[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种热电子石墨烯基晶体管（GBT），利用石墨烯作为基区，实现高频操作，潜在工作频率可达太赫兹（THz）范围。仿真结果表明，该器件具有高电流开/关比和高电流增益，且材料设计与现有的SiGe工艺兼容。

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.

研究动机与目标

• 开发一种新型石墨烯基晶体管架构，用于超高频电子器件。
• 解决传统半导体器件实现太赫兹操作的挑战。
• 设计一种在高频下仍能保持高电流增益和高开/关比的器件结构。
• 确保与现有SiGe制造工艺兼容，以实现实际集成。

提出的方法

• 提出一种垂直晶体管结构，采用石墨烯基区以实现热电子输运。
• 利用能带工程优化电子在基区的注入与输运。
• 采用器件仿真与小信号建模评估高频性能。
• 基于能带对齐考虑，设计特定的异质结构材料堆栈。
• 将GBT概念整合至SiGe兼容的工艺流程中，以确保可制造性。
• 利用仿真器件特性分析电流增益与电流开/关比。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯基晶体管能否通过热电子输运实现太赫兹操作？
• RQ2 何种材料配置可实现石墨烯基垂直晶体管中高效的电子注入与输运？
• RQ3 GBT在高频下的电流增益与开/关比相较于传统晶体管如何？
• RQ4 GBT在多大程度上可集成到现有的SiGe制造工艺中？
• RQ5 为最大化器件性能，需要何种能带对齐？

主要发现

• 仿真结果证实，GBT实现了高电流开/关比，表明其具有优异的开关能力。
• GBT表现出高电流增益，这对高频应用中的信号放大至关重要。
• 小信号模型预测其具备在太赫兹频段工作的潜力。
• 所提出的材料堆栈确保与标准SiGe工艺线兼容，可实现实际制造。
• 能带考虑指导了异质结构材料的选择，以优化电子输运。
• 该器件概念在下一代高速电子系统中展现出广阔前景。