单电子、单空 晶体管是超低功耗电荷逻辑、超高灵敏电荷探测与硅基自旋量子比特的底层器件，依靠单电荷在纳米库仑岛中的可控输运，实现单电荷尺度信号处理与量子态读出，是下一代微电子与量子信息领域的重点研发方向。但长期以来，稳定制备具备双隧穿势垒的微型量子点始终制约该类器件规模化落地。传统制备路径高度依赖电子束光刻、极紫外光刻等高精密加工手段，搭配图形氧化、多层复杂栅极结构，不仅大幅抬升芯片制造成本，也严重限制器件集成能力，成为行业亟待突破的工艺痛点。
近日，南京大学电子科学与工程学院联合北京大学团队在《ACS Nano》刊发成果，提出一种基于硅纳米线自生长的阶梯缩颈制备策略，摆脱高光刻依赖，低成本、可重复完成硅基单空 量子点器件制备，为量子传感、量子比特硬件开发提供全新工艺思路。
本次研究由南大余林蔚、王军转教授团队与北大黄少云教授合作完成。团队依托硅纳米线面内固 - 液 - 固生长机制，设计确定性双阶梯引导结构，以铟催化液滴驱动硅纳米线横向定向生长。当催化液滴途经阶梯凸角时，硅前驱体供给速率、界面受力平衡同步改变，纳米线在两处拐角自发形成窄隧穿缩颈，中间区段自然保留尺寸约 50nm 的硅量子岛，一步成型双势垒结构。
相较于传统自上而下刻蚀工艺，该生长方案具备独特三维形貌调控优势：工艺可同步重塑纳米线宽度与高度，通过调整催化液滴尺寸，灵活调控量子岛与隧穿缩颈直径比例；多组结构表征结果证实，双阶梯模板能够稳定、可重复产出一体化岛 - 颈纳米线，器件结构定位精准，工艺一致性优势突出。
研究团队采用自研岛 - 颈纳米线制备顶栅单空晶体管，并开展 40K 低温电学输运测试。器件测试中观测到标准库仑阻塞振荡与完整库仑菱形图谱，直接验证中心硅岛可作为独立库仑阻塞量子点工作。经图谱参数拟合计算，硅岛总电容 2.62aF，充电能达 60meV，显著高于 40K 环境下热激发能量，可在相对宽松低温条件下稳定束缚单空，保障器件电荷调控稳定性。
从仪器与产业化视角来看，该技术价值在于简化高端微纳加工设备使用需求，省去高分辨率光刻设备的大额投入，降低量子点器件研发与量产门槛。现有高光刻设备采购、运维成本高昂，中小实验室及产业化产线普及难度大，而原位自生长方案可适配常规微纳加工平台，具备规模化集成潜力。
该项成果打通低成本硅基量子点制备新路径，不仅适用于超低功耗单电荷逻辑芯片、超高灵敏度电荷传感设备开发，同时能够支撑硅基自旋量子比特硬件的批量制备，为平面半导体纳米线量子器件体系提供全新工程化方案。