Hoofdauteur FLEET-promovendus Yonatan Ashlea Alava (UNSW)
Afbeelding: UNSW
Onderzoekers van de Universiteit van New South Wales (UNSW) hebben een onderzoek gepubliceerd waarvan zij beweren dat het mogelijkheden aantoont bij het bouwen van 'eigengemaakte' halfgeleiders voor gebruik in ultrakleine elektronische apparaten, evenals in kwantumcomputers.
Het werk van het ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) zei dat het “groeien” van elektronische componenten rechtstreeks op een halfgeleiderblok rommelige, lawaaierige oxidatieverstrooiing vermijdt die de elektronische werking vertraagt en belemmert.
UNSW-professor Alex Hamilton zei dat het in eigen land ontwikkelde, volledig uit één kristal bestaande ontwerp ideaal zou zijn voor het maken van ultrakleine elektronische apparaten, kwantumdots en voor kwantumbit (qubit) toepassingen.
“Om computers sneller te maken, is steeds kleinere transistors, met deze elektronische componenten nu slechts een handvol nanometer groot – er zijn ongeveer 12 miljard transistors in de centrale chip van moderne smartphones ter grootte van een postzegel”, aldus de onderzoekers.
Ze zeiden echter dat in nog kleinere apparaten het kanaal waar de elektronen doorheen stromen heel dicht bij de interface tussen de halfgeleider en de metalen poort moet zijn die wordt gebruikt om de transistor aan en uit te zetten.
Onvermijdelijke oppervlakte-oxidatie en andere oppervlakteverontreinigingen veroorzaken ongewenste verstrooiing van elektronen die door het kanaal stromen, en leiden ook tot instabiliteiten en ruis die bijzonder problematisch zijn voor kwantumapparaten, legden de onderzoekers uit.
“In het nieuwe werk creëren we transistors waarin een ultradunne metalen poort is gegroeid als onderdeel van het halfgeleiderkristal, waardoor problemen worden voorkomen die verband houden met oxidatie van het halfgeleideroppervlak”, zegt Yonatan Ashlea Alava, FLEET PhD-student en een hoofdauteur van de onderzoek.
“We hebben aangetoond dat dit nieuwe ontwerp ongewenste effecten van oppervlakte-imperfecties drastisch vermindert, en laten zien dat quantumpuntcontacten op nanoschaal aanzienlijk minder ruis vertonen dan apparaten die met conventionele benaderingen zijn gefabriceerd.”
De onderzoekers zeiden dat een van de uitdagingen was dat elektronenverstrooiing hoogfrequente componenten beperkt.
De missie om steeds kleinere elektronische apparaten te maken, vereist dat het geleidende kanaal in transistors met hoge elektronenmobiliteit (HEMT's) zich dicht bij het oppervlak van het apparaat bevindt. Het uitdagende deel, aldus de onderzoekers, heeft zijn wortels in de eenvoudige elektronentransporttheorie.
“Wanneer elektronen in vaste stoffen reizen, zorgt de elektrostatische kracht als gevolg van onvermijdelijke onzuiverheden/lading in de omgeving ervoor dat het elektronentraject afwijkt van het oorspronkelijke pad: het zogenaamde 'elektronenverstrooiing'-proces. Hoe meer verstrooiingsgebeurtenissen, hoe moeilijker het is voor elektronen om in de vaste stof te reizen, en dus hoe lager de geleidbaarheid,” zeiden ze.
“Het oppervlak van halfgeleiders heeft vaak hoge niveaus van ongewenste lading gevangen door de onbevredigde chemische bindingen – of 'bungelend' bindingen — van de oppervlakte-atomen. Deze oppervlaktelading veroorzaakt verstrooiing van elektronen in het kanaal en vermindert de geleidbaarheid van het apparaat. Als gevolg hiervan, wanneer het geleidende kanaal dicht bij het oppervlak wordt gebracht, daalt de prestatie/geleidbaarheid van de HEMT snel. ”
Bovendien zeiden ze dat de oppervlaktelading lokale potentiële fluctuaties veroorzaakt, wat resulteert in laadruis in gevoelige apparaten zoals kwantumpuntcontacten en kwantumdots. Het verlaagt ook de geleidbaarheid.
De oplossing, zo beweerde het onderzoek, is om eerst de “schakelpoort” te laten groeien om verstrooiing te verminderen.
In samenwerking met wafertelers aan de Cambridge University toonde het team van UNSW aan dat het probleem van oppervlaktelading kan worden geëlimineerd door een epitaxiale aluminium poort te laten groeien voordat de wafer uit de groeikamer wordt verwijderd.
“We hebben de prestatieverbetering bevestigd via karakteriseringsmetingen in het laboratorium van UNSW”, legt co-auteur Dr. Daisy Wang uit.
“Het team vergeleek ondiepe HEMT's vervaardigd op twee wafels met bijna identieke structuren en groeiomstandigheden – een met een epitaxiaal aluminium poort, en een tweede met een ex-situ metalen poort afgezet op een aluminiumoxide diëlektricum.
“Ze karakteriseerden de apparaten met behulp van transportmetingen bij lage temperaturen en toonden aan dat het ontwerp van de epitaxiale poort de verstrooiing van de oppervlaktelading sterk verminderde, met een tot 2,5x toename van de geleidbaarheid.”
Ze toonden ook aan, legde UNSW uit, dat de epitaxiale aluminium poort zou van een patroon kunnen worden voorzien om nanostructuren te maken.
“Een kwantumpuntcontact vervaardigd met behulp van de voorgestelde structuur toonde robuuste en reproduceerbare 1D-geleidingskwantisatie, met extreem lage ladingsruis”, voegde het toe.
“De hoge geleidbaarheid in ultra-ondiepe wafers en de compatibiliteit van de structuur met reproduceerbare fabricage van nano-apparaten, suggereert dat MBE-gegroeide aluminium gated wafers ideale kandidaten zijn voor het maken van ultrakleine elektronische apparaten, kwantumdots en voor qubit-toepassingen. “
GERELATEERDE DEKKING
Draden boven qubits zien UNSW-onderzoekers stappen in kwantumcontrole zettenSydney-onderzoekers ontwikkelen nieuwe goedkope en veilige plasmatechnologie Een 'gat' nieuwe wereld voor het potentieel van mini-kwantumcomputers Archer van Australië en zijn plan voor de overheersing van de kwantumwereld
Verwante onderwerpen:
Australië CXO Digital Transformation Tech Industry Smart Cities Cloud 