Científicos crean nueva receta de transistores de un solo átomo

Ahora, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas de la Universidad de Maryland han desarrollado una receta paso a paso para producir los dispositivos a escala atómica. El uso de estas instrucciones, el equipo de NIST-llevado ha convertido en sólo el segundo en el mundo para construir un transistor de un solo átomo y la primera para la fabricación de una serie de transistores de electrones individuales con control de átomo de escala sobre la geometría de los dispositivos.

Los científicos demostraron que podían ajustar con precisión la velocidad a la que los electrones individuales fluyen a través de un espacio físico o barrera eléctrica en su transistor, a pesar de que la física clásica prohibirían los electrones de hacerlo porque carecen de suficiente energía. Ese fenómeno estrictamente cuántica, conocida como efecto túnel cuántico, sólo se vuelve importante cuando las lagunas son extremadamente pequeñas, tales como en los transistores en miniatura. un control preciso de túnel cuántico es clave, ya que permite a los transistores para convertirse en "enredada" o relacionados entre sí de una manera sólo es posible a través de la mecánica cuántica y abre nuevas posibilidades para la creación de los bits cuánticos (qubits) que podría ser utilizado en la computación cuántica.

Para fabricar de un solo átomo y pocos-átomo transistores, el equipo se basó en una técnica conocida en la que un chip de silicio se cubre con una capa de átomos de hidrógeno, que fácilmente se unen a silicio. La punta fina de un microscopio de efecto túnel luego se retira átomos de hidrógeno en los sitios seleccionados. El restante de hidrógeno actuado como una barrera para que cuando el equipo dirigido gas fosfina (PH3) en la superficie de silicio, las moléculas de PH3 individuales unido sólo a los lugares en los que se había eliminado el hidrógeno (ver animación). Los investigadores calentó entonces la superficie de silicio. El calor expulsado átomos de hidrógeno de la PH3 y causó el átomo de fósforo que fue dejado detrás a incrustarse en la superficie. Con el procesamiento adicional, átomos de fósforo unidos creado la base de una serie de dispositivos de una o pocas-átomo altamente estables que tienen el potencial para servir como qubits.

Dos de los pasos en el método concebido por los equipos de NIST, el sellado de los átomos de fósforo con capas protectoras de silicio y luego hacer contacto eléctrico con los átomos embebidos, parecen haber sido esencial para fiable fabrique muchas copias de dispositivos de precisión atómica, NIST investigador Richard dijo silver.

En el pasado, los investigadores han calor aplicado típicamente como se cultivan todas las capas de silicio, con el fin de eliminar los defectos y asegurar que el silicio tiene la estructura cristalina pura necesario para integrar los dispositivos de un solo átomo con componentes eléctricos-chip de silicio convencional. Sin embargo, los científicos del NIST encontraron que tal calentamiento podría desalojar a los átomos de fósforo unidos y, potencialmente, alterar la estructura de los dispositivos a escala atómica. En lugar de ello, el equipo deposita las primeras capas de silicio a temperatura ambiente, permitiendo que los átomos de fósforo a quedarse. Sólo cuando se depositaron las capas posteriores se aplique calor del equipo.

"Creemos que nuestro método de aplicación de las capas proporciona más estable y dispositivos precisos a escala atómica", dijo Silver. Tener incluso un solo cabo átomo de lugar puede alterar la conductividad y otras propiedades de los componentes eléctricos que cuentan con agrupaciones únicas o pequeñas de átomos.

El equipo también desarrolló una técnica novedosa para el paso crucial de hacer contacto eléctrico con los átomos enterrados para que puedan funcionar como parte de un circuito. Los científicos del NIST calentó suavemente una capa de metal paladio aplica a regiones específicas en la superficie de silicio que residía directamente por encima de los componentes seleccionados del dispositivo de silicio incorporado. El paladio se calienta hace reaccionar con el silicio para formar un conductor de la electricidad aleación llamada siliciuro de paladio, que naturalmente penetrado a través del silicio y se puso en contacto con los átomos de fósforo.

En una reciente edición de Advanced Functional Materials, plata y sus colegas, que incluyen Xiqiao Wang, Jonathan Wyrick, Michael Stewart Jr. y Curt Richter, hizo hincapié en que su método de contacto tiene una tasa de éxito de casi el 100%. Eso es un logro fundamental, señaló Wyrick. "Usted puede tener el mejor dispositivo de un solo átomo de transistores en el mundo, pero si no se puede hacer contacto con él, es inútil", dijo.

La fabricación de transistores de un solo átomo "es un proceso difícil y complicado que tal vez todo el mundo tiene que cortar los dientes, pero hemos presentado los pasos para que otros equipos no tienen que proceder por ensayo y error", dijo Richter.

En un trabajo relacionado publican hoy en Comunicaciones Physics, Plata y sus colegas demostraron que podían controlar con precisión la velocidad a la que túnel electrones individuales a través de barreras de túnel atómicamente precisos en los transistores de un solo electrón. Los investigadores del NIST y sus colegas fabricaron una serie de transistores de un solo electrón idénticos en todos los sentidos, excepto para las diferencias en el tamaño de la brecha de túnel. Las mediciones de flujo de corriente indicaron que aumentando o disminuyendo la distancia entre componentes de transistor por menos de un nanómetro (mil millonésima parte de un metro), el equipo podría controlar con precisión el flujo de un único electrón a través del transistor de una manera predecible.

"Debido túnel cuántico es tan fundamental para cualquier dispositivo cuántica, incluyendo la construcción de qubits, la capacidad de controlar el flujo de un electrón a la vez es un logro significativo", dijo Wyrick. Además, como los ingenieros de paquete más y más circuitos en un pequeño chip de computadora y la brecha entre los componentes sigue disminuyendo, la comprensión y el control de los efectos de túnel cuántico será aún más crítico, dijo Richter.

fuente: 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>.