專(zhuān)利名稱(chēng):量子計(jì)算機(jī)的硅基片上的單分子陣列、其制備方法及采用該基片的量子計(jì)算機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如制造成納米精度的電子裝置之類(lèi)的納米級(jí)產(chǎn)品。這種產(chǎn)品除了可以有許多其它的用途之外，還可以在量子計(jì)算機(jī)的制造中使用。本發(fā)明的另一方面確認(rèn)了一種制造這種產(chǎn)品的方法。
背景技術(shù)：
Kane建議1，2利用磷原子核的原子核自旋(I＝1/2)作為鑲嵌在同位素純28Si(I＝0)(這與高純結(jié)晶Si相同)中量子位(qubit)制造硅基量子計(jì)算機(jī)。在低溫下，施主電子保持與P原子核鍵合，并且表面“A”門(mén)控制原子核與電子自旋之間的超精相互作用，這使得使二者能夠極化。相鄰施主電子之間的耦合是利用分離的表面“J”門(mén)取得的，這使得能夠提供量子位之間的電子中介相互作用。圖1示出了這種建議的結(jié)構(gòu)。
在一種“自底向上”的方法中，利用超高真空(UHV)掃描隧道顯微術(shù)(STM)和分子束外延(MBE)的組合，將單個(gè)磷原子以原子精度順序排列在硅晶體中。這種在硅裝置中排列磷的“自底向上方法”的制造要求是將P原子以整齊的陣列單個(gè)原子地放置在Si表面；通過(guò)跟隨著諸如SixGe1-x或SiO2之類(lèi)的阻擋層材料生長(zhǎng)的硅晶體生長(zhǎng)密封這些原子；利用電子束光刻或其它技術(shù)將金屬門(mén)對(duì)準(zhǔn)P原子；以及一種讀出計(jì)算機(jī)自旋狀態(tài)的裝置1，2。
1998年，J.R.Tucker和T.C.Shen3描述一種未來(lái)三維裝置納米制造的新方法，如果成功的話，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)硅和小至原子級(jí)的硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的電子遷移的實(shí)際控制。設(shè)想的方法是由以下步驟構(gòu)成的(1)STM引起氫原子解吸，以暴露出端接氫的表面上的裸露硅不飽和鍵；
(2)投配少許朗繆爾(Langmuir)的PH3、AsH3，或B2H6，以在STM暴露的區(qū)域上沉積摻雜前體的自排序陣列；(3)利用設(shè)計(jì)為將摻雜再分布限制到原子級(jí)的技術(shù)進(jìn)行低溫硅覆蓋生長(zhǎng)；(4)重復(fù)上述步驟，以產(chǎn)生三維電子結(jié)構(gòu)。
他們的論文顯示了沿硅二聚物線的氫原子的解吸，并且展望了磷化氫分子(除了其它分子之外)可以自排序到沿該線的交替位置上。
另一個(gè)專(zhuān)門(mén)論述硅基原子核自旋量子計(jì)算機(jī)的制造的獨(dú)立建議來(lái)自N.S.McAlpine等人4和A.S.Dzurak等人5。他們建議也是使用硅上氫保護(hù)層(hydrogen-on-silicon resist)技術(shù)制造多量子位裝置的策略，其中使用了一種掃描探針執(zhí)行原子級(jí)光刻。后續(xù)的制造步驟包括外延硅生長(zhǎng)和電子束光刻。相同的研究人員還公開(kāi)了圖2的建議制造方案。
利用STM控制與吸附的原子和分子的表面反應(yīng)的概念要追溯到1995年，在當(dāng)時(shí)T.C.Shen等人6展示了可以使用STM尖端從以端接氫的硅(100)基片上解吸氫。他們提出，利用在低施加電壓下使用隧道電子的多振動(dòng)激勵(lì)技術(shù)，是可以解吸單個(gè)H原子的。但是，他們的結(jié)果顯示，在一般情況下，使用的高電流密度經(jīng)常意味著一個(gè)單個(gè)的硅二聚物上的兩個(gè)H原子都被解吸。
Dehuan Huang等人7也報(bào)導(dǎo)了使用STM操縱一個(gè)表面上的單個(gè)原子。利用Si(100)-2×1表面和它的氫終端，他們?cè)谝粋€(gè)原子級(jí)平坦絕緣表面上制造了一個(gè)硅二聚物原子鏈。他們得到了STM圖像，以顯示當(dāng)使用適當(dāng)?shù)闹苽鋾r(shí)，Si(100)2×1表面將幾乎沒(méi)有缺陷。他們使用干蝕刻方法成功地制備出了單氫化物Si(100)2×1:H表面。通過(guò)利用特定的隧道電流在STM尖端與樣本表面之間施加正和負(fù)電壓脈沖，提取出了Si(100)2×1:H表面上的氫原子。這意味著提取單氫化物表面上的氫原子的機(jī)理不僅是由于電子激勵(lì)，而且也是由于場(chǎng)致蒸發(fā)作用。他們見(jiàn)到了氫原子傾向于從下層的硅二聚物成對(duì)地離開(kāi)的配對(duì)效應(yīng)。利用這種技術(shù)，他們通過(guò)在恒定電流(2nA)條件下對(duì)于每個(gè)50ms施加3個(gè)8V的脈沖，在Si(100)-2×1:H表面上制造了一個(gè)Si二聚物鏈。
