Todd Price
Les propriétés optiques d’une fine couche du semi-conducteur germanium-étain (GeSn) prise en sandwich entre des barrières de silicium-germanium-étain (SiGeSn), une structure connue sous le nom de puits quantique, ont été étudiées en mettant l’accent sur l’amélioration des lasers et des photodétecteurs. Mais qu’arriverait-il à une charge électrique traversant le puits quantique de germanium-étain d’une épaisseur nanométrique ?
Les scientifiques avaient prédit que la charge électrique se déplacerait relativement plus lentement dans le puits quantique, car les barrières étaient constituées d’une combinaison de silicium, de germanium et d’étain.
« Nous pensions que ce serait pire, parce que nous avons mélangé des choses. Mais nous avons constaté que la mobilité est plus élevée, a déclaré Shui-Qing « Fisher » Yu, professeur de génie électrique et d’informatique à l’Université de l’Arkansas et chercheur principal de l’étude.
Cette découverte surprenante pourrait contribuer à faire progresser à la fois l’informatique neuromorphique, qui imite le cerveau humain, et les ordinateurs quantiques. Les résultats pourraient également aider les scientifiques à comprendre le rôle joué par l’ordre à courte distance des atomes. Si les scientifiques peuvent manipuler l’ordre de ces atomes, cela pourrait produire un bond en avant dans les performances et la miniaturisation de la microélectronique.
La recherche a été menée par une équipe de l’U of A, des Sandia National Laboratories du Département de l’Énergie et du Dartmouth College.
« C’est une équipe très interdisciplinaire, a précisé Yu. « Vous obtenez cette synergie de trois groupes travaillant étroitement sur un seul problème. »
Le travail a été soutenu par une subvention du Bureau des Sciences du Département de l’Énergie et réalisé dans le cadre de « Manipulation of Atomic Ordering for Manufacturing Semiconductors » (ou µ-ATOMS), un Centre de Recherche Frontière Énergétique du DOE. L’équipe de recherche est composée de 10 institutions qui, depuis 2022, collaborent pour découvrir les principes scientifiques sous-jacents déterminant l’ordre des atomes dans les alliages semi-conducteurs.
Le puits quantique
Imaginez une bille roulant dans une rainure entre deux bords surélevés. Elle ne peut se déplacer que dans deux directions : d’avant en arrière. Un puits quantique, la fine couche de matériau semi-conducteur entre deux barrières d’un autre matériau semi-conducteur ayant un niveau d’énergie différent, a un effet similaire sur les électrons et les trous, ou l’espace positif qu’un électron peut occuper. Confinés dans un puits de quelques atomes d’épaisseur, le mouvement des électrons est limité et seuls certains niveaux d’énergie sont autorisés.
En contraignant le mouvement des électrons et des trous, le puits quantique rend leur mouvement plus prévisible et plus efficace. La facilité avec laquelle les électrons ou les trous se déplacent dans le puits est appelée sa mobilité.
La recherche sur les puits quantiques a commencé dans les années 1970. L’empilement de matériau qui crée un puits quantique doit avoir peu de défauts, et la croissance cristalline est utilisée pour produire ce matériau presque pur.
Aujourd’hui, les puits quantiques sont largement utilisés pour concevoir des lasers, des capteurs infrarouges, des cellules solaires plus efficaces et des puces informatiques à haute vitesse.
Un résultat inattendu
Les chercheurs ont généralement étudié les puits quantiques au germanium-étain avec des barrières de germanium pur. Cependant, l’empilement d’un puits de germanium-étain entouré de barrières de silicium-germanium-étain a principalement été examiné pour des applications optiques. Les barrières de silicium-germanium-étain s’intégreraient mieux avec les composants électriques à base de silicium couramment utilisés.
L’U of A a produit le matériau de puits quantique critique et de haute qualité pour que Sandia puisse construire les dispositifs expérimentaux et analyser leurs performances électriques. Dartmouth a analysé l’ordre à courte distance atomique dans les barrières de silicium-germanium-étain pour aider à comprendre les performances électriques. Les trois institutions ont collaboré à la conception expérimentale et aux études de caractérisation.
L’équipe de chercheurs a constaté, à sa surprise, que les barrières de silicium-germanium-étain créaient des puits quantiques de germanium-étain avec une mobilité plus élevée. Ils avaient supposé que la présence de silicium et d’étain dans les barrières conduirait à une mobilité plus faible.
Jusqu’à récemment, les scientifiques n’étaient pas sûrs de la manière dont les éléments traces dans un semi-conducteur, tels que le silicium et l’étain dans le silicium-germanium-étain, sont arrangés. Sont-ils dispersés au hasard dans le matériau principal ? Ou s’arrangent-ils systématiquement par rapport au matériau principal, un phénomène connu sous le nom d’ordre à courte distance ?
Au début de cette année, une recherche dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory et la George Washington University a révélé que ces éléments traces présentent bien un ordre à courte distance. Yu et Jifeng Liu de Dartmouth, co-auteur de l’article sur le puits quantique, ont contribué à la recherche sur l’ordre à courte distance.
L’ordre à courte distance pourrait expliquer pourquoi les barrières de silicium-germanium-étain ont produit un puits quantique avec une mobilité plus élevée. Si des recherches supplémentaires confirment cette hypothèse, cela pourrait ouvrir la voie à la manipulation de l’agencement de ces atomes pour améliorer considérablement les performances.
« Il est passionnant de révéler l’impact potentiel de l’ordre atomique à courte distance sur les performances électriques des puits quantiques, a indiqué Liu. « Cela offre un nouveau degré de liberté pour l’ingénierie des dispositifs. »
« Le résultat inattendu de haute mobilité laisse entrevoir des effets d’ordre à courte distance dans le système SiGeSn du Groupe IV, ce qui est particulièrement excitant en raison des propriétés optiques du système et de son potentiel d’intégration monolithique avec le CMOS Si conventionnel. Cet ordre à courte distance pourrait fournir un moyen de contrôle supplémentaire, au-delà de l’alliage et de la contrainte, pour concevoir les propriétés des matériaux qui impacteront les priorités nationales en microélectronique et en science de l’information quantique, a ajouté Chris Allemang de Sandia et premier auteur du travail.
Yu a commenté, « Même à cette échelle minuscule de l’ordre du nanomètre, vous avez encore des centaines de milliers ou des millions d’atomes. Cela signifie que vous avez une plus grande marge de manœuvre pour améliorer la propriété. »
Le dernier numéro de la revue Advanced Electronic Materials a publié la recherche dans un article intitulé, « High Mobility and Electrostatics in GeSn Quantum Wells with SiGeSn Barriers ». Les autres auteurs étaient Christopher R. Allemang, David Lidsky, Peter Sharma et Tzu-Ming Lu des Sandia National Laboratories, Shang Liu du Dartmouth College, et Yusheng Qiu de l’Université de l’Arkansas. L’article a été mis en avant sur la couverture de la revue.
Article : High Mobility and Electrostatics in GeSn Quantum Wells With SiGeSn Barriers – Journal : Advanced Electronic Materials – DOI : 10.1002/aelm.202500460
Source : UARK
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