論文の概要: Near-Surface Electrical Characterisation of Silicon Electronic Devices
Using Focused keV Ions
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2201.11339v2
- Date: Tue, 31 May 2022 10:46:04 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-02-27 18:35:13.895608
- Title: Near-Surface Electrical Characterisation of Silicon Electronic Devices
Using Focused keV Ions
- Title（参考訳）: 集束kevイオンを用いたシリコン電子デバイスの表面近傍電気的特性化
- Authors: Simon G. Robson, Paul R\"acke, Alexander M. Jakob, Nicholas Collins,
Hannes R. Firgau, Vivien Schmitt, Vincent Mourik, Andrea Morello, Edwin
Mayes, Daniel Spemann, David N. Jamieson
- Abstract要約: シリコンデバイスに低エネルギーイオンを注入する方法を示す。
内部電界が弱いにもかかわらず、感度領域全体から準均一電荷収集効率が得られる。
これは、高品質な熱ゲート酸化物がイオン検出反応で果たす重要な役割によって説明できる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 45.82374977939355
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: The demonstration of universal quantum logic operations near the
fault-tolerance threshold establishes ion-implanted near-surface donor atoms as
a plausible platform for scalable quantum computing in silicon. The next
technological step forward requires a deterministic fabrication method to
create large-scale arrays of donors, featuring few hundred nanometre
inter-donor spacing. Here, we explore the feasibility of this approach by
implanting low-energy ions into silicon devices featuring an enlarged 60x60
$\mu$m sensitive area and an ultra-thin 3.2 nm gate oxide - capable of hosting
large-scale donor arrays. By combining a focused ion beam system incorporating
an electron-beam-ion-source with in-vacuum ultra-low noise ion detection
electronics, we first demonstrate a versatile method to spatially map the
device response characteristics to shallowly implanted 12 keV $^1$H$_2^+$ ions.
Despite the weak internal electric field, near-unity charge collection
efficiency is obtained from the entire sensitive area. This can be explained by
the critical role that the high-quality thermal gate oxide plays in the ion
detection response, allowing an initial rapid diffusion of ion induced charge
away from the implant site. Next, we adapt our approach to perform
deterministic implantation of a few thousand 24 keV $^{40}$Ar$^{2+}$ ions into
a predefined micro-volume, without any additional collimation. Despite the
reduced ionisation from the heavier ion species, a fluence-independent
detection confidence of $\geq$99.99% was obtained. Our system thus represents
not only a new method for mapping the near-surface electrical landscape of
electronic devices, but also an attractive framework towards mask-free
prototyping of large-scale donor arrays in silicon.
- Abstract（参考訳）: フォールトトレランス閾値付近での普遍量子論理演算の実証は、シリコンにおけるスケーラブルな量子コンピューティングのプラットフォームとして、イオン注入型表面近傍ドナー原子を確立する。
次の技術的ステップでは、数百ナノメートルのドナー間隔を持つ大規模なドナー配列を作成するための決定論的製造方法が必要となる。
本稿では,60x60$\mu$mの高感度領域と極薄の3.2 nmゲート酸化物を特徴とするシリコンデバイスに低エネルギーイオンを注入することで,このアプローチの実現可能性を検討する。
電子ビーム源と真空中超低ノイズイオン検出電子を併用した集束イオンビームシステムを用いて, デバイス応答特性を浅い12keV$^1$H$_2^+$イオンに空間的にマッピングする多目的手法を最初に示す。
内部電界が弱いにもかかわらず、感度領域全体から準均一電荷収集効率が得られる。
これは、高品質な熱ゲート酸化物がイオン検出応答に作用し、インプラント部位からイオン誘起電荷の初期拡散を可能にするという重要な役割によって説明できる。
次に, 数千の24 keV $^{40}$Ar$^{2+}$イオンを, 追加のコリメーションを伴わずに, 予め定義されたマイクロボリュームに決定論的に注入する手法を適用する。
重イオン種からのイオン化が減少したにもかかわらず、フルエンスに依存しない検出信頼度は99.99%であった。
本システムは, 電子デバイスの表面電気的景観をマッピングする新しい手法であるだけでなく, シリコン中の大規模ドナーアレイのマスクフリープロトタイピングに向けた魅力的な枠組みでもある。
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