1997年，Joseph W Lyding8對(duì)掃描探針納米制造進(jìn)行了簡(jiǎn)短的回顧，緊接著深入地討論了有關(guān)氫鈍化硅表面的UHV STM納米制造。通過(guò)有選擇地從硅表面解吸氫區(qū)域，UHV STM又起到了納米光刻工具的作用。在較高的樣本電壓，發(fā)生了直接電子激勵(lì)解吸，而在較低的電壓，Si-H鍵的振動(dòng)熱導(dǎo)致解吸。清潔與H-鈍化硅之間的化學(xué)差異使得能夠有多種多樣的空間選擇性納米級(jí)化學(xué)反應(yīng)。這些示范顯示的結(jié)果被用于通過(guò)化學(xué)氣相沉積進(jìn)行選擇性氧化、氮化和金屬化。已經(jīng)通過(guò)用NH3處理STM圖形表面實(shí)現(xiàn)了選擇性氮化。
在1998年，T.Hitosugi等人9也發(fā)表了端接氫的Si(100)2×1:H表面上原子級(jí)不飽和鍵(DB)線的掃描隧道顯微術(shù)/光譜學(xué)(STM/STS)研究的報(bào)告。為了解吸Si(100)2×1:H表面上的氫原子，首先將STM尖端定位在選定的原子上方。然后，施加Vs＝+2.9V的脈沖電壓和Lt＝400pA的隧道電流。脈沖持續(xù)時(shí)間在100至300m/s的范圍9。在這種情況下，得到了一或兩個(gè)二聚物寬度(0.8-1.6nm)的DB線。在DB線是由成對(duì)的DB構(gòu)成的情況下，STS顯示了具有大約0.5eV的帶隙的半導(dǎo)體電子狀態(tài)。他們成功地在一個(gè)半導(dǎo)體表面上制造出了在費(fèi)米能具有限定狀態(tài)密度的原子級(jí)線。這些結(jié)果很好地吻合于最近的首要原理理論計(jì)算。
K.Stokbro等人10在1998年進(jìn)行的另一次試驗(yàn)報(bào)告了在負(fù)試驗(yàn)偏壓下STM引起的H從Si(100)-(2×1):H解吸。解吸率顯示了與電流的冪定律關(guān)系，并且在-7V取得最大解吸率。解吸可以通過(guò)由于Si-H5σ孔諧振引起的隧道孔的非彈性散射造成的H的振動(dòng)加熱解釋。解吸試驗(yàn)是通過(guò)以速度s、試驗(yàn)偏壓Vb和隧道電流I掃描STM尖端，并且隨后對(duì)影響區(qū)域成像，以確定發(fā)生解吸的Si位置的數(shù)量進(jìn)行的。
在-7V和3.0nA一行掃描的結(jié)果是從Si(100)-H(2×1)表面解吸一個(gè)單行的H。
1999年，C.Syrykh等人11報(bào)告了另一個(gè)利用UHV STM的Si(100)-2×1端接氫表面的納米級(jí)氫解吸。在這里，他們研究了在反饋伺服環(huán)路開(kāi)通和斷開(kāi)情況下，形成圖形的線寬與試驗(yàn)偏壓和劑量之間的函數(shù)關(guān)系。他們得到的結(jié)果顯示，通過(guò)施加4V幅度和1ms持續(xù)時(shí)間的脈沖，產(chǎn)生了一個(gè)十八個(gè)局部解吸區(qū)的陣列。H解吸區(qū)的直徑Φ小于3nm。
已經(jīng)把納米線寬級(jí)的氫光刻用于氧12、氨12、鐵13、鋁14、鎵15和鈷16之類(lèi)的原子和分子的空間選擇性吸附，并且在最近已經(jīng)把原子級(jí)光刻用于單個(gè)銀原子和銀原子簇的吸附17。
盡管對(duì)氫-保護(hù)層光刻具有強(qiáng)烈的興趣，但是至今還沒(méi)有為用于隨后的納米級(jí)電子器件的含摻雜物的分子的陣列的制造，進(jìn)行過(guò)硅中單個(gè)H原子的受控原子級(jí)精度解吸的系統(tǒng)研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種納米級(jí)產(chǎn)品，包括一個(gè)吸附到形成有氫圖形的結(jié)晶硅表面上的單個(gè)含磷分子陣列；其中形成有氫圖形的結(jié)晶硅表面包括一個(gè)每個(gè)氫原子鍵合到一個(gè)硅原子(一個(gè)單氫化物層)的單氫層，從硅原子已經(jīng)單個(gè)地解吸了一些氫原子，以暴露出用于吸附單個(gè)含磷分子的區(qū)。
