Транзисторы с высокой крутизной переключения для высокочувствительного детектирования терагерцового излучения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-79-20225

НазваниеТранзисторы с высокой крутизной переключения для высокочувствительного детектирования терагерцового излучения

Руководитель Свинцов Дмитрий Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые слова Теагерцовое излучение, полевой транзистор, туннельный эффект, сегнетоэлектрики, диодное выпрямление, термоэлектрический эффект, пироэлектрический эффект, двумерные материалы

Код ГРНТИ47.09.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Чувствительные детекторы излучения суб-терагерцового (0.1 - 1 ТГц) и терагерцового (1-10 ТГц) диапазонов являются необходимыми элементами беспроводных систем передачи данных нового поколения (6G Wi-Fi и более новые) [1]. Также важными приложениями терагерцового (ТГц) излучения являются дефектоскопия [2], медицинская диагностика наружных заболеваний [3], тестирование сверхбольших интегральных схем [4] и радиоастрономия. Привычные принципы детектирования, основанные на внутреннем фотоэффекте в полупроводниках, являются неэффективными в ТГц диапазоне из-за возрастания генерационно-рекомбинационных шумов в узкощелевых полупроводниках. Терагерцовые детекторы на основе радиоэлектронных принципов (выпрямляющие диоды) имеют фундаментальные ограничения, связанные с емкостными задержками. Многообещающими в этой сфере выглядят детекторы на основе антенно-сопряженных полевых транзисторов, разрабатываемые с начала 2000-х годов [5]. В силу особенностей связи с терагерцовым излучением, емкостное сопротивление в подобных приборах растет с частотой достаточно медленно, что обеспечивает простое согласование с антенными и эффективное поглощение излучения. Однако в транзисторных детекторах минимальный обнаружимый на фоне шумов сигнал ограничен утечками электронов через энергетический барьер, формируемый затвором. Более конкретно, чувствительность терагерцового детектора на основе транзистора пропорциональна логарифмической производной проводимости по напряжению на затворе [6]. Эта величина не превышает элементарного заряда деленного на тепловую энергию, e/kT. Мы предлагаем преодолеть это ограничение путем разработки терагерцовых детекторов, использующих механизмы управления током, отличные от модуляции высоты барьера для термически активированных электронов. Предлагаемые к разработке детекторы представляют собой полевые транзисторы, сопряжённые с терагерцовыми антеннами между истоком и затвором. Формирование выходного фотосигнала между стоком и истоком обеспечивается различными транзисторными нелинейностями, детальное установление природы которых составляет одну из задач проекта. В качестве наиболее многообещающих структур транзисторов с сильными нелинейностями мы рассматриваем детекторы на основе туннельных транзисторов и транзисторов с сегнетоэлектрическими подзатворными диэлектриками. Несмотря на то, что идея повышения крутизны переключения в туннельных и сегнетоэлектрических транзисторах была выдвинута и реализована около десяти лет назад [7], до настоящего времени не предпринималось попыток использовать их в качестве выпрямителей терагерцового излучения. Основной сферой подобных транзисторов считалась низковольтная электроника. Нами было замечено, что чувствительность транзисторного детектора пропорциональна крутизне его