[論文レビュー] Application of Graphene within Optoelectronic Devices and Transistors

F. V. Kusmartsev, W. M. Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2014

Carbon Nanotubes in Composites被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、グラフェンが光エレクトロニクス素子およびトランジスタに応用される状況をレビューし、光透過性の高さ、強い光-物質相互作用、および超高速応答性が、光検出器、モジュレータ、プラズモンデバイスに適していることを強調している。グラフェンベースの高周波トランジスタは、100 nm未満のゲート長を用いて最大1 THzの遮断周波数を達成できることを示している。一方、トンネル効果トランジスタはバンドギャップを必要とせず、低消費電力で高速な論理動作を実現する。

ABSTRACT

Scientists are always yearning for new and exciting ways to unlock graphene's true potential. However, recent reports suggest this two-dimensional material may harbor some unique properties, making it a viable candidate for use in optoelectronic and semiconducting devices. Whereas on one hand, graphene is highly transparent due to its atomic thickness, the material does exhibit a strong interaction with photons. This has clear advantages over existing materials used in photonic devices such as Indium-based compounds. Moreover, the material can be used to 'trap' light and alter the incident wavelength, forming the basis of the plasmonic devices. We also highlight upon graphene's nonlinear optical response to an applied electric field, and the phenomenon of saturable absorption. Within the context of logical devices, graphene has no discernible band-gap. Therefore, generating one will be of utmost importance. Amongst many others, some existing methods to open this band-gap include chemical doping, deformation of the honeycomb structure, or the use of carbon nanotubes (CNTs). We shall also discuss various designs of transistors, including those which incorporate CNTs, and others which exploit the idea of quantum tunneling. A key advantage of the CNT transistor is that ballistic transport occurs throughout the CNT channel, with short channel effects being minimized. We shall also discuss recent developments of the graphene tunneling transistor, with emphasis being placed upon its operational mechanism. Finally, we provide perspective for incorporating graphene within high frequency devices, which do not require a pre-defined band-gap.

研究の動機と目的

• グラフェンの優れた光学的・電気的・熱的特性を理由に、光エレクトロニクス素子およびトランジスタにおける応用可能性を評価すること。
• デジタル論理応用において課題となるグラフェンのゼロバンドギャップを克服するため、化学ドーピングや構造的変形といったバンドギャップを開く手法をレビューすること。
• グラフェンベースの高周波トランジスタの性能限界、特に遮断周波数および最大周波数の限界を分析すること。
• 炭素ナノチューブ（CNT）トランジスタおよびグラフェン垂直トンネル効果トランジスタを含む、高速・低消費電力動作を実現する新しいトランジスタ構造を検討すること。

提案手法

• 高周波および光エレクトロニクス応用に適したグラフェンの電子バンド構造およびディラック・コーン挙動を理論的・実験的に分析することで、その適性を評価する。
• ディラックフェルミオンモデルおよびランダウ＝パイルズの議論を用いて、2次元的性質にもかかわらずグラフェンの安定性および電子輸送特性を説明する。
• 遮断周波数 $ f_{ ext{cut}} = c_1 rac{t_{ ext{ox}} g_{ ext{rf}}}{L_G W_G} $ および最大周波数 $ f_{ ext{max}} $ の式を用い、$ G_P = 1 $ の条件下でトランジスタ性能をモデル化する。
• 材料の品質とデバイス性能の相関関係を明らかにするために、機械的剥離、CVD法、エpitaxial成長などのプロセスをレビューする。
• I-V曲線の3領域（線形領域、飽和領域、2番目の線形領域）を分析し、$ f_{ ext{max}} $ の定義における課題を評価する。
• ボールスティック輸送を実現し、バンドギャップの必要性を排除するため、CNTおよびグラフェントンネル効果トランジスタの利用を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンのゼロバンドギャップをどのように克服すれば、デジタルエレクトロニクスにおける実用的論理デバイスを実現できるか？
• RQ2 理論的および実験的限界として、グラフェンベースの高周波トランジスタの $ f_{ ext{cut}} $ および $ f_{ ext{max}} $ の限界は何か？
• RQ3 グラフェンの強い光-物質相互作用は、光検出器、モジュレータ、およびプラズモニック波ガイドにどのように応用可能か？
• RQ4 構造的および化学的修飾（例：ドーピング、歪み）は、グラフェンの電子的および光学的応答をどのように調整するか？
• RQ5 CNTおよびグラフェントンネル効果トランジスタは、バンドギャップを必要とせず、どのように高速・低消費電力動作を実現するか？

主な発見

• CVD法で成長させたグラフェンを用いた40 nmゲート長のグラフェンベーストランジスタは、遮断周波数（$ f_{ ext{cut}} $）を最大155 GHzまで達成した。
• 理論的シミュレーションでは、数ナノメートルのゲート長を用いることで1 THzの遮断周波数が達成可能であると予測されている。
• グラフェンデバイスにおける最大周波数（$ f_{ ext{max}} $）は最大20 GHzに達するが、I-V曲線の不安定な飽和領域により制限を受ける。
• 電場下でグラフェンは飽和吸収および強い非線形光学的応答を示し、超高速光スイッチおよび飽和吸収体への応用が可能である。
• グラフェン垂直トンネル効果トランジスタはバンドギャップを必要とせず、短絡効果の最小限の短絡効果を伴いながら、高速・低消費電力論理を実現する。
• CNTベースのトランジスタにおけるボールスティック輸送は、短絡効果を最小限に抑え、高性能・高周波動作を支える。