• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Blazing en väg för begravda bitar i kvantchips

    NIST -forskare har varit banbrytande i en process som drastiskt förenklar tillverkningen av den typ av nanoskala mikrochipfunktioner som snart kan ligga till grund för en kvantdator, bland andra applikationer.

    Istället för konventionella 1-eller-0 datorbitar lagrade i form av elektriska laddningar, kvantinformation lagras och manipuleras i form av kvantbitar (qubits), som kan ha flera värden samtidigt. En mycket lovande qubit-kandidat är en enda atom av element som fosfor (P) begravd i ultrarent kisel-28.

    Dessa atomer kan placeras exakt med ett skanningstunnelmikroskop (STM), ett arbetshästlaboratorium som är allmänt tillgängligt för forskare som kanske inte har tillgång till andra komplexa nanofabrikationsverktyg.

    Att använda en STM för qubit-tillverkning kräver att elektriska anslutningar görs till P qubits och trådliknande avlagringar som är mindre än 1/100 av bredden på ett människohår. Tills nu, som i allmänhet har varit möjlig endast genom att använda olika, komplicerade och dyra instrument, vars kostnad lätt kan överstiga 10 miljoner dollar, och använder betungande, engångsinriktningsprocedurer för att samordna de olika stegen och lokalisera qubits.

    "Vi tar det som nu är en komplex och lite esoterisk process och förenklar det så att det är dramatiskt enklare och mer effektivt att genomföra, "sa NIST -forskaren Josh Pomeroy, som tillsammans med kollegor rapporterar sitt arbete i Nature Scientific Reports. "Det förbättrar tillgängligheten och tillverkbarheten på lång sikt genom standardisering och är bättre anpassad till etablerade industriella processer."

    De kritiska komponenterna som bildar qubits är P -atomer - som fungerar som en metall i kisel - vars positioner bestäms av STM innan de förseglas med en skyddande beläggning av kristallint kisel. I den konventionella metoden, forskare gör vanligtvis elektriska kontakter med de begravda avlagringarna efter att chipet är förseglat, med hjälp av en metod som kallas elektronstrålelitografi (en svår och dyr process) för att skära ut kanaler i det yttre lagret och definiera metalltrådar. Men först måste de exakt lokalisera de begravda avlagringarna, en noggrann och långsam process.

    "Problemet är att nu har du, någonstans på detta chip, en funktion på skalan av en mikrometer [en miljonedel av en meter] på chipets 40, 000, 000 kvadrat mikrometer [4 mm x 10 mm] yta, "Sa Pomeroy." Och, allt är i huvudsak kisel. Det är som att försöka hitta en specifik nål i en enorm höstack med nålar. Först, du måste lokalisera insättningen genom skanning med "brute force", registrera sedan sin position med hänvisning till någon annan chipfunktion, och, till sist, rita ett anpassat mönster som förbinder insättningarna. "

    Den NIST-banbrytande metoden skapar trådmönster av P på hela kiselskivor i början, att använda en branschstandard "implantat" -metod för att placera sammankopplingstrådar långt innan någon STM -mönsterbildning. Varje skiva skärs sedan upp i hundratals marker som används för STM -arbetet, förbättrar effektiviteten avsevärt. Med de stora P-insättningarna redan på plats, chipet laddas in i STM, beredd, och dess yta är täckt med ett enhetligt lager av väteatomer. Ledmärken som gjorts under implantatsteget leder STM till rätt plats på chipet.

    "När vi först tar med STM -spetsen till provet, "Pomeroy sa, "vi har omedelbart rätt postnummer. Och sedan använder vi STM:s bildfunktioner, vi kan direkt 'se' det implanterade, elektriskt aktiva regioner. Så, när du ritar mönstret, du vet exakt var ledningarna är och ansluter dem direkt. "

    STM -spetsen drar banor mellan det implanterade P och andra funktioner genom att ta bort väteatomer för att göra en litografisk mall. Med mönstret etablerat, ytan exponeras för fosfin, en fosfor-väteförening, och uppvärmd så att endast P är kvar i mönstret, bildar kvantprickar och nanotrådar vars storlek kan sträcka sig från 100 nm ner till så liten som en enda atom. För att bevara och mäta enheten, ett kristallint Si -skikt deponeras över hela systemet. Eftersom STM redan har anslutit nanofunktionerna till de större implanterade ledningarna, ingen ytterligare information behövs för att slutföra elektrisk kontakt, vilket görs med ett enkelt steg som lägger till metall på fördefinierade platser.

    För att utveckla den nya metoden, NIST -forskare och medarbetare vid University of Maryland, College Park var tvungen att lösa ett problem med två konkurrerande behov. Flera ledningar måste vara nära varandra för att nås med STM, men inte elektriskt ansluten. För att upptäcka en balans, de behövde förstå och modellera effekten av uppvärmning på de implanterade avlagringarna under tillverkning av spån. Vanligtvis, Si -substrat framställs för STM genom "blixt" -uppvärmning till över 1200 ° C i ungefär en minut, vilket kan orsaka en betydande mängd implantatdiffusion. Diffusion kan leda till att trådar som ligger nära varandra går samman till en.

    "När vi först föreslog konceptet, "Pomeroy sa, "Många människor hade alla möjliga idéer om varför det inte skulle fungera - allt det gick vi med på. Men vi försökte det ändå, och hittade ett sätt att göra det framgångsrikt. Innan, du behövde mycket mycket sofistikerad utrustning och mödosam teknik för att tillverka chips av detta slag. Nu, en professor med ett STM -system och ett par doktorander kan komma in i spelet. Det borde påskynda upptäcktstakten inom detta mycket lovande område. "

    Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.

    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com