МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 2, с. 108-119
НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
УДК: 537.312.7
туннельный полевой транзистор на квантовой яме,
образованной тремя слоями производных графена (coh)w—(cf)w—(ch)w, и со стоком из среднего слоя - (cf)„
© 2015 г. В. А. Жуков1, В. Г. Маслов2, 3
1Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской АН 2Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики 3Санкт-Петербургский государственный политехнический университет E-mail: valery.zhukov2@gmail.com
E-mail: maslov04@bk.ru Поступила в редакцию 13.06.2014 г.
Рассмотрен вариант туннельного полевого нанотранзистора на квантовой яме, в котором управляющее напряжение 0.6 В прикладывается к окружающим яму барьерам, а сток электронов происходит из квантовой ямы. Электроны туннелируют в квантовую яму через первую половину двугорбого туннельного барьера (двойного гетероперехода), образованного сэндвичем из трех слоев широко зонных 2D полупроводников (производных графена: пергидроксиграфен (COH)B, флюорографен (CF)B, графан (CH)B) с резко отличающимися уровнями дна зоны проводимости. Средний слой — флюорографен (CF)B имеет низшее дно зоны проводимости, которое и образует квантовую яму глубиной ~3 эВ и шириной ~0.6 нм в общем туннельном потенциальном барьере шириной 1.8 нм и служит каналом для стока электронов. Истоковый и затворный металлические электроды прилегают к внешним слоям 2D полупроводников сэндвича — пергидроксиграфену (COH)B и графану (CH)B
соответственно, образуя общий "затворный" сэндвич, размером 20 х 20 нм2. Металлический стоковый электрод с шириной 10 нм и с потенциалом на 1 В выше, чем у первого электрода (истока) прилегает к выходящему за пределы сэндвича среднему слою флюорографена (CF)B, имеющему для этого большую 35 нм ширину, чем внешние слои 2D полупроводников внутреннего трехслойного сэндвича. Потенциал открывания затвора равен 0.62 В. Максимальный рабочий ток Isd = 2 х 10-5 A. Ток со стока в закрытом состоянии равен нулю, а паразитный ток, текущий через затворный электрод в открытом состоянии Ig = Ileak ~ 10-10A. Квантовая емкость транзистора позволяет устройству работать при частоте до 1012 Гц. DOI: 10.7868/S0544126914060106
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы появился ряд работ, в которых рассматривается возможность построения нанотранзисторов терагерцового диапазона, как на кремнии [1, 2], так и на графене и его производных [3—5]. В недавней работе Нобелевского лауреата А. Гейма с сотрудниками [6] предложена идея более широкого использования Ван дер Вааль-совских гетероструктур, сформированных слоями широкозонных 2D полупроводников для создания новых устройств наноэлектроники. В работе [6] предлагается заранее выращивать монослойные пленки из широкозонных полупроводников типа флюорографен (CF)B, гексагональный нитрид бора (hexagonal BN), дисульфид вольфрама (WS2), дисе-ленид молибдена (MoSe2) и т.д. на подходящих для каждого такого 2D полупроводника подложках. Затем последовательно настилать такие пленки на полированную монокристаллическую
подложку, например, из кремния, сапфира или кварца. После этого предполагается создавать на получившейся многослойной структуре рельефный рисунок (топографию нужной интегральной схемы), методами нанолитографии. В работе [6] высказывается мнение, что предложенный метод при переходе на технологию "22 нм" и далее будет гораздо производительнее, надежнее и точнее, чем используемый в настоящее время для получения гетероструктур метод молекуляр-но-пучковой эпитаксии.
В работах [1—5] рассматривались как вертикальные, так и планарные конфигурации нано-транзисторов, использующие только один туннельный барьер.
Следует отметить, что еще в 1977 году в работе Л.Л. Чанга и Л. Эсаки [7] (см. также [8]) была предложена идея построения транзистора с тун-нельно-тонкой базой, состоящего из двух гетеро-
Результат расчета энергетических зон производных графена
Материал (COH)B (CF)B (CH)B
Параметр E (эВ) E (эВ) E (эВ)
Дно зоны проводимости ЕсЬ -1.823 -4.435 -0.952
Потолок валентной зоны ЕуЬ -4.985 -7.728 - 4.762
Ширина запрещенной зоны ÁEbg = 3.162 ÁEbg = 3.279 ÁEbg = 3.728
переходов, образованных тремя слоями разных полупроводников. Благодаря такой конструкции образуется резкий и одновременно очень узкий провал в зонной диаграмме сэндвича построенного из трех полупроводниковых слоев. Однако ширина этого провала была еще достаточна, для того, чтобы область перехода можно было считать трехмерной. В такой конструкции средний слой полупроводника служил туннельным переходом и одновременно являлся базой (затвором). Авторы ожидали получить в таком транзисторе значительное увеличение туннельного тока, но он не был реализован из-за несовершенства технологии, существовавшей на тот момент.
Спустя десятилетие в 1988 г., в работе [9] была предложена уже двухбарьерная конфигурация туннельного нанотриода, в которой область между барьерами предполагалась достаточно тонкой, чтобы считать ее двумерной квантовой ямой. В такой конструкции уже предполагалось, что сток осуществляется из области между барьерами, т.е. из квантовой ямы, а внешние по отношению к обоим барьерам электроды служат истоком и затвором соответственно.
