Туннельный полевой транзистор на основе графена



Туннельный полевой транзистор на основе графена
Туннельный полевой транзистор на основе графена

 


Владельцы патента RU 2554694:

Объединенный Институт Ядерных Исследований (RU)

Изобретение относится к области наноэлектроники. В туннельном полевом транзисторе с изолированным затвором, содержащем 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, электроды истока и стока ориентированы друг к другу кристаллографически ровным краем типа зигзаг и разделены туннельно-прозрачным для носителей заряда вакуумным барьером. Изобретение расширяет арсенал туннельных транзисторных наноустройств, данный прибор наряду с ярко выраженным переключающим свойством имеет на вольт-амперной характеристике электродов исток и сток участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что позволяет ему выполнять функцию диода Ганна, прибор требует более низких напряжений на затворе. 2 ил.

 

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Отличительными признаками данного изобретения являются:

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:

а) нанолитография с помощью сканирующей туннельной микроскопии;

б) электромиграция;

в) локальное анодное окисление;

г) нанофабрикация с использованием просвечивающей электронной микроскопии;

д) каталитическая нанорезка.

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.

Совокупность указанных признаков позволяет достичь поставленной задачи.

Перечень фигур.

На фиг.1 представлен внешний вид устройства.

1. - лист графена, шириной не меньше 10 нм и длиной не меньше 100 нм

2. - лист графена, шириной не меньше 10 нм и длиной не меньше 100 нм

3. - изолятор (например, оксид кремния)

4. - затвор, выполненный из проводящего материала (например из золота)

5. - омические контакты (например из титана), призваны обеспечить соединение электродов со внешней электрической цепью

6. - контакт истока

7. - контакт стока

На фиг.2 представленная схематическая диаграмма плотности состояний для левого и правого электродов.

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.

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.

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.

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.

Ссылки

[1] Патент RU 2354002

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

[3] Патент 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

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлооксидным тонким пленкам, используемым при изготовлении полевого транзистора. Жидкость для нанесения покрытия с образованием металлооксидной тонкой пленки включает неорганическое соединение индия, по меньшей мере одно из неорганического соединения магния и неорганического соединения цинка, простой гликолевый эфир и диол, причем диол выбран из по меньшей мере одного из диэтиленгликоля, 1,2-пропандиола и 1,3-бутандиола.

Изобретение относится к полупроводниковым устройствам. Полупроводниковое устройство содержит тонкопленочный транзистор, содержащий шину затвора, первую изолирующую пленку, оксидно-полупроводниковый слой в форме островка, вторую изолирующую пленку, шину истока, электрод стока и пассивирующую пленку, а также контактную площадку, содержащую первый соединительный элемент, изготовленный из той же проводящей пленки, что и шина затвора, второй соединительный элемент, изготовленный из той же проводящей пленки, что и шина истока и электрод стока, и третий соединительный элемент, сформированный на втором соединительном элементе.

Изобретение относится к полупроводниковому устройству со схемой защиты от электростатического разряда. .

Изобретение относится к тонкопленочному транзистору, который содержит конденсатор, включенный между затвором и истоком, а также к сдвиговому регистру, к схеме управления шиной сигналов развертки, дисплейному устройству и способу подстройки тонкопленочного транзистора.

Изобретение относится к инвертору, состоящему из тонкопленочных транзисторов с оксидным полупроводниковым слоем. .

Изобретение относится к полупроводниковым приборам оптоэлектроники и устройствам памяти. .

Изобретение относится к аморфному оксиду и полевому транзистору с его использованием. .

Изобретение относится к аморфному оксиду и полевому транзистору с его использованием. .

Изобретение относится к полевым транзисторам с использованием аморфного оксида для активного слоя. .

