КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 21-79-20225

НазваниеТранзисторы с высокой крутизной переключения для высокочувствительного детектирования терагерцового излучения

РуководительСвинцов Дмитрий Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", Московская обл

Года выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2024 

КонкурсКонкурс 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

Объект инфраструктуры Центр коллективного пользования «Физика и технология микро- и наноструктур»

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

Ключевые словаТеагерцовое 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

Ожидаемые результаты
Проект ставит своей целью достижение двух глобальных результатов: (1) Разработка новых типов детекторов суб-ТГц и ТГц диапазона на основе полевых транзисторов с высокой крутизной переключения. Ожидается, что подобные детекторы обеспечат эквивалентную мощность шумов до 80 фВт/Гц^{1/2} при комнатной температуре и детектировании на частоте 0.1 ТГц.Ожидается, что время срабатывания детектора будет менее 100 пс, что обеспечит возможность передачи импульсов с частотой следования до 10 ГГц. Ожидаемые характеристики превосходят характеристики аналогов на основе широко распространенных диодных выпрямителей и детекторов на основе транзисторов, выполненных по классической технологии “металл - диэлектрик - полупроводник”. Это превосходство сможет обеспечить приложения новых детекторов в мобильных системах поколений 6G и более новых, где планируется повышение несущей частоты до сотен гигагерц. По сравнению с существующими схемами детектирования суб-ТГц сигнала, основанными на усилении и гетеродинном смешивании, технология суб-ТГц выпрямителей, разрабатываемых в проекте, является гораздо более простой (прежде всего, в силу отсутствия постоянных токовых смещений). Таким образом, выполнение проекта внесет заметный вклад в “создание систем обработки больших объемов данных”, отраженных в стратегии НТР РФ Н1. Помимо приложения в системах беспроводной передачи данных, разрабатываемые приборы смогут найти приложения в высокочувствительных камерах суб-ТГц и ТГц диапазонов. В свою очередь, приложения данных камер включают дефектоскопию, медицинскую диагностику, тестирование сверхбольших интегральных схем. (2) Установление фундаментальных физических механизмов, ответственных за поглощение и выпрямление терагерцового излучения в транзисторных структурах. В настоящее время не существует единого мнения о механизме генерации ТГц фототока в транзисторных структурах на основе большинства полупроводниковых материалов (МДП-структуры на кремнии, квантовые ямы на основе соединений AIIIBV, графен и атомарно тонкие 2D материалы). В качестве конкурирующих механизмов предлагаются выпрямление на p-n и Шоттки-переходах с нелинейной ВАХ, термоэлектрический и фотовольтаический эффекты, объемное и распределенное резистивное смешивание и другие. Такая ситуация обусловлена пограничным положением терагерцового излучения “между оптикой и радиоэлектроникой”; частота этого излучения сравнима с частотами рассеяния электронов, частотами межзонных переходов в узкощелевых полупроводниках, а также фононными частотами. И классические, и квантовые модели фотоотклика становятся, строго говоря, неприменимы в ТГц диапазоне, что затрудняет интерпретацию экспериментальных данных. Эта ситуация тормозит развитие технологии детекторов, т.к. стратегии оптимизации детекторов могут быть различными в зависимости от механизма детектирования. В рамках проекта планируется выяснить доминирующие механизмы генерации терагерцового фототока в транзисторных структурах на основе двумерных материалов. Получение ответа на этот фундаментальный вопрос будет возможно путем комбинирования детальных измерений фотоотклика (зависимости от температуры, концентрации носителей, частоты, мощности и поляризации излучения) и сравнение результатов измерений с теориями, учитывающими и квантовые эффекты, и рассеяние носителей заряда. Знание механизмов генерации фототока откроет возможности для нацеленной оптимизации детекторов и достижения предельных характеристик. Вместе с тем, предлагаемые исследования позволят понять фундаментальные пределы транзисторов с высокой крутизной переключения в цифровой и аналоговой электронике. Так, измерения времени формирования фотоотклика в туннельных транзисторах и транзисторах с сегнетоэлектрическими затворами позволит выяснить пределы быстродействия подобных устройств. Измерения и моделирование туннельных транзисторов с электрическим легированием позволят установить фундаментальные пределы токов утечки и энергопотребления в туннельных приборах. Эти результаты могут обеспечить “переход к новым материалам и способам конструирования” в электронике, отраженный в стратегии Н1 НТР РФ. Детализация и описание частных результатов приведены в п. 4.6 заявки.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