Ученые из МФТИ обнаружили, что протекание тока в приборах на двухслойном графене происходит благодаря квантовому эффекту межзонного туннелирования. Открытие может стать основой для создания электронных приборов нового типа — энергоэффективных переключателей, химических и биологических сенсоров, а также детекторов излучения. Результаты исследования опубликованы в ведущем научном журнале Nano Letters.
Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. © Сафрон Голиков/Цифровой океан
Базовым блоком всей современной полупроводниковой электроники является p-n-переход. С точки зрения химической технологии, это контакт двух областей в полупроводнике с примесями разной валентности, подобный границе раздела белого и темного шоколада в торте. С точки зрения механики носителей тока (электронов) p-n-переход является ступенькой. Говоря более строго — энергетическим барьером. Этот барьер обусловлен, однако, не преодолением силы тяжести, а преодолением противодействия со стороны внутреннего электрического поля в p-n-переходе. «Химическое» и «механическое» представления глубоко связаны друг с другом, и оказывается, что разная валентность примесей по двум сторонам полупроводника обязана создавать энергетический барьер.
Наличие ступенчатого барьера для электронов в p-n-переходе определяет его главную функцию в электронике: этот переход является «односторонним проводником», ток в нем может течь лишь при одной полярности поданного напряжения. Напряжение открывающей полярности снижает высоту ступеньки для электронов, и они могут легко перепрыгнуть через нее благодаря случайному тепловому движению. В середине ХХ века стало ясно, что комбинирование двух p-n-переходов позволяет создать транзистор, базовый элемент для обработки логических нулей и единиц в цифровых схемах, а комбинация нескольких транзисторов позволяет реализовать всю двоичную логику на чипе.
Для некоторых электронных приложений обычных p-n-переходов оказалось недостаточно. Уже в 60-е годы XX века было обнаружено, что p-n-переходы могут проводить ток не благодаря прыжкам высокоэнергетических электронов над ступенькой, а благодаря квантовому эффекту туннелирования — просачивания электронов сквозь ступеньку. Подобным приборам — туннельным диодам — тут же нашлось применение. Они оказались способны генерировать радиоволны при приложении постоянного напряжения. Также их ток оказался очень чувствителен к малым изменениям электрического напряжения, что привело к их приложениям в электронике низкого энергопотребления.
Другим важным направлением в электронике является повышение скорости срабатывания электронных приборов. Это важно прежде всего для увеличения скорости обработки информации. И тут не обойтись без новых материалов, где электроны на своем пути не встречают препятствий, говоря более строго, — материалов с высокой электронной подвижностью. Такими оказались графен-монослой углерода, его двухслойный аналог, а также некоторые халькогениды переходных металлов, например, дисульфид вольфрама и селенид индия.
Путь развития электроники на двумерных материалах оказался сильно отличающимся от пути электроники на кремнии. P-n-переход в двумерных материалах научились делать практически с момента открытия графена и его модификаций. Для этого даже не оказалось нужным добавление примесей разной валентности: достаточно подать напряжение разной полярности на управляющие электроды — затворы — над двумя сторонами перехода (рис. 1a). А вот механизм протекания тока в p-n-переходах на основе двухслойного графена долгое время оставался непонятым. Из выполненных до недавнего времени измерений было неясно, протекает ли ток в этих переходах благодаря прыжкам через ступеньку или благодаря квантовому просачиванию сквозь нее. На языке дорожных аналогий, оставалось неясным, является p-n-переход в графене надземным или подземным.
Ученые из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ смогли дать ответ на этот вопрос. По результатам комбинированных измерений зависимости сопротивления от температуры и фотопроводимости был сделан вывод о доминирующем квантовом туннельном типе проводимости. Прежде всего, этот выбор был сделан после наблюдения аномального изменения сопротивления прибора с изменением температуры: нагрев p-n-перехода приводил к увеличению сопротивления, хотя на классические прыжки электрона через барьер температура должна оказывать позитивное влияние. При квантовом туннельном характере тока ситуация меняется — подобный процесс возможен только при достаточно точном совпадении уровней энергии электрона слева и справа от перехода. Нагрев, в свою очередь, увеличивает энергию электрона и выталкивает его с разрешенного уровня (рис. 1b). При этом безразлично, чем вызваны изменения температуры: общим нагревом окружения или поглощением внешнего излучения, — сопротивление обязано увеличиться.
Рисунок 1. (а) Схематическое изображение p-n-перехода в двухслойном графене, созданного путем подачи напряжений противоположной полярности на затвор. Красная линия THz сверху символизирует сверхвысокочастотный сигнал, наводящийся между левым и правым контактами при освещении прибора извне; (б) иллюстрация механизма температурной зависимости туннельного сопротивления: нагрев излучением выталкивает электроны с энергетического уровня, на котором возможно туннелирование, и это приводит к росту сопротивления; (c) микрофотографии изготовленного устройства: канал с расщепленным затвором и антенной-бабочкой.
Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, рассказывает: «Обнаруженная нами ситуация оказывается очень перспективной для электроники. Во-первых, мы имеем высокую электронную подвижность в графене, что дает возможность создания быстрых полупроводниковых приборов. Во-вторых, мы имеем туннельный характер транспорта, а это дает возможность управлять током при малых напряжениях, то есть энергоэффективность. Подобной комбинации скорости и энергоэффективности было невозможно достичь в электронике на основе “классических” полупроводниковых материалов».
Авторы работы исследовали зависимость сопротивления p-n-переходов от внешнего освещения сверхвысокочастотным излучением с частотой около 100 ГГц. Эти измерения оказались важны не только для понимания фундаментального механизма протекания тока. Выяснилось, что сопротивление p-n-перехода на двухслойном графене очень чувствительно к наличию излучения, и подобный переход уже является прекрасным сенсором электромагнитных волн. Чувствительность этого сенсора оказывается конкурентной с аналогами — полупроводниковыми болометрами. Авторы работы видят дальнейшую возможность для увеличения чувствительности при подаче больших управляющих напряжений на затворы.
Дмитрий Мыльников, научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ настраивает оборудование. © Сафрон Голиков/Цифровой океан
Дмитрий Мыльников, научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, добавляет: «Кажется удивительным, что тип проводимости туннельных переходов в двухслойном графене оставался неисследованным за более чем пятнадцатилетнюю историю этого материала. Причина, видимо, состоит в относительно недавнем появлении графена высокого качества, свободного от примесей. Раньше тонкие квантовые эффекты туннелирования были не видны на фоне прыжков электронов по дефектным уровням. Ключевым фактором для качества материала является инкапсуляция графена в нитрид бора, что защищает его от внешних воздействий и выталкивает примеси из образца. Около двух лет назад подобная технология была реализована на Физтехе».
Авторы работы полагают, что приложения обнаруженного ими эффекта не ограничены детектированием сверхвысокочастотного излучения. Эффект также важен для достижения выраженного закрытого состояния в транзисторах на основе двухслойного графена, а значит, и для продвижения этого материала в цифровую электронику. Туннельный эффект в двухслойном графене позволит также чувствовать не только излучения, но и следовые количества химических и биологических соединений, что может найти ему применение в роли чувствительного химического и биологического сенсора.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-79-20225) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № ФСМГ-2021-0005).
Студенты 3 курса и старше, аспиранты и молодые ученые, желающие присоединиться к экспериментальной или теоретической работе группы в областях оптоэлектроники и двумерных материалов, могут обращаться к авторам:
- Дмитрию Свинцову, зав. лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, svintcov.da@mipt.ru
- Валентину Сёмкину, аспиранту первого курса лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, semkin.va@phystech.edu
