Digital Etching of Single-Crystalline Silicon Fin Barriers Down to Sub-10 nm

En la búsqueda de la construcción de computadoras cuánticas, los científicos están tratando de crear circuitos diminutos y frágiles que puedan retener la información en un estado de superposición, existiendo en múltiples estados a la vez. Uno de los diseños más prometedores para estos circuitos es el qubit transmón, un dispositivo que depende de un componente especial llamado unión de Josephson. Esta unión actúa como un guardián para la corriente eléctrica, pero es notoriamente sensible a su entorno. Si los materiales dentro de la unión están desordenados o desordenados a nivel atómico, crean defectos diminutos que roban energía al qubit, causando que pierda su información antes de que cualquier cálculo pueda terminarse. Durante años, los investigadores han utilizado materiales amorfos, que son como líquidos congelados con átomos dispuestos de forma aleatoria, para construir estas barreras. Sin embargo, estas estructuras aleatorias están llenas de los mismos defectos que matan el rendimiento cuántico. La solución ideal sería utilizar un cristal perfecto, donde cada átomo se asienta en una fila precisa y ordenada, pero fabricar una barrera de cristal perfecta y delgada dentro de un dispositivo electrónico complejo ha demostrado ser un inmenso desafío de ingeniería.

Un equipo de investigadores ha desarrollado ahora un nuevo método para tallar estas barreras de cristal perfecto a partir de una sola pieza de silicio, adelgazándolas hasta una escala que anteriormente estaba fuera de alcance. Comenzaron con una oblea de silicio estándar, un material utilizado en casi toda la electrónica moderna, y utilizaron una combinación de baños químicos y tratamientos térmicos para esculpirla en una pared alta y estrecha, conocida como aleta (fin). El objetivo era hacer que esta pared fuera tan delgada que pudiera servir como la barrera para una unión de Josephson, permitiendo que los electrones atraviesen mediante efecto túnel de una manera controlada. El desafío era que el proceso químico inicial utilizado para dar forma al silicio dejaba las paredes desiguales, estrechándose desde una base gruesa hacia una parte superior delgada, y los métodos estándar para adelgazar el silicio aún más tendían a romper las delicadas estructuras o a dejarlas demasiado gruesas para funcionar.

Para resolver esto, los investigadores primero utilizaron un grabado químico húmedo, sumergiendo el silicio en una solución de hidróxido de potasio que desgasta el material en una dirección específica, dejando atrás paredes anguladas y suaves. Esto creó una aleta de aproximadamente setenta y cuatro nanómetros de grosor, pero necesitaban que fuera de menos de diez nanómetros para funcionar como una barrera cuántica. Luego recurrieron a una técnica llamada grabado digital, que funciona como un proceso de pelado muy lento y controlado. Expusieron el silicio a un gas que convierte la capa más externa de átomos en una fina piel de óxido, y luego utilizaron un vapor de ácido fluorhídrico para lavar esa piel. Al repetir este ciclo de convertir la superficie en óxido y lavarla, podían eliminar la capa de silícon por capas. En sus pruebas iniciales, lograron adelgazar las aletas hasta unos diecinueve nanómetros, pero el proceso tenía un fallo: la máscara protectora situada sobre la aleta se desprendía y se caía una vez que la aleta se volvía demasiado delgada, probablemente porque el ácido líquido estaba desgastando el pegamento que sujetaba la máscara en su lugar.

Para superar este límite y alcanzar la meta de los diez nanómetros, el equipo cambió de un proceso de ácido líquido a uno basado en vapor y cambió la forma en que calentaban el silicio. Utilizaron el recocido térmico rápido, un método donde el silicio se calienta muy rápidamente en un horno, para hacer crecer la capa de óxido. Al controlar cuidadosamente la temperatura y la mezcla de gases en el horno, pudieron ajustar exactamente cuánto silicio se eliminaba en cada ciclo. Descubrieron que calentar el silicio a temperaturas muy altas eliminaba material rápidamente, lo cual era útil para las partes más gruesas de la aleta, mientras que las temperaturas más bajas permitían un ajuste fino a medida que se acercaban a las dimensiones finales y ultra delgadas. Este enfoque les permitió desprender el silicio sin dañar la máscara, creando eventualmente aletas tan delgadas como seis nanómetros.

Sin embargo, las aletas todavía sufrían el problema del estrechamiento, donde la parte superior era significativamente más delgada que la base, lo que haría que las propiedades eléctricas de la unión fueran inconsistentes. Los investigadores se dieron cuenta de que la forma en que el silicio era calentado causaba que la parte superior se oxidara más rápido que la inferior, creando un gradiente en el grosor. Para solucionar esto, ralentizaron el proceso de calentamiento y cambiaron la atmósfera dentro del horno de oxígeno puro a una mezcla de nitrógeno y oxígeno. Este cambio sutil evitó que la parte superior de la aleta reaccionara demasiado rápido antes de que toda la estructura alcanzara la temperatura objetivo. El resultado fue una mejora dramática en la uniformidad. En una aleta de 1.2 micrómetros de alto, la diferencia de grosor entre la parte superior y la base se redujo de diecisiete nanómetros a solo tres nanómetros.

Las estructuras finales fueron examinadas con potentes microscopios electrónicos, los cuales revelaron que el equipo había logrado crear paredes de silicio monocristalino de solo unos seis nanómetros de grosor en la parte superior y quince nanómetros en la base, con un perfil notablemente recto. Este nivel de precisión sugiere que ahora es posible construir uniones de Josephson utilizando barreras de silicio monocristalino perfectas, lo que podría eliminar los defectos que roban energía presentes en los materiales más antiguos. Al demostrar que estas aletas ultra delgadas y uniformes pueden fabricarse utilizando herramientas de semiconductores estándar, los investigadores han abierto un camino claro hacia la construcción de computadoras cuánticas más estables y fiables, convirtiendo una ventaja teórica de los cristales perfectos en una realidad práctica.