دانلود رایگان ترجمه مقاله ترانزیستورهای اثر میدانی تونل زنی نانونوار گرافنی با یک کانال ناهمگن نیمه فلزی – IEEE 2012

ترانزیستورهای اثر-میدانی تونل زنی نانوروبان گرافن با یک نیمه هادی و کانال نیمه فلزی ناهمگون

Graphene Nanoribbon Tunneling Field-Effect Transistors With a Semiconducting and a Semimetallic Heterojunction Channel

چکیده
ما یک مطالعه محاسباتی از عملکرد دستگاه ترانزیستورهای اثر-میدانی تونل زنی نانوروبان گرافن (TFETs) را با یک کانال ناهمگن ارائه نموده ایم. با تغییر طول و باندگپ انرژی EG از منطقه ناهمگن، جریان های حالت خاموش و روشن (ION و IOFF) را می توان به طور موثر به طور مستقل بهینه سازی نمود. هر دوی مناطق نیمه هادی و نیمه فلزی ناهمگن برای درک اثرات مهندسی EG بر رفتارهای دستگاه مورد مطالعه قرار می گیرند. علاوه بر این، اثر پوشش گیت (GC) بر منطقه ناهمگن نیز بررسی شده است. ما دریافتیم که عملکرد دستگاه تا حد زیادی توسط موقعیت گیت برای تغییر منطقه ای که در آن تونل زنی باند به باند رخ می دهد تحت تاثیر قرار می گیرد. برای یک ION/IOFF معین از هشت مرتبه، نتایج ما نشان می دهد که برای نیمه هادی ناهمگون، یک ION بالاتر را می توان با داشتن گیت پوشش دهنده جزئی منطقه ناهمگن به دست آورد. این ناشی از ترکیب طول تونل زنی کوتاه و حالات رزونانس است که برای مکانیسم تونل زنی منجر به افزایش در غلظت حامل می شود. از سوی دیگر، برای مورد نیمه فلزی، یک ION/IOFF مشابه تنها زمانی قابل دسترسی است که منطقه ناهمگن توسط گیت پوشش داده نمی شود.یک IOFF بزرگ برای GC حتی کوچک با توجه به الکترونهای ظرفیتی حرکت کننده از سورس به باندهای هدایت منطقه نیمه فلزی مشاهده می شود که انتقال حامل به سمت درین را افزایش می دهد. مطالعه ما ملاحظه طراحی دستگاه های مورد نیاز را در هنگام بهینه سازی عملکرد دستگاه TFETs ناهمگون برجسته می نماید.

