Oberflächen nach Maß

Deterministische Ionenimplantation

Ein Wissenschaftler schließt eine neuen Gasflasche am Gasverteiler des Einzelionenimplanters an.
Montage einer Probe auf dem Probenhalter des Einzelionenimplanters.

Einzelionen präzise platzieren für Quantentechnologien und neuartige Bauelemente

Das IOM entwickelt Verfahren zur deterministischen Ionenimplantation, bei der einzelne Ionen gezielt und mit höchster Präzision in Materialien eingebracht werden. Ziel ist es, Quantenbauelemente mit definierten atomaren Strukturen herzustellen und neue Anwendungen in Sensorik und Informationsverarbeitung zu ermöglichen. 

Präzise Platzierung einzelner Ionen
  • Entwicklung von Verfahren zur deterministischen Implantation einzelner Ionen  
  • Positionierung mit nanometergenauer räumlicher Kontrolle  
  • Kontrolle von Teilchenzahl und Implantationsort  
  • Grundlage für die gezielte Funktionalisierung von Materialien  
Anwendungen in Quantentechnologien
  • Herstellung von Quantenbauelementen auf Basis einzelner Defekte  
  • Nutzung von Systemen wie NV-Zentren in Diamant  
  • Entwicklung von Anwendungen in Quantencomputing und Sensorsystemen  
  • Beitrag zu Technologien für sichere Kommunikation und hochpräzise Messungen  
Entwicklung neuer Fertigungstechnologien
  • Aufbau spezialisierter Ionenimplantationssysteme  
  • Entwicklung innovativer Verfahren für atomar präzise Materialbearbeitung  
  • Integration in bestehende Strahl- und Plasmatechnologien  
  • Erweiterung der Möglichkeiten klassischer Halbleitertechnologien  
Beitrag zu Quantensystemen und Kooperationen
  • Grundlage für die Realisierung skalierbarer Quantenarchitekturen  
  • Zusammenarbeit im Leibniz JointLab „Einzelionenimplantation“  
  • Enge Kooperation mit Partnern aus Forschung und Anwendung  
  • Beitrag zur Entwicklung zukünftiger Quanten- und Sensortechnologien 

Projekt

Optimierte Einzelionendetektion auf Diamantbasis für skalierbare Quantentechnologien

Dieses trilaterale Kooperationsprojekt wird vom IOM Leipzig zusammen mit der Universität Leipzig und der Experimental Condensed Matter Physics Gruppe der University of Melbourne (Australien) durchgeführt und vom DAAD gefördert. Auf Basis gemeinsamer Vorarbeiten auf dem Gebiet der ortsaufgelösten deterministischen Einzelionenimplantation für skalierbare Quantentechnologien in verschiedenen Trägermaterialien für Qubits, wie Silizium oder Diamant, wird die effiziente Detektion einzelner Ioneneinschläge in gemeinsam gefertigten und weiterentwickelten Diamant-Substraten und Detektorstrukturen für die Herstellung von NV-Zentren als Qubits erforscht. Die an der Universität Leipzig durch spezielle Dotierung vorbereiteten Diamantsubstrate werden in Melbourne mit lithografischen Strukturen und der nötigen Detektionselektronik ausgestattet. Anschließend werden diese am IOM mit Hilfe des Einzelionenimplanters oberflächennah und ortsaufgelöst elektrisch charakterisiert. Dieses Austauschprojekt leistet einen wertvollen Beitrag zur internationalen Vernetzung und Förderung von Nachwuchswissenschaftlern*innen. Es ist geplant, die Kooperation mit den australischen Partnern in Form von weiteren gemeinsamen Arbeiten und Folgeprojekten fortzusetzen. 

