а) Схематическое изображение p-n-перехода в двухслойном графене, созданного путём подачи напряжений противоположной полярности на затвор. Красная линия THz сверху символизирует сверхвысокочастотный сигнал, находящийся между левым и правым контактом 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 расщеплённым затвором и антенной-бабочкой.
Учёные из Московского физико-технического института (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. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-79-20225) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № ФСМГ-2021-0005). Результаты исследования опубликованы в ведущем международном научном журнале.
Базовый блок всей современной полупроводниковой электроники — p-n-переход. С точки зрения химической технологии, это контакт двух областей в полупроводнике с примесями разной валентности, подобный границе раздела белого и тёмного 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 — «односторонний проводник», ток в нём может течь лишь при одной полярности поданного напряжения. Напряжение открывающей полярности снижает высоту ступеньки для электронов, и они могут легко перепрыгнуть через неё 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.
Другое важное направление в электронике — повышение скорости срабатывания электронных приборов. Это важно, прежде всего, для увеличения скорости обработки информации. И тут не обойтись без новых материалов, где электроны на своём пути не встречают препятствий, говоря более строго — материалов с высокой электронной подвижностью. Таким оказался 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 не оказалось даже нужным добавление примесей разной валентности — достаточно подать напряжение разной полярности на управляющие электроды — затворы — над двумя сторонами перехода (рис. 1 a). 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 неё. На языке дорожных аналогий, оставалось неясным, является ли p-n-переход в графене надземным или подземным.
Учёные 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 разрешённого уровня (рис. 1 b). При этом безразлично, чем вызваны изменения температуры — общим нагревом окружения или поглощением внешнего излучения — сопротивление обязано увеличиться.
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 даёт возможность создания быстрых полупроводниковых приборов. Во-вторых, мы имеем туннельный характер транспорта, а это даёт 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. Оказалось, что сопротивление p-n-перехода на двухслойном графене очень чувствительно к наличию излучения, и подобный переход — уже прекрасный сенсор 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, добавляет: «Кажется удивительным то, 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, т. е. свободного от примесей. Раньше тонкие квантовые эффекты туннелирования были не видны на фоне прыжков электронов по дефектным уровням. Ключевым 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, т. е. выступать в роли чувствительного химического и биологического сенсора.