1. مقدمه
گرافن دوبعدی، یک ماده باند گپ انرژی صفر است که حامل های آن به عنوان فرمیون های بدون جرم رفتار می کنند. پراکندگی انرژی آنها در نزدیکی سطح فرمی، خطی است و می تواند با معادله دیراک [1] تقریب زده شود. این ماده نمایشگر بسیاری از خواص جدید است که در مواد معمولی مانند پارادوکس کلاین در یک اتصال p-n و اثر هال اسپین کوانتومی [2]، [3] که می تواند دستگاه های کاربردی جدید را قادر سازد، مشاهده نمی شود. همانطور که هر دو الکترون ها و حفره ها دارای خواص الکترونیکی مشابه هستند، گرافن می تواند برای ترانزیستورهای اثر-میدانی نوع- nو نوع p (FETs) با عملکرد مشابه استفاده شود. این ویژگی های منحصر به فرد، گرافن را به یک جانشین بالقوه برای سیلیکون در دستگاه های نانوالکترونیک مبدل نموده است، زیرا سیلیکون محدودیت های اساسی خود را با کوچک سازی مداوم اندازه دستگاه دارد [4]. به طور خاص، با توجه به ساختار تک لایه و انطباق آن با فناوری اکسید فلز-نیمه هادی مکمل، کاربرد گرافن در FETs از نظر تجربی با استفاده از گرافن به دست آمده توسط برش ریز مکانیکی گرافیت پیرولیتی نشان داده شده است [5]. در حالی که عدم وجود یک EG قابل توجه به طور جدی پتانسیل FET گرافن را در کاربردهای دیجیتال محدود می کند [6] – [10]، یک جفت از دستگاه های عملکردی جدید برای بهره برداری از خواص دیگر پیشنهاد شده است. به عنوان مثال، سوئیچ بازتاب کوانتومی [11] بر اساس پارادوکس کلاین و لنز Veselago در اتصالات P-N گرافن برای بهره برداری رفتارهای الکترونی نوری آن [12] علاقه زیادی را در جامعه دستگاه ها به دست آورد است.
با این حال، تلاش تحقیقاتی زیادی روی کاوش چگونگی باز کردن یک EG قابل استفاده در گرافن، مانند شکستن تقارن زیرشبکه و عمل شیمیایی [13]، [14] متمرکز شده است. در میان این روش ها، کاهش در ابعاد نانوساختارهای گرافن، به عنوان مثال، مشخص شده است که نانولوله های کربنی (CNTs) و نانوروبان های گرافن (GNRs) یک راه موثر برای القای EG [15]، [16] است. برای GNRs، مقدار EG وابسته به عرض نوار است و بسیار حساس به محرک خارجی، مانند فشار و میدان الکتریکی است [19] -[15]. در نتیجه، GNRs طیف گسترده ای از دستگاه های موزون الکترونیکی را فعال می کند. از جامعه دستگاه ها، ویژگی های جریان ولتاژ (I-V) نانوساختارهای مختلف گرافن [20] – [22] با پتانسیل های امیدوار کننده در کاربردهای FET گزارش شده است. اگر چه عملکرد دستگاه این FETs ساخته شده به طور منفی توسط زبری لبه تحت تاثیر قرار می گیرد [23]، [24]، FETs GNR (TFETs) [25] – [36] با توجه به جرم تونل زنی کم خود، باندگپ مستقیم، و سازگاری با پردازش مسطح هنوز هم به عنوان یکی از امیدوار کننده ترین FETs تونل زنی در نظر گرفته می شود.
یک اتصال ناهمگن (HJ) در یک GNR به عنوان وسیله ای به منظور افزایش عملکرد FETs GNR معرفی شده است. یک نوع از این HJ TFET با ترکیب GNRs از عرض های مختلف در منطقه کانال به دست می آید و توانایی آن برای بهبود جریان حالت-روشن ( ) و نسبت جریان حالت-روشن / حالت-خاموش ( ) با انتخاب موقعیت های HJ مناسب نسبت به سورس مورد بررسی قرار گرفته است [37]. نوع دیگری از HJ TFET مبتنی بر CNT نیمه استخراج شده است که در آن یک CNT نیمه فلزی به GNRs نیمه هادی متصل می شود. این به دستگاه هایی با سرعت بالا با اتلاف کم انرژی منجر می شود [38]، [39]. این تحقیقات نشان داد که ساختار HJ در بهبود عملکرد TFETs، با توجه به مشخصات بالقوه مدوله که ایجاد می کند مفید است و در طول حالت- ON، باعث افزایش (BTB) نرخ تونل زنی باند به باند در سراسر رابط سورس-کانال می شود. علاوه بر این، یک ساختار HJ، یک نقطه سوئیچینگ ناگهانی را فراهم می کند در حالی که نسبتا کم حفظ می کند. با این حال، عملکرد فیزیکی دقیق دستگاه GNR HJ TFET با مواد EG مختلف در منطقه HJ، و تفاوت بین مناطق نیمه هادی و نیمه فلزی HJ به صورت سیستماتیک بررسی نشده است.
در این راستا، ما ویژگی های انتقال TFETs GNR با نیمه هادی ناهمگن و GNRs نیمه فلزی را با عرض های روبان مناسب (WHJ) بررسی نمودیم. برای مورد نیمه هادی، اثر طول های HJ مختلف (LHJ) بررسی شده است. علاوه بر این، تاثیر پوشش گیت (GC) بر منطقه HJ بر عملکرد دستگاه GNR TFETs بررسی می شود. ما نشان می دهیم که منطقه HJ به شکل یک ساختار کوانتومی-خوب در واسطه سورس-کانال است و حالت تدریجی حاصل (QS)، جریان های تونل زنی BTB را افزایش می دهد تنوع در هر دو WHJ یا LHJ، سطح انرژی QS و از این رو مشخصات I-V برای GNR HJ TFETs را تغییر می دهد. علاوه بر این، مشاهده می کنیم که تونل زنی BTB در لبه گیت رخ می دهد، و قرار دادن لبه گیت با تنظیم GC مختلف روی منطقه HJ دارای اثر زیادی بر مشخصات I-V برای GNR HJ TFETs است. ما مکانیزم فیزیکی در ساختارهای HJ TFET را با مناطق نیمه هادی و نیمه فلزی HJ را مشخص می نماییم و نتایج ما ملاحظات طراحی مورد نیاز، از نظر پارامترهای هندسی و قرار دادن گیت، را برای بهینه سازی عملکرد GNR HJ TFETs برجسته می نماید و این نتایج می توانند به عنوان دستورالعمل های طراحی کلی برای HJ TFETs استفاده شوند.

