Физики создали графеновый транзистор без металлических элементов

Шведские и немецкие физики разработали прототип миниатюрного транзистора на основе графена и соединения кремния и углерода, для работы которого не требуются металлические электроды, и опубликовали "инструкцию" по сборке такого устройства в статье в журнале Nature Communications. Максимальная производительность обычных кремниевых интегральных схем и их графеновых "наследников" ограничивается так называемыми токами утечки - несанкционированным движением электронов через транзисторы в выключенном состоянии. Дальнейшая миниатюризация кремниевых транзисторов крайне затруднена из-за роста токов утечки. Группа физиков под руководством Хайко Вебера (Heiko Weber) из университета Фридриха-Александра в городе Эрланген (Германия) предложила свой вариант решения этой проблемы - транзистор на базе графена и карбида кремния. 

Данное устройство представляет собой аналог обычного полевого транзистора с несколькими существенными изменениями. Во-первых, роль металлических электродов в изобретении Вебера и его коллег играют небольшие полоски графена, соединенные с полупроводником - карбидом кремния. Как отмечают исследователи, функции фрагментов графена зависят от типа соединения между ними и углеродно-кремниевой подложкой. Так, если между графеном и полупроводником существует прочная химическая связь, то контакт между ними способен проводить электрический ток. При отсутствии таких связей полоска графена превращается в так называемый барьер Шоттки.

Барьером Шоттки называется феномен, возникающий при контакте полупроводника с пластинкой из некоторых металлов. Высокая электропроводность металла и относительно низкая проницаемость полупроводника создают особый барьер на границе контакта, ускоряющий движение электронов из полупроводника в металл и препятствующий обратному току электричества. Данное свойство широко используется при создании выпрямителей тока, диодов и некоторых электронных приборов. Вебер и его коллеги воспользовались этим эффектом и создали транзистор из двух химически связанных полосок графена и одного графенового барьера Шоттки. В этом случае проводящие кусочки графена играли роль входа и выхода транзистора, а барьер Шоттки выступал в качестве затвора, управляющего проводимостью устройства.

Физики собрали экспериментальный прототип транзистора и проверили его работу при разных температурах и напряжениях. По их словам, графеново-карбидный транзистор обладает достаточно низкими токами утечки при комнатной температуре - отношение силы тока во "включенном" и "выключенном" состоянии составляет 12 тысяч к одному. При уменьшении температуры до минус 53 градусов Цельсия эта пропорция достигает внушительных 74 тысяч к одному. Как утверждают ученые, данные транзисторы способны работать на высоких частотах - от одного мегагерца и более. Вебер и его коллеги полагают, что улучшение свойств графенового барьера Шоттки позволит достичь более высоких частот и поможет графеновой электронике потеснить ее кремниевых конкурентов в будущем. Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. Он отличается высокой прочностью и уникальными электрическими свойствами, что делает графен привлекательным для использования в различных областях науки и техники. За создание графена выходцам из России Константину Новоселову и Андрею Гейму была присуждена Нобелевская премия 2010 года по физике.