一、前言
本文后面根据 All about Circuits 中的一篇文章，介绍有关石墨烯场效应晶体管 （GFET）的构造、优势以及现在遇到的挑战。
随着硅晶体管的尺寸和性能接近其物理极限，需要寻找替代材料来支持更多的新兴技术， 其中一个具有希望的材料石墨烯。由于其出色的电气、机械和热性能，使得它最有可能成为场效应晶体沟道材料。
▲ 图1.1 石墨烯场效应管基本 GFET 是一种三端器件，在某些方面类似于传统 FET。它由源极、漏极和顶栅或背栅组成。与硅基晶体管不同，GFET 在源极和漏极金属电极之间存在一个薄的石墨烯通道，厚度通常为几十微米。
▲ 图2.1 石墨烯场效应管结构图片来自于 BGT Materials栅极控制石墨烯通道中的电子和空穴的产生与分布，从而控制通道的行为。
石墨烯材料有着一些显着特性，使其制作的 GFET 适用于电子、通信、化学、生物、能源和其他行业的应用。
石墨烯是一种二维单碳原子层材料，碳原子以二维蜂窝或六方晶格形式组成晶体结构。
▲ 图3.1 石墨烯材料结构石墨烯材料的一些优越性能包括：
高导电性：石墨烯理论上可以100%的效率传输电能。石墨烯在室温下电阻率非常低，超过硅硅本征迁移率的 100 倍。它在某些条件下表现出超导性（例如，以 1.1 度的角度扭曲双层石墨烯或将其冷却至绝对零以上 1.7°C）。
高导热性：石墨烯是一种各向同性导体，可以向各个方向散热，导热性优于其他材料，包括金刚石、碳纳米管和石墨。
光学性能好：石墨烯极薄，但仍可见，可吸收约2.3%的白光。（这对于 2D 材料来说是相当多的）。将这种能力与卓越的电性能相结合，使石墨烯成为适合制造高效太阳能电池的材料。
化学性能优异：石墨烯是一种惰性材料，不易与其他材料发生反应。然而，在某些条件下，它可以通过吸收一些其它分子和原子来改变其性质， 这使其适用于化学和生物传感器等应用。
▲ 图3.2 石墨烯半导体硅片GFET 有三种主要的栅极配置。典型的晶体管可以具有顶栅、全局背栅或两者结合，如下图所示。
▲ 图4.1 石墨烯三种栅极配置形式与传统的硅 FET 一样，GFET 中的栅极控制电子或空穴在其通道中的流动。由于晶体管沟道只有一个原子厚，所有电流都在其表面流动，因此石墨烯 FET 具有非常高的灵敏度。
普通的硅器件使用电子或空穴两者之一形成电流流动。然而，GFET 却可以使用两者（电子，空穴）形成电流， 所以GFET 器件具有双极性特征，在负偏压下通道采用空穴载流子传导，在正偏压下通道采用电子载流子传导。
两条传导曲线在狄拉克点或电荷中性点相交，理论上应该为零电压。在实践中，实际的狄拉克点可能会根据掺杂、石墨烯表面的杂质水平、周围大气和其他条件而发生变化。例如，一些 p 型掺杂石墨烯 FET 器件的典型值为 10-40V。
▲ 图4.3 底部栅极GFET对应的传输特性以及狄拉克点虽然背栅GFET最常见，但同时使用顶栅和背栅的四端GFET可以适合某些特殊应用。双栅极 GFET 可以用两个不同的电压对通道进行偏置。
▲ 图4.4 双栅极GFET结构在典型应用中，双栅极 FET 使用两个栅极偏置来控制通道的电荷浓度。
石墨烯优异的导电性和导热性使其工作时的电能损耗更低、散热性能更好 所以基于石墨烯的晶体管有可能获得更大的功率器件。
一个原子厚的结构意味着整个通道都在表面上。因此，在传感器应用中，通道直接暴露于被测材料或环境， 提高了器件的敏感度。生物和化学中具有广泛的应用。比如它可以检测在其石墨烯通道表面上的单个分子。
使用薄的顶栅绝缘体材料可以改善 GFET 参数，例如开路增益、正向传输系数和截止频率。这使得 GFET 适合应用在高频信号处理方面。从理论上讲，GFET的开关频率可以接近太赫兹范围， 这比硅基 FET 可以达到的速度快几倍。
传统半导体材料的晶格结构存在一些局限性，高频下功耗增加， 而石墨烯的六方晶格结构缺陷少、电子迁移高率等因素提高了在太赫兹频率下的性能。
▲ 图5.1 石墨烯特性检测石墨烯 FET 是硅基晶体管的潜在替代品， 但要形成商业应用还需要克服一下三个方面的困难：
尽管 GFET 是一种快速高效的晶体管，但它没有带隙， 它的价带和导带在零偏压下相遇，此时石墨烯表现得像金属。
硅等半导体材料两个能带被一个间隙隔开，在正常条件下表现为绝缘体。电子需要一些额外的能量才能从价带跃迁到导带。在 FET 中，偏置电压使电子从价带跃迁到导带。
不幸的是，因GFET 中没有带隙，因此很难关闭晶体管，因为它不能充当绝缘体。无法将其完全关闭。GFET的开/关电流比约为 5，这对于逻辑操作来说非常低， 这使得GFET无法直接应用在数字开关电路中。在模拟电路中， GFET工作在变阻区时就没有问题了，所以GFET 适用于放大器、混合信号电路和其他模拟应用。
▲ 图6.1 石墨烯的E-k图。其中放大部分显示了狄拉克处的零带隙现在很多针对石墨烯带隙的问题提出相应的解决方案，包括负电阻方法和自下而上的合成制造技术等技术。
石墨烯晶体管的制造工艺不同于硅器件，需要一种精密、复杂且成本高昂的方法。
GFET 制造过程包括将石墨烯层沉积到硅晶片上，然后在末端添加金属触点。通常使用化学气相沉积来合成石墨烯层。然后通过分层工艺转移合成的石墨烯并将其沉积到目标 SiO2 基板上。
其他步骤包括使用剥离工艺或其他合适的方法构建栅极电介质、栅极接触，以及最后的接触电极。
传统做法通常会在石墨烯通道材料中引入杂质和缺陷。有时，除了改变掺杂水平外，还会导致载流子散射并降低电气性能。具体问题包括狄拉克点位移和低流动性。
▲ 图6.2 石墨烯场效应管在太赫兹高频下的信号调制影响GFET 推广的另一个挑战是电流饱和度不足，这会阻止晶体管在 RF 应用中所能达到最大电压增益和振荡频率。
然而，制造商可以通过优化绝缘顶栅的介电材料来克服这个问题。通常，良好的介电栅极材料可以更好地控制石墨烯沟道中的载流子，从而提高性能。
▲ 图6.3 GFET在放大模拟信号TRANSISTOR CASEIR?O ! realmente ficou PODEROSO TBJ e MOSFET?: https://www.youtube.com/watch?v=fK3v6JZpnGo
