I componenti elettronici "in crescita" direttamente su un blocco semiconduttore evitano disordine, dispersione di ossidazione 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 l'alta frequenza, dispositivi elettronici ultra-piccoli, punti quantici, e per 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 ora solo una manciata di nanometri di dimensione. (Ci sono circa 12 miliardi di transistor nel chip centrale delle dimensioni di un francobollo degli smartphone moderni.)

Però, in dispositivi ancora più piccoli, il canale attraverso il quale passano gli elettroni deve essere molto vicino all'interfaccia tra il semiconduttore e la porta metallica utilizzata per accendere e spegnere il transistor. 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 creiamo transistor in cui viene cresciuto un gate metallico ultrasottile come parte del cristallo semiconduttore, prevenire i problemi associati all'ossidazione della superficie del semiconduttore, ", afferma l'autore principale Yonatan Ashlea Alava.

"Abbiamo dimostrato che questo nuovo design riduce drasticamente gli effetti indesiderati delle imperfezioni della superficie, e mostrare che i contatti di punti quantici su scala nanometrica presentano un rumore significativamente inferiore rispetto ai dispositivi fabbricati utilizzando approcci convenzionali, "dice Yonatan, chi è un FLOTTA Ph.D. alunno.

"Questo nuovo design completamente a cristallo singolo sarà l'ideale per realizzare dispositivi elettronici ultra-piccoli, punti quantici, e per le applicazioni qubit, " commenta il capogruppo Prof Alex Hamilton all'UNSW.

La sfida:la diffusione degli elettroni limita i componenti ad alta frequenza

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, computer e dispositivi di telecomunicazione.

I transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) sono transistor ad effetto di campo che combinano due semiconduttori con bandgap diversa (cioè, sono "eterostrutture") e trovano largo impiego per alte potenze, applicazioni ad alta frequenza come telefoni cellulari, radar, comunicazioni radio e satellitari.

Questi dispositivi sono ottimizzati per avere un'elevata conduttività (rispetto ai dispositivi MOSFET convenzionali) 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". Gli eventi più diffusi, più è difficile 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. Come conseguenza, quando il canale conduttore viene avvicinato alla superficie, le prestazioni/conduttività dell'HEMT precipitano rapidamente.

Inoltre, carica superficiale crea fluttuazioni potenziali locali che, oltre ad abbassare la conducibilità, provocare 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 facendo crescere un cancello epitassiale in alluminio prima di rimuovere il wafer dalla camera di crescita.

"Abbiamo confermato il miglioramento delle prestazioni tramite misurazioni di caratterizzazione nel laboratorio dell'UNSW, " dice il co-autore Dr. Daisy Wang.

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 contatto a punto quantico 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 cancello in alluminio coltivati ​​da MBE sono candidati ideali per la realizzazione di dispositivi elettronici ultra-piccoli, punti quantici, e per applicazioni qubit.

"Elevata mobilità degli elettroni e contatti a punto quantico a basso rumore in un'eterostruttura GaAs / AlxGa1-xAs ultra-superficiale completamente epitassiale" è stato pubblicato in Lettere di fisica applicata nell'agosto 2021.