CN1205113C - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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
技术领域
本发明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。本发明的另一方面确认了一种制造这种产品的方法。
背景技术
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。
发明内容
本发明是一种纳米级产品，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，本发明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(001)2×1表面：
(i)通过诸如使用安装在样本基座后面的电阻加热元件的间接加热，在约600℃下给样本除气6小时，
(ii)通过将直流电流直接通过样本，将样本快速加热到约1200℃并持续约1分钟，在此期间内，压力保持在低于10-10mbar范围，
(iii)将样本温度降低到约950℃，然后，从约950℃缓慢冷却到室温；
(b)在同样的超高真空环境下，用原子氢钝化样本表面，通过监测真空系统的总压力控制投配速率，以取得表面的氢端接，表面氢端接是一个每个氢原子键合到一个硅原子(单氢化物二聚物)的氢单层；
(c)在同样的超高真空环境下，通过向STM尖端施加大约1ms的短时间周期的高电压脉冲和隧道电流脉冲，利用STM尖端从钝化表面选择性地解吸单个H原子，以在氢层中形成一个图形；
(d)在同样的超高真空环境下，将表面暴露于磷化氢(PH3)分子，从而使磷化氢分子能够键合到表面中的暴露的图形。
这种方法专门形成了以硅量子计算机中受控的磷间隔在硅中制造磷原子的原子阵列的第一处理阶段。这种固态量子计算机可以使用磷原子核的电子自旋或原子核自旋(I＝1/2)作为镶嵌在同位素纯28Si(I＝0)的量子位。
氢解吸位置之间的距离小于20nm的要求量子位间隔，并且在长度大于100nm的行中，产生了一系列的单个解吸位置。
在又一个方面，本发明是一种涉及使用诸如磷原子核(I＝1/2)之类的施主原子的原子核自旋或电子自旋作为镶嵌在同位素纯28Si(I＝0)中的量子位的量子计算机，计算机包括：
一个Si(100)2×1基片，在基片中已经通过各自的氢单层的保护层中的窗口吸附了含磷分子之类的单个含施主分子，以建立一个阵列，其中窗口的尺寸是由解吸氢以仅允许一个磷化氢之类的含施主分子在该位置吸附到硅确定的。这些位置以任何希望的间隔相互隔离，例如，使这些位置上的相邻施主电子对的波函数重迭所需的间隔。
附图说明
下面参考附图说明本发明的一个示例，其中：
图1是Kane提出的硅基量子计算机的结构的示意图(已知技术)，示出了结合到具有由绝缘阻挡层隔离的表面金属门的同位素纯28Si的两个磷原子。
图2是制造图1中所示结构的McAlpine等的已知概念方法的示意图。使用一个STM尖端以原子分辨度选择性地解吸H，然后将PH3分子仅键合到这些位置，接下来将P原子密封在结晶硅封中，最后沉积一个绝缘阻挡层。
图3示出了一个清洁的、具有极低缺陷率的Si(001)2×1表面的STM图像。图3(a)是一个具有约为0.2°的误切角的相邻硅表面。这个表面具有由单原子台阶边缘隔离的5个平坦(001)平台区。这个图像是用-2.0V的试验偏压和0.2nA的设定值电流获得的。图3(b)是一个17×24nm2的完全没有缺陷的Si(001)2×1表面区。这个图像是用-1.0V的试验偏压和0.4nA的设定值电流获得的。
图4(a)是Si(001)表面上H的近单层覆盖区的图像。在表面上识别出了单氢化物、二氢化物和称为H:(3×1)相的这两个相的组合的位置，并且在图4(b-d)中示意地示出这个位置。图4(e)中所示的扫描隧道光谱给出了在与图3(b)中所示的清洁表面相比时的H端接表面的清楚的特征。
