Elektronik

Website-Editor für technologische Innovation – 17.01.2022

Doping-Take-by-Take

Ein Team aus Australien und Deutschland hat die Dotierungstechnik auf die Spitze getrieben, eine Verbesserung, die ausreicht, um dieses Standardverfahren der Mikroelektronik auch beim Bau von Quantencomputern einzusetzen.

Beim Dotieren werden „Verunreinigungen“ – Atome eines anderen chemischen Elements – in Halbleiter wie Silizium oder Germanium eingebracht, um die Eigenschaften elektronischer Komponenten an die jeweiligen Betriebsanforderungen anzupassen.

Alexander Jakob und seine Kollegen haben eine Technik entwickelt, mit der man Atome in einen Wafer aus Silizium oder einem anderen Halbleiter einbringen kann, aber mit nie dagewesener Präzision: Die Atome werden einzeln, nacheinander, vollständig kontrollierbar eingesetzt.

Heutzutage ist die Implantation von Atomen in Silizium ein weitgehend zufälliger Prozess, bei dem der Siliziumwafer in das zu implantierende Element, Dotierstoff genannt, getaucht wird – jedes Atom des Dotierstoffs wird in einem zufälligen Muster implantiert, wie Regentropfen auf einem Fenster.

Einfach ausgedrückt ersetzte das Team die sehr feine Spitze eines Rastermikroskops, die normalerweise in der Lage ist, ein Material Atom für Atom zu berühren, durch ein Flacheisen mit einem Nanoloch, das dick genug ist, um ein Atom durchzulassen.

Das Flacheisen wird dann über der Stelle positioniert, an der Sie das Atom implantieren möchten, und ein Strahl des Dotierstoffs wird darüber geschossen. Da das Loch nur ein Atom passieren lässt, wird es genau an der geplanten Stelle abgelagert.

Ein Klick für jeden Wälzer

Die vom Team erstellte Apparatur ermöglicht es, Muster in großem Maßstab mit genau definierten und genau lokalisierten Atomzahlen zu erstellen. Und das alles auf Siliziumchips, wobei die gesamte Technologie genutzt wird, die bereits für Siliziumcomputer für Quantencomputer entwickelt wurde.

„Wir verwenden fortschrittliche Technologie, die für empfindliche Röntgendetektoren entwickelt wurde, und ein spezielles Rasterkraftmikroskop, das ursprünglich für die Weltraummission Rosetta entwickelt wurde, zusammen mit einem umfassenden Computermodell für die Flugbahn von in Silizium implantierten Ionen, das in Zusammenarbeit mit unseren Kollegen entwickelt wurde Deutschland“, beschrieb Jakob von der University of Melbourne.

Das Team fand heraus, dass die kinetische Energie des Atoms gemessen werden kann, wenn es in den Siliziumkristall eindringt und seine Energie durch Reibung abgibt, und so nutzten sie dieses Signal, um ein kleines hörbares Klicken zu erzeugen, das in Echtzeit signalisiert, dass die Technik funktioniert Arbeiten. für jeden Wälzer einzeln.

„Wir konnten das elektronische Klicken ‚hören‘, wenn jedes Atom an einer von 10.000 Stellen auf unserem Prototypgerät landete. Unsere Vision ist es, diese Technik zu nutzen, um ein sehr, sehr großes Quantengerät zu bauen“, fügte Professor David Jamieson hinzu.

Die mit dem Atomimplantat erreichte Präzision ist beeindruckend.
[Imagem: Alexander M. Jakob et al. – 10.1002/adma.202103235]

Quantenprozessoren im großen Maßstab

Der Vorteil der quantitativ und räumlich kontrollierten Abscheidung besteht darin, dass Atome kontrolliert werden können, sodass ihre Quantenzustände manipuliert, gekoppelt und gelesen werden können.

Das heißt, jedes Atom kann als voll funktionsfähiges Qubit verwendet und von den anderen isoliert werden. Es gibt bereits solche Prototypen von Quantenprozessoren, aber die Atome befinden sich in zufälligen Mustern, und die Forscher müssen eines nach dem anderen testen, um zu sehen, welche als Qubit funktionieren, und trotzdem Glück haben, dass derjenige, der gut funktioniert, keinen Nachbarn hat im Weg stehen. .

„Wir glauben, dass wir letztendlich in der Lage sein werden, große Maschinen auf der Grundlage von Einzelatom-Quantenbits herzustellen, indem wir unsere Methode verwenden und Herstellungstechniken nutzen, die die Halbleiterindustrie perfektioniert hat“, schloss Jamieson.

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