Способ получения кремния с изотопическим составом Si, Si Российский патент 2018 года по МПК C30B31/20 C03B29/06 H01L21/261 H01L21/263 

Изобретение относится к технологии трансмутационного легирования полупроводниковых материалов, в частности к получению кремния с определенным изотопическим составом, который может быть использован для создания квантовых битов информации на ядерных спинах атомов фосфора, полученных трансмутацией отдельных атомов такого кремния. Такие квантовые биты можно использовать при комнатной температуре и время релаксации спина атома составляет более получаса, что делает их очень хорошими кандидатами на роль квантовой памяти для квантового компьютера.

Для трансмутационного легирования уже готового монокристаллического кремния, выращенного методом Чохральского, с содержанием изотопов (³⁰Si - 2%, ²⁹Si - 5%, ²⁸Si - 92%) используются потоки нейтронов в камере реактора. Разница будет заключаться только в равномерности потока, движении подложки в камере, количестве доз облучения и величине облучаемой энергии.

В патенте РФ 2193610 для изменения электрофизических параметров используют изменение во времени потока нейтронов в камере реактора. Такой способ также не позволяет получать определенный изотопический состав атомов кремния, к тому же для равномерного облучения необходимо дополнительное передвижение слитка кремния по камере реактора.

В статье (Room-TemperatureQuantumBitStorageExceeding 39 MinutesUsingIonizedDonorsinSilicon-28 DOI: 10.1126/science.1239584) для получения квантовых битов информации использовали кремний, состоящий из изотопов ³⁰Si. Данный кремний был получен при помощи масс-сепаратора, разделяющего изотопы по весу. Но такая технология очень дорого стоит для промышленного использования. Предложенный нами способ проще в изготовлении и при этом дает схожие результаты.

Известен патент США 4119441. В нем трансмутационно легируют кремний атомами фосфора для изменения удельного профиля сопротивления в веществе. Он основан на переходе . Но данный способ не позволяет управлять изотопическим составом вещества, он лишь частично переводит одни изотопы в другие.

Задача изобретения заключается в получении кремния с определенным изотопическим составом, на основе которого можно получать квантовые биты информации на атомных спинах фосфора, полученные путем трансмутационного легирования исходных атомов кремния.

В основу изобретения положена задача создания кремния, состоящего преимущественно из изотопов ²⁸Si и ³⁰Si, которые имеют нулевой ядерный спин, сам по себе кремний содержит порядка 93% изотопов ²⁸Si (Spin=0), 5% изотопа ²⁹Si (Spin=1/2), 2% изотопа ³⁰Si (Spin=0).

Сущность изобретения состоит в последующем друг за другом облучении кремния тепловыми нейтронами с энергией от 8.5 до 16.9 MeV. Этого можно достичь, используя генератор Pu-(alpha)-Be, который обладает определенным спектром по энергии излучаемых нейтронов, схожим для выполнения поставленной задачи. К тому же им можно более равномерно облучить слиток кремния, чем в камере реактора, в котором для этого его приходится передвигать по всей камере и вращать. С его помощью можно снизить количество изотопов ²⁹Si путем трансмутации их в ³⁰Si.

При захвате изотопом ²⁹Si нейтрона с энергией 8.5 MeV и выше происходит трансмутация . Для трансмутации минимальная пороговая энергия нейтронов должна равняться 10.6 MeV. При энергии выше 16.9 MeV будет протекать нежелательная для нас реакция перехода , при которой будут появляться из основной массы вещества, создающие шум изотопы.

Изотоп кремния ²⁹Si имеет ненулевой спин ядра, который оказывает шумовое воздействие на ядерные спины фосфора, уменьшая их время релаксации. Одновременно с этим будет проходить легирование атомами фосфора , таким образом можно избавиться от шумовых изотопов и увеличить количество изотопов, пригодных для трансмутации их в фосфор. Превращения в этом случае не будет.

Создание квантовых битов в кремнии основывается на трансмутации отдельных изотопов кремния, при этом неконтролируемо меняется и количество других изотопов в кремнии относительно друг друга. В данном патенте предлагается не просто изменить пропорциональное соотношение изотопов в веществе, а полностью трасмутировать отдельные атомы конкретного типа изотопа в другой изотоп для получения преимуществ в использовании данного вещества для квантовых вычислений.

Использование такого кремния позволит увеличить время релаксации спинов атомов фосфора с нескольких миллисекунд при температуре 4К до нескольких часов при температуре 4К, или до 40 минут при комнатной температуре. Этого времени более чем достаточно для использования подобных квантовых битов для вычислений, при этом открывается возможность использования в лабораториях, не оборудованных охлаждающими установками.

После получения нужного кремния, легированного фосфором путем трансмутационного легирования и отжига образовавшихся вакансий, можно приступать к квантовым вычислениям на квантовых битах (спинах атомов фосфора). Благодаря эффекту спинового эха можно следить за состоянием спина ядра фосфора(направлением спина), а с помощью электромагнитного импульса осуществлять изменение состояний спина. Направления спина ядра фосфора по направлению поля может обозначать логический ноль, а против - логическую единицу.

Источники информации

1. Патент РФ 2193610.

2. Room-Temperature Quantum Bit Storage Exceeding 39 Minutes Using Ionized Donors in Silicon-28 DOI: 10.1126/science.1239584.

3. Патент US 411944.

Изобретение относится к технологии трансмутационного легирования полупроводниковых материалов, в частности к получению кремния с определенным изотопическим составом, который может быть использован для создания квантовых битов информации на ядерных спинах атомов фосфора, полученных трансмутацией отдельных атомов такого кремния. Для этого монокристалл кремния облучается тепловыми нейтронами. После облучения кремний будет состоять только из изотопов ²⁸Si, ³⁰Si и фосфора ³¹Р. Использование такого кремния позволит увеличить время релаксации спинов атомов фосфора с нескольких миллисекунд до нескольких часов при температуре 4К, или до 40 минут при комнатной температуре. Этого времени более чем достаточно для использования подобных квантовых битов для вычислений, при этом открывается возможность использования в лабораториях, не оборудованных охлаждающими установками.

Способ получения кремния с определенным изотопическим составом ²⁸Si, ³⁰Si путем нейтронного трансмутационного легирования, отличающийся тем, что облучение кремния проводят нейтронами с энергией от 8,5 до 16,9 MeV.