Les chercheurs de l'AIST ont développé un transistor au graphène avec un nouveau principe de fonctionnement. Dans le transistor développé, deux électrodes et deux grilles supérieures sont placées sur du graphène et le graphène entre les grilles supérieures est irradié avec un faisceau d'ions hélium pour introduire des défauts cristallins. Les polarisations de grille sont appliquées aux deux grilles supérieures indépendamment, permettant de contrôler efficacement les densités de porteurs dans les régions de graphène à grille supérieure. Un rapport marche/arrêt du courant électrique d'environ quatre ordres de grandeur a été démontré à 200 K (environ -73 °C). En outre, sa polarité de transistor peut être commandée électriquement et inversée, ce qui n'était pas possible à ce jour pour les transistors. Cette technologie peut être utilisée dans la technologie classique de fabrication de circuits intégrés à base de silicium, et devrait contribuer à la réalisation d'électronique à très faible consommation d'énergie en réduisant la tension de fonctionnement à l'avenir.

Les détails de cette technologie ont été présentés au 2012 International Electron Devices Meeting (IEDM 2012) qui s'est tenu à San Francisco, ETATS-UNIS., du 10 au 12 décembre, 2012.

Dans les années récentes, l'augmentation de la consommation électrique liée à la généralisation des terminaux d'information mobiles et aux progrès des dispositifs informatiques est devenue une préoccupation. La demande sociétale de réduction de la puissance consommée par les dispositifs électroniques d'information est en augmentation. Bien que des tentatives visant à réduire la puissance consommée par les circuits intégrés à grande échelle (LSI) aient été avancées, la structure de transistor classique est considérée comme ayant des limites inhérentes. Pendant ce temps, mobilité électronique du graphène, qui représente la facilité de mouvement des électrons, est au moins 100 fois plus grande que celle du silicium. On s'attend également à ce que le graphène puisse être utilisé pour résoudre les problèmes des limites inhérentes au silicium et à d'autres matériaux. Par conséquent, le graphène a le potentiel de lever l'obstacle à la réduction de la puissance consommée par les LSI, et on s'attend à ce que le graphène soit utilisé comme matériau pour les transistors à très faible consommation d'énergie de l'ère post-silicium qui utilisent de nouveaux films atomiques fonctionnels.

Cependant, lorsque le graphène est utilisé dans un transistor de commutation, le courant électrique ne peut pas être suffisamment interrompu, car le graphène n'a pas de bande interdite. Aussi, bien qu'il existe une technologie pour former des bandes interdites, la mobilité des électrons diminue lorsque la bande interdite nécessaire à la commutation est formée. Par conséquent, un transistor au graphène avec un nouveau principe de fonctionnement capable d'effectuer efficacement l'opération de commutation avec une petite bande interdite est requis.

Le principe de fonctionnement du transistor au graphène nouvellement développé est illustré sur les figures 1(a) à 1(c). Afin de créer un espace de transport dans le graphène du canal entre les deux grilles supérieures, un microscope à ions hélium a été utilisé pour irradier des ions hélium à une densité de 6,9 ​​x 10 ¹⁵ ions/cm ² introduire des défauts cristallins. La bande d'énergie du graphène des deux côtés du canal peut être modulée par contrôle électrostatique en appliquant des polarisations aux grilles supérieures. La polarité des porteurs dans le graphène peut être modifiée entre le type n et le type p, en fonction de la polarité des polarisations appliquées aux grilles supérieures. Lorsque les polarités des deux côtés du canal diffèrent, le transistor est dans un état bloqué (Fig. 1(b)). Quand les polarités sont les mêmes, le transistor est dans un état passant (Fig. 1(c)). Lorsqu'un transistor conventionnel (figures 1(d) à 1(f)) est dans un état bloqué, le transport du porteur est bloqué par une barrière formée sur l'extrémité côté source ou côté drain du canal ayant l'espace de transport. Cependant, comme le montre la figure 1(e), le courant de fuite du transistor à l'état bloqué est important, car seule une petite barrière est formée. Pendant ce temps, comme le montre la figure 1(b), l'espace de transport dans le transistor développé fonctionne comme une barrière plus grande que celle des transistors conventionnels (Fig. 1(e)) et bloque le transfert de charge. Par conséquent, il est possible d'obtenir un état bloqué supérieur à celui des transistors classiques.

