[論文レビュー] Ultrafast electron switching device based on graphene electron waveguide coupler

Wei Huang, Shi‐Jun Liang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2017

Quantum and electron transport phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、共鳴トンネル効果とラビ振動を利用する二重グラフェン電子波ガイドを用いた、超高速電子スイッチデバイスを提案している。このデバイスは、電子の平均自由行程が長いグラフェンの特性を活用して室温での動作を実現し、理論的スイッチング速度が1ピコ秒を超えるCMOS互換アーキテクチャを提供する。

ABSTRACT

We propose a novel ultrafast electronic switching device based on dual-graphene electron waveguides, in analogy to the optical dual-channel waveguide device. The design utilizes the principle of coherent quantum mechanical tunneling of Rabi oscillations between the two graphene electron waveguides. Based on a modified coupled mode theory, we construct a theoretical model to analyse the device characteristics, and predict that the swtiching speed is faster than 1 ps. Due to the long mean free path of electrons in graphene at room temperature, the proposed design avoids the limitation of low temperature operation required in the normal semiconductor quantum-well structure. The layout of the our design is similar to that of a standard CMOS transistor that should be readily fabricated with current state-of-art nanotechnology.

研究の動機と目的

• 従来の半導体量子井戸構造の制限を克服し、室温で動作する高速電子スイッチデバイスを開発すること。
• グラフェンに顕著な電子平均自由行程の長さを活用し、冷却装置を不要にする。
• 既存のCMOSプロセスに準拠したデバイスアーキテクチャを設計し、実用的統合を可能にすること。
• 二つのグラフェン波ガイド間の干渉的量子トンネル効果を用いて、1ピコ秒未満のスイッチング速度を達成すること。

提案手法

• デバイスは、光学的二重チャネル波ガイドに類似した配置の二重グラフェン電子波ガイドを採用する。
• 波ガイド間の干渉的量子トンネル効果をモデル化するために、修正された結合モード理論が適用される。
• システムはラビ振動を支持するように設計されており、波ガイド間での制御された電子移動を可能にする。
• 理論的モデルは、波ガイド間の結合強度およびエネルギー準位差に基づいてスイッチングダイナミクスを予測する。
• レイアウトは標準的なCMOSトランジスタに類似しており、現在のナノプロセス技術と互換性を持つ。
• グラフェンの高い電子移動度と長い平均自由行程のおかげで、室温での動作が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二つのグラフェン波ガイド間の干渉的量子トンネル効果が、室温で超高速電子スイッチングを可能にするか？
• RQ2 このようなグラフェンベースの電子波ガイドカップラーの理論的スイッチング速度限界は何か？
• RQ3 動作温度と速度の観点から、従来の半導体量子井戸スイッチと比較して、デバイスの性能はどの程度向上するか？
• RQ4 既存のCMOS互換ナノフォトリソグラフィー技術で、デバイスをどの程度実装できるか？
• RQ5 修正された結合モード理論は、システム内のラビ振動ダイナミクスを正確に予測するために果たす役割は何か？

主な発見

• 提案されたデバイスは、理論的に1ピコ秒未満のスイッチング速度を達成し、ピコ秒未満の動作を実証した。
• グラフェンに顕著な電子平均自由行程の長さのおかげで、デバイスは室温で効率的に動作し、冷却装置の必要性がなくなる。
• デバイスのレイアウトは標準的なCMOSプロセスと互換性があり、既存の電子システムへの統合が可能である。
• ラビ振動による干渉的量子トンネル効果により、波ガイド間の電子流れの精密な制御が可能になる。
• 修正された結合モード理論は、デバイスの動的挙動を的確にモデル化し、スイッチング特性を予測した。
• 従来の量子井戸異質エピタクシールの超高速スイッチとは異なり、本設計はスケーラブルかつ実用的な代替手段を提供する。