AIST-forskare har utvecklat en grafentransistor med en ny funktionsprincip. I den utvecklade transistorn, två elektroder och två övre grindar placeras på grafen och grafen mellan de övre grindarna bestrålas med en heliumjonstråle för att introducera kristallina defekter. Grindförspänningar appliceras på de två övre grindarna oberoende av varandra, vilket gör det möjligt att effektivt kontrollera bärardensiteter i de toppstyrda grafenområdena. En elektrisk ström på/av-förhållande på cirka fyra storleksordningar demonstrerades vid 200 K (ungefär -73 °C). Dessutom, dess transistorpolaritet kan vara elektriskt styrd och inverterad, vilket hittills inte varit möjligt för transistorer. Denna teknik kan användas i den konventionella produktionstekniken för integrerade kretsar baserade på kisel, och förväntas bidra till förverkligandet av elektronik med ultralåg strömförbrukning genom att minska driftspänningen i framtiden.

Detaljer om denna teknik presenterades vid 2012 International Electron Devices Meeting (IEDM 2012) som hölls i San Francisco, U.S.A., från 10 till 12 december, 2012.

På senare år har ökningen av strömförbrukningen i samband med spridningen av mobila informationsterminaler och framstegen inom IT-enheter har blivit ett problem. Samhällets efterfrågan på att minska den energi som förbrukas av elektroniska informationsenheter ökar. Även om försök att minska strömförbrukningen av storskaliga integrerade kretsar (LSI) har gjorts avancerade, den konventionella transistorstrukturen anses ha inneboende gränser. Under tiden, elektronrörlighet av grafen, som representerar den enkla elektronrörelsen, är minst 100 gånger större än den för kisel. Det förväntas också att grafen kan användas för att lösa problemen med de inneboende gränserna för kisel och andra material. Därför, grafen har potential att ta bort hindret för att minska strömförbrukningen av LSI, och det förväntas att grafen kommer att användas som material för transistorer med ultralåg strömförbrukning från postkiselåldern som använder nya funktionella atomfilmer.

Dock, när grafen används i en switchtransistor, elektrisk ström kan inte avbrytas tillräckligt, eftersom grafen inte har något bandgap. Också, även om det finns teknik för att bilda bandgap, elektronmobiliteten minskar när bandgapet som krävs för omkoppling bildas. Därför, Det krävs en grafentransistor med en ny funktionsprincip som kan utföra omkopplingsoperationen effektivt med ett litet bandgap.

Funktionsprincipen för den nyutvecklade grafentransistorn visas i fig. 1(a) till 1(c). För att skapa ett transportgap i grafen i kanalen mellan de två övre grindarna, ett heliumjonmikroskop användes för att bestråla heliumjoner med en densitet av 6,9 x 10 ¹⁵ joner/cm ² att introducera kristallina defekter. Energibandet för grafen på båda sidor av kanalen kan moduleras genom elektrostatisk kontroll genom att applicera förspänningar på de övre grindarna. Polariteten för bärarna i grafen kan ändras mellan n-typ och p-typ, beroende på polariteten hos de förspänningar som appliceras på de övre grindarna. När polariteterna på båda sidor av kanalen skiljer sig, transistorn är i ett avstängt tillstånd (fig. 1(b)). När polariteterna är desamma, transistorn är i ett tillstånd (fig. 1(c)). När en konventionell transistor (fig. 1(d) till 1(f)) är i ett avstängt tillstånd, bärartransport är blockerad av en barriär som är utformad på käll- eller dräneringssidans ände av kanalen med transportgapet. Dock, som visas i fig. 1(e), läckströmmen för transistorn i avstängt tillstånd är stor, eftersom endast en liten barriär bildas. Under tiden, som figur 1 (b) visar, transportgapet i den utvecklade transistorn fungerar som en barriär som är större än den för konventionella transistorer (fig. 1(e)) och blockerar laddningsöverföring. Som ett resultat, det är möjligt att erhålla ett överlägset frånslag till det för konventionella transistorer.

I den utvecklade transistorn, längden på kanalen, där rörligheten vanligtvis försämras, kan reduceras till en längd som är kortare än den för konventionella transistorer. Dessutom, eftersom den utvecklade transistorn kan uppnå ett effektivt frånläge med ett litet transportgap, transportgapet kan göras mindre än för konventionella anordningar. På grund av dessa egenskaper, på/av-driften av transistorn kan utföras snabbare än med konventionella transistorer, och sålunda tror man att en LSI med lägre effektförbrukning kan realiseras genom att reducera kretsens driftspänning. Dessutom, transistorerna kan tillverkas med hjälp av konventionell tillverkningsteknik för integrerade kretsar av kisel, såsom litografi, deposition, och dopningsprocesser, och kan även enkelt tillverkas i waferskala.

För att demonstrera transistordriften av den nya operationsprincipen, en transistor tillverkades genom att bilda source- och drain-elektroder och ett par toppgrindar på en enskiktsgrafen isolerad från grafit. En lämplig dos av heliumjoner applicerades mellan de övre grindarna för att göra en heliumjonbestrålad kanal (Fig. 2, blå prickad linje), och den yttre onödiga grafenen bestrålades med en kraftig dos heliumjoner för att göra den till en isolator (Fig. 2, röd prickad linje). Som ett resultat, transistorkanalen är 20 nm lång och 30 nm bredd.

På/av-drift av den tillverkade transistorn utfördes vid den låga temperaturen på 200 K (ungefär -73 °C). Käll- och avloppsanslutningarna applicerades med förspänningar på -100 mV och +100 mV, respektive. Grindförspänningen för avloppssidans grind fixerades till −2 V, and that of the source-side gate was swept from −4 V to +4 V and the electric current flowing between the source and drain electrodes was measured. An on/off ratio of approximately four orders of magnitude was observed (Fig. 3).

In the developed transistor, the on state or off state is controlled according to whether the polarities of the voltages applied to the two top gates are the same or different. Därför, by fixing one gate bias and changing its polarity, it is possible to control whether the transistor operation by sweeping the other gate voltage is n-type or p-type. In the present experiment, voltages of −100 mV and +100 mV were applied to the source and drain terminals, respektive. The relation between the source-drain current and the bias of the source-side gate when the gate voltage of the drain-side, V _tgD , is fixed to be positive (Fig. 4(a)), is shown in Fig. 4(b). A logarithmic plot of the same data is shown in Fig. 4 (c). Här, when the gate voltage of the source-side is negative, the transistor is off, and when it is positive, the transistor is on. So it operates as an n-type transistor. Under tiden, the relation between the source-drain current and the bias of the source-side gate when the gate voltage of the drain-side is negative (Fig. 4(d)), is shown in Figs 4(e) and 4(f). I detta fall, when the gate voltage of the source-side is negative, the transistor is on, and when positive, the transistor is off. So it operates as a p-type transistor. Med andra ord, it was actually demonstrated that the polarity of a single transistor can be inverted by electrostatic control.

The transistor polarity of conventional silicon transistors is determined by the type of ion for doping, so it is not possible to change the polarity once a circuit is formed. Dock, because the polarity of the developed transistor can be electrostatically controlled, it is possible to realize an integrated circuit whose circuit structure can be electrically changed.

The researchers are aiming to realize CMOS operation in which transistor polarities can be changed through electrical control. They are also aiming to create a device prototype using a large-scale wafer with graphene synthesized by the CVD method (chemical vapor-phase deposition method). På samma gång, efforts to achieve higher-quality graphene will be made in order to improve the on/off ratio of electric current at room temperature and carrier mobility.