Многопереходное фотоэлектрическое устройство содержит первый и второй электроды, фотоэлектрический стек в электрическом контакте с указанными первым и вторым электродами и содержащий множество фотоэлектрических переходов, при этом каждый указанный фотоэлектрический переход включает электроноакцепторный полупроводниковый слой и светопоглощающий полупроводниковый слой, имеющий, в основном, большую рабочую функцию, чем указанный электроноакцепторный полупроводниковый слой, при этом указанные фотоэлектрические переходы разделены: рекомбинационной областью, включающей слой прозрачного и токопроводящего дырочного слоя в омическом контакте с указанным светопоглощающим полупроводниковым слоем указанного первого фотоэлектрического перехода, и прозрачный токопроводящий электроноакцепторный слой в омическом контакте с указанным электроноакцепторным полупроводниковым слоем указанного второго фотоэлектрического перехода; указанная рекомбинационная областью формирует градиентную рабочую функцию указанного прозрачного и токопроводящего дырочного слоя в омическом контакте с указанным светопоглощающим полупроводниковым слоем указанного первого фотоэлектрического перехода к указанному прозрачному и токопроводящему электроноакцепторному слою в омическом контакте с указанным электроноакцепторным полупроводниковым слоем указанного второго фотоэлектрического перехода, и имеющая толщину в пределах одного порядка величины суммы дебаевой длины всех слоев указанной рекомбинационной области.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к дерматологии и микологии, и может быть использована в лечении кожи и ее придатков. Фармацевтическая композиция наружного применения содержит наночастицы для лазерной термотерапии инфекционных поражений кожи и ее придатков.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в многожильных проводах для воздушных линий электропередачи. На сердечник (1) из стальной проволоки намотаны повивы из двух типов токопроводящих проволок - алюминиевой проволоки (2) и нанокомпозитной проволоки (3).

Изобретение относится к генератору микропузырьков и устройству генерирования микропузырьков. Одним из аспектов настоящего изобретения является генератор микропузырьков, в котором имеется вихревая камера, отверстие для подачи текучей среды, соединенное с вихревой камерой, при этом отверстие для подачи текучей среды предназначено для подачи текучей среды вдоль линии, касательной к внутренней поверхности вихревой камеры, и выпускную трубу, предназначенную для направления текучей среды в направлении, по существу, перпендикулярном направлению, в котором текучая среда введена.

Светодиод содержит подложку, светоизлучающую структуру, первый электрод, второй электрод. На подложке выполнен электропроводящий, прозрачный для излучаемого света U-образный подвес для светоизлучающей структуры.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению порошка для нанесения износо- и коррозионно-стойких покрытий с высокой адгезионной и когезионной прочностью методом холодного газодинамического напыления (ХГДН).

Изобретение относится к области селективного каталитического восстановления оксидов азота, а именно к материалу носителя для катализатора, используемого в этом процессе.

Изобретение может быть использовано для наплавки деталей металлургического оборудования, работающих в условиях абразивного износа. Электродное покрытие содержит следующие компоненты, мас.%: феррохром - 58,0-60,0, ферробор - 14,0-16,0, мрамор - 5,0-7,0, ферросилиций - 3,5-4,5, плавиковый шпат - 3,5-4,5, ферромарганец - 1,5-3,5, графит - 5,5-6,5, поташ - 0,5-1,5 и нанопорошок карбонитрида титана - 1,5-3,0.

Изобретение относится к области военной робототехники и может быть использовано для пропорционального увеличения усилий при движениях военнослужащего, выполняющего боевую задачу, а также в повседневной жизни для перемещения грузов.

Изобретение относится к мезопористому композитному материалу "углерод на оксиде алюминия" C/Al2O3 для использования в качестве сорбента или носителя для катализатора.
Изобретение относится к химико-фармацевтической промышленности и представляет собой способ инкапсуляции лекарственного препарата методом осаждения нерастворителем, отличающийся тем, что в качестве ядра нанокапсул используется сульфат хондроитина, в качестве оболочки - каррагинан, который осаждают из суспензии в бутиловом спирте путем добавления гексана в качестве нерастворителя при 25°С. Изобретение обеспечивает упрощение и ускорение процесса получения нанокапсул, уменьшение потерь при получении нанокапсул (увеличение выхода по массе). 2 пр.
Наверх