【導讀】隨著硅晶體管的尺寸和性能接近其物理極限，需要尋找替代材料來支持更多的新興技術， 其中一個具有希望的材料石墨烯。由于其出色的電氣、機械和熱性能，使得它最有可能成為場效應晶體溝道材料。
一、前言
本文后面根據 All about Circuits 中的一篇文章，介紹有關石墨烯場效應晶體管 （GFET）的構造、優勢以及現在遇到的挑戰。
隨著硅晶體管的尺寸和性能接近其物理極限，需要尋找替代材料來支持更多的新興技術， 其中一個具有希望的材料石墨烯。由于其出色的電氣、機械和熱性能，使得它最有可能成為場效應晶體溝道材料。
▲ 圖1.1 石墨烯場效應管
二、GFET結構
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基本 GFET 是一種三端器件，在某些方面類似于傳統 FET。它由源極、漏極和頂柵或背柵組成。與硅基晶體管不同，GFET 在源極和漏極金屬電極之間存在一個薄的石墨烯通道，厚度通常為幾十微米。
▲ 圖2.1 石墨烯場效應管結構
圖片來自于 BGT Materials
柵極控制石墨烯通道中的電子和空穴的產生與分布，從而控制通道的行為。
三、石墨烯特性
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石墨烯材料有著一些顯著特性，使其制作的 GFET 適用于電子、通信、化學、生物、能源和其他行業的應用。
石墨烯是一種二維單碳原子層材料，碳原子以二維蜂窩或六方晶格形式組成晶體結構。
▲ 圖3.1 石墨烯材料結構
石墨烯材料的一些優越性能包括：
● 高導電性：石墨烯理論上可以100%的效率傳輸電能。石墨烯在室溫下電阻率非常低，超過硅硅本征遷移率的 100 倍。它在某些條件下表現出超導性（例如，以 1.1 度的角度扭曲雙層石墨烯或將其冷卻至絕對零以上 1.7°C）。
● 高導熱性：石墨烯是一種各向同性導體，可以向各個方向散熱，導熱性優于其他材料，包括金剛石、碳納米管和石墨。
● 光學性能好：石墨烯極薄，但仍可見，可吸收約2.3%的白光。（這對于 2D 材料來說是相當多的）。將這種能力與卓越的電性能相結合，使石墨烯成為適合制造高效太陽能電池的材料。
● 化學性能優異：石墨烯是一種惰性材料，不易與其他材料發生反應。然而，在某些條件下，它可以通過吸收一些其它分子和原子來改變其性質， 這使其適用于化學和生物傳感器等應用。
▲ 圖3.2 石墨烯半導體硅片
四、GFET柵極三種結構
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GFET 有三種主要的柵極配置。典型的晶體管可以具有頂柵、全局背柵或兩者結合，如下圖所示。
▲ 圖4.1 石墨烯三種柵極配置形式
與傳統的硅 FET 一樣，GFET 中的柵極控制電子或空穴在其通道中的流動。由于晶體管溝道只有一個原子厚，所有電流都在其表面流動，因此石墨烯 FET 具有非常高的靈敏度。
普通的硅器件使用電子或空穴兩者之一形成電流流動。然而，GFET 卻可以使用兩者（電子，空穴）形成電流， 所以GFET 器件具有雙極性特征，在負偏壓下通道采用空穴載流子傳導，在正偏壓下通道采用電子載流子傳導。
兩條傳導曲線在狄拉克點或電荷中性點相交，理論上應該為零電壓。在實踐中，實際的狄拉克點可能會根據摻雜、石墨烯表面的雜質水平、周圍大氣和其他條件而發生變化。例如，一些 p 型摻雜石墨烯 FET 器件的典型值為 10-40V。
▲ 圖4.3 底部柵極GFET對應的傳輸特性以及狄拉克點
雖然背柵GFET最常見，但同時使用頂柵和背柵的四端GFET可以適合某些特殊應用。雙柵極 GFET 可以用兩個不同的電壓對通道進行偏置。
▲ 圖4.4 雙柵極GFET結構
在典型應用中，雙柵極 FET 使用兩個柵極偏置來控制通道的電荷濃度。
