Menumbuhkan komponen ke a Semikonduktor menyekat

Satu kajian baru dari UNSW Sydney telah menunjukkan bahawa dengan mengembangkan komponen elektronik terus ke a semikonduktor menyekat adalah mungkin untuk mengelakkan penyebaran pengoksidaan yang tidak kemas dan bising yang melambatkan dan menghalang operasi elektronik.

Dengan keperluan transistor yang semakin kecil saluran yang mengalir oleh elektron harus sangat dekat dengan antara muka antara semikonduktor dan gerbang logam yang digunakan untuk menghidupkan Transistor hidup dan mati.

Pengoksidaan permukaan yang tidak dapat dielakkan dan pencemaran permukaan lain cenderung menyebabkan penyebaran elektron yang tidak diingini mengalir melalui saluran, dan juga boleh menyebabkan ketidakstabilan dan kebisingan yang sangat bermasalah bagi peranti kuantum.

Bekerjasama dengan penanam wafer di Cambridge University, pasukan penyelidik di UNSW Sydney telah berjaya membuat transistor di mana gerbang logam ultra tipis ditanam sebagai sebahagian daripada kristal semikonduktor, mencegah masalah yang berkaitan dengan pengoksidaan permukaan semikonduktor dan mengurangkan kesan yang tidak diingini dari ketidaksempurnaan permukaan.

"Reka bentuk kristal tunggal yang baru ini akan sangat sesuai untuk membuat peranti elektronik ultra kecil, titik kuantum, dan untuk aplikasi qubit," komentar ketua kumpulan Prof Alex Hamilton.

Transistor kesan medan (FET) dan transistor mobiliti elektron tinggi (HEMT) dapat dioptimumkan lagi untuk mempunyai kekonduksian tinggi untuk memberikan bunyi peranti yang lebih rendah dan membolehkan operasi frekuensi lebih tinggi. Meningkatkan pengaliran elektron dalam peranti ini secara langsung dapat meningkatkan prestasi peranti dalam aplikasi kritikal.

Penyelidikan ini bertujuan untuk mengatasi cabaran utama iaitu ketika elektron bergerak dalam pepejal, daya elektrostatik kerana kekotoran / cas yang tidak dapat dielakkan di persekitaran menyebabkan lintasan elektron menyimpang dari jalan asal, yang digambarkan sebagai proses 'penyebaran elektron' . Semakin banyak peristiwa penyerakan, semakin sukar elektron bergerak dalam pepejal, dan dengan itu semakin rendah kekonduksiannya.

Permukaan semikonduktor sering mempunyai tahap cas yang tidak diingini yang tinggi yang terperangkap oleh ikatan kimia yang tidak memuaskan - atau ikatan "menggantung" - dari

atom permukaan. Cas permukaan ini menyebabkan penyerakan elektron di saluran dan mengurangkan kekonduksian peranti. Akibatnya, apabila saluran pengalir dibawa dekat ke permukaan, prestasi dan kekonduksian HEMT menjunam dengan cepat.

Sebagai tambahan, cas permukaan dapat membuat turun naik potensi tempatan yang, selain daripada menurunkan kekonduksian, mengakibatkan kebisingan cas pada peranti sensitif seperti kontak titik kuantum dan titik kuantum.

Pasukan di UNSW Sydney telah dapat menunjukkan bahawa masalah yang berkaitan dengan cas permukaan dapat dihilangkan dengan mengembangkan gerbang aluminium epitaxial sebelum mengeluarkan wafer dari ruang pertumbuhan.

"Kami mengesahkan peningkatan prestasi melalui pengukuran pencirian di makmal di UNSW," kata Dr Daisy Wang.

Pasukan membandingkan HEMT cetek yang dibuat pada dua wafer dengan struktur dan keadaan pertumbuhan yang hampir sama - satu dengan gerbang aluminium epitaxial, dan yang kedua dengan gerbang logam ex-situ yang tersimpan di dielektrik aluminium oksida.

Mereka mencirikan alat yang menggunakan ukuran pengangkutan suhu rendah dan menunjukkan reka bentuk gerbang epitaxial mengurangkan hamburan cas permukaan, dengan peningkatan kekonduksian hingga 2.5 ×.

Penyelidikan pasukan juga menunjukkan bahawa gerbang aluminium epitaxial dapat digambarkan untuk membuat struktur nano. Kontak titik-kuantum yang dibuat menggunakan struktur yang dicadangkan menunjukkan kuantisasi konduktansi 1D yang kuat dan dapat dihasilkan, dengan bunyi cas yang sangat rendah.

Kekonduksian tinggi dalam wafer ultra-dangkal, dan keserasian struktur dengan fabrikasi peranti nano yang dapat dihasilkan semula, menunjukkan bahawa wafer aluminium berpagar MBE yang ditanam boleh menjadi calon yang sesuai untuk membuat peranti elektronik ultra kecil, titik kuantum, dan untuk aplikasi qubit.

• "Mobiliti elektron tinggi dan kenalan titik kuantum bunyi rendah dalam gerbang logam ultra-dangkal semua-epitaxial GaAs / AlxGa1-xAs heterostruktur" diterbitkan dalam Surat Fizik Gunaan pada bulan Ogos 2021.