تأثیر ضخامت ناحیه نانو نوار بر روی مشخصات ترانزیستور اثر میدان مبتنی بر گرافن
تأثیر ضخامت ناحیه نانو نوار بر روی مشخصات ترانزیستور اثر میدان مبتنی بر گرافن | ||||
مجید حیدری1، رحیم غیور 2 و مسعود محزون 3 | ||||
1 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد صدرا، شیراز، فارس 2 دانشگاه شیراز، شیراز، فارس 3 دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، فارس | ||||
کلمات کلیدی |
| چکیده | ||
ترانزیستور اثر میدان گرافن نانو نوار ضخامت |
| در این مقاله به بررسی اثر ضخامت ناحیه گرافن بر روی مشخصات ترانزیستور اثر میدان مبتنی بر گرافن پرداخته شده است. ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن به سرعت توسعه یافتهاند و در حال حاضر یکی از گزینه های الکترونیک پس از سیلیکون در نظر گرفته شدهاست. نشان داده شده است که افزایش ضخامت ناحیه گرافنی باعث افزایش جریان درین می شود و نیز ولتاژ آستانه منفی تر می شود. همچنین، ضخامت زیاد ناحیه گرافنی باعث می شود که گاف انرژی صفر شود و نیز جریان درین دیگر به اشباع نرود. | ||
The Effect of Nano-Ribbon Thickness on the Graphane Field Effect Transistor | ||||
Majid Heidari1, Rahim Ghayour2, and Masoud Mahzoon3 | ||||
1 First author affiliation 2 Second author affiliation 3 Third author affiliation | ||||
A B S T R A C T |
| K E Y W O R D S | ||
|
| Field Effect Transistor Graphane Nano-Ribbon Thickness | ||
1- مقدمه
ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن به سرعت توسعه یافتهاند و در حال حاضر یکی از گزینه های الکترونیک پس از سیلیکون در نظر گرفته شدهاست. با این حال، بسیاری از جزئیات در مورد عملکرد بالقوه ترانزیستور گرافن در کاربردهای واقعی آن نامشخص است. برخلاف تصور غالب ممکن است قابلیت تحرک بالای گرافن مهمترین خصوصیت آن در ساخت ترانزیستورها نباشد (برای گرافن رشد داده شده بر روی اکسید سیلیکون قابلیت تحرک به 40,000 cm2·V−1·s−1 در دمای اتاق محدود شده است)، در عوض امکان ساخت ترانزیستور با کانالهای بسیار باریک بدون مواجه شدن با اثر جانبی کانال کوتاه است که ممکن است در مورد گرافن قابل توجه باشد.
گاف انرژی برای پهنای بزرگ از گرافین صفر است. به این دلیل ترانزیستورهای ساختهشده با پهنای بزرگی از گرافن نمی توانند خاموش شوند و برای کاربردهای کلید زنی مناسب نمیباشند. با این حال گاف انرژی گرافن را می توان با سه روش اصلاح کرد: محدود کردن پهنای بزرگ گرافنی به یک بعد (به طور تقریبی) یعنی استفاده از نانوروبان (با عرض کمتر از 20 nm)، با اعمال فشار و کشش بر ساختار گرافن و یا اعمال کردن یک میدان خارجی بر گرافن دولایه. با استفاده از روشهای فوق توانسته اند گاف انرژی به اندازه 200 -250 meV ایجاد کنند.
تعداد ترانزیستورهای ساخته شده با گرافن بشدت در حال زیاد شدن است. با این وجود، چالشهای برجسته برای ترانزیستور گرافن شامل ایجاد گاف انرژی مناسب، ایجاد پهنای نسبتاً بزرگ گرافن که بتواند در ناحیه اشباع بدرستی عمل کند و ساخت نانوروبان گرافنی با عرض خوب و لبه های تمیز است. بیشتر تحقیقهای انجام شده در مورد ترانزسیتورهای گرافینی بر روی ترانزیستورهای اثر میدان (FET) انجام شده است.
ساختارهای ترانزیستورهای اثر میدان ساخته شده با گرافن (GFET) معمولا به سه شکل می باشد (شکل (1)): اولین ساختار گرافنی فقط شامل گیت پایین است. که به دلیل داشتن خازن پارازیتی بزرگ ساختاری غیر عملی محسوب میشود. بر اساس تحقیقات انجام شده ترانزیستور گرافنی عملی نیاز به ساختاری دارد که گیت آن در بالای کانال قرار گیرد، این ساختار به دو صورت ساخته می شود: در ساختار اول بر روی زیرلایه یک لایه اکسید سیلیکون رشد می دهند و سپس بر روی آن گرافن را رشد می دهند تا کانال گرافنی تشکیل شود و در ساختار دوم زیر لایه را از نوع کاربیت سیلیکون (SiC) در نظر می گیرند و بر روی آن یک لایه گرافن بعنوان کانال رشد می دهند.