图5(a)是Si(001)2×1表面上PH3的c(4×2)结构的示意图，其中暗色的二聚物指示可能的PH3键合位置。图5(b)示出了投配了PH3的Si(001)2×1表面上的c(4×2)结构的STM图像，其中亮的突出部分对应于图1(a)中的暗区。这个图像是在-3.0V的试验偏压和0.2nA的隧道电流下获得的。图5(c)是单氢化物Si(001)2×1:H表面上的三个氢解吸位置的STM图像。从这个表面上除去氢暴露出硅不饱和键，从而使暴露的硅区在STM图像中呈现为亮的突起。(a)和(c)中的高亮度区比较了一个氢解吸位置相对于c(4×2)结构的尺寸，表示仅有一个磷化氢分子可以吸附在该位置。
图6示出了在磷化氢投配之前(a)和之后(b)的沿一个硅二聚物行的两个解吸位置的STM图像。对应的谱线轮廓(c和d)示出了在磷化氢吸附到暴露的不饱和键位置时的约为0.05nm的特征高度差。示出了在磷化氢投配之前(e)和之后(f)的这次是垂直于硅二聚物行方向的另外三个解吸位置，以及对应的谱线轮廓(g，h)。谱线轮廓再次突出了磷化氢分子吸附位置上的0.05nm的特征高度增加。所有的图像都是在-1.8V试验偏压和0.4nA的隧道电流下得到的。
图7是一个单个硅不饱和键(a)和在吸附的PH3离解后预期的Si-PH2结构(b)的示意图。这些模型是从表面向下看的模型，其中在中央的两个硅原子是表面原子，其它的原子是下表面的原子。
具体实施方式
在Kane提出的硅基量子计算机的结构中，两个P施主需要间隔约为20nm，以使相邻的施主电子波函数能够重迭。一个外延Si层封闭了P原子，并且一个绝缘阻挡层提供了P原子与门之间的电绝缘。可缩放装置设计需要在一个Si晶体内的精确位置上制造P原子阵列。本发明显示了制造这种阵列中的第一关键步骤。
已经利用STM尖端移动单个原子实现了金属表面上金属原子的原子级操作，但是，因为已知P牢固地键合于Si，这种技术对于移动Si表面上的P原子很成问题。因而，必须有一种替代的策略适合于制造图1中所示的装置。
图2概括地示出了这种替代制造策略的各个处理步骤。通过在超高真空(UHV)中加热到熔点附近，形成一个清洁的Si(001)2×1表面。与未重构表面的1×1晶胞相比，这种表面具有2×1晶胞，并且是由σ键合的Si二聚物的行构成的，每个Si上的剩余不饱和键形成一个弱π键。
将这个表面暴露于原子氢，可以断开弱Siπ键，以使H原子可以键合到Si不饱和键。在受控的条件下，可以通过使每个硅原子键合一个H原子形成一个H的单层，饱和了反应性不饱和键，有效地钝化了表面。
然后，用一个STM尖端通过施加适当的电压选择性地从钝化表面解吸H原子，在H保护层中形成一个图形。以这种方式，暴露出一个裸露的反应性Si区，以使随后的反应种类能够直接吸附到Si表面。
经过一个通向专门设计的磷化氢微量投配系统的控制漏泄阀，将磷化氢(PH3)气体引入到真空系统中。磷化氢分子通过氢保护层中的孔强键合到暴露的Si(001)2×1表面。随后的用于晶体生长的STM成图表面的加热移去H，并且把P结合到Si的第一层中。因而，正是由于将STM成图H钝化表面暴露于PH3，使得能够用于制造需要的P阵列。
在这种制造方案中遇到了许多问题。在以上概括的所有处理过程中，电荷和自旋杂质的引入很可能对量子计算机的操作产生致命的影响。需要制备在上面制造P阵列的大面积的无缺陷Si(001)2×1表面。也必须通过受控解吸，用H产生Si表面的完全覆盖层，从而使PH3仅吸附到希望的位置。以下对如何满足所有这些问题进行详细的说明。
低缺陷密度表面的制备
表面(001)是最稳定和熟知的硅表面，因而被选作用于Kane量子计算机制造的试图在其上设置原子级精度的磷阵列的最适合的候选表面。
