[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过扫描隧道显微镜光刻技术，研究了原子级精确的Si:P阵列中磷（P）的随机掺杂行为，发现在室温下PH₃剂量处理时，单原子掺杂窗口中成功掺入P的概率为63±10%。动力学模型验证了该产率，并确定了可实现近乎确定性掺杂的退火条件，从而为可扩展的量子器件铺平道路。

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.

研究动机与目标

• 量化通过扫描隧道显微镜（STM）光刻技术制备的原子级精确Si:P施主阵列中磷（P）掺杂的随机性。
• 理解P掺杂中的动力学限制如何影响基于施主阵列的量子器件的可靠性和可扩展性。
• 开发一个动力学模型，以解释观测到的掺杂产率并预测实现确定性掺杂的条件。
• 评估随机掺杂对基于扩展费米-赫伯德模型的量子模拟器和量子比特性能的影响。

提出的方法

• 使用+3.5 V偏置、6.0 nA电流、6.0 mC/cm剂量和10 nm/s探针速度，在Si(100) 2×1表面进行STM光刻，以定义单施主窗口。
• 在室温下进行3.0×10⁻¹⁰ Torr的PH₃剂量处理10分钟，获得约0.15 Langmuir的覆盖度，随后在310 °C下退火以实现P的掺杂。
• 使用KMClib软件包进行动力学蒙特卡罗（KMC）模拟，以模拟P掺杂的动力学行为，变化温度、压力和时间等参数。
• 通过每种条件下的200次独立模拟，计算n个P原子在w个二聚体窗口中的掺杂概率P_I(n|w)，误差棒基于二项分布确定。
• 对施主链进行偏置谱学模拟，以评估掺杂结果的可检测性并验证推断的产率。
• 应用Meir-Wingreen公式，基于多谷有效质量理论的扩展费米-赫伯德模型参数，计算施主链中的电流和微分电导。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温PH₃剂量处理下，单个精确界定的三二聚体窗口中成功掺入磷的概率是多少？
• RQ2 PH₃压力、剂量时间及退火温度等动力学因素如何影响P掺杂的随机性？
• RQ3 动力学模型能否准确再现实验观测到的63±10%的单施主窗口掺杂产率？
• RQ4 哪些条件可实现近乎确定性的P掺杂，从而实现Si:P量子阵列的可扩展、可靠制备？
• RQ5 偏置谱学测量能否在小规模施主链中区分不同的掺杂结果（例如，0、1或2个P原子）？

主要发现

• 在室温PH₃剂量处理下，单个精确界定的三二聚体窗口中P的实验掺杂概率为63±10%。
• 基于KMC模拟的动力学模型成功再现了观测到的63±10%掺杂产率，验证了该过程的随机本质。
• 该模型预测，提高PH₃部分压或延长剂量时间可显著提升掺杂产率，使其趋近于确定性水平。
• 在剂量处理后于310 °C进行退火足以实现完全的P掺杂，此结论与先前研究一致，并与观测到的产率相符。
• 对类似尺寸的施主链进行的偏置谱学模拟表明，此类测量可实验性地证实推断的掺杂速率。
• 本研究表明，仅靠位置精度不足以实现可靠的器件制造；必须控制掺杂动力学，才能实现可扩展的量子技术。