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美国国家标准技术研究院开发出一种新的单原子晶体管制造技术
2020-05-15

【据美国物理学家组织网2020512日报道】原子簇或单原子晶体管有望满足电子系统对超强存储和处理能力的需求,成为新一代计算机技术发展的基石。然而,为全面发挥微型晶体管的技术潜能,研究人员必须寻求新的器件制作技术。

日前,美国国家标准技术研究院(NIST)联合马里兰大学开发出一种新的单原子晶体管制造技术,同时,其也成为了首个有能力制作不同类型单原子晶体管的研究团队。在经典物理中,电子等微观粒子很难穿入或穿越比其能量高的势垒,然而,量子力学理论却可以给出合理解释,这便是量子隧穿效应,当物理间隙极小时,该效应尤为明显。因此,如何精确控制量子隧穿是制造单原子晶体管的关键技术,通过该方式可使晶体管通过量子力学的方式进行“纠缠”或互连,并为创建可用于量子计算的量子比特(qubits)提供了新的可能性。

为了实现单原子(或数个原子)的晶体管的制造,研究团队利用现有技术在硅上覆盖一层氢原子,并利用扫描隧道显微镜的微小探针去除了选定位置上的氢原子形成掩膜。当研究人员将磷化氢气体(PH3)引导到硅表面时,单个的磷化氢分子只附着在氢被移除的位置上。通过高温加热硅表面,磷化氢释放出氢原子,并使残留的磷原子嵌入硅表面。经过特殊的工艺处理,键合的磷原子构成了高稳定单原子(或数个原子)晶体管的沟道。

美国国家标准技术研究院理查德(Richard)认为,利用硅的保护层密封磷原子并使嵌入的磷原子能够与外界进行电接触是该项技术能够成功实现原子级精密器件的关键。过去的研究中,研究人员通常在硅层生长过程中施加热量,以消除硅的晶体缺陷确保晶体结构的完整性。然而,NIST发现这种方法会导致已经结合的磷原子脱落,从而破坏器件结构。因此,研究人员在室温下沉积了一定厚度的硅保护层,从而起到密封磷原子的作用。同时,研究人员通过将钯金属缓慢加热,使其附在硅表面特定区域上,在加热条件下,硅与钯形成硅化钯导电合金并与磷原子接触,这便成功的实现了磷原子与外界的电接触。研究人员西尔韦(Silver)表示,该技术的电接触成功率接近100%,可以制作出更稳定、精密的原子级器件。

西尔韦(Silver)及其同事在《通信物理学》上介绍了相关工作,采用该技术制备的单原子晶体管,可以实现对单个电子隧穿势垒的速率进行精确控制。研究人员表示,量子隧穿效应对于任何量子器件都至关重要,以此能够实现单电子的控制是一项重大的成就。此外,随着微型计算机芯片上可封装越来越多的电路,组件之间的间隙不断缩小,这也使得从原理上理解和控制量子隧穿效应所产生的影响将变得更加重要。(国家工业信息安全发展研究中心 郑发松)

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