具有高开关比和低亚阈值斜率的石墨烯真空三极管

石墨烯由于具有很高的载流子迁移率,且其器件加工工艺与传统半导体微纳加工工艺相兼容,在高性能电子器件领域具有很好的应用前景。但是,结构完美的石墨烯由于禁带宽度为零,以它为沟道的场效应晶体管的开关比不足一个量级,难以实现逻辑电路的应用。为了解决这一难题,科学家们试图通过给石墨烯沟道掺杂、用窄石墨烯纳米条带制作沟道、给双层石墨烯沟道施加一个强垂直电场、以及设计新结构的器件等方法来提高石墨烯三极管的开关比,虽然可以得到较高的开关比,但是亚阈值斜率仍较大,开关效率低。针对这一问题,北京大学纳米器件物理与化学教育部重点实验室魏贤龙研究员课题组提出了一种基于石墨烯的真空三极管结构,在实现高开关比的同时,还得到较低的亚阈值斜率。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201502034)上。

石墨烯真空三极管的结构(左)和转移特性曲线(右)

石墨烯真空三极管是利用传统微纳加工的方法在SiO2/Si衬底表面制作的三端器件,包含一个悬空石墨烯作为电子发射体、位于石墨烯两端的基电极和栅电极、处于石墨烯下方的集电极。通过改变栅电极的电压,实现对集电极电流的调制,其开关比高达106,亚阈值斜率仅为120 mV/dec,开关性能优于之前报道的基于石墨烯的固态三极管。此外,石墨烯真空三极管的工作电压不足10 V,与石墨烯固态三极管相当。通过对石墨烯尺寸的优化,石墨烯真空三极管的器件性能有望进一步提高。由于石墨烯真空三极管采用传统的微纳加工工艺,因此可以像半导体固态三极管一样进行集成并实现新的功能。为了演示这一特点,该课题组还将两个石墨烯真空三极管集成在一起,实现了一个输出特性曲线具有完美对称性的双极性器件,可用作倍频器。

与电子在固体中运动将会受到散射不同,电子在真空中运动不会受到散射,其传输速度可以接近光速;且与传统半导体相比,真空不会受温度和辐射的影响。因此,真空三极管比固态三极管具有更高的载流子迁移速度和更好的耐高温耐辐射特性。石墨烯真空三极管由于其开关比高、亚阈值斜率低、工作电压与固态三极管相当、可集成等特点,将有希望在核反应堆、航天器等高温高辐射的极端环境中替代传统半导体固态三极管,用作开关、倍频器和整流器等。