ОСНОВЫ РЕАЛИЗАЦИИ ОДНОАТОМНОГО ТРАНЗИСТОРА

BASE OF IMPLEMENTATION OF SINGLE - ATOM TRANSISTOR

Dubkov Aleksey Dmitrievich

student, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev — KAI,

Russian, Kazan

Shulgin Dmitriy Anatolevich

candidate of Physical and Mathematical Sciences, associate Professor, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev — KAI,

Russian, Kazan

Сканирующий туннельный микроскоп может манипулировать отдельными атомами и молекулами на поверхности, но манипулирование кремнием для создания логических схем атомного масштаба было затруднено из-за ковалентной природы его связей. Стратегии, основанные на сопротивлении позволили сформировать атомно-размерные структуры на кремниевой поверхности, но для создания устройств, таких как транзисторы, с чрезвычайно короткими длинами затвора, квантовые компьютеры и одиночные примесные оптоэлектронные устройства - требуется возможность позиционирования отдельных атомов в кремниевом кристалле с атомарной точностью. Здесь мы используем комбинацию сканирующей туннельной микроскопии и водород-резист литографии для демонстрации одноатомного транзистора, в котором отдельный легирующий атом фосфора, помещенный внутри архитектуры прибора эпитаксиального кремния, с пространственной точностью одного решетчатого участка. Транзистор работает при температурах жидкого гелия, и измерения переноса электрона подтверждают наличие дискретных квантовых уровней в энергетическом спектре атома фосфора. Мы находим зарядную энергию, которая близка значению массы, ранее наблюдаемой только оптической спектроскопией.

Кремниевые технологии сейчас приближаются к масштабу, при котором и количество, и расположение отдельных атомов легирующей примеси в устройстве будут определять характеристики и их изменчивость в устройстве, что обусловлено статистическим характером размещения примесей, что будет налагать ограничение на масштабирование до физических ограничений, связанных с литографией и квантовыми эффектами. Контроль точного положения легирующих примесей в устройстве и понимание того, как это влияет на поведение устройства, становятся существенными. Устройства, основанные на детерминированном размещении из одиночных легирующих примесей в кремнии, также являются ведущими кандидатами на твердотельные архитектуры квантовых вычислений, потому что примеси могут иметь чрезвычайно длительное время спиновой когерентности и спиновой релаксации, и поскольку такой подход был бы совместим с существующими дополнительными технология металл-оксид-полупроводник (КМОП).

Одно из самых ранних предложений для твердотельного квантового компьютера задействованные массивы одиночных P атомов в кристалле кремния, с двумя ядерными спиновыми состояниями, обеспечивающими основу для кванта бит (кубит). Впоследствии были предложены кубиты на основе спиновых состояний электронов или степени заряженности примесей в кремнии. Это привело к повышению интереса к измерению электронного спектра отдельных примесей в полевых транзисторах, где они вводятся путем низкоэнергетической имплантации или прямой диффузии от сильно легированных зон контакта. Однако, эти подходы ограничены точностью около 10 нм из-за расположения примесей и необходимости поместить отдельные атомы фосфора в кремний с атомарной точностью и регистрации электростатических элементов и считывания устройства для каждой отдельной примеси для практической реализации квантового вычислительного устройства на основе этого подхода. требует На рис. 1 показан подход, который использовали для точечного размещения одного атома фосфора между источником с высоким содержанием фосфора и стоком в плоском, стробированном, монокристаллическом кристалле кремния.

Рисунок 1. Одноатомный транзистор на основе детерминированного позиционирования атома фосфора в эпитаксиальном кремнии

На рис. a изображено перспективное СТМ изображение, в котором десорбированные водородом области, определяющие источник (S) и дренажные (D) выводы с двумя затворами (G1, G2) кажутся поднятыми из-за увеличения туннельного тока через кремниевые состояния оборванных связей, которые были созданы. При последующем дозировании с фосфином, эти зоны формируют сильно легированные фосфором копланарные транспортные электроды одноатомной высоты, которые зарегистрированы на один атом фосфора в центре устройства. Также видны несколько атомарных ступеней, проходящих по поверхности Si (100). b – крупный план внутренней области устройства (пунктирная рамка в a), где центральным ярким выступом является атом кремния, который выбрасывается, когда одиночный атом фосфора входит в поверхность. c –  схема химической реакциb для детерминированного включения одного атома фосфора в поверхность. Дозирование насыщенности трехдимерной накладки (I) при комнатной температуре (RT) с последующим отжигом до 350˚C позволяет реализовать последовательную диссоциацию PH3 (II-IV) и последующее включение одного атома фосфора в поверхностный слой, выбрасывая атом кремния в процессе (V).

Список литературы:

1. Fuechsle M. et al. A single-atom transistor //Nature nanotechnology. – 2012. – Т. 7. – №. 4. – С. 242.
2. Aghamalyan D. et al. Quantum transistor realized with a single $\Lambda $-level atom coupled to the microtoroidal cavity //arXiv preprint arXiv:1902.11052. – 2019.
3. Афанасьев, А.В. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы: монография / А.В. Афанасьев, В.П. Афанасьев, Г.Ф. Глинский, С.И. Голудина ; под ред. Лучинина В.В., Таирова Ю.М.. — Москва: Физматлит, 2006. — 552 с.
4. Hao Y. M. et al. Single-photon transistor based on cavity electromagnetically induced transparency with Rydberg atomic ensemble //Scientific reports. – 2019. – Т. 9. – №. 1. – С. 4723.
5. Дзидзигури, Э.Л. Процессы получения наночастиц и наноматериалов. Нанотехнологии: учебное пособие / Э.Л. Дзидзигури, Е.Н. Сидорова. — Москва: МИСИС, 2012. — 71 с.
6. Dietsche E. K. et al. High-sensitivity magnetometry with a single atom in a superposition of two circular Rydberg states //Nature Physics. – 2019. – С. 1.