1 TỔNG QUAN
1.3Ứng dụng của graphene trong các ứng dụng điện tử và quang điện tử
quang điện tử
Như đã trình bày trong các phần trước đây, graphene được kỳ vọng nhiều trong các ứng dụng điện tử và quang điện tử. Trong lĩnh vực điện tử, graphene đã được tập trung nghiên cứu sử dụng để làm kênh dẫn trong linh kiện FETs. Để cụ thể hóa cấu trúc linh kiện được nghiên cứu chúng tôi sẽ trình bày trước tiên, trong mục này, một tổng quan ngắn về các vấn đề của FETs, bao gồm cả các khái niệm cơ bản đến các giải pháp phát triển mới mà cộng đồng nghiên cứu quốc tế đang đề xuất.
Hình 1.17 Một cấu trúc transistor hiệu ứng trường thông thường (MOSFET) [34]
Như đã biết, có nhiều dạng linh kiện transistor được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử nhưng linh kiện gọi là MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) đóng một vai trò đặc biệt vì cấu thành lên cái gọi là công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor). Trên Hình 1.17a là một minh họa cho cấu trúc của một linh kiện MOSFET trong đó: kênh dẫn các hạt tải điện là phần vật liệu nằm giữa hai miền điện cực nguồn (Source) và điện cực máng (Drain) được làm từ một chất bán dẫn (Semiconductor), phổ biến là Si; kênh dẫn này được ngăn cách với điện cực cổng (Gate) bằng kim loại (Metal) bởi một lớp điện môi (Insulator), thông thường là các chất dạng Oxít, ví dụ SiO2 … Hoạt động của một MOSFET dựa vào sự kiểm soát độ dẫn điện của kênh dẫn, hay nói cách khác là kiểm soát dòng điện chạy qua kênh dẫn, bởi một điện áp đặt vào giữa điện cực nguồn và điện cực cổng VGS. Với cách thức hoạt động như vậy MOSFET có khả năng thực
- MOSFET hoạt động như một công tắc (Switch) bật-tắt và do đó rất thích hợp trong các ứng dụng kỹ thuật số. Khi dòng qua kênh dẫn cao thì được xem là trạng thái bật (on), và khi dòng qua kênh dẫn thấp thì được xem là trạng thái tắt (off). Cơ chế vật lý để điều khiển dòng qua kênh dẫn là sử dụng điện áp cực cổng để thay đổi mật độ hạt tải điện tự do trong vùng kênh dẫn bên dưới lớp điện môi và ở giữa hai điện cực nguồn và máng. Tỷ số dòng trong trạng thái bật và dòng trong trạng thái tắt thường được gọi là tỷ số bật/tắt (Ion/Ioff ratio) là một chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng
làm việc như một công tắc logic kỹ thuật số. Yêu cầu kỹ thuật về giá trị của tỷ số này là càng lớn càng tốt, thông thường là lớn hơn 103 [34].
- MOSFET cũng có thể hoạt động như một thiết bị khuếch đại tín hiệu. Tín hiệu điện áp đầu vào được cung cấp cho điện cực cổng để điều biến dòng điện chạy qua kênh dẫn. Dòng điện qua kênh dẫn sau đó được chuyển đổi lại thành tín hiệu điện áp đầu ra (đã được khuếch đại) thông qua một điện trở phụ. Có hai thuộc tính quan trọng của MOSFET cần quan tâm để dùng trong các ứng dụng tương tự và tần số tương tự là: i) hệ số khuếch đại điện áp nội tại (intrinsic voltage gain) và ii) tần số ngưỡng (threshold frequency). Hệ số khuếch đại điện áp nội tại của bộ khuếch đại tỷ lệ với độ hỗ dẫn (Transconductance) của MOSFET, gm = dIDS/dVGS. Để có điện áp khuếch
đại đầu ra lớn cần có hệ số khuếch đại nội tại lớn, nghĩa là độ hỗ dẫn phải lớn, và do đó kênh dẫn của MOSFET cần được làm từ một vật liệu có độ linh động cao hoặc làm sao cho transistor hoạt động ở chế độ bão hòa sâu, nghĩa là dòng IDS là không
nhạy với sự thay đổi của điện áp VDS hay là RDS . Tần số ngưỡng là giá trị tần số được xác định tại trạng thái khuếch đại dòng điện là bằng một. Một cách khá thô giá trị của tần số ngưỡng được xác định là tỷ lệ thuận với độ hỗ dẫn gm và tỉ lệ nghịch
với điện dung điện cực cổng.
