30nmのグラフェンナノリボン上に２つの制御ゲート電極を有する素子を試作し、グラフェントンネルトランジスタ実現の上で重要となるp型・n型領域を電気的に形成し、非常に小さなクロストークの範囲で独立に制御できることを示した。このグラフェンPN接合素子を用いて、バンド間トンネル電流をオン・オフ比 ～ 5 x 10E5で急峻にスイッチングできることを初めて実証した。次に、サブ20 nm微細加工用電子線レジストHSQを用いて、幅約15 nmグラフェンナノリボンチャネルと、電極間隔23 nmの３つの近接制御ゲート電極を有するGTFET素子を作製し、低温領域（T < 40 K）でS係数～47 mV/decの急峻スイッチングを観測することに成功した。また、測定されたS係数の温度依存性データは、アレニウスプロットで評価した極細GNRチャネルのバンドギャップ値Eg ～ 70 meVを用いたバンド間トンネリング理論モデルとよく一致することを見出した。

原子层材料石墨烯是一种带有一层碳原子厚度的Sp2键合子片，自2003年发现以来，由于其出色的电气，机械和热性能，它在各种应用中引起了极大的关注。这项研究是一个基于使用石墨烯的反相反的想法（在隧道晶体管的新原理中）的原始项目。具体而言，使用电子束和聚焦的氦离子束将石墨烯膜用于纳米纤维（GNR）形状，并通过量子限制效应形成小带隙。这制造了具有高隧道电流和石墨烯单电子隧道晶体管（GSET）的石墨烯隧道晶体管（GTFET），目的是展示其基本操作。首先，使用直接电子束图的大面积CVD石墨烯膜，该元素在石墨烯纳米替比上具有大约30 nm的宽度，并通过直接电子束图产生，并且表明P型和N型区域对于实现非常小的Cross范围内的石墨烯隧道晶体管非常重要。该石墨烯PN连接元件首次证明可以以〜5 x 10e5的开/关率急剧切换带间隧道电流。接下来，使用低于20 nm的微生物束抗HSQ，一种GTFET元件，具有大约15 nm宽的石墨烯纳米吡啶通道和三个接近控制栅极电极，并制造了23 nm的电极间距，并在低温区域（T <40 K）成功地在低温温度区域中成功地经过了47 mV/dec的突然切换。此外，我们发现使用带隙值（例如，由ARRHENIUS绘图评估的超铁GNR通道），测得的S系数的温度依赖性数据与带间隙值的频带隧道理论模型非常吻合。