"Crescer" componentes eletrônicos diretamente em um bloco semicondutor evita bagunça, dispersão de oxidação ruidosa que retarda e impede a operação eletrônica.

Um estudo UNSW divulgado este mês mostra que os componentes de alta mobilidade resultantes são candidatos ideais para alta frequência, dispositivos eletrônicos ultrapequenos, pontos quânticos, e para aplicações qubit em computação quântica.

Menor significa mais rápido, mas também mais barulhento

Tornar os computadores mais rápidos requer transistores cada vez menores, com esses componentes eletrônicos agora apenas um punhado de nanômetros de tamanho. (Existem cerca de 12 bilhões de transistores no chip central do tamanho de um selo postal dos smartphones modernos.)

Contudo, em dispositivos ainda menores, o canal pelo qual os elétrons fluem deve estar muito próximo à interface entre o semicondutor e a porta metálica usada para ligar e desligar o transistor. A oxidação da superfície inevitável e outros contaminantes da superfície causam o espalhamento indesejado de elétrons que fluem através do canal, e também levam a instabilidades e ruídos que são particularmente problemáticos para dispositivos quânticos.

"No novo trabalho, criamos transistores nos quais uma porta de metal ultrafina é desenvolvida como parte do cristal semicondutor, prevenção de problemas associados à oxidação da superfície do semicondutor, "diz o autor principal Yonatan Ashlea Alava.

"Demonstramos que este novo design reduz drasticamente os efeitos indesejados das imperfeições da superfície, e mostram que os contatos de ponto quântico em nanoescala exibem ruído significativamente menor do que dispositivos fabricados usando abordagens convencionais, "diz Yonatan, quem é um Ph.D. da FLEET estudante.

"Este novo design de cristal único será ideal para fazer dispositivos eletrônicos ultrapequenos, pontos quânticos, e para aplicações qubit, "comenta o líder do grupo, Prof Alex Hamilton, da UNSW.

O desafio:o espalhamento de elétrons limita os componentes de alta frequência

Dispositivos semicondutores são um grampo da eletrônica moderna. Transistores de efeito de campo (FETs) são um dos blocos de construção da eletrônica de consumo, computadores e dispositivos de telecomunicações.

Transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs) são transistores de efeito de campo que combinam dois semicondutores com bandgap diferente (ou seja, eles são "heteroestruturas") e são amplamente usados ​​para alta potência, aplicativos de alta frequência, como telefones celulares, radar, rádio e comunicações por satélite.

Esses dispositivos são otimizados para ter alta condutividade (em comparação com dispositivos MOSFET convencionais) para fornecer ruído de dispositivo mais baixo e permitir operações de frequência mais alta. Melhorar a condução de elétrons dentro desses dispositivos deve melhorar diretamente o desempenho do dispositivo em aplicações críticas.

A busca por dispositivos eletrônicos cada vez menores exige que o canal condutor em HEMTs esteja próximo à superfície do dispositivo. A parte desafiadora, que tem incomodado muitos pesquisadores ao longo dos anos, tem suas raízes na teoria simples do transporte de elétrons:

Quando os elétrons viajam em sólidos, a força eletrostática devido a impurezas / cargas inevitáveis ​​no ambiente faz com que a trajetória do elétron se desvie do caminho original:o chamado processo de "espalhamento de elétrons". Quanto mais eventos de dispersão, mais difícil é para os elétrons viajarem no sólido, e, portanto, quanto menor a condutividade.

A superfície dos semicondutores frequentemente tem altos níveis de carga indesejada presa pelas ligações químicas insatisfeitas - ou ligações "pendentes" - dos átomos da superfície. Essa carga superficial causa o espalhamento de elétrons no canal e reduz a condutividade do dispositivo. Como consequência, quando o canal condutor é trazido para perto da superfície, o desempenho / condutividade do HEMT cai rapidamente.

Adicionalmente, a carga superficial cria flutuações potenciais locais que, além de diminuir a condutividade, resultar em ruído de carga em dispositivos sensíveis, como contatos de pontos quânticos e pontos quânticos.

A solução:aumentar a porta de comutação primeiro reduz a dispersão

Colaborando com produtores de wafer na Universidade de Cambridge, a equipe da UNSW Sydney mostrou que o problema associado à carga superficial pode ser eliminado aumentando uma porta de alumínio epitaxial antes de remover a pastilha da câmara de crescimento.

"Confirmamos a melhoria de desempenho por meio de medições de caracterização no laboratório da UNSW, "diz a co-autora Dra. Daisy Wang.

A equipe comparou HEMTs rasos fabricados em duas bolachas com estruturas e condições de crescimento quase idênticas - uma com uma porta de alumínio epitaxial, e um segundo com uma porta de metal ex-situ depositada em um dielétrico de óxido de alumínio.

Eles caracterizaram os dispositivos usando medições de transporte de baixa temperatura e mostraram que o design da porta epitaxial reduziu bastante o espalhamento de carga superficial, com aumento de até 2,5 × na condutividade.

Eles também mostraram que a porta de alumínio epitaxial pode ser padronizada para fazer nanoestruturas. Um contato de ponto quântico fabricado usando a estrutura proposta mostrou quantização de condutância 1D robusta e reprodutível, com ruído de carga extremamente baixo.

A alta condutividade em bolachas ultra-rasas, e a compatibilidade da estrutura com a fabricação de nano-dispositivos reproduzíveis, sugere que as bolachas com portas de alumínio crescidas em MBE são candidatas ideais para a fabricação de dispositivos eletrônicos ultrapequenos, pontos quânticos, e para aplicações qubit.

"Alta mobilidade de elétrons e contatos de ponto quântico de baixo ruído em uma heteroestrutura de GaAs / AlxGa1-xAs de porta metálica totalmente epitaxial ultra-rasa" foi publicado em Cartas de Física Aplicada em agosto de 2021.