Das „Wachsen“ elektronischer Komponenten direkt auf Halbleiterblöcke vermeidet unordentliche, laute Oxidationsstreuung, die den elektronischen Betrieb verlangsamt und behindert.
Eine diesen Monat veröffentlichte UNSW-Studie zeigt, dass die resultierenden hochmobilen Komponenten ideale Kandidaten für hochfrequente, ultrakleine elektronische Geräte, Quantenpunkte und Qubit-Anwendungen im Quantencomputing sind.
Kleiner heißt schneller, aber auch lauter
Um Computer schneller zu machen, werden immer kleinere Transistoren benötigt, wobei diese elektronischen Bauteile nur noch eine Handvoll Nanometer groß sind. (In dem briefmarkengroßen Zentralchip moderner Smartphones befinden sich rund 12 Milliarden Transistoren.)
Bei noch kleineren Geräten muss der Kanal, durch den die Elektronen fließen, jedoch sehr nahe an der Grenzfläche zwischen den Halbleiter und das metallische Tor, mit dem die Transistor an und aus. Unvermeidbare Oberflächenoxidation und andere Oberflächenverunreinigungen verursachen eine unerwünschte Streuung der durch den Kanal strömenden Elektronen und führen auch zu Instabilitäten und Rauschen, die für Quantenbauelemente besonders problematisch sind.
In der neuen Arbeit entwickeln die Forscher Transistoren, in denen ein ultradünnes Metall-Gate als Teil des Transistors gewachsen ist Halbleiter Kristall, wodurch Probleme im Zusammenhang mit der Oxidation der Halbleiteroberfläche vermieden werden.
Wir haben gezeigt, dass dieses neue Design unerwünschte Effekte von Oberflächenfehlern drastisch reduziert und zeigen, dass nanoskalige Quantenpunktkontakte ein deutlich geringeres Rauschen aufweisen als mit herkömmlichen Ansätzen hergestellte Bauelemente.
Dieses neue Einkristall-Design ist ideal für die Herstellung von ultrakleinen elektronischen Geräten, Quantenpunkten und Qubit-Anwendungen.
Halbleiterbauelemente sind ein fester Bestandteil der modernen Elektronik. Feldeffekttransistoren (FETs) sind einer der Bausteine von Unterhaltungselektronik, Computern und Telekommunikationsgeräten.
Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs) sind Feldeffekttransistoren, die zwei Halbleiter mit unterschiedlicher Bandlücke kombinieren (dh sie sind „Heterostrukturen“) und werden häufig für Hochleistungs-Hochfrequenzanwendungen wie Mobiltelefone, Radar, Funk und Satellitenkommunikation.
Diese Geräte sind auf eine hohe Leitfähigkeit optimiert (im Vergleich zu herkömmlichen MOSFET Geräte), um ein geringeres Geräterauschen zu erzielen und einen Betrieb mit höheren Frequenzen zu ermöglichen. Die Verbesserung der Elektronenleitung innerhalb dieser Vorrichtungen sollte die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung in kritischen Anwendungen direkt verbessern.
Das Bestreben, immer kleinere elektronische Geräte herzustellen, erfordert, dass sich der leitende Kanal in HEMTs in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des Geräts befindet. Der herausfordernde Teil, der viele Forscher im Laufe der Jahre beschäftigt hat, hat seine Wurzeln in der einfachen Elektronentransporttheorie:
Wenn sich Elektronen in Festkörpern bewegen, führt die elektrostatische Kraft durch unvermeidbare Verunreinigungen/Ladungen in der Umgebung dazu, dass die Elektronenbahn von der ursprünglichen Bahn abweicht: der sogenannte „Elektronenstreuungsprozess“. Je mehr Streuereignisse, desto schwieriger ist es für Elektronen, sich im Festkörper zu bewegen und desto geringer ist die Leitfähigkeit.
Die Oberfläche von Halbleitern weist oft ein hohes Maß an unerwünschter Ladung auf, die durch die nicht erfüllten chemischen Bindungen – oder „baumelnden“ Bindungen – der Oberflächenatome eingefangen wird. Diese Oberflächenladung verursacht die Streuung von Elektronen im Kanal und verringert die Leitfähigkeit der Vorrichtung. Infolgedessen sinkt die Leistung/Leitfähigkeit des HEMT schnell, wenn der leitende Kanal nahe an die Oberfläche gebracht wird.
Darüber hinaus erzeugt die Oberflächenladung lokale Potentialfluktuationen, die neben der Verringerung der Leitfähigkeit auch zu Ladungsrauschen in empfindlichen Bauelementen wie Quantenpunktkontakten und Quantenpunkten führen.
Die Lösung: Erst das Wachsen des Schalttors reduziert die Streuung
In Zusammenarbeit mit Waferzüchtern der Universität Cambridge zeigte das Team der UNSW Sydney, dass das mit der Oberflächenladung verbundene Problem beseitigt werden kann, indem ein epitaktisches Aluminiumgate gezüchtet wird, bevor der Wafer aus der Wachstumskammer entfernt wird.
Das Team verglich flache HEMTs, die auf zwei Wafern mit nahezu identischen Strukturen und Wachstumsbedingungen hergestellt wurden – einer mit einem epitaktischen Aluminium-Gate und ein zweiter mit einem ex-situ-Metall-Gate, das auf einem Aluminiumoxid-Dielektrikum abgeschieden wurde.
Sie charakterisierten die Bauelemente mit Niedertemperatur-Transportmessungen und zeigten, dass das epitaktische Gate-Design die Oberflächenladungsstreuung stark reduzierte, mit einer bis zu 2.5-fachen Erhöhung der Leitfähigkeit.
Sie zeigten auch, dass das epitaktische Aluminiumgate strukturiert werden kann, um Nanostrukturen herzustellen. EIN Quanten--Punktkontakt, der unter Verwendung der vorgeschlagenen Struktur hergestellt wurde, zeigte eine robuste und reproduzierbare 1D-Leitfähigkeitsquantisierung mit extrem niedrigem Ladungsrauschen.
Die hohe Leitfähigkeit in ultraflachen Wafern und die Kompatibilität der Struktur mit der reproduzierbaren Herstellung von Nanogeräten legen nahe, dass MBE-gezüchtete Aluminium-Gated-Wafer ideale Kandidaten für die Herstellung ultrakleiner elektronischer Geräte, Quantenpunkte und Qubit-Anwendungen sind.
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