Abstract

We present a computational study of the device performance of graphene nanoribbon tunneling field-effect transistors (TFETs) with a heterogeneous channel. By varying the length and the energy bandgap (EG) of the heterogeneous region, the ON- and OFF-state currents (ION and IOFF) can be effectively optimized independently. Both semiconducting and semimetallic heterogeneous regions are studied to understand the effects of EG engineering on device behaviors. In addition, the effect of gate coverage (GC) over the heterogeneous region is also investigated. We found that device performance is greatly affected by the positioning of the gate to modify the region where band-to-band tunneling occurs. For a given ION/IOFF of eight orders, our results show that, for the semiconducting heterojunction, a higher ION can be obtained by having the gate partially covering the heterogeneous region. This is due to a combination of a short tunneling length and resonant states, which leads to an increase in carrier concentration for the tunneling mechanism. On the other hand, for the semimetallic case, a similar ION/IOFF is only attainable when the heterogeneous region is not covered by the gate. A large IOFF is observed for even small GC due to the valence electrons from the source traveling to the conduction bands of the semimetallic region, enhancing the carrier transport toward the drain. Our study highlights the device design consideration required when optimizing the device performance of heterojunction TFETs.

I. INTRODUCTION

GRAPHENE is a 2-D zero energy bandgap (EG) material, whose carriers behave as massless fermions. Their energy dispersion near Fermi level is linear and can be approximated with the Dirac equation [1]. It exhibits many novel properties that are not observed in conventional materials, such as the Klein paradox in a p-n junction and the quantum spin Hall effect [2], [3], which can enable new functional devices. As both the electrons and the holes have similar electronic properties, graphene can be used for n- and p-type field-effect transistors (FETs) with similar performance. These unique characteristics make graphene a potential successor to silicon in nanoelectronic devices as silicon approaches its fundamental limitations with the continuing miniaturization of device sizes [4]. In particular, due to its single-layer structure and compatibility with complementary metal–oxide–semiconductor technology, graphene’s application in FETs has been experimentally demonstrated using graphene obtained by micromechanical cleavage of pyrolytic graphite [5]. While the absence of a sizable EG seriously restricts the potential of a graphene FET in digital applications [6]–[10], a couple of novel functional devices exploiting other novel properties have been proposed. For example, the quantum reflective switch [11] based on the Klein paradox and the Veselago lens in graphene p-n junctions exploiting its electron-optic behaviors [12] have garnered much interest in the device community. Nevertheless, much research effort has been focused on exploring how to open a usable EG in graphene, such as by breaking the sublattice symmetry and by chemical functionalization [13], [14]. Among these methods, the reduction in dimensionality in graphene nanostructures, for example, carbon nanotubes (CNTs) and graphene nanoribbons (GNRs), has been found to be an effective way to induce EG [15], [16]. For GNRs, the value of EG is dependent on the ribbon width and is highly sensitive to an external stimulus, such as strain and electric field. As a result, GNRs enable a wide spectrum of tunable electronic devices [15]–[19]. From the device community, the current–voltage (I–V ) characteristics of various graphene nanostructures have been reported [20]–[22] with promising potentials in FET applications. Although device performance of such fabricated FETs will be adversely affected by edge roughness [23], [24], GNR FETs are still considered as one of the most promising tunneling FETs (TFETs) [25]–[36] due to their low tunneling mass, direct bandgap, and compatibility with planar processing. A heterogeneous junction (HJ) in a GNR has been introduced as a means to enhance the performance of GNR FETs. One such type of HJ TFET is by combining GNRs of different widths in the channel region, and its ability to improve the ON-state current (ION) and the ON-state/OFF-state current ratio (ION/IOFF) by choosing the appropriate HJ positions relative to the source has been investigated [37]. Another type of HJ TFET is based on a partially unzipped CNT, where a semimetallic CNT is connected to semiconducting GNRs. This results in high-speed devices with low energy dissipation [38], [39]. These investigations demonstrated that an HJ structure is useful in improving the performance of TFETs, owing to the modulated potential profile it creates, which enhances the band-to-band (BTB) tunneling rate across the source–channel interface during the ON-state. Additionally, an HJ structure provides a more abrupt switching point while maintaining a relatively low IOFF. However, the detailed device physics of the GNR HJ TFET with different EG materials at the HJ region, and the difference between semiconducting and semimetallic HJ regions has not been systematically investigated. Toward this end, we investigate the transfer characteristics of GNR TFETs with heterogeneous semiconducting and semimetallic GNRs with appropriate ribbon widths (WHJ). For the semiconducting case, the effect of different HJ lengths (LHJ) is also investigated. In addition, the influence of gate coverage (GC) over the HJ region on the device performance of GNR TFETs is explored. We demonstrate that the HJ region forms a quantum-well structure at the source–channel interface, and the resultant quantized state (QS) enhances the BTB tunneling currents. Variation in either WHJ or LHJ changes the energy level of the QS, and hence the I–V characteristics of GNR HJ TFETs. Furthermore, we observe that BTB tunneling occurs at the gate edge, and the placement of the gate edge by adjusting the different GC over the HJ region has a great effect on the I–V characteristics of the GNR HJ TFETs. We clarify the physical mechanism in the HJ TFET structures with semiconducting and semimetallic HJ regions, and our results highlight the design considerations required, in terms of geometrical parameters and gate placement, to optimize the performance of GNR HJ TFETs, and these results can be used as general design guidelines for HJ TFETs.