国产半导体用于更快、更小的电子产品

将电子元件直接“生长”到半导体块上，可以避免混乱、嘈杂的氧化散射，从而减缓和阻碍电子运行。

新南威尔士大学本月的一项研究表明，由此产生的高迁移率组件是高频、超小型电子设备、量子点和量子计算中的量子比特应用的理想候选。

更小意味着更快，但也更嘈杂

让计算机运行更快需要更小的晶体管，现在这些电子元件的尺寸只有几纳米。(现代智能手机邮票大小的中央芯片大约有120亿个晶体管。)

然而，在更小的器件中，电子流经过的通道必须非常靠近半导体和用来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不必要的散射，也会导致不稳定性和噪声，这对量子设备来说尤其成问题。

主要作者Yonatan Ashlea Alava说:“在这项新工作中，我们创造了晶体管，其中超薄的金属栅极作为半导体晶体的一部分生长，防止了与半导体表面氧化相关的问题。”

“我们已经证明了这种新设计极大地减少了表面缺陷带来的不必要影响，并表明纳米级量子点接触比使用传统方法制造的器件表现出明显更低的噪声，”FLEET博士生Yonatan说。

新南威尔士大学的小组负责人亚历克斯·汉密尔顿教授评论说:“这种新的全单晶设计将是制造超小型电子设备、量子点和量子比特应用的理想选择。”

挑战:电子散射限制了高频成分

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基石之一。

高电子迁移率晶体管(hemt)是一种场效应晶体管，它结合了两种不同带隙的半导体(即“异质结构”)，广泛应用于大功率、高频应用，如手机、雷达、无线电和卫星通信。

这些器件被优化为具有高导电性(与传统的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可以直接提高器件在关键应用中的性能。

为了制造越来越小的电子设备，要求hemt中的导电通道靠近设备表面。这个具有挑战性的部分，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递理论:

当电子在固体中运动时，由于环境中不可避免的杂质/电荷而产生的静电力导致电子轨迹偏离原来的路径: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)捕获。这种表面电荷导致电子在通道中散射，降低了器件的导电性。因此，当导电通道靠近表面时，HEMT的性能/电导率迅速下降。

此外，表面电荷会产生局部电位波动，除了降低电导率外，还会在量子点接触和量子点等敏感器件中产生电荷噪声。

解决方案:增大开关门首先减少散射

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，表明通过种植外延铝栅可以消除与表面电荷有关的问题之前从生长室中移除晶圆。

合著者Daisy Wang博士说:“我们通过新南威尔士大学实验室的特性测量证实了性能的提高。”

该团队比较了在两个具有几乎相同结构和生长条件的晶圆上制备的浅层hemt -一个是外延铝栅，另一个是在氧化铝电介质上沉积的非原位金属栅。

他们使用低温传输测量对器件进行了表征，并表明外延门设计大大降低了表面电荷散射，电导率提高了2.5倍。

他们还表明，外延铝栅极可以被制成纳米结构。采用该结构制备的量子点接触具有鲁棒性和可重复性的一维电导定量，且电荷噪声极低。

超浅晶圆的高导电性，以及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、量子点和量子比特应用的理想候选。

这项研究

”超浅层全外延金属栅极GaAs / Al的高电子迁移率和低噪声量子点接触_x遗传算法_{1 - x}作为异质结构，于应用物理通讯2021年8月。(10.1063/5.0053816)。