科學(xué)家開發(fā)出新的成像技術(shù),可能為下一代的量子計(jì)算技術(shù)奠定基礎(chǔ)

 最近，《Science》子刊《Science Advances》上發(fā)表的一篇論文稱，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能夠窺探硅晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非侵入性成像技術(shù)。這很有可能成為測試常規(guī)硅基芯片的有效方法，且可能為下一代的量子計(jì)算技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

這支來自奧地利林茨大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的國際團(tuán)隊(duì)將現(xiàn)有成熟的顯微技術(shù)——掃描微波顯微鏡(Scanning Microwave Microscopy, SMM)運(yùn)用到對硅芯片中人工摻入雜質(zhì)的檢測當(dāng)中，整個(gè)成像過程不會(huì)對芯片產(chǎn)生任何損害(半導(dǎo)體中會(huì)被摻入雜質(zhì)來增強(qiáng)其導(dǎo)電和光學(xué)性質(zhì))。

圖丨磷-硅材料成像

掃描微波顯微鏡在生物細(xì)胞和新材料方面有廣泛應(yīng)用，其中包括石墨和其它半導(dǎo)體材料。它的工作原理結(jié)合了原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (Vector Network Analyzer, VNA)——二者分別有測量樣品特定部分的納米探針，以及往探針上傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘柕难b置。該信號會(huì)在樣本中反射，并回到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中進(jìn)行計(jì)算，最后整套儀器會(huì)反饋樣本的三維圖像和電學(xué)性質(zhì)。

研究者使用掃描微波顯微鏡掃描樣本，具體探測了硅晶表層下成一定規(guī)律排列的磷原子的電學(xué)性質(zhì)。在這一方法下，研究者成功檢測了在表面4-15納米之下的1900-4200個(gè)緊密排列的原子。

當(dāng)然，諸如二次離子質(zhì)譜分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS)之類的技術(shù)也可以用于檢測半導(dǎo)體中人工參入的雜質(zhì)，但是掃描微波顯微鏡的主要優(yōu)勢是，它不會(huì)對樣本有任何損壞。

在 IEEE Spectrum 的一個(gè)郵件采訪中，本實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者、奧地利林茨大學(xué)的 Georg Gramse 表示：“從對硅芯片掃描的新技術(shù)中，我們能預(yù)見到對全球行業(yè)的潛在沖擊。因?yàn)樵谛酒呻娐吩絹碓叫〉那闆r下，測量過程已經(jīng)變得無比困難且耗費(fèi)時(shí)間，而且可能會(huì)損壞芯片本身。”

圖丨SMM和VNA對材料的測量結(jié)果

除了對硅基芯片的一系列影響，Gramse相信，這項(xiàng)技術(shù)可能對未來的磷-硅量子計(jì)算機(jī)的制造工藝做出貢獻(xiàn)。

與經(jīng)典計(jì)算機(jī)基于晶體管(晶體管的開關(guān)對應(yīng)二進(jìn)制的0和1)的工作原理不同，量子計(jì)算通過既可以代表0又可以代表1的量子比特處理數(shù)據(jù)。

四年前，人們開始用制造傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的硅材料制造量子計(jì)算機(jī)，但難點(diǎn)在于硅晶體中磷原子的植入，而磷原子的自旋正是量子比特承載體。

新的成像技術(shù)對磷-硅量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，因?yàn)槿藗兡馨褣呙栉⒉@微鏡集成到現(xiàn)有的探測儀器中。這將大大加快三維結(jié)構(gòu)的制造速度，因?yàn)樵摷夹g(shù)也能被應(yīng)用于光刻工藝中原子摻雜的迭代控制。

Gramse最后說：“目前，我們正在研究磷原子層的物理性質(zhì)，這將是通往磷-硅量子計(jì)算機(jī)的下一步。”