Наноэлектронная элементная база информатики на основе графена

Особенности реальных пленок графена

Реальные пленки графена отличаются от идеальных. Во-первых, они, как правило, размещены на подложке. Поэтому условия, в которых находится плазма -электронов на внешней и на внутренней стороне пленки, разнятся. Особенно это существенно, если вблизи поверхности подложки, на которой лежит пленка графена, имеются заряженные глубокие ловушки электронов.

Во-вторых, реальные пленки графена всегда ограничены по площади ( рис. 7.4). К оборванным химическим связям на краях пленки ( рис. 7.5) чаще всего присоединяются атомы водорода, кислорода или гидроксильные группы.

Рис. 7.5. Схематическое изображение реальной небольшой пленки графена с атомами водорода, присоединившимися к краям

В-третьих, бывают дефекты и внутри пленки графена – 5-членные или 7-членные кольца (вместо 6-членных), замещение атома углерода другим атомом, присоединение к одному из атомов углерода какого-то химического радикала (например, , ) и т.п. Указанные факторы могут заметно изменить свойства реальных пленок, в частности их электрические свойства. Присоединенные к отдельным атомам углерода группы и действуют как доноры в полупроводниках, а группы и – как акцепторы.

Изменения свойств при химической модификации графена

Особенно существенные изменения происходят при химической модификации графена. Например, при обработке пленки графена в холодной плазме водорода атомы углерода переходят из состояния -гибридизации в состояние -гибридизации, и к ним присоединяются атомы водорода. Структура пленки значительно изменяется, как показано на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Слева – структурная модель графана (белые шарики – атомы водорода). Сравнение структуры пленки графена (в центре) со структурой пленки графана (справа). В обоих случаях показано только одно 6-членное кольцо из атомов углерода

Атомы углерода уже не располагаются в одной плоскости. Исчезает "покрывало" из -электронов, так как соответствующие электроны образуют ковалентные связи с атомами водорода. Пленка становится толще, а главное, – радикально изменяется энергетический спектр электронов. Образованная в результате гидрирования пленка, которую называют "графаном", является уже диэлектриком.

Во время обработки водородной плазмой часть пленки графена можно защитить резистом, и тогда гидрирование графена происходит в соответствии с заданной топологией. Т.е. не защищенная часть пленки превращается в диэлектрик графан, а защищенная остается графеном с высокой электропроводностью.

Интересно, что при отжиге пленок графана в атмосфере аргона при атомы водорода отсоединяются, атомы углерода возвращаются в состояние -гибридизации, и таким образом можно снова получить графен.

Более стойким к нагреванию и более химически стойким является фторграфен – пленка графена после присоединения атомов фтора. Фторграфен является полуизолятором с шириной запрещенной зоны около 3 эВ и удельным сопротивлением порядка 10¹² Ом на квадрат. Как и гидрирование, фторирование графена может проводиться сквозь маску из резиста в соответствии с заданной топологией.

Таким образом, из пленки графена, нанесенной на изолирующую подложку (например, из окисленного кремния) с помощью нанолитографии, фторирования (или гидрирования) можно реализовать высококачественный слой межсоединений большой интегральной схемы. Даже при 30-нанометровой ширине дорожки из графена имеют довольно высокую электропроводность и могут проводить электрический ток намного больше, чем таких же размеров дорожки из пленок меди или золота.

Графен изучают и применяют не только в виде однослойных пленок, но и виде пленок, состоящих из двух, трех или более слоев. Строго говоря, это уже не графен. Для обозначения таких пленок точнее употреблять термин "нанографит".

Полевые транзисторы на основе сплошных пленок графена

Первые полевые транзисторы формировали на основе сплошной пленки графена ( рис. 7.7). Для этого на пластину кремния, покрытую толстым слоем оксида (), наносят пленку графена. Поверх нее формируют электроды истока и стока и наносят тонкий слой (3-5 нм) подзатворного диэлектрика, обычно оксида иттрия () или гафния (). Над ним формируют электрод затвора.

Рис. 7.7. Слева – структура полевого транзистора на основе графена. Справа – вариант топологии электродов для увеличения тока стока

Для увеличения электрического тока, протекающего сквозь транзистор, увеличивают ширину его канала или используют вариант топологии, показанный на рис. 7.7 справа.

Типичная зависимость тока стока сквозь транзистор от напряжения между затвором и истоком показана на рис. 7.8.

Физическую причину такой зависимости объясняют энергетические диаграммы, показанные на рис. 7.9. Вдоль вертикали здесь отложена энергия обобществленных электронов металла и графена, вдоль горизонтали – координата. Подписями "Исток" и "Сток" обозначены участки, которые соответствуют электродам из металла, а подписью "Гр" – каналу проводимости в графене. Через обозначен уровень энергии Ферми. В области канала проводимости (Гр) условно показаны энергетические зоны: ВЗ – валентная зона и ЗП – зона проводимости, которые соприкасаются.

Когда к затвору приложено напряжение (диаграмма слева), уровень энергии Ферми в графене проходит точно через точку соприкосновения зон ВЗ и ЗП. В этом случае валентная зона ВЗ практически полностью заполнена, а зона проводимости ЗП графена практически пуста. Концентрация носителей заряда в канале транзистора наименьшая. Она определяется лишь уровнем тепловой генерации носителей заряда. Поэтому сквозь транзистор течет наименьший электрический ток.

Рис. 7.8.

Рис. 7.9.

Когда напряжение на затворе снижается (энергетическая диаграмма в центре), энергетические зоны в графене из-за повышения электростатической потенциальной энергии поднимаются. Уровень энергии Ферми проходит через валентную зону ВЗ ниже точки соприкосновения зон. Валентная зона заполняется не полностью, в канале проводимости возрастает концентрация дырок, и электрический ток сквозь транзистор значительно возрастает.

Когда напряжение на затворе повышается по сравнению с (энергетическая диаграмма справа), энергетические зоны в графене из-за уменьшения электростатической потенциальной энергии опускаются. Уровень энергии Ферми проходит через зону проводимости ЗП выше точки прикосновения зон. Зона проводимости частично заполняется, в канале транзистора возрастает концентрация электронов проводимости, и электрический ток сквозь транзистор тоже значительно возрастает.

Из-за отсутствия в графене запрещенной энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости описанный полевой транзистор при комнатных температурах не удается полностью закрывать. Поэтому логические схемы на таких транзисторах потребляют заметный электрический ток и рассеивают излишек энергии, что ухудшает их эксплуатационные характеристики. А вот усилители радиосигналов сверхвысоких частот на таких транзисторах успешно строят. Имеются сообщения о реализации полевых транзисторов на основе графена с предельной частотой 230 ГГц при длине канала порядка 200 нм и о создании на основе таких транзисторов ультраширокополосных (порядка 100 ГГц) радиоусилителей с очень низким уровнем собственного шума и относительно малым потреблением электроэнергии. А это является основой для построения высокоэффективных систем передачи/приема информации нового поколения.

Значение напряжения U_ЗАКР на затворе, при котором сквозь транзистор течет минимальный ток, зависит от работы выхода электронов из электрода затвора и может варьироваться в зависимости от выбора металла, из которого формируют затвор. А конкретные значения тока зависят от длины и ширины канала проводимости и от напряжения между истоком и стоком и тоже могут варьироваться в широких пределах.