a) b) c)
Hình 1.18 Một số mô hình linh kiện graphene đầu tiên [34]
Công nghệ thu hẹp kích thước linh kiện MOSFET đã và đang phải đối mặt với những giới hạn chủ yếu do sự suy thoái mạnh mẽ của độ linh động của hạt tải và nhiều thứ khác, được gọi chung là hiệu ứng kênh ngắn. Sự ra đời của graphene với giá trị độ linh động của hạt tải rất lớn, có thể lên tới 2.105cm2/ V·s, đã mang lại nhiều cảm hứng nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Graphene với cấu trúc phẳng được xem là một lợi thế mạnh trong việc sử dụng các công nghệ hiện tại để xử lý chế tạo linh kiện. Hiện nay một số nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công một số nguyên mẫu transistor hiệu ứng trường với kênh dẫn làm bằng graphene (GFETs). Linh kiện GFETs đầu tiên có thể xem là mẫu đo độ dẫn của màng graphene được nhóm Geim tại đại học Manchester vào năm 2004 [34]. Các mẫu linh kiện này đơn giản chỉ bao gồm một lớp graphene được dán (transfer) trên một lớp SiO2 dày 300 nm đóng vai trò như là một chất điện môi ngăn cách với điện cực đế là một chất nền Si được pha tạp mạnh (Hình 1.18a). Tuy nhiên, cấu trúc linh kiện này thường có điện dung ký sinh rất lớn nên không thể được xem là một thiết kế linh kiện thích hợp [34]. Để điều khiển hiệu quả dòng điện chạy trong kênh dẫn graphene cần phải
thiết kế một điện cực cổng thích hợp. Cấu trúc GFETs đầu tiên với một điện cực cổng, tương tự như cấu trúc MOSFET truyền thống (xem Hình 1.18b) đã được công bố trong năm 2007 [86], một cột mốc quan trọng đánh dấu cho các nỗ lực phát triển các nghiên cứu về GFETs. Trong những phát triển tiếp theo, người ta về cơ bản tập trung vào hai khía cạnh: i) tìm nhiều phương pháp (bóc tách [12, 29, 34, 69, 136], nuôi mọc trên các bề mặt kim loại [28, 55, 81, 86, 147]) để tạo ra các màng graphene với kích thước lớn và chất lượng tốt, và ii) thử sử dụng các loại oxide khác nhau như SiO2, Al2O3, và HfO2 để làm chất điện môi ngăn cách kênh dẫn grapheme với cực cổng.
Khác với cấu trúc MOSFET thông thường, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các transistor dùng graphene làm kênh dẫn có các đặc trưng truyền dẫn volt-ampe khá độc đáo, xem Hình 1.19. Theo đó, đặc trưng volt-ampe có dạng hình chữ V như trên Hình 1.19a chỉ rõ sự đóng góp gần như ngang bằng của cả hai loại hạt tải là điện tử và lỗ trống cho sự hình thành dòng điện trong kênh dẫn. Mật độ các loại hạt tải được điều khiển bởi điện áp chênh lệch giữa kênh dẫn và các điện cực cổng trên (top-gate) và điện cực cổng dưới (back-gate). Giá trị chênh điện áp của các cực cổng mang giá trị càng dương sẽ càng thúc đẩy sự tích lũy điện tử trong kênh dẫn (loại kênh dẫn n), và ngược lại chênh điện áp của các cực cổng mang giá trị càng âm sẽ dẫn đến kênh dẫn loại p. Như chỉ ra trên Hình 1.19a sự phân biệt hai nhánh của đường cong I-V, do đóng góp nổi trội của các hạt tải điện tử (phải) và lỗ trống (trái), được đánh dấu qua điểm cực tiểu của đường cong. Vị trí của điểm cực tiểu được xác định là phụ thuộc vào nhiều yếu tố như sự chênh lệch giữa các công thoát điện tử của các cực cổng và graphene, mật độ điện tích tại bề mặt tiếp xúc ở phía trên và phía dưới của kênh dẫn và sự pha tạp của graphene. Với giá trị dòng cực tiểu khá cao dẫn đến nhận xét rằng linh kiện không có khả năng khóa dòng đi qua kênh dẫn. Đây chính là một nhược điểm của linh kiện GFETs với thiết kế tương tự cấu trúc MOSFET truyền thống. Chính vì thế cấu trúc GFETs trở nên rất không thích hợp cho các ứng dụng linh kiện kỹ thuật số khi mà giá trị của tỷ số bật-tắt được đòi hỏi khá cao (lớn hơn 103). Tỷ số bật-tắt được công bố cho các linh kiện GFETs nói trên nằm trong khoảng 2-20 [34].
