論文の概要: A silicon spin vacuum: isotopically enriched $^{28}$silicon-on-insulator and $^{28}$silicon from ultra-high fluence ion implantation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.03332v1
• Date: Fri, 04 Apr 2025 10:25:08 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-04-07 14:47:08.530074
• Title: A silicon spin vacuum: isotopically enriched $^{28}$silicon-on-insulator and $^{28}$silicon from ultra-high fluence ion implantation
• Title（参考訳）: シリコンスピン真空:超高濃度イオン注入による$^{28}$silicon-on-insulatorと$^{28}$silicon
• Authors: Shao Qi Lim, Brett C. Johnson, Sergey Rubanov, Nico Klingner, Bin Gong, Alexander M. Jakob, Danielle Holmes, David N. Jamieson, Jim S. Williams, Jeffrey C. McCallum,
• Abstract要約: 等方的に濃縮されたシリコン(Si)は、非ゼロ核スピンを持つ自然発生の29ドルSiを最小化することによりコヒーレンス時間を大幅に向上させることができる。 バルク状Si基板の超高フルエンス2,8$Siイオン注入は,超高純度2,8$Si同位体純度に対する魅力的な技術として最近実証された。 本研究では,28ドルSi濃縮プロセスを適用し,28ドルSiと28ドルSi-on-insulator (SOI)サンプルを生成する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 33.30015013730419
• License:
• Abstract: Isotopically enriched silicon (Si) can greatly enhance qubit coherence times by minimizing naturally occurring $^{29}$Si which has a non-zero nuclear spin. Ultra-high fluence $^{28}$Si ion implantation of bulk natural Si substrates was recently demonstrated as an attractive technique to ultra-high $^{28}$Si isotopic purity. In this work, we apply this $^{28}$Si enrichment process to produce $^{28}$Si and $^{28}$Si-on-insulator (SOI) samples. Experimentally, we produced a $^{28}$Si sample on natural Si substrate with $^{29}$Si depleted to 7~ppm (limited by measurement noise floor), that is at least 100 nm thick. This is achieved with an ion energy that results in a sputter yield of less than one and a high ion fluence, as supported by simulations. Further, our simulations predict the $^{29}$Si and $^{30}$Si depletion in our sample to be less than 1~ppm. In the case of SOI, ion implantation conditions are found to be more stringent than those of bulk natural Si in terms of minimizing threading dislocations upon subsequent solid phase epitaxy annealing. Finally, we report the observation of nanoscopic voids in our $^{28}$SOI and $^{28}$Si samples located in the depth region between the surface and 70~nm. These voids appear to be stabilized by the presence of gold impurities and can be annealed out completely by a standard SPE annealing protocol at 620\deg C for 10 minutes in the absence of gold.
• Abstract（参考訳）: 等方的に濃縮されたシリコン(Si)は、非ゼロ核スピンを持つ自然発生の$^{29}$Siを最小化することにより、クォービットコヒーレンス時間を大幅に向上させることができる。 バルク状Si基板の超高フルエンス$^{28}$Siイオン注入は、最近、超高純度$^{28}$Si同位体純度に対する魅力的な技術として実証された。 本研究では、この$^{28}$Si濃縮プロセスを用いて、$^{28}$Siおよび$^{28}$Si-on-insulator (SOI)サンプルを生成する。 実験により, 天然Si基板上に$^{28}$Si試料を作製した。 これは、シミュレーションによって支持されるように、1未満のスパッタ収率と高いイオンフルエンスをもたらすイオンエネルギーによって達成される。 さらに、我々のシミュレーションでは、サンプル中の$^{29}$Siと$^{30}$Siの枯渇を1〜ppm以下と予測している。 SOIの場合, イオン注入条件は, その後の固相エピタキシーアニールに伴うスレッディング変位を最小限に抑えるという点で, バルク天然Siよりも厳密であることが判明した。 最後に,表面から70〜nmの深さ領域に位置する$^{28}$SOIおよび$^{28}$Si試料中のナノヴォイドの観察を報告する。 これらのヴォイドは金の不純物の存在により安定化しており、金が存在しない状態で10分間620\deg Cの標準SPEアニールプロトコルで完全に焼成することができる。

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