例如，可以用一種受控的方式從Si(100):H表面解吸單個(gè)H原子，以暴露小于或等于兩個(gè)的硅二聚物，使得單個(gè)含磷分子可以吸附到暴露出的下層硅不飽和鍵位。
圖6(b)和(f)首次示出了這樣的一種裝置，并且在這里陣列是線性的。
根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明是一種制造上面定義的納米級(jí)產(chǎn)品的方法，包括以下步驟
(a)通過(guò)以下方式在超高真空環(huán)境下制備一個(gè)樣本Si(001)2×1表面(i)通過(guò)諸如使用安裝在樣本基座后面的電阻加熱元件的間接加熱，在約600℃下給樣本除氣6小時(shí)，(ii)通過(guò)將直流電流直接通過(guò)樣本，將樣本快速加熱到約1200℃并持續(xù)約1分鐘，在此期間內(nèi)，壓力保持在低于10-10mbar范圍，(iii)將樣本溫度降低到約950℃，然后，從約950℃緩慢冷卻到室溫；(b)在同樣的超高真空環(huán)境下，用原子氫鈍化樣本表面，通過(guò)監(jiān)測(cè)真空系統(tǒng)的總壓力控制投配速率，以取得表面的氫端接，表面氫端接是一個(gè)每個(gè)氫原子鍵合到一個(gè)硅原子(單氫化物二聚物)的氫單層；(c)在同樣的超高真空環(huán)境下，通過(guò)向STM尖端施加大約1ms的短時(shí)間周期的高電壓脈沖和隧道電流脈沖，利用STM尖端從鈍化表面選擇性地解吸單個(gè)H原子，以在氫層中形成一個(gè)圖形；(d)在同樣的超高真空環(huán)境下，將表面暴露于磷化氫(PH3)分子，從而使磷化氫分子能夠鍵合到表面中的暴露的圖形。
這種方法專(zhuān)門(mén)形成了以硅量子計(jì)算機(jī)中受控的磷間隔在硅中制造磷原子的原子陣列的第一處理階段。這種固態(tài)量子計(jì)算機(jī)可以使用磷原子核的電子自旋或原子核自旋(I＝1/2)作為鑲嵌在同位素純28Si(I＝0)的量子位。
氫解吸位置之間的距離小于20nm的要求量子位間隔，并且在長(zhǎng)度大于100nm的行中，產(chǎn)生了一系列的單個(gè)解吸位置。
在又一個(gè)方面，本發(fā)明是一種涉及使用諸如磷原子核(I＝1/2)之類(lèi)的施主原子的原子核自旋或電子自旋作為鑲嵌在同位素純28Si(I＝0)中的量子位的量子計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)包括一個(gè)Si(100)2×1基片，在基片中已經(jīng)通過(guò)各自的氫單層的保護(hù)層中的窗口吸附了含磷分子之類(lèi)的單個(gè)含施主分子，以建立一個(gè)陣列，其中窗口的尺寸是由解吸氫以?xún)H允許一個(gè)磷化氫之類(lèi)的含施主分子在該位置吸附到硅確定的。這些位置以任何希望的間隔相互隔離，例如，使這些位置上的相鄰施主電子對(duì)的波函數(shù)重迭所需的間隔。



下面參考
本發(fā)明的一個(gè)示例，其中圖1是Kane提出的硅基量子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)的示意圖(已知技術(shù))，示出了結(jié)合到具有由絕緣阻擋層隔離的表面金屬門(mén)的同位素純28Si的兩個(gè)磷原子。
圖2是制造圖1中所示結(jié)構(gòu)的McAlpine等的已知概念方法的示意圖。使用一個(gè)STM尖端以原子分辨度選擇性地解吸H，然后將PH3分子僅鍵合到這些位置，接下來(lái)將P原子密封在結(jié)晶硅封中，最后沉積一個(gè)絕緣阻擋層。
圖3示出了一個(gè)清潔的、具有極低缺陷率的Si(001)2×1表面的STM圖像。圖3(a)是一個(gè)具有約為0.2°的誤切角的相鄰硅表面。這個(gè)表面具有由單原子臺(tái)階邊緣隔離的5個(gè)平坦(001)平臺(tái)區(qū)。這個(gè)圖像是用-2.0V的試驗(yàn)偏壓和0.2nA的設(shè)定值電流獲得的。圖3(b)是一個(gè)17×24nm2的完全沒(méi)有缺陷的Si(001)2×1表面區(qū)。這個(gè)圖像是用-1.0V的試驗(yàn)偏壓和0.4nA的設(shè)定值電流獲得的。
圖4(a)是Si(001)表面上H的近單層覆蓋區(qū)的圖像。在表面上識(shí)別出了單氫化物、二氫化物和稱(chēng)為H:(3×1)相的這兩個(gè)相的組合的位置，并且在圖4(b-d)中示意地示出這個(gè)位置。圖4(e)中所示的掃描隧道光譜給出了在與圖3(b)中所示的清潔表面相比時(shí)的H端接表面的清楚的特征。
