Цифровой журнал «Компьютерра» № 28

Как правило, сами учёные делают это аккуратно и грамотно. И эта статья написана ясным научным языком, в ней нет никаких журналистских выдумок и сенсационного заголовка, а фантазии и неточности появляются тогда, когда журналист или инноватор пытается сделать так, чтобы тема была интересна всем, а не только узким специалистам.

Схема транзистора группы Мартина Фюксле Martin Fuechsleet al., Nature Nanotechnology5, 502 -505 (2010)

- На каком принципе основана работа такого транзистора?

- Транзистор Мартина Фюхсле с соавторами, о котором вы спрашиваете, устроен примерно так же, как и с одним атомом примеси. В их приборе, представленном на рис.1, есть исток, сток, между ними два затвора и атомы примеси.

Изображение получено с помощью сканирующего туннельного (атомно-силового) микроскопа. Также в нём видны «ступеньки» — это атомные террасы на поверхности кремния. Они сначала покрыли поверхность водородом, он делает ее непроводящей, потом удалили его с помощью зонда в нужных местах, затем напустили газ, фосфин (соединение водорода с фосфором).

Фосфин очень активен, он взаимодействует с оборванными связями, и там, где он особенно активен, естественно, образуются проводящие дорожки. В середине сделан маленький «островок» с небольшим количеством атомов фосфора. Затем устройство отжигается при температуре 250 градусов Цельсия. Это самый критический шаг, потому что во время отжига картинка плывет, атомы начинают перескакивать из одного положения в другое, и она размывается.

Это главная проблема: сохранить, несмотря на размытие картинки, работающую структуру. Но они успешно нашли режим, в котором исходная структура не сильно размывается. Они сделали ещё один контакт, электрический, но уже с помощью алюминия и с защитным слоем кремния сверху. То есть, по сути, они зарастили кремнием эти слои с фосфором, и после у них получился готовый наноприбор, который можно исследовать.

Измерения проводятся при температуре 20 мК (температура жидкого гелия 4 К, а эта — в 200 раз меньше). Это очень низкие температуры, они достигаются откачкой паров жидкого гелия, и, к сожалению, без них наблюдать подобные эффекты нельзя. Это — главный недостаток конструкции. А достоинство заключается в том, что они создали сильно легированные 3-4 нанометровые островки, то есть настолько маленькие, что уже наблюдаются квантовые резонансные эффекты в переносе носителей от истока к стоку.

Кроме того, они проанализировали эти резонансы и доказали, что атомы в этом островке расположены хаотично и образуют почти непрерывную зону уровней, через которую транспорт идёт даже лучше, чем ожидалось. Это очень важно, потому что обычный транзистор работает не на туннельном эффекте, а на преодолении барьера за счёт тепловой энергии носителей заряда (то есть термоэмиссионный ток) и за счёт инжекции из истока.

Их прибор работает на туннельном токе, который как минимум в 10 раз меньше, чем инжекционный, так как вероятность туннелирования экспоненциально сильно зависит от расстояния, а также от числа уровней, по которым возможно туннелирование. Получение большого тока — главная проблема туннельных приборов.

- Является ли этот транзистор шагом к созданию квантового компьютера?

- Да, является. В Австралии существует большая программа по созданию квантового компьютера, такие программы имеются во всём мире, в том числе и в России. Главная проблема заключается в том, чтобы точно, в заданном положении, расположить атомы примеси в твёрдом теле.

Например, в работе 2006 года эту проблему попробовали решить очень простым способом. Они просто имплантировали одиночные примесные атомы в готовые структуры, которые потом случайно обнаруживали.

Сейчас уже разработана специальная установка, которая имплантирует по одному атому. Такие установки дороги и сложны в изготовлении, и достоинство рассматриваемой работы в Nature в том, что авторы используют сканирующий туннельный микроскоп со сверхвысоким вакуумом, с помощью которого точно по заданному рисунку размещаются атомы фосфора на поверхности кремния.

- Расскажите про транзистор из одного атома.

- Первая работа с одним легирующим атомом была сделана в 2006 году и опубликована также в журнале Nature, авторство принадлежит сотрудникам университета Дельфта из Голландии. Они сделали транзистор с использованием всего одного примесного атома фосфора. Сейчас эта технология доведена до совершенства. Этим занимаются и австралийские и немецкие исследовательские центры, центры в США.

Исследователи давно работают со считанным количеством легирующих атомов на кремнии и транзисторными структурами, и пытаются делать приборы, подобные тем, что описаны в майской статье. Благодаря эффекту туннелирования можно сделать прибор из 1-3 атомов и получить при этом хорошие характеристики.