Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект посвящен разработке и экспериментальной реализации детекторов суб-ТГц и ТГц излучения на основе полевых транзисторов с высокой крутизной переключения. В рамках проекта основное внимание сосредоточено на двух типах транзисторов: (1) туннельные транзисторы с управляемым затвором межзонным туннелированием (2) транзисторы с сегнетоэлектрическим стеком затвора. В обоих типах транзисторов возможно сильное изменение проводимости канала при малых вариациях напряжения на затворе. Количественно этот факт выражается тем, что крутизна попороговой характеристики в обоих типах структур dlnG/dVg может превышать e/kT, где е – элементарный заряд, kT – тепловая энергия. Сильная транзисторная нелинейность может приводить к эффективному выпрямлению ТГц сигнала и генерации фотонапряжения с высокой чувствительностью. Работы первого года были посвящены отработке технологии, созданию первых экспериментальных образцов транзисторных детекторов, а также модельным расчетам. В качестве материала канала для туннельных транзисторов был выбран двухслойный графен. Выбор сделан по причине широких возможностей управления концентрацией носителей заряда и зонной структурой с помощью напряжений на затворах. А именно, с помощью расщепленного затвора, расположенного над графеновым каналом, оказывается возможным создавать выпрямляющий p-n переход управляемой полярности. Подача напряжения на нижний затвор к структуре позволяет открывать запрещенную зону в канале транзистора, и переключать канал между металлическим и изолирующим состояниями. Суб-ТГц излучение подводится к структуре от антенны, подключенной межу стоком и истоком. Между этими же контактами измеряется сигнал фотонапряжения. Среди возможных схем транзисторных детекторов ТГц излучения мы остановились на схеме с сигналом, подаваемым между стоком и истоком, и индуцированным в канале pn-переходом. Несколько меньшее внимание было уделено схеме с ТГц сигналом, подаваемым между истоком и затвором (схема Дьяконова-Шура). Достоинством первой схемы является контролируемая асимметрия структуры, которая может управляться подачей напряжения на «легирующие затворы». Также достоинством первой схемы является функционирование на низких частотах (до единиц килогерц), что позволяет имитировать выпрямление сигнала с помощью простых низкочастотных генераторов. Изучение фотоотклика структуры на основе двухслойного графена с индуцированным в канале p-n-переходом позволяет ответить на фундаментальные вопросы о механизмах нелинейностей и оптического выпрямления в новых двумерных материалах. Предварительно была отработана технология сухого переноса двумерных материалов, их инкапсуляции в нитрид бора, и создания контактов и затворов. Подобная технология применяется в ведущих центрах по исследованию двумерных материалов (университет Манчестера, Массачусетский технологический институт), и к настоящему времени полностью отработана в центре фотоники и двумерных материалов МФТИ. Силами сотрудников проекта создаются уникальные транзисторные структуры на основе двухслойного графена с электронной подвижностью до ~200 000 см2/В с, что говорит об очень высоком электронном качестве. Далее были отработаны рецепты травления и создания омических контактов, которые и позволи в конечном счете создать и исследовать транзисторные детекторы ТГц излучения на основе двухслойного графена. Изготовленные образцы транзисторов на основе двухслойного графена с расщепленным затвором обладают следующими ключевыми характеристиками. Полевая подвижность носителей имеет порядок 20 000 см2/ В с при комнатной температуре и возрастает на порядок при температуре кипения жидкого гелия. Подача напряжения на нижний затвор позволяет открывать запрещенную зону (до ~20 мэВ) в канале и переключаться между металлическим и изолирующим состояниями. Благодаря этому транзистор имеет хорошо выраженное закрытое состояние с отношением ON/OFF порядка 10^3 при T=17 К. При переводе уровня Ферми из зоны проводимости в зарещенну зону сопротивление транзистора меняется на 3 порядка, при этом и крутизна сток-затворной характеристики, и нелинейность ВАХ оказываются достаточно высокими. Чувствительность изготовленного детектора на частоте 130 ГГц при T~17 К имеет порядок 7 кВ/Вт при максимальной величине индуцированной