圖5(a)是Si(001)2×1表面上PH3的c(4×2)結(jié)構(gòu)的示意圖，其中暗色的二聚物指示可能的PH3鍵合位置。圖5(b)示出了投配了PH3的Si(001)2×1表面上的c(4×2)結(jié)構(gòu)的STM圖像，其中亮的突出部分對(duì)應(yīng)于圖1(a)中的暗區(qū)。這個(gè)圖像是在-3.0V的試驗(yàn)偏壓和0.2nA的隧道電流下獲得的。圖5(c)是單氫化物Si(001)2×1:H表面上的三個(gè)氫解吸位置的STM圖像。從這個(gè)表面上除去氫暴露出硅不飽和鍵，從而使暴露的硅區(qū)在STM圖像中呈現(xiàn)為亮的突起。(a)和(c)中的高亮度區(qū)比較了一個(gè)氫解吸位置相對(duì)于c(4×2)結(jié)構(gòu)的尺寸，表示僅有一個(gè)磷化氫分子可以吸附在該位置。
圖6示出了在磷化氫投配之前(a)和之后(b)的沿一個(gè)硅二聚物行的兩個(gè)解吸位置的STM圖像。對(duì)應(yīng)的譜線輪廓(c和d)示出了在磷化氫吸附到暴露的不飽和鍵位置時(shí)的約為0.05nm的特征高度差。示出了在磷化氫投配之前(e)和之后(f)的這次是垂直于硅二聚物行方向的另外三個(gè)解吸位置，以及對(duì)應(yīng)的譜線輪廓(g，h)。譜線輪廓再次突出了磷化氫分子吸附位置上的0.05nm的特征高度增加。所有的圖像都是在-1.8V試驗(yàn)偏壓和0.4nA的隧道電流下得到的。
圖7是一個(gè)單個(gè)硅不飽和鍵(a)和在吸附的PH3離解后預(yù)期的Si-PH2結(jié)構(gòu)(b)的示意圖。這些模型是從表面向下看的模型，其中在中央的兩個(gè)硅原子是表面原子，其它的原子是下表面的原子。
具體實(shí)施方式
在Kane提出的硅基量子計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)P施主需要間隔約為20nm，以使相鄰的施主電子波函數(shù)能夠重迭。一個(gè)外延Si層封閉了P原子，并且一個(gè)絕緣阻擋層提供了P原子與門(mén)之間的電絕緣?？煽s放裝置設(shè)計(jì)需要在一個(gè)Si晶體內(nèi)的精確位置上制造P原子陣列。本發(fā)明顯示了制造這種陣列中的第一關(guān)鍵步驟。
已經(jīng)利用STM尖端移動(dòng)單個(gè)原子實(shí)現(xiàn)了金屬表面上金屬原子的原子級(jí)操作，但是，因?yàn)橐阎狿牢固地鍵合于Si，這種技術(shù)對(duì)于移動(dòng)Si表面上的P原子很成問(wèn)題。因而，必須有一種替代的策略適合于制造圖1中所示的裝置。
圖2概括地示出了這種替代制造策略的各個(gè)處理步驟。通過(guò)在超高真空(UHV)中加熱到熔點(diǎn)附近，形成一個(gè)清潔的Si(001)2×1表面。與未重構(gòu)表面的1×1晶胞相比，這種表面具有2×1晶胞，并且是由σ鍵合的Si二聚物的行構(gòu)成的，每個(gè)Si上的剩余不飽和鍵形成一個(gè)弱π鍵。
將這個(gè)表面暴露于原子氫，可以斷開(kāi)弱Siπ鍵，以使H原子可以鍵合到Si不飽和鍵。在受控的條件下，可以通過(guò)使每個(gè)硅原子鍵合一個(gè)H原子形成一個(gè)H的單層，飽和了反應(yīng)性不飽和鍵，有效地鈍化了表面。
然后，用一個(gè)STM尖端通過(guò)施加適當(dāng)?shù)碾妷哼x擇性地從鈍化表面解吸H原子，在H保護(hù)層中形成一個(gè)圖形。以這種方式，暴露出一個(gè)裸露的反應(yīng)性Si區(qū)，以使隨后的反應(yīng)種類(lèi)能夠直接吸附到Si表面。
經(jīng)過(guò)一個(gè)通向?qū)ｉT(mén)設(shè)計(jì)的磷化氫微量投配系統(tǒng)的控制漏泄閥，將磷化氫(PH3)氣體引入到真空系統(tǒng)中。磷化氫分子通過(guò)氫保護(hù)層中的孔強(qiáng)鍵合到暴露的Si(001)2×1表面。隨后的用于晶體生長(zhǎng)的STM成圖表面的加熱移去H，并且把P結(jié)合到Si的第一層中。因而，正是由于將STM成圖H鈍化表面暴露于PH3，使得能夠用于制造需要的P陣列。
在這種制造方案中遇到了許多問(wèn)題。在以上概括的所有處理過(guò)程中，電荷和自旋雜質(zhì)的引入很可能對(duì)量子計(jì)算機(jī)的操作產(chǎn)生致命的影響。需要制備在上面制造P陣列的大面積的無(wú)缺陷Si(001)2×1表面。也必須通過(guò)受控解吸，用H產(chǎn)生Si表面的完全覆蓋層，從而使PH3僅吸附到希望的位置。以下對(duì)如何滿(mǎn)足所有這些問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
