И.И. Абрамов1, Н.В. Коломейцева2, В.А. Лабунов3, И.А. Романова4, И.Ю. Щербакова5

1–5 Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (г. Минск, Республика Беларусь)
 

Постановка проблемы. Впервые полевой графеновый транзистор (ПГТ) был предложен в 2007 г. Тогда в качестве канала транзистора использовался однослойный графен, в дальнейшем с этой же целью – двухслойный графен. Графен демонстрирует уникальные электронные свойства, которые позволяют надеяться на улучшение ряда характеристик приборов. Многие исследования направлены на реализацию ПГТ в промышленности. Для теоретического исследования и дальнейшего внедрения в практику ПГТ необходима разработка их моделей. Пока не существует модели, обладающей достаточной степенью универсальности, чтобы описать физические процессы, протекающие в приборе, с наибольшей точностью, и при этом отличающейся простотой в использовании. Разработка адекватных моделей приборных структур на основе графена характеризуется высокой степенью сложности.

Цель. Представить обзор исследований по моделированию приборных структур на основе 2D-материалов, проведенных в БГУИР.

Результаты. Дан обзор исследований по моделированию приборных структур наноэлектроники на основе 2D-материалов, проведенных в БГУИР. Результаты получены с использованием разработанных численных комбинированных моделей формализма волновых функций. Приведены новые примеры, иллюстрирующие возможности предложенных моделей. Данный обзор является продолжением и дополнением других обзоров авторов, опубликованных ранее [1–3], посвященных моделированию резонансно-туннельных приборных структур на основе углеродных наноматериалов и графена, а также полевых транзисторов (ПТ) на основе однослойного графена.

Практическая значимость. Исследование эффекта резонансного туннелирования для разработки современных электронных устройств играет заметную роль для применения в нанотехнологиях.

Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.А., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Моделирование приборных структур наноэлектроники на основе 2D-материалов // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2023. Т. 15. № 1. С. 54–68. DOI: https://doi.org/10.18127/ j22250980-202301-05

