[論文レビュー] High field transport in graphene

Fang Tian, Aniruddha Konar+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2010

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、モンテカルロシミュレーションと半アナリティカルモデルを組み合わせて、真性モノレイヤーグラフェンにおける高電界輸送を調査し、熱フォノン効果が電流飽和を支配していることが明らかになった。一方、電子-電子散乱は負の微分抵抗を抑制し、キャリアの熱化を促進する。結果として、静電的制御が維持される限り、80 nm未満のチャネルでは速度オーバーシュートが0.2 ps未満のトランジット時間を実現可能であり、グラフェンが超高速エレクトロニクスの可能性を有することを示している。

ABSTRACT

In this work, high field carrier transport in two dimensional (2D) graphene is investigated. Analytical models are applied to estimate the saturation currents in graphene, based on the high scattering rate of optical phonon emission. Non-equilibrium (hot) phonon effect was studied by Monte Carlo (MC) simulations. MC simulation confirms that hot phonon effects play a dominant role in current saturation in graphene. Current degradation due to elastic scattering events is much smaller compared to the hot phonon effect. Transient phenomenon as such as velocity overshoot was also studied using MC simulation. The simulation results shows promising potential for graphene to be used in high speed electronic devices by shrinking the channel length below 100nm if electrostatic control can be exercised in the absence of a band gap.

研究の動機と目的

• 真性モノレイヤーグラフェンにおける高電界輸送メカニズムを理解すること、特に熱フォノンと電子-電子散乱の役割を特定すること。
• 基板からの外部散乱が存在しない状況下で、真性グラフェンにおける電流飽和メカニズムの曖昧さを解消すること。
• 速度オーバーシュートがグラフェンベースの高速エレクトロニクス素子の性能向上にどのように寄与するかを評価すること。
• ドリフト速度の時間発展やトランジット時間といった一時的現象がデバイス性能に与える影響を定量すること。

提案手法

• 高電界下における非平衡キャリア輸送をモデル化するため、モンテカルロシミュレーションを用い、電子-フォノン散乱および電子-電子散乱プロセスを組み込んだ。
• 歪みポテンシャルが16 eVである角度依存性の音響フォノン散乱と、モードに特有の歪みポテンシャルを持つ光学フォノン散乱を含めた。
• 熱フォノン効果は、光学フォノン集団が平衡状態から逸脱するのを許容することでモデル化され、高バイアス下での非平衡フォノン集団を反映するため、フォノンの寿命を1 psとした。
• 電子-電子散乱はスクリーニングされたクーロン相互作用を用い、散乱率はフェルミの黄金律により計算した。
• ドリフト速度とキャリアトランジット時間を、チャネル長および電界の関数として計算し、速度オーバーシュートとデバイス速度の可能性を評価した。
• モデルでは格子温度を300 Kと仮定したが、高電界動作下ではフォノン温度がこれより上昇する可能性がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真性モノレイヤーグラフェンが高電界下に置かれた場合、電流飽和を制限する支配的メカニズムは何か？
• RQ2 熱フォノン効果は、グラフェンにおける飽和電流およびキャリアダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ3 電子-電子散乱は、特に負の微分抵抗を抑制するという点で、高電界輸送にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 80 nm未満のチャネル長を有するグラフェントランジスタで、速度オーバーシュートを活用して0.2 ps未満のトランジット時間を達成できるか？
• RQ5 特に光学フォノン放出と電子-電子散乱を含む内在的散乱メカニズムが、グラフェンの高電界電流容量をどのように相互に決定づけるか？

主な発見

• 熱フォノン効果が真性グラフェンにおける電流飽和を制限する支配的メカニズムであり、平衡フォノン仮定と比較して、飽和電流が顕著に低下することが明らかになった。
• 電子-電子散乱は、高温キャリア集団を強く熱化させ、負の微分抵抗を抑制し、輸送特性を安定化させる。
• 速度オーバーシュートにより、定常状態の飽和速度を超えるピークドリフト速度が達成され、80 nmのチャネルでは約0.2 psの時間窓が観察された。
• チャネル長が80 nm未満の場合、トランジット時間が約0.2 psに短縮され、速度オーバーシュートが高速動作に完全に活用可能であることが示された。
• 飽和電流は光学フォノンの寿命に敏感である。同位体不純度を制御してこの寿命を延長することで、電流駆動力の向上が可能となる。
• シミュレーション結果から、キャリア密度の変化に対してトランジット時間が相対的に不感であることが判明し、これは高速・高電流応用にとって好都合である。