сток-затворной характеристики, и следовательно приборы низковольтной электроники могут являться и высокочувствительными терагерцовыми детекторами. Нашим коллективом были проведены предварительные эксперименты, подтверждающие увеличение чувствительности транзисторных детекторов ТГц излучения более чем на порядок при переключении из режима внутризонного транспорта в режим межзонного туннелирования [8]. Предлагаемый проект ставит глобальную цель исследования целого класса транзисторов с высокой крутизной переключения в качестве детекторов терагерцового диапазона. К таким приборам относятся туннельные транзисторы, транзисторы с сегнетоэлектрическими подзатворными диэлектриками и приборы с отрицательной емкостью (также необходимо имеющие сегнетоэлектрический затвор). В качестве каналов в исследуемых транзисторах будут использованы атомарно тонкие двумерные материалы с малой шириной запрещенной зоны: двухслойный графен, халькогениды переходных металлов, черный фосфор. Выбор именно двумерных материалов обусловлен (1) лучшим (по сравнению с объемными МДП-структурами) контролем потенциала в канале с помощью напряжения на затворе (2) отсутствием необходимости легирования приконтактных областей (3) возможностью создания туннельного барьера исключительно с помощью подачи напряжений на последовательные затворы, без привлечения химического легирования. Последнее достоинство, предложенное и реализованное недавно в работах нашего коллектива, позволяет получать чистые туннельные барьеры, без сильных флуктуаций характеристик типичных для структур с химическим легированием. С практической точки зрения, мы ожидаем достижения низких эквивалентных мощностей шума в данных устройствах, порядка 80 фВт/Гц^{1/2} при комнатной температуре (см. обоснование в основном тексте заявки). С фундаментальной точки зрения, процесс детектирования в подобных устройствах является слабо изученным. Поэтому вместе с исследованием нового перспективного класса приборов, проект ставит целью выяснение физических механизмов, ответственных за поглощение и выпрямление СВЧ-излучения в подобных транзисторах. Полученные фундаментальные результаты будут важны не только для разработки детекторов излучения, но и для понимания фундаментальных пределов характеристик транзисторов с высокой крутизной переключения. [1] T. Nagatsuma, G. Ducournau, and C.C. Renaud, Nat. Photonics 10, 371 (2016) [2] D.M. Mittleman, Opt. Express 26, 9417 (2018) [3] K.I. Zaytsev, K.G. Kudrin, V.E. Karasik, I. V. Reshetov, and S.O. Yurchenko, Appl. Phys. Lett. 106, (2015) [4] M. Shur, S. Rudin, G. Rupper, M. Reed, and J. Suarez, Solid. State. Electron. 155, 44 (2019) [5] W. Knap, M. Dyakonov, D. Coquillat, F. Teppe, N. Dyakonova, J. Łusakowski, K. Karpierz, M. Sakowicz, G. Valusis, D. Seliuta, I. Kasalynas, A. El Fatimy, Y.M. Meziani, and T. Otsuji, J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves 30, 1319 (2009) [6] M. Sakowicz, M.B. Lifshits, O.A. Klimenko, F. Schuster, D. Coquillat, F. Teppe, and W. Knap, J. Appl. Phys. 110, (2011) [7] S. Cristoloveanu, J. Wan, and A. Zaslavsky, IEEE J. Electron Devices Soc. 4, 215 (2016). [8] I. Gayduchenko, S.G. Xu, G. Alymov, M. Moskotin, I. Tretyakov, T. Taniguchi, K. Watanabe, G. Goltsman, A.K. Geim, G. Fedorov, D. Svintsov, and D.A. Bandurin “Tunnel field-effect transistors for sensitive terahertz detection” arxiv preprint https://arxiv.org/abs/2010.03040

