P. Räcke, R. Wunderlich, J.W. Gerlach, J. Meijer, D. Spemann
New Journal of Physics 22 (2020) 083028
DOI: 10.1088/1367-2630/aba0e6

Die Ionenimplantation ist nicht nur ein etabliertes Verfahren in der Halbleiterfertigung und -forschung, sondern auch eine Schlüsselmethode für die Forschung an neuartigen Quantentechnologien wie Quantensensorik und Quantencomputing, z.B. auf der Basis von Donatoren in Silizium oder Stickstoff-Vakanz-Zentren im Diamant. Eine große Herausforderung für die Realisierung eines Quantencomputers ist die skalierbare Herstellung von Qubits. Im Falle der Ionenimplantation müssen dafür ein hoher Durchsatz mit der örtlich hochpräzisen Platzierung gezählter Dotieratome oder Defekte kombiniert werden. Zu diesem Zweck wurde ein Ionenimplanter basierend auf einem Focused Ion Beam (FIB)-System und einer Elektronenstrahl-Ionenquelle (EBIS) zur Erzeugung hochgeladener Ionen aufgebaut. Das ionenoptische System wurde einer ersten Optimierung unterzogen und Strahlfleckgrößen < 200 nm erreicht, die zeigen, dass Ionenimplantation auf der Nanoskale mit einer EBIS möglich sind. Als Anwendungsbeispiel wurden durch maskenlose Bestrahlung mit einem fokussierten Ar⁸⁺-Ionenstrahl Stickstoff-Vakanz-Zentren im Diamant mit einer räumlichen Platzierungsgenauigkeit besser als 1 Mikrometer erzeugt.

P. Räcke, R. Staacke, J.W. Gerlach, J. Meijer, D. Spemann
J. Phys. D: Appl. Phys. 52 (2019) 305103 (5pp)
DOI: 10.1088/1361-6463/ab1d04

Spiegelladungsdetektion ist ein Verfahren, mit dem störungsfrei die Geschwindigkeit, Ladung, Masse und weitere Eigenschaften bewegter, elektrisch geladener Teilchen gemessen werden können. Spiegelladungsdetektion kann auch als Verfahren für den störungsfreien Ionennachweis bei der deterministischen Ionenimplantation genutzt werden. Mittels Ionenpaketen als Modellsystem für einzelne hochgeladene Ionen wurden die Fehler- und Detektionsraten eines Aufbaus zur Spiegelladungsdetektion experimentell untersucht. Die Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen der Signalamplitude im Fourierraum wurden mit einer verallgemeinerten Gammaverteilung modelliert, um die Fehler- und Detektionsraten zu extrahieren. Es zeigt sich, dass die Falsch-Positiv-Fehlerrate zu Lasten der Detektionsrate minimiert werden kann, ohne jedoch die Befähigung zur deterministischen, d.h. abgezählten Implantation einzelner Ionen zu beeinträchtigen. Dies ist ein besonderer Vorteil der pre-detection-Verfahren, bei denen der Ionennachweis vom eigentlichen Implantationsvorgang entkoppelt ist. Bei einem Signal/Rausch-Verhältnis von 2 wurde in dieser Studie, unabhängig von der verwendeten Ionensorte, eine Falsch-Positiv-Fehlerrate von 0,1% bei einer Detektionsrate von 22% erreicht. Eine Detektionsrate von 22% bedeutet, dass 22% aller Ionen, die durch den Detektor treten, nachgewiesen und zur Implantation weitergeleitet werden, während die restlichen 78% der Ionen automatisch durch einen Strahlschalter verworfen werden.