低缺陷密度表面的制備表面(001)是最穩(wěn)定和熟知的硅表面，因而被選作用于Kane量子計(jì)算機(jī)制造的試圖在其上設(shè)置原子級(jí)精度的磷陣列的最適合的候選表面。
此項(xiàng)工作中使用的系統(tǒng)是一個(gè)三室Omicron UHV可變溫度(VT)STM多探針RM系統(tǒng)。對(duì)于表面鈍化階段，將一個(gè)原子氫源連接到一個(gè)由一個(gè)鎢絲、水冷加熱防熱套和受控漏泄閥構(gòu)成的分析室。經(jīng)過(guò)一個(gè)受控UHV漏泄閥和雙包容氣體管線將磷化氫氣體引入。
一個(gè)在同樣真空環(huán)境內(nèi)的獨(dú)立室容納了一個(gè)商用硅沉積槽。這種儀器允許全部在一種UHV環(huán)境下的表面制備、磷陣列設(shè)置和后續(xù)的硅覆蓋生長(zhǎng)。
從具有1-10Ωcm電阻率的商用磷摻雜n型硅晶片上切割下3.5×10nm2尺寸的硅樣本，以在Omicron直接加熱STM樣本基座中使用。通過(guò)遵循包括以下步驟的標(biāo)準(zhǔn)熱制備過(guò)程19，在UHV條件下制備樣本表面(i)通過(guò)利用一個(gè)安裝在樣本基座后面的電阻加熱元件間接加熱，在約600℃下給樣本除氣6小時(shí)。(ii)通過(guò)將DC電流直接通過(guò)樣本，使樣本快速加熱到約1200℃，持續(xù)約1分鐘。這一步驟從表面除去了原有的氧化物層，并且使表面硅原子成為可移動(dòng)的。(iii)將樣本溫度降低到約950℃，然后從約950℃緩慢冷卻到室溫。如前面報(bào)告的那樣20，發(fā)現(xiàn)表面缺陷密度強(qiáng)烈依賴(lài)于最終的冷卻速率。用一個(gè)紅外高溫計(jì)在這個(gè)全過(guò)程中監(jiān)測(cè)樣本的溫度。在初始的除氣之后，真空室中的壓力保持在低于10-10mbar的范圍(包括在快速加熱到1200℃的過(guò)程中)。
圖3(a)示出了一個(gè)根據(jù)上述過(guò)程制備的低缺陷密度Si(001)2×1表面的典型STM圖像，其中可以看到五個(gè)單原子臺(tái)階。存在這些臺(tái)階的原因是由于表面平面相對(duì)于(001)結(jié)晶定向的輕微取向誤差。圖3(a)中所示表面的這種取向誤差的角度是約0.2°，這樣臺(tái)階之間的平均間隔為約400。沒(méi)有可能制造出完全無(wú)缺陷表面20，但是，圖3(a)中所示的表面的缺陷密度接近1％，這符合文獻(xiàn)(例如，參考文獻(xiàn)20)中報(bào)告的最低缺陷密度表面。圖3(b)示出了一個(gè)更高分辨率的圖像，其中可以分辨出單個(gè)表面二聚物，并且突出了一個(gè)完全沒(méi)有缺陷的17×24nm2面積的表面。這個(gè)圖像是用負(fù)的試驗(yàn)偏壓獲得的，因而是一個(gè)由于來(lái)自二聚物的π鍵的隧道效應(yīng)而使二聚物表現(xiàn)為通常的豆形突起的封入狀態(tài)圖像21。
氫保護(hù)層制造過(guò)程的下一階段是用氫鈍化Si(001)2×1表面。為了進(jìn)行這一過(guò)程，使用一個(gè)原子氫源(AHS)。將AHS絲加熱到1500℃，并且將99.999％純度的分子氫源通過(guò)AHS，經(jīng)過(guò)一個(gè)受控漏泄閥進(jìn)入到UHV室。AHS將相當(dāng)大一部分分子氫轉(zhuǎn)變成原子氫，并且原子氫隨后與樣本表面反應(yīng)，形成鈍化層。通過(guò)監(jiān)測(cè)總真空壓力控制投配速率。引入到室內(nèi)的氣體純度是利用一個(gè)質(zhì)譜儀監(jiān)測(cè)的。
由于硅二聚物π鍵的非常弱的性質(zhì)，Si(001)2×1表面是極具反應(yīng)性的。撞擊到Si(001)2×1表面上的氫原子使弱二聚物π鍵斷開(kāi)22，產(chǎn)生了氫原于可以吸附的兩個(gè)反應(yīng)表面位置。僅吸附了一個(gè)H原子的二聚物叫做半氫化物二聚物。沒(méi)有端接氫的二聚物的硅原子剩下了一個(gè)第二氫原子可以吸附的不飽和鍵。已經(jīng)用兩個(gè)氫原子完全鈍化的硅二聚物叫做單氫化物二聚物。
