澳大利亚团队采用新方法构建 HEMT

作为半导体晶体的一部分，生长超薄金属栅极可以减少表面缺陷带来的不良影响

新南威尔士大学 (UNSW) 的一项研究表明，将电子元件直接“生长”到半导体块上可以避免杂乱、嘈杂的氧化散射，从而减慢和阻碍电子操作。

论文《超浅层全外延金属栅极 GaAs/AlxGa1-xAs 异质结构中的高电子迁移率和低噪声量子点接触》（High electron mobility and low noise quantum point contacts in an ultra-shallow all-epitaxial metal gate GaAs / AlxGa1-xAs heterostructure）一文发表在《应用物理快报》上。

“在这项新工作中，我们创造了一种晶体管，其中超薄金属栅极生长为半导体晶体的一部分，防止了与半导体表面氧化相关的问题，”主要作者 Yonatan Ashlea Alava 说。

“我们已经证明，这种新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器件，”FLEET 博士生 Yonatan 说。

“这种全新的全单晶设计将非常适合制造超小型电子器件、量子点和量子位应用，”新南威尔士大学的小组负责人亚历克斯·汉密尔顿教授评论道。

HEMT 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，将直接改善关键应用中的器件性能。

为了制造越来越小的电子器件，要求 HEMT 中的导电通道必须靠近器件表面。多年来一直困扰着许多研究人员的具有挑战性的部分源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/电荷产生的静电力导致电子轨迹偏离原始路径：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化学键或“悬空”键捕获。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。

新异质结构器件的电气特性表明表面电荷散射大大减少，电导率显著提高。

与剑桥大学的晶圆生长合作，悉尼新南威尔士大学的团队表明，在将晶圆从生长室中取出之前，可以通过生长外延铝栅极来消除与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改进，”合著者 Daisy Wang 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层 HEMT - 一个具有外延铝栅极，第二个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，可以对外延铝栅极进行图案化以制造纳米结构。使用所提出的结构制造的量子点接触显示出稳健且可重复的一维电导量子化，以及极低的电荷噪声。

超浅晶圆的高电导率，以及结构与可重复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。

参考文献

'High electron mobility and low noise quantum point contacts in an ultra-shallow all-epitaxial metal gate GaAs / AlxGa1-xAs heterostructure' by Yonatan Ashlea Alava et al; Applied Physics Letters, August 2021.

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