1. Абрамов И. И., Коломейцева Н. В., Лабунов В. А., Романова И. А. Моделирование резонансно-туннельных приборных структур на основе углеродных наноматериалов // Нанотехнологии, разработка, применение – XXI век. 2017. T. 9. № 3.
   C. 3–11.
2. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.А., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Моделирование полевых графеновых транзисторов с одним и двумя затворами в различных режимах функционирования // Нанотехнологии, разработка, применение – XXI век. 2018. № 3. C. 16–24.
3. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.А., Романова И.А. Моделирование резонансно-туннельных приборных структур на основе углеродных наноматериалов // Нанотехнологии, разработка, применение – XXI век. 2022. Т. 14. № 2. C. 61–68.
4. Lemme M.C., Echtermeyer T.J., Baus M., Kurz H. A graphene field-effect device. IEEE Electron Device Letters. 2007. V. 28. № 4. P. 282–284.
5. Tian J. Theory modeling and implementation of graphene field-effect transistor. Ph.D. dissertation, School of Electronic Engineering and Computer Science, Queen Mary University of London, London, United Kingdom. 2017. 52 p.
6. He Z., Yu C., Liu Q., Song X., Gao X., Guo J., Zhou C., Cai S., Feng Z. High temperature RF performances of epitaxial bilayer graphene field-effect transistors on SiC substrate. Carbon. 2020. V. 164. № 30. P. 435–441.
7. Pandey H., Aguirre-Morales J.-D., Kataria S., Fregonese S., Passi V., Iannazzo M., Zimmer T., Alarcon E., Lemme M. C. Enhanced intrinsic voltage gain in artificially stacked bilayer CVD graphene field effect transistors. Ann. Phys. (Berlin). 2017. V. 529. № 11. P. 1700106-1–9.
8. Cheli M., Fiori G., Iannaccone G. A semiclassical model of bilayer graphene field-effect transistor. IEEE Trans. on elect. Dev. 2009. V. 56. № 12. P. 2927–2986.
9. Ryzhii V., Ryzhii M., Satou A., Otsuji T., Kirova N. Device model for graphene bilayer field-effect transistor. J. Appl. Phys. 2009.
   V. 105. P. 104510-1–9.
10. Aguirre-Morales D. Characterization and modeling of graphene-based transistors towards high frequency circuit applications. Thesis. University of Bordeaux. 2016. Chapter 2. Bilayer GFET compact model. P. 77–100.
11. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.А., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Влияние диэлектриков затворов полевых графеновых транзисторов на вольт-амперные характеристики // Микроэлектроника. 2021. Т. 50. № 2. C. 127–134.
12. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.А., Романова И.А. Моделирование полевых графеновых транзисторов с одним и двумя затворами // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 12. P. 714–721.
13. Zhu W., Perebeinos V., Freitag M., Avouris P. Carrier scattering, mobilities and electrostatic potential in mono-, bi- and tri-layer graphenes. Phys. Rev. B. 2009. V. 80. P. 35402.
14. High-Frequency GaN Electronic Devices / Edited by P. Fay, D. Jena, P. Maki. Springer. 2019. 309 p.
15. Singh M.M., Siddiqui M.J., Saxena A. Comparative simulation of GaAs and GaN based double barriers-resonant tunneling diode. Procedia Computer Science. 2016. V. 85. P. 581–587.
16. Abramov I.I., Labunov V.A., Kolomejtseva N.V., Romanova I.A., Shcherbakova I.Y. Simulation of graphene field-effect transistors and resonant tunneling diodes based on carbon nanomaterials. Proc. SPIE. 2019. V. 11022. P. 110220F-1–11.
17. Abramov I.I., Labunov V.A., Kalameitsava N.V., Romanova I.A., Shcherbakova I.Yu. Qantum drift-diffusion models for dual-gate field-effect transistors based on mono- and bilayer graphene. Proc. of SPIE. 2022. V. 12157. P. 121570X-1–6.
18. Абрамов И.И. Основы моделирования элементов микро- и наноэлектроники. Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2016. 444 c.
19. Абрамов И.И. Лекции по моделированию элементов интегральных схем. М. – Ижевск: НИЦ РХД. 2005. 152 с.
20. Абрамов И.И. Лекции по моделированию элементов интегральных схем микроэлектроники. Учеб. пособие. Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2012. 116 c.
21. Zhang Y., Tang T.-T., Girit C., Hao Z., Martin M. C., Zettl A., Crommie M.F., Shen Y. R., Wang F. Direct observation of a widely tunable bandgap in bilayer graphene. Nature. 2009. V. 459. № 7248. P. 820–823.
22. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.A., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Метод расчета квантовой емкости в модели полевых транзисторов на двухслойном графене // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: КрыМиКо2022. Вып. 4: Сб. науч. тр. 32-й Междунар. науч.-техн. конф., Севастополь, 11–17 сентября 2022 / Севастопольский гос. университет. С. 175–176.
23. Абрамов И.И. Проблемы и принципы физики и моделирования приборных структур микро- и наноэлектроники. Часть I. Основные положения // Нано-и микросистемная техника. 2006. № 8. С. 34–37.
24. Абрамов И.И., Гончаренко И.А. Численная комбинированная модель резонансно-туннельного диода // Электромагнитные волны и электронные системы. 2002. Т. 7. № 3. C. 54–60.
25. Абрамов И.И., Гончаренко И.А., Коломейцева Н.В. Комбинированная модель резонансно-туннельного диода // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39. № 6. С. 1138–1145.
26. Абрамов И.И., Гончаренко И.А., Коломейцева Н.В. Комбинированная двухзонная модель резонансно-туннельного диода // Физика и техника полупроводников. 2007. Т. 41. № 11. С. 1395–1400.
