[논문 리뷰] Single G centers in silicon fabricated by co-implantation with carbon and proton

Yoann Baron, Alrik Durand외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 28.

Semiconductor materials and devices참고 문헌 23인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 탄소와 수소 이온의 공입사로 실리콘 내에 고립된 G 중심을 재현 가능한 방법으로 생성하는 것을 입증하였으며, 면적 밀도가 약 ~0.2 µm⁻²까지 낮아질 수 있다. 1279 nm(통신 O 대역)에서의 단일 광자 방출은 광자 반구성성 측정을 통해 확인되었으며, 이는 실리콘 기반 단일 인공 원자를 양자 광학 및 통신 분야에서 확장 가능한 길을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 내에서 광학적으로 활성인 색 중심을 재현 가능하고 스케일러블한 방법으로 개별적으로 생성하는 것.
• 실리콘 기반 결함를 이용해 통신 파장 대역(1279 nm)에서 단일 광자 방출을 달성하는 것.
• 단일 결함를 광학 회로에 결정적으로 통합하여 양자 통합 광학을 위한 기반을 마련하는 것.
• G 중심이 고립된 상태로 형성되며, 열처리나 천연 결함의 기여 없이 탄소와 수소 이온의 공입사에 의해만 생성된다는 것을 입증하는 것.
• 입사량 조절을 통해 고밀도 집합체에서 고립된 결함로의 밀도 제어 스케일링을 확립하는 것.

제안 방법

• 28Si-on-insulator (SOI) 웨이퍼에 8 keV 탄소 이온과 6 keV 수소 이온을 20×200 µm²의 개구부를 가진 7×7 격자 패턴으로 공입사.
• 지역화된 이온 입사에 사용된 마이카 마스크를 통해 49개의 별도된 복사량 조합을 생성.
• 입사 손상을 복구하고 결함를 활성화하기 위해 N₂ 분雰위에서 1000 °C에서 20초 동안 플래시 열처리.
• 30 K에서 532 nm 연속파(excitation)를 사용하고 초도체 단일 광자 탐지기를 활용한 공간 분辨 광발광(PL) 스펙트로스코피.
• 강도 상관 측정(광자 반구성성)을 통해 고립된 결함에서의 단일 광자 방출을 확인.
• 탄소 및 수소 이온의 복사량을 0.3에서 300×10¹¹ cm⁻² 범위로 체계적으로 변화시켜 결함 밀도를 조절.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입사량 조절을 통해 면적 밀도를 단일 결함 수준까지 제어할 수 있는 고립된 G 중심을 실리콘 내에서 제작할 수 있는가?
• RQ2 다양한 결함 밀도에서 1279 nm에서의 G 중심 방출이 안정적이고 재현 가능한가?
• RQ3 집합체에서 단일 결함로 전이할 때 G 중심의 광학적 성질이 변화하지 않는가?
• RQ4 G 중심 형성은 고립된 탄소와 수소 이온의 공입사에 의해만 발생하며, 열처리나 천연 결함의 기여가 없는가?
• RQ5 이 방법을 이용해 통합 광학 회로에 호환되는 단일 광자 방출체를 스케일업하여 제작할 수 있는가?

주요 결과

• 입사량을 감소시킴으로써 G 중심의 면적 밀도를 약 ~0.2 µm⁻²까지 낮추어 단일 결함 작동을 가능하게 하였다.
• 강도 상관 측정에서 광자 반구성성이 관측되어 고립된 G 중심에서의 단일 광자 방출을 확인하였다.
• 모든 밀도에서 1279 nm의 제로 포논 라인(ZPL)이 유지되어 일관된 광학적 성질을 나타내었다.
• 원자 상태 또는 플래시 열처리된 샘플에서 내재된 G 중심 방출은 관측되지 않아, G 중심이 고립된 공입사에 의해만 형성된다는 것을 증명하였다.
• 단일 G 중심의 PL 스펙트럼은 고밀도 집합체와 일치하여 동일한 결함 구조와 광학 반응을 확인하였다.
• 이 방법은 통신 파장 방출을 갖는 실리콘 내 단일 인공 원자를 결정적으로 제작할 수 있게 하여, 양자 통신 및 통합 광학 분야에 적합하다.