پیشرفت در ساخت ترانزیستورهای تک اتمی

.

.

در روزگاری نه چندان دور غیرقابل تصور بود ترانزیستورهایی ساخته شوند که تنها شامل خوشه‌های چند‌اتمی یا حتی اتم‌های منفرد باشند، ترانزیستورهایی که به ساخت نسل جدید رایانه‌هایی با حافظه و قدرت پردازشی بی‌نظیر کمک خواهند کرد. اما محققان برای بهره‌گیری از پتانسیل کامل این ترانزیستورهای کوچک، این سوئیچ های برقی مینیاتوری،  باید راهی پیدا کنند تا این افزاره‌ها را، که مراحل ساختن بسیار دشواری دارند، در مقیاس انبوه تهیه کنند.

اکنون، محققان انستیتوی ملی استاندارد و فناوری (NIST) و همکاران‌شان در دانشگاه مریلند دستور تهیه‌ی گام به گام برای تولید ترانزیستورهای مقیاس اتمی را تهیه کرده‌اند. با استفاده از این دستورالعمل‌ها، تیم تحت هدایت NIST دومین کشور جهان است که ترانزیستور تک‌اتمی را ساخته و اولین موسسه‌ی علمی است که مجموعه‌ای از ترانزیستورهای الکترونیکی منفرد را با کنترل مقیاس اتمی بر هندسه‌ی اتم‌ها ساخته است.
دانشمندان نشان دادند که می‌توانند تعداد  الکترون‌های منفردی را که  از میان یک شکاف فیزیکی یا سد الکتریکی در ترانزیستور عبور می‌کنند، تنظیم کنند -  حتی اگر فیزیک کلاسیک الکترون‌ها را، به علت فقدان انرژی کافی، از این کار منع کرده باشد. این پدیده‌ی کاملاً کوانتومی، که به عنوان «تونل‌زنی کوانتومی» شناخته می‌شود ، تنها هنگامی اهمیت می‌یابد که شکاف‌ها فوق‌العاده کوچک باشند، مانند ترانزیستورهای مینیاتوری. کنترل دقیق بر روی تونل‌زنی کوانتومی کلید این کار است زیرا این امکان را فراهم می‌کند که ترانزیستورها، از طریقی که فقط از عهده‌ی مکانیک کوانتومی برمی‌آید، «درهم تنیده» (Entangled) یا «به هم پیوسته» (Interlinked) شوند. این روش امکانات جدیدی را برای ایجاد «بیت‌های کوانتومی» (کوبیت‌ها Qubits) باز می‌کند که می‌توانند در محاسبات رایانه‌های کوانتومی مورد استفاده قرار گیرند.
این تیم برای ساخت ترانزیستورهای تک‌اتمی و چند‌اتمی، به یک تکنیک شناخته‌شده تکیه کرده که در آن سطح یک تراشه‌ی سیلیکون با یک لایه از اتم‌های هیدروژن پوشانده می‌شود، که به راحتی با سیلیکون پیوند ایجاد می‌کنند. سپس، نوک بسیار ریز یک «میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی» (scanning tunnelling microscope STM) اتم‌های هیدروژن را در مکان‌های منتخب حذف می‌کند. هیدروژن باقی‌مانده به عنوان مانع عمل می‌کند، به طوری که وقتی تیم پژوهشگران گاز فسفین (PH₃₎ را به سطح سیلیکون هدایت می‌کنند، مولکول‌های منفرد PH₃ فقط به مکان‌هایی که هیدروژن برداشته شده بود، متصل می‌شوند (به انیمیشن مراجعه کنید). پژوهش‌گران، سپس سطح سیلیکون را گرم می‌کنند. گرما اتم‌های هیدروژن را از PH₃ بیرون کشیده و باعث می‌شود اتم‌های فسفر که به جا مانده‌اند، خود را در سطح جاسازی کند. با انجام فرآیندهای اضافی، این اتم‌های فسفر پیوند‌یافته، پایه و اساس مجموعه‌ای از افزاره‌های تک یا چند‌اتمی بسیار پایدار را ایجاد می‌کنند که پتانسیل خدمت به عنوان کوبیت را دارند.

