I componenti elettronici "in crescita" direttamente sul blocco dei semiconduttori evitano la dispersione di ossidazione disordinata e rumorosa che rallenta e impedisce il funzionamento dell'elettronica.
Uno studio dell'UNSW pubblicato questo mese mostra che i componenti ad alta mobilità risultanti sono candidati ideali per dispositivi elettronici ultra-piccoli e ad alta frequenza, punti quantici e applicazioni qubit nell'informatica quantistica.
Più piccolo significa più veloce, ma anche più rumoroso
Rendere i computer più veloci richiede transistor sempre più piccoli, con questi componenti elettronici che ora hanno solo una manciata di nanometri di dimensione. (Ci sono circa 12 miliardi di transistor nel chip centrale grande quanto un francobollo degli smartphone moderni.)
Tuttavia, in dispositivi ancora più piccoli, il canale attraverso il quale scorrono gli elettroni deve essere molto vicino all'interfaccia tra il Semiconduttore e il cancello metallico usato per girare il Transistor acceso e spento. L'inevitabile ossidazione superficiale e altri contaminanti superficiali causano una dispersione indesiderata di elettroni che fluiscono attraverso il canale e portano anche a instabilità e rumore che sono particolarmente problematici per i dispositivi quantistici.
Nel nuovo lavoro, i ricercatori creano transistor in cui viene cresciuta una porta metallica ultrasottile come parte del semiconduttore cristallo, prevenendo i problemi associati all'ossidazione della superficie del semiconduttore.
Abbiamo dimostrato che questo nuovo design riduce drasticamente gli effetti indesiderati delle imperfezioni della superficie e mostra che i contatti dei punti quantici su scala nanometrica presentano un rumore significativamente inferiore rispetto ai dispositivi fabbricati utilizzando approcci convenzionali.
Questo nuovo design a cristallo singolo sarà l'ideale per realizzare dispositivi elettronici ultra piccoli, punti quantici e applicazioni qubit.
I dispositivi a semiconduttore sono un elemento fondamentale dell'elettronica moderna. I transistor ad effetto di campo (FET) sono uno degli elementi costitutivi dell'elettronica di consumo, dei computer e dei dispositivi di telecomunicazione.
I transistor ad alta mobilità degli elettroni (HEMT) sono transistor ad effetto di campo che combinano due semiconduttori con bandgap diverso (cioè sono "eterostrutture") e sono ampiamente utilizzati per applicazioni ad alta potenza e alta frequenza come telefoni cellulari, radar, radio e comunicazioni satellitari.
Questi dispositivi sono ottimizzati per avere un'elevata conduttività (rispetto ai tradizionali mosfet dispositivi) per fornire un rumore del dispositivo inferiore e consentire operazioni a frequenza più elevata. Il miglioramento della conduzione degli elettroni all'interno di questi dispositivi dovrebbe migliorare direttamente le prestazioni del dispositivo nelle applicazioni critiche.
La ricerca di dispositivi elettronici sempre più piccoli richiede che il canale conduttivo negli HEMT sia in prossimità della superficie del dispositivo. La parte impegnativa, che ha turbato molti ricercatori nel corso degli anni, ha le sue radici nella semplice teoria del trasporto degli elettroni:
Quando gli elettroni viaggiano nei solidi, la forza elettrostatica dovuta alle inevitabili impurità/carica nell'ambiente fa deviare la traiettoria dell'elettrone dal percorso originale: il cosiddetto processo di “scattering di elettroni”. Maggiore è la diffusione degli eventi, più difficile è per gli elettroni viaggiare nel solido, e quindi minore è la conduttività.
La superficie dei semiconduttori ha spesso alti livelli di carica indesiderata intrappolata dai legami chimici insoddisfatti - o legami "pendenti" - degli atomi di superficie. Questa carica superficiale provoca la dispersione degli elettroni nel canale e riduce la conduttività del dispositivo. Di conseguenza, quando il canale conduttivo viene avvicinato alla superficie, le prestazioni/conducibilità dell'HEMT precipitano rapidamente.
Inoltre, la carica superficiale crea fluttuazioni potenziali locali che, oltre a ridurre la conduttività, provocano un rumore di carica in dispositivi sensibili come contatti a punto quantico e punti quantici.
La soluzione: far crescere prima il gate di commutazione riduce la dispersione
Collaborando con i coltivatori di wafer dell'Università di Cambridge, il team dell'UNSW Sydney ha dimostrato che il problema associato alla carica superficiale può essere eliminato coltivando un cancello epitassiale in alluminio prima di rimuovere il wafer dalla camera di crescita.
Il team ha confrontato gli HEMT poco profondi fabbricati su due wafer con strutture e condizioni di crescita quasi identiche: uno con un cancello in alluminio epitassiale e un secondo con un cancello metallico ex-situ depositato su un dielettrico in ossido di alluminio.
Hanno caratterizzato i dispositivi utilizzando misurazioni di trasporto a bassa temperatura e hanno mostrato che il design del gate epitassiale ha notevolmente ridotto la dispersione della carica superficiale, con un aumento fino a 2.5 volte della conduttività.
Hanno anche dimostrato che la porta epitassiale in alluminio può essere modellata per creare nanostrutture. UN quantistico-punto di contatto fabbricato utilizzando la struttura proposta ha mostrato una quantizzazione della conduttanza 1D robusta e riproducibile, con un rumore di carica estremamente basso.
L'elevata conduttività nei wafer ultra-superficiali e la compatibilità della struttura con la fabbricazione riproducibile di nano-dispositivi suggerisce che i wafer con gate in alluminio coltivati con MBE sono candidati ideali per la realizzazione di dispositivi elettronici ultra-piccoli, punti quantici e applicazioni qubit.
ELE Times
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