I ricercatori dell'AIST hanno sviluppato un transistor al grafene con un nuovo principio di funzionamento. Nel transistor sviluppato, due elettrodi e due porte superiori sono posti sul grafene e il grafene tra le porte superiori viene irradiato con un fascio di ioni di elio per introdurre difetti cristallini. I gate bias vengono applicati ai due gate superiori in modo indipendente, consentendo di controllare efficacemente le densità dei portatori nelle regioni del grafene con accesso superiore. Un rapporto di attivazione/disattivazione della corrente elettrica di circa quattro ordini di grandezza è stato dimostrato a 200 K (circa -73 °C). Inoltre, la sua polarità del transistor può essere controllata elettricamente e invertita, cosa che finora non è stata possibile per i transistor. Questa tecnologia può essere utilizzata nella tecnologia di produzione convenzionale di circuiti integrati a base di silicio, e si prevede che contribuirà alla realizzazione di un'elettronica a bassissimo consumo energetico riducendo la tensione di funzionamento in futuro.

I dettagli di questa tecnologia sono stati presentati all'International Electron Devices Meeting 2012 (IEDM 2012) tenutosi a San Francisco, STATI UNITI D'AMERICA., dal 10 al 12 dicembre, 2012.

Negli ultimi anni, l'aumento del consumo di energia connesso alla diffusione dei terminali mobili di informazione e il progresso dei dispositivi IT è diventato una preoccupazione. La domanda della società per la riduzione della potenza consumata dai dispositivi elettronici di informazione è in aumento. Sebbene i tentativi di ridurre la potenza consumata dai circuiti integrati su larga scala (LSI) siano stati avanzati, si ritiene che la struttura convenzionale del transistor abbia limiti intrinseci. Nel frattempo, mobilità elettronica del grafene, che rappresenta la facilità di movimento degli elettroni, è almeno 100 volte più grande di quella del silicio. Si prevede inoltre che il grafene possa essere utilizzato per risolvere i problemi dei limiti intrinseci del silicio e di altri materiali. Perciò, il grafene ha il potenziale per rimuovere l'ostacolo alla riduzione della potenza consumata dagli LSI, e si prevede che il grafene verrà utilizzato come materiale per transistor a bassissimo consumo energetico dell'era post-silicio che utilizzano nuovi film atomici funzionali.

Però, quando il grafene viene utilizzato in un transistor di commutazione, la corrente elettrica non può essere sufficientemente interrotta, perché il grafene non ha band gap. Anche, anche se esiste una tecnologia per formare band gap, la mobilità degli elettroni diminuisce quando si forma il band gap richiesto per la commutazione. Perciò, è necessario un transistor al grafene con un nuovo principio di funzionamento in grado di eseguire efficacemente l'operazione di commutazione con un piccolo gap di banda.

Il principio di funzionamento del transistor al grafene di nuova concezione è mostrato nelle figure da 1 (a) a 1 (c). Al fine di creare un gap di trasporto nel grafene del canale tra le due porte superiori, un microscopio a ioni di elio è stato utilizzato per irradiare ioni di elio a una densità di 6,9 x 10 ¹⁵ ioni/cm ² introdurre difetti cristallini. La banda di energia del grafene su entrambi i lati del canale può essere modulata dal controllo elettrostatico applicando polarizzazioni alle porte superiori. La polarità dei vettori nel grafene può essere cambiata tra tipo n e tipo p, a seconda della polarità dei bias applicati alle porte superiori. Quando le polarità su entrambi i lati del canale differiscono, il transistor è spento (Fig. 1(b)). Quando le polarità sono le stesse, il transistor è in uno stato acceso (Fig. 1(c)). Quando un transistor convenzionale (Figg. da 1(d) a 1(f)) è in uno stato spento, il trasporto del vettore è bloccato da una barriera formata sull'estremità lato sorgente o lato scarico del canale avente l'intercapedine di trasporto. Però, come mostrato in Fig. 1 (e), la corrente di dispersione del transistor nello stato spento è grande, perché si forma solo una piccola barriera. Nel frattempo, come mostra la Fig. 1 (b), il gap di trasporto nel transistor sviluppato funziona come una barriera più grande di quella dei transistor convenzionali (Fig. 1 (e)) e blocca il trasferimento di carica. Di conseguenza, è possibile ottenere uno stato spento superiore a quello dei transistor convenzionali.