.

برای ساختن ترانزیستورهای ریز و کارآمد، پژوهش‌گران باید راهی پیدا کنند تا تعداد بسیار زیادی از این افزاره‌ها را، که ساختن‌شان بسیار دشوار است، بسازند. این انیمیشن گام به گام مراحل طراحی‌شده توسط دانشمندان NISTو همکاران‌شان برای تولید این افزاره‌های مقیاس اتمی را نشان می‌دهد.

(برای دیدن انیمشن لطفاً روی تصویر کلیک بزنید)

دو گام از این روش تولید توسط گروه پژوهش‌گران NIST طراحی شده – تثبیت اتم‌های فسفر با نشاندن لایه‌ی محافظ سیلیکونی و سپس ساخت اتصالات الکتریکی به اتم‌های جاسازشده-  گام‌هایی که به نظر می‌رسد از اهمیت فوق‌العاده‌ای در تولید خودکارِ ترانزیستورها به تعداد زیاد برخوردار باشند.
در گذشته، پژوهش‌گران به طور معمول برای حذف ناهنجاری‌ها و نقایص احتمالی، و اطمینان از خلوص ساختار بلوری، به تمام لایه‌های کریستال سیلیکونِ در حال رشد گرمادهی می‌کردند، تا سیلیکون حاصل شده، از ساختار بلوری خالص لازم برای تجمیع افزاره‌های تک‌اتمی با افزاره‌های الکتریکی سیلیکونی معمولی برخوردار باشد. اما دانشمندان NIST دریافتند که چنین گرمایشی می‌تواند اتم‌های فسفر پیوندیافته را از بین ببرد و به طور بالقوه ساختار افزاره‌ها را در مقیاس اتمی مختل کند. در عوض، این تیم اولین لایه‌های سیلیکون را در دمای اتاق برنشاند، روشی که به اتم‌های فسفر اجازه می‌دهد تا در جای خود باقی بمانند. وقتی لایه‌های بعدی نشانده شدند، آن وقت گرما اعمال می‌شود.
سخنگوی گروه می‌گوید: «ما معتقدیم که روش ما برای نشاندن لایه‌ها پایداری و دقت بیش‌تری در این افزاره‌های مقیاس اتمی فراهم می‌کند.» داشتن حتی یک اتم منفرد در خارج از محل خود، می‌تواند ضریب هدایت و سایر خصوصیات افزاره‌های الکتریکی را که دارای خوشه‌های منفرد یا کوچک اتم هستند، تغییر دهد.
این تیم، همچنین، فن‌آوری جدیدی را برای فائق آمدن بر مرحله‌ی پرچالش برقراری اتصال الکتریکی با اتم‌های دفن‌شده، ابداع کرد، به نحوی که این اتصالات بتوانند به عنوان بخشی از مدار فعالیت کنند. دانشمندان به آرامی لایه‌ای از فلز پالادیوم را که بر روی مناطق خاصی روی سطح سیلیکون و در بالای اجزای منتخب از افزاره‌های جاسازی شده، قرار داده بودند، حرارت دادند. پالادیوم گرم‌شده با سیلیکون واکنش نشان داد و یک آلیاژ رسانای الکتریسیته به نام «سیلیسید پالادیوم» تشکیل داد، که به طور طبیعی از میان اتم‌های سیلیکون نفوذ کرده و با اتم‌های فسفر اتصال برقرار می‌کرد.
در شماره‌ی دسامبر 2019 نشریه «مواد کاربردی پیشرفته» پیتر سیلور و همکارانش که شامل Xiqiao Wang ، Jonathan Wyrick  ، ​​ Michael Stewart Jr. و Curt Richter  هستند، تأکید کردند که روش ایجاد اتصال الکتریکی آن‌ها تقریباً 100٪ موفقیت‌آمیز بوده است. وایریک خاطرنشان کرد: «این یک موفقیت اساسی است. شما می‌توانید بهترین ترانزیستور تک‌اتمی در جهان را داشته باشید، اما اگر نتوانید با آن ارتباط برقرار کنید، بی‌فایده خواهد ماند.»

