Auteur principal FLEET Doctorant Yonatan Ashlea Alava (UNSW). Crédit :FLOTTE
La "croissance" des composants électroniques directement sur un bloc semi-conducteur évite le désordre, diffusion d'oxydation 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 la haute fréquence, appareils électroniques ultra-petits, points quantiques, et pour les applications qubit en informatique quantique.
Plus petit signifie plus rapide, mais aussi plus bruyant
Rendre les ordinateurs plus rapides nécessite des transistors de plus en plus petits, avec ces composants électroniques maintenant seulement une poignée de 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-conducteur et la grille métallique utilisée pour allumer et éteindre le transistor. L'oxydation de surface inévitable et d'autres contaminants de surface provoquent une diffusion indésirable des électrons circulant dans le canal, et conduisent également à des instabilités et des bruits particulièrement problématiques pour les dispositifs quantiques.
"Dans le nouveau travail, nous créons des transistors dans lesquels une grille métallique ultra-mince est développée dans le cadre du cristal semi-conducteur, prévenir les problèmes liés à l'oxydation de la surface du semi-conducteur, ", explique l'auteur principal Yonatan Ashlea Alava.
"Nous avons démontré que ce nouveau design réduit considérablement les effets indésirables des imperfections de surface, et montrent que les contacts ponctuels quantiques à l'échelle nanométrique présentent un bruit significativement plus faible que les dispositifs fabriqués à l'aide d'approches conventionnelles, " dit Yonatan, qui est un Ph.D. FLEET. étudiant.
"Ce nouveau design tout monocristallin sera idéal pour fabriquer des appareils électroniques ultra-petits, points quantiques, et pour les applications qubit, " commente le chef de groupe, le professeur Alex Hamilton à l'UNSW.
Gros plan :le dispositif à hétérostructure en cours de construction et d'étude à l'UNSW. Crédit :FLOTTE
Le défi :la diffusion des électrons limite les composants haute fréquence
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, ordinateurs et 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'est-à-dire ce sont des "hétérostructures") et sont largement utilisées pour les fortes puissances, applications à haute fréquence telles que les téléphones portables, radar, communications radio et satellite.
Ces dispositifs sont optimisés pour avoir une conductivité élevée (par rapport aux dispositifs MOSFET conventionnels) pour fournir un bruit de dispositif inférieur 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 voyagent 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". Les événements les plus dispersés, plus il est difficile pour les électrons de voyager dans le solide, et donc plus la conductivité est faible.
La surface des semi-conducteurs a 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, la performance/conductivité du HEMT plonge rapidement.
En outre, la charge de surface crée des fluctuations de potentiel locales qui, en plus d'abaisser la conductivité, entraîner un bruit de charge dans les dispositifs sensibles tels que les contacts à points quantiques et les points quantiques.
La caractérisation électrique du nouveau dispositif à hétérostructure a démontré une diffusion de charge de surface considérablement réduite, et une amélioration significative de la conductivité. Crédit :FLOTTE
La solution :la croissance de la grille de commutation réduit d'abord la diffusion
Collaborer avec des producteurs de plaquettes à 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.
"Nous avons confirmé l'amélioration des performances via des mesures de caractérisation dans le laboratoire de l'UNSW, ", déclare la co-auteure Daisy Wang.
L'équipe a comparé des HEMT peu profonds fabriqués sur deux plaquettes avec des structures et des conditions de croissance presque identiques, l'une avec une grille en aluminium épitaxiale, et une seconde avec une grille métallique ex-situ déposée sur un diélectrique d'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 jusqu'à 2,5 fois plus de conductivité.
Ils ont également montré que la grille épitaxiale en aluminium peut être modelée pour fabriquer des nanostructures. Un contact à point quantique 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 haute conductivité dans les wafers ultra-peu profonds, et la compatibilité de la structure avec une fabrication reproductible de nano-dispositif, suggère que les plaquettes fermées en aluminium cultivées par MBE sont des candidats idéaux pour la fabrication d'appareils électroniques ultra-petits, points quantiques, et pour les applications qubit.
« Contacts ponctuels à haute mobilité électronique et à faible bruit dans une hétérostructure GaAs / AlxGa1–xAs à grille métallique ultra-shallow all-épitaxiale » a été publié dans Lettres de physique appliquée en août 2021.
