石墨烯场效应管
【导读】随着硅晶体管的尺寸和性能接近其物理极限，需要寻找替代材料来支持更多的新兴技术， 其中一个具有希望的材料石墨烯。由于其出色的电气、机械和热性能，使得它最有可能成为场效应晶体沟道材料。
一、前言
本文后面根据 All about Circuits 中的一篇文章，介绍有关石墨烯场效应晶体管 （GFET）的构造、优势以及现在遇到的挑战。
随着硅晶体管的尺寸和性能接近其物理极限，需要寻找替代材料来支持更多的新兴技术， 其中一个具有希望的材料石墨烯。由于其出色的电气、机械和热性能，使得它最有可能成为场效应晶体沟道材料。
▲ 图1.1 石墨烯场效应管
二、GFET结构
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基本 GFET 是一种三端器件，在某些方面类似于传统 FET。它由源极、漏极和顶栅或背栅组成。与硅基晶体管不同，GFET 在源极和漏极金属电极之间存在一个薄的石墨烯通道，厚度通常为几十微米。
▲ 图2.1 石墨烯场效应管结构
图片来自于 BGT Materials
栅极控制石墨烯通道中的电子和空穴的产生与分布，从而控制通道的行为。
三、石墨烯特性
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石墨烯材料有着一些显着特性，使其制作的 GFET 适用于电子、通信、化学、生物、能源和其他行业的应用。
石墨烯是一种二维单碳原子层材料，碳原子以二维蜂窝或六方晶格形式组成晶体结构。
▲ 图3.1 石墨烯材料结构
石墨烯材料的一些优越性能包括：
● 高导电性：石墨烯理论上可以100%的效率传输电能。石墨烯在室温下电阻率非常低，超过硅硅本征迁移率的 100 倍。它在某些条件下表现出超导性（例如，以 1.1 度的角度扭曲双层石墨烯或将其冷却至绝对零以上 1.7°C）。
● 高导热性：石墨烯是一种各向同性导体，可以向各个方向散热，导热性优于其他材料，包括金刚石、碳纳米管和石墨。
● 光学性能好：石墨烯极薄，但仍可见，可吸收约2.3%的白光。（这对于 2D 材料来说是相当多的）。将这种能力与卓越的电性能相结合，使石墨烯成为适合制造高效太阳能电池的材料。
● 化学性能优异：石墨烯是一种惰性材料，不易与其他材料发生反应。然而，在某些条件下，它可以通过吸收一些其它分子和原子来改变其性质， 这使其适用于化学和生物传感器等应用。
▲ 图3.2 石墨烯半导体硅片
四、GFET栅极三种结构
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GFET 有三种主要的栅极配置。典型的晶体管可以具有顶栅、全局背栅或两者结合，如下图所示。
▲ 图4.1 石墨烯三种栅极配置形式
与传统的硅 FET 一样，GFET 中的栅极控制电子或空穴在其通道中的流动。由于晶体管沟道只有一个原子厚，所有电流都在其表面流动，因此石墨烯 FET 具有非常高的灵敏度。
普通的硅器件使用电子或空穴两者之一形成电流流动。然而，GFET 却可以使用两者（电子，空穴）形成电流， 所以GFET 器件具有双极性特征，在负偏压下通道采用空穴载流子传导，在正偏压下通道采用电子载流子传导。
两条传导曲线在狄拉克点或电荷中性点相交，理论上应该为零电压。在实践中，实际的狄拉克点可能会根据掺杂、石墨烯表面的杂质水平、周围大气和其他条件而发生变化。例如，一些 p 型掺杂石墨烯 FET 器件的典型值为 10-40V。
▲ 图4.3 底部栅极GFET对应的传输特性以及狄拉克点
虽然背栅GFET最常见，但同时使用顶栅和背栅的四端GFET可以适合某些特殊应用。双栅极 GFET 可以用两个不同的电压对通道进行偏置。
▲ 图4.4 双栅极GFET结构
在典型应用中，双栅极 FET 使用两个栅极偏置来控制通道的电荷浓度。
GFET的优势
● 石墨烯优异的导电性和导热性使其工作时的电能损耗更低、散热性能更好 所以基于石墨烯的晶体管有可能获得更大的功率器件。
● 一个原子厚的结构意味着整个通道都在表面上。因此，在传感器应用中，通道直接暴露于被测材料或环境， 提高了器件的敏感度。生物和化学中具有广泛的应用。比如它可以检测在其石墨烯通道表面上的单个分子。
● 使用薄的顶栅绝缘体材料可以改善 GFET 参数，例如开路增益、正向传输系数和截止频率。这使得 GFET 适合应用在高频信号处理方面。从理论上讲，GFET的开关频率可以接近太赫兹范围， 这比硅基 FET 可以达到的速度快几倍。
● 传统半导体材料的晶格结构存在一些局限性，高频下功耗增加， 而石墨烯的六方晶格结构缺陷少、电子迁移高率等因素提高了在太赫兹频率下的性能。
▲ 图5.1 石墨烯特性检测
五、GFET 挑战
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石墨烯 FET 是硅基晶体管的潜在替代品， 但要形成商业应用还需要克服一下三个方面的困难：
● 带隙限制
● 制造成本
● 饱和
1、缺乏带隙
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尽管 GFET 是一种快速高效的晶体管，但它没有带隙， 它的价带和导带在零偏压下相遇，此时石墨烯表现得像金属。
硅等半导体材料两个能带被一个间隙隔开，在正常条件下表现为绝缘体。电子需要一些额外的能量才能从价带跃迁到导带。在 FET 中，偏置电压使电子从价带跃迁到导带。
不幸的是，因GFET 中没有带隙，因此很难关闭晶体管，因为它不能充当绝缘体。无法将其完全关闭。GFET的开/关电流比约为 5，这对于逻辑操作来说非常低， 这使得GFET无法直接应用在数字开关电路中。在模拟电路中， GFET工作在变阻区时就没有问题了，所以GFET 适用于放大器、混合信号电路和其他模拟应用。
▲ 图6.1 石墨烯的E-k图。其中放大部分显示了狄拉克处的零带隙
现在很多针对石墨烯带隙的问题提出相应的解决方案，包括负电阻方法和自下而上的合成制造技术等技术。
制作工艺复杂昂贵
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石墨烯晶体管的制造工艺不同于硅器件，需要一种精密、复杂且成本高昂的方法。
GFET 制造过程包括将石墨烯层沉积到硅晶片上，然后在末端添加金属触点。通常使用化学气相沉积来合成石墨烯层。然后通过分层工艺转移合成的石墨烯并将其沉积到目标 SiO2 基板上。
其他步骤包括使用剥离工艺或其他合适的方法构建栅极电介质、栅极接触，以及最后的接触电极。
传统做法通常会在石墨烯通道材料中引入杂质和缺陷。有时，除了改变掺杂水平外，还会导致载流子散射并降低电气性能。具体问题包括狄拉克点位移和低流动性。
▲ 图6.2 石墨烯场效应管在太赫兹高频下的信号调制
模拟电路中容易饱和
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影响GFET 推广的另一个挑战是电流饱和度不足，这会阻止晶体管在 RF 应用中所能达到最大电压增益和振荡频率。
然而，制造商可以通过优化绝缘顶栅的介电材料来克服这个问题。通常，良好的介电栅极材料可以更好地控制石墨烯沟道中的载流子，从而提高性能。
▲ 图6.3 GFET在放大模拟信号
参考资料
[1] TRANSISTOR CASEIR?O ! realmente ficou PODEROSO TBJ e MOSFET?: https://www.youtube.com/watch?v=fK3v6JZpnGo
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