GFET的優勢
● 石墨烯優異的導電性和導熱性使其工作時的電能損耗更低、散熱性能更好 所以基于石墨烯的晶體管有可能獲得更大的功率器件。
● 一個原子厚的結構意味著整個通道都在表面上。因此，在傳感器應用中，通道直接暴露于被測材料或環境， 提高了器件的敏感度。生物和化學中具有廣泛的應用。比如它可以檢測在其石墨烯通道表面上的單個分子。
● 使用薄的頂柵絕緣體材料可以改善 GFET 參數，例如開路增益、正向傳輸系數和截止頻率。這使得 GFET 適合應用在高頻信號處理方面。從理論上講，GFET的開關頻率可以接近太赫茲范圍， 這比硅基 FET 可以達到的速度快幾倍。
● 傳統半導體材料的晶格結構存在一些局限性，高頻下功耗增加， 而石墨烯的六方晶格結構缺陷少、電子遷移高率等因素提高了在太赫茲頻率下的性能。
▲ 圖5.1 石墨烯特性檢測
五、GFET 挑戰
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石墨烯 FET 是硅基晶體管的潛在替代品， 但要形成商業應用還需要克服一下三個方面的困難：
● 帶隙限制
● 制造成本
● 飽和
1、缺乏帶隙
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盡管 GFET 是一種快速高效的晶體管，但它沒有帶隙， 它的價帶和導帶在零偏壓下相遇，此時石墨烯表現得像金屬。
硅等半導體材料兩個能帶被一個間隙隔開，在正常條件下表現為絕緣體。電子需要一些額外的能量才能從價帶躍遷到導帶。在 FET 中，偏置電壓使電子從價帶躍遷到導帶。
不幸的是，因GFET 中沒有帶隙，因此很難關閉晶體管，因為它不能充當絕緣體。無法將其完全關閉。GFET的開/關電流比約為 5，這對于邏輯操作來說非常低， 這使得GFET無法直接應用在數字開關電路中。在模擬電路中， GFET工作在變阻區時就沒有問題了，所以GFET 適用于放大器、混合信號電路和其他模擬應用。
▲ 圖6.1 石墨烯的E-k圖。其中放大部分顯示了狄拉克處的零帶隙
現在很多針對石墨烯帶隙的問題提出相應的解決方案，包括負電阻方法和自下而上的合成制造技術等技術。
制作工藝復雜昂貴
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石墨烯晶體管的制造工藝不同于硅器件，需要一種精密、復雜且成本高昂的方法。
GFET 制造過程包括將石墨烯層沉積到硅晶片上，然后在末端添加金屬觸點。通常使用化學氣相沉積來合成石墨烯層。然后通過分層工藝轉移合成的石墨烯并將其沉積到目標 SiO2 基板上。
其他步驟包括使用剝離工藝或其他合適的方法構建柵極電介質、柵極接觸，以及最后的接觸電極。
傳統做法通常會在石墨烯通道材料中引入雜質和缺陷。有時，除了改變摻雜水平外，還會導致載流子散射并降低電氣性能。具體問題包括狄拉克點位移和低流動性。
▲ 圖6.2 石墨烯場效應管在太赫茲高頻下的信號調制
模擬電路中容易飽和
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影響GFET 推廣的另一個挑戰是電流飽和度不足，這會阻止晶體管在 RF 應用中所能達到最大電壓增益和振蕩頻率。
然而，制造商可以通過優化絕緣頂柵的介電材料來克服這個問題。通常，良好的介電柵極材料可以更好地控制石墨烯溝道中的載流子，從而提高性能。
▲ 圖6.3 GFET在放大模擬信號
參考資料
[1] TRANSISTOR CASEIR?O ! realmente ficou PODEROSO TBJ e MOSFET?: https://www.youtube.com/watch?v=fK3v6JZpnGo
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