P. Räcke, D. Spemann, J.W. Gerlach, B. Rauschenbach, J. Meijer
Scientific Reports 8 (2018) 9781
DOI: 10.1038/s41598-018-28167-6

Die deterministische Ionenimplantation ermöglicht die Platzierung einzelner, abgezählter Fremdatome in einem Festkörpersubstrat, wo sie funktionalisiert und als Quantenobjekte, z.B. für Quantensensorik oder Quantencomputing, genutzt werden können. Die Fähigkeit, die exakte Zahl der Atome einstellen zu können, die an einem bestimmten Ort im Festkörper implantiert werden, ist eine Voraussetzung für die Herstellung von Quantenbauelementen, die auf mehreren oder gar vielen Quantenobjekten wie z.B. Qubits beruhen. Die Detektion eines jeden Ions kann vor der eigentlichen Implantation (pre-detection) oder während des Implantationsvorganges selbst (post-detection) erfolgen – in dem Falle werden Sekundäreffekte des Ioneneintritts in den Festkörper ausgenutzt, sodass die Detektion von dessen Materialeigenschaften abhängt. Die Unabhängigkeit der Ionendetektion von den Eigenschaften des zu implantierenden Materials ist eine der Vorteile der pre-detection-Verfahren.
Hier wird ein Konzept für die Detektion geladener Teilchen bei einfachem Durchflug, z.B. einer ionenoptischen Anordnung für die deterministische Ionenimplantation vorgestellt. Es basiert auf der Beobachtung der Spiegelladung, die das Ion in einer Anordnung zylindrischer Elektroden erzeugt. In dieser Arbeit werden theoretische und praktische Aspekte der Spiegelladungsdetektion und des Detektoraufbaus sowie deren Anwendung zur instantanen Ionendetektion erläutert. Es wird gezeigt, wie Falsch-Positiv-Nachweise zuverlässig ausgeschlossen werden können, obwohl das Signal/Rausch-Verhältnis zu niedrig für eine Signalanalyse in der Zeitdomäne ist. Dies wird durch die Verwendung eines Schwellwertes für das Signal in der Frequenzdomäne erreicht. Dies ist, ergänzt durch die Entwicklung ultra-rauscharmer Verstärkerelektronik, der Schlüssel zur Spiegelladungsdetektion einzelner Ionen.

Jürgen W. Gerlach, Jan Meijer, Sébastian Pezzagna, Bernd Rauschenbach, Stephan Rauschenbach, Daniel Spemann, (2018) (EP16723276.8), EPA
Patentschrift

Dieses Patent betrifft eine Vorrichtung zur Detektion eines einzelnen geladenen Teilchens, z.B. eines Ions, im einfachen freien Durchflug, wobei die Detektion die Flugbahn des Teilchens praktisch unverändert lässt. Diese Störungsfreiheit ist Voraussetzung für die nachfolgende ionenoptische Abbildung des Ions und damit der hohen lateralen Platzierungsgenauigkeit in Nanobereich. Das Verfahren beruht auf einer regelmäßigen Anordnung von Elektroden, in denen beim Durchflug des Ions eine Spiegelladung erzeugt wird. Diese Spiegelladung kann geeignet verstärkt und dann als ein Wechselsignal bestimmter Frequenz gemessen werden. Auf diesem Verfahren beruht der Ansatz zur Detektion einzelner Ionen für die deterministische Ionenimplantation wie sie am Institut entwickelt wird.

S.G. Robson, P. Räcke, A.M. Jakob, N. Collins, H.R. Firgau, V. Schmitt, V. Mourik, A. Morello, E. Mayes, D. Spemann, and D.N. Jamieson
Physical Review Applied 18, 034037 (2022)
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.034037

Bringt man Phosphor oder andere Donatoren mittels Einzelionenimplantation in hochreines Silizium ein, bilden sie ein vielversprechendes Quantenbit-System (Qubit) für die Entwicklung eines skalierbaren Quantencomputers. Für die Skalierbarkeit wird jedoch ein Verfahren zur deterministischen Ionenimplantation benötigt. Zu diesem Zweck entwickeln unsere Kooperationspartner vom CQC2T der School of Physics der Universität Melbourne spezielle Siliziumsubstrate, damit jedes einzelne Ion während der Implantation mittels IBIC (Ion Beam Induced Charge) detektiert werden kann.