此项工作中使用的系统是一个三室Omicron UHV可变温度(VT)STM多探针RM系统。对于表面钝化阶段，将一个原子氢源连接到一个由一个钨丝、水冷加热防热套和受控漏泄阀构成的分析室。经过一个受控UHV漏泄阀和双包容气体管线将磷化氢气体引入。
一个在同样真空环境内的独立室容纳了一个商用硅沉积槽。这种仪器允许全部在一种UHV环境下的表面制备、磷阵列设置和后续的硅覆盖生长。
从具有1-10Ωcm电阻率的商用磷掺杂n型硅晶片上切割下3.5×10nm2尺寸的硅样本，以在Omicron直接加热STM样本基座中使用。通过遵循包括以下步骤的标准热制备过程19，在UHV条件下制备样本表面：(i)通过利用一个安装在样本基座后面的电阻加热元件间接加热，在约600℃下给样本除气6小时。(ii)通过将DC电流直接通过样本，使样本快速加热到约1200℃，持续约1分钟。这一步骤从表面除去了原有的氧化物层，并且使表面硅原子成为可移动的。(iii)将样本温度降低到约950℃，然后从约950℃缓慢冷却到室温。如前面报告的那样20，发现表面缺陷密度强烈依赖于最终的冷却速率。用一个红外高温计在这个全过程中监测样本的温度。在初始的除气之后，真空室中的压力保持在低于10-10mbar的范围(包括在快速加热到1200℃的过程中)。
图3(a)示出了一个根据上述过程制备的低缺陷密度Si(001)2×1表面的典型STM图像，其中可以看到五个单原子台阶。存在这些台阶的原因是由于表面平面相对于(001)结晶定向的轻微取向误差。图3(a)中所示表面的这种取向误差的角度是约0.2°，这样台阶之间的平均间隔为约400。没有可能制造出完全无缺陷表面20，但是，图3(a)中所示的表面的缺陷密度接近1％，这符合文献(例如，参考文献20)中报告的最低缺陷密度表面。图3(b)示出了一个更高分辨率的图像，其中可以分辨出单个表面二聚物，并且突出了一个完全没有缺陷的17×24nm2面积的表面。这个图像是用负的试验偏压获得的，因而是一个由于来自二聚物的π键的隧道效应而使二聚物表现为通常的豆形突起的封入状态图像21。
氢保护层
制造过程的下一阶段是用氢钝化Si(001)2×1表面。为了进行这一过程，使用一个原子氢源(AHS)。将AHS丝加热到1500℃，并且将99.999％纯度的分子氢源通过AHS，经过一个受控漏泄阀进入到UHV室。AHS将相当大一部分分子氢转变成原子氢，并且原子氢随后与样本表面反应，形成钝化层。通过监测总真空压力控制投配速率。引入到室内的气体纯度是利用一个质谱仪监测的。
由于硅二聚物π键的非常弱的性质，Si(001)2×1表面是极具反应性的。撞击到Si(001)2×1表面上的氢原子使弱二聚物π键断开22，产生了氢原于可以吸附的两个反应表面位置。仅吸附了一个H原子的二聚物叫做半氢化物二聚物。没有端接氢的二聚物的硅原子剩下了一个第二氢原子可以吸附的不饱和键。已经用两个氢原子完全钝化的硅二聚物叫做单氢化物二聚物。
进行了数次试验来确定最佳氢投配条件，以获得均匀的单氢化物层。图4是一个钝化表面的例子，其中将样本在10-7mbar的室压下，用300-400℃的样本温度投配半小时。在投配期间，将样本表面直接定位在AHS UHV入口前面的约10cm的距离上。在图4(a)中示出了在300-400℃之间投配一个样本的结果。在这个特定的试验中，故意地允许过多的氢进入室内，以便也形成二氢化物和单氢化物与二氢化物两相的混合物(称为(3×1):H相)的区。图4(b-d)示出了单氢化物(b)、二氢化物(c)和(3×1):H相(d)之间的差别。图4显示了能够可控地用氢投配Si(001)表面，并识别出产生的表面种类，从而能够系统地获得一个均匀的单氢化物层。但是，为了进一步显示我们能够表征清洁和氢化的表面，进行了多次扫描隧道光谱(STS)试验22。把STM尖端保持在离开表面的一个固定位置和距离(通过脱离STM尖端反馈机构)，并且将偏压从-2V移动到2V，同时测量隧道电流。图4(e)示出了清洁的和端接氢的表面的这些STS试验的结果。清洁表面光谱显示了π键合和π*反键峰值。端接氢表面的光谱显示了一个与硅的形态体积密度相关的宽阔的肩部，和一个明显的Si-H反键峰值。这两种结果都与以前的研究22相符。
