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

Nella ricerca di costruire computer quantistici, gli scienziati stanno cercando di creare circuiti minuscoli e fragili che possano mantenere l'informazione in uno stato di sovrapposizione, esistendo in più stati contemporaneamente. Uno dei design più promettenti per questi circuiti è il qubit transmon, un dispositivo che si basa su un componente speciale chiamato giunzione Josephson. Questa giunzione agisce come un guardiano per la corrente elettrica, ma è notoriamente sensibile al suo ambiente. Se i materiali all'interno della giunzione sono disordinati o disomogenei a livello atomico, creano piccoli difetti che rubano energia al qubit, facendogli perdere le informazioni prima che qualsiasi calcolo possa essere terminato. Per anni, i ricercatori hanno utilizzato materiali amorfi, che sono come liquidi congelati con atomi disposti casualmente, per costruire queste barriere. Tuttavia, queste strutture casuali sono piene proprio di quei difetti che uccidono le prestazioni quantistiche. La soluzione ideale sarebbe quella di utilizzare un cristallo perfetto, dove ogni atomo occupa una fila precisa e ordinata, ma realizzare una sottile barriera di cristallo perfetto all'interno di un complesso dispositivo elettronico si è rivelata un'immensa sfida ingegneristica.

Un team di ricercatori ha ora sviluppato un nuovo metodo per scolpire queste barriere di cristallo perfetto da un unico pezzo di silicio, assottigliandole fino a una scala precedentemente fuori portata. Sono partiti da un wafer di silicio standard, un materiale utilizzato in quasi tutta l'elettronica moderna, e hanno usato una combinazione di bagni chimici e trattamenti termici per scolpirlo in una parete alta e stretta, nota come "fin" (aletta). L'obiettivo era rendere questa parete così sottile da poter servire come barriera per una giunzione Josephson, permettendo agli elettroni di attraversarla per effetto tunnel in modo controllato. La sfida era che il processo chimico iniziale utilizzato per dare forma al silicio lasciava le pareti irregolari, rastremate da una base spessa verso una cima sottile, e i metodi standard per assottigliare ulteriormente il silicio tendevano a rompere le delicate strutture o a lasciarle troppo spesse per funzionare.

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno prima utilizzato un'incisione chimica a umido, immergendo il silicio in una soluzione di idrossido di potassio che erode il materiale in una direzione specifica, lasciando dietro di sé pareti lisce e angolate. Questo ha creato un'aletta spessa circa settantaquattro nanometri, ma avevano bisogno che fosse inferiore a dieci nanometri per funzionare come barriera quantistica. Si sono poi rivolti a una tecnica chiamata incisione digitale, che funziona come un processo di sfoltimento molto lento e controllato. Hanno esposto il silicio a un gas che trasforma lo strato più superficialo di atomi in una sottile pelle di ossido, e poi hanno usato un vapore di acido fluoridrico per lavare via quella pelle. Ripetendo questo ciclo di trasformazione della superficie in ossido e successiva rimozione, potevano rimuovere il silicio strato dopo strato. Nei loro test iniziali, sono riusciti ad assottigliare le alette fino a circa diciannove nanometri, ma il processo aveva un difetto: la maschera protettiva posta sopra l'aletta si staccava e cadeva una volta che l'aletta diventava troppo sottile, probabilmente perché l'acido liquido stava erodendo la colla che teneva ferma la maschera.

Per superare questo limite e raggiungere l'obiettivo dei dieci nanometri, il team è passato a un processo basato sul vapore e ha cambiato il modo in cui riscaldava il silicio. Hanno utilizzato l'annealing termico rapido, un metodo in cui il silicio viene riscaldato molto velocemente in un forno, per far crescere lo strato di ossido. Controllando attentamente la temperatura e la miscela di gas nel forno, potevano regolare esattamente quanto silicio veniva rimosso in ogni ciclo. Hanno scoperto che riscaldare il silicio a temperature molto elevate rimuoveva il materiale rapidamente, il che era utile per le parti più spesse dell'aletta, mentre temperature più basse permettevano una regolazione fine man mano che si avvicinavano alle dimensioni finali ultra-sottili. Questo approccio ha permesso loro di rimuovere il silicio senza danneggiare la maschera, creando infine alette sottili solo sei nanometri.

Tuttavia, le alette soffrivano ancora del problema della rastremazione, dove la parte superiore era significativamente più sottile di quella inferiore, il che avrebbe reso inconsistenti le proprietà elettriche della giunzione. I ricercatori si sono resi conto che il modo in cui il silicio veniva riscaldato causava un'ossidazione più rapida della parte superiore rispetto alla base, creando un gradiente di spessore. Per risolvere il problema, hanno rallentato il processo di riscaldamento e hanno cambiato l'atmosfera all'interno del forno da ossigeno puro a una miscela di azoto e ossigeno. Questo cambiamento sottile ha impedito alla parte superiore dell'aletta di reagire troppo velocemente prima che l'intera struttura raggiungesse la temperatura target. Il risultato è stato un miglioramento drammatico dell'uniformità. Su un'aletta alta 1,2 micrometri, la differenza di spessore tra la parte superiore e quella inferiore è stata ridotta da diciassette nanometri a soli tre nanometri.

Le strutture finali sono state esaminate con potenti microscopi elettronici, che hanno rivelato come il team avesse creato con successo pareti di silicio monocristallino spesse solo circa sei nanometri in cima e quindici nanometri alla base, con un profilo straordinariamente dritto. Questo livello di precisione suggerisce che è ora possibile costruire giunzioni Josephson utilizzando barriere di silicio monocristallino perfette, il che potrebbe eliminare i difetti che sottraggono energia presenti nei materiali più vecchi. Dimostrando che queste alette ultra-sottili e uniformi possono essere realizzate utilizzando strumenti standard per semiconduttori, i ricercatori hanno aperto una strada chiara verso la costruzione di computer quantistici più stabili e affidabili, trasformando un vantaggio teorico dei cristalli perfetti in una realtà pratica.