在量子芯片中开辟埋置比特的路径

在量子芯片中开辟埋置比特的路径

NIST的研究人员开创了一个过程,极大地简化了纳米级微芯片特性的制作,这些特性可能很快成为量子计算机的基础,在其他应用中也同样如此;

代替传统的1-or-0计算机比特存储电荷的形式、量子信息存储和量子比特的形式操纵(量子比特),可以同时有多个值。一个非常有前途的量子比特的候选人是一个单原子元素如磷(P)埋在超纯硅-28  

这些原子可以被精确地放置使用扫描隧道显微镜(STM),主力实验室仪器可能没有其他复杂的加工工具,科学家们广泛使用。 

创建一个纳米线,硅晶格上的氢原子的第一层。扫描电子显微镜(SEM)去除一部分氢,揭下硅。一股磷化氢气体是在表面上,使磷化氢分子结合到exposedsilicon。格,然后烘烤,除去氢层和embeddingthe磷在硅。最后,额外的硅层加上 

使用STM进行量子比特的制作需要与P量子比特和金属丝沉积的电连接小于1/第一百的人发宽度。到目前为止,只有通过使用不同的、复杂的和昂贵的仪器,成本很容易超过1000万美元,并且使用繁琐的一次性校准程序来协调不同的步骤和定位量子位,这一点通常是可能实现的;

“我们正在做什么,现在是一个复杂和深奥的过程和简化使它更高效的完成,”NIST的研究员Josh Pomeroy说,他与同事在自然科学报告他们的工作(链接外部)。“通过标准化,它改善了可访问性和可制造性,并与既定的工业过程更好地结合在一起。”;

形成量子比特的关键部件是P原子——它就像硅中的金属——其位置由STM决定,然后用晶体硅的保护层密封。在传统的方法中,研究人员通常是在芯片被密封后与埋藏的沉积物进行电接触,这种方法被称为电子束光刻(困难而昂贵的过程),用来切割外层的通道并定义金属丝。但首先,他们必须准确地找到埋藏的矿床,这是一个艰苦而缓慢的过程;

“问题是,现在的你,在这片地方特色上规模的微米[第一百万米]在芯片的40000000平方微米[ 4mm×10毫米]的表面面积,”Pomeroy说。“而且基本上都是硅。这就像在一个巨大的草堆里找一根特别的针。首先,你必须通过“蛮力”扫描定位存款,然后根据其他一些芯片特征记录其位置,最后绘制一个连接存款的自定义模式;

NIST首创的方法在一开始就在整个硅晶片上创建P线模式,使用工业标准“植入”方法在任何STM模式之前放置互连线。然后每个晶片被切割成数百个用于STM工作的芯片,大大提高效率。随着大规模磷沉积已经到位,芯片被加载到STM,准备,其表面覆盖着一层均匀的氢原子。在植入步骤中产生的引导标记将STM引导到芯片上的正确位置;

“当我们第一次把STM针尖样,”Pomeroy说,“我们立即在正确的邮政编码。然后利用STM的成像能力,我们可以直接看到植入的、电激活的区域。所以,当你画出图案时,你就知道电线在哪里,然后连接到它们;

STM针尖通过注入氢原子制造光刻模板,在注入的P和其他特征之间绘制路径。随着模式的建立,表面暴露于磷化氢,磷氢化合物,并加热,使只有P留在后面的模式,形成量子点和纳米线的大小可以从100纳米到小到一个单一的原子。为了保存和测量设备,晶体硅层沉积在整个系统上。由于STM已经将纳米特性连接到更大的植入线中,所以不需要额外的信息来完成电接触,这是通过在预定义位置添加金属的简单步骤完成的;

为了开发新的方法,NIST的科学家和马里兰大学的合作者,大学公园不得不解决两个相互竞争的需求问题。有几根导线必须靠在一起才能与STM接触,但不能电连接。为了发现一个平衡,他们需要理解和模拟加热在芯片制造过程中对注入沉积物的影响。通常情况下,硅衬底上制备STM“闪光”加热到1200以上 °C约一分钟,可造成大量种植扩散。扩散可以使导线紧密地结合在一起,形成一条线;

“当我们第一次提出的概念,”Pomeroy说,“很多人都有各种想法,为什么它不工作–我们均同意。但我们还是试了一下,找到了一条成功的路。以前,你需要很多先进的设备和艰苦的技术来制造这种芯片。现在,一个有STM系统的教授和几个研究生可以参加比赛。这将加速这一充满希望的领域的发现速度。”

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