Door elektronische componenten direct op het halfgeleiderblok te laten groeien, wordt rommelige, luidruchtige oxidatieverstrooiing voorkomen die de elektronische werking vertraagt en belemmert.
Uit een UNSW-onderzoek van deze maand blijkt dat de resulterende componenten met hoge mobiliteit ideale kandidaten zijn voor hoogfrequente, ultrakleine elektronische apparaten, quantum dots en qubit-toepassingen in quantum computing.
Kleiner betekent sneller, maar ook luidruchtiger
Om computers sneller te maken zijn steeds kleinere transistors nodig, waarbij deze elektronische componenten nu nog maar een handvol nanometer groot zijn. (Er zitten ongeveer 12 miljard transistors in de centrale chip ter grootte van een postzegel van moderne smartphones.)
In nog kleinere apparaten moet het kanaal waar de elektronen doorheen stromen echter zeer dicht bij het grensvlak tussen de apparaten liggen Halfgeleider en de metalen poort die werd gebruikt om de Transistor aan en uit. Onvermijdelijke oppervlakteoxidatie en andere oppervlakteverontreinigingen veroorzaken ongewenste verstrooiing van elektronen die door het kanaal stromen en leiden ook tot instabiliteiten en ruis die bijzonder problematisch zijn voor kwantumapparaten.
In het nieuwe werk creëren de onderzoekers transistors waarin een ultradunne metalen poort is gegroeid als onderdeel van de halfgeleider kristal, waardoor problemen in verband met oxidatie van het halfgeleideroppervlak worden voorkomen.
We hebben aangetoond dat dit nieuwe ontwerp de ongewenste effecten van oppervlakte-imperfecties dramatisch vermindert, en laten zien dat kwantumpuntcontacten op nanoschaal aanzienlijk minder ruis vertonen dan apparaten die met conventionele benaderingen zijn vervaardigd.
Dit nieuwe ontwerp met één kristal is ideaal voor het maken van ultrakleine elektronische apparaten, kwantumdots en qubit-toepassingen.
Halfgeleiderapparaten zijn een belangrijk onderdeel van de moderne elektronica. Veldeffecttransistors (FET's) zijn een van de bouwstenen van consumentenelektronica, computers en telecommunicatieapparatuur.
Transistors met hoge elektronenmobiliteit (HEMT's) zijn veldeffecttransistors die twee halfgeleiders met verschillende bandafstand combineren (dat wil zeggen, het zijn 'heterostructuren') en worden veel gebruikt voor toepassingen met hoog vermogen en hoge frequentie, zoals mobiele telefoons, radar, radio en satellietcommunicatie.
Deze apparaten zijn geoptimaliseerd voor een hoge geleidbaarheid (in vergelijking met conventionele apparaten). mosfet apparaten) om minder apparaatruis te bieden en werking met hogere frequenties mogelijk te maken. Het verbeteren van de elektronengeleiding binnen deze apparaten zou de prestaties van het apparaat in kritische toepassingen direct moeten verbeteren.
De zoektocht om steeds kleinere elektronische apparaten te maken vereist dat het geleidingskanaal in HEMT's zich dicht bij het oppervlak van het apparaat bevindt. Het uitdagende deel, waar veel onderzoekers door de jaren heen last van hebben gehad, vindt zijn oorsprong in de eenvoudige elektronentransporttheorie:
Wanneer elektronen zich in vaste stoffen verplaatsen, zorgt de elektrostatische kracht als gevolg van onvermijdelijke onzuiverheden/ladingen in de omgeving ervoor dat het elektronentraject afwijkt van het oorspronkelijke pad: het zogenaamde ‘elektronenverstrooiing’-proces. Hoe meer verstrooiende gebeurtenissen, hoe moeilijker het is voor elektronen om zich in de vaste stof te verplaatsen, en dus hoe lager de geleidbaarheid.
Het oppervlak van halfgeleiders bevat vaak een hoge mate van ongewenste lading die wordt opgesloten door de onbevredigde chemische bindingen (of ‘bungelende’ bindingen) van de oppervlakteatomen. Deze oppervlaktelading veroorzaakt de verstrooiing van elektronen in het kanaal en vermindert de geleidbaarheid van het apparaat. Als gevolg hiervan daalt de prestatie/geleiding van de HEMT snel wanneer het geleidende kanaal dicht bij het oppervlak wordt gebracht.
Bovendien creëert oppervlaktelading lokale potentiële fluctuaties die, afgezien van het verlagen van de geleidbaarheid, resulteren in ladingsruis in gevoelige apparaten zoals kwantumpuntcontacten en kwantumdots.
De oplossing: door eerst de schakelpoort te laten groeien, wordt de verstrooiing verminderd
In samenwerking met wafelkwekers aan de Universiteit van Cambridge heeft het team van UNSW Sydney aangetoond dat het probleem dat verband houdt met oppervlaktelading kan worden geëlimineerd door een epitaxiale aluminium poort te laten groeien voordat de wafel uit de groeikamer wordt verwijderd.
Het team vergeleek ondiepe HEMT's vervaardigd op twee wafers met vrijwel identieke structuren en groeiomstandigheden: één met een epitaxiale aluminium poort en een tweede met een ex-situ metalen poort afgezet op een diëlektricum van aluminiumoxide.
Ze karakteriseerden de apparaten met behulp van transportmetingen bij lage temperaturen en toonden aan dat het epitaxiale poortontwerp de verstrooiing van oppervlakteladingen aanzienlijk verminderde, met een toename van de geleidbaarheid tot wel 2.5 keer.
Ze toonden ook aan dat de epitaxiale aluminium poort van een patroon kan worden voorzien om nanostructuren te maken. A quantum-puntcontact vervaardigd met behulp van de voorgestelde structuur vertoonde een robuuste en reproduceerbare 1D-geleidingskwantisering, met extreem lage ladingsruis.
De hoge geleidbaarheid in ultra-ondiepe wafers, en de compatibiliteit van de structuur met reproduceerbare fabricage van nano-apparaten, suggereert dat MBE-gekweekte aluminium-gated wafers ideale kandidaten zijn voor het maken van ultrakleine elektronische apparaten, kwantumdots en qubit-toepassingen.
ELE-tijden
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsInfineon ondersteunt ecosysteemontwikkeling in groene landbouw in samenwerking met Invest India bij ontwerpuitdaging voor motoraandrijvingen voor zonnepompen
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsInbase lanceert 'Urban Lite Z'-smartwatch met 1.75-inch IPS-scherm
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsSTMicroelectronics werkt samen met Eyeris aan integratie van Global-Shutter sensor Oplossing voor bewaking in de cabine van auto's
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsChipmaker GlobalFoundries dient vertrouwelijk in voor Amerikaanse beursgang: bronnen