запрещенной зоны ~20 мэВ. Эквивалентная мощность шума изготовленного транзисторного детектора имеет порядок 200 пВт/Гц, что является величиной, конкурентной с современными сверхпроводниковыми болометрами на горячих электронах (которые, однако, функционируют при более низких температурах). Достигнутые значения не являются предельными: так, уменьшение толщины верхнего подзатворного диэлектрика hBN с нынешних 50 нм до ~5 нм позволит на порядок увеличить крутизну сток-затворной характеристики и пропорционально увеличить чувствительность. Представляется возможным переход к чисто туннельному транспорту в образцах с краями, не подверженными процедуре травления – это позволит минимизировать токи утечки в закрытом состоянии и максимизировать нелинейность вольт-амперных и сток-затворных характеристик. Вместе с большой прикладной значимостью результатов, выполненные измерения позволили ответить на ряд фундаментальных вопросов о природе генерации фототока в pn-переходах на основе двухслойного графена. Так, было показано, что фототок при комнатной и криогенной температурах имеет разное направление, а значит, определяется различными нелинейными механизмами. Доминирующим механизмом генерации фототока при комнатной температуре является резистивное смешивание (как распределенное, так и сосредоточенное). При криогенных температурах основными «претендентами» на доминирующий механизм выпрямления являются выпрямление на индуцированных туннельных переходах, а также фото-термоэлектрический эффект на данных переходах. Расчеты по обеим моделям правильно предсказывают знак сигнала, вид его функциональной зависимости от концентрации носителей заряда в pn-переходе, а также порядок величины сигнала. Для дальнейшего различения механизмов генерации фотосигнала будут проведены независимые измерения шумовой электронной температуры. Важность полученных результатов не ограничивается одной лишь терагерцовой электроникой. Так, нами впервые было показано значимое влияние сопротивления электрически-индуцированных pn-переходов в двухслойном графене на полное сопротивление устройства. В определенных условиях барьерное сопротивление до ~5 раз превышает объемное. Данное достижение можно считать первым шагом к созданию транзистора на двухслойном графене с выраженным закрытым состоянием, при сохранении высокой подвижности электронов в канале. В течение первого года выполнены и подготовительные работы по созданию транзисторных детекторов с сегнетоэлектрическим стеком затвора. Предполагаемый транзистор будет иметь двумерный канал (MoS2, MoSe2, WS2) и расположен на стеке «металл – диоксид гафния-циркония (сегнетоэлектрик)». В течение первого года были отработаны два отдельных блока этой технологии: создание сегнетоэлектрических стеков “металл – HfZrO2 - металл” и измерение их поляризационных кривых и создание транзисторов на основе MoSe2. Оба блока выполнены успешно: сегнетоэлектрические стеки демонстрируют выраженные и воспроизводимые петли гистерезиса, а транзисторы с двумерным каналом имеют выраженное закрытое и открытое состояния, а также демонстрируют заметную фотопроводимость. В заключение сообщаем, что все запланированные работы первого года были выполнены, а научные результаты были получены. Созданные детекторы уже обладают чувствительностью, сравнимой с коммерческими аналогами, и имеют заметный потенциал к улучшению характеристик. Полученные фундаментальные результаты дают ответы на вопрос о доминирующих механизмах генерации фототока в двумерных материалах.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Измерены транзисторные характеристики и спектры локального фотонапряжения в «продвинутых» транзисторных структурах на основе двухслойного графена с малым расстоянием до верхнего и нижнего затворов (~30 нм) и естественным краем графена, не подверженным химическому травлению. Показано, что комбинация указанных факторов позволяет увеличить сопротивление закрытого состояния транзистора до 160 кОм при T~25 К, при соотношении токов открытого и закрытого состояний порядка 10^3. Экспериментально вычисленное значение индуцированной транспортной запрещенной зоны составляет до 80 мэВ, что является рекордным показателем для двухслойного графена. 