什么是石墨烯场效应晶体管（GFET）？建设、优势和挑战

随着硅晶体管的尺寸和性能接近其物理极限，需要寻找替代材料来支持新兴技术。正在研究的材料之一是石墨烯，由于其优异的电学、机械和热性能，它是场效应晶体管的一种有吸引力的沟道材料。

在本文中，我们将讨论GFET的基础知识，包括其结构，它们优于其他场效应晶体管的地方，以及它们面临的挑战。

定义石墨烯晶体管

基本的GFET是一个三端子器件，在某些方面类似于传统的FET。它由源极、漏极和顶部或后门组成。与硅基晶体管不同，GFET在源极和漏极金属电极之间具有薄的石墨烯通道，通常为数十微米厚。

具有石墨烯通道的石墨烯场效应晶体管。图片由BGT材料提供

栅极控制电子的反应，从而控制通道的行为。

石墨烯材料的性质

让我们谈谈石墨烯材料的显着特性，这些特性使GFET适用于电子，通信，化学，生物，能源和其他行业的应用。

石墨烯是一种二维的单碳原子层材料，通常以2D蜂窝或六角形晶格中的紧密堆积原子的形式存在。

石墨烯层的结构。图片由 CORE-Materials 提供 [CC BY-SA 2.0]

石墨烯材料的一些优越性能包括：

• 高电气性能： 石墨烯理论上可以100%的效率传输电流。通常，石墨烯在室温下具有非常低的电阻率，以及超过硅100倍的高固有迁移率。此外，它在某些条件下表现出超导性（例如，以1.1度的角度扭曲双层石墨烯或将其冷却至绝对零度以上1.7°C）。
• 高导热性： 石墨烯是一种各向同性的导体，可在各个方向散热，并且比其他材料（包括金刚石，碳纳米管和石墨）具有更好的导热性。
• 良好的光学性能：石墨烯非常薄，但仍然可见，可以吸收约2.3%的白光。（这对于 2D 材质来说相当多）。将这种能力与卓越的电性能相结合，使石墨烯成为制造高效太阳能电池的有吸引力的材料。
• 优异的化学性能：石墨烯是一种惰性材料，不易与其他材料发生反应。然而，在某些条件下，它可以吸收一些改变其性质的不同分子和原子。这使其适用于化学和生物传感器等应用。

GFET配置和栅极偏置

GFET有三种主要闸门配置。典型的晶体管可以有一个顶栅极、一个全局后栅极，或两者兼而有之，如下所示。

石墨烯FET中的不同栅极配置：a）顶栅GFET，b）后栅GFET，c）双栅极GFET

与传统的硅FET一样，GFET中的栅极控制电子或空穴在其通道上的流动。由于晶体管通道只有一个原子厚，所有电流都在其表面流动，因此石墨烯FET具有高灵敏度。

硅器件中的电流主要通过电子或空穴。然而，GFET允许电子和空穴相等地传导。通常，GFET器件具有双极性行为，其中空穴载流子传导在负偏置下的通道区域中发生。另一方面，正偏置会导致电子载流子传导。

两条导通曲线在狄拉克或电荷中性点相遇，理论上应该处于零电压。然而，在实践中，实际的狄拉克点可能会根据掺杂、石墨烯表面杂质水平、环境气氛和其他条件而发生变化。例如，一些p掺杂石墨烯FET器件的典型值为10-40V。

后栅偏置下GFET的传递特性和狄拉克点

虽然后栅GFET是最常见的，但同时使用顶栅和后栅的四端子GFET适用于某些应用。双栅极GFET支持使用两种不同的电压对通道进行偏置。

石墨烯FET双栅极偏置图像来自Giubileo，F.和Bartolomeo，A.（2017）。接触电阻在石墨烯场效应器件中的作用。表面科学进展，92，143-175。

在典型应用中，双门控FET使用两个栅极偏置来控制通道的电荷浓度。

石墨烯基场效应管的优势

石墨烯优异的导电性和导热性导致低电阻损耗和比硅更好的散热。因此，石墨烯晶体管有可能提供增强的性能和效率。

一个原子厚的结构意味着整个通道都在表面上。因此，对于传感器应用，通道直接暴露在被测材料或环境中。因此，一些GFET具有高灵敏度，适用于广泛的生物和化学传感应用。例如，它可以检测从表面分离或附着到表面上的单个分子。

最后，研究人员已经确定，使用薄的顶部栅极绝缘体材料可以改善GFET参数，例如开路增益，正向传输系数和截止频率。因此，这为GFET应用开辟了其他可能性，包括在非常高频率下的操作。从理论上讲，晶体管有可能以接近太赫兹范围的非常高的速度进行开关，这比硅基FET所能达到的速度快几倍。

传统半导体材料的晶格结构具有一些局限性，导致其在更高频率下散发更多的热量。另一方面，石墨烯的六边形晶格结构、高电子迁移率和其他因素使其能够在太赫兹频率下更好地工作。

GFET挑战

石墨烯FET是硅基晶体管的有吸引力的替代品。然而，有一些挑战使商业生产变得困难，即：

• 带隙限制
• 制造成本
• 饱和

无带隙

尽管GFET是一种快速高效的晶体管，但它没有带隙。无间隙结构意味着价带和导带在零伏特下相遇，从而使石墨烯表现得像金属。在硅等半导体材料中，两个能带被间隙隔开，在正常条件下表现得像绝缘体。

通常，电子需要一些额外的能量才能从价带跳到导带。在FET中，偏置电压使电流流过在没有偏置的情况下充当绝缘体的频带。

不幸的是，GFET中没有带隙使得很难关闭晶体管，因为它不能充当绝缘体。无法完全关闭它会导致开/关电流比约为5，这对于逻辑操作来说是相当低的。因此，在数字电路中使用GFET是一个挑战。然而，这不是模拟电路的问题，因此GFET适用于放大器、混合信号电路和其他模拟应用。

石墨烯的E-k图。放大的部分显示了狄拉克点处的零带隙。图片由曼彻斯特大学提供

多方正在研究解决这些带隙挑战的方法，包括负电阻方法和自下而上的制造合成技术等技术。

精致而昂贵的制造

石墨烯晶体管的制造工艺与硅器件的制造工艺不同，需要一种精致、复杂且昂贵的方法。

GFET制造过程涉及将石墨烯层沉积到硅晶片上，然后在末端添加金属触点。制造商经常使用化学气相沉积来合成石墨烯层。然后分层过程转移合成的石墨烯并将其沉积到目标SiO2衬底上。

其他步骤包括构建栅极电介质、栅极触点，最后使用提离工艺或其他合适的方法构建接触电极。

传统做法经常在石墨烯通道材料中引入杂质和缺陷。有时，除了改变掺杂水平外，这还会导致电荷载流子散射并降低电气性能。具体问题包括狄拉克点偏移和低流动性。

模拟电路中的饱和

广泛采用GFET的另一个挑战是电流饱和不足，这阻止了晶体管在RF应用中达到最大电压增益和振荡频率。

然而，制造商可以通过优化绝缘顶部栅极的介电材料来克服这个问题。通常，良好的介电栅极材料可以更好地控制石墨烯通道中的载流子，从而提高性能。