量子计算机的硅基片上的单分子阵列、其制备方法及采用该基片的量子计算机技术

利用一个ＳＴＭ尖端从一个硅基片上的氢端接层解吸单个氢原子，以形成一个暴露区的图形。在各个暴露区上吸附一个单个的含施主分子（例如磷化氢），以形成一个施主原子（例如磷原子）的阵列。可以将施主原子的自旋用作固态量子计算机中的量子位。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及诸如制造成纳米精度的电子装置之类的纳米级产品。这种产品除了可以有许多其它的用途之外，还可以在量子计算机的制造中使用。本专利技术的另一方面确认了一种制造这种产品的方法。
技术介绍
Kane建议1，2利用磷原子核的原子核自旋(I＝1/2)作为镶嵌在同位素纯28Si(I＝0)(这与高纯结晶Si相同)中量子位(qubit)制造硅基量子计算机。在低温下，施主电子保持与P原子核键合，并且表面“A”门控制原子核与电子自旋之间的超精相互作用，这使得使二者能够极化。相邻施主电子之间的耦合是利用分离的表面“J”门取得的，这使得能够提供量子位之间的电子中介相互作用。图1示出了这种建议的结构。 在一种“自底向上”的方法中，利用超高真空(UHV)扫描隧道显微术(STM)和分子束外延(MBE)的组合，将单个磷原子以原子精度顺序排列在硅晶体中。这种在硅装置中排列磷的“自底向上方法”的制造要求是将P原子以整齐的阵列单个原子地放置在Si表面；通过跟随着诸如SixGe1-x或SiO2之类的阻挡层材料生长的硅晶体生长密封这些原子；利用电子束光刻或其它技术将金属门对准P原子；以及一种读出计算机自旋状态的装置1，2。 1998年，J.R.Tucker和T.C.Shen3描述一种未来三维装置纳米制造的新方法，如果成功的话，这种方法能够实现对硅和小至原子级的硅基异质结构中的电子迁移的实际控制。设想的方法是由以下步骤构成的(1)STM引起氢原子解吸，以暴露出端接氢的表面上的裸露硅不饱和键； (2)投配少许朗缪尔(Langmuir)的PH3、AsH3，或B2H6，以在STM暴露的区域上沉积掺杂前体的自排序阵列；(3)利用设计为将掺杂再分布限制到原子级的技术进行低温硅覆盖生长；(4)重复上述步骤，以产生三维电子结构。 他们的论文显示了沿硅二聚物线的氢原子的解吸，并且展望了磷化氢分子(除了其它分子之外)可以自排序到沿该线的交替位置上。 另一个专门论述硅基原子核自旋量子计算机的制造的独立建议来自N.S.McAlpine等人4和A.S.Dzurak等人5。他们建议也是使用硅上氢保护层(hydrogen-on-silicon resist)技术制造多量子位装置的策略，其中使用了一种扫描探针执行原子级光刻。后续的制造步骤包括外延硅生长和电子束光刻。相同的研究人员还公开了图2的建议制造方案。 利用STM控制与吸附的原子和分子的表面反应的概念要追溯到1995年，在当时T.C.Shen等人6展示了可以使用STM尖端从以端接氢的硅(100)基片上解吸氢。他们提出，利用在低施加电压下使用隧道电子的多振动激励技术，是可以解吸单个H原子的。但是，他们的结果显示，在一般情况下，使用的高电流密度经常意味着一个单个的硅二聚物上的两个H原子都被解吸。 Dehuan Huang等人7也报导了使用STM操纵一个表面上的单个原子。利用Si(100)-2×1表面和它的氢终端，他们在一个原子级平坦绝缘表面上制造了一个硅二聚物原子链。他们得到了STM图像，以显示当使用适当的制备时，Si(100)2×1表面将几乎没有缺陷。他们使用干蚀刻方法成功地制备出了单氢化物Si(100)2×1:H表面。通过利用特定的隧道电流在STM尖端与样本表面之间施加正和负电压脉冲，提取出了Si(100)2×1:H表面上的氢原子。这意味着提取单氢化物表面上的氢原子的机理不仅是由于电子激励，而且也是由于场致蒸发作用。他们见到了氢原子倾向于从下层的硅二聚物成对地离开的配对效应。利用这种技术，他们通过在恒定电流(2nA)条件下对于每个50ms施加3个8V的脉冲，在Si(100)-2×1:H表面上制造了一个Si二聚物链。 1997年，Joseph W Lyding8对扫描探针纳米制造进行了简短的回顾，紧接着深入地讨论了有关氢钝化硅表面的UHV STM纳米制造。通过有选择地从硅表面解吸氢区域，UHV STM又起到了纳米光刻工具的作用。在较高的样本电压，发生了直接电子激励解吸，而在较低的电压，Si-H键的振动热导致解吸。清洁与H-钝化硅之间的化学差异使得能够有多种多样的空间选择性纳米级化学反应。这些示范显示的结果被用于通过化学气相沉积进行选择性氧化、氮化和金属化。