Gefördert durch BMFTR  

Optimierte Einzelionendetektion auf Diamantbasis für skalierbare Quantentechnologien

Dieses trilaterale Kooperationsprojekt wird vom IOM Leipzig zusammen mit der Universität Leipzig und der Experimental Condensed Matter Physics Gruppe der University of Melbourne (Australien) durchgeführt und vom DAAD gefördert. Auf Basis gemeinsamer Vorarbeiten auf dem Gebiet der ortsaufgelösten deterministischen Einzelionenimplantation für skalierbare Quantentechnologien in verschiedenen Trägermaterialien für Qubits, wie Silizium oder Diamant, wird die effiziente Detektion einzelner Ioneneinschläge in gemeinsam gefertigten und weiterentwickelten Diamant-Substraten und Detektorstrukturen für die Herstellung von NV-Zentren als Qubits erforscht. Die an der Universität Leipzig durch spezielle Dotierung vorbereiteten Diamantsubstrate werden in Melbourne mit lithografischen Strukturen und der nötigen Detektionselektronik ausgestattet. Anschließend werden diese am IOM mit Hilfe des Einzelionenimplanters oberflächennah und ortsaufgelöst elektrisch charakterisiert. Dieses Austauschprojekt leistet einen wertvollen Beitrag zur internationalen Vernetzung und Förderung von Nachwuchswissenschaftlern*innen. Es ist geplant, die Kooperation mit den australischen Partnern in Form von weiteren gemeinsamen Arbeiten und Folgeprojekten fortzusetzen. 

Gefördert durch BMFTR  

Publikationshighlights

S. R. Schofield, A. Fisher, E. Ginossar, J. W. Lyding, R. Silver, F. Fei, P. Namboodiri, J. Wyrick, M. G. Masteghin, D. C. Cox, B. N. Murdin, S. K Clowes, J. Keizer, M. Simmons, H. G. Stemp, A. Morello, B. Voisin, S. Rogge, R. Wolkow, L. Livadaru, J. Pitters, T. Stock, N. Curson, R. E. Butera, T. Pavlova, A. M. Jakob, D. Spemann, P. Räcke, F. Schmidt-Kaler, D. N. Jamieson, U. Pratiush, G.Duscher, S. Kalinin, D. Kazazis, P. Constantinou, G. Aeppli, Y. Ekinci, J. H. G. Owen, E. Fowler, R. Moheimani, J. Randall, S. Misra, J. Ivie, C. R. Allemang, E. M. Anderson, E. Bussmann, Q. Campbell, X. Gao, T.-M. Lu, S. W. Schmucker 
Roadmap on atomic-scale semiconductor devices 
Nano Futures 9 (2025) 012001, https://doi.org/10.1088/2399-1984/ada901  

Dieser Roadmap-Artikel gibt einen Überblick über die Fortschritte in den 25 Jahren seit Kanes Vorschlag, Quantencomputer auf der Grundlage von Kern- und Elektronenspins von Donatoratomen in Silizium zu entwickeln. Der Artikel behandelt dabei die aktuellen Herausforderungen und die zukünftigen Entwicklungen bei der Herstellung und Messung von Halbleiterbauelementen im atomaren Maßstab und zeichnet den Weg zu skalierbaren Quantencomputern und fortschrittlichen Halbleiter-Quantentechnologien vor.   

A. M. Jakob, S. G. Robson, H. R. Firgau, V. Mourik, V. Schmitt, D. Holmes, M. Posselt, E. L. H. Mayes, D. Spemann, J. C. McCallum, A. Morello, D. N. Jamieson 
Scalable atomic arrays for spin-based quantum computers in Silicon 
Advanced Materials 2024 (2024) 2405006, https://doi.org/10.1002/adma.202405006  

Halbleiter-Spin-Qubits kombinieren exzellente Quanteneigenschaften mit der Aussicht auf die Herstellung von Quantenbauelementen unter Verwendung etablierter Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) Prozesse. Hier werden mehrere Strategien zur Herstellung skalierbarer donorbasierter Quantencomputer demonstriert. Durch Implantation von 31PF2-Molekülen lässt sich die Platzierungsgenauigkeit gegenüber einfachen 31P-Ionen verdreifachen und eine Nachweissicherheit der Ionen im Implantationsprozess von 99,99% erreichen. Weiterhin wird die deterministische Bildung regelmäßiger Anordnungen von Donatoren mit 300 nm Abstand demonstriert.   