Hình 1.19 Đặc trưng truyền dẫn của MOSFET điển hình dùng graphene kích thước lớn [34]. MOSFET 1 ứng với trường hợp sử dụng graphene từ phương pháp bóc tách hay mọc trên kim loại,
MOSFET 2 ứng với trường hợp sử dụng graphene từ phương pháp epitaxy
Nguyên nhân vật lý dẫn đến tỷ số bật-tắt thấp của các linh kiện GFETs là do cấu trúc trạng thái của điện tử bên trong màng graphene được đặc trưng bởi một mối quan hệ tán sắc tuyến tính xảy ra trong miền năng lượng chứa mức Fermi với điểm Dirac gắn kết dải hóa trị và dải dẫn (chứ không phải là sự tách biệt giữa hai dải này bằng một vùng cấm khác không). Vì không tồn tại một độ rộng vùng cấm đối với các tấm graphene rộng dẫn đến sự chuyển đổi liên tục giữa đóng góp của hai loại hạt tải khi thay đổi giá trị điện áp cực cổng. Hệ quả là tồn tại một độ dẫn điện cực tiểu trong kênh dẫn graphene, và do đó làm cho tỷ số
bật/tắt rất thấp không thể sử dụng được cho các linh kiện CMOS trong ứng dụng kỹ thuật số. Mặc dù vậy việc sử dụng graphene trong các cấu trúc FET như trên vẫn không dẫn đến loại trừ cho những thiết bị ứng dụng tần số vô tuyến tương tự khi mà chúng không bị đòi hỏi khả năng đóng-ngắt dòng điện. Bên cạnh bản chất 2D là một ưu thế tốt trong chế tạo linh kiện, tính chất vận chuyển điện tử đặc biệt của graphene như độ linh động cao trên 200.000 cm2/V·s [70] vẫn làm cho graphene trở nên vô cùng hấp dẫn và được quan tâm đặc biệt cho các ứng dụng chế tạo các linh kiện điện tử tốc độ cao hay còn gọi là điện tử tần số vô tuyến (Radio Frequency - RF) được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực điện tử quốc phòng.
Một đặc điểm khác dễ nhận thấy đối với đặc trưng của cấu trúc GFETs là đặc tuyến volt-ampe IDSVDS có dạng gần như tuyến tính đối với các VGS lớn và có dạng uốn cong
đối với VGS nhỏ (xem Hình 1.19b và Hình 1.20). Sự hình thành dạng uốn cong đã được nhóm Meric [55] và nhóm Thiele [116] giải thích trên cơ sở các khảo sát thực nghiệm là do sự chuyển trạng thái từ kênh dẫn loại p sang loại n. Sự uốn cong của đường đặc trưng I-V
như vậy không phải là dấu hiệu của sự bão hòa hoặc chỉ tồn tại sự bão hòa yếu của dòng điện như thường quan sát thấy đối với các cấu trúc MOSFET truyền thống. Các nghiên cứu lý thuyết chỉ ra rằng thực chất dấu hiệu uốn cong của đường đặc trưng I-V có biểu hiện của hiện tượng trở vi phân âm do sự chuyển đổi loại hạt tải [126]. Tuy nhiên, biểu hiện trở vi phân âm không được thể hiện rõ ràng như đối với cấu trúc diode chui ngầm cộng hưởng [122] là do sự nổi trội của hiệu ứng chui ngầm Klein qua một rào thế trong kênh dẫn graphene được hình thành do giá trị của điện áp cực cổng. Vấn đề dòng máng không có đặc trưng bão hòa nói chung cũng lại là một hạn chế lớn về hiệu suất làm việc của các transistor sử dụng graphene. Mặc dù vậy người ta vẫn cho rằng trên nhiều phương diện các linh kiện GFETs vẫn hoạt động tốt hơn đáng kể so với các MOSFETs dựa trên chất bán dẫn Si và hoàn toàn có thể tạo ra một sự cạnh tranh trong tương lai [34, 149].
Hình 1.20 Đặc tuyến Von-Ampe của MOSFET graphene [116]. (a): MOSFET 1 sử dụng graphene từ phương pháp bóc tách, (c): MOSFET 2 sử dụng graphene từ phương pháp epytaxy
Từ 2009, các GFETs với khả năng làm việc với tần số ngưỡng đạt cấp độ GHz đã được công bố. Các transistor này có các kênh dẫn làm từ graphene kích thước lớn thu nhận từ phương pháp bóc tách [28, 55, 147] và epitaxy [64, 149]. Đầu năm 2010, một mẫu GFETs được coi là có tốc độ làm việc nhanh nhất với một điện cực cổng có chiều dài 240 nm đã được ghi nhận với tần số ngưỡng đạt fT=100 GHz [149], cao hơn rất nhiều lần so với các MOSFET silicon nhanh nhất hiện nay với độ dài cực cổng tương tự (MOSFET silicon với
T
f =53 GHz có cực cổng dài 550 nm). Tuy nhiên kỷ lục này không giữ được lâu vì chỉ đến cuối năm 2010 một công bố mới về một cấu trúc GFETs với chiều dài kênh dẫn 140 nm được chế tạo với một tần số ngưỡng đạt 300 GHz đã lại được ghi nhận [80].
