[논문 리뷰] Fabrication of Solid-Immersion-Lenses by focussed ion beam milling

Mohammad Vahid Jamali, Ilja Gerhardt외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 27.

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고해상도 정밀도를 갖춘 집중된 이온선(FIB) 연마 기술을 사용하여 다이아몬드 기판에 고체 잠수 렌즈(SILs)를 제작하고, 단일 질소빈약(NV) 중심의 고정밀 위치 조정을 가능하게 한다. 이 방법은 [111] 방향을 가진 NV 중심으로부터 100만 개의 카운트를 1초당 기록하여 광자 수집 효율을 향상시켰다.

ABSTRACT

Recent efforts to define microscopic solid-immersion-lenses (SIL) by focused ion beam milling into diamond substrates that are registered to a preselected single photon emitter are summarized. We show how we determine the position of a single emitter with at least 100 nm lateral and 500 nm axial accuracy, and how the milling procedure is optimized. The characteristics of a single emitter, a Nitrogen Vacancy (NV) center in diamond, are measured before and after producing the SIL and compared with each other. A count rate of 1.0 million counts per second is achieved with a $[111]$ oriented NV center.

연구 동기 및 목표

• 집중된 이온선(FIB) 연마를 이용해 다이아몬드 기판에 고체 잠수 렌즈(SILs)를 고정밀도로 제작하는 방법을 개발한다.
• 단일 광자 방출체, 특히 다이아몬드 내 질소빈약(NV) 중심의 100 nm 이하 수평 및 500 nm 이하 축 방향 정밀도 위치 조정을 달성한다.
• 최소한의 손상과 최대한의 광학적 향상을 확보하기 위해 FIB 연마 공정을 최적화한다.
• SIL 제작 이전과 이후의 NV 중심의 광학적 특성을 측정하고 비교하여 성능 향상을 정량화한다.

제안 방법

• 집중된 이온선(FIB) 연마를 사용하여 다이아몬드 기판을 기하학적 형상과 위치를 정밀하게 제어할 수 있도록 고체 잠수 렌즈(SILs)로 가공한다.
• 공형 광학 현미경 및 광학 정렬 기법을 이용해 단일 NV 중심의 위치를 최소 100 nm 수평 및 500 nm 축 방향 정밀도로 결정한다.
• FIB 연마 공정을 최적화하여 격자 손상을 최소화하고 NV 중심의 형광 특성을 유지한다.
• 사전 선택된 NV 중심과 밀접하게 정렬된 SIL을 제작하여 방출된 광자의 수집 효율을 극대화한다.
• 광자 카운트 속도를 SIL 제작 이전과 이후에 측정하여 향상 정도를 평가하며, 특히 [111] 방향을 가진 NV 중심에 중점을 둔다.
• 표준 형광 스펙트로스코피를 사용하여 NV 중심의 광학적 반응 및 방출 특성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 집중된 이온선 연마가 다이아몬드 내 단일 NV 중심에 대해 100 nm 이하 수평 및 500 nm 이하 축 방향 정밀도 위치 조정을 달성할 수 있는가?
• RQ2 SIL 제작 과정에서 FIB 연마가 NV 중심의 형광 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SIL 제작 후 [111] 방향을 가진 NV 중심으로부터 도달할 수 있는 최대 광자 카운트 속도는 얼마인가?
• RQ4 SIL 제작이 다이아몬드 내 단일 광자 방출체의 수집 효율을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 SIL 제작 이전과 이후의 NV 중심 광학 특성은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• FIB 연마 공정을 통해 단일 NV 중심에 대해 100 nm 수평 및 500 nm 축 방향 정밀도로 다이아몬드 기판에 고체 잠수 렌즈(SILs)를 정밀하게 제작할 수 있다.
• SIL 제작 후에도 NV 중심의 형광 특성이 유지되어 FIB 공정으로 인한 방사선 손상이 최소한임을 나타낸다.
• SIL 제작 후 [111] 방향을 가진 NV 중심으로부터 100만 개의 카운트를 1초당 기록하여 광자 수집 효율이 크게 향상됨을 입증하였다.
• SIL 제작 공정은 단일 광자 방출체의 광학적 수집 효율을 향상시키면서도 그들의 양자 특성을 손상시키지 않았다.
• 측정된 광자 카운트 속도는 FIB로 가공한 SIL을 사용하여 양자 기술 분야에서 고처리량 단일 광자 소스를 구현할 수 있음을 보여준다.