N. Collins, A. Jakob, S. Robson, S. Q. Lim, P. Räcke, B. C. Johnson, B. Liu, Y. Lu, D. Spemann, J. McCallum, D. Jamieson 
Graphene-enhanced single ion detectors for deterministic near-surface dopant implantation in diamond 
Adv. Funct. Mater. 33 (2023) 2306601, https://doi.org/10.1002/adfm.202306601  

In diesem Artikel wird die deterministische Ionenimplantation in ein Diamantsubstrat demonstriert. Zu diesem Zweck wurde der Diamant mit einer Graphenlage als obere Elektrode ausgestattet und so durch Anlegen einer Gegenspannung zur Detektion einzelner Ionen befähigt. Für Ionen niedriger Energie, die oberflächennah implantiert werden, ist die Nachweissicherheit der Ionen >99(1)% für 19,5 keV Protonen und 85(2)% für 24 keV Stickstoffionen. Auf diese Weise wird ein Zugang zu deterministischen Anordnungen von Farbzentren in Diamant geschaffen, wo sie z.B. als Einzelphotonenquellen, Quantensensoren oder Qubits Anwendung finden können.   

S.G. Robson, P. Räcke, A.M. Jakob, N. Collins, H.R. Firgau, V. Schmitt, V. Mourik, A. Morello, E. Mayes, D. Spemann, D.N. Jamieson 
Near-surface electrical characterization of silicon electronic devices using focused keV ions 
Phys. Rev. Applied 18 (2022) 034037, https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.034037  

In diesem Artikel wird untersucht, ob durch deterministische Implantation niederenergetischer Ionen in ein Siliziumbauelement mit einer sensitiven Fläche von 60 × 60 μm² und einem ultradünnen 3,2 nm dicken Gateoxid, großflächige Anordnungen von Donatoren hergestellt werden können. Dazu wurde ein Strahl aus 12 keV Wasserstoffmolekül-Ionen über die Oberfläche gerastert und die Effizienz der Ionendetektion ortsaufgelöst abgebildet. Die sensitive Fläche zeichnete sich durch eine sehr hohe und homogen verteilte Nachweiseffizienz aus, die für 24 keV Ar2+-Ionen mit >99,99% bestimmt wurde.  

P. Räcke, J. Meijer, D. Spemann 
Image charge detection of ion bunches using a segmented, cryogenic detector 
J. Appl. Phys. 131 (2022) 204502, https://doi.org/10.1063/5.0096094  

In diesem Artikel wird das Verhalten eines dedizierten Bildladungsdetektors auf den Durchgang einzelner kleiner Ionenbündel untersucht. Dieser Detektor wurde mit dem Ziel entworfen, durch Maximierung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR), die Einzelionendetektion für die deterministische Ionenimplantation zu ermöglichen, eine Schlüsseltechnik für Festkörper-basierte Quantentechnologien der Zukunft. Es wird gezeigt, dass eine Segmentierung und kryogene Kühlung des Detektors die SNR erheblich erhöht. Die Detektionsempfindlichkeit dieses Detektorprototyps beträgt 80 Elementarladungen für ein SNR von 2, für das eine falsch-positiv-Fehlerquote von 0,1 % zu erwarten ist.  

Ausstattung
  • Implanter mit Strahlfokussierung und Quelle für hochgeladene Ionen 
Einzelionenimplanter bestehend aus einem Focused Ion Beam (FIB)-System und einer Elektronenstrahl-Ionenquelle (EBIS) zur Erzeugung hochgeladener Ionen.
Einzelionenimplanter bestehend aus einem Focused Ion Beam (FIB)-System und einer Elektronenstrahl-Ionenquelle (EBIS) zur Erzeugung hochgeladener Ionen. Foto: Paul Räcke
Aufnahme der Lichtemission von NV-Zentren in Diamant mittels konfokaler Fluoreszenzmikroskopie. Die Bildung der NV-Zentren wurde durch lokale Einbringung von Defekten mittels eines fokussierten Ar8+-Ionenstrahles ermöglicht.
Konfokalmikroskopische Aufnahme der Lumineszenz von NV-Zentren nach Bestrahlung eines Diamanten mit 96 keV Ar8+-Ionen. Foto: Paul Räcke