موضوع : بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن

1

موضوع :

بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن

سمینار درس کوانتوم الکترونیک

پروفسور استاد : شهرام محمدنژاد

1392دی

2گرافن بر مبتنی ترانزیستورهای بررسی

تاریخچه

ساختار گرافن و خواص آن

روش های رشدنمونه هایی از ترانزیستورهای

مبتنی بر گرافن


تاریخچه

در منطق3ه 16مع3دن گ3رافیت در ق3رن •س3نگ و ش3د کش33ف انگلیس در ای

معدنی گرافیت از آن استخراج شد.

برای ساختن گلوله اسلحه 17در قرن •به کار میرفت.

ب3رای س3اختن م3داد و بع3د از 18در ق3رن •مص33الح و س33ازی الس33تیک در آن

ساختمانی نسوز در آن استفاده شد.


تاریخچه

فیلیپ واالس مقاله ای در رابطه با گرافن نوشت.1947نخستین بار در سال

مکانی3ک در مرمین-واگ3نر ن3ام ب3ه ای قض3یه آم3اری و نظری3ه می3دان ه3ای کوانت3ومی وج3ود داش3ت ک3ه س3اخت ی3ک م3اده دوبع3دی را غ3یر می ناپای3دار را ای م3اده چ3نین و ممکن

دانست

5

س3ال آن3دره ۲۰۰۴در و نووس3لف کنس3تانتین ب3ه س3اخت دانش3گاه منچس3تر موف3ق از گیم، ی قض3یه ک3ه دادن3د نش3ان و ش3ده م3اده این

\ درست باشد. مرمین-واگنر نمی تواند کامًال

2010

کنستانتین نووسلفآندره گیم

گرافن بر مبتنی ترانزیستورهای بررسی


در ساختار گرافن بین یک اتم کربن با سه اتم کربن دیگرپیوند کوواالنسی وجود دارد.

دو اتم یکسان در هر سلول واحد

120°


ساختار باند انرژی در گرافن

آشکارساز نور با طول موجهای مختلف


ساختار زی3ر بن3ایی ب3رای س3اخت ن3انو س3اختارهای کرب3نی، ت3ک الی3ه گ3رافن را گ3رافیت بع3دی ت3وده س3ه بگیرن3د ق3رار ب3ر روی هم اگ3ر ک3ه اس3ت تش3کیل می دهن3د ک3ه ب3ر هم کنش بین این ص3فحات از ن3وع واندروالس3ی

نانومتر می باشد.0.335با فاصله ی بین صفحه ای

ضعیف بودن پیوند واندروالسی دلیل نرم بودن مداد سیاه

0.335n

9

گرافن کم الیه 10 تا 5الیه های گرافنی از •

الیه


گرافن ضخیم یا نانو 30 تا 20الیه های گرافنی از •بلورهای گرافیتی

الیه


مزیت های گرافن

باال بودن رسانایی الکتریکی

باال بودن رسانایی گرمایی

چگالی باالی حاملهای بار

تحرک پذیری باالی حاملهای بار.

در سیلیکون جایگزینی برای مناسب کاندیدای عنوان به العاده فوق خواص این واسطه به گرافناست شده تبدیل .الکترونیک


کاربردهای گرافن تح3رک ب3االی الک3ترون ه3ا و ق3ابلیت بالس3تیکی آن ه3ا س3بب ش3ده ت3ا در

ترانزیستورهای اثر میدانی بالستیکی بکار برده شوند. 1اس3تفاده در کاربرده3ای فرک3انس ب3اال و آشکارس3ازهایTHz و تولی3د

لیزر.. کاربرد در سنسورهای شیمیایی

گرافن می توان3د ب3ه عن3وان ی3ک ورق3ه رس3انا نقش کان3ال را در اف3زارههای تک الکترونی ایفا کند.

ترانزیس3تورهای اث3ر می3دانی اب3ر رس3انا و اف3زاره ه3ای اس3پینی از دیگ3رکاربردهای گرافن می باشد.

.


درج3ه در 1300 در دم3ای ح3دود کاربی3درفت3ار ح3رارتی س3یلیکون •خًالء س3بب می ش3ود ت3ا اتم ه3ای س3یلیکون س3طح تص3عید ش3وند در نتیج3ه در س3طح ی3ک الی3ه غ3نی از ک3ربن ش3کل می گ3یرد ک3ه تحت ح33رارت ب33االی ک33افی و س33ازمان دهی مج33دد س33طح ، ی33ک الی33ه گرافی3تی ش3کل می یاب3د. کن3ترل مناس3ب تص3عید اتم ه3ای س3یلیکون

تولی33د الی33ه ه33ای بس33یار ن33ازکی را از گ33رافن ب33ر روی زیرالی33ه (SiC) .سبب شده است

SiCرشد زیر الیه گرافنی روی زیر الیه

از طریق رابطه چگالی مولر می توان محاسبه کرد که حدود • جهت تولید اتم کربن آزاد برای تولید یک الیه SiCسه جفت الیه

گرافن الزم است.