2. Измерены локальные спектры фотонапряжения в транзисторах на основе графена со множественными торцевыми контактами. Показано, что при комнатной температуре бОльшая часть фотонапряжения, генерируемого между контактами стока и истока, возникает непосредственно на контактах Шоттки «исток - графен», «сток - графен», а генерация фотонапряжения вдоль самого графенового канала незначительна. Это доказывает доминирующую роль выпрямления на контактах, по сравнению с объемными механизмами выпрямления, в транзисторных детекторах на основе графена. При понижении температуры до ~40 К фотонапряжение генерируется между всеми парами контактов примерно в равных соотношениях, что может быть связано с активацией специфических низкотемпературных механизмов выпрямления (например, возникновением краевых ориентационных фототоков). 3. Установлены доминирующие механизмы генерации фотонапряжения в туннельных p-n-переходах на основе двухслойного графена: фото-термоэлектрический эффект и прямое выпрямление на нелинейности туннельного перехода. Данный вывод стал возможен при совместном анализе измеренных зависимостей фотонапряжения от концентраций носителей заряда по обе стороны перехода, от индуцированной запрещенной зоны и температуры, и сравнении результатов измерений с предсказаниями теоретических расчетов. 4. Идентифицированы физические механизмы, определяющие шум детекторов ТГц излучения на основе графеновых туннельных транзисторов. До частот порядка 1 кГц доминирующим является 1/f – шум, после чего шум выходит на плато порядка шума Джонсона-Найквиста. 5. Измерены характеристики транзисторов с каналом из графена и сегнетоэлектрическим стеком затвора на основе повернутых на небольшой угол слоев нитрида бора. Идентифицированы режимы сегнетоэлектрического переключения и режимы высокой крутизны сток-затворной характеристики, связанные с сегнетоэлектрическим переключением. 6. Построена модель переходных процессов в транзисторных детекторах ТГц излучения на основе транзисторов с туннельным переходом и с сегнетоэлектрическим затвором, учитывающая эффекты распределенного сопротивления, распределенных емкостей и паразитные емкости. Показано, что экспериментально измеренное время срабатывания порядка 100 мкс определяется в основном резистивно - емкостными задержками, причем наибольшей емкостью обладают металлические контакты антенны по отношению к сильно легированной подложке. Это время срабатывания может быть уменьшено в структурах со слабо легированными подложками. 7.Показано, что при криогенных температурах домининирующий вклад в сопротивление транзисторов на основе двухслойного графена с неодинаковым легированием контактов и канала происходит от p-n-переходов, а не объемного сопротивления. При этом сопротивление p-n-перехода определяется процессами прямого упругого межзонного туннелирования, а не термоэмиссией носителей и не прыжковой проводимостью. Подобный вывод стал возможен путем совместного анализа измеренных фотопроводимости и температурного коэффициента сопротивления, и сравнения результатов измерений с предсказаниями теории. 8. Экспериментально достигнуты рекордно низкие значения эквивалентной мощности шума (МЭШ) в болометрических детекторах на основе туннельных p-n переходов в двухслойном графене при криогенных температурах порядка 25 К. Достигнутое значение МЭШ составляет 300 фВт/Гц^{1/2}, эта величина ниже (лучше) аналогичных показателей для ранее исследованных болометров на основе графена, и сравнима с коммерчески доступными полупроводниковыми болометрами. 9. Экспериментально достигнуты рекордно высокие значения чувствительности по напряжению и току и низкие значения эквивалентной мощности шума в несмещенных терагерцовых детекторах на основе туннельных p-n-переходов в двухслойном графене. При температуре ~25 К и ширине запрещенной зоны ~20 мэВ чувствительность по напряжению достигает 50 кВ/Вт, по току – 20 А/Вт, а эквивалентная мощность шумов падает до 36 фВт/Гц. Также экспериментально показано, что максимальные значения чувствительности по напряжению и току линейно зависят от ширины индуцированной запрещенной зоны Eg при Eg >> kT. Это открывает возможность дальнейшего повышения чувствительности и снижения МЭШ в образцах двухслойного графена с предельно близкими затворами. 