[論文レビュー] Single G centers in silicon fabricated by co-implantation with carbon and proton

Yoann Baron, Alrik Durand+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2022

Semiconductor materials and devices参考文献 23被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、炭素と陽子の共イオン注入を用いて、再現性のある方法でシリコン中に孤立したG中心を形成することを示した。面積密度は最低で約0.2 µm⁻²にまで低下した。1279 nm（通信帯Oバンド）での単一光子放出は、光子反ぶつかり測定により確認され、量子フォトニクスおよび通信に向けた単一の人工原子のスケーラブルなルートを確立した。

ABSTRACT

We report the fabrication of G centers in silicon with an areal density compatible with single photon emission at optical telecommunication wavelengths. Our sample is made from a silicon-on-insulator wafer which is locally implanted with carbon ions and protons at various fluences. Decreasing the implantation fluences enables to gradually switch from large ensembles to isolated single defects, reaching areal densities of G centers down to $\sim$0.2 $\mu$m$^{-2}$. Single defect creation is demonstrated by photon antibunching in intensity-correlation experiments, thus establishing our approach as a reproducible procedure for generating single artificial atoms in silicon for quantum technologies.

研究の動機と目的

• シリコン内に光学的に活性な色中心を個別に作成するスケーラブルで再現性のある方法を開発すること。
• シリコン系欠陥を用いて通信帯域（1279 nm）での単一光子放出を達成すること。
• 単一欠陥をフォトニクス回路に決定的に統合し、量子統合フォトニクスに応用可能とする。
• G中心が、アニール処理や本質的欠陥ではなく、炭素と陽子の共イオン注入によってのみ形成されることを証明すること。
• イオン注入量の調整により、高密度集団から孤立欠陥まで密度を制御可能にするスケーリングを確立すること。

提案手法

• 28Siオンインシュレータ（SOI）ウェーハに、8 keVの炭素イオンと6 keVの陽子を、7×7グリッドパターンの20×200 µm²の開口部を介して共イオン注入する。
• 局所的イオン注入を実現するためのミカマスクを用い、49の異なる線量組み合わせを形成する。
• N₂雰囲気下で1000 °Cで20秒間フラッシュアニールを行い、イオン注入損傷を修復し、欠陥を活性化する。
• 532 nmの連続波励起を用い、30 Kで空間分解能のある光励起分光法（PL）を実施し、超伝導単一光子検出器を用いる。
• 強度相関測定（光子反ぶつかり）により、孤立G中心からの単一欠陥発光を確認する。
• 炭素および陽子のイオン注入量（0.3～300×10¹¹ cm⁻²）を系統的に変化させ、欠陥密度を調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン注入量の制御により、シリコン中に面積密度を単一欠陥レベルまで低下させた孤立G中心を再現可能に作製できるか？
• RQ2 G中心の1279 nm発光は、欠陥密度が変化しても安定的かつ再現可能か？
• RQ3 集団状態から単一欠陥状態に移行しても、G中心の光学的性質は変化しないか？
• RQ4 G中心の形成は、共イオン注入以外の要因（アニール処理や本質的欠陥）による寄与なしに、完全に共イオン注入に起因するか？
• RQ5 この手法は、統合フォトニクス回路に適合する単一光子発光体をスケーラブルに生産可能か？

主な発見

• イオン注入量を低減させることで、G中心の面積密度を約0.2 µm⁻²まで低下させ、単一欠陥動作を可能にした。
• 強度相関実験で光子反ぶつかりが観測され、孤立G中心からの単一光子放出が確認された。
• 1279 nmのゼロフォノンライン（ZPL）は、すべての密度で保持され、一貫した光学的性質を示した。
• 未処理またはフラッシュアニール処理を施したサンプルでは、本質的なG中心発光は観測されず、G中心が共イオン注入に起因してのみ形成されることを裏付けた。
• 単一G中心のPLスペクトルは、高密度集団と一致しており、同一の欠陥構造と光学的応答を有することを確認した。
• 本手法により、通信帯域発光を示すシリコン内に決定的に単一の人工原子を形成可能であり、量子通信および統合フォトニクスに適していることが示された。