Autore principale FLOTTA Dottorando Yonatan Ashlea Alava (UNSW)
Immagine: UNSW
I ricercatori dell'Università del New South Wales (UNSW) hanno pubblicato uno studio che secondo loro mostra le capacità nella costruzione di semiconduttori “coltivati in casa” da utilizzare in dispositivi elettronici ultra-piccoli, nonché nell'informatica quantistica.
Il lavoro dell'ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) ha affermato che la “crescita” di componenti elettronici direttamente su un blocco semiconduttore evita la dispersione di ossidazione disordinata e rumorosa che rallenta e impedisce il funzionamento dell'elettronica.
Il professor Alex Hamilton dell'UNSW ha affermato che il design a cristallo singolo coltivato in casa sarebbe l'ideale per realizzare dispositivi elettronici ultra-piccoli, punti quantici e per applicazioni di bit quantistici (qubit).
“Rendere i computer più veloci richiede transistor sempre più piccoli, con questi componenti elettronici che ora hanno 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”, hanno affermato i ricercatori.
Hanno detto che in dispositivi ancora più piccoli, tuttavia, il canale attraverso il quale passano gli elettroni deve essere molto vicino all'interfaccia tra il semiconduttore e il gate metallico utilizzato 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, hanno spiegato i ricercatori.
“Nel nuovo lavoro creiamo transistor in cui viene cresciuto un gate metallico ultrasottile come parte del cristallo semiconduttore, prevenendo i problemi associati all'ossidazione della superficie del semiconduttore”, ha affermato Yonatan Ashlea Alava, studentessa di dottorato FLEET e autore principale del ricerca.
“Abbiamo dimostrato che questo nuovo design riduce drasticamente gli effetti indesiderati delle imperfezioni della superficie e mostra che i contatti di punti quantici su nanoscala mostrano un rumore significativamente inferiore rispetto ai dispositivi fabbricati utilizzando approcci convenzionali.”
I ricercatori hanno affermato che una delle sfide era che la diffusione degli elettroni limita i componenti ad alta frequenza.
La missione di realizzare dispositivi elettronici sempre più piccoli richiede che il canale conduttivo nei transistor ad alta mobilità degli elettroni (HEMT) sia nelle immediate vicinanze della superficie del dispositivo. La parte difficile, hanno detto i ricercatori, 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 “diffusione di elettroni”. Più eventi di dispersione, più difficile è affinché gli elettroni viaggino nel solido, e quindi minore è la conduttività”, hanno affermato.
“La superficie dei semiconduttori ha spesso alti livelli di carica indesiderata intrappolata dai legami chimici insoddisfatti – o “pendenti” legami — degli atomi di superficie. Questa carica superficiale provoca la dispersione degli elettroni nel canale e riduce la conduttività del dispositivo. Di conseguenza, quando il canale conduttore viene avvicinato alla superficie, le prestazioni/conduttività dell'HEMT precipitano rapidamente. ”
Inoltre, hanno affermato che la carica superficiale crea fluttuazioni potenziali locali che si traducono in un rumore di carica in dispositivi sensibili come contatti a punto quantico e punti quantici. Riduce anche la conduttività.
La soluzione, secondo la ricerca, è far crescere prima il “gate di commutazione” per ridurre la dispersione.
Lavorando con i coltivatori di wafer dell'Università di Cambridge, il team dell'UNSW ha mostrato che il problema associato alla carica superficiale può essere eliminato coltivando un cancello in alluminio epitassiale prima di rimuovere il wafer dalla camera di crescita.
“Abbiamo confermato il miglioramento delle prestazioni. tramite misurazioni di caratterizzazione nel laboratorio dell'UNSW”, ha spiegato la coautrice, la dott.ssa 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 alluminio epitassiale cancello, e un secondo con un cancello metallico ex-situ depositato su un dielettrico di ossido di alluminio.
“Hanno caratterizzato i dispositivi utilizzando misurazioni di trasporto a bassa temperatura e hanno mostrato che il design del gate epitassiale riduceva notevolmente la dispersione della carica superficiale, con un aumento fino a 2,5 volte della conduttività.”
Hanno anche mostrato, ha spiegato UNSW, che il cancello in alluminio epitassiale potrebbe essere modellato 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”, ha aggiunto.
“L'elevata conduttività nei wafer ultra-superficiali e la compatibilità della struttura con la fabbricazione riproducibile di nano-dispositivi, suggerisce che i wafer con gate in alluminio coltivati con MBE sono candidati ideali per la realizzazione di dispositivi elettronici ultra-piccoli, punti quantici e per applicazioni qubit. “
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