10. По результатам исследований подготовлено два препринта, находящихся на рецензировании в журналах квартиля Q1: Dmitry Mylnikov, Elena Titova, Mikhail Kashchenko, Ilya Safonov, Sergey Zhukov, Valentin Semkin, Kostya Novoselov, Denis Bandurin, Dmitry. Svintsov «Terahertz photoconductivity in bilayer graphene transistors: evidence for tunneling at gate-induced junctions», https://arxiv.org/abs/2212.04378 (на рецензии в Nano Letters, получены положительные отзывы рецензентов) Elena Titova, Dmitry Mylnikov, Mikhail Kashchenko, Sergey Zhukov, Kirill Dzhikirba, Kostya Novoselov, Denis Bandurin, Georgy Alymov, and Dmitry Svintsov «Ultralow-noise terahertz detection by p-n junctions in gapped bilayer graphene» https://arxiv.org/abs/2212.05352 (на рецензии в ACS Nano).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Изготовлены вертикальные туннельные транзисторы на основе стеков «графен – нитрид бора – графен» с малыми (<1 градуса) и большими (5-10 градусов) углами поворота между слоями графена, соответственно. 2. Созданы туннельные структуры на основе сегнетоэлектрических стеков повернутого нитрида бора с большим размером доменов (~1 мкм) и каналом из двухслойного графена. 3. Измерены электрические характеристики вертикальных туннельных транзисторов на основе стеков «графен – нитрид бора – графен». Изучены два устройства, одно с малым и одно с большим углом разворота между слоями графена. Измерены ВАХ, дифференциальное сопротивление и его производная в зависимости от напряжения смещения, напряжения на затворе и температуры. Измерения проведены в диапазоне 7-150 К. В структуре с малым углом поворота между слоями при температуре 8 К на картах дифференциальной проводимости в координатах “напряжение на затворе - смещение” выявлены области отрицательной дифференциальной проводимости, что подтверждает наличие в структуре прямого упругого туннелирования. В структуре с большим углом поворота между слоями при температурах от 8 до 150 К выявлено, что ВАХ существенно нелинейна и имеет ступенчатый вид. Показано, что положение ступенек на ВАХ или пиков в дифференциальной проводимости соответствует выравниванию уровня Ферми одного их двух графеновых слоев с энергетическими уровнями двух примесей, локализованных в барьере гексагонального нитрида бора. Данные измерения соответствуют эффекту туннелирования по уровням примесей в нитриде бора. Рассчитаны положения примесей по энергии и по координате внутри слоя нитрида бора. Наличие эффекта туннелирования с помощью примесей в hBN показано качественно и количественно. 4. Проведены измерения фототока и фотопроводимости туннельных структур «графен – диэлектрик - графен» при освещении несколькими длинами волн в дальнем ИК (6-9 мкм) и терагерцовом диапазоне (0.13 ТГц). Показано, что структура чувствительна к ИК излучению, измерены “карты” фототока в координатах “напряжение на затворе - напряжение смещения”. Экспериментально выявлена пропорциональность между тремя величинами: второй производной статической ВАХ, производной постоянного тока по температуре и фототоком. Путем анализа экспериментальных данных выявлен механизм фотодетектирования в туннельных ван-дер-ваальсовых структурах в инфракрасном диапазоне. Механизм основан на изменении средней вероятности туннелирования носителей через диэлектрический барьер при нагреве, вызванном освещением. Экспериментально показана и теоретически обоснована связь между высокой нелинейностью вольт-амперной характеристики и высокими значениями чувствительности. При этом механизм генерации фототока здесь основан не на прямом выпрямлении благодаря нелинейности ВАХ, а на термических эффектах. Теоретическое исследование фототока показывает, что чувствительность туннельных детекторов, работающих по разогревному механизму, также оказывается пропорциональной крутизне вольт-амперной характеристики. Развита теоретическая модель, полностью описывающая поведение фототока при всех напряжениях смещения. Измерено время отклика, которое составило 1 мс и ограничивалось RC-задержками цепи. Максимальная внешняя чувствительность устройства составила 1 В/Вт, а внутренняя (с учетом того, что размер устройства много меньше размера лазерного пятна) - 100 В/Вт. Уровень шума составил 40 мкВ/Гц^0.5, что дает эквивалентную мощность шума 4*10^(-7) Вт/Гц^0.5 для внутренней чувствительности. Величина фототока может быть существенно больше на устройстве с большой площадью туннельной области и малой толщиной барьера, а также с барьерным слоем из узкощелевого материала, например WS2 или WSe2. 