Dans le transistor développé, la longueur du canal, dans laquelle la mobilité se détériore habituellement, peut être réduite à la longueur plus courte que celle des transistors conventionnels. En outre, parce que le transistor développé peut atteindre un état bloqué efficace avec un petit espace de transport, l'espace de transport peut être rendu plus petit que celui des dispositifs conventionnels. En raison de ces propriétés, le fonctionnement tout ou rien du transistor peut être effectué plus rapidement qu'avec des transistors classiques, et ainsi on pense qu'un LSI avec une consommation d'énergie plus faible peut être réalisé en réduisant la tension de fonctionnement du circuit. En outre, les transistors peuvent être réalisés selon la technologie de fabrication classique des circuits intégrés au silicium, comme la lithographie, déposition, et les processus de dopage, et peut également être facilement produit à l'échelle de la plaquette.

Afin de démontrer le fonctionnement du transistor du nouveau principe de fonctionnement, un transistor a été fabriqué en formant des électrodes de source et de drain et une paire de grilles supérieures sur un graphène monocouche isolé du graphite. Une dose appropriée d'ions d'hélium a été appliquée entre les grilles supérieures pour faire un canal irradié d'ions d'hélium (Fig. 2, ligne pointillée bleue), et le graphène externe inutile a été irradié avec une forte dose d'ions d'hélium pour en faire un isolant (Fig. 2, pointillé rouge). Par conséquent, le canal du transistor a une longueur de 20 nm et une largeur de 30 nm.

Le fonctionnement marche/arrêt du transistor fabriqué a été effectué à la basse température de 200 K (environ -73 °C). Les bornes source et drain ont été appliquées avec des biais de -100 mV et +100 mV, respectivement. La polarisation de la grille côté drain a été fixée à -2 V, and that of the source-side gate was swept from −4 V to +4 V and the electric current flowing between the source and drain electrodes was measured. An on/off ratio of approximately four orders of magnitude was observed (Fig. 3).

In the developed transistor, the on state or off state is controlled according to whether the polarities of the voltages applied to the two top gates are the same or different. Par conséquent, by fixing one gate bias and changing its polarity, it is possible to control whether the transistor operation by sweeping the other gate voltage is n-type or p-type. In the present experiment, voltages of −100 mV and +100 mV were applied to the source and drain terminals, respectivement. The relation between the source-drain current and the bias of the source-side gate when the gate voltage of the drain-side, V tgD , is fixed to be positive (Fig. 4(a)), is shown in Fig. 4(b). A logarithmic plot of the same data is shown in Fig. 4 (c). Ici, when the gate voltage of the source-side is negative, the transistor is off, and when it is positive, the transistor is on. So it operates as an n-type transistor. Pendant ce temps, the relation between the source-drain current and the bias of the source-side gate when the gate voltage of the drain-side is negative (Fig. 4(d)), is shown in Figs 4(e) and 4(f). Dans ce cas, when the gate voltage of the source-side is negative, the transistor is on, and when positive, the transistor is off. So it operates as a p-type transistor. En d'autres termes, it was actually demonstrated that the polarity of a single transistor can be inverted by electrostatic control.

The transistor polarity of conventional silicon transistors is determined by the type of ion for doping, so it is not possible to change the polarity once a circuit is formed. Cependant, because the polarity of the developed transistor can be electrostatically controlled, it is possible to realize an integrated circuit whose circuit structure can be electrically changed.

The researchers are aiming to realize CMOS operation in which transistor polarities can be changed through electrical control. They are also aiming to create a device prototype using a large-scale wafer with graphene synthesized by the CVD method (chemical vapor-phase deposition method). À la fois, efforts to achieve higher-quality graphene will be made in order to improve the on/off ratio of electric current at room temperature and carrier mobility.