6 Minutės
Tyrėjai iš Niujorko universiteto (New York University) ir Kvinslando universiteto (University of Queensland) parodė superlaidumą galio legiruotame epitaksiniame germanyje — pažangą, kuri gali reikšmingai pakeisti būdus, kaip kvantiniai lustai gaminami plokštelių mastu. Šis atradimas apjungia puslaidininkių pramonės technologijas su superlaidžių medžiagų savybėmis ir suteikia perspektyvą plačiai pritaikomai, masinei kvantinių grandinių gamybai.
Plokštelių masto siurprizas: superlaidus germanis
Naujame svarbiame straipsnyje, publikuotame žurnale Nature, tyrėjų grupė parodė, kad germanis, auginamas tradicinėmis puslaidininkių metodikomis, tampa superlaidi, kai į jį įterpiamas galis. Superlaidumo perėjimas įvyksta maždaug žemiau 3,5 kelvino temperatūros (Tc ≈ 3,5 K), o kritiškai svarbu tai, kad medžiaga palaiko tankias Josephsono sandūrų masyvus per visą dviejų colių plokštelę (wafer). Tai reiškia, kad milijonai superlaidžių kontaktų gali būti suprojektuoti naudojant pramoninę litografiją ir patikrinti kriogeninėmis sąlygomis, siekiant užtikrinti stabilią superlaidumo elgseną, praktiškus srovių tankius ir tinkamumą kvantinėms aplikacijoms.
Tokio lusto masto superlaidumas atveria naujas galimybes integruoti superlaidžias grandines su puslaidininkinėmis valdymo struktūromis, sumažinant parazitines talpas ir šiluminius nuostolius bei padidinant grandinių tankį. Plokštelių masto charakteristika (wafer-scale superconductivity) yra esminis veiksnys, norint pereiti nuo bandymų laboratorijoje prie pramoninės gamybos — tai leidžia gamybos procesuose pritaikyti standartines ėsdinimo, litografijos ir metalo padengimo technologijas, kurias naudoja puslaidininkių fabrikai (fabs).
Kaip tai pagaminta: švarios dangos, tikslus legiravimas
Tyrėjų komanda naudojo molekulinės spindulinės epitaksijos (MBE, angliškai molecular beam epitaxy) metodą, kad užaugintų itin švarias germanio plėveles ir įtaisytų galio atomus tiksliose kristalinės gardelės vietose. MBE leidžia sluoksnis po sluoksnio valdomą augimą, mažina defektų tankį ir užtikrina, kad sąsajos tarp sluoksnių liktų beveik be dislokacijų ar grubių nelygumų — tai ypač svarbu, nes net maži defektai gali žymiai pabloginti superlaidžių grandinių charakteristikas.
Padidinus legiruotojo koncentraciją iki kritinio slenksčio, germanio plėvelė pereina į superlaidžią fazę, kurioje elektrinis pasipriešinimas nuliniuose režimuose praktiškai dingsta ir atsiranda makroskopinis kvantinis fenomensas. Techniniu požiūriu tai reiškia, kad galio atomai veikia kaip donorai arba akceptoriai (priklausomai nuo vietos ir vietinės chemijos) ir modifikuoja Fermo paviršiaus būsenas bei elektroninį tankį taip, kad susidaro sąlygos kondensuotai supoliuotų porų fazei. Be to, sluoksnių švarumas ir tikslus dopingo profilis palaiko aukštą kritinę srovę (Jc) ir leidžia formuoti tolygias Josephsono sandūras bei kitus superlaidžius elementus per visą plokštelę.
MBE metodas taip pat sumažina sąsajų oksidaciją ir nepageidaujamą medžiagų difuziją, todėl gamybos ciklas išlieka suderinamas su pažangiomis puslaidininkių technologijomis. Praktiniai eksperimentiniai rezultatai rodo, kad atominių sluoksnių kontrolė, temperatūros profilis ir vakuuminės sąlygos gali būti optimizuotos taip, kad būtų pasiekti stabilūs superlaidumo parametrai bei minimalus variacijų diapazonas tarp lusto zonų.
Kodėl tai svarbu: suderinamumas ir mastelio didinimas
Šio darbo unikalumas — jo pritaikomumas gamybai. Galio legiruotas germanis buvo sukurtas naudojant procesus, panašius į tuos, kurie jau taikomi sudėtinių puslaidininkių gamyboje ir Cryo-CMOS (kriogeniniai CMOS) projektuose, todėl jis yra suderinamas su dabartinėmis gamyklomis (fabs). Toks technologinis suderinamumas reiškia, kad ilgalaikiai barjerai, trukdantys integruoti klasikinius puslaidininkinius valdiklius su superlaidžiais elementais, gali būti žymiai sumažinti arba pašalinti.