27. Szafranek B.N., Fiori G., Schall D., Neumaier D., Kurz H. Current saturation and voltage gain in bilayer graphene field effect transisrors. Nano Lett. 2012. V. 12. № 3. P. 1324–1328.
28. Xia F., Farmer D. B., Lin Y.-M., Avouris P. Graphene field-effect transistors with high on/off current ratio and large transport band gap at room temperature. NanoLett. 2010. V. 10. P. 715–718.
29. Kanayama K., Nagashio K. Gap state analysis in electric-field-induced band gap for bilayer grapheme. Scientific reports. 2015. V. 5. P.15789-1–9.
30. Pandey H., Kataria S., Passi V., Iannazzo M., Alarcon E., Lemme M.C. Improved voltage gain in mechanically stacked bilayer graphene field effect transistors. Eurosoi-ULIS. 2016. P. 143–146.
31. Feijoo P.C., Pasadas F., Bonmann M., Otto M., Newmaier D., Stake J., Jimenez D. Does carrier velocity saturation help to enhance fmax in graphene field-effect transistors? Nanoscale Adv. 2020. V. 2. P. 4179–4186.
32. Abramov I.I., Labunov V.A., Kalameitsava N.V., Romanova I.A., Shcherbakova I.Yu. Simulation of various nanoelectronic devices based on 2D materials. Proc. of SPIE. 2022. V. 12157. P. 121570U-1–9.
33. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.А., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Численное моделирование трехбарьерных резонансно-туннельных диодов на основе графена // Ural Radio Engineering Journal. 2019. Т. 3. № 4. C. 343–355.
34. Абрамов И.И., Лабунов В.А., Коломейцева Н.В., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Теоретическое исследование полевых транзисторов и резонансно-туннельных диодов на основе графена // Материалы VIII Междунар. науч. конф. «Материалы и структуры современной электроники», Минск, 10–12 октября 2018. С. 219–222.
35. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.А., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Численное моделирование трехбарьерных резонансно-туннельных диодов на основе графена // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: КрыМиКо2019. Вып. 1: Сб. науч. тр. 29-й Междунар. науч.-техн. конф., Севастополь, 8–14 сентября 2019. Севастополь: Севастопольский гос. ун-т. С. 328.
36. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.А., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Численное моделирование резонансно-туннельных диодов на основе двумерных материалов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: КрыМиКо2020. Вып. 2: Сб. науч. тр. 30-й Междунар. науч.-техн. конф., Севастополь, 6–12 сентября 2020. Севастополь: Севастопольский гос. ун-т. С. 281.
37. Абрамов И.И., Лабунов В.А., Коломейцева Н.В., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Моделирование приборных структур на графене с применением системы NANODEV // Материалы и структуры современной электроники: материалы IX Междунар. науч. конф., Минск, Беларусь, 14–16 октября, 2020. С. 256–260.
38. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.A., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Численная модель гетероструктур с вертикальным транспортом на основе двумерных материалов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: КрыМиКо2021. Вып. 3: Сб. науч. тр. 31-й Междунар. науч.-техн. конф., Севастополь, 5–11 сентября 2021. Севастополь: Севастопольский гос. ун-т. С. 263.
39. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.A., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Моделирование резонансно-туннельных диодов на основе GaN/AlGaN c вертикальным транспортом // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: КрыМиКо2021. Вып. 3: Сб. науч. тр. 31-й Междунар. науч.-техн. конф., Севастополь, 5–11 сентября 2021. Севастополь: Севастопольский гос. ун-т, С. 264.
40. Larentis S., Tolsma J. R., Fallahazad B., Dillen D. C., Kim K., MacDonald A. H., Tutuc E. Band offset and negative compressibility in Graphene-MoS2 heterostructures. Nanoletters. 2014. V. 14. P. 2039–2045.
41. Laturia A., Van de Put M. L., Vandenberghe W. G. Deilectric properties of hexagonal boron nitride and transition metal dichalcogenides: from monolayer to bulk. Nature. 2D Materials and Applications. 2018. V. 4. № 28. P. 1–6.
42. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.A., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Моделирование вертикальных гетероструктур на основе 2D материалов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: КрыМиКо2022. Вып. 4: Сб. науч. тр. 32-й Междунар. науч.-техн. конф., Севастополь, 11–17 сентября 2022. Севастополь: Севастопольский гос. ун-т, С. 169.
43. Абрамов И.И., Коломейцева Н.В., Лабунов В.A., Романова И.А., Щербакова И.Ю. Моделирование характеристик РТД на основе GaN/AlGaN c вертикальным транспортом // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: КрыМиКо2022. Вып. 4: Сб. науч. тр. 32-й Междунар. науч.-техн. конф., Севастополь, 11–17 сентября 2022. Севастополь: Севастопольский гос. ун-т. С. 177.
44. Абрамов И.И., Гончаренко И.А., Игнатенко С.А., Королёв А.В., Новик Е.Г., Рогачёв А.И. Система моделирования наноэлектронных приборов – NANODEV // Микроэлектроника. 2003. Т. 32. № 2. С. 124–133.
45. Abramov I.I., Baranoff A.L., Goncharenko I.A., Kolomejtseva N.V., Bely Y.L., Shcherbakova I.Y. A nanoelectronic device simulation software system NANODEV: New opportunities. Proc. of SPIE. 2010. V. 7521. P. 75211E1-1–11.