進(jìn)行了數(shù)次試驗(yàn)來(lái)確定最佳氫投配條件，以獲得均勻的單氫化物層。圖4是一個(gè)鈍化表面的例子，其中將樣本在10-7mbar的室壓下，用300-400℃的樣本溫度投配半小時(shí)。在投配期間，將樣本表面直接定位在AHS UHV入口前面的約10cm的距離上。在圖4(a)中示出了在300-400℃之間投配一個(gè)樣本的結(jié)果。在這個(gè)特定的試驗(yàn)中，故意地允許過(guò)多的氫進(jìn)入室內(nèi)，以便也形成二氫化物和單氫化物與二氫化物兩相的混合物(稱(chēng)為(3×1):H相)的區(qū)。圖4(b-d)示出了單氫化物(b)、二氫化物(c)和(3×1):H相(d)之間的差別。圖4顯示了能夠可控地用氫投配Si(001)表面，并識(shí)別出產(chǎn)生的表面種類(lèi)，從而能夠系統(tǒng)地獲得一個(gè)均勻的單氫化物層。但是，為了進(jìn)一步顯示我們能夠表征清潔和氫化的表面，進(jìn)行了多次掃描隧道光譜(STS)試驗(yàn)22。把STM尖端保持在離開(kāi)表面的一個(gè)固定位置和距離(通過(guò)脫離STM尖端反饋機(jī)構(gòu))，并且將偏壓從-2V移動(dòng)到2V，同時(shí)測(cè)量隧道電流。圖4(e)示出了清潔的和端接氫的表面的這些STS試驗(yàn)的結(jié)果。清潔表面光譜顯示了π鍵合和π*反鍵峰值。端接氫表面的光譜顯示了一個(gè)與硅的形態(tài)體積密度相關(guān)的寬闊的肩部，和一個(gè)明顯的Si-H反鍵峰值。這兩種結(jié)果都與以前的研究22相符。
氫光刻在Si表面上形成了H單層之后，接下來(lái)的步驟是要利用STM尖端選擇性地在H保護(hù)層中形成解吸區(qū)。這將暴露出用于P原子的受控放置的Si表面區(qū)。
完成原子分辨度解吸對(duì)STM尖端提出了嚴(yán)格的要求?？梢酝ㄟ^(guò)向STM施加大的偏壓完成受控解吸，但是，也可能在成像的同時(shí)解吸氫，從而暴露出不打算暴露的表面區(qū)。我們顯示了我們已經(jīng)克服了這種障礙，以在一個(gè)適合于Kane量子計(jì)算機(jī)制造的陣列中可控和重復(fù)地解吸氫。
為了完成原子分辨度解吸6，需要一個(gè)具有大錐角的十分尖銳的鎢尖端24。為了滿(mǎn)足這些要求，我們使用了一種商用尖端蝕刻設(shè)備(Omicron W-Tek半自動(dòng)尖端蝕刻系統(tǒng))。將約2nm長(zhǎng)度的w線(直徑＝0.38mm)插入到NaOH溶液中的一個(gè)不銹鋼陰極環(huán)中。在兩個(gè)電極之間施加的約5-10V的電壓產(chǎn)生了優(yōu)先在溶液表面進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)。在約10分鐘內(nèi)，W線蝕刻完成，留下一個(gè)小半徑的尖端。在氫氟酸中的2分鐘的蝕刻除去任何氧化物層。在光學(xué)顯微鏡下檢查尖端，以評(píng)價(jià)幾何形狀，如果滿(mǎn)意，將其在30分鐘內(nèi)裝載到UHV系統(tǒng)，以防止氧化物的形成。也可以使用諸如PtIr之類(lèi)的其它尖端材料，并且要進(jìn)行類(lèi)似的制備考慮。
通過(guò)在尖端與樣本之間施加受控電壓脈沖，利用STM尖端從表面解吸氫6-17。仔細(xì)地最優(yōu)化鎢尖端的幾何形狀和受控電壓脈沖(施加約6V試驗(yàn)偏壓和約1nA隧道電流約1ms)，使得原子分辨度解吸成為可能。
為了允許一個(gè)磷化氫分子和因而僅有一個(gè)磷原子的吸附，需要如圖5a中所示的，解吸一個(gè)暴露出小于或等于兩個(gè)硅二聚物的面積。這是由于如我們已經(jīng)用磷化氫投配了一個(gè)清潔Si(001)2×1表面的圖5b中所示，磷化氫以c(4×2)表面周期性鍵合到Si(001)2×1表面25。圖5c中的STM圖像示出了一個(gè)氫端接Si(001)2×1表面上的一行中的約4nm間隔的三個(gè)直徑小于1nm的氫解吸位置。這個(gè)圖像以這種位置之間的緊密間隔突出地顯示了取得的原子分辨度解吸?？梢匀菀椎貙⑽恢弥g的距離增大到需要的20nm的量子位間隔，并且我們已經(jīng)進(jìn)行了在一個(gè)大于100nm長(zhǎng)度的行中的單解吸位置的受控光刻。圖5c中的解吸位置顯示為光亮的突起，這是由于暴露的硅不飽和鍵的硅二聚物表面狀態(tài)，電子密度延伸到表面之外的結(jié)果6-11。圖5顯示了這些解吸位置足夠小，從而在每個(gè)位置僅允許一個(gè)磷化氫分子鍵合到表面。
磷陣列接下來(lái)的步驟是要制造P陣列。在STM光刻以暴露小區(qū)域的Si(001)2×1表面之后，通過(guò)受控漏泄閥允許磷化氫氣體進(jìn)入室內(nèi)，從而將單個(gè)含磷分子吸附到暴露的硅表面上。
