Транзисторы на туннелирующих электронах

Исследователи из Великобритании, России и Кореи говорят, что они сделали новый тип транзистора на эффекте квантового туннелирования электронов через ультратонкий барьер гексагонального нитрида бора, размещенного между двумя графеновыми электродами. Устройство уникально тем, что электроды впервые тщательно выровнены по отношению друг к другу.

В обычных транзисторах ток течет вдоль плоскости транзистора, близко к поверхности устройства. Новое устройство, сделанное командой во главе с Костей Новоселовым, Лоуренсом Ивз (Laurence Eaves) и Андреем Геймом из Университета Манчестера в Великобритании, работает иначе. Это сэндвич-структура, в которой барьер толщиной 1 нм из гексагонального нитрида бора (h-BN) помещается между двумя слоями кристаллического графена толщиной один атом.

Когда к графеновым электродам прикладывается напряжение смещения, ток течет через h-BN, объясняет Ивз. h-BN является диэлектриком, и электроны из графена могут пройти через этот барьер только путем туннелирования – чисто квантового эффекта.

«Основная интрига заключается в том, что вольтамперные характеристики нашего устройства зависят от относительной ориентации гексагональной кристаллической решетки двух графеновых электродов, - сказал Ивз. - В этом новом устройстве решетки совмещены с точностью около 1° по отношению друг к другу. Такое точное выравнивание является свидетельством мастерства наших коллег, которые сделали устройство».

Поскольку графеновые электроды и барьер h-BN в новом устройстве являются высоко упорядоченными и чистыми кристаллическими слоями, электроны туннелируют через барьер без каких-либо изменений их энергии или импульса. Энергия является скалярной величиной, но импульс – это вектор. Поэтому, если электрон с определенным импульсом движется вдоль плоскости одного графенового электрода, то импульс должен сохраняться, когда электрон совершает туннельный переход через барьер h-BN в другой электрод. Это означает, что напряжение электронного резонансного туннелирования должно лежать в очень узком диапазоне прикладываемых напряжений, при которых мы можем сохранить импульс и энергию.

Напряжение, прикладываемое к двум графеновым электродам, обеспечивает способ «настройки» электронов для резонансного туннелирования, но можно также тонко настроить их в дальнейшем путем подачи напряжения на затвор в проводящем слое кремния, на котором сэндвич графен-h-BN установлен.

Хотя исследователи делали h-BN-графеновые транзисторы и раньше, в которых туннелирование между двумя графеновыми электродами управлялось напряжением на затворе, кристаллические решетки составных графеновых слоев в этих устройствах не были специально выровнены по отношению друг к другу. Это означало, что туннелирование между двумя графеновыми электродами не было строго резонансным.

Резонансное туннелирование в новом устройстве дает резкий пик туннельного тока при определенных значениях напряжений смещения и на затворе. Помимо этого пика, есть область, в которой ток уменьшается, даже если исследователи увеличивали прилагаемое напряжение смещения. Это область «отрицательной дифференциальной проводимости», хотя это часто называют просто «отрицательное сопротивление».

Согласно закону Ома, ток должен увеличиваться с ростом напряжения, но здесь он уменьшается. Когда устройство такого типа включается в цепь, содержащую конденсатор и катушку индуктивности, ток, протекающий через устройство в контуре, будет колебаться. На данный момент, ток в созданном устройстве осциллирует только на относительно низких частотах в несколько МГц, что соответствует обычным радиочастотам. Однако необходимо достичь более высоких частот посредством уменьшения электрической емкости устройства.

Исследователи говорят, что они будут пытаться делать это путем реконструкции электрических контактов, которые подсоединяются к графеновым электродам. «В настоящее время самыми быстрыми полупроводниковыми приборами являются резонансные туннельные диоды, базирующиеся на полупроводниках III-V группы и которые содержат два туннельных барьера. Устройство с однобарьерным резонансным туннелированием, такое как наше, должно быть по своей сути быстрее. Захватывающая возможность для нас», - пояснил Ивз.

Если команда действительно сможет заставить свое устройство работать на более высоких частотах, близких к терагерцевому диапазону, то оно могло бы даже найти применение в связи и в сенсорных технологиях.

Размещение графеновых электродов на более близком расстоянии, чем в настоящих экспериментах, позволило бы заострить и увеличить амплитуду пика резонансного туннельного тока, что может пригодиться для создания нового типа логического устройства, добавил Ивз.

Нижняя часть изображения показывает слегка сдвинутые кристаллические решетки двух графеновых электродов. Верхняя часть показывает структуру зоны энергия-импульс двух графеновых электродов. «Золотые» области, в которых конуса пересекаются, соответствуют состояниям, для которых резонансное туннелирование с сохранением энергии и импульса разрешено