[发明专利]一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统

权利要求书

1.一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，其特征在于：系统包括离子源(1)、纳米模板(2)、PMMA掩膜层(3)、目标基板(4)、片上离子注入探测模块(5)、高精度压电步进模块(6)；所述离子源(1)提供合适能量的目标供体离子束；所述纳米模板(2)刻有孔径，用于准直离子束并将其高分辨率地定位到需要量子植入的目标靶位；所述PMMA掩膜层(3)旋涂于目标基板(4)上方用于确定需要注入的区域范围；所述片上离子注入探测模块(5)用于检测离子注入信号，并反馈给高精度压电步进模块(6)；所述高精度压电步进模块(6)接收到信号后驱动与之相连的纳米模板(2)往下一个目标靶位步进，重复离子注入过程直到区域范围内的所有目标靶位都完成离子注入；所述制备的单原子固态器件可以为量子点、单原子掺杂的固态矩阵中的色心等。

2.根据权利要求1所述的一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，其特征在于：所述纳米模板(2)的制备是通过聚焦离子束在200nm厚的Si₃N₄膜上加工，刻出窄缝或小孔，然后使用扫描电子束部分地回填离解的Pt，使准直孔径窄至30-50nm，该扫描电子束也允许实时监测模板孔径的直径。所述纳米模板(2)被安装在所述高精度压电步进模块(6)的定位台上，从而定位在PMMA掩模的目标基板(4)上方；所述基板(4)为被掺杂的底板，依据制备不同器件的需求可以为硅、碳等材料。

3.根据权利要求1所述的一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，其特征在于：所述PMMA掩膜层(3)的制备是通过使用PMMA混合胶放在旋涂仪上旋涂一分钟，得到厚度约为200-300nm，再放在热板上烘烤，然后镀金，接着使用电子束曝光出方形区域或微米条带作为离子注入的区域范围，最后进行显影。

4.根据权利要求1所述的一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，其特征在于：所述片上离子注入探测模块(5)包括表面铝探测电极(5-1)、探测器偏压装置(5-2)、电荷敏感前置放大器(5-3)、单离子信号识别与传输装置(5-4)；以掺杂硅活性基板为例，两个表面铝探测电极(5-1)与基板表面两个硼掺杂p阱接触，中心为注入区域范围，由n型磷扩散层和Al接触构成的背接触完成片上p-i-n检测结构；探测器偏压装置(5-2)提供20V偏置电压，衬底耗尽电荷载流子，确保高电荷收集效率；电荷敏感前置放大器(5-3)用于放大离子冲击产生的电荷信号；所述单离子信号识别与传输装置(5-4)用于排除噪声信号从而鉴别单离子注入信号，同时将信号传输给高精度压电步进模块(6)。

5.根据权利要求1所述的一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，其特征在于：所述高精度压电步进模块(6)包括线性定位器、扫描管和位置传感器；线性定位器与纳米模板(2)相连并将模板上的准直孔径与区域范围内的初始靶位对准；扫描管的触发信号受单离子注入信号控制，当接收到前一个离子注入信号后，驱动定位器上的纳米模板步进到下一靶位，步进距离依据靶位间距设置可达纳米精度，以此扫描注入区域范围内的所有靶位；位置传感器用于校准系统精度。