為了獲得高純度磷化氫氣體輸送，PH3微投配系統(tǒng)及其對(duì)UHV STM的連接，使用了在無(wú)塵室環(huán)境中組裝的內(nèi)部電拋光的氣體管線。在10-8mbar壓力下的暴露期間，在室中取得的質(zhì)譜沒(méi)有顯示出任何其它種類(lèi)的分壓的顯著增大。磷化氫在清潔硅表面上的粘附系數(shù)是1(參考文獻(xiàn)26)。
圖6a和6b示出了在暴露于磷化氫氣體之前和之后的，一個(gè)二聚物行上的約1.5nm間隔的兩個(gè)氫解吸位置的原子分辨度圖像。通過(guò)在磷化氫投配之后，除了前面解吸了氫的位置之外的均勻氫覆蓋層顯示了氫保護(hù)層作為磷化氫吸附的阻擋層的有效性。為了觀察磷化氫暴露之后的任何變化，我們專(zhuān)門(mén)地選擇了單個(gè)的氫解吸位置，而不是更大的解吸位置(如圖5中所示)，并且提供了其中位置之間的間隔很小的高分辨度圖像。這里，圖6a中的每個(gè)解吸位置上的亮的突起是在從二聚物左側(cè)開(kāi)始的情況下，僅解吸了一個(gè)氫原子之后單個(gè)硅不飽和鍵的表現(xiàn)特征。在硅二聚物上剩余氫已知是瞬變的27，我們已經(jīng)觀察到，在一段時(shí)間后它從二聚物的一側(cè)擴(kuò)散到另一側(cè)。
圖6b示出了在室溫下暴露于磷化氫氣體之后的圖6a的相同區(qū)域。圖6c和6d中的譜線輪廓的分析顯示了在磷化氫投配之后的突起高度上的約0.05nm的特征性的增大。由于STM尖端進(jìn)一步延伸到二聚物行之間的間隙中導(dǎo)致的掃描之間的成像條件的微小變化，這種差異可以經(jīng)常發(fā)生。但是由于PH3吸附的高度差是從二聚物行的頂端至突起的頂端測(cè)量的，因而并不受此影響。
圖6e和6f示出了在磷化氫投配之前和之后的，垂直于二聚物行的直線上的三個(gè)解吸位置。相關(guān)的譜線輪廓(圖6g和6h)也顯示了約0.05nm的高度增大。在觀察了數(shù)個(gè)圖像上的所有吸附位置之后，相對(duì)于磷化氫投配之前和之后的相同表面上的原子臺(tái)階邊緣(未示出)校準(zhǔn)這個(gè)增大。這種可重現(xiàn)增大證實(shí)了一個(gè)PH3分子的吸附，并且對(duì)應(yīng)于暴露的硅不飽和鍵與吸附的磷化氫之間的差。硅二聚物上的氫原子的瞬變性質(zhì)可以歸結(jié)于一個(gè)磷化氫分子已經(jīng)鍵合到二聚物中左面的硅(上面)和另一個(gè)磷化氫分子鍵合到二聚物中的右面的硅(下面)的最終圖像的不對(duì)稱(chēng)性。
磷化氫與清潔Si(001)2×1表面的相互作用的研究25，26，28指出，PH3分子地吸附到一個(gè)硅二聚物的一端，然后可以離解成PH2，只要附近有硅不飽和鍵可用于離解的H的再吸附。氫端接表面上缺乏可用的不飽和鍵位置可以抑制這個(gè)離解步驟。圖7a示出了在磷化氫投配之前的一個(gè)氫端接表面上的一個(gè)單一不飽和鍵位置的示意圖，圖7b示出了吸附的PH3的離解之后的建議的Si-PH2結(jié)構(gòu)。在這種構(gòu)造中，在PH2鍵合到二聚物一端的情況下，吸附的磷原子保持四面體幾何構(gòu)造和三重配位作用?？梢岳斫庠赟i(001)2×1表面上的NH329和AsH330的吸附中發(fā)生類(lèi)似的離解過(guò)程和Si-XH2構(gòu)造，其中氮和砷都是與磷等電子的。
上述結(jié)果是重要的，因?yàn)槲覀兪状物@示了氫保護(hù)層作為磷化氫吸附的阻擋層有效性，并且將這種技術(shù)用于在硅表面上放置單個(gè)含磷分子——這是硅基量子計(jì)算機(jī)構(gòu)造中的一個(gè)中心步驟。這種顯示為小間隔受控?fù)诫s的方法，顯示了可以在更大的面積上取得更寬間隔的(約20nm)、精確定位的磷量子位陣列。這種制造方法也可以用于其它可以利用排序的原子或摻雜陣列的微型或納米級(jí)器件的制造。
并不是本發(fā)明主題的最后制造步驟是要以磷陣列的最小擴(kuò)散將含磷分子密封到硅晶格中。盡管已知得到的氫端接表面與通過(guò)分子束外延(MBE)的硅的后續(xù)生長(zhǎng)兼容31，32，但是沒(méi)有報(bào)道過(guò)硅中的原子放置的摻雜的密封。
最后，要特別指出，這里所示的制造策略也可以直接應(yīng)用于其它硅基量子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)16。
這里插入了在上面的文本中通篇引用的多種參考文獻(xiàn)，以作為參考1.Kane，B.E.A silicon-based nuclear spin quantum computer.Nature 393，133-137(1998).
