Banende en vej for begravede stumper i kvantechips

NIST-forskere har været banebrydende for en proces, der drastisk forenkler fremstillingen af ​​den slags mikrochipfunktioner i nanoskala, som snart kan danne grundlaget for en kvantecomputer, blandt andre applikationer.

I stedet for konventionelle 1-eller-0 computerbits lagret i form af elektriske ladninger, kvanteinformation lagres og manipuleres i form af kvantebits (qubits), som kan have flere værdier samtidigt. En meget lovende qubit-kandidat er et enkelt atom af elementer såsom fosfor (P) begravet i ultrarent silicium-28.

Disse atomer kan placeres præcist ved hjælp af et scanning tunneling mikroskop (STM), et laboratorieinstrument for arbejdshest, der er bredt tilgængeligt for forskere, som måske ikke har adgang til andre komplekse nanofabrikationsværktøjer.

Brug af en STM til qubit-fremstilling kræver elektriske forbindelser til P-qubits og trådlignende aflejringer, der er mindre end 1/100 af bredden af ​​et menneskehår. Indtil nu, som generelt kun har været muligt ved at bruge forskellige, komplicerede og dyre instrumenter, hvis omkostninger nemt kan overstige 10 millioner dollars, og bruger besværlige, engangsjusteringsprocedurer for at koordinere de forskellige trin og lokalisere qubits.

"Vi tager det, der nu er en kompleks og noget esoterisk proces og forenkler den, så den er dramatisk nemmere og mere effektiv at udføre, " sagde NIST-forsker Josh Pomeroy, der sammen med kolleger rapporterer deres arbejde i Naturvidenskabelige Rapporter . "Det forbedrer tilgængelighed og fremstillingsevne på lang sigt gennem standardisering, og det er bedre tilpasset etablerede industrielle processer."

De kritiske komponenter, der danner qubits, er P-atomer - der fungerer som et metal i silicium - hvis positioner bestemmes af STM, før de forsegles med en beskyttende belægning af krystallinsk silicium. I den konventionelle metode, forskere laver typisk elektriske kontakter med de nedgravede aflejringer, efter at chippen er forseglet, ved hjælp af en metode kaldet elektronstrålelitografi (en vanskelig og dyr proces) til at skære kanaler ud i det ydre lag og definere metaltråde. Men først skal de præcist lokalisere de nedgravede aflejringer, en omhyggelig og langsom proces.

"Problemet er, at nu har du, et sted på denne chip, en funktion på skalaen af ​​en mikrometer [en milliontedel af en meter] på chippens 40, 000, 000 kvadratmikrometer [4 mm x 10 mm] overfladeareal, " sagde Pomeroy. "Og, stort set alt er silicium. Det er som at prøve at finde en bestemt nål i en kæmpe høstak af nåle. Først, du skal lokalisere indbetalingen ved "brute force"-scanning, optag derefter dens position i forhold til en anden chipfunktion, og, endelig, tegne et brugerdefineret mønster, der forbinder aflejringerne."

Den NIST-banebrydende metode skaber trådmønstre af P på hele siliciumwafers i begyndelsen, ved at bruge en industristandard "implantat"-metode til at placere sammenkoblingsledninger længe før enhver STM-mønsterdannelse. Hver wafer skæres derefter op i hundredvis af chips, der bruges til STM-arbejdet, væsentlig forbedring af effektiviteten. Med de store P-aflejringer allerede på plads, chippen er indlæst i STM, forberedt, og dens overflade er dækket af et ensartet lag af hydrogenatomer. Styremærker lavet under implantationstrinnet fører STM til det rigtige sted på chippen.

"Når vi først bringer STM-spidsen til prøven, " sagde Pomeroy, "Vi er med det samme i det rigtige postnummer. Og så ved at bruge STM's billedbehandlingsfunktioner, vi kan direkte 'se' det implanterede, elektrisk aktive områder. Så, når du tegner mønsteret, du ved præcis, hvor ledningerne er, og forbinder direkte til dem."

STM-spidsen tegner stier mellem det implanterede P og andre funktioner ved at fjerne brintatomer for at lave en litografisk skabelon. Med det etablerede mønster, overfladen er udsat for fosfin, en fosfor-brintforbindelse, og opvarmet, så kun P bliver tilbage i mønsteret, danner kvanteprikker og nanotråde, hvis størrelse kan variere fra 100 nm ned til så små som et enkelt atom. For at bevare og måle enheden, et krystallinsk Si-lag er aflejret over hele systemet. Fordi STM allerede har forbundet nano-funktionerne til de større implanterede ledninger, ingen yderligere oplysninger er nødvendige for at fuldføre elektrisk kontakt, hvilket gøres ved et simpelt trin, der tilføjer metal til foruddefinerede steder.

For at udvikle den nye metode, NIST videnskabsmænd og samarbejdspartnere ved University of Maryland, College Park skulle løse et problem med to konkurrerende behov. Flere ledninger skulle være tæt sammen for at kunne nås med STM, men ikke elektrisk tilsluttet. For at finde en balance, de havde brug for at forstå og modellere effekten af ​​opvarmning på de implanterede aflejringer under chipfremstilling. Typisk, Si-substrater forberedes til STM ved "flash"-opvarmning til over 1200 °C i cirka et minut, hvilket kan forårsage en betydelig mængde implantatdiffusion. Diffusion kan forårsage, at ledninger, der ligger tæt sammen, smelter sammen til én.

"Da vi først foreslog konceptet, " sagde Pomeroy, "masser af mennesker havde alle mulige ideer om, hvorfor det ikke ville fungere - det var vi alle enige i. Men vi prøvede det alligevel, og fundet en måde at få det til at lykkes på. Før, du havde brug for en masse meget sofistikeret udstyr og besværlig teknik til at fremstille chips af denne slags. Nu, en professor med et STM-system og et par kandidatstuderende kan komme med i spillet. Det burde accelerere opdagelsestempoet i dette meget lovende felt."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.