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Силкин В.В., Свинцов Д.А. Plasmonic drag photocurrent in graphene at extreme nonlocality Physical ReviewB, Том 104, выпуск 15, номер статьи 155438 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevB.104.155438

2. Шабанов А.В., Москотин М.В., Белосевич В.В., Матюшкин Я.Е., Рыбин М.Г., Федоров Г.Е., Свинцов Д.А. Optimal asymmetry of transistor-based terahertz detectors Applied Physics Letters, Том 119, Выпуск 16, Номер статьи 163505 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0063870

3. Титова Е.И., Мыльников Д.А., Кащенко М.А., Сафонов И.В., Жуков С., Джикирба К., Новоселов К.С., Бандурин Д.А., Алымов Г.В., Свинцов Д.А. Ultralow-noise Terahertz Detection by p−n Junctions in Gapped Bilayer Graphene ACS Nano, том 17, вып. 9, стр. 8223–8232 (год публикации - 2023)
10.1021/acsnano.2c12285

4. Дмитрий Мыльников, Елена Титова, Михаил Кащенко, Илья Сафонов, Сергей Жуков, Валентин Семкин, Константин Новоселов, Денис Бандурин, Дмитрий Свинцов Terahertz Photoconductivity in Bilayer Graphene Transistors: Evidence for Tunneling at Gate-Induced Junctions Nano Letters, 23, 1, 220-226 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.nanolett.2c04119

5. Петров А.С. Energy Approach for Description of Electron Transport in Two-Dimensional Electron Systems Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, том. 87 вып. Suppl. 3, стр. S433–S435. (год публикации - 2023)
10.1134/S1062873823705986

6. Мыльников Д.А., Кащенко М.А., Капралов К.Н., Казарян Д.А., Вдовин Е.Е., Морозов С.В., Новоселов К.С., Бандурин Д.А., Чернов А.И., Свинцов Д.А. Infrared photodetection in graphene-based heterostructures: bolometric and thermoelectric effects at the tunneling barrier npj 2d materials and applications, том 8, номер статьи 34 (год публикации - 2024)
10.1038/s41699-024-00470-z

7. Цю Ч., Хань И., Нури К., Чен Ч., Кащенко М.А., Линь Л., Олсен Т., Ли Ц., Фанг Х., Лю П., Теличко Н., Гу С., Адам Ш., Ин Квек С., Родин А., Кастро Нето А. Х., Новоселов К.С., Лу Ц. Evidence for electron–hole crystals in a Mott insulator Nature Materials, том 23 стр. 1055–1062 (год публикации - 2024)
10.1038/s41563-024-01910-3

8. Кравцов М., Шилов А. Л., Ян Ю., Прядилин Т., Кащенко М. А., Попова О., Титова М., Воропаев Д., Ван Ю., Шеин К., Гайдученко И., Гольцман Г. Н., Лукьянов М., Кудряшов А., Танигучи Т., Ватанабэ К., Свинцов Д. А., Адам С., Новоселов К.С., Принчипи А., Бандурин Д.А. Viscous terahertz photoconductivity of hydrodynamic electrons in graphene Nature Nanotechnology (год публикации - 2024)
10.1038/s41565-024-01795-y

9. Петров А.С., Свинцов Д.А. Slow interband recombination promotes an anomalous thermoelectric response of the p−n junctions JETP Letters (год публикации - 2024)

10. Свинцов Д.А., Шабанов А.В. Exact theory of edge diffraction and launching of transverse electric plasmons at two-dimensional junctions JETP Letters (год публикации - 2024)

11. Титова Е.И., Кащенко М.А., Мяконьких А.В., Морозов А.Д., Домарацкий И.К., Жуков С.С., Румянцев В.В., Морозов С.В., Новоселов К.С., Бандурин Д.А., Свинцов Д.А. Limiting performance of graphene bilayer sub-terahertz detectors at large induced band gap arxiv preprint, arxiv preprint arXiv:2412.06918 (год публикации - 2024)
10.48550/arXiv.2412.06918

12. Мыльников Д.А., Кащенко М.А., Сафонов И.В., Новоселов К.С., Бандурин Д.А., Чернов А.И., Свинцов Д.А. Hysteresis-controlled Van der Waals tunneling infrared detector enabled by selective layer heating arxiv preprint, arxiv preprint arXiv:2412.05977 (год публикации - 2024)
10.48550/arXiv.2412.05977

13. Свинцов Д.А., Девизорова Ж.А. Photon drag at the junction between metal and 2d semiconductor JETP Letters, arxiv preprint arXiv:2411.14075 (год публикации - 2024)
10.48550/arXiv.2411.14075

Публикации

9. Петров А.С., Свинцов Д.А. Slow interband recombination promotes an anomalous thermoelectric response of the p−n junctions JETP Letters (год публикации - 2024)