و نیاز به در ست بسیار پیچیده ااین روش برای تولید گرافن •نظر گرفتن پارامترهای بسیاری برای رشد می باشد


faco to faceروش

این روش بسیار ساده و مقرون به صرفه است و در عین حال الیه •گرافنی با کیفیت مطلوبی در اختیار قرار می دهد.

یکی در باال و دیگری در پایین به صورت چهره به SiCدر این روش دو ویفر •چهره قرار می گیرند و یک شکاف کوچک در میان آن ها ایجاد می شود

سپس به صورت همزمان حرارت داده می شوند. درجه )قبل از آنکه گرافن شروع به 1500یکی در درجه حرارت زیر • در مقابل دیگری SiCرشد کند( هر دو ویفر به صورت یک منبع و سینک

عمل می کند. در این فاز بدون استفاده از بازپخت هیدروژنی می توان به سطح مناسب، صاف و بزرگی جهت رشد گرافن دست یافت و در

نتیجه به الیه های گرافنی با سایز بزرگ تر دست یافت.

Epitaxial SiC

Sic

Epitaxial graphene

Sic

T1

T2

T3

T4

T1,T2< T3,T4>


CVD روشرشد گرافن به

گرافن بر روی سطحی فلزی رشد می یابد و سپس به سطح نیمه هادی انتقال می یابدCVD شدر روفل3ز مس توان3ایی س3رعت بخش3یدن ب3ه رش3د ک3ربن را •

دارد ام3ا اج3ازه رش3د ت3ک الی3ه ه3ای کرب3نی را ب3ر روی خود می دهد.

قابلیت حًاللیت ک3ربن در مس بس3یار کم اس3ت. در •نتیج3ه وق3تی اتم ه3ای ک3ربن ب3ا س3طح مس برخ3ورد می کنن3د تش3کیل س3اختار ش3ش گوش3ه می دهن3د ک3ه

نامیده می شودنگراف وق3تی ک3ه س3طح مس ب3ه ط3ور کام3ل توس3ط ک3ربن •

پوشانده شد رشد متوقف می شود. در این روش س3ایز رش3د گ3رافن ب3ا س3ایز س3طح مس •

پس از رشد الیه های گرافن بر روی سطح مسی نیاز است تا گرافن بر روی سطح زیرالیه دیگری منتقل شوددر ارتباط است.


(ی3ک الی3ه پلیم3ری ب3ر 1مرحل3ه روی گ3رافن کش3یده می ش3ود ک3ه از نظ3ر مک3انیکی هنگ3ام ج3دا ش3دن گ33رافن از روی مس تق33ویت می

کند.

(لب333ه ه333ا ب333ه دقت 2مرحل333ه خراش3یده می ش3وند ت3ا ب3ا اس3تفاده از اس3ید ج3دا ش3دن گ3رافن از س3طح مس راحت ت3ر ش3ود از ت3رکیب رقی3ق ش3ده

HCl و HF در آب ب333333ا مق3داری H202 ب3رای س3رعت بخش3یدن ب3ه رون3د ج3دا ش33دن گ33رافن از مس اس33تفاده می

شود.


(پس از م3دت زم3انی 3مرحل3ه ک33ه مجموع33ه در محل33ول ف33وق ق33رار گ33رفت ک33ه مس خ33ورده ش3ده و الی3ه گراف3نی ب3ه ص3ورت

معلق در می آید.(وق33تی ک33ه مس بط33ور کام33ل 4مرحل33ه

خ3ورده ش3د، گ3رافن ب3ه آرامی از روی آن برداش33ته می ش33ود و زی33ر آن توس33ط آب تم3یز می ش3ود. الی3ه ش3امل گ3رافن و پلیم3ر ب3ر روی س3طح اکس3ید ب3ر روی س3یلیکون ق3رار داده می ش3ود. الی3ه پلیم3ری توس3ط محل3ول اس3تون و ی3ا محل3ول الکلی دیگ3ری

.حذف می شود


روش الیه برداری شیمیایی

از نانولول3ه ه3ای کرب3نی و س3اختارهای ن3انوکربنی مش3ابه گ3رافن •در حًالل ه33ای ش33یمیایی اس33تفاده می ش33ود. این مخل33وط در دس33تگاه ه33ای س33انتریفیوژ ق33رار داده می ش33ود. این فرآین33د س3بب ج3دا ش3دن الی3ه ه3ای گ3رافیت از یک3دیگر ش3ده و ت3ک الی3ه ه3ای گراف3نی تولی3د می ش3ود. این حًالل س3بب ک3اهش ان3رژی م3ورد نی3از ب3رای شکس3تن اتم ه3ای گ3رافیت ش3ده و پوس3ته ه3ای

گرافنی ایجاد می کند.


