前言

传统的半导体器件如今只能制造出几纳米的尺寸，但是获得原子级的清晰掺杂分布仍然是一个挑战。会受到掺杂密度的限制，以及掺杂剂从引线到沟道的不希望的扩散，影响器件的电阻和可变性。另一方面，单一掺杂剂可以用作人工原子，嵌入近乎完美的晶体半导体中，可以产生量子位和电荷泵。抗氢光刻技术与扫描隧道显微镜(STM)相结合，可以实现原子级清晰的掺杂剂轮廓和单一掺杂剂器件的确定性图案化。用一元化合物对洁净的硅(001)表面进行氢钝化，可以强烈地抑制了表面反应性。在超高真空下，用扫描隧道显微镜的尖端局部去除抗氢层，在硅表面产生反应位点(悬空键)。在这些图案化区域中，气相掺杂剂前体如磷化氢或乙硼烷可以通过短时间退火附着并结合到替代硅位置，随后用硅过度生长。因此，氢抗蚀剂光刻可以在主体硅晶体中产生原子级精确的平面掺杂器件。对于磷化氢来说，这种工艺已经很好地建立起来，并且低温器件制造是可能的，而掺杂剂结构没有明显的模糊。然而，迄今为止还没有利用这种技术来探索δ掺杂的p型器件。受体结构的纳米级图案化对于使用这种STM制造方法的p型场效应晶体管的发展是至关重要的，对于双极平面掺杂器件的制造，以及利用受体自旋状态的电场可调谐性进行自旋操纵的能力也是至关重要的。

研究内容

IBM的研究人员报道了用乙硼烷(B2H6)作为掺杂剂前体的气相δ掺杂的STM制造的受体器件。为了实现使用乙硼烷作为气相掺杂剂的基于STM的掺杂剂器件制造，需要满足许多基本要求。乙硼烷δ层的表征表明，磷化氢可以获得类似的迁移率和密度。通过5.5纳米宽的p型掺杂剂纳米线的扫描隧道显微镜成像和传输测量，给出了p型掺杂剂分布的光刻分辨率的估计上限2纳米。通过将p型掺杂方法与现有的基于磷化氢的n型掺杂相结合，他们制作了一个100纳米宽的p-n结，并表明其电学行为类似于Esaki二极管。

实验方法

首先，需要确定乙硼烷与硅表面反应的条件:暴露于乙硼烷气体的硅表面必须被掺杂剂前体分子饱和，同时避免以载气形式存在的氢的无意钝化。第二，氢钝化的硅表面应该防止与乙硼烷的表面反应，导致氢抗蚀剂所需的选择性受到影响。最后，重要的是确认在硅外延期间，硼δ层可以被外延硅过度生长，而硼原子不会分离到表面。因此，首先研究这些条件的有效性，然后探索掺硼δ层的电输运性质及其对乙硼烷剂量和活化温度的依赖性。然后，这些结果被用来演示基于STM的器件制造以及p型纳米线和双极p-n结的产生。

乙硼烷在硅(001)和氢:硅(001)表面的吸附和表面反应

掺硼δ层的样品制备和SIMS测量。

硼δ层的传输特性。

用STM光刻制作双极掺杂器件。

结论

研究表明，用扫描隧道显微镜的尖端进行氢抗蚀光刻可以用来制造p型纳米结构，其指示分辨率优于2纳米。为了说明这种方法的能力，他们制作了一条5.5纳米宽的p型掺杂剂纳米线。通过将p型掺杂与现有的n型掺杂相结合，他们还制造了一个双极掺杂器件——一个100纳米宽的p-n结，其行为类似于Esaki二极管。该方法可用于制造各种更复杂的p型和双极纳米级掺杂器件。

Škereň, T., Köster, S.A., Douhard, B. et al. Bipolar device fabrication using a scanning tunnelling microscope. Nat Electron 3, 524–530 (2020). https://doi.org/10.1038/s41928-020-0445-5。