[論文レビュー] The impact of stochastic incorporation on atomic-precision Si:P arrays

Jeffrey Ivie, Quinn Campbell+10 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 53被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、走査トンネル顕微鏡リソグラフィーを用いて作製された原子的に正確なSi:Pアレイにおける確率的リン（P）挿入を調査し、室温でのPH₃ドーピングにおいて、単一ドナー窓へのP挿入の成功確率が63±10%であることを明らかにした。運動論的モデルにより、この収率が確認され、ほぼ決定的挿入を達成するためのアニール条件が同定された。これにより、スケーラブルな量子デバイスの実現が可能となる。

ABSTRACT

Scanning tunneling microscope lithography can be used to create nanoelectronic devices in which dopant atoms are precisely positioned in a Si lattice within $\sim$1 nm of a target position. This exquisite precision is promising for realizing various quantum technologies. However, a potentially impactful form of disorder is due to incorporation kinetics, in which the number of P atoms that incorporate into a single lithographic window is manifestly uncertain. We present experimental results indicating that the likelihood of incorporating into an ideally written three-dimer single-donor window is $63 \pm 10\%$ for room-temperature dosing, and corroborate these results with a model for the incorporation kinetics. Nevertheless, further analysis of this model suggests conditions that might raise the incorporation rate to near-deterministic levels. We simulate bias spectroscopy on a chain of comparable dimensions to the array in our yield study, indicating that such an experiment may help confirm the inferred incorporation rate.

研究の動機と目的

• 走査トンネル顕微鏡（STM）リソグラフィーを用いて作製された原子的に正確なSi:Pドナー・アレイへのリン（P）挿入の確率的性質を定量すること。
• P挿入における運動論的制限が、ドナー・アレイを基盤とする量子デバイスの信頼性およびスケーラビリティに与える影響を理解すること。
• 観測された挿入収率を説明する運動論的モデルを構築し、決定的挿入の条件を予測すること。
• 確率的挿入が、多価帯有効質量理論に基づく拡張フェルミ＝ハッブル模型を用いた量子シミュレータおよびキュービットの性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 単一ドナー窓を定義するため、+3.5 Vバイアス、6.0 nA電流、6.0 mC/cm線量、10 nm/sのチップ速度を用いてSi(100) 2×1表面でSTMリソグラフィーを実施した。
• 室温でのPH₃ドーピング（3.0×10⁻¹⁰ Torr、10分間）により約0.15 Langmuirの被膜を形成し、その後310 °Cでアニール処理を施してPの挿入を実施した。
• KMClibパッケージを用いた運動論的モンテカルロ（KMC）シミュレーションにより、温度、圧力、時間などのパラメータを変化させながらP挿入のダイナミクスをモデル化した。
• 200回の独立シミュレーションを各条件下で実施し、200回の独立シミュレーションを用いてn個のP原子がw個のデイマー窓に挿入される確率P_I(n|w)を計算した。誤差バーは二項分布から導出された。
• 挿入結果の検出可能性を評価し、推定された収率を検証するために、ドナー鎖におけるバイアス分光測定をシミュレートした。
• 多価帯有効質量理論から得られる拡張フェルミ＝ハッブル模型のパラメータに基づき、Meir-Wingreenの公式を適用してドナー鎖内の電流および微分コンダクタンスを計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温でのPH₃ドーピングにおいて、正確に定義された3デイマー窓へのリン（P）挿入の成功確率は何か？
• RQ2 PH₃圧力、ドーピング時間、アニール温度などの運動論的要因が、P挿入の確率的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 運動論的モデルが、実験的に観測された63±10%の挿入収率を正確に再現できるか？
• RQ4 どのような条件下で、ほぼ決定的P挿入が達成可能となり、Si:P量子アレイのスケーラブルかつ信頼性の高いプロセスが実現可能となるか？
• RQ5 バイアス分光測定により、小さなドナー鎖における異なる挿入結果（例：0、1、または2個のP原子）を区別できるか？

主な発見

• 室温でのPH₃ドーピングにおいて、正確に定義された3デイマー窓への実験的挿入確率は63±10%であった。
• KMCシミュレーションに基づく運動論的モデルは、観測された63±10%の挿入収率を正確に再現しており、プロセスの確率的性質が裏付けられた。
• モデルは、PH₃分圧を上昇させたり、ドーピング時間を延長することで、挿入収率を著しく向上させられ、決定的レベルに近づく可能性があると予測している。
• ドーピング後に310 °Cでアニール処理を施すことで、Pの完全挿入が達成され、先行研究と一致しており、観測された収率とも整合的である。
• 同サイズのドナー鎖におけるバイアス分光シミュレーションから、このような測定が実験的に推定された挿入率を確認できる可能性がある。
• 本研究は、配置精度だけでは信頼性の高いデバイス製造が不十分であることを示しており、スケーラブルな量子技術の実現には挿入の運動論的制御が不可欠であることを明らかにした。