Группа физиков из Великобритании, Нидерландов, России, Португалии и США, возглавляемая лауреатами Нобелевской премии Андреем Геймом и Константином Новосёловым, изготовила графеновый транзистор необычной, «вертикальной» компоновки.

К отличительным характеристикам графена, напомним, относятся металлическая проводимость в точке нейтральности, где соприкасаются зависимости энергий электронов и дырок от квазиимпульса, имеющие форму конусов, и беспрепятственный перенос электронов через потенциальные барьеры за счёт клейновского туннелирования. При создании транзисторов такие свойства ограничивают соотношение токов в открытом и закрытом состояниях, не позволяя ему подниматься выше ~103; в условиях комнатной температуры это соотношение пока не доходило даже до 10.

Возможным решением проблемы было бы создание запрещённой зоны путём использования двуслойного и трёхслойного графена, нанолент или графана (продукта взаимодействия графена с водородом). Работы в этом направлении уже развёрнуты, однако их результаты пока не впечатляют: открытие запрещённой зоны обычно приводит к снижению «качества» графена — скажем, заметному уменьшению подвижности носителей заряда.

Упрощённая трёхмерная модель «вертикального» транзистора и полная схема расположения слоёв в его структуре (иллюстрации L. Ponomarenko / Science).

В новых экспериментах, напротив, использовался самый обычный графен, но структуру транзистора постарались сделать оригинальной. На стандартную пластину окисленного кремния исследователи нанесли сравнительно толстый слой гексагонального нитрида бора (hBN), который сыграл роль высококачественной атомарно-гладкой подложки. Поверх hBN учёные положили графен, закрытый тонкой прокладкой из гексагонального нитрида, выполняющей функции изолирующего барьера, и ещё одним монослоем атомов углерода. Последним элементом сложной конструкции, напоминающей сэндвич, стал второй толстый слой hBN.

При испытаниях устройства с такой «вертикальной» компоновкой физики прикладывали управляющее напряжение Vg между кремниевой подложкой и нижним графеновым электродом GrB, наблюдая за тем, как это повлияет на величину туннельного тока I. В результате выяснилось, что ток чётко следует за изменениями Vg, причём отношения значений туннельной проводимости σ = I/Vb (Vb — напряжение смещения, прикладываемое между монослоями атомов углерода GrB и GrТ), измеренной на разных Vg, доходили до ~50. Вольт-амперные характеристики транзисторов, снятые при температуре жидкого гелия и в комнатных условиях, практически совпадали.

Влияние управляющего напряжения транзистора, которое меняется с шагом в 10 В, на величину туннельного тока (иллюстрация из журнала Science).

По мнению авторов исследования, транзисторы нового типа весьма перспективны: они способны работать на очень высоких частотах и выгодно отличаются тем, что их поперечные размеры можно снизить до ~10 нм. Поскольку никаких жёстких ограничений на величину отношения токов в открытом и закрытом состоянии нет, в будущем, при оптимизации структуры и использовании более качественных диэлектриков (замене SiO2), она также должна заметно подняться.

источник