[论文解读] 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 5

一句话总结

本文综述了石墨烯在光电探测器、调制器和等离子体器件中的应用，重点介绍了其高透明度、强光-物质相互作用以及超快响应特性。研究表明，石墨烯基高频晶体管在栅长小于100 nm时可实现高达1 THz的截止频率，而隧道结晶体管则无需带隙即可工作，从而实现低功耗、高速逻辑运算。

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.

研究动机与目标

• 评估石墨烯因其卓越的光学、电学和热学性能在光电探测器和晶体管中的潜力。
• 通过回顾化学掺杂和结构形变等方法，解决石墨烯零带隙对数字逻辑应用的挑战。
• 分析石墨烯基高频晶体管的性能极限，特别是截止频率和最大振荡频率。
• 探索新型晶体管结构，包括碳纳米管（CNT）晶体管和石墨烯垂直隧道结晶体管，以实现高速、低功耗运行。

提出的方法

• 利用石墨烯电子能带结构和狄拉克锥行为的理论与实验分析，评估其在高频和光电应用中的适用性。
• 应用狄拉克费米子模型和朗道-佩尔斯论证，解释尽管为二维结构，石墨烯仍具有稳定性和优异电子输运性能。
• 采用截止频率公式 $ f_{ ext{cut}} = c_1 rac{t_{ ext{ox}} g_{ ext{rf}}}{L_G W_G} $ 和最大振荡频率 $ f_{ ext{max}} $ 的方程，其中 $ G_P = 1 $，以模拟晶体管性能。
• 综述机械剥离、化学气相沉积（CVD）和外延生长等制备技术，以关联材料质量与器件性能。
• 通过分析 $ I-V $ 特性曲线的三个区域（线性区、饱和区、第二线性区）来评估定义 $ f_{ ext{max}} $ 的挑战。
• 评估碳纳米管和石墨烯隧道结晶体管在实现弹道输运并消除对带隙需求方面的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何克服石墨烯的零带隙特性，以实现在数字电子学中实用的逻辑器件？
• RQ2 石墨烯基高频晶体管在 $ f_{ ext{cut}} $ 和 $ f_{ ext{max}} $ 方面的理论与实验极限是什么？
• RQ3 石墨烯的强光-物质相互作用如何使其在光电探测器、调制器和等离子体波导中实现应用？
• RQ4 结构和化学改性（如掺杂、形变）在调控石墨烯电子和光学响应方面发挥什么作用？
• RQ5 碳纳米管和石墨烯隧道结晶体管如何在无需带隙的情况下实现高速、低功耗运行？

主要发现

• 采用CVD生长石墨烯的40 nm栅长石墨烯晶体管，截止频率（$ f_{ ext{cut}} $）最高可达155 GHz。
• 理论模拟预测，当栅长仅为几个纳米时，截止频率可达1 THz。
• 石墨烯器件的最大振荡频率（$ f_{ ext{max}} $）可高达20 GHz，但受 $ I-V $ 曲线中不稳定饱和区的限制。
• 石墨烯在电场作用下表现出可饱和吸收和强非线性光学响应，适用于超快光开关和可饱和吸收体。
• 石墨烯垂直隧道结晶体管无需带隙即可工作，可实现高速、低功耗逻辑运算，并显著减少短沟道效应。
• 碳纳米管基晶体管中的弹道输运可最小化短沟道效应，支持高性能、高频运行。