[論文レビュー] Femtosecond laser induced creation of G and W-centers in silicon-on-insulator substrates

Hugo Quard, Mario Khoury+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2023

Silicon Nanostructures and PhotoluminescenceMaterials Science参考文献 50被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、フェムト秒レーザー焼入れを用いて、シリコンオンインソレーター（SOI）基板において、W-およびG-センター（シリコンベースの量子発光体）を決定的かつオンデマンドで作成することを示した。この手法は、従来のイオン implantation 法と同等の欠际品質を達成し、炭素イオン注入を必要とせず、G-センターを選択的に消去可能であり、低温焼入れによってW-センター発光を強化できる。これにより、正確で局所的かつ低コストな量子発光体の作製が可能となる。

ABSTRACT

The creation of fluorescent defects in silicon is a key stepping stone towards assuring the integration perspectives of quantum photonic devices into existing technologies. Here we demonstrate the creation, by femtosecond laser annealing, of W and G-centers in commercial silicon on insulator (SOI) previously implanted with 12C+ ions. Their quality is comparable to that found for the same emitters obtained with conventional implant processes; as quantified by the photoluminescence radiative lifetime, the broadening of their zero-phonon line (ZPL) and the evolution of these quantities with temperature. In addition to this, we show that both defects can be created without carbon implantation and that we can erase the G-centers by annealing while enhancing the W-centers' emission. These demonstrations are relevant to the deterministic and operando generation of quantum emitters in silicon.

研究の動機と目的

• 既存のフォトニクスおよびエレクトロニクス統合プラットフォームと互換性を持つ、SOI基板におけるシリコンベース量子発光体を決定的かつ低コストで作成する方法の開発。
• フェムト秒レーザー焼入れが、従来のイオン注入法と同等の光学的特性を示すW-およびG-センターを生成できることの実証。
• SOI基板におけるG-およびW-センター形成に、炭素イオン注入が必要かどうかの調査。
• 照射後の熱処理により、G-センターの選択的消去とW-センター発光の強化が可能かどうかの検討。

提案手法

• 1030 nm、<200 fs、1 kHz繰り返し周波数のフェムト秒レーザー脈動を、750 mmのプラナコンベックスレンズを用いてSOIウェーハに集光し、局所的熱焼入れを誘発した。
• 95–218 µJのエネルギーで1–5パルスを照射し、220 nmの上部シリコン層に欠际を生成した。
• 2種類のSOI基板を用いた：1つは34 keVで1×10¹²および1×10¹³ cm⁻²の12C+イオンを注入した基板、もう1つは残留炭素を有する純粋なSOI基板。
• 照射後、125 °Cで5分間の焼入れを施し、欠际の進化およびG-センターの選択的消去を調査した。
• 405 nmの連続波（CW）励起レーザーとInGaAs検出器（900–1600 nm）を備えた分光計を用いて、12 Kでフォトルミネッセンス（PL）測定を実施した。
• 時間分解PLおよび温度依存PLを用いて、放射的寿命、ゼロフォノン線（ZPL）の広がり、ZPLの熱的赤シフトを分析した。

Figure 1: (a) Schematic representation of the laser irradiation process used to create G and W-centers. (b) Optical microscope image of an area irradiated with 3 pulses having an energy of 218 $\mu$ J. (c) Comparison of the PL spectra at 12K of an area not irradiated by laser pulses and an area irra

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザー焼入れを用いて、標準的なイオン注入法と同等の光学的特性を示すW-およびG-センターをSOI基板に作成可能かどうか。
• RQ2 このレーザー処理法を用いたSOI基板におけるG-およびW-センター形成に、炭素イオン注入が必要かどうか。
• RQ3 低温焼入れにより、G-センターを選択的に消去し、W-センター発光を強化できるかどうか。
• RQ4 このレーザープロセスが、決定的かつオンデマンドで空間的に局在化した量子発光体の作成を可能にするかどうか。

主な発見

• フェムト秒レーザー焼入れで作成されたW-およびG-センターのフォトリュミネッセンス放射的寿命、ZPLの広がり、温度依存ZPLシフトは、従来の方法で作製された欠际と文献で報告された値と同等であった。
• 炭素イオン注入を一切行わない純粋なSOI基板においても、G-およびW-センターが正常に生成された。これは、ウェーハに存在する残留炭素が欠际形成に十分であることを示している。
• イオン注入を行わないサンプルのG-センターのZPLは、広いラインおよびブルーシフトを示しており、内部応力が低く、欠际密度も低いことと整合的であった。
• 低温焼入れ（125 °C、5分）により、G-センターが選択的に消去された一方で、W-センターのPL発光強度がわずかに増加した。これは、先行研究の予想とは反対の結果であった。
• 欠际生成の空間的局在性は、レーザー光ビーム径（約178 µm）と一致しており、局所的かつおそらく単一欠际のエンジニアリングが可能であることを示した。
• 本手法により、イオン注入を不要とし、決定的かつオンデマンドで、面積制限されたW-センターの作成が可能となり、量子フォトニクス統合のためのスケーラブルでコスト効率の高い代替手法が得られた。

Figure 2: All the spectra were measured at 12 K with excitation by a laser diode at 405 nm. (a) Macro-PL spectra obtained for samples irradiated by 3 laser pulses with an energy of 218 $\mu$ J. Each sample is differentiated by the dose of implanted carbon $D_{C}$ . The inset represents the normalize