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熟悉本領(lǐng)域的人員應(yīng)當(dāng)知道，可以對(duì)特定實(shí)施例中所示的本發(fā)明進(jìn)行許多改變和/或修改，而不脫離概括說(shuō)明的本發(fā)明的精神和范圍。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為所提供的實(shí)施例是一種說(shuō)明，而不是限制。
權(quán)利要求
1.一種納米級(jí)產(chǎn)品，包括一個(gè)吸附到氫圖形的結(jié)晶硅表面上的單個(gè)含磷分子的陣列；其中氫圖形的結(jié)晶硅表面包括一個(gè)從其單個(gè)解吸了氫原子以暴露出吸附單個(gè)含磷分子的區(qū)域的氫單層。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的納米級(jí)產(chǎn)品，其中以一種受控的方式從表面解吸單個(gè)氫原子，以暴露小于或等于兩個(gè)的硅二聚物，從而使單個(gè)含磷分子能夠吸附到暴露的下層硅不飽和鍵位置。
3.一種制造根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的納米級(jí)產(chǎn)品的方法，包括以下步驟(a)通過(guò)以下方式在超高真空環(huán)境中制備一個(gè)樣本Si(001)2×1表面(iv)通過(guò)諸如利用一個(gè)安裝在樣本基座后面的電阻加熱元件間接加熱，在600℃下給樣本除氣6小時(shí)，(v)通過(guò)將直流電流直接通過(guò)樣本，將樣本快速加熱到1200℃并持續(xù)1分鐘，在此期間內(nèi)壓力保持在低于10-10mbar的范圍，(vi)將樣本溫度降低到950℃，然后從950℃緩慢冷卻到室溫；(b)在相同的超高真空環(huán)境中，用原子氫鈍化樣本表面，投配速率通過(guò)監(jiān)測(cè)真空系統(tǒng)的總壓力控制，以得到是氫單層的表面的氫端接；(c)在相同的超高真空環(huán)境中，利用一個(gè)STM尖端，通過(guò)向尖端施加1ms的短時(shí)間周期的高電壓脈沖和隧道電流脈沖，從鈍化表面有選擇地解吸單個(gè)H原子，以在氫層中形成一個(gè)圖形；和(d)在相同的超高真空環(huán)境中，將表面暴露于磷化氫分子，以使磷化氫分子能夠鍵合到表面上暴露的圖形。
4.一種包含利用施主原子的原子核自旋或電子自旋作為鑲嵌在同位素純28Si，I＝0中的量子位的量子計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)包括一個(gè)在其中通過(guò)一個(gè)是氫單層的保護(hù)層中的各自窗口吸附了單個(gè)含施主分子以產(chǎn)生一個(gè)陣列的Si(001)2×1基片，其中每個(gè)窗口的尺寸是通過(guò)氫的解吸以?xún)H允許在該位置的硅上吸附一個(gè)含施主分子而確定的，其中這些位置通過(guò)一種間隔相互隔離，以便使相鄰施主電子對(duì)的波函數(shù)能夠重迭。
專(zhuān)利摘要
利用一個(gè)STM尖端從一個(gè)硅基片上的氫端接層解吸單個(gè)氫原子，以形成一個(gè)暴露區(qū)的圖形。在各個(gè)暴露區(qū)上吸附一個(gè)單個(gè)的含施主分子(例如磷化氫)，以形成一個(gè)施主原子(例如磷原子)的陣列?？梢詫⑹┲髟拥淖孕米鞴虘B(tài)量子計(jì)算機(jī)中的量子位。
文檔編號(hào)G01Q60/00GKCN1205113SQ01814960
公開(kāi)日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2001年8月24日
發(fā)明者羅伯特格雷姆克拉克, 安德魯史蒂夫德祖瑞克, 杰利梅羅德歐布萊恩, 史蒂夫里查德斯科菲爾德, 米切爾尤文西蒙斯 申請(qǐng)人:尤尼瑟馳有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan