Forskere skaber ny opskrift på enkeltatom-transistorer

Engang ufattelig, transistorer, der kun består af flere-atom-klynger eller endda enkelte atomer, lover at blive byggestenene i en ny generation af computere med uovertruffen hukommelse og processorkraft. Men for at realisere det fulde potentiale af disse små transistorer - elektriske miniature tænd-sluk-kontakter - skal forskere finde en måde at lave mange kopier af disse notorisk vanskelige at fremstille komponenter.

Nu, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger ved University of Maryland har udviklet en trin-for-trin opskrift til at producere atomare skalaenheder. Ved at bruge disse instruktioner, det NIST-ledede hold er kun blevet det andet i verden til at konstruere en enkelt-atom transistor og det første til at fremstille en række enkelt-elektron transistorer med atom-skala kontrol over enhedernes geometri.

Forskerne demonstrerede, at de præcist kunne justere den hastighed, hvormed individuelle elektroner strømmer gennem et fysisk hul eller en elektrisk barriere i deres transistor - selvom klassisk fysik ville forbyde elektronerne at gøre det, fordi de mangler nok energi. Det strengt taget kvantefænomen, kendt som kvantetunneling, bliver kun vigtigt, når hullerne er ekstremt små, såsom i miniature transistorer. Præcis kontrol over kvantetunneling er nøglen, fordi den gør det muligt for transistorerne at blive "viklet ind" eller sammenkædet på en måde, som kun er mulig gennem kvantemekanik og åbner nye muligheder for at skabe kvantebits (qubits), der kan bruges i kvanteberegning.

At fremstille enkelt-atom og få-atom transistorer, holdet stolede på en kendt teknik, hvor en siliciumchip er dækket med et lag af brintatomer, som let binder til silicium. Den fine spids af et scanningstunnelmikroskop fjernede derefter brintatomer på udvalgte steder. Den resterende brint fungerede som en barriere, så når holdet dirigerede phosphingas (PH ₃ ) ved siliciumoverfladen, individuel PH ₃ molekyler kun knyttet til de steder, hvor brinten var blevet fjernet (se animation). Forskerne opvarmede derefter siliciumoverfladen. Varmen udstødte brintatomer fra PH ₃ og fik det efterladte fosforatom til at indlejre sig i overfladen. Med yderligere behandling, bundne fosforatomer skabte grundlaget for en række meget stabile enkelt- eller fåatomers enheder, der har potentialet til at fungere som qubits.

To af trinene i metoden udviklet af NIST-holdene - at forsegle fosforatomerne med beskyttende lag af silicium og derefter skabe elektrisk kontakt med de indlejrede atomer - ser ud til at have været afgørende for pålideligt at fremstille mange kopier af atomisk præcise enheder, NIST-forsker Richard Silver sagde.

I fortiden, forskere har typisk anvendt varme, når alle siliciumlagene dyrkes, for at fjerne defekter og sikre, at silicium har den rene krystallinske struktur, der kræves for at integrere enkeltatomenheder med konventionelle silicium-chip elektriske komponenter. Men NIST-forskerne fandt ud af, at en sådan opvarmning kunne fjerne de bundne fosforatomer og potentielt forstyrre strukturen af ​​enhederne i atomskala. I stedet, holdet deponerede de første adskillige siliciumlag ved stuetemperatur, lader fosforatomerne blive siddende. Først da de efterfølgende lag blev aflejret, påførte holdet varme.

"Vi mener, at vores metode til at påføre lagene giver mere stabile og præcise anordninger i atomare skala, " sagde Silver. At have selv et enkelt atom ude af stedet kan ændre ledningsevnen og andre egenskaber af elektriske komponenter, der har enkelte eller små klynger af atomer.

Holdet udviklede også en ny teknik til det afgørende trin at skabe elektrisk kontakt med de nedgravede atomer, så de kan fungere som en del af et kredsløb. NIST-forskerne opvarmede forsigtigt et lag palladiummetal påført specifikke områder på siliciumoverfladen, der lå direkte over udvalgte komponenter i den siliciumindlejrede enhed. Det opvarmede palladium reagerede med siliciumet og dannede en elektrisk ledende legering kaldet palladiumsilicid, som naturligt trængte gennem siliciumet og fik kontakt med fosforatomerne.

I en nyere udgave af Avancerede funktionelle materialer , Silver og hans kolleger, som inkluderer Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. og Curt Richter, understregede, at deres kontaktmetode har en succesrate på næsten 100 %. Det er en vigtig præstation, bemærkede Wyrick. "Du kan have den bedste enkelt-atom-transistor enhed i verden, men hvis du ikke kan komme i kontakt med det, det er ubrugeligt, " han sagde.

Fremstilling af enkeltatom-transistorer "er en vanskelig og kompliceret proces, som måske alle skal skære tænderne i, men vi har lagt trinene ud, så andre hold ikke skal fortsætte ved at prøve og fejle, sagde Richter.

I beslægtet arbejde offentliggjort i dag i Kommunikationsfysik , Silver og hans kolleger demonstrerede, at de præcist kunne kontrollere den hastighed, hvormed individuelle elektroner tunnelerer gennem atomisk præcise tunnelbarrierer i enkeltelektrontransistorer. NIST-forskerne og deres kolleger fremstillede en række enkeltelektrontransistorer, der var identiske på alle måder, bortset fra forskelle i størrelsen af ​​tunnelgabet. Målinger af strømflow viste, at ved at øge eller mindske afstanden mellem transistorkomponenter med mindre end en nanometer (milliarddel af en meter), holdet kunne præcist kontrollere strømmen af ​​en enkelt elektron gennem transistoren på en forudsigelig måde.

"Fordi kvantetunnelering er så fundamental for enhver kvanteanordning, herunder konstruktion af qubits, evnen til at kontrollere strømmen af ​​én elektron ad gangen er en betydelig præstation, " sagde Wyrick. Derudover, efterhånden som ingeniører pakker flere og flere kredsløb på en lille computerchip, og kløften mellem komponenterne fortsætter med at skrumpe, forståelse og kontrol af virkningerne af kvantetunneling vil blive endnu mere kritisk, sagde Richter.