5. Выявлена новая область применения туннельных структур «графен-диэлектрик-графен». Измерение теплового фототока позволяет вычислять температуру нагретых излучением электронов. С помощью построенной модели определен средний нагрев слоев графена падающим излучением - в порядка 8 К при мощности падающего излучения в единицы милливатт. Измерения электронной температуры данным методом оказываются проще, чем термометрия шума Джонсона, особо сложная при низких температурах. 6. Измерены зависимости тока от напряжения на затворе для транзисторов с каналом из двухслойного графена и сегнетоэлектрическим стеком затвора на основе повернутых слоев нитрида бора. На зависимости проводимости канала от затворного напряжения выявлены «скачки», вызванные сегнетоэлектрическим переключением, при напряжениях на затворе в десятки вольт с положительной и отрицательной стороны. В силу большой концентрации свободных носителей в графене при напряжениях сегнетоэлектрического переключения, фотоотклик детекторов при данных напряжениях на затворе является слабым. Удается выявить усиление чувствительности в окрестности напряжения сегнетоэлектрического переключения, однако само максимальное значение чувствительности оказывается меньше, чем максимум чувствительности в окрестности точки нейтральности. 7. Выявлены фундаментальные механизмы, ограничивающие предельное значение резонансно-туннельного тока в параллельных туннельно связанных двумерных системах: конечная величина туннельного матричного элемента и уширение уровней, связанное с наличием электрических контактов. Ширина туннельного резонанса всегда не меньше 4|v_tun|, а высота - не больше e*n_tun*|v_tun|/(2*ħ), где v_tun - туннельный матричный элемент, а n_tun - число электронов, участвующих в туннелировании. Для достижения максимального туннельного тока необходим баланс между связью слоев с контактами и друг с другом. Темп обмена электронами с контактами \nu должен равняться 2|v_tun|. При более слабой связи с контактами ток ограничен контактным сопротивлением, при более сильной - декогеренция замедляет туннелирование. Модель применена к гетероструктурам "графен/нитрид бора/графен". Показано, что оптимальные условия для наблюдения резонансно-туннельных пиков максимально возможной амплитуды и минимальной ширины возникают в структурах с двумя затворами (верхним и нижним) при толщине туннельного барьера 1-2 монослоя. Токовая чувствительность диодных и транзисторных фотодетекторов пропорциональна нелинейности их характеристик. Выявленные эффекты ограничивают максимальное значение d^2 I / d V^2 величиной 0.16*e^3/ħ * n_tun/v_tun и таким образом устанавливают фундаментальный предел чувствительности туннельных фотодетекторов. 8. По результатам исследований подготовлены публикации: 8.1. D.A. Mylnikov, M.A. Kashchenko, K.N. Kapralov, D.A. Ghazaryan, E.E. Vdovin, S.V. Morozov, K.S. Novoselov, D.A. Bandurin, A.I. Chernov, and D.A. Svintsov “Infrared photodetection in graphene-based heterostructures: bolometric and thermoelectric effects at the tunneling barrier”. Статья прошла редакторскую проверку и находится на рецензировании в журнале “npj 2D Materials and Applications” (импакт фактор 9, Q1). Препринт доступен на https://arxiv.org/abs/2312.05612 8.2. G.Alymov, D.Svintsov “Ultimate sharpness of the tunneling resonance in vertical heterostructures”, на рецензировании в журнале Physical Review B (импакт фактор 3,736, Q1). Препринт доступен на https://arxiv.org/pdf/2310.07307 8.3. E. Titova, D. Mylnikov, M. Kashchenko, I. Safonov, S. Zhukov, K. Dzhikirba, K. Novoselov, D. Bandurin, G. Alymov, D. Svintsov "Ultralow-noise terahertz detection by p-n junctions in gapped bilayer graphene" ACS Nano 17(9), p. 8223–8232 (2023). Импакт фактор 18,027, Q1 8.4. D. Mylnikov, E. I. Titova, M. A. Kashchenko, I. V. Safonov, S. S. Zhukov, V. A. Semkin, K. S. Novoselov, D. A. Bandurin, D. A. Svintsov "Terahertz photoconductivity in bilayer graphene transistors: evidence for tunneling at gate-induced junctions" Nano Letters 23, p. 220–226 (2023). Импакт фактор 12.262, Q1 8.5. Aleksandr Petrov “ Energy Approach for Description of Electron Transport in Two-Dimensional Electron Systems”, Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, supplement issue 3, volume 87 (2023)