Door elektronische componenten rechtstreeks op een halfgeleiderblok te laten groeien, worden rommelige, luidruchtige oxidatieverstrooiing die de elektronische werking vertraagt ​​en belemmert.

Een UNSW-studie die deze maand is uitgevoerd, toont aan dat de resulterende componenten met hoge mobiliteit ideale kandidaten zijn voor hoogfrequente, ultrakleine elektronische apparaten, kwantum stippen, en voor qubit-toepassingen in quantum computing.

Kleiner betekent sneller, maar ook luidruchtiger

Om computers sneller te maken, zijn steeds kleinere transistors nodig, met deze elektronische componenten nu slechts een handvol nanometer groot. (Er zijn ongeveer 12 miljard transistors in de centrale chip ter grootte van een postzegel van moderne smartphones.)

Echter, in nog kleinere apparaten, het kanaal waar de elektronen doorheen stromen, moet zich heel dicht bij het grensvlak tussen de halfgeleider en de metalen poort bevinden die wordt gebruikt om de transistor aan en uit te zetten. Onvermijdelijke oppervlakte-oxidatie en andere oppervlakteverontreinigingen veroorzaken ongewenste verstrooiing van elektronen die door het kanaal stromen, en ook leiden tot instabiliteiten en ruis die bijzonder problematisch zijn voor kwantumapparaten.

"In het nieuwe werk creëren we transistors waarin een ultradunne metalen poort is gegroeid als onderdeel van het halfgeleiderkristal, het voorkomen van problemen in verband met oxidatie van het halfgeleideroppervlak, ", zegt hoofdauteur Yonatan Ashlea Alava.

"We hebben aangetoond dat dit nieuwe ontwerp de ongewenste effecten van oppervlakte-imperfecties drastisch vermindert, en laten zien dat kwantumpuntcontacten op nanoschaal aanzienlijk minder ruis vertonen dan apparaten die zijn vervaardigd met behulp van conventionele benaderingen, " zegt Yonatan, wie is een FLEET Ph.D. student.

"Dit nieuwe, volledig uit één kristal bestaande ontwerp zal ideaal zijn voor het maken van ultrakleine elektronische apparaten, kwantum stippen, en voor qubit-toepassingen, ", zegt groepsleider prof. Alex Hamilton bij UNSW.

De uitdaging:elektronenverstrooiing beperkt hoogfrequente componenten

Halfgeleiderapparaten zijn een hoofdbestanddeel van de moderne elektronica. Veldeffecttransistors (FET's) zijn een van de bouwstenen van consumentenelektronica, computers en telecommunicatieapparatuur.

High-elektronmobiliteitstransistors (HEMT's) zijn veldeffecttransistoren die twee halfgeleiders combineren met een verschillende bandgap (dwz het zijn "heterostructuren") en worden veel gebruikt voor high-power, hoogfrequente toepassingen zoals mobiele telefoons, radar, radio- en satellietcommunicatie.

Deze apparaten zijn geoptimaliseerd om een ​​hoge geleidbaarheid te hebben (in vergelijking met conventionele MOSFET-apparaten) om minder apparaatruis te bieden en hogere frequenties mogelijk te maken. Het verbeteren van de elektronengeleiding binnen deze apparaten zou de apparaatprestaties in kritieke toepassingen direct moeten verbeteren.

De zoektocht om steeds kleinere elektronische apparaten te maken, vereist dat het geleidende kanaal in HEMT's zich dicht bij het oppervlak van het apparaat bevindt. Het uitdagende deel, die in de loop der jaren veel onderzoekers heeft verontrust, heeft zijn wortels in de eenvoudige elektronentransporttheorie:

Wanneer elektronen in vaste stoffen reizen, de elektrostatische kracht als gevolg van onvermijdelijke onzuiverheden/lading in de omgeving zorgt ervoor dat het elektronentraject afwijkt van het oorspronkelijke pad:het zogenaamde "elektronenverstrooiing"-proces. Hoe meer verstrooiende gebeurtenissen, hoe moeilijker het is voor elektronen om in de vaste stof te reizen, en dus hoe lager de geleidbaarheid.

Het oppervlak van halfgeleiders heeft vaak hoge niveaus van ongewenste lading die gevangen worden door de onbevredigde chemische bindingen - of "bungelende" bindingen - van de oppervlakte-atomen. Deze oppervlaktelading veroorzaakt verstrooiing van elektronen in het kanaal en vermindert de geleidbaarheid van het apparaat. Als gevolg hiervan, wanneer het geleidende kanaal dicht bij het oppervlak wordt gebracht, de prestaties/geleidbaarheid van de HEMT dalen snel.

Aanvullend, oppervlaktelading creëert lokale potentiële fluctuaties die, afgezien van het verlagen van de geleidbaarheid, resulteren in laadruis in gevoelige apparaten zoals kwantumpuntcontacten en kwantumdots.

De oplossing:eerst de schakelpoort laten groeien, vermindert verstrooiing

Samenwerken met wafeltelers van Cambridge University, het team van UNSW Sydney toonde aan dat het probleem in verband met oppervlaktelading kan worden geëlimineerd door een epitaxiale aluminium poort te laten groeien voordat de wafer uit de groeikamer wordt verwijderd.

"We hebben de prestatieverbetering bevestigd via karakteriseringsmetingen in het laboratorium van UNSW, " zegt co-auteur Dr. Daisy Wang.

Het team vergeleek ondiepe HEMT's vervaardigd op twee wafels met bijna identieke structuren en groeiomstandigheden - een met een epitaxiale aluminium poort, en een tweede met een ex-situ metalen poort afgezet op een aluminiumoxide diëlektricum.

Ze karakteriseerden de apparaten met behulp van transportmetingen bij lage temperatuur en toonden aan dat het epitaxiale poortontwerp de verstrooiing van de oppervlaktelading aanzienlijk verminderde, met tot 2,5× toename van de geleidbaarheid.

Ze toonden ook aan dat de epitaxiale aluminium poort van een patroon kan worden voorzien om nanostructuren te maken. Een kwantumpuntcontact vervaardigd met behulp van de voorgestelde structuur toonde robuuste en reproduceerbare 1D-geleidingskwantisatie, met extreem laag laadgeluid.

De hoge geleidbaarheid in ultra-ondiepe wafels, en de compatibiliteit van de structuur met reproduceerbare fabricage van nano-apparaten, suggereert dat MBE-gegroeide aluminium gated wafers ideale kandidaten zijn voor het maken van ultrakleine elektronische apparaten, kwantum stippen, en voor qubit-toepassingen.

"Hoge elektronenmobiliteit en kwantumpuntcontacten met weinig ruis in een ultra-ondiepe, volledig epitaxiale metalen poort GaAs / AlxGa1-xAs heterostructuur" werd gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven in augustus 2021.