Hình 1.21 Mô hình linh kiện GFETs trong nghiên cứu mô phỏng của nhóm J. Chauhan [68]
Việc thu hẹp chiều dài kênh dẫn cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy hiệu năng hoạt động RF của một transistor hiệu ứng trường (FET). Đối với các linh kiện GFETs cũng vậy, rất nhiều nghiên cứu theo đuổi việc thu hẹp chiều dài kênh dẫn graphene đã được thực hiện trong thời gian qua. Thực nghiệm gần đây đã chứng tỏ các GFETs với giá trị tần số ngưỡng nội tại trong khoảng vài trăm GHz là hoàn toàn khả thi với kênh dẫn khoảng 100nm [82, 151]. Tuy nhiên, vấn đề về việc nâng cao tần số ngưỡng bằng việc tiếp tục giảm chiều dài của kênh dẫn vẫn chưa thực sự rõ ràng. Trong nghiên cứu mô phỏng của nhóm Jyotsna Chauhan [68] họ đã khảo sát các giới hạn hoạt động RF và chiều dài kênh dẫn có thể thu hẹp của các GFETs với chiều dài kênh dẫn giảm xuống tới 20nm sử dụng mô phỏng truyền dẫn lượng tử đạn đạo (ballistic). Với việc sử dụng mô phỏng lượng tử dựa trên phương pháp hàm Green không cân bằng (NEGF) đã cho phép mô tả một cách tự nhiên cơ chế chui ngầm vùng-vùng, trong trường hợp graphene gọi là chui ngầm Klein, và đã cho thấy rằng thành phần dòng chui ngầm chiếm một phần đáng kể trong dòng tổng cộng trong GFETs ở một chiều dài kênh dẫn ngắn dưới 100nm. Mặc dù cơ chế chui ngầm vùng-vùng Klein là quan trọng nhưng khi chiều dài kênh dẫn được thu nhỏ xuống 20nm cũng không làm gia tăng đáng kể đóng góp cho giá trị dòng toàn phần. Khi khảo sát sự thay đổi giá trị của hệ số bật-tắt theo chiều dầy của lớp oxít họ nhận thấy có sự cải thiện đáng kể thậm chí ngay cả khi chiều dài kênh dẫn là 20nm. Tần số ngưỡng nội tại của GFETs có kênh dẫn 20nm được xác định vượt lên ngưỡng THz ngay cả với một sự chọn xung tồi hơn đối với các giá trị bề dày điện môi cực cổng khác nhau. Người ta cho rằng giá trị của tần số ngưỡng nội tại có thể sẽ còn được tăng lên nữa nếu một lớp điện môi cực cổng mỏng được sử dụng. Lớp điện môi cực cổng mỏng nói chung là cần thiết để nâng cao giá trị của độ hỗ dẫn và giảm thiểu độ suy thoái của tần số ngưỡng khi có mặt của điện dung ký sinh. Kết quả khảo sát miền giá trị của tần số cao của GFETs trong phạm vi chiều dài kênh dẫn dưới 100nm có thể cung cấp chỉ dẫn thiết kế thích hợp để khai thác được tối đa tiềm năng của graphene trong lĩnh vực thiết bị RF tốc độ siêu cao và mạch cao tần. Cấu trúc GFETs mà nhóm Jyotsna Chauhan mô phỏng có dạng như Hình 1.21. Linh kiện mô phỏng danh nghĩa này có độ dày điện môi cực cổng tins 16.4nm và hằng số điện môi của
ins 9
, là kết quả với một điện dung của lớp điện môi cực cổng 2 ins 486
C nF cm [82]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong quá trình khám phá sử dụng graphene cho các linh kiện điện tử đòi hỏi phải tích hợp hiệu quả chất điện môi phân cách kênh dẫn và điện cực cổng để nâng cao khả năng điều khiển nồng độ hạt tải trong kênh dẫn. Việc lắng đọng các chất điện môi vào graphene là thách thức kỹ thuật rất lớn do những khó khăn trong việc hình thành các hạt nhân oxit chất lượng cao kết tinh trên graphene nguyên chất mà không tạo ra các khuyết tật trong lớp mạng tinh thể carbon đơn lớp. Để khắc phục điều này, nhóm Lei Liao [82] đã phát triển một phương pháp mới tích hợp chất điện môi chất lượng cao có hằng số điện môi (kappa -
) cao với graphene. Công trình này thực hiện bằng cách đầu tiên tổng hợp các cấu trúc nano oxit có hằng số điện môi lớn ở bên ngoài trước và sau đó chuyển chúng vào graphene ở nhiệt độ phòng. Phương pháp này dường như mở ra một cách tiếp cận mới để tích hợp graphene-điện môi mà không đưa vào các khuyết tật đáng kể và do đó đã cho phép giữ