[論文レビュー] Wafer-scale nanofabrication of telecom single-photon emitters in silicon

M. Hollenbach, N. Klingner+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、焦点を当てたイオンビーム（FIB）イオンインプリンティングを用いて、シリコンにおいて通信帯域の単一光子発光体（GおよびWセンター）をウェーファースケールで決定的かつ再現可能に作製する初の報告である。1スポットあたりの成功率は50%以上を達成した。さらに、CMOS技術と互換性を持つスケーラブルな広角ビームインプリンティングプロトコルを導入し、モノリシックに統合された量子フォトニクス集積回路（PIC）におけるナノスケールでの正確な単一光子発光体の配置を可能にした。

ABSTRACT

A highly promising route to scale millions of qubits is to use quantum photonic integrated circuits (PICs), where deterministic photon sources, reconfigurable optical elements, and single-photon detectors are monolithically integrated on the same silicon chip. The isolation of single-photon emitters, such as the G centers and W centers, in the optical telecommunication O-band, has recently been realized in silicon. In all previous cases, however, single-photon emitters were created uncontrollably in random locations, preventing their scalability. Here, we report the controllable fabrication of single G and W centers in silicon wafers using focused ion beams (FIB) with a probability exceeding 50%. We also implement a scalable, broad-beam implantation protocol compatible with the complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology to fabricate single telecom emitters at desired positions on the nanoscale. Our findings unlock a clear and easily exploitable pathway for industrial-scale photonic quantum processors with technology nodes below 100 nm.

研究の動機と目的

• 大規模な量子フォトニクス集積回路（PIC）の開発を阻害する、シリコンにおける制御可能でスケーラブルな単一光子発光体の作製法の欠如を克服すること。
• シリコンウェーファー上に所望のナノスケール位置にGおよびWセンターの単一光子発光体を決定的に配置し、オンチップ統合を可能にすること。
• 後処理焼鈍しを要しない、CMOSと互換性を持つ広角ビームインプリンティングプロトコルを開発し、正確な発光体配置を実現すること。
• 狭帯域のゼロフォノンラインと低いスペクトル拡散を実現し、量子応用に適した同一性の高い光子放出を達成すること。

提案手法

• 10–15 μm間隔で、可変なドウェルタイムを用いてSi²⁺イオン（40 keV、1–2.5 pA）を焦点を当てたイオンビーム（FIB）でインプリンティングし、1スポットあたりのイオン線量を制御することで、GおよびWセンターのナノスケールでの配置を可能にした。
• 広角ビームインプリンティング用に、電子線リソグラフィ（EBL）でナノホールアレイ（30–400 nm直径）を定義したPMMAレジストマスクを用い、開口部を通じみだけで選択的インプリンティングを実現した。
• イオンチャネリングを抑制し、意図しない欠陥の生成を防ぐために、広角ビームインプリンティング時に7°のチルト角を適用した。
• SRIMシミュレーションを用いて、インプリンティング深さ（40 keV Si²⁺イオンの場合Rp ≈ 60 nm）を予測し、SOIウェーファーのアクティブなシリコン層へのインプリンティングを保証した。
• 後処理熱処理を要しない、インシチューアンナリングをFIBインプリンティング中に実施し、生成された色中心を安定化させた。
• 1278 nmのZPLフィルターを備えた共焦点フォトルミネッセンス（PL）顕微鏡を用いて、単一Gセンター発光を検出・マッピングし、2次自己相関関数（g²(τ)）を用いて単一光子性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FIBインプリンティングを用いて、ナノスケールでシリコンウェーファー上に決定的空間制御が可能な単一光子発光体（GおよびWセンター）を実現できるか？
• RQ2 1 FIBスポットあたりのGおよびWセンターの生成成功確率は何か？50%以上に最適化可能か？
• RQ3 後処理焼鈍しを要しない、スケーラブルでCMOSと互換性を持つ広角ビームインプリンティングプロトコルを開発できるか？そのプロトコルにより、マスクで定義された正確な発光体配置が可能か？
• RQ4 作製された発光体は狭帯域のゼロフォノンラインと低いスペクトル拡散を示し、量子応用に適した同一性の高い光子放出を可能にするか？
• RQ5 標準的なシリコンプロセスを用いて、単一光子発光体とオンチップ光学素子のウェーファースケール統合が可能か？

主な発見

• FIBインプリンティングにより、1スポットあたりのGおよびWセンターの生成成功確率が50%以上を達成した。1278 nm（Gセンター）および1218 nm（Wセンター）での共焦点PLマッピングにより発光が確認された。
• 2次自己相関関数g²(0) = 0.36 ± 0.06が、背景補正なしで単一光子性を確認した。
• 7°チルトで1×10¹² cm⁻²のフラランスを用いたPMMAマスクを通した広角ビームインプリンティングにより、10 μmピッチでマスクで定義された決定的配置が可能となり、CMOSプロセスと互換性があることが示された。
• 後処理焼鈍しが不要であり、イソトープ純化された²⁸Si結晶における狭帯域ZPLの確認により、スペクトル拡散が存在しないことが判明し、高いコherー性特性を示した。
• FIBインプリンティングによるGセンターは、1278 nmに明確で孤立したZPLを示し、安定した発光強度を示した。共焦点マップでは単一発光体からの発光が明確に解像された（図1bのインセット参照）。
• FIBおよび広角ビームインプリンティングを含む全プロセスが1枚のSOIウェーファー上で実証され、所望の位置にウェーファースケールでの単一光子発光体の統合が可能になった。