[論文レビュー] Vertical Transistor with a Graphene Base

Wolfgang Mehr, J. Christoph Scheytt+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2011

Graphene research and applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、グラフェンをベース領域として用いることで、THz周波数に達する可能性のある高周波動作を実現するホットエレクトロングラフェンベーストランジスタ（GBT）を提案する。シミュレーションにより、高い電流オン/オフ比と電流・利得が得られ、既存のSiGeプロセスと互換性がある材料設計が可能である。

ABSTRACT

We present a novel, graphene-based device concept for high-frequency operation: a hot electron graphene base transistor (GBT). Simulations show that GBTs have high current on/off ratios and high current gain. Simulations and small-signal models indicate that it potentially allows THz operation. Based on energy band considerations we propose a specific materials solution that is compatible with SiGe process lines.

研究の動機と目的

• 超高周波電子機器向けの新規グラフェンベーストランジスタアーキテクチャの開発を目的とする。
• 従来の半導体デバイスでTHz動作を達成するという課題に対処することを目的とする。
• 高周波数でも高い電流利得およびオン/オフ比を維持できるデバイス構造の設計を目的とする。
• 実用的統合を可能にするために、既存のSiGeプロセスと互換性を持つこと。

提案手法

• ホットエレクトロン輸送を可能にするために、グラフェンベース層を有する垂直トランジスタ構造を提案する。
• エネルギー準位帯の設計を用いて、ベース領域を横断する電子注入および輸送を最適化する。
• 高周波性能を評価するために、デバイスシミュレーションおよび小信号モデルを用いる。
• エネルギー準位帯の整合性を考慮して、特定のヘテロ構造材料スタックを設計する。
• 実用的製造を可能にするために、GBTの概念をSiGe準拠のプロセスフローに統合する。
• シミュレートされたデバイス特性を用いて、電流利得およびオン/オフ比を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンベーストランジスタは、ホットエレクトロン輸送を用いてTHz動作を達成できるか？
• RQ2 グラフェンベースの垂直トランジスタで、効率的な電子注入および輸送を実現するための材料構成は何か？
• RQ3 高周波数において、GBTの電流利得およびオン/オフ比は従来のトランジスタと比べてどのように異なるか？
• RQ4 GBTはどの程度、既存のSiGeプロセスに統合可能か？
• RQ5 デバイス性能を最大化するために必要なエネルギー準位帯の整合性は何か？

主な発見

• シミュレーションにより、GBTが高電流オン/オフ比を達成していることが確認され、優れたスイッチング能力を示している。
• GBTは高い電流利得を示しており、高周波応用における信号増幅に不可欠である。
• 小信号モデルは、THz周波数帯域での動作可能性を予測している。
• 提案された材料スタックは、標準的なSiGeプロセスラインと互換性があり、実用的製造を可能にしている。
• エネルギー準位の考慮事項が、電子輸送を最適化するヘテロ構造材料の選定を導く。
• このデバイス概念は、次世代の高速電子システムに有望である。