Progettazione e fabbricazione di dispositivi. un transistor Si-Gr-Ge è costruito impilando direttamente una membrana Si, grafene a strato singolo e un substrato di Ge. b Immagine ottica di un transistor Si–Gr–Ge (barra della scala:20 μm). c Immagine SEM di una membrana di Si su grafene (barra della scala:4 μm). d Illustrazione della sezione del transistor. e Illustrazione del principio di funzionamento di base del transistor. Credito: Comunicazioni sulla natura
Nel 1947, il primo transistor, un transistor a giunzione bipolare (BJT), è stato inventato nel Bell Laboratory e da allora ha portato all'era della tecnologia dell'informazione. Negli ultimi decenni, c'è stata una richiesta persistente di operazioni a frequenza più elevata per un BJT, portando all'invenzione di nuovi dispositivi come i transistor bipolari a eterogiunzione (HBT) e i transistor a elettroni caldi (HET). Gli HBT hanno consentito operazioni terahertz, ma la loro frequenza di taglio è in definitiva limitata dal tempo di transito di base; per gli HET, la richiesta di una base sottile senza fori e con una bassa resistenza della base di solito causa difficoltà nella selezione e fabbricazione del materiale.
Recentemente, i ricercatori hanno proposto il grafene come materiale di base per i transistor. A causa dello spessore atomico, la base del grafene è quasi trasparente al trasporto degli elettroni, portando a un tempo di transito di base trascurabile. Allo stesso tempo, la straordinaria mobilità del vettore del grafene andrà a beneficio della resistenza di base rispetto a un materiale sfuso sottile. I transistor a base di grafene (GBT) generalmente utilizzano un emettitore a tunnel che emette un elettrone attraverso un isolante. Però, l'altezza della barriera potenziale dell'emettitore limita seriamente la frequenza di taglio. Lo studio teorico ha indicato che un emettitore Schottky può risolvere questa potenziale limitazione della barriera.
Un team di ricercatori dell'Istituto di ricerca sui metalli, Accademia cinese delle scienze, ha costruito il primo transistor a base di grafene con un emettitore Schottky, che è un transistor silicio-grafene-germanio. Utilizzando una membrana a semiconduttore e il trasferimento di grafene, il team ha impilato tre materiali tra cui una membrana Si monocristallina superiore di tipo n, un grafene medio a strato singolo (Gr) e un substrato di Ge inferiore di tipo n.
Rispetto ai precedenti emettitori a tunnel, la corrente dell'emettitore Si-Gr Schottky mostra la massima corrente e la capacità minima, portando a un tempo di ritardo superiore a 1, 000 volte più breve. Così, la frequenza di taglio alfa del transistor dovrebbe aumentare da circa 1 MHz utilizzando i precedenti emettitori a tunnel a oltre 1 GHz utilizzando l'attuale emettitore Schottky. Il funzionamento THz è previsto utilizzando un modello compatto di un dispositivo ideale. Il comportamento elettrico e l'attività fisica del transistor funzionante sono discussi in dettaglio nel documento pubblicato in Comunicazioni sulla natura .
Con ulteriore ingegneria, il transistor verticale semiconduttore-grafene-semiconduttore è promettente per applicazioni ad alta velocità nella futura integrazione monolitica 3-D a causa dei vantaggi dello spessore atomico, elevata mobilità del vettore, e l'elevata fattibilità di un emettitore Schottky.
