Les composants électroniques « en croissance » directement sur le bloc de semi-conducteurs évitent une diffusion d'oxydation désordonnée et bruyante qui ralentit et entrave le fonctionnement électronique.
Une étude de l'UNSW publiée ce mois-ci montre que les composants à haute mobilité qui en résultent sont des candidats idéaux pour les appareils électroniques ultra-petits à haute fréquence, les points quantiques et les applications qubit en informatique quantique.
Plus petit signifie plus rapide, mais aussi plus bruyant
Pour rendre les ordinateurs plus rapides, il faut des transistors de plus en plus petits, ces composants électroniques ne mesurant plus que quelques nanomètres. (Il y a environ 12 milliards de transistors dans la puce centrale de la taille d'un timbre-poste des smartphones modernes.)
Cependant, dans des appareils encore plus petits, le canal traversé par les électrons doit être très proche de l'interface entre le Semi-conducteurs et la grille métallique utilisée pour Transistor allumé et éteint. L'oxydation de surface inévitable et d'autres contaminants de surface provoquent une diffusion indésirable des électrons circulant dans le canal et entraînent également des instabilités et du bruit qui sont particulièrement problématiques pour les dispositifs quantiques.
Dans ce nouveau travail, les chercheurs créent des transistors dans lesquels une grille métallique ultra-mince est développée dans le cadre du semi-conducteur cristal, évitant ainsi les problèmes associés à l'oxydation de la surface du semi-conducteur.
Nous avons démontré que cette nouvelle conception réduit considérablement les effets indésirables des imperfections de surface et montrons que les contacts ponctuels quantiques à l'échelle nanométrique présentent un bruit significativement inférieur à celui des dispositifs fabriqués à l'aide d'approches conventionnelles.
Cette nouvelle conception monocristalline sera idéale pour la fabrication d'appareils électroniques ultra-petits, de points quantiques et d'applications qubit.
Les dispositifs à semi-conducteurs sont un élément de base de l'électronique moderne. Les transistors à effet de champ (FET) sont l'un des éléments constitutifs de l'électronique grand public, des ordinateurs et des appareils de télécommunication.
Les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) sont des transistors à effet de champ qui combinent deux semi-conducteurs avec une bande interdite différente (c. communications par satellite.
Ces appareils sont optimisés pour avoir une conductivité élevée (par rapport aux mosfet périphériques) pour réduire le bruit de l'appareil et permettre des opérations à plus haute fréquence. L'amélioration de la conduction électronique au sein de ces dispositifs devrait directement améliorer les performances des dispositifs dans les applications critiques.
La quête pour fabriquer des appareils électroniques de plus en plus petits exige que le canal conducteur des HEMT soit à proximité immédiate de la surface de l'appareil. La partie difficile, qui a troublé de nombreux chercheurs au fil des ans, a ses racines dans la théorie simple du transport d'électrons :
Lorsque les électrons se déplacent dans les solides, la force électrostatique due aux impuretés/charges inévitables dans l'environnement fait que la trajectoire des électrons s'écarte du chemin d'origine : le processus dit de « diffusion d'électrons ». Plus les événements sont diffusants, plus il est difficile pour les électrons de se déplacer dans le solide, et donc plus la conductivité est faible.
La surface des semi-conducteurs présente souvent des niveaux élevés de charges indésirables piégées par les liaisons chimiques non satisfaites - ou liaisons « pendantes » - des atomes de surface. Cette charge de surface provoque la diffusion des électrons dans le canal et réduit la conductivité du dispositif. En conséquence, lorsque le canal conducteur est rapproché de la surface, les performances/conductivité du HEMT plongent rapidement.
De plus, la charge de surface crée des fluctuations de potentiel locales qui, en plus d'abaisser la conductivité, entraînent un bruit de charge dans les dispositifs sensibles tels que les contacts ponctuels et les points quantiques.
La solution : la croissance de la grille de commutation réduit d'abord la diffusion
En collaboration avec des producteurs de plaquettes de l'Université de Cambridge, l'équipe de l'UNSW Sydney a montré que le problème associé à la charge de surface peut être éliminé en faisant croître une grille épitaxiale en aluminium avant de retirer la plaquette de la chambre de croissance.
L'équipe a comparé des HEMT peu profonds fabriqués sur deux plaquettes avec des structures et des conditions de croissance presque identiques - une avec une grille en aluminium épitaxiale et une seconde avec une grille en métal ex-situ déposée sur un diélectrique en oxyde d'aluminium.
Ils ont caractérisé les dispositifs à l'aide de mesures de transport à basse température et ont montré que la conception de la grille épitaxiale réduisait considérablement la diffusion des charges de surface, avec une augmentation jusqu'à 2.5 fois de la conductivité.
Ils ont également montré que la grille épitaxiale en aluminium peut être modelée pour fabriquer des nanostructures. UNE quantum-le contact ponctuel fabriqué à l'aide de la structure proposée a montré une quantification de la conductance 1D robuste et reproductible, avec un bruit de charge extrêmement faible.
La conductivité élevée des plaquettes ultra-peu profondes et la compatibilité de la structure avec la fabrication reproductible de nano-dispositifs suggèrent que les plaquettes à grille en aluminium cultivées en MBE sont des candidats idéaux pour la fabrication de dispositifs électroniques ultra-petits, de points quantiques et d'applications qubit.
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