氢光刻
在Si表面上形成了H单层之后，接下来的步骤是要利用STM尖端选择性地在H保护层中形成解吸区。这将暴露出用于P原子的受控放置的Si表面区。
完成原子分辨度解吸对STM尖端提出了严格的要求。可以通过向STM施加大的偏压完成受控解吸，但是，也可能在成像的同时解吸氢，从而暴露出不打算暴露的表面区。我们显示了我们已经克服了这种障碍，以在一个适合于Kane量子计算机制造的阵列中可控和重复地解吸氢。
为了完成原子分辨度解吸6，需要一个具有大锥角的十分尖锐的钨尖端24。为了满足这些要求，我们使用了一种商用尖端蚀刻设备(Omicron W-Tek半自动尖端蚀刻系统)。将约2nm长度的w线(直径＝0.38mm)插入到NaOH溶液中的一个不锈钢阴极环中。在两个电极之间施加的约5-10V的电压产生了优先在溶液表面进行的电化学反应。在约10分钟内，W线蚀刻完成，留下一个小半径的尖端。在氢氟酸中的2分钟的蚀刻除去任何氧化物层。在光学显微镜下检查尖端，以评价几何形状，如果满意，将其在30分钟内装载到UHV系统，以防止氧化物的形成。也可以使用诸如PtIr之类的其它尖端材料，并且要进行类似的制备考虑。
通过在尖端与样本之间施加受控电压脉冲，利用STM尖端从表面解吸氢6-17。仔细地最优化钨尖端的几何形状和受控电压脉冲(施加约6V试验偏压和约1nA隧道电流约1ms)，使得原子分辨度解吸成为可能。
为了允许一个磷化氢分子和因而仅有一个磷原子的吸附，需要如图5a中所示的，解吸一个暴露出小于或等于两个硅二聚物的面积。这是由于如我们已经用磷化氢投配了一个清洁Si(001)2×1表面的图5b中所示，磷化氢以c(4×2)表面周期性键合到Si(001)2×1表面25。图5c中的STM图像示出了一个氢端接Si(001)2×1表面上的一行中的约4nm间隔的三个直径小于1nm的氢解吸位置。这个图像以这种位置之间的紧密间隔突出地显示了取得的原子分辨度解吸。可以容易地将位置之间的距离增大到需要的20nm的量子位间隔，并且我们已经进行了在一个大于100nm长度的行中的单解吸位置的受控光刻。图5c中的解吸位置显示为光亮的突起，这是由于暴露的硅不饱和键的硅二聚物表面状态，电子密度延伸到表面之外的结果6-11。图5显示了这些解吸位置足够小，从而在每个位置仅允许一个磷化氢分子键合到表面。
磷阵列
接下来的步骤是要制造P阵列。在STM光刻以暴露小区域的Si(001)2×1表面之后，通过受控漏泄阀允许磷化氢气体进入室内，从而将单个含磷分子吸附到暴露的硅表面上。
为了获得高纯度磷化氢气体输送，PH3微投配系统及其对UHV STM的连接，使用了在无尘室环境中组装的内部电抛光的气体管线。在10-8mbar压力下的暴露期间，在室中取得的质谱没有显示出任何其它种类的分压的显著增大。磷化氢在清洁硅表面上的粘附系数是1(参考文献26)。
图6a和6b示出了在暴露于磷化氢气体之前和之后的，一个二聚物行上的约1.5nm间隔的两个氢解吸位置的原子分辨度图像。通过在磷化氢投配之后，除了前面解吸了氢的位置之外的均匀氢覆盖层显示了氢保护层作为磷化氢吸附的阻挡层的有效性。为了观察磷化氢暴露之后的任何变化，我们专门地选择了单个的氢解吸位置，而不是更大的解吸位置(如图5中所示)，并且提供了其中位置之间的间隔很小的高分辨度图像。这里，图6a中的每个解吸位置上的亮的突起是在从二聚物左侧开始的情况下，仅解吸了一个氢原子之后单个硅不饱和键的表现特征。在硅二聚物上剩余氢已知是瞬变的27，我们已经观察到，在一段时间后它从二聚物的一侧扩散到另一侧。
图6b示出了在室温下暴露于磷化氢气体之后的图6a的相同区域。图6c和6d中的谱线轮廓的分析显示了在磷化氢投配之后的突起高度上的约0.05nm的特征性的增大。由于STM尖端进一步延伸到二聚物行之间的间隙中导致的扫描之间的成像条件的微小变化，这种差异可以经常发生。但是由于PH3吸附的高度差是从二聚物行的顶端至突起的顶端测量的，因而并不受此影响。