Публикации

9. Петров А.С., Свинцов Д.А. Slow interband recombination promotes an anomalous thermoelectric response of the p−n junctions JETP Letters (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Работы 4 года проекта были посвящены установлению предельных характеристик детекторов ТГц и ИК диапазонов на основе графена. В качестве наиболее перспективных устройств по итогам трех лет были выбраны: 1. Детектор на основе электрически-индуцированного p-n-перехода в двухслойном графене (ДСГ) с электрически наведенной запрещенной зоной; 2. Детектор на основе туннельно-связанных параллельных слоев графена с резонансной вольтамперной характеристикой. Возможность увеличения чувствительности в детекторах на основе ДСГ при открытии запрещенной зоны была уже продемонстрирована нами [1]. Достигнутые чувствительности были далеки от предельных, т.к. запрещенная зона составляла порядка 20 мэВ. На данном этапе мы использовали ряд решений для достижения наведенной запрещенной зоны вплоть до 90 мэВ: использование high-k подзатворного диэлектрика HfO2, использование атомарно-гладкого графита в качестве затвора, использование ДСГ с краем, не подвергавшимся плазмохимическому травлению. Это позволило увеличить чувствительность при криогенной температуре 4 K от 2 кВ/Вт при нулевой запрещенной зоне до 40 кВ/Вт при максимальной запрещенной зоне; снизить эквивалентную мощность шума от 450 фВт/Гц^{1/2} до 30 фВт/Гц^{1/2} [2]. Продемонстрирован двукратный рост чувствительности таких детекторов при комнатной температуре и индукции максимальной запрещенной зоны. Было показано, что детектирование и ТГц диапазона, и ИК диапазона в структурах с ДСГ происходит по термоэлектрическому механизму при криогенных температурах, и по механизму резистивного смешивания при комнатной температуре. Механизмы имеют конкурирующий знак, и компенсируют друг друга при T~77 К. Продемонстрировано возбуждение двумерных плазмонов в детекторе на основе ДСГ при частоте 130 ГГц и Т=4 К, проявляющееся как осцилляция фотонапряжения при изменении концентрации носителей. Хотя возбуждение плазмонов не приводит к резонансному росту чувствительности, его учет оказывается важным при выборе оптимального легирования p- и n-областей для максимизации сигнала. Реализован новый принцип детектирования излучения ИК диапазона с помощью структуры “ДСГ - нитрид бора - ДСГ”, основанный на сдвиге туннельного резонанса при освещении [3]. Метод основан на фиксации тока структуры вблизи экстремума, где V(I) характеристика является двузначной функцией. При освещении характеристика V(I) сдвигается и становится однозначной функцией тока. Падение напряжения при этом “срывается” в новую точку, а величина скачка напряжения может достигать 50 мВ и определяется шириной резонансного плато. Внешняя чувствительность изученного устройства на длине волны 6 мкм при базовой температуре 4 К составила 8,3 В/Вт без пересчета на площадь туннельного перехода и 550 В/Вт в предположении идеальной фокусировки на туннельный переход. Построена модель, описывающая характеристики такого детектора, основанная на расчете туннельного тока при неодинаковых температурах электронов в слоях графена. Модель учитывает как прямое перераспределение электронов по энергии с изменением температуры, так и косвенные изменения зонной диаграммы структуры, связанные с температурной зависимостью квантовой емкости. Последние доминируют в сдвиге туннельного резонанса. Исследованы ограничения чувствительности, возникающие в экспериментально изученных детектирующих структурах. Показано, что чувствительность латерального p-n перехода по термоэлектрическому механизму перестает расти с увеличением запрещенной зоны и далее снижается вплоть до смены знака, если рост запрещенной зоны приводит к ослаблению рекомбинации [4]. При этом фотонапряжение определяется неосновными носителями. Включение межзонного туннелирования эквивалентно возвращению рекомбинации, поэтому указанное ограничение не реализуется в изученных детекторах на ДСГ. Показано, что для смещаемых детекторов, использующих