Los investigadores del NIST han sido pioneros en un proceso que simplifica drásticamente la fabricación del tipo de características de microchip a nanoescala que pronto pueden formar la base de una computadora cuántica. entre otras aplicaciones.
En lugar de los bits de computadora convencionales 1 o 0 almacenados en forma de cargas eléctricas, la información cuántica se almacena y manipula en forma de bits cuánticos (qubits), que puede tener varios valores simultáneamente. Un candidato de qubit muy prometedor es un solo átomo de elementos como el fósforo (P) enterrado en silicio-28 ultrapuro.
Estos átomos se pueden colocar con precisión utilizando un microscopio de efecto túnel (STM), un instrumento de laboratorio de caballo de batalla ampliamente disponible para los científicos que pueden no tener acceso a otras herramientas complejas de nanofabricación.
El uso de un STM para la fabricación de qubits requiere hacer conexiones eléctricas a los qubits P y depósitos en forma de alambre de menos de 1/100 del ancho de un cabello humano. Hasta ahora, que en general sólo ha sido posible mediante el uso de instrumentos complicados y costosos, cuyo costo puede exceder fácilmente los $ 10 millones, y usando oneroso, procedimientos de alineación puntuales para coordinar los diferentes pasos y localizar los qubits.
"Estamos tomando lo que ahora es un proceso complejo y algo esotérico y lo estamos simplificando para que sea dramáticamente más fácil y más eficiente de lograr, "dijo el investigador del NIST Josh Pomeroy, que junto con sus colegas informan sobre su trabajo en Nature Scientific Reports. "Mejora la accesibilidad y la capacidad de fabricación a largo plazo mediante la estandarización y está mejor alineado con los procesos industriales establecidos".
Los componentes críticos que forman los qubits son los átomos de P, que actúan como un metal en el silicio, cuyas posiciones están determinadas por el STM antes de que se sellen con una capa protectora de silicio cristalino. En el método convencional, Los investigadores suelen hacer contactos eléctricos con los depósitos enterrados después de sellar el chip. utilizando un método llamado litografía por haz de electrones (un proceso difícil y costoso) para cortar canales en la capa exterior y definir alambres metálicos. Pero primero deben localizar con precisión los depósitos enterrados, un proceso lento y laborioso.
"El problema es que ahora tienes, en algún lugar de este chip, una característica en la escala de un micrómetro [una millonésima parte de un metro] en los 40 del chip, 000, 000 micrómetros cuadrados [4 mm x 10 mm] de superficie, "Pomeroy dijo." Y, esencialmente todo es silicio. Es como tratar de encontrar una aguja específica en un enorme pajar de agujas. Primero, tienes que localizar el depósito mediante escaneo de 'fuerza bruta', luego registre su posición en referencia a alguna otra característica del chip, y, finalmente, dibuje un patrón personalizado que conecte los depósitos ".
El método pionero del NIST crea patrones de alambre de P en obleas de silicio enteras al principio, utilizando un método de "implante" estándar de la industria para colocar los cables de interconexión mucho antes de cualquier patrón STM. Luego, cada oblea se corta en cientos de chips que se utilizan para el trabajo de STM, mejorando sustancialmente la eficiencia. Con los depósitos de P a gran escala ya instalados, el chip se carga en el STM, preparado, y su superficie está cubierta por una capa uniforme de átomos de hidrógeno. Las marcas de guía realizadas durante el paso del implante llevan al STM a la ubicación correcta en el chip.
"Cuando llevamos la punta STM a la muestra por primera vez, "Pomeroy dijo, "estamos inmediatamente en el código postal correcto. Y luego, utilizando las capacidades de imágenes del STM, podemos 'ver' directamente lo implantado, regiones eléctricamente activas. Entonces, cuando dibujas el patrón, usted sabe exactamente dónde están los cables y se conecta directamente a ellos ".
La punta STM dibuja caminos entre el P implantado y otras características eliminando átomos de hidrógeno para hacer una plantilla litográfica. Con el patrón establecido, la superficie está expuesta a la fosfina, un compuesto de fósforo-hidrógeno, y calentado de modo que solo P quede atrás en el patrón, formando puntos cuánticos y nanocables cuyo tamaño puede variar desde 100 nm hasta tan pequeño como un solo átomo. Para conservar y medir el dispositivo, se deposita una capa de Si cristalino sobre todo el sistema. Debido a que el STM ya ha conectado las nanocaracterísticas a los cables implantados más grandes, no se necesita información adicional para completar el contacto eléctrico, que se realiza mediante un simple paso que agrega metal a ubicaciones predefinidas.
Para desarrollar el nuevo método, Científicos y colaboradores del NIST en la Universidad de Maryland, College Park tuvo que resolver un problema de dos necesidades en competencia. Varios cables debían estar muy juntos para poder alcanzarlos con el STM, pero no conectado eléctricamente. Para descubrir un equilibrio necesitaban comprender y modelar el efecto del calentamiento en los depósitos implantados durante la fabricación de la viruta. Típicamente, Los sustratos de Si se preparan para STM calentando "flash" por encima de 1200 ° C durante aproximadamente un minuto, que puede causar una cantidad significativa de difusión del implante. La difusión puede hacer que los cables que están muy cerca se fusionen en uno solo.
"Cuando propusimos el concepto por primera vez, "Pomeroy dijo, "Mucha gente tenía todo tipo de ideas sobre por qué no funcionaría, con todas las cuales estuvimos de acuerdo. Pero lo intentamos de todos modos, y encontré una manera de hacerlo exitoso. Antes, se necesitaba mucho equipo altamente sofisticado y una técnica ardua para fabricar chips de este tipo. Ahora, un profesor con un sistema STM y un par de estudiantes graduados pueden participar en el juego. Eso debería acelerar el ritmo de los descubrimientos en este campo tan prometedor ".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.
