Die deterministische Ionenimplantation ist eine der Schlüsseltechnologien für die Erzeugung geordneter Gitter einzelner Atome in Festkörpern. Diese können als Qubits funktionalisiert werden und damit als Basis für einen Quantencomputer dienen. Zu diesem Zweck ist eine räumlich hochaufgelöste Ionenimplantation mit einem geeigneten Detektionsverfahren zu kombinieren, das den Nachweis jedes einzelnen implantierten Ions gestattet.

Weltweit sind verschiedene Verfahren der deterministischen Ionenimplantation in Entwicklung. Während am IOM in der Querschnittseinheit „Werkzeuge“ das Verfahren der Spiegelladungsdetektion für den Ionennachweis entwickelt wird, nutzt der langjährige Kooperationspartner an der Universität Melbourne die freien Ladungsträger, die das Ion während des Implantationsvorganges im Siliziumsubstrat erzeugt. Dazu muss das Siliziumsubstrat als Teilchendetektor fungieren. Durch signifikante Verbesserungen der damit verbundenen Herstellungsprozesse und die Entwicklung sehr rauscharmer Nachweiselektronik ist es den australischen Kollegen nun gelungen, die Nachweiseffizienz für die Ionen auf nahezu 100% zu steigern. Damit wird die fehlerfreie Herstellung von Gittern aus vielen einzelnen Atomen möglich und so eine Basis für die Quantencomputer der Zukunft gelegt.

Die Arbeiten an der Universität Melbourne wurden unter Beteiligung der UNSW Sydney, dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, dem Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. und der RMIT Microscopy and Microanalysis Facility durchgeführt. Der Beitrag des IOM bestand in der Ausarbeitung der theoretischen Grundlagen für die Berechnung der Nachweiseffizienz durch den Wissenschaftler Dr. Daniel Spemann, in Zusammenarbeit mit Dr. Alexander Jakob von der Universität Melbourne. Die Ergebnisse der gemeinsamen Arbeiten wurden nun in der renommierten Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Weitere Informationen in der Publikation:

Deterministic Shallow Dopant Implantation in Silicon with Detection Confidence Upper-Bound to 99.85% by Ion–Solid Interactions
Alexander M. Jakob, Simon G. Robson, Vivien Schmitt, Vincent Mourik, Matthias Posselt, Daniel Spemann, Brett C. Johnson, Hannes R. Firgau, Edwin Mayes, Jeffrey C. McCallum, Andrea Morello, David N. Jamieson
Adv. Mater. 34 (2022) 2103235
https://doi.org/10.1002/adma.202103235

Link zur Pressemitteilung: “Building a silicon quantum computer chip atom by atom“