явление фотопроводимости в графене, важным является эффект развязки электронной и фононной температур [5]. В условиях развязанных электронов и холодной подложки нагрев электронной подсистемы приводит к росту сопротивления только в режиме Блоха-Грюнайзена. В высокотемпературном режиме рост электронной температуры не приводит к росту сопротивления. Показано, что эффект фотонного увлечения действительно может доминировать над фото-термоэлектрическим эффектом даже при детектировании на контакте «металл - двумерный материал» [6,7]. Причиной большой величины фотонного увлечения является формирование локально сильного поля при дифракции на металлическом контакте в p-поляризации, и формирование далеко распространяющегося поля в s-поляризации. Значимость результатов проекта отмечена премией III Всероссийского молодежного конкурса научных проектов «В центре науки», присужденной участникам Петрову А.С., Титовой Е.И., Кащенко М.А. на IV Конгрессе молодых ученых [8]. Мы видим перспективу коммерциализации исследованных фотодетекторов на основе ДСГ с электрически-индуцированными p-n- переходами. Такие устройства востребованы в системах беспроводной передачи данных. Даже использование однослойного графена с невысокой выпрямляющей способностью в этом приложении было успешным [9], использование «более нелинейного» двухслойного графена позволит увеличить чувствительность примерно на порядок. Масштабное изготовление таких устройств потребует технологии каталитического роста двухслойного графена большой площади, напр., методом осаждения из газовой фазы. К счастью, данная технология была отработана в России. [1] E. Titova et al., ACS Nano, vol. 17, pp. 8223–8232, 2023, doi: 10.1021/acsnano.2c12285. [2] E. I. Titova et al., “Limiting performance of graphene bilayer sub-terahertz detectors at large induced band gap” http://arxiv.org/abs/2412.06918, на рассмотрении в Advanced Optical Materials. [3] D. A. Mylnikov et al., “Hysteresis-controlled Van der Waals tunneling infrared detector enabled by selective layer heating,” http://arxiv.org/abs/2412.05977, на рассмотрении в Advanced Materials Technologies [4] A. S. Petrov and D. Svintsov, “Slow interband recombination promotes an anomalous thermoelectric response of the p-n junctions,” http://arxiv.org/abs/2412.05981, принято в «Письма в ЖЭТФ» том 121 вып. 3 (2025) [5] M. Kravtsov et al., “Viscous terahertz photoconductivity of hydrodynamic electrons in graphene,” Nat. Nanotechnol., 2024, doi: 10.1038/s41565-024-01795-y. [6] D. Svintsov, A. Shabanov “Exact theory of edge diffraction and launching of transverse electric plasmons at two-dimensional junctions,” http://arxiv.org/abs/2410.20206, принято в «Письма в ЖЭТФ» том 121 вып. 2 (2025) [7] D. Svintsov and Z. Devizorova, “Photon drag at the junction between metal and 2d semiconductor,” http://arxiv.org/abs/2411.14075 [8] Итоги конкурса проектов «В центре науки» 2024 https://xn--l1abtk.xn--p1ai/events/vtsentrenauki-2024 [9] K. P. Soundarapandian et al., http://arxiv.org/abs/2411.02269

Публикации

9. Петров А.С., Свинцов Д.А. Slow interband recombination promotes an anomalous thermoelectric response of the p−n junctions JETP Letters (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Разработанные детекторы ТГц диапазона имеют приложения для задач приема сигнала в системах беспроводной коммуникации (передача данных по WiFi, передача мобильных данных). Разработанные единичные детекторы (как в ТГц, так и в ИК диапазоне) могут быть интегрированы в матричные детекторы, и далее доработаны для создания систем визуализации ТГц и ИК диапазонов. Такие системы визуализации востребованы в медицинской диагностике (ТГц), дефектоскопии (ТГц), мониторинге состава атмосферы (ИК), мониторинге воспламенений и утечек опасных веществ на предприятиях (ИК). Основной сферой приложения ИК-камер является тепловидение, имеющее как приложения в дистанционной термометрии в потоке людей и системах визуализации для беспилотного транспорта, работающих в условиях ограниченной видимости.