Friday, January 29, 2010

IBMがグラフェンのバンドギャップを切り開いた

EEtimes:IBM opens bandgap for graphene
written by R. Colin Johnson

オレゴン州ポートランド
IBM研究所は,カーボンベースのグラフェン電界効果トランジスタ(FET)のバンドギャップ(電子が存在できない領域)を解放したと発表した.
これでこの技術の商業化の壁となっていた最後の障壁を取り除いた.
IBMによれば,2重ゲートの2層構造を利用することで,
グラフェンFETはいつの日か,現在一般的な酸化金属半導体のライバルとなり得る.

PORTLAND, Ore. — IBM Research says it has opened a bandgap for carbon-based graphene field-effect transistors (FETs), removing one of the last roadblocks to commercialization of the technology. By utilizing a dual-gate, bi-layer architecture, IBM said it demonstrated a graphene FET that could someday rival complementary metal oxide semiconductor.

「グラフェンは元々はバンドギャップを持っていません.電子機能の為に必要なのです」
と言うのは,IBMフェローのPhaedon Avourisだ.
彼はIBMで炭素系物質を取り仕切っている.
「しかしついに,最高130meVまで調節可能な2層グラフェンFETの電子バンドギャップを見つけました.
さらに大きいバンドギャップも可能です」

"Graphene doesn't naturally have a bandgap, which is necessary for most electronic applications," said IBM Fellow Phaedon Avouris, who oversees the company's carbon-based materials efforts. "But now we can report tunable electrical bandgaps of up to 130meV for our bi-layer graphene FETs. And larger bandgaps are certainly feasible."

Avourisによると,
この発見は将来グラフェンが電子機器とに使われる可能性を導き出し,
さらに光学電子デバイス-例えば光検出器や画像処理などにも利用できる.

According to Avouris, this opens the possibility of future applications for graphene in digital electronics and in optoelectronics devices such as photodetectors, imaging and others.

グラフェンはシリコンよりキャリア移動度が高いが,バンドギャップによる損失がある.
これによりグラフェントランジスタのon-off比率を10以下(シリコンは数百)というお粗末な結果となっていた.
しかしIBMのグラフェンプロトタイプで使われている2重ゲートと2層構造のおかげで,
室内温度でon-off比率は約100,冷却すると2000に達しているとのこと.

Graphene has higher carrier mobility than silicon, but has been hampered by the lack of a band gap, which has kept the on-off ratio of graphene transistors dismally low—usually less than 10 compared to hundreds for silicon. But thanks to the dual-gate, bi-layer architecture of IBM's current graphene FET prototype, the company said it was able to attain an on-off current ratio of around 100 at room temperature and 2,000 when the device was cooled.

この進歩の鍵となったのは,high-kゲート誘電体をグラフェントランジスタチャネルとポリマーで絶縁したことによる.
IBMは以前,グラフェンFETのノイズレベルを下げるために2層構造を使っていた.
しかしポリマーで絶縁したというのは初めてのことだ.
ポリマーが電子の拡散を減らすことで,on-off比率向上できたのだ.
電子の拡散は一般的に酸化物中の不純物によって引き起こされ,直接グラフェンに行ってしまうのだ.

The key to advancement was insulating the high-k gate dielectric from the graphene transistor channel by a polymer. IBM had previously reported lowering the noise level of graphene FETs using a bi-layer architecture, but this is the first time it reported insulating the graphene channel from its high-k gate dielectric with a polymer. The polymer reportedly reduced electron scattering that is ordinarily caused by charged impurities in oxides that directly contact graphene, thereby boosting the FET's on-off current ratio.

次に,IBMは絶縁層の厚さを最適に薄くする設計を計画している.
高い電気状態を維持し,もっとバンドギャップを解放し,on-off比率をさらに向上させるためだ.

Next, IBM plans to begin optimizing its design by scaling down the thickness of its insulating layers in order to achieve even higher electric fields, to open a wider band gap, and to further improve the on-off current ratios of graphene FETs.

---あとがき---
SOIを発見したのもIBMなんです.

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