通过直接在半导体上“种植”电子元件,有望制造更快、更小的电子产品

(ChinaIT.com讯)直接在半导体块上“种植”电子元件,可避免混乱、嘈杂的氧化散射,这些散射会减慢和阻碍电子操作。

新南威尔士大学本月公布的一项研究表明,由此产生的高迁移率组件是高频、超小型电子设备、量子点以及量子计算中的量子位应用的理想选择。

更小意味着更快,但也更嘈杂

使计算机运行更快需要更小的晶体管,而这些电子元件现在只有几个纳米大小。(在这个邮票大小的现代智能手机中央芯片中,大约有 120 亿个晶体管。)

然而,在更小的器件中,电子流过的通道必须非常靠近半导体和用于开关晶体管的金属栅极之间的界面。不可避免的表面氧化和其他表面污染物会导致流经通道的电子发生不必要的散射,还会导致不稳定性和噪声,这对于量子设备来说尤其成问题。

第一作者 Yonatan Ashlea Alava 说:“在新工作中,我们创造了晶体管,其中超薄金属栅极作为半导体晶体的一部分,防止半导体表面氧化相关的问题。”

FLEET 博士生 Yonatan 说:“我们已经证明,这种新的设计极大地减少了表面缺陷带来的不良影响,并表明纳米级量子点接触的噪声明显低于使用传统方法制造的设备的噪音。”

新南威尔士大学的小组负责人 Alex Hamilton 教授评论道:“这种全新的全单晶设计将非常适合于制造超小型电子设备、量子点和量子位应用。”

挑战:电子散射限制高频组件

半导体器件是现代电子产品的主要组成部分。场效应晶体管 (FET) 是消费电子产品、计算机和电信设备的组成部分。

高电子迁移率晶体管 (HEMT) 是将两种带隙不同的半导体(即“异质结构”)结合在一起的场效应晶体管,广泛用于高功率、高频应用,如手机、雷达、无线电和卫星通信。

这些器件经过优化,具有高导电性(与传统 MOSFET 器件相比),以提供更低的器件噪声并实现更高频率的操作。改善这些器件内的电子传导应该直接提高关键应用中的器件性能。

为了制造越来越小的电子设备,HEMT 中的传导通道必须靠近设备表面。这一挑战性难题,多年来一直困扰着许多研究人员,其根源在于简单的电子传输理论:

当电子在固体中传播时,由于环境中不可避免的杂质/电荷产生的静电力,会使电子轨迹偏离原来的路径:即所谓的“电子散射”过程。散射事件越多,电子在固体中移动就越困难,因此电导率就越低。

半导体表面通常有大量不需要的电荷,这些电荷被表面原子的未满足的化学键(或“悬空”键)所捕获。这种表面电荷会导致通道中的电子散射并降低器件的电导率。因此,当导电通道靠近表面时,HEMT 的性能/电导率会迅速下降。

此外,表面电荷会产生局部电位波动,除了降低电导率外,还会导致敏感器件(如量子点接触和量子点)中的电荷噪声。

解决方案:先增加开关门,减少散射

新南威尔士大学悉尼分校的团队与剑桥大学的晶圆种植者合作,证明了在从生长室中取出晶圆之前,可以通过生长外延铝栅极来消除表面电荷相关的问题。

“我们通过新南威尔士大学实验室的表征测量证实了性能的改善。”合著者 Daisy Wang 博士说。

该团队比较了在具有几乎相同结构和生长条件的两个晶片上制造的浅 HEMT——一种具有外延铝栅极,另一种具有沉积在氧化铝电介质上的异位金属栅极。

他们使用低温传输测量对器件进行了表征,并表明外延栅极设计大大减少了表面电荷散射,电导率增加了 2.5 倍。

他们还表明,外延铝栅极可以制成纳米结构。利用该结构制造的量子点接触显示出稳健且可复制的一维电导量子化,电荷噪声极低。

超浅晶圆的高电导率,以及该结构与可复制纳米器件制造的兼容性,表明 MBE 生长的铝门控晶圆是制造超小型电子器件、量子点和量子位应用的理想选择。

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