Hjemmelavede halvledere til hurtigere, mindre elektronik

"Dyrkning" af elektroniske komponenter direkte på en halvlederblok undgår rodet, støjende oxidationsspredning, der bremser og forhindrer elektronisk drift.

En UNSW-undersøgelse i denne måned viser, at de resulterende højmobilitetskomponenter er ideelle kandidater til højfrekvente, ultra-små elektroniske enheder, kvanteprikker, og til qubit -applikationer i kvanteberegning.

Mindre betyder hurtigere, men også mere støjende

At gøre computere hurtigere kræver stadig mindre transistorer, med disse elektroniske komponenter nu kun en håndfuld nanometer i størrelse. (Der er omkring 12 milliarder transistorer i den centrale chip til frimærket størrelse på moderne smartphones.)

Imidlertid, i endnu mindre enheder, kanalen, som elektronerne strømmer igennem, skal være meget tæt på grænsefladen mellem halvlederen og den metalliske port, der bruges til at tænde og slukke transistoren. Uundgåelig overfladeoxidation og andre overfladeforurenende stoffer forårsager uønsket spredning af elektroner, der strømmer gennem kanalen, og også føre til ustabilitet og støj, der er særlig problematisk for kvanteenheder.

"I det nye arbejde skaber vi transistorer, hvor en ultratynd metalport vokser som en del af halvlederkrystallen, forhindring af problemer forbundet med oxidation af halvlederoverfladen, "siger hovedforfatter Yonatan Ashlea Alava.

"Vi har demonstreret, at dette nye design dramatisk reducerer uønskede effekter fra overfladefejl, og viser, at nanoskala -kvantepunktskontakter udviser signifikant lavere støj end enheder fremstillet ved hjælp af konventionelle metoder, "siger Yonatan, hvem er en FLEET Ph.D. studerende.

"Dette nye helt krystaldesign vil være ideelt til fremstilling af ultra-små elektroniske enheder, kvanteprikker, og til qubit -applikationer, "kommenterer gruppeleder prof Alex Hamilton ved UNSW.

Udfordringen:Elektronespredning begrænser højfrekvente komponenter

Halvlederenheder er en fast bestanddel af moderne elektronik. Felt-effekt transistorer (FET'er) er en af ​​byggestenene i forbrugerelektronik, computere og telekommunikationsenheder.

Transistorer med høj elektronmobilitet (HEMT'er) er felt-effekt-transistorer, der kombinerer to halvledere med forskellige båndgap (dvs. de er "heterostrukturer") og bruges i vid udstrækning til højeffekt, højfrekvente applikationer såsom mobiltelefoner, radar, radio- og satellitkommunikation.

Disse enheder er optimeret til at have høj ledningsevne (i sammenligning med konventionelle MOSFET -enheder) for at give lavere enhedsstøj og muliggøre operationer med højere frekvens. Forbedring af elektronledning i disse enheder bør direkte forbedre enhedens ydeevne i kritiske applikationer.

Stræben efter at gøre stadig mindre elektroniske enheder kræver, at den ledende kanal i HEMT'er skal være i nærheden af ​​enhedens overflade. Den udfordrende del, hvilket har bekymret mange forskere gennem årene, har sine rødder i enkel elektrontransportteori:

Når elektroner bevæger sig i faste stoffer, den elektrostatiske kraft på grund af uundgåelige urenheder/ladning i miljøet får elektronbanen til at afvige fra den oprindelige vej:den såkaldte "elektronspredning" -proces. De mere spredte begivenheder, jo vanskeligere er det for elektroner at rejse i faststoffet, og dermed jo lavere ledningsevne.

Overfladen på halvledere har ofte høje niveauer af uønsket ladning fanget af de utilfredsstillende kemiske bindinger - eller "dinglende" bindinger - af overfladeatomerne. Denne overfladeladning forårsager spredning af elektroner i kanalen og reducerer enhedens ledningsevne. Som en konsekvens, når den ledende kanal bringes tæt på overfladen, ydelsen/ledningsevnen for HEMT styrter hurtigt.

Derudover overfladeladning skaber lokale potentielle udsving, som, bortset fra at sænke ledningsevnen, resultere i ladningsstøj i følsomme enheder såsom kvantepunktskontakter og kvantepunkter.

Løsningen:At dyrke koblingsporten reducerer først spredning

Samarbejde med wafer -producenter ved Cambridge University, teamet ved UNSW Sydney viste, at problemet i forbindelse med overfladeladning kan elimineres ved at dyrke en epitaksial aluminiumsport, før waferen fjernes fra vækstkammeret.

"Vi bekræftede præstationsforbedringen via karakteriseringsmålinger i laboratoriet på UNSW, "siger medforfatter Dr. Daisy Wang.

Teamet sammenlignede lavvandede HEMT'er fremstillet på to skiver med næsten identiske strukturer og vækstbetingelser-den ene med en epitaksial aluminiumsport, og en anden med en ex-situ metalport afsat på et aluminiumoxid dielektrikum.

De karakteriserede enhederne ved hjælp af transportmålinger ved lav temperatur og viste epitaksialportens design stærkt reduceret spredning af overfladeladning, med op til 2,5 × stigning i ledningsevne.

De viste også, at den epitaksiale aluminiumsport kan mønstres til at lave nanostrukturer. En kvantepunktskontakt fremstillet ved hjælp af den foreslåede struktur viste robust og reproducerbar 1D-konduktanskvantisering, med ekstremt lav ladestøj.

Den høje ledningsevne i ultratynde skiver, og strukturens kompatibilitet med reproducerbar nano-enhed fremstilling, foreslår, at MBE-dyrkede skiver i aluminium er ideelle kandidater til fremstilling af ultra-små elektroniske enheder, kvanteprikker, og til qubit -applikationer.

"Høj elektronmobilitet og lav støjkvantumpunktkontakter i en ultra-lavt epitaksial metalport GaAs / AlxGa1-xAs heterostruktur" blev offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver i august 2021.