Praktinės pasekmės apima parazitinių talpų sumažinimą, geresnį signalo santykį ir mažesnius šilumos nuostolius kriogeninėse aplinkose. Tai ypač svarbu kvantinių procesorių architektūroms, kur tarpvalią jungiančių sąsajų talpa ir šiluminiai nuostoliai riboja skalavimo galimybes. Dėl galimybės formuoti tankias Josephsono sandūrų matricas per visą lusto plotą galima gaminti sudėtingesnes kvantines topologijas, sujungti didesnį skaičių qubitų į vieną lusto pasiskirstymą bei mažinti jungčių ilgį tarp qubitų ir valdymo logikos.
Be to, šis požiūris atveria kelią hibridinei integracijai: germanio pagrindu sukurtos superlaidžios struktūros gali būti tiesiogiai derinamos su silicio arba III–V puslaidininkiais, taip leidžiant suvienyti geriausias puslaidininkių fabrikavimo praktikas ir superlaidžių grandinių našumą. Tokia integracija yra reikšminga tiek kvantinės elektronikos, tiek kriogeninių RF sistemų, mažo triukšmo jutiklių ir net palydovinės bei kosminės elektronikos kūrimo kontekstuose.
Praktikoje tai reiškia kelią nuo izoliuotų laboratorinių gabaliukų prie plokštelių masto superlaidžių grandinių, tinkamų kvantiniams procesoriams, kriogeninėms RF sistemoms, mažo triukšmo sensoriams ir net kosminės klasės elektronikai. Plokštelių masto gamyba leidžia mažinti vienetinės dalies kainą, didinti gamybos pajėgumus ir kurti patikimas, pakartojamas technologines grandines, kurios yra būtinos pramoniniam pritaikymui.
Kilę iššūkiai ir integracijos kelias
Tolimesni žingsniai apima plokštelių dydžių didinimą, proceso pakartojamumo gerinimą ir patikimos galio legiruoto germanio integracijos su silicio pagrindu veikiančia logika demonstravimą. Vienas pagrindinių techninių iššūkių yra perkelti laboratorinius MBE parametrus į didesnių plokštelių apdorojimą taip, kad kritiniai rodikliai — kritinė temperatūra (Tc), kritinė srovė (Jc) ir Josephsono sandūrų vienodumas — išliktų stabili ir vienodi visame waferyje. Tai reikalauja griežtos valdymo charakteristikų kontrolės, tiek automatikos, tiek proceso metrikos atžvilgiu.
Kiti inžineriniai iššūkiai apima terminius apribojimus, reikalingus derinti superlaidžias medžiagas su CMOS procesais, kontaktų varžos optimizavimą, litografijos rezoliuciją Josephsono sandūroms ir apsaugos sluoksnių suderinamumą su vėlesniais gamybos etapais. Integruojant su silicio logika, būtina užtikrinti, kad procesiniai žingsniai nekomplikuotų esamų CMOS sluoksnių bei neįvestų kenksmingų priemaišų ar termiškai pažeidžiančių sąlygų. Be to, reliatyvus kryptingumas tarp skirtingų medžiagų terminių koeficientų ir mechaninių savybių turi būti atsižvelgtas į pakavimo ir šiluminio valdymo sprendimus.
Jei tie žingsniai bus sėkmingai įveikti — didinant plokštelių dydžius, standartizuojant MBE ir legiravimo receptūras, ir demonstruojant patikimą integraciją su silicio logika — galio legiruotas germanis gali tapti praktiška platforma pramoninio masto kvantinių lustų gamybai. Tokiu būdu būtų sujungti puslaidininkių gamybos privalumai (atitiktis fab reikalavimams, masinė gamyba) su superlaidžių grandinių našumu (žema varža, galimybė formuoti Josephsono sandūras), kas gali reikšmingai pakeisti kvantinės elektronikos ekosistemą.
Ar germanis gali tapti raktu į masinę kvantinės įrangos gamybą? Ankstyvieji rezultatai yra daug žadantys, o plokštelių masto požiūris paverčia šį klausimą vienu iš pagrindinių, kuriuos puslaidininkių pramonė stebės artimoje ateityje. Tolimesni bandymai ir pramoninės partnerystės sprendimai lems, ar ši medžiaga ir procesas taps standartu kvantinių lustų architektūrose bei ar galės pakeisti dabartines hibridines ar eksperimentines integracijos strategijas.
Šaltinis: smarti
Komentarai
atombanga
wow, net nepagalvojau kad germanis gali taip elgtis. wafer-scale superlaidumas? jei veikia fab'ose, bus mažas perversmas. bet realiai dar klausimų…
Palikite komentarą