Nel transistor sviluppato, la lunghezza del canale, in cui la mobilità di solito si deteriora, può essere ridotto alla lunghezza inferiore a quella dei transistor convenzionali. Inoltre, perché il transistor sviluppato può raggiungere uno stato spento efficiente con un piccolo gap di trasporto, il gap di trasporto può essere ridotto rispetto a quello dei dispositivi convenzionali. A causa di queste proprietà, l'operazione di accensione/spegnimento del transistor può essere eseguita più rapidamente rispetto ai transistor convenzionali, e quindi si ritiene che si possa realizzare un LSI a minor consumo energetico riducendo la tensione di funzionamento del circuito. Inoltre, i transistor possono essere prodotti utilizzando la tecnologia di fabbricazione convenzionale per circuiti integrati in silicio, come la litografia, deposizione, e processi di doping, e può anche essere facilmente prodotto in scala di wafer.

Per dimostrare il funzionamento del transistor del nuovo principio di funzionamento, un transistor è stato fabbricato formando elettrodi di source e drain e una coppia di porte superiori su un grafene a strato singolo isolato dalla grafite. Una dose appropriata di ioni di elio è stata applicata tra le porte superiori per creare un canale irradiato con ioni di elio (Fig. 2, linea tratteggiata blu), e il grafene esterno non necessario è stato irradiato con una forte dose di ioni di elio per renderlo un isolante (Fig. 2, linea tratteggiata rossa). Di conseguenza, il canale del transistor è lungo 20 nm e largo 30 nm.

L'operazione di accensione/spegnimento del transistor fabbricato è stata eseguita alla bassa temperatura di 200 K (circa -73 °C). I terminali di source e drain sono stati applicati con bias di -100 mV e +100 mV, rispettivamente. La polarizzazione del gate del gate lato drain è stata fissata a -2 V, e quella della porta lato sorgente è stata portata da -4 V a +4 V ed è stata misurata la corrente elettrica che scorre tra gli elettrodi sorgente e pozzo. An on/off ratio of approximately four orders of magnitude was observed (Fig. 3).

In the developed transistor, the on state or off state is controlled according to whether the polarities of the voltages applied to the two top gates are the same or different. Perciò, by fixing one gate bias and changing its polarity, it is possible to control whether the transistor operation by sweeping the other gate voltage is n-type or p-type. In the present experiment, voltages of −100 mV and +100 mV were applied to the source and drain terminals, rispettivamente. The relation between the source-drain current and the bias of the source-side gate when the gate voltage of the drain-side, V _tgD , is fixed to be positive (Fig. 4(a)), is shown in Fig. 4(b). A logarithmic plot of the same data is shown in Fig. 4 (c). Qui, when the gate voltage of the source-side is negative, the transistor is off, and when it is positive, the transistor is on. So it operates as an n-type transistor. Nel frattempo, the relation between the source-drain current and the bias of the source-side gate when the gate voltage of the drain-side is negative (Fig. 4(d)), is shown in Figs 4(e) and 4(f). In questo caso, when the gate voltage of the source-side is negative, the transistor is on, and when positive, the transistor is off. So it operates as a p-type transistor. In altre parole, it was actually demonstrated that the polarity of a single transistor can be inverted by electrostatic control.

The transistor polarity of conventional silicon transistors is determined by the type of ion for doping, so it is not possible to change the polarity once a circuit is formed. Però, because the polarity of the developed transistor can be electrostatically controlled, it is possible to realize an integrated circuit whose circuit structure can be electrically changed.

The researchers are aiming to realize CMOS operation in which transistor polarities can be changed through electrical control. They are also aiming to create a device prototype using a large-scale wafer with graphene synthesized by the CVD method (chemical vapor-phase deposition method). Allo stesso tempo, efforts to achieve higher-quality graphene will be made in order to improve the on/off ratio of electric current at room temperature and carrier mobility.