已经通过用NH3处理STM图形表面实现了选择性氮化。 在1998年，T.Hitosugi等人9也发表了端接氢的Si(100)2×1:H表面上原子级不饱和键(DB)线的扫描隧道显微术/光谱学(STM/STS)研究的报告。为了解吸Si(100)2×1:H表面上的氢原子，首先将STM尖端定位在选定的原子上方。然后，施加Vs＝+2.9V的脉冲电压和Lt＝400pA的隧道电流。脉冲持续时间在100至300m/s的范围9。在这种情况下，得到了一或两个二聚物宽度(0.8-1.6nm)的DB线。在DB线是由成对的DB构成的情况下，STS显示了具有大约0.5eV的带隙的半导体电子状态。他们成功地在一个半导体表面上制造出了在费米能具有限定状态密度的原子级线。这些结果很好地吻合于最近的首要原理理论计算。 K.Stokbro等人10在1998年进行的另一次试验报告了在负试验偏压下STM引起的H从Si(100)-(2×1):H解吸。解吸率显示了与电流的幂定律关系，并且在-7V取得最大解吸率。解吸可以通过由于Si-H5σ孔谐振引起的隧道孔的非弹性散射造成的H的振动加热解释。解吸试验是通过以速度s、试验偏压Vb和隧道电流I扫描STM尖端，并且随后对影响区域成像，以确定发生解吸的Si位置的数量进行的。 在-7V和3.0nA一行扫描的结果是从Si(100)-H(2×1)表面解吸一个单行的H。 1999年，C.Syrykh等人11报告了另一个利用UHV STM的Si(100)-2×1端接氢表面的纳米级氢解吸。在这里，他们研究了在反馈伺服环路开通和断开情况下，形成图形的线宽与试验偏压和剂量之间的函数关系。他们得到的结果显示，通过施加4V幅度和1ms持续时间的脉冲，产生了一个十八个局部解吸区的阵列。H解吸区的直径Φ小于3nm。 已经把纳米线宽级的氢光刻用于氧12、氨12、铁13、铝14、镓15和钴16之类的原子和分子的空间选择性吸附，并且在最近已经把原子级光刻用于单个银原子和银原子簇的吸附17。 尽管对氢-保护层光刻具有强烈的兴趣，但是至今还没有为用于随后的纳米级电子器件的含掺杂物的分子的阵列的制造，进行过硅中单个H原子的受控原子级精度解吸的系统研究。
技术实现思路
本专利技术是一种纳米级产品，包括一个吸附到形成有氢图形的结晶硅表面上的单个含磷分子阵列；其中形成有氢图形的结晶硅表面包括一个每个氢原子键合到一个硅原子(一个单氢化物层)的单氢层，从硅原子已经单个地解吸了一些氢原子，以暴露出用于吸附单个含磷分子的区。 例如，可以用一种受控的方式从Si(100):H表面解吸单个H原子，以暴露小于或等于两个的硅二聚物，使得单个含磷分子可以吸附到暴露出的下层硅不饱和键位。 图6(b)和(f)首次示出了这样的一种装置，并且在这里阵列是线性的。 根据另一个方面，本专利技术是一种制造上面定义的纳米级产品的方法，包括以下步骤 (a)通过以下方式在超高真空环境下制备一个样本Si(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米级产品，包括： 一个吸附到氢图形的结晶硅表面上的单个含磷分子的阵列；其中氢图形的结晶硅表面包括一个从其单个解吸了氢原子以暴露出吸附单个含磷分子的区域的氢单层。

【技术特征摘要】
AU 2000-8-30 PQ97591.一种纳米级产品，包括一个吸附到氢图形的结晶硅表面上的单个含磷分子的阵列；其中氢图形的结晶硅表面包括一个从其单个解吸了氢原子以暴露出吸附单个含磷分子的区域的氢单层。2.根据权利要求1所述的纳米级产品，其中以一种受控的方式从表面解吸单个氢原子，以暴露小于或等于两个的硅二聚物，从而使单个含磷分子能够吸附到暴露的下层硅不饱和键位置。3.一种制造根据权利要求1或2所述的纳米级产品的方法，包括以下步骤(a)通过以下方式在超高真空环境中制备一个样本Si(001)2×1表面(iv)通过诸如利用一个安装在样本基座后面的电阻加热元件间接加热，在600℃下给样本除气6小时，(v)通过将直流电流直接通过样本，将样本快速加热到1200℃并持续1分钟，在此期间内压力保持在低于10-10mbar的范围，(vi)将样本温度降低到950℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特格雷姆克拉克，安德鲁史蒂夫德祖瑞克，杰利梅罗德欧布莱恩，史蒂夫里查德斯科菲尔德，米切尔尤文西蒙斯，
申请(专利权)人：尤尼瑟驰有限公司，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]