Dieser Artikel berichtet über die Ergebnisse einer gemeinsamen Arbeit von CQC2T-Mitgliedern und Kollegen des IOM. Hier wird die Machbarkeit der Einzelionendetektion mittels IBIC untersucht, indem niederenergetische Ionen in den 60 × 60 μm² großen, empfindlichen Bereich eines Siliziumbauelementes implantiert werden, das ein ultradünnes 3,2-nm Gateoxid aufweist und in der Lage ist, große Felder von Donatoren aufzunehmen. Zunächst wurde demonstriert, dass mittels eines IBIC-Mapping-Systems, bestehend aus einem modifizierten Focused Ion Beam (FIB)-System und einer extrem rauscharmen Nachweiselektronik, die Detektionseigenschaften der Bauelemente für flach implantierte 12 keV H₂⁺-Ionen untersucht werden können. Trotz des schwachen internen elektrischen Feldes wird eine Ladungssammeleffizienz von nahezu eins auf dem gesamten empfindlichen Bereich erzielt. Anschließend wurde der Ionennachweis über IBIC genutzt, um eine deterministische Implantation von einigen tausend 24 keV ⁴⁰Ar²⁺-Ionen in ein vordefiniertes Mikrovolumen ohne zusätzliche Kollimation durchzuführen. Trotz der geringeren Ionisation der schwereren Ionenspezies wird eine fluenzunabhängige Detektionssicherheit von ≥99,99% erreicht. Unser System stellt somit nicht nur eine Methode zur Abbildung der oberflächennahen elektrischen Landschaft elektronischer Bauelemente dar, sondern bildet auch einen Zugang für die maskenfreie Prototypfertigung von großflächigen Donatorenfeldern in Silizium.

Ziel des Vorhabens ist die Untersuchung des Potenzials und der technischen Umsetzungsmöglichkeiten eines Spiegelladungsdetektors für den Nachweis einzelner Ionen im freien Durchflug. Ein solcher Detektor ermöglicht die deterministische Einzelionenimplantation, d.h. die hochpräzise Platzierung einzelner, abgezählter Ionen in oberflächennahen Bereichen einer beliebigen Probe für Anwendungen in der Quantentechnologie. Zu diesem Zweck sollen geeignete Nachweiselektroniken basierend auf Silizium- bzw. GaAs-Transistoren (Galliumarsenid) hinsichtlich Rauschverhalten und Empfindlichkeit in einem Testaufbau untersucht und optimiert sowie parallel die Strahlführung im ionLINE-Implanter für die Spiegelladungsdetektion ausgelegt werden. Ein Spiegelladungsdetektor soll nach Optimierung in den ionLINE-Implanter integriert und dort im kryogenen Betrieb eingehend hinsichtlich Nachweiseffizienz charakterisiert werden. Anhand der gesammelten Daten soll zum Projektschluss das Potenzial der Spiegelladungsdetektion kritisch bewertet und eine konkrete technische Umsetzung eines solchen Einzelionendetektors vorgeschlagen werden.

Die Arbeiten finden in Kooperation mit der Universität Leipzig im gemeinsamen Leibniz Joint Lab "Einzelionenimplantation" statt.

Laufzeit: 2017-2020
Fördermittel: 314.477,00 Euro
Projektträger: Sächsische Aufbaubank (SAB)
Kooperationspartner: Universität Leipzig

Siehe auch unter "Ausgewählte Projekte"

Ziel der Aktion “Focused Ion Technology for Nanomaterials” (FIT4NANO) ist, eine Koordination der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Feld des ionenstrahlbasierten Nano-Engineerings zu ermöglichen. Damit sollen die europäischen Forscher und Unternehmen der Wirtschaft in die Lage versetzt werden, eine Spitzenstellung in dem sich rasch entwickelnden Feld der funktionellen, nanostrukturierten Materialien einzunehmen.
Die Aktion wird Entwickler und Anwender von Focused Ion Beam-Technologien zusammenbringen, damit sie für die Identifizierung, Herstellung und Charakterisierung von funktionellen Nanomaterialien der nächsten Generation, die effizientesten Werkzeuge und Anwendungstechnologien bereitstellen sowie Ionenquellen und Gerätetechnik für die Sub-10 nm Fabrikation und Materialanalyse entwickeln können.

Weitere Informationen finden Sie hier: https://www.fit4nano.eu/