Исследование UNSW, проведенное в этом месяце, показывает, что полученные в результате компоненты с высокой мобильностью являются идеальными кандидатами для высокочастотных сверхмалых электронных устройств, квантовых точек и для приложений кубитов в квантовых вычислениях.
Меньше значит быстрее, но шумнее
Чтобы сделать компьютеры более быстрыми, требуются транзисторы все меньшего размера, а эти электронные компоненты теперь имеют размер всего несколько нанометров. (В центральном кристалле современных смартфонов размером с почтовую марку содержится около 12 миллиардов транзисторов.)
Однако в еще меньших устройствах канал, через который проходят электроны, должен находиться очень близко к границе раздела между полупроводником и металлическим затвором, используемым для включения и выключения транзистора.
Неизбежное окисление поверхности и другие поверхностные загрязнения вызывают нежелательное рассеяние электронов, протекающих через канал, а также приводят к нестабильности и шуму, которые особенно проблематичны для квантовых устройств.
«В новой работе мы создаем транзисторы, в которых ультратонкий металлический затвор выращивается как часть полупроводникового кристалла, что предотвращает проблемы, связанные с окислением поверхности полупроводника», – говорит ведущий автор Йонатан Ашли Алава.
«Мы продемонстрировали, что эта новая конструкция значительно снижает нежелательные эффекты от поверхностных дефектов, и демонстрирует, что наноразмерные квантовые точечные контакты демонстрируют значительно более низкий уровень шума, чем устройства, изготовленные с использованием традиционных подходов», – говорит Йонатан, аспирант FLEET.
«Эта новая полностью монокристаллическая конструкция будет идеальной для создания сверхмалых электронных устройств, квантовых точек и для применения в кубитах», – комментирует руководитель группы профессор Алекс Гамильтон из UNSW.
Проблема: пределы рассеяния электронов на высокочастотные компоненты
Полупроводниковые приборы – основа современной электроники. Полевые транзисторы (FET) – один из строительных блоков бытовой электроники, компьютеров и телекоммуникационных устройств.
Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) – это полевые транзисторы, которые объединяют два полупроводника с разной шириной запрещенной зоны (т.
Е. Являются «гетероструктурами») и широко используются для мощных высокочастотных приложений, таких как сотовые телефоны, радары, радио. и спутниковая связь.
Эти устройства оптимизированы для обеспечения высокой проводимости (по сравнению с обычными устройствами MOSFET), чтобы обеспечить более низкий уровень шума устройства и обеспечить работу на более высоких частотах. Улучшение электронной проводимости в этих устройствах должно напрямую улучшить производительность устройств в критических приложениях.
Стремление делать электронные устройства все меньшего размера требует, чтобы проводящий канал в HEMT находился в непосредственной близости от поверхности устройства. Сложная часть, которая беспокоила многих исследователей на протяжении многих лет, уходит своими корнями в простую теорию переноса электронов:
Когда электроны перемещаются в твердых телах, электростатическая сила из-за неизбежных примесей / заряда в окружающей среде заставляет траекторию электрона отклоняться от первоначального пути: так называемый процесс “ рассеяния электронов ”. Чем больше случаев рассеяния, тем труднее электронам перемещаться в твердом теле и, следовательно, тем ниже проводимость.
Поверхность полупроводников часто имеет высокий уровень нежелательного заряда, захваченного неудовлетворенными химическими связями – или «оборванными» связями – поверхностных атомов. Этот поверхностный заряд вызывает рассеяние электронов в канале и снижает проводимость устройства.
Как следствие, когда проводящий канал приближается к поверхности, производительность / проводимость HEMT быстро падает.
Кроме того, поверхностный заряд создает локальные потенциальные флуктуации, которые, помимо снижения проводимости, приводят к зарядовому шуму в чувствительных устройствах, таких как квантовые точечные контакты и квантовые точки.
Решение: сначала увеличение переключающего затвора уменьшает рассеяние
Сотрудничая с производителями пластин из Кембриджского университета, команда UNSW в Сиднее показала, что проблема, связанная с поверхностным зарядом, может быть устранена путем выращивания эпитаксиального алюминиевого затвора перед извлечением пластины из камеры для выращивания.
«Мы подтвердили улучшение характеристик с помощью измерений характеристик в лаборатории UNSW», – говорит соавтор доктор Дейзи Ван.
Команда сравнила неглубокие HEMT, изготовленные на двух пластинах с почти идентичными структурами и условиями роста – одна с эпитаксиальным алюминиевым затвором, а вторая с металлическим затвором ex-situ, нанесенным на диэлектрик из оксида алюминия.
Они охарактеризовали устройства, используя измерения низкотемпературного переноса, и показали, что конструкция эпитаксиального затвора значительно снижает рассеяние поверхностного заряда, до 2.5? увеличение проводимости.
Они также показали, что эпитаксиальный алюминиевый затвор может быть структурирован для создания наноструктур.
Квантово-точечный контакт, изготовленный с использованием предложенной структуры, продемонстрировал надежное и воспроизводимое квантование одномерной проводимости с чрезвычайно низким зарядовым шумом.
Высокая проводимость сверхмелких пластин и совместимость структуры с воспроизводимым процессом изготовления наноустройств позволяет предположить, что алюминиевые затворные пластины, выращенные методом MBE, являются идеальными кандидатами для создания сверхмалых электронных устройств, квантовых точек и для применения в кубитах.