基于石墨烯的场效应管概念

场效应管(FET)是一种具有pn结的正向受控作用的有源器件,它是利用电场效应来控制输出电流的大小,其输入端pn一般工作于反偏状态或绝缘状态,输入电阻很高,栅极处于绝缘状态的场效应管,输入阻抗很大。目前广泛应用的是SiO2为绝缘层的绝缘栅场效应管,称为金属-氧化物-半导体场效应管,简称MOSFET。以功能类型划分,MOSFET分为增强型和耗尽型两种,其中耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子,使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷,即在两个N型区中间的P型硅内形成一层N型硅薄层而形成一个导电沟道,所以在VGS=0时,有VDS作用时也有一定的ID(IDSS);当VGS有电压时(可以是正电压或负电压),改变感应的负电荷数量,从而改变ID的大小。VP为ID=0时的-VGS,称为夹断电压。

MOSFET的特点是用栅极电压来控制漏极电流。随着微电子集成化的需要越来越高,FET器件的尺寸也越来越小,而普通FET器件散热性受材料本身限制很难有进一步的提高,石墨烯由于其优良的热导率制作出的FET器件“完美”的解决该问题。

自从场效应管发明以来,人们一直尝试将电场效应应用到金属材料上,制造金属基场效应管。利用金属制造晶体管不仅可以将尺度做小,而且可以降低功耗,并且使用频率高于传统半导体.但是由于金属屏蔽效应,电场在金属中的穿透深度小于 1nm,因此制造金属晶体管时需要使用原子级厚度的金属薄膜。但是由于热动力学原因,当金属薄膜达到纳米级别时不能稳定存在。另外,对于金属而言,电场效应诱导的载流子浓度一般不会超过 1013cm-2,比纳米尺度的金属薄膜中的本征载流子浓度低几个量级(近似可以忽略),通过电场效应很难实现调制载流子浓度,因此利用金属制造晶体管一直没有实现。

半金属 Graphene不仅具有高载流子浓度和载流子迁移率,亚微米尺度的弹道输运特性和电场调制载流子特性,而且可以在室温下稳定存在,为 Graphene的实用化奠定了基础。利用 Graphene制造的晶体管可以实现低功耗、高频率、小型化等特性。由于 Graphene是半金属性材料 (semi- metal),在狄拉克点处能带交叠,没有带隙,因此很难实现开关特性。为了使 Graphene可以应用于晶体管的制造,通过各种方法在 Graphene中形成带隙:

(1)通过对称性破缺场或相互作用等使Graphene简并度降低,朗道能级发生劈裂,在导带与价带之间引入能隙。这方面工作目前主要集中在双层Graphene上,通过掺杂、外加电场以及基底作用诱导等方式引入对称破缺,实现人工调制能隙。

(2)对于弱无序体系,被弱屏蔽的库仑相互作用可以改变带粒子图景,使 Graphene出现能隙 (量子霍尔铁磁)。

(3)通过尺寸效应或量子受限 (如Graphene nanoribbons)引入能隙。Barone等人通过密度泛函计算预言,对于手性纳米带,导带与价带间的带隙随着手性角的变化发生振荡。对于某些类型的Graphene纳米带,通过调节纳米带宽,也可以实现对带隙宽度的调节 (能隙与纳米带宽之间存在反比关系)。

本项目将结合我们的研究优势对石墨烯开展深入系统的特色研究,从理论模拟、材料制备、器件制作三个层面开展全面工作,力求对中国军事的发展起到积极的推动作用。本项目针对石墨烯这一新物质形态的关键问题及前沿发展动态,结合我们自身的工作基础,以大面积、高质量石墨烯材料的可控制备为主要突破口,以石墨烯基超高频器件MOSFET应用为导向,最终制备出具有一定功能的电路模块。强调理论、材料和器件之间的互相促进与合作,有针对性地对石墨烯的若干基本科学问题开展研究,例如:探索高质量石墨烯的可控、晶圆级制备方法;测量其电、光、热、力学等宏观特性和局域性能,研究结构与物性的关联;研制基于石墨烯的超高频MOSFET器件和功能电路等,力求对中国军事装备特别是下一代武器用超高频元器件的发展起到积极的推动作用。

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