[論文レビュー] Carbon Nanotubes as Schottky Barrier Transistors

Stefan Heinze, Tersoff, J.+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2002

Carbon Nanotubes in Composites被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、カーボンナノチューブフィールド効果トランジスタ（CNT-FET）が主にショットキーバリアトランジスタとして動作することを示しており、ゲート電圧がチャネルの電導度ではなく接触抵抗を制御することで動作している。主な発見は、デバイス性能が金属–ナノチューブ接触部における電場強化に支配されており、接触の幾何形状を最適化することでしきい値電圧を著しく低減できることであり、これにより、吸着したガスに対する非対称応答やドーピング効果といった実験的挙動が説明できる。

ABSTRACT

We show that carbon nanotube transistors operate as unconventional "Schottky barrier transistors", in which transistor action occurs primarily by varying the contact resistance rather than the channel conductance. Transistor characteristics are calculated for both idealized and realistic geometries, and scaling behavior is demonstrated. Our results explain a variety of experimental observations, including the quite different effects of doping and adsorbed gases. The electrode geometry is shown to be crucial for good device performance.

研究の動機と目的

• 理論的期待と実験的観察の間に生じる不一致を解消するため、ゲート電圧が主にチャネル電導度を制御しないこと。
• 金属–カーボンナノチューブ接触部におけるショットキーバリアの役割がトランジスタ動作をどのように支配するかを調査すること。
• ドーピングやガス暴露下での非対称スイッチング挙動といった実験的現象を説明すること。
• 電極の幾何形状がデバイス性能、特にしきい値電圧のスケーリングに与える影響を特定すること。
• 吸着したガスが接触界面でドーピング効果を及ぼすのか、それとも仕事関数の変化を引き起こすのかを明確にすること。

提案手法

• ナノチューブ上に存在する電荷に対する静電的核の局所的近似を用いた、数値的自己無撞着な静電ポテンシャル計算。
• バイアスおよびゲート電圧の関数として電流を計算するためのランダウエール式の適用。エネルギー依存の透過確率 P(E) はWKB近似により計算。
• 金属電極とナノチューブ間の仕事関数の差異を用いて、ショットキーバリア高さの変動をモデル化。
• 理想化された円筒幾何形状と現実のFET構造を比較し、スケーリング特性および電場強化効果を検証。
• バンド図を用いて、仕事関数のシフトやドーピングがバリア幅およびキャリア注入に与える影響を説明。
• 酸素暴露およびカリウムドーピングに関する実験データと理論的曲線を直接比較し、仕事関数変化仮説の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高チャネル移動度を示すにもかかわらず、なぜCNT-FETは非理想スイッチング挙動を示すのか？
• RQ2 電流の制御が主にチャネル電導度か接触抵抗か、どちらのメカニズムが支配的か？
• RQ3 酸素などの吸着ガスがCNT-FETの特性に与える影響は何か？これはドーピング効果か、仕事関数の変化によるものか？
• RQ4 接触の幾何形状がしきい値電圧およびオン特性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 n型ドーピングはオン電圧範囲をシフトさせるが、仕事関数の変化はオフ状態領域をシフトさせない非対称オン挙動を引き起こすのはなぜか？

主な発見

• CNT-FETはショットキーバリアトランジスタとして動作しており、電流の制御は主にゲート電圧による接触バリア幅の変化に起因し、チャネル電導度の変化ではない。
• 接触の幾何形状を最適化することで、しきい値電圧を顕著に低減できる。具体的には、金属電極の厚さを50 nmから5 nmに減少させることで、鋭い接触部での電場集中が強化され、その結果として効果的なしきい値電圧の低下が達成される。
• 吸着ガス（酸素など）によって引き起こされる接触部の仕事関数の変化は、オフ状態領域の電圧をシフトさせない非対称オン挙動を引き起こすが、ドーピング効果とは対照的である。
• 酸素暴露に関する実験データは、ドーピングではなく仕事関数のシフトと整合的であり、しきい値電圧のシフトが見られないことや非対称応答が説明できる。
• ドーピングは全体の電導度-電圧曲線をシフトさせる：n型ドーピングはオンを負のゲート電圧側にシフトさせ、p型ドーピングは正の電圧側にシフトさせる。高濃度ドーピングではゼロゲート電圧でも有限の電導度が観測される。
• 理論的予測は図4の実験観察と一致しており、酸素の主な効果がナノチューブをドーピングするのではなく、金属の仕事関数を変化させることにあることが確認された。