NIST-onderzoekers hebben een proces ontwikkeld dat de fabricage drastisch vereenvoudigt van het soort microchip-eigenschappen op nanoschaal die binnenkort de basis kunnen vormen van een kwantumcomputer. onder andere toepassingen.

In plaats van conventionele 1-of-0 computerbits die zijn opgeslagen in de vorm van elektrische ladingen, kwantuminformatie wordt opgeslagen en gemanipuleerd in de vorm van kwantumbits (qubits), die meerdere waarden tegelijk kunnen hebben. Een veelbelovende qubit-kandidaat is een enkel atoom van elementen zoals fosfor (P) begraven in ultrazuiver silicium-28.

Deze atomen kunnen nauwkeurig worden geplaatst met behulp van een scanning tunneling microscope (STM), een werkpaardlaboratoriuminstrument dat algemeen beschikbaar is voor wetenschappers die mogelijk geen toegang hebben tot andere complexe nanofabricagetools.

Het gebruik van een STM voor qubit-fabricage vereist het maken van elektrische verbindingen met de P-qubits en draadachtige afzettingen van minder dan 1/100e van de breedte van een mensenhaar. Tot nu, dat was over het algemeen alleen mogelijk door gebruik te maken van ongelijksoortige, ingewikkelde en dure instrumenten, waarvan de kosten gemakkelijk 10 miljoen dollar kunnen overschrijden, en het gebruik van belastende, eenmalige uitlijningsprocedures om de verschillende stappen te coördineren en de qubits te lokaliseren.

"We nemen wat nu een complex en enigszins esoterisch proces is en vereenvoudigen het, zodat het veel gemakkelijker en efficiënter is om te volbrengen, " zei NIST-onderzoeker Josh Pomeroy, die met collega's hun werk rapporteren in Nature Scientific Reports. "Het verbetert de toegankelijkheid en maakbaarheid op de lange termijn door standaardisatie en het sluit beter aan bij gevestigde industriële processen."

De kritische componenten die de qubits vormen zijn P-atomen – die zich gedragen als een metaal in silicium – waarvan de posities worden bepaald door de STM voordat ze worden verzegeld met een beschermende coating van kristallijn silicium. Bij de conventionele methode, onderzoekers maken meestal elektrische contacten met de begraven afzettingen nadat de chip is verzegeld, met behulp van een methode genaamd elektronenstraallithografie (een moeilijk en duur proces) om kanalen in de buitenste laag uit te snijden en metaaldraden te definiëren. Maar eerst moeten ze de begraven afzettingen precies lokaliseren, een moeizaam en langzaam proces.

"Het probleem is dat je nu, ergens op deze chip, een kenmerk op de schaal van een micrometer [een miljoenste van een meter] op de chip 40, 000, 000 vierkante micrometer [4 mm x 10 mm] oppervlakte, ' zei Pomeroy. 'En, in wezen is alles silicium. Het is alsof je een specifieke naald in een enorme hooiberg naalden probeert te vinden. Eerst, je moet de aanbetaling lokaliseren door 'brute force'-scanning, noteer vervolgens zijn positie met betrekking tot een ander chipkenmerk, en, Tenslotte, teken een aangepast patroon dat de afzettingen verbindt."

De door NIST baanbrekende methode creëert aan het begin draadpatronen van P op hele siliciumwafels, met behulp van een industriestandaard "implantatie"-methode om verbindingsdraden te plaatsen lang voordat STM-patronen worden aangebracht. Elke wafel wordt vervolgens in honderden chips gesneden die voor het STM-werk worden gebruikt, efficiëntie aanzienlijk verbeteren. Nu de grootschalige P-afzettingen al aanwezig zijn, de chip wordt in de STM geladen, bereid, en het oppervlak is bedekt met een uniforme laag waterstofatomen. Geleidemarkeringen die tijdens de implantatiestap zijn gemaakt, leiden de STM naar de juiste locatie op de chip.

"Als we de STM-tip voor het eerst naar het monster brengen, "Pomeroy zei, "we zitten meteen in de juiste postcode. En dan met behulp van de beeldvormingsmogelijkheden van de STM, we kunnen de geïmplanteerde direct 'zien', elektrisch actieve gebieden. Dus, als je het patroon tekent, je weet precies waar de draden zijn en sluit je daar direct op aan."

De STM-tip trekt paden tussen de geïmplanteerde P en andere kenmerken door waterstofatomen te verwijderen om een ​​lithografische sjabloon te maken. Met het patroon vastgesteld, het oppervlak wordt blootgesteld aan fosfine, een fosfor-waterstofverbinding, en verwarmd zodat alleen P in het patroon achterblijft, het vormen van kwantumstippen en nanodraden waarvan de grootte kan variëren van 100 nm tot zo klein als een enkel atoom. Om het apparaat te bewaren en te meten, over het hele systeem wordt een kristallijne Si-laag afgezet. Omdat de STM de nano-functies al heeft verbonden met de grotere geïmplanteerde draden, er is geen aanvullende informatie nodig om elektrisch contact te maken, dat wordt gedaan door een eenvoudige stap die metaal toevoegt aan vooraf gedefinieerde locaties.

Om de nieuwe methode te ontwikkelen, NIST-wetenschappers en medewerkers aan de Universiteit van Maryland, College Park moest een probleem van twee concurrerende behoeften oplossen. Er moesten meerdere draden dicht bij elkaar zitten om met de STM te kunnen bereiken, maar niet elektrisch aangesloten. Om een ​​balans te vinden, ze moesten het effect van verwarming op de geïmplanteerde afzettingen tijdens de fabricage van chips begrijpen en modelleren. Typisch, Si-substraten worden voorbereid op STM door middel van "flash" verhitting tot boven 1200 °C gedurende ongeveer een minuut, die een aanzienlijke hoeveelheid implantaatdiffusie kan veroorzaken. Diffusie kan ervoor zorgen dat draden die dicht bij elkaar liggen, samensmelten tot één.

"Toen we het concept voor het eerst voorstelden, "Pomeroy zei, "Veel mensen hadden allerlei ideeën over waarom het niet zou werken - waar we het allemaal mee eens waren. Maar we probeerden het toch, en vond een manier om het succesvol te maken. Voordat, je had veel zeer geavanceerde apparatuur en een zware techniek nodig om dit soort chips te maken. Nutsvoorzieningen, een professor met een STM-systeem en een paar afgestudeerde studenten kunnen meedoen aan het spel. Dat zou het tempo van ontdekkingen in dit veelbelovende veld moeten versnellen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.