شد ناشی از مذاب کربن - فلزر

کربن ح3ل ش3ده در فل3ز م3ذاب ب3ه آرامی س3رد ش3ده ت3ا •رس33وبی از اتم ه33ای ک33ربن ب33ه ص33ورت ت33ک الی33ه ه33ای

گرافنی ایجاد شود.


تشکیل الیه گرافن با استفاده از کربن آمورف در این روش ی3ک الی3ه از ک3ربن آم3ورف ب3ر روی س3طح ویف3ر

می نشانیمSi / SiO2استاندارد

از فلز نیکل پوشش می دهیمای سپس سطح آن را با الیه

درج3ه گ3رم 950 ت3ا 650سپس آن را در فش3ار کم و دم3ای بین می ک3نیم ت3ا اتم ه3ای ک3ربن درون فل3ز انتش3ار یابن3د س3پس آن را

سرد می کنیم

در این ح3الت اتم ه3ای ک3ربن در س3طح ب3ه ص3ورت الی3ه ه3ایگرافنی ایجاد می شوند.

20

نمونه هایی از ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن


را ب3ه عن3وان ی3ک کاندی3د مناس3ب ب3رای کاربرده3ای سرعت اش3باع ب3االی گ3رافن آن گ3رافن الی3ه کم بس3یار این ض3خامت ب3ر کن3د. عًالوه مع3رفی می ب3اال فرک3انس کن3د.اخیرا می ف3راهم اف3زاره ب3رای را آلی ای3ده الکترواس3تاتیکی ه3ای وی3ژگی ترانزیس3تور ه3ایی ک3ه از ی3ک الی3ه گ3رافن در آنه3ا ب3ه عن3وان کان3ال اس3تفاده ش3ده

ساده ت66رین س66اختاری ک66ه ب66رای ترانزیس66تورهای .است در فرکانس های قطع چند گیگا هرتزی معرفی شده اندگرافنی معرفی می شود

گرافن ب3ه عن3وان کان3ال م3اده منحص3ر ب3ه ف3ردی اس3ت چ3را ناخالص3ی تزری3ق ب3ه نی3ازی نیم3ه ه3ادی ه3ا ب3ر خًالف س3ایر ک3ه

برای هدایت الکتریکی ندارد..


si

SiO2

graphene

sourse

Al2O3

gate

drain

امروزه تًالش های بسیاری بر روی ترانزیستورهای اثر میدانی انجام می شود. در این تحقیقات برای GFETبر پایه گرافن

از یک الیه گرافنی به FETافزایش فرکانس افزاره های صورت زیر استفاده شده است.

22

GFETبا دو پایه گیت


si

SiO2

graphene

sourse

Al2O3gate

کان3ال • اث3رات از معم3وال ب3اال فرک3انس ه3ای اف3زاره و کان3ال درین، بین س3ری ه3ای مق3اومت و کوت3اه س3ورس رنج می برن3د. گ3رافن ب3ا س3اختاری ت3ک الی3ه بهب3ود ب3اعث و ده3د می ارائ3ه را کان3ال ب3اریکترین

الکترواستاتیکی افزاره می شود.drain

gate

sourse


نمونه های دیگری از ترانزیستورهای گرافنی


در مس33یر ع33ادی )ط33بیعی( ب33ه عن33وان ی33ک م33انع گرافنبش3مار می رود. در ح3الت روش3ن حام3ل ه3ا از ع3ایق امی3تر-بیس و الک3ترود کلکت3ور بیس )گ3رافن( ب3ه الی3ه ه3دایت بیس

کلکتور تونل می زنند.

Vertical GBT

graphene


نتیجه گیری

گرافن ماده ای است که با توجه به خصوصیات ذکرشده میتواند جایگزین

نیمه هادی های سیلیکونی در صنعت الکترونیک شود. استفاده از گرافن نوید دهنده ترانزیستورهای با سرعت

تراهرتز( در آینده میباشدباال )در محدوده

26

با تشکر

موضوع : بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن

Documents