独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究部主任金丸正武]协同研究机构绿色纳米电子中心（以下简称“GNC”）横山直树，协同研究部主任，中房周，纳米电子研究部特别深入研究专家小川真一，AIST特邀研究员纳米设备中心[中心主任Hiroyuki Akinaga]、国立材料科学研究所[主席Moekatsu Ushioda]（以下简称“NIMS”）国际纳米结构研究中心[中心主任Masakazu Aono]（以下简称“WPI-MANA”）Kazuhito Tsukagoshi等人开发了新的操作原理石墨烯我开发了晶体管。
新开发的晶体管有两个电极和两个顶门放置并用氦离子照射顶栅之间的石墨烯以引入晶体缺陷。通过向两个顶栅施加独立的电压，可以有效地控制电荷移动。 200 K（约 -73°C）时电流大约增加 4 个数量级开关比进一步晶体管极性可以通过电控制和反转，但迄今为止还没有晶体管能够进行这种操作。该技术可用于现有的硅集成电路制造技术，并有望在未来通过降低工作电压来实现超低功耗电子产品。
有关该技术的更多信息，请参阅将于2012年12月10日至12日在美国旧金山举行的International Conference 2012国际电子器件会议(IEDM 2012)。
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| 原型石墨烯晶体管的概念图 |
近年来，人们担心由于移动信息终端的普及和IT设备的功能增加而导致功耗增加，并且对于降低电子信息设备的功耗的社会需求不断增加。为此，大规模集成电路（LSI）中的功耗正在取得快速进展，但传统的晶体管结构据说具有固有的局限性。另一方面，石墨烯的电子迁移率衡量电子移动的难易程度，是硅的100倍以上，也有望解决硅等材料固有的局限性问题。由于这些原因，石墨烯有潜力解决LSI降低功耗的障碍，并且作为后硅时代使用新型功能原子薄膜的超低功率晶体管材料也引起了人们的关注。
但对于石墨烯带隙，因此用作开关晶体管时不能充分阻挡电流。此外，虽然存在形成带隙的技术，但是形成开关操作所需的带隙会降低电子迁移率。因此，需要一种具有新工作原理的石墨烯晶体管，能够以小带隙执行高效的开关操作。
GNC成立于2010年4月，旨在实施内阁府和日本学术振兴会运营的前沿研究与开发支援计划（FIRST）选定的项目。它由五家公司（富士通株式会社、东芝株式会社、日立株式会社、瑞萨电子株式会社和爱发科株式会社）借调的研究人员和日本产业技术研究所的研究人员组成。自2010年起，GNC在筑波创新中心的研究支持框架下，与产业技术研究院纳米电子研究部、产业技术研究院纳米器件中心、国立材料科学研究所WPI-MANA共同开展石墨烯的电子应用研究。
这项研究得到了 FIRST 项目“绿色纳米电子核心技术开发”（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（c）所示。两个顶栅之间的通道部分中的石墨烯交通差距导致氦离子显微镜15离子/厘米2的密度照射来引入晶体缺陷。沟道两侧石墨烯的能带可以通过向顶栅施加电压并静电控制来调制，但石墨烯中承载电流的载流子的极性可以根据顶栅电压的极性而改变。n 类型、p 类型如果沟道两侧的极性不同，则晶体管处于截止状态（图1（b）），如果极性相同，则晶体管处于导通状态（图1（c））。在关断状态下，传统晶体管（图1（d）至（f））通过在沟道的源极或漏极端形成传输间隙的势垒来阻止电荷移动，但如图1（e）所示，这仅产生很小的势垒，导致关断状态下产生较大的漏电流。另一方面，在新开发的晶体管中，如图1（b）所示，传输间隙充当比传统情况（图1（e））更大的势垒，阻止电荷的移动。结果，与传统类型相比，可以获得更好的关断状态。
在该晶体管中，可以使迁移率通常劣化的沟道部分的长度比传统器件中的更短。另外，即使输送间隙较小，也能够有效地实现断开状态，因此与现有装置相比，能够减小输送间隙。这些特性使得晶体管能够以比传统类型更高的速度接通和断开，从而可以降低电路工作电压并实现低功耗LSI。另外，光刻、气相沉积和杂质注入工艺，并且即使在大面积晶圆上也易于制造。
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| 图1新型石墨烯晶体管与传统晶体管的工作原理 |
为了演示这种新工作原理的晶体管操作，在从石墨剥离的单层石墨烯上源极/漏极形成电极和一对顶栅以形成晶体管。在一对顶栅之间照射适量的氦离子以形成沟道（图2中的蓝色虚线），并且通过用大量氦离子照射来绝缘栅外的石墨烯的不需要的部分（图2中的红色虚线）。结果，晶体管沟道的长度为20nm，宽度为30nm。
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| 图2 氦离子显微镜图像及原型装置示意图 |
所制造的晶体管在200 K（约-73℃）的低温下进行开关操作。当源极端子和漏极端子分别施加-100 mV和+100 mV的电压时，漏极侧栅极电压固定为-2 V，源极侧栅极电压在-4 V至+4 V之间变化，测量源极和漏极之间流动的电流，观察到约4位数的开关比（图3）。
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| 图3新型石墨烯晶体管的电流开/关比 |
我们开发的晶体管的导通或截止取决于施加到两个顶栅的电压的极性是否相同或不同。因此，通过固定一个栅极电压并改变其极性，可以根据另一栅极电压来控制晶体管是工作为n型还是p型。这次，分别向源极端子和漏极端子施加-100 mV和+100 mV的电压，漏极侧的栅极电压VtgD时源极-漏极电流的变化相对于源极侧栅极电压的变化。固定为正值(图4(a))。图4(c)是其对数图。当源极侧栅极电压为负时，它截止，当源极侧栅极电压为正时，它导通，作为n型晶体管工作。另一方面，无花果。图4(e)和4(f)示出当漏极侧栅极电压固定为负时电流相对于源极侧栅极电压的变化的变化(图4(d))。在这种情况下，当源侧栅极电压为负时，其处于导通状态，而当源侧栅极电压为正时，其处于截止状态，并且作为p型晶体管进行操作。换句话说，证明了单个晶体管作为通过电控制反转极性的晶体管来工作。
常规硅器件晶体管极性为半导体杂质掺杂离子的类型决定的，因此在电路形成后就无法改变。然而，利用新开发的晶体管，可以电控制晶体管的极性，这可能导致创建电路配置本身可以电改变的集成电路。
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图 4 晶体管工作极性反转的演示
这里VtgD是漏极侧栅极电压 |
可以通过电气控制改变晶体管极性CMOS旨在实现运动。此外，CVD法（化学气相沉积法）合成的石墨烯，使用大面积晶圆来制作器件原型。同时，我们将提高石墨烯的质量，以提高室温下电流的通断比和电荷的迁移率。