最近,，《Science》子刊《Science Advances》上發(fā)表的一篇論文稱，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能夠窺探硅晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非侵入性成像技術(shù),。這很有可能成為測(cè)試常規(guī)硅基芯片的有效方法,，且可能為下一代的量子計(jì)算技術(shù)奠定基礎(chǔ),。

這支來自?shī)W地利林茨大學(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院,、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的國(guó)際團(tuán)隊(duì)將現(xiàn)有成熟的顯微技術(shù)——掃描微波顯微鏡（Scanning Microwave Microscopy, SMM）運(yùn)用到對(duì)硅芯片中人工摻入雜質(zhì)的檢測(cè)當(dāng)中,，整個(gè)成像過程不會(huì)對(duì)芯片產(chǎn)生任何損害（半導(dǎo)體中會(huì)被摻入雜質(zhì)來增強(qiáng)其導(dǎo)電和光學(xué)性質(zhì)）,。

圖丨磷-硅材料成像

掃描微波顯微鏡在生物細(xì)胞和新材料方面有廣泛應(yīng)用,，其中包括石墨和其它半導(dǎo)體材料。它的工作原理結(jié)合了原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (Vector Network Analyzer, VNA)——二者分別有測(cè)量樣品特定部分的納米探針,，以及往探針上傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)的裝置,。該信號(hào)會(huì)在樣本中反射，并回到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中進(jìn)行計(jì)算,，最后整套儀器會(huì)反饋樣本的三維圖像和電學(xué)性質(zhì),。

研究者使用掃描微波顯微鏡掃描樣本，具體探測(cè)了硅晶表層下成一定規(guī)律排列的磷原子的電學(xué)性質(zhì),。在這一方法下,，研究者成功檢測(cè)了在表面4-15納米之下的1900-4200個(gè)緊密排列的原子,。

當(dāng)然，諸如二次離子質(zhì)譜分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）之類的技術(shù)也可以用于檢測(cè)半導(dǎo)體中人工參入的雜質(zhì),，但是掃描微波顯微鏡的主要優(yōu)勢(shì)是,，它不會(huì)對(duì)樣本有任何損壞。

在 IEEE Spectrum 的一個(gè)郵件采訪中,，本實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者,、奧地利林茨大學(xué)的 Georg Gramse 表示：“從對(duì)硅芯片掃描的新技術(shù)中，我們能預(yù)見到對(duì)全球行業(yè)的潛在沖擊,。因?yàn)樵谛酒呻娐吩絹碓叫〉那闆r下,，測(cè)量過程已經(jīng)變得無比困難且耗費(fèi)時(shí)間，而且可能會(huì)損壞芯片本身,?！?/p>

圖丨SMM和VNA對(duì)材料的測(cè)量結(jié)果

除了對(duì)硅基芯片的一系列影響，Gramse相信,，這項(xiàng)技術(shù)可能對(duì)未來的磷-硅量子計(jì)算機(jī)的制造工藝做出貢獻(xiàn)。

與經(jīng)典計(jì)算機(jī)基于晶體管（晶體管的開關(guān)對(duì)應(yīng)二進(jìn)制的0和1）的工作原理不同,，量子計(jì)算通過既可以代表0又可以代表1的量子比特處理數(shù)據(jù),。

四年前，人們開始用制造傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的硅材料制造量子計(jì)算機(jī),，但難點(diǎn)在于硅晶體中磷原子的植入,，而磷原子的自旋正是量子比特承載體。

新的成像技術(shù)對(duì)磷-硅量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),，因?yàn)槿藗兡馨褣呙栉⒉@微鏡集成到現(xiàn)有的探測(cè)儀器中,。這將大大加快三維結(jié)構(gòu)的制造速度,，因?yàn)樵摷夹g(shù)也能被應(yīng)用于光刻工藝中原子摻雜的迭代控制,。

Gramse最后說：“目前,，我們正在研究磷原子層的物理性質(zhì),，這將是通往磷-硅量子計(jì)算機(jī)的下一步?！?/p>