图6e和6f示出了在磷化氢投配之前和之后的，垂直于二聚物行的直线上的三个解吸位置。相关的谱线轮廓(图6g和6h)也显示了约0.05nm的高度增大。在观察了数个图像上的所有吸附位置之后，相对于磷化氢投配之前和之后的相同表面上的原子台阶边缘(未示出)校准这个增大。这种可重现增大证实了一个PH3分子的吸附，并且对应于暴露的硅不饱和键与吸附的磷化氢之间的差。硅二聚物上的氢原子的瞬变性质可以归结于一个磷化氢分子已经键合到二聚物中左面的硅(上面)和另一个磷化氢分子键合到二聚物中的右面的硅(下面)的最终图像的不对称性。
磷化氢与清洁Si(001)2×1表面的相互作用的研究25，26，28指出，PH3分子地吸附到一个硅二聚物的一端，然后可以离解成PH2，只要附近有硅不饱和键可用于离解的H的再吸附。氢端接表面上缺乏可用的不饱和键位置可以抑制这个离解步骤。图7a示出了在磷化氢投配之前的一个氢端接表面上的一个单一不饱和键位置的示意图，图7b示出了吸附的PH3的离解之后的建议的Si-PH2结构。在这种构造中，在PH2键合到二聚物一端的情况下，吸附的磷原子保持四面体几何构造和三重配位作用。可以理解在Si(001)2×1表面上的NH3 29和AsH3 30的吸附中发生类似的离解过程和Si-XH2构造，其中氮和砷都是与磷等电子的。
上述结果是重要的，因为我们首次显示了氢保护层作为磷化氢吸附的阻挡层有效性，并且将这种技术用于在硅表面上放置单个含磷分子——这是硅基量子计算机构造中的一个中心步骤。这种显示为小间隔受控掺杂的方法，显示了可以在更大的面积上取得更宽间隔的(约20nm)、精确定位的磷量子位阵列。这种制造方法也可以用于其它可以利用排序的原子或掺杂阵列的微型或纳米级器件的制造。
并不是本发明主题的最后制造步骤是要以磷阵列的最小扩散将含磷分子密封到硅晶格中。尽管已知得到的氢端接表面与通过分子束外延(MBE)的硅的后续生长兼容31，32，但是没有报道过硅中的原子放置的掺杂的密封。
最后，要特别指出，这里所示的制造策略也可以直接应用于其它硅基量子计算机结构16。
这里插入了在上面的文本中通篇引用的多种参考文献，以作为参考：
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熟悉本领域的人员应当知道，可以对特定实施例中所示的本发明进行许多改变和/或修改，而不脱离概括说明的本发明的精神和范围。因此，应当认为所提供的实施例是一种说明，而不是限制。

Claims (4)

1.一种纳米级产品，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℃，然后从950℃缓慢冷却到室温；
(b)在相同的超高真空环境中，用原子氢钝化样本表面，投配速率通过监测真空系统的总压力控制，以得到是氢单层的表面的氢端接；
(c)在相同的超高真空环境中，利用一个STM尖端，通过向尖端施加1ms的短时间周期的高电压脉冲和隧道电流脉冲，从钝化表面有选择地解吸单个H原子，以在氢层中形成一个图形；和
(d)在相同的超高真空环境中，将表面暴露于磷化氢分子，以使磷化氢分子能够键合到表面上暴露的图形。
4.一种包含利用施主原子的原子核自旋或电子自旋作为镶嵌在同位素纯28Si，I＝0中的量子位的量子计算机，该计算机包括：
一个在其中通过一个是氢单层的保护层中的各自窗口吸附了单个含施主分子以产生一个阵列的Si(001)2×1基片，其中每个窗口的尺寸是通过氢的解吸以仅允许在该位置的硅上吸附一个含施主分子而确定的，其中这些位置通过一种间隔相互隔离，以便使相邻施主电子对的波函数能够重迭。
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