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Des scientifiques du NIST créent un transistor à un atome

Les transistors constitués uniquement de grappes à plusieurs atomes ou même d’atomes uniques pourraient devenir les éléments constitutifs d’une nouvelle génération d’ordinateurs dotés d’une mémoire et d’une puissance de traitement sans précédent. Mais les premiers chercheurs doivent trouver un moyen de produire en masse de minuscules interrupteurs marche / arrêt.

Heureusement, des chercheurs de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) ainsi que des collègues de l’Université du Maryland ont développé des méthodes pas à pas pour fabriquer des transistors à l’échelle atomique. À l’aide des instructions, ce groupe n’est devenu que le deuxième au monde à construire un transistor à un atome et le premier à fabriquer une série de transistors à un électron avec un contrôle à l’échelle atomique sur la géométrie des appareils.

Illustration d’artiste d’une partie de la méthode développée au NIST pour fabriquer des transistors à un seul atome.S. Kelley / NIST

Les scientifiques ont montré que les nouveaux composants électroniques peuvent ajuster avec précision la vitesse à laquelle les électrons individuels traversent un espace physique ou une barrière électrique dans leur transistor, même si la physique classique interdit aux électrons de le faire parce qu’ils manquent d’énergie. Apparemment, les électrons s’en sortent avec la tunnelisation quantique qui ne devient possible que lorsque les écarts sont extrêmement petits, comme dans les transistors miniatures.

Un contrôle précis sur la tunnelisation quantique est essentiel car il permet aux transistors de s’entremêler ou de s’interconnecter, d’une manière uniquement possible grâce à la mécanique quantique et ouvre de nouvelles possibilités pour créer des bits quantiques (qubits) qui pourraient être utilisés dans l’informatique quantique.

Pour fabriquer des transistors à un seul atome et à quelques atomes, l’équipe a recouvert une puce de silicium d’une couche d’atomes d’hydrogène, qui se lient facilement au silicium. La pointe fine d’un microscope à effet tunnel retire physiquement les atomes d’hydrogène sur des sites sélectionnés. L’hydrogène restant agit comme une barrière de sorte que lorsque l’équipe dirige le gaz de phosphine (PH3) à la surface du silicium, PH individuel3 les molécules se fixent uniquement là où l’hydrogène a été éliminé. Les chercheurs ont ensuite chauffé la surface du silicium. Atomes d’hydrogène éjectés par la chaleur du PH3 intégrer l’atome de phosphore laissé dans la surface. Avec un traitement supplémentaire, les atomes de phosphore liés créent la base d’une série de dispositifs à un seul atome ou à quelques atomes très stables qui peuvent servir de qubits.

Cette animation montre la recette étape par étape conçue par les scientifiques du NIST et leurs collègues pour produire ces appareils à l’échelle atomique. (Crédit: S. Kelley / NIST)

Pour réaliser le plein potentiel de leurs minuscules transistors, les chercheurs doivent trouver un moyen d’en faire de nombreuses copies.

Deux des étapes de la méthode mise au point par les équipes du NIST – sceller les atomes de phosphore avec des couches protectrices de silicium puis établir un contact électrique avec les atomes intégrés – semblent avoir été essentielles pour fabriquer de manière fiable de nombreuses copies de dispositifs atomiquement précis, a déclaré un chercheur du NIST. Richard Silver.

Dans le passé, les chercheurs ont généralement appliqué de la chaleur pendant la croissance des couches de silicium pour éliminer les défauts et garantir que le silicium a la structure cristalline pure requise pour les dispositifs à un atome avec des composants de puce de silicium conventionnels. Mais les scientifiques du NIST ont découvert qu’un tel chauffage déloge les atomes de phosphore liés et pourrait perturber la structure finale de l’appareil. Au lieu de cela, l’équipe a déposé les premières couches de silicium à température ambiante, laissant les atomes de phosphore rester en place. L’équipe a ensuite appliqué de la chaleur alors que davantage de couches se déposaient.

Le fait d’avoir un seul atome à sa place peut altérer la conductivité et d’autres propriétés des composants électriques qui comportent des groupes d’atomes uniques ou petits.

L’équipe a également développé une nouvelle façon d’établir un contact électrique avec les atomes enterrés afin qu’elle fonctionne dans le cadre d’un circuit. Les scientifiques du NIST ont chauffé doucement une couche de palladium métallique appliquée à des régions spécifiques de la surface du silicium directement au-dessus de certains composants du transistor incorporé au silicium. Le palladium chauffé réagit avec le silicium pour former un alliage électriquement conducteur appelé siliciure de palladium, qui pénètre naturellement dans le silicium et entre en contact avec les atomes de phosphore. Cette méthode de contact a un taux de réussite de près de 100%.

Dans des travaux connexes, une autre équipe de recherche a récemment montré qu’elle pouvait contrôler avec précision la vitesse à laquelle des électrons individuels passent à travers des barrières tunnel atomiquement précises dans des transistors à un électron. Cette équipe a également fabriqué une série de transistors à un électron identiques dans tous les sens, sauf pour la taille de l’espace de tunnel. Les mesures du flux de courant ont indiqué qu’en augmentant ou en diminuant l’écart entre les composants du transistor de moins d’un nanomètre, l’équipe pouvait contrôler avec précision le flux d’un seul électron à travers le transistor.

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