В этой работе [9] было также впервые введено понятие квантовой емкости двумерного электронного газа (2DEG) в квантовой яме и качественно оценено влияние этой емкости на быстродействие системы в целом. Реализовать подобную конфигурацию в эксперименте в то время также не удалось из-за технологических трудностей. Сравнительно недавно [10] в эксперименте была реализована конструкция транзистора микроволнового радиочастотного диапазона на квантовой яме, образованной 8-легированным слоем кремния, размещенным внутри слоистой гетероструктуры созданной с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии и со слоями толщиной 15—30 нм.
В настоящей работе мы рассмотрим конструкцию туннельного нанотранзистора со стоком из квантовой ямы, предложенную в [9], использовав при этом идею Гейма [6] о применении широкозонных 2D полупроводников типа производных графена для построения такого нано устройства. Рассматриваемая конструкция транзистора является "гибридной", т.е. вертикальной по отношению истока к затвору и планарной в отношении истока к стоку. Поэтому мы надеемся воспользо-
ваться преимуществами обеих схем: компактностью вертикальной и быстродействием и возможностью достигать насыщения тока открытого состояния планарной конструкции.
По сравнению с работой [9] и работой [10], в нашей модели предполагается использовать меньшую толщину всех трех слоев сэндвича (~0.6 нм вместо 15—30 нм в [10] или 3—6 нм в [9]). Последнее обстоятельство позволяет ожидать значительно больший туннельный ток на выходе устройства.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ШИРОКОЗОННЫХ 2D ПОЛУПРОВОДНИКОВ.
ВОЗМОЖНОСТЬ СОЗДАНИЯ НА НИХ НАНОТРАНЗИСТОРА
В нашей работе мы решили сосредоточить внимание на трех материалах — производных графена. Это пергидрокси графен, представляющий собой графен с присоединенными с обеих сторон группами гидроксила, имеющий среднюю структурную химическую формулу (COH)B, флюоро-графен (CF)B и графан (CH)B. Были проведены уточненные квантово-химические расчеты зонной структуры этих широко-зонных 2D полупроводников методом DFT (GGA-bp87) в базисе TZP [11, 12] с оптимизацией геометрии, как элементарной ячейки, так и параметров 2D-решетки. Получены значения уровней энергии для дна зоны проводимости Ecb и потолка валентной зоны Evb или в терминологии квантовой химии Elumo (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) и Ehomo (Highest Occupied Molecular Orbital) соответственно для трех выбранных материалов.
Из таблицы видно, что ширина запрещенной зоны, т.е. величина разности AEbg у всех трех рассмотренных материалов превышает 3 эВ и что в случае укладывания этих трех материалов в виде сэндвича валентные зоны и зоны проводимости соседних слоев не соприкасаются. Отсюда следует, что общая зона проводимости получившегося сэндвича при отсутствии приложенного к внешним стенкам двойного барьера потенциала смещения будет пустой.
Предположим, что слева и справа от внешних слоев сэндвича к нему прилегают два плоских элек-
Расстояние вдоль нормали к гетероструктуре, м
Рис. 1. Простейшая зонная диаграмма, описывающая двухбарьерную туннельную структуру, построенную из трех слоев широкозонных 2В полупроводников — производных графена: пергидроксиграфен (СОН)и, флюорографен (СР)И и графан (СН)И, к которым по бокам прилегают две золотые пластинки с дном зоны проводимости на уровне —10.5 эВ и уровнем химического потенциала —5.1 эВ. Штриховая линия Ф^,(х, 0) — дно общей зоны проводимости в отсутствии потенциала смещения (дно квантовой ямы между барьерами выше уровня Ферми золота в левом электроде — штрих-пунктирная линия Е/х)), сплошная тонкая ломаная линия Фг,(х, У^) — дно зоны проводимости при приложении потенциала смещения У^ = 0.6 В (дно квантовой ямы ниже уровня Ферми золотаЕДх)). Толстая сплошная линия Е^(х) — уровень Ферми золота в правом электроде при подаче потенциала смещения. Потенциалы барьеров для простоты рассмотрения предполагаются трапецеидальными.
трода, изготовленных из металла с уровнем электрохимического потенциала ц, расположенным ниже, чем уровень дна зоны проводимости у среднего слоя сэндвича (ЕсЪСР = - 4.45 эВ). Таким металлом является, например, золото: ц Аи = -5.1 эВ [13, 14]. Тогда будет выполнено условие цАи < ЕсЪСР, т.е. туннельный ток через первый горбик двугорбого барьера в зону проводимости флюорографена, в отсутствии напряжения смещения на внешних металлических обкладках, отсутствует в силу закона сохранения энергии. Простейшая зонная диаграмма, описывающая двух барьерную структуру транзистора, соответствующую работе [9], но построенная из рассчитанных нами производных графена, изображена на рис. 1.
Заметим, что в классических кристаллических полупроводниках или в гетероструктурах на границах контактирующих слоев содержится большое количество поверхностных состояний (дефектов), которые смещают уровень Ферми внутри слоев, по сравнению
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.