Wissenschaftler schaffen neues Rezept für einatomigen Transistoren

Nun, Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) und ihre Kollegen an der University of Maryland haben ein Schritt-für-Schritt-Rezept entwickelt, um die atomaren Maßstab Geräte zu produzieren. Unter Verwendung dieser Anweisungen hat der NIST-geführten Mannschaft nur die zweite in der Welt ein Atomarer Transistor zu konstruieren und die erste einer Reihe von Einzelelektronentransistoren mit Atom-scale Kontrolle über die Geometrie der Geräte herzustellen.

Die Wissenschaftler zeigten, dass sie genau die Geschwindigkeit, mit der neu einstellen könnten einzelne Elektronen durch eine physische Lücke fließen oder elektrische Barriere in ihrem Transistor, auch wenn die klassische Physik, die Elektronen zu tun, so verbieten würde, weil sie genug Energie fehlen. Die streng Quantenphänomene, wie Quantentunnelns bekannt, werden nur dann wichtig, wenn die Lücken sehr klein sind, wie beispielsweise in der Miniatur Transistoren. Eine genaue Kontrolle über Quantentunnelns ist entscheidend, da sie die Transistoren zu werden „verschränkter“ oder verkettete in einer Art und Weise nur durch Quantenmechanik ermöglicht und neue Möglichkeiten eröffnet quantum (Qubits) für die Erstellung, die in Quantencomputing verwendet werden könnten.

einatomige und wenige Atom Transistoren herzustellen, verlassen das Team auf einer bekannten Technik, bei der ein Silizium-Chip mit einer Schicht von Wasserstoffatomen bedeckt ist, die sich leicht an Silizium binden. Die feine Spitze eines Rastertunnelmikroskops dann Wasserstoffatome an ausgewählten Stellen entfernt werden. Der verbleibende Wasserstoff als Barriere beaufschlagt, so dass, wenn das Team gerichtet Phosphingas (PH3) an der Siliziumoberfläche, einzelne PH3 Moleküle gebunden nur an die Stellen, wo der Wasserstoff (siehe Animation) entfernt worden ist. Die Forscher dann auf die Siliziumoberfläche erwärmt. Die Wärme ausgestoßenen Wasserstoffatome aus dem PH3 und verursacht das Phosphoratom, das hinter gelassen einzubetten sich in der Oberfläche. Mit zusätzlichen Verarbeitungs, gebundene Phosphoratome geschaffen, um die Grundlage einer Reihe von hochstabilen Ein- oder wenigen Atom Vorrichtungen, die das Potential als Qubits zu dienen haben.

Zwei der Schritte in dem Verfahren nach den NIST Teams erdacht, die Phosphoratome mit Schutzschichten aus Silizium Dichtungs- und dann einen elektrischen Kontakt mit den eingebetteten Atome scheinen sich als wesentlich zu haben, um zuverlässig fabrizieren viele Kopien von atomar präzise Vorrichtungen, NIST Forscher Richard Silber sagte.

In der Vergangenheit haben die Forscher üblicherweise angewandte Wärme, da alle die Siliziumschichten aufgewachsen werden, um Defekte zu beseitigen und sicherzustellen, daß das Silizium die reine kristalline Struktur erforderlich, um die einatomigen Geräte mit herkömmlichem Silizium-Chip elektrischen Komponenten zu integrieren. Aber die NIST Wissenschaftler fanden heraus, dass eine solche Erwärmung der gebundenen Phosphoratome lösen könnte und stören möglicherweise die Struktur der atomaren Maßstab Geräte. Stattdessen abgeschieden das Team der ersten mehrere Siliziumschichten bei Raumtemperatur, so dass die Phosphoratome zu bleiben Put. Erst wenn wurden nachfolgende Schichten abgelagert hat das Team Wärme anzuwenden.

„Wir glauben, dass unsere Methode die Schichten der Anwendung stabiler und präziser auf atomarer Skala Geräte bietet“, sagte Silver. auch nur ein einziges Atom deplatziert zu haben, kann die Leitfähigkeit und andere Eigenschaften von elektrischen Komponenten verändern, die einzelne oder kleine Gruppen von Atomen aufweisen.

Das Team hat auch eine neue Technik für den entscheidenden Schritt zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit den vergrabenen Atom entwickelt, so dass sie als Teil einer Schaltung arbeiten können. Die NIST Wissenschaftler erhitzt sanft eine Schicht aus Palladiummetall auf bestimmte Bereiche auf der Siliziumoberfläche aufgebracht, die über ausgewählte Komponenten der silizium eingebetteten Vorrichtung residiert direkt. Das erhitzte Palladium zur Reaktion gebracht mit dem Silizium einen elektrisch leitenden Legierung zu bilden, Palladiumsilicid genannt, die natürlich durch die Silizium eindringen und den Kontakt mit den Phosphoratomen hergestellt.

In einer aktuellen Ausgabe von Advanced Functional Materials, Silber und seine Kollegen, die Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. und Curt Richter betonte umfassen, dass ihre Kontaktverfahren eine nahezu 100% ige Erfolgsquote hat. Das ist ein wichtiger Erfolg, bemerkte Wyrick. „Sie können die beste einatomigen-Transistorvorrichtung in der Welt haben, aber wenn Sie nicht Kontakt mit ihr machen können, es ist nutzlos“, sagte er.

Die Herstellung von einatomigen Transistoren „ist ein schwieriger und komplizierter Prozess, der vielleicht alle ihre Zähne zu schneiden hat, aber wir haben die Schritte so angelegt, dass andere Teams durch Versuch und Irrtum vorgehen müssen nicht“, sagte Richter.

In einer verwandten Arbeit veröffentlicht heute in Kommunikation Physik, Silber und seine Kollegen gezeigt, dass sie genau die Geschwindigkeit, mit denen einzelne Elektronen tunneln durch atomar präzise Tunnelbarrieren in Einzelelektronen-Transistoren steuern könnte. Die NIST-Forscher und ihre Kollegen fabriziert eine Reihe von Einzelelektronen-Transistoren in jeder Hinsicht identisch mit Ausnahme der Unterschiede in der Größe des Tunnellücke. Messungen des Stromflusses angedeutet, daß durch Erhöhung oder die Lücke zwischen den Transistorkomponenten von weniger als einem Nanometer (Milliardstel eines Meters) abnimmt, das Team genau den Fluss eines einzelnen Elektrons durch den Transistor in einer vorhersagbaren Art und Weise steuern kann.

„Weil Quantentunnelns ein Quantenbauelement so grundlegend ist, einschließlich der Konstruktion von Qubits, die Fähigkeit, die Strömung eines Elektron zu einer Zeit zu steuern, um eine bedeutende Leistung ist“, so Wyrick. Zusätzlich ist, wie Ingenieuren auf einem winzigen Chip-Computer immer mehr Schaltungen packen und die Lücke zwischen den Komponenten weiter zu schrumpfen, zu verstehen und zu steuern, die Auswirkungen der Quantentunnel wird die Richter noch kritischer geworden.

Quelle: National Institute of Standards and Technology (NIST). "Scientists create new recipe for single-atom transistors: Linking multiple copies of these devices may lay the foundation for quantum computing." ScienceDaily. ScienceDaily, 11 May 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200511092920.htm>.