او اضافه کرد: «ساخت ترانزیستورهای تک‌اتمی یک فرآیند دشوار و پیچیده است که ما مراحلی از ساخت آن را انجام داده‌ایم تا سایر تیم‌های پژوهشی مجبور نشوند با آزمون و خطا آن را ادامه دهند.»
در پژوهش‌های مرتبط که  در نشریه‌ی «فیزیک ارتباطات» منتشر شده، سیلور و همکارانش نشان دادند که می‌توانند به دقت میزان و نرخی را که الکترون‌های منفرد از میان موانعی با دقت اتمی به ترانزیستورهای تک الکترون تونل می‌زنند را کنترل کنند. پژوهش‌گران NIST و همکارانشان مجموعه‌ای از ترانزیستورهای تک‌الکترون از هر نظر یکسانی را ساخته‌اند که فقط به واسطه‌ی اندازه شکاف تونل‌زنی متفاوت هستند. اندازه‌گیری‌های جریان عبوری نشان می‌دهد جریان که با افزایش یا کاهش فاصله بین اجزای ترانزیستور در مقیاس کمتر از یک نانومتر (میلیاردم متر)، تیم می‌تواند با دقت بالا عبور یک الکترون منفرد را از طریق ترانزیستور به روشی قابل پیش‌بینی کنترل کند.
پژوهش‌گران این گروه معتقدند: «از آنجا که تونل‌زنی کوانتومی در هر افزاره‌ی کوانتومی، منجمله کوبیت‌ها، نقشی بسیار پایه‌ای دارد، توانایی کنترل جریان یک تک‌الکترون در هر زمان دستاوردی مهم محسوب می‌شود. علاوه بر این، از آنجا که مهندسین هر روز تعداد مدارات بیشتری را روی یک تراشه‌ی کوچک کامپیوتر جا می‌دهند، و فاصله‌ی میان افزاره‌ها دایماً کوچک و کوچک‌تر می‌شود، شناخت و کنترل آثار تونل‌زنی کوانتومی اهمیت به مراتب بالاتری پیدا می‌کند.»

در انتها، اگر به این مبحث و توسعه ی افزاره‌های نیمه‌رسانا علاقه دارید، پیشنهاد می‌کنم گفتار زیبای زیر را ببینید و بشنوید. (برای تماشای کلیپ روی تصویر زیر کلیک بزنید)

.

.

.
مقالات:

X. Wang, J. Wyrick, R.V. Kashid, P. Namboodiri, S.W. Schmucker, A. Murphy, M.D. Stewart Jr., N. Zimmerman, and R.M. Silver. Atomic-scale Control of Tunnel Coupling. Communications Physics. Published May 11, 2020. DOI: 10.1038/s42005-020-0343-1

 

J. Wyrick, X. Wang, R.V. Kashid, P. Namboodiri, S.W. Schmucker, J.A. Hagmann, K. Liu, M.D. Stewart Jr., C.A. Richter, G.W. Bryant and R.M. Silver. Atom‐by‐Atom Fabrication of Single and Few Dopant Quantum Devices. Advanced Functional Materials. Published December 27, 2019. DOI: 10.1002/adfm.201903475

.

.

www.etesalkootah.ir ||   2020-06-12 © 

2015 www.etesalkootah.ir  © All rights reserved.

تمامی حقوق برای www.etesalkootah.ir محفوظ است. بیان شفاهی بخش یا تمامی یک مطلب از www.etesalkootah.ir در رادیو،  تلویزیون و رسانه های مشابه آن با ذکر واضح "اتصال کوتاه دات آی آر" بعنوان منبع مجاز است. هر گونه  استفاده  کتبی از بخش یا تمامی هر یک از مطالب www.etesalkootah.ir در سایت های اینترنتی در صورت قرار دادن لینک مستقیم و قابل "کلیک" به آن مطلب در www.etesalkootah.ir مجاز بوده و در رسانه های چاپی نیز در صورت چاپ واضح "www.etesalkootah.ir" بعنوان منبع مجاز است.

.