横山直树（组长）、中原修（指定集中研究专家）等人、绿色纳米电子学中心（GNC）合作研究小组、米乐m6官方网站（AIST）纳米电子学研究所（NeRI；所长：金丸诚吾；所长：野间保）和小川真一（特邀高级研究员）等人， NeRI、AIST 与先进纳米器件创新中心（ICAN；主任：秋永博之）、AIST 和 Kazuhito Tsukagoshi（首席研究员）、国立材料科学研究所（NIMS；主席：Sukekatsu Ushioda）国际材料纳米结构中心（MANA；所长：Masakazu Aono）合作，开发了一种具有新工作原理的石墨烯晶体管。

在开发的晶体管中，两个电极和两个顶栅放置在石墨烯上，并且用氦离子束照射顶栅之间的石墨烯以引入晶体缺陷。栅极偏置独立地施加到两个顶部栅极，从而有效地控制顶部栅极石墨烯区域中的载流子密度。在 200 K（约 -73 °C）下，电流开/关比约为四个数量级。此外，它的晶体管极性可以通过电控制和反转，这对于晶体管来说迄今为止是不可能的。该技术可用于传统的基于硅的集成电路生产技术，有望在未来通过降低工作电压来实现超低功耗电子产品。

这项技术的详细信息将于2012年12月10日至12日在美国旧金山举行的2012年国际电子器件会议(IEDM 2012)上公布。

石墨烯晶体管原型示意图

近年来，随着移动信息终端的普及和IT设备的进步，功耗的增加已成为人们关注的问题。社会对降低电子信息设备功耗的需求日益增加。尽管降低大规模集成电路（LSI）功耗的尝试已经取得进展，但传统的晶体管结构被认为具有固有的局限性。同时，石墨烯的电子迁移率（代表电子移动的容易程度）至少比硅大100倍。石墨烯也有望用于解决硅等材料固有限制的问题。因此，石墨烯有可能消除LSI降低功耗的障碍，并且有望用作后硅时代利用新型功能原子膜的超低功耗晶体管的材料。

然而，当石墨烯用于开关晶体管时，由于石墨烯没有带隙，因此无法充分中断电流。另外，虽然存在形成带隙的技术，但是当形成开关所需的带隙时，电子迁移率降低。因此，需要一种具有新工作原理的石墨烯晶体管，能够在小带隙下有效地执行开关操作。

GNC 成立于 2010 年 4 月，旨在实施由内阁府和日本学术振兴会运营的 FIRST 所采用的项目。 GNC 由 AIST 研究人员和来自五家公司（富士通研究所、东芝公司、日立公司、瑞萨电子公司和 Ulvac, Inc）的企业研究人员组成。基于筑波创新竞技场的研究支持框架，自 2010 财年以来，AIST 的 NeRI 和 ICAN 以及 NIMS 的 MANA 一直在 GNC 开展石墨烯电子应用的合作研究。

本研究得到FIRST“绿色纳米电子核心技术开发”项目（核心研究员：Naoki Yokoyama）的支持。

新开发的石墨烯晶体管的工作原理如图1(a)至1(c)所示。为了在两个顶栅之间的通道的石墨烯中产生传输间隙，使用氦离子显微镜以69 x 10¹⁵离子/厘米²引入晶体缺陷。通过对顶栅施加偏压，可以通过静电控制来调制沟道两侧石墨烯的能带。石墨烯中载流子的极性可以在n型和p型之间改变，具体取决于施加到顶栅的偏压的极性。当沟道两侧的极性不同时，晶体管处于截止状态（图1（b））。当极性相同时，晶体管处于导通状态（图1（c））。当传统晶体管(图1(d)至1(f))处于截止状态时，载流子传输被形成在具有传输间隙的沟道的源极侧端部或漏极侧端部上的势垒阻挡。然而，如图1(e)所示，晶体管在截止状态下的漏电流很大，因为只形成了很小的势垒。同时，如图1（b）所示，所开发的晶体管中的传输间隙充当比传统晶体管（图1（e））更大的势垒并阻止电荷传输。结果，可以获得优于传统晶体管的截止状态。

在所开发的晶体管中，迁移率通常恶化的沟道长度可以减少到比传统晶体管更短的长度。此外，由于所开发的晶体管可以以小的传输间隙实现有效的截止状态，因此可以使传输间隙比传统器件更小。由于这些特性，晶体管的导通/截止操作可以比传统晶体管更快地执行，因此相信可以通过降低电路的操作电压来实现具有较低功耗的LSI。此外，晶体管可以使用硅集成电路的传统制造技术来生产，例如光刻、沉积和掺杂工艺，并且还可以很容易地以晶圆规模生产。

图1：新型石墨烯晶体管和传统晶体管的工作原理

为了演示新工作原理的晶体管操作，通过在与石墨隔离的单层石墨烯上形成源极和漏极以及一对顶栅来制造晶体管。在顶栅之间施加适当剂量的氦离子，形成氦离子照射通道（图2，蓝色虚线），而外部不需要的石墨烯则用大剂量的氦离子照射，使其成为绝缘体（图2，红色虚线）。结果，晶体管沟道的长度为 20 nm，宽度为 30 nm。

图 2：氦离子显微镜图像和原型设备的示意图

所制造的晶体管的开/关操作是在200 K（约-73 °C）的低温下进行的。源极端子和漏极端子分别施加-100 mV和+100 mV的偏压。将漏极侧栅极的栅极偏压固定为-2V，将源极侧栅极的栅极偏压从-4V扫描到+4V，并测量在源电极和漏电极之间流动的电流。观察到大约四个数量级的开/关比（图 3）。

图3：新型石墨烯晶体管的电流开/关比

在开发的晶体管中，根据施加到两个顶栅的电压的极性是否相同或不同来控制导通状态或截止状态。因此，通过固定一个栅极偏压并改变其极性，可以通过扫描另一栅极电压来控制晶体管操作是n型还是p型。在本实验中，分别向源极端子和漏极端子施加-100mV和+100mV的电压。当漏侧栅极电压V_tgD，固定为正值（图4（a）），如图4（b）所示。相同数据的对数图如图 4 (c) 所示。这里，当源极侧的栅极电压为负时，晶体管截止，当源极侧的栅极电压为正时，晶体管导通。因此它作为 n 型晶体管运行。同时，当漏极侧栅极电压为负时(图4(d))，源极-漏极电流与源极侧栅极偏置之间的关系如图4(e)和4(f)所示。在这种情况下，当源极侧的栅极电压为负时，晶体管导通，当源极侧的栅极电压为正时，晶体管截止。因此它作为 p 型晶体管运行。换句话说，实际上证明了可以通过静电控制来反转单个晶体管的极性。

传统硅晶体管的晶体管极性由掺杂离子的类型决定，因此一旦形成电路就不可能改变极性。然而，由于所开发的晶体管的极性可以静电控制，因此可以实现电路结构可以电改变的集成电路。

图4：晶体管极性电反转的晶体管工作演示 VtgD为漏极侧栅极电压

研究人员的目标是实现可以通过电气控制改变晶体管极性的 CMOS 操作。他们的原型还旨在使用大型晶圆和通过 CVD 方法（化学气相沉积方法）合成的石墨烯来创建一种设备。同时，将努力实现更高品质的石墨烯，以提高室温下电流的开/关比和载流子迁移率。