Autor principal, estudiante de doctorado de FLEET, Yonatan Ashlea Alava (UNSW). Crédito:FLOTA
Los componentes electrónicos "en crecimiento" directamente en un bloque semiconductor evita el desorden, Difusión de oxidación ruidosa que ralentiza e impide el funcionamiento electrónico.
Un estudio de la UNSW publicado este mes muestra que los componentes de alta movilidad resultantes son candidatos ideales para aplicaciones de alta frecuencia, dispositivos electrónicos ultrapequeños, puntos cuánticos, y para aplicaciones de qubit en computación cuántica.
Más pequeño significa más rápido, pero tambien mas ruidoso
Hacer que las computadoras sean más rápidas requiere transistores cada vez más pequeños, con estos componentes electrónicos ahora solo tienen un puñado de nanómetros de tamaño. (Hay alrededor de 12 mil millones de transistores en el chip central del tamaño de un sello postal de los teléfonos inteligentes modernos).
Sin embargo, en dispositivos aún más pequeños, el canal por el que fluyen los electrones tiene que estar muy cerca de la interfaz entre el semiconductor y la puerta metálica utilizada para encender y apagar el transistor. La oxidación inevitable de la superficie y otros contaminantes de la superficie provocan la dispersión no deseada de los electrones que fluyen a través del canal. y también conducen a inestabilidades y ruido que son particularmente problemáticos para los dispositivos cuánticos.
"En el nuevo trabajo creamos transistores en los que se hace crecer una puerta de metal ultradelgada como parte del cristal semiconductor, prevenir problemas asociados con la oxidación de la superficie del semiconductor, "dice el autor principal Yonatan Ashlea Alava.
"Hemos demostrado que este nuevo diseño reduce drásticamente los efectos no deseados de las imperfecciones de la superficie, y muestran que los contactos de puntos cuánticos a nanoescala exhiben un ruido significativamente menor que los dispositivos fabricados con enfoques convencionales, "dice Yonatan, que es un Ph.D. de FLOTA estudiante.
"Este nuevo diseño monocristalino será ideal para fabricar dispositivos electrónicos ultrapequeños, puntos cuánticos, y para aplicaciones qubit, "comenta el líder del grupo, el profesor Alex Hamilton, de la UNSW.
Primer plano:el dispositivo de heteroestructura que se está construyendo y estudiando en la UNSW. Crédito:FLOTA
El desafío:la dispersión de electrones limita los componentes de alta frecuencia
Los dispositivos semiconductores son un elemento básico de la electrónica moderna. Los transistores de efecto de campo (FET) son uno de los componentes básicos de la electrónica de consumo, computadoras y dispositivos de telecomunicaciones.
Los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) son transistores de efecto de campo que combinan dos semiconductores con diferente banda prohibida (es decir, son "heteroestructuras") y se utilizan ampliamente para alta potencia, aplicaciones de alta frecuencia como teléfonos móviles, Radar, Comunicaciones por radio y satélite.
Estos dispositivos están optimizados para tener una alta conductividad (en comparación con los dispositivos MOSFET convencionales) para proporcionar un menor ruido del dispositivo y permitir operaciones de mayor frecuencia. La mejora de la conducción de electrones dentro de estos dispositivos debería mejorar directamente el rendimiento del dispositivo en aplicaciones críticas.
La búsqueda para fabricar dispositivos electrónicos cada vez más pequeños exige que el canal conductor en los HEMT esté muy cerca de la superficie del dispositivo. La parte desafiante que ha preocupado a muchos investigadores a lo largo de los años, tiene sus raíces en la teoría simple del transporte de electrones:
Cuando los electrones viajan en sólidos, la fuerza electrostática debida a impurezas / cargas inevitables en el medio ambiente hace que la trayectoria del electrón se desvíe de la trayectoria original:el llamado proceso de "dispersión de electrones". Los eventos más dispersos, cuanto más difícil es para los electrones viajar en el sólido, y por tanto, menor es la conductividad.
La superficie de los semiconductores a menudo tiene altos niveles de carga no deseada atrapada por los enlaces químicos insatisfechos, o enlaces "colgantes", de los átomos de la superficie. Esta carga superficial provoca la dispersión de electrones en el canal y reduce la conductividad del dispositivo. Como consecuencia, cuando el canal conductor se acerca a la superficie, el rendimiento / conductividad del HEMT se hunde rápidamente.
Adicionalmente, La carga superficial crea fluctuaciones potenciales locales que, además de bajar la conductividad, dan lugar a ruido de carga en dispositivos sensibles como contactos de punto cuántico y puntos cuánticos.
La caracterización eléctrica del nuevo dispositivo de heteroestructura demostró una dispersión de carga superficial muy reducida, y una mejora significativa en la conductividad. Crédito:FLOTA
La solución:hacer crecer la puerta de conmutación primero reduce la dispersión
Colaborando con productores de obleas en la Universidad de Cambridge, El equipo de UNSW Sydney demostró que el problema asociado con la carga superficial se puede eliminar haciendo crecer una puerta de aluminio epitaxial antes de retirar la oblea de la cámara de crecimiento.
"Confirmamos la mejora del rendimiento mediante mediciones de caracterización en el laboratorio de la UNSW, "dice la coautora, la Dra. Daisy Wang.
El equipo comparó los HEMT poco profundos fabricados en dos obleas con estructuras y condiciones de crecimiento casi idénticas:una con una compuerta de aluminio epitaxial, y un segundo con una puerta metálica ex situ depositada sobre un dieléctrico de óxido de aluminio.
Caracterizaron los dispositivos utilizando mediciones de transporte a baja temperatura y mostraron que el diseño de la puerta epitaxial redujo en gran medida la dispersión de carga superficial. con un aumento de hasta 2,5 veces la conductividad.
También demostraron que la puerta de aluminio epitaxial se puede modelar para hacer nanoestructuras. Un contacto de punto cuántico fabricado utilizando la estructura propuesta mostró una cuantificación de conductancia 1D robusta y reproducible, con ruido de carga extremadamente bajo.
La alta conductividad en obleas ultra-superficiales, y la compatibilidad de la estructura con la fabricación reproducible de nanodispositivos, sugiere que las obleas con compuerta de aluminio cultivadas con MBE son candidatos ideales para fabricar dispositivos electrónicos ultrapequeños, puntos cuánticos, y para aplicaciones qubit.
"Alta movilidad de electrones y contactos de punto cuántico de bajo ruido en una heteroestructura de puerta metálica totalmente epitaxial ultra superficial GaAs / AlxGa1 – xAs" se publicó en Letras de física aplicada en agosto de 2021.
