[論文レビュー] Strategies for triple-donor devices fabricated by ion implantation

Jessica A. van Donkelaar, Andrew D. Greentree+2 more|ArXiv.org|Jun 17, 2008

Semiconductor materials and devices参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、量子計算のためのCoherent Tunneling Adiabatic Passage（CTAP）プロトコルを実証するためのシリコンにおける三ドナー素子の実現可能性を検討し、イオンドーピングを有効なプロセスとして提案する。SRIMシミュレーションとトンネル行列要素の水素様近似を用いて、20 nm間隔の14 keVリンイオンドーピングにおいて理論的デバイス効率が約80%に達することを予測しており、原子スケールでの配置の難しさがあるものの、概念実証用CTAP実験の強い可能性を示している。

ABSTRACT

Triple donor devices have the potential to exhibit adiabatic tunneling via the CTAP (Coherent Tunneling Adiabatic Passage) protocol which is a candidate transport mechanism for scalable quantum computing. We examine theoretically the statistics of dopant placement using counted ion implantation by employing an analytical treatment of CTAP transport properties under hydrogenic assumptions. We determine theoretical device yields for proof of concept devices for different implant energies. In particular, we determine a significant theoretical device yield (~80%) for 14keV phosphorus in silicon with nominal 20nm spacing.

研究の動機と目的

• CTAPプロトコルに適した概念実証用三ドナー素子を実現するための実用的プロセスとして、イオンドーピングの有効性を評価すること。
• イオンドーピングによる実際のドーパント配置統計をもとに、CTAP輸送における理論的デバイス出力を推定すること。
• 出力率を最大化し、断熱性を維持するためのイオンドーピングエネルギーおよびアパーチャーのパラメータを分析することで、実験設計を支援すること。
• 解析的モデルとSRIMシミュレーションを用いて、デ coherent 時間の制限内での高精度なCTAP輸送が可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 10 nmの直径を持つアパーチャーを介して20 nm間隔で配置された100,000個の14 keVおよび7 keVリンイオンの空間的分布をSRIMシミュレーションでモデル化した。
• トンネル行列要素を計算するための水素様近似を適用し、断熱性を満たす条件下でのCTAP移行時間の解析的表現を導出した。
• 断熱性基準を用い、高精度な輸送を実現するための最大許容移行時間を 𝒜 = 0.01 の閾値で決定した。
• SRIMで得られたドーパントストラグルと10 nmのアパーチャーを畳み合わせ、実際のデバイス幾何形状を模擬し、統計的出力を評価した。
• CTAP移行時間の累積分布関数を生成し、1 nsのデコherence 時間制限を満たすインプラント配置の割合を推定した。
• 2つのインプラント戦略を評価した：5 nmのSiO₂を通過する14 keVリンと、1.2 nmのSiO₂を通過する7 keVリン。これは実用的プロセス限界を表している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーパント配置統計を前提とした場合、イオンドーピングによる三ドナー素子の理論的出力率はどの程度か？
• RQ2 異なるインプラントエネルギー（14 keV 対 7 keV）は、デコherence 時間制限内での断熱的CTAP輸送の確率にどのように影響するか？
• RQ3 ドーパントストラグルや非一様な配置は、CTAP素子におけるトンネル行列要素の制御性にどの程度悪影響を及えるか？
• RQ4 水素様近似に基づく解析的モデルは、イオンドーピングされたドーナー配列のCTAP移行時間を信頼性を持って予測できるか？
• RQ5 スケーラブルなCTAPベースの量子コンピューティングアーキテクチャ実現のための、イオンドーピングの実用的限界は何か？

主な発見

• 14 keVリンインプラントで20 nm間隔をとる場合、理想的なゲート制御と水素様近似を仮定した場合、理論的デバイス出力率は約80%に達すると予測されている。
• 低エネルギーの7 keVインプラント戦略では、ドーパントストラグルが低減され、ドーナー位置の制御性が向上するため、理論的出力率は約90%に上昇する。
• CTAP移行時間の累積分布は、14 keVインプラント配置の80%が1 nsの閾値を満たしていることを示しており、これは推定される10 nsのデコherence 時間よりも10倍速い。
• シミュレーションされたドーナー三重体の95%以上がトンネル行列要素 𝒥 < 1 を示しており、多数の配置が制御可能であるが、一部の構成は依然として過剰に結合されており、効果的なゲート制御が困難な可能性がある。
• 結果から、イオンドーピングは概念実証用CTAP素子の実現に実用的であると考えられるが、より長い鎖へのスケーリングには、水素レジストリソグラフィーなどのより高精度な手法が必要となる。
• モデルの制限として、水素様近似の使用と酸化膜の破壊効果の無視があり、これらは実際の出力率を理論的推定値より低下させる可能性がある。