[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

说明书

本发明公开了一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，系统包括离子源、纳米模板、PMMA掩膜层、目标基板、片上离子注入探测模块、高精度压电步进模块。离子源提供目标供体离子束，使用带有孔径的纳米模板作为可移动掩模，用于准直离子束并实现离子的高分辨率定位寻址。同时与片上离子注入探测模块结合，该模块包含表面铝探测电极，利用离子束感应电荷原理以记录离子冲击。当检测到单个注入信号后将其反馈给高精度压电步进模块，驱动纳米模板步进到下一靶位，继续单离子注入。重复步骤直到区域内的所有靶位都完成注入，从而实现阵列的原子掺杂过程。整个系统具有离子源配置简单、注入和检测过程快速且实时、稳定性好、离子定位精度高等优点，适用于各种不同离子，易于推广。

技术领域

本发明涉及量子器件制造技术领域，特别是涉及一种基于离子注入的用于制备单原子固态器件和阵列的确定性原子掺杂方法及系统。

背景技术

第二次量子革命是采用量子力学的新技术的发展，现在已经成为一个重要的研究领域。这些技术包括量子计算、量子加密、量子模拟、量子计量、生物量子传感或地质学、量子计时、量子成像和量子互联网。基于硅量子电子学或光子学的新领域，在器件开发方面取得了重大进展。例如旨在用于未来量子计算机的量子固态器件包括量子点、磁性杂质、单个嵌入杂质离子或固态矩阵中的色心，用于存储和处理量子信息。在使用这些基于硅或金刚石的核或电子自旋的固态器件的情况下，大规模器件将需要在晶体基质中精确设计单个掺杂剂原子或色心。在信息技术行业中，离子注入已经为硅产业高度发展，并且已经在利用离子注入来构建在硅和其他材料中用单原子设计的器件方面取得了重大进展。为了制造一个或多个单原子阵列，已经开发了确定性离子注入技术。

离子注入技术与用于制造单原子半导体器件的工艺流程兼容，具有该行业的标准工具。将快速离子注入半导体材料具有悠久的历史，并且半导体工业目前在制造典型的大规模集成电路中也采用许多注入步骤。因此，将此标准技术用于制备单原子固态器件和阵列的确定性量子掺杂是有吸引力的。虽然离子注入是将掺杂剂原子引入半导体材料的行业标准技术，但将该技术应用于确定性掺杂有两个挑战：第一种是从衬底产生注入信号，第二种是将离子定位在所需位置。

对于第一个挑战，为了在单原子阵列的构造中有用的离子注入，需要确定性离子注入信号以在单个离子撞击基板之前或在使用来自基板的信号的冲击之后记录单个离子。在预冲击技术的情况下，这些技术可采用特别配置的离子源，一次为注入机提供一个离子，或者通过在磁光阱中预先组装一系列离子。然而，这些先进的离子源还不易与所需的硅掺杂剂相容。在注入后技术的情况下，可以使用来自基板的若干不同信号。例如，通过在聚焦离子束显微镜中使用二次电子发射作为注入信号，或是采用预制的超级场效应晶体管来离子计数。然而并非所有大规模架构都可以结合合适的晶体管来应用该方法。

对于第二个挑战，为了将每个注入离子定位到特定位置，目前采用的方法是使用高分辨率聚焦光束。高分辨率聚焦光束可以在聚焦离子束系统中产生，该系统在高亮度液态金属离子源中采用合适的共晶合金。使用该方法可达到纳米级的定位精度，这项技术的未来发展很可能会为大规模阵列的构建提供更高的精度。然而，此方法对离子源的配置比较复杂，不能广泛适用于各种离子。

综上所述，如何解决在制备单原子器件和阵列的确定性掺杂中离子源配置复杂、注入信号检测能力弱、信噪比低、集成度低、离子定位精度可靠性不高、适用范围不广，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备单原子固态器件和阵列的原子掺杂方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题，使用纳米模板作为可移动掩模，与片上检测器电极结合，该电极包括有源基板以记录离子冲击并使模板步进，从而完成整个阵列的离子注入；整个注入系统具有离子源配置简单、注入信号检测能力强、信噪比高、集成度高、离子定位精度可靠性高等优点，适用于各种不同离子，易于推广。