[論文レビュー] Selective Defect Formation in Hexagonal Boron Nitride

Irfan Haider Abidi, Noah Mendelson+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、六方晶窒化ホウ素（hBN）の常圧化学気相成長（APCVD）過程において、選択的で決定的な方法で単一光子発光体（SPE）を形成するゲッタリング技術を提示している。この技術により、550–600 nm または 600–650 nm の2つの異なる波長領域において、調整可能なゼロフォノン線（ZPL）発光が実現される。銅基板を通じたホウ素の拡散を制御することにより、結晶性が向上し、欠际密度が低減され、hBNを用いた量子発光体のオンチップ光子回路へのスケーラブル統合が可能になる。

ABSTRACT

Luminescent defect-centers in hexagonal boron nitride (hBN) have emerged as a promising 2D-source of single photon emitters (SPEs) due to their high brightness and robust operation at room temperature. The ability to create such emitters with well-defined optical properties is a cornerstone towards their integration into on-chip photonic architectures. Here, we report an effective approach to fabricate hBN single photon emitters (SPEs) with desired emission properties in two isolated spectral regions via the manipulation of boron diffusion through copper during atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD)--a process we term gettering. Using the gettering technique we deterministically place the resulting zero-phonon line (ZPL) between the regions 550-600 nm or from 600-650 nm, paving the way for hBN SPEs with tailored emission properties across a broad spectral range. Our ability to control defect formation during hBN growth provides a simple and cost-effective means to improve the crystallinity of CVD hBN films, and lower defect density making it applicable to hBN growth for a wide range of applications. Our results are important to understand defect formation of quantum emitters in hBN and deploy them for scalable photonic technologies.

研究の動機と目的

• 六方晶窒化ホウ素（hBN）の化学気相成長過程における欠际形成の決定的制御を実現する方法を開発すること。
• 特定の波長領域に限定された、明確に定義され、波長を調整可能な発光を示す単一光子発光体（SPE）の創出を可能にすること。
• CVD法で成長させたhBN膜の結晶性を向上させ、欠际密度を低減することで、光エレクトロニクス性能を向上させること。
• hBNを用いた量子発光体をオンチップ光子回路にスケーラブルかつコスト効果的に統合するためのルートを提供すること。

提案手法

• 本手法は、hBN成長中にホウ素の拡散を制御するため、銅基板を用いた常圧化学気相成長（APCVD）を採用する。
• 過剰なホウ素を効果的に捕らえる「ゲッタリング」プロセスを用いることで、ホウ素の拡散を制御し、欠际の選択的形成を可能にする。
• 拡散ダイナミクスを調整することにより、ゼロフォノン線（ZPL）発光を550–600 nm または 600–650 nm のいずれかの波長領域に正確にチューニングできる。
• 成長過程中にプロセスを適用するため、標準的なCVDプロセスと互換性があり、デバイス統合に向けたスケーラビリティが確保される。
• 欠际形成はホウ素濃度勾配と関連しており、銅基板がホウ素の吸着源として機能することで制御される。
• 発光スペクトル測定を用いた実験的検証により、発光波長の制御が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 hBN成長過程におけるホウ素の拡散を制御することで、所望の発光波長を持つ単一光子発光体の選択的形成が可能になるか？
• RQ2 銅基板をホウ素ゲッタとして用いることで、CVD法で成長させたhBNにおける欠际形成と結晶性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 本手法を用いることで、hBN欠际のゼロフォノン線（ZPL）発光を、550–600 nm または 600–650 nm の特定の波長領域に決定的にチューニングできるか？
• RQ4 ゲッタリングプロセスは、hBN膜の結晶性をどの程度向上させ、欠际密度をどの程度低減するか？
• RQ5 本手法はスケーラブルであり、量子技術用途のオンチップ光子回路統合と互換性があるか？

主な発見

• ゲッタリング技術により、hBNにおけるゼロフォノン線（ZPL）発光を、550–600 nm または 600–650 nm の2つの独立した波長領域に決定的に配置可能となった。
• 銅基板を通じた制御されたホウ素拡散により、欠际密度が顕著に低減され、膜の結晶性が向上した。
• 本手法により、hBNにおける単一光子発光体の明るさと常温安定性が向上し、実用的な光子デバイス応用に適した状態が実現された。
• 本手法は標準的な常圧CVDプロセスと互換性があり、hBNを用いた量子発光体のスケーラブルかつコスト効果的なプロセスが可能になった。
• 発光スペクトル測定により、ターゲット波長領域内で再現性があり、波長を調整可能な発光特性を持つ欠际が実証された。
• 本手法により、特定の光学的特性を持つhBN単一光子発光体をオンチップ光子回路に統合するための道筋が提供された。