شکل 1: ساختارهای ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر گرافن |
|
در این مقاله، ساختار دوم که در آن گرافن بر روی اکسید سیلیکون رشد داده شده است را انتخاب کردهایم. این ساختار را با استفاده از نرم افزار Silvaco TCAD بصورت دو بعدی شبه سازی می کنیم. ابتدا مراحل ساخت را در محیط Athena که شبیه ساز مراحل ساخت میباشد، انجام می دهیم سپس ترانزیستور را در محیط Atlas تحلیل می کنیم تا مشخصات ترانزیستور نظیر ولتاژ آستانه و جریان درین را استخراج کنیم.
پروسه ساخت GFET با رشد زیرلایه از جنس سیلیکون با طول 1.2 μm و اتفاع 1 μm که با عنصر سه ظرفیتی بور ناخالصی نوع p در آن ایجاد شده آغاز می شود، سپس 300 nm از سیلیکون را طی فرایندی تبدیل به اکسید سیلیکون می کنیم. برای رشد کانال گرافنی بدلیل اینکه در نرم افزار Silvaco گرافن جزء ماده های تعریف نشده در نرم افزار است از ماده جایگزین استفاده کرده سپس در هنگام شبیه سازی در محیط Atlas مشخصات گرافن نظیر گاف انرژی، قابلیت تحرک الکترون و غیره را برای ترانزیستور تعریف می کنیم. برای این منظور یک لایه پلی سیلیکن با ضخامت 5 nm که با عنصر پنج ظرفیتی آرسنیک در آن ناخالصی ایجاد شده است بر روی اکسید سیلیکون بعنوان کانال گرافنی تعریف می شود، سپس یک لایه اکسید سیلیکون با ضخامت 1 nm بعنوان اکسید گیت بر روی پلی سیلیکون تعریف می شود. برای ایجاد ترمینال های گیت، درین و سورس از آلومینیم استفاده شده است، و در آخر با پر کردن فاصله بین ترمینال های سورس و درین با گیت با استفاده از اکسید سیلیکون ساختار ترانزیستور GFET تکمیل می شود. ساختار ساخته شده در محیط Athena را ذخیره می کنیم و برای تحلیل پارامترهای ترانزیستور آن را در محیط Atlas فراخوانی می کنیم. در شکل (2) نمای دو بعدی ساختار GFET نشان داده شده است.
شکل 2: نمای دو بعدی ساختار GFET
|
ساختار ارائه شده در شکل (2)، دارای طول 1.2 μm می باشد، ارتفاع زیرلایه 0.65 μm انتخاب شده است و بر روی آن یک لایه اکسید سیلیکون به ضخامت 300 nm قرار گرفته است. سپس یک لایه گرافن با ضخامت 5 nm بعنوان کانال بر روی اکسید قرار داده ایم. به دلیل بالا بودن چگالی حامل ها در گرافن فلز آلومینیوم بعنوان اتصلات درین و سورس بصورت مستقیم به کانال اتصال داده شده اند، به عبارت دیگر قسمت های از کانال گرافنی که در زیر اتصالات گیت قرار می گیرند بعنوان نواحی درین و سورس عمل می کنند. در بالای کانال نیز یک لایه نازک 1 nm بعنوان اکسید گیت قرار گرفته و بر روی آن فلز گیت بطول 500 nm قرار دارد. در جدول زیر تاثیر عرض ناحیه ribbon بر روی مشخصات ترانزیستور آمده است.
جدول 1: تاثیر ضخامت ناحیه ribbon بر روی مشخصات ترانزیستور
30 nm | 10 nm | 5 nm | 1 nm | ضخامت |
-6.9 V | -4.8 V | -2.74 V | -0.833 V | Vth |
10 mA | 3.95 mA | 2.13 mA | 0.48 mA | ID |
7.8 GHz | 12.26 GHz | 6.5 GHz | 3.25 GHz | FT |
12.6 GHz | 23.6 GHz | 10.2 GHz | 6.01 GHz | FMAX |
2- نتایج شبیهسازی
با مشاهده نتایج فوق می توان دید که افزایش ضخامت ناحیه گرافنی باعث افزایش جریان درین می شود و نیز ولتاژ آستانه منفی تر می شود. با این وجود همانطور که قبلا گفته شد ضخامت زیاد ناحیه گرافنی باعث می شود که گاف انرژی صفر شود و نیز جریان درین دیگر به اشباع نرود و این موضوع در منحنی Id-Vds برای عرض 30 nm کاملا مشهود است. همچنین فرکانس قطع با افزایش عرض این ناحیه بیشتر می شود ولی برای عرض های بیشتر از 10 nm دوباره کاهش می یابد.
شکل 3: منحنی Id-Vds برای عرض کانال 1 nm |
شکل 4: منحنی Id-Vds برای عرض کانال 5 nm |
شکل 5: منحنی Id-Vds برای عرض کانال 10 nm |
شکل 6: منحنی Id-Vds برای عرض کانال 30 nm |
3- نتیجه گیری
در این مقاله به بررسی اثر ضخامت ناحیه گرافن بر روی مشخصات ترانزیستور اثر میدان مبتنی بر گرافن پرداخته شده است. نشان داده شده است که افزایش ضخامت ناحیه گرافنی باعث افزایش جریان درین می شود و نیز ولتاژ آستانه منفی تر می شود. همچنین، ضخامت زیاد ناحیه گرافنی باعث می شود که گاف انرژی صفر شود و نیز جریان درین دیگر به اشباع نرود.
