通过薄SiO2层增强硅中单离子注入的二次电子检测及其在量子器件制备中的应用

《Nano Letters》：Enhanced Secondary-Electron Detection of Single-Ion Implants in Silicon through Thin SiO2 Layers

本文报道了一种基于聚焦离子束（FIB）系统的非破坏性、高效率单离子植入事件检测方法。研究团队通过引入可控厚度的SiO2覆盖层，显著提升了锑（Sb）离子注入硅衬底时的二次电子（SE）产额，使单离子检测效率（DE）最高达到98±1%。该方法无需预制备器件结构或电学接触，为硅基量子器件（如基于V族掺杂剂的量子比特）中确定性掺杂剂定位提供了一条可扩展、高精度的技术路径。

　　

研究背景与意义

在纳米技术与量子技术领域，实现固体材料中单个原子的精确掺杂与激活是一项关键目标。尤其对于硅基量子器件而言，基于V族掺杂剂（如Sb）的自旋量子比特需要实现单个掺杂原子的确定性定位。传统离子注入过程本质上是随机的，即使理想条件下每个位点精确注入一个离子的概率也仅约37%。因此，发展能够实时检测单个离子注入事件的方法，是实现确定性掺杂的核心挑战。

现有检测方法的局限性

目前，单离子事件检测主要依赖离子束诱导电流（IBIC）测量，但该方法需要预制备器件结构和电接触，限制了通量和材料灵活性。二次电子（SE）检测作为一种非破坏性、无接触的替代方案，虽具潜力，但在低能重离子（如Sb）注入时，其信噪比和检测效率通常低于IBIC。

研究方法与创新点

本研究采用聚焦离子束（FIB）系统，以低能Sb离子（25 keV和50 keV）注入高阻硅衬底，并通过在硅表面引入原子层沉积（ALD）制备的薄SiO₂覆盖层（厚度2–10.4 nm）来增强SE产额。实验通过测量“空脉冲”概率（p₀）与离子通量（L）和脉冲时长（t）的关系，利用公式 p₀= e^–ηLt计算检测效率η。两个通道电子倍增器（CEM）以推挽式静电偏置配置收集二次粒子，确保高灵敏度检测。

关键实验结果

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  检测效率显著提升：对于50 keV Sb²⁺离子，在SiO₂覆盖层优化厚度下，η可达98±1%；25 keV Sb⁺的η最高为87%。效率提升归因于SiO₂中电子平均自由程较长，增加了SE逃逸概率。
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  最优覆盖层厚度：通过TRIM模拟计算离子在SiO₂/Si界面处的停留概率P_I(τ)，并结合η(τ)，得到总植入成功概率P_S(τ) = P_I(τ)η(τ)。结果表明，在SiO₂厚度为8.5–13.0 nm时，P_S接近最大值，且离子在氧化层中停留的概率低于0.3%。
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  横向定位精度保持：TRIM模拟显示，即使引入10 nm SiO₂覆盖层，Sb离子在硅中的横向位移标准差仅从3.9±5.0 nm（25 keV）略微减小至3.7±4.7 nm，表明覆盖层对掺杂剂的空间定位影响可忽略。

物理机制分析

SE产额γ与离子在材料表面的电子阻止本领S_e密切相关。根据Lindhard-Scharff模型，在低能区（v ? v_TF），S_e∝ vZ₁Z₂/(Z₁^2/3+ Z₂^2/3)^3/2。SiO₂相较于硅具有更长的电子平均自由程和更低的电子亲和能，尽管其带隙较大（约9 eV）会提高产生自由电子所需平均能量J，但综合效应仍使γ显著增加。

普适性与应用前景

研究还考察了多种离子物种（如Si、Ge、Sb、Bi）在不同能量下的DE，发现η随离子能量增加而上升，但随原子质量增加略有下降，与LS模型预测一致。该方法无需预制备器件，且SiO₂覆盖层可通过标准湿法刻蚀（如稀HF）去除，因此可扩展至其他半导体、金属或介电材料体系，为广谱量子器件架构中的确定性离子植入提供了通用技术平台。