[논문 리뷰] Wafer-scale nanofabrication of telecom single-photon emitters in silicon

M. Hollenbach, N. Klingner외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 27.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 집중 이온 비임플란테이션(FIB)을 사용하여 실리콘에서 통신 대역의 단일 광자 발광체(G 및 W 중심)를 웨이퍼 스케일에서 결정적으로 제작한 최초의 사례를 보여준다. 이는 한 지점당 50% 이상의 성공 확률을 기록하였다. 또한 CMOS 기술과 호환되는 확장 가능한 광범위한 빔 임플란테이션 프로토콜을 도입하여, 양자 광학 집적 회로(PIC)에 내장된 단일 광자 발광체를 나노스케일 정밀도로 정렬할 수 있도록 하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모 양자 광학 집적 회로(PIC)의 개발을 저해하는 실리콘에서 제어 가능하고 확장 가능한 단일 광자 발광체 제작의 부족을 해결하기 위해.
• 웨이퍼 상의 원하는 나노스케일 위치에 G 및 W 중심 단일 광자 발광체를 결정적으로 배치하여 내장 통합을 가능하게 하기 위해.
• 후방 열처리 없이도 정밀한 발광체 정렬을 보장하는 CMOS 호환성 있는 광범위 빔 임플란테이션 프로토콜을 개발하기 위해.
• 좁은 선도 및 낮은 스펙트럼 확산을 보이며, 양자 응용을 위한 서로 구분 불가능한 광자 방출을 가능하게 하는 고정밀 단일 광자 방출을 달성하기 위해.

제안 방법

• 10–15 μm 간격으로 FIB를 사용해 Si²⁺ 이온(40 keV, 1–2.5 pA)을 임플란트하고, 이オン 복사제어를 위해 변동 가능한 체류 시간을 조절하여 단일 G 및 W 중심의 나노스케일 정렬을 가능하게 하였다.
• 광범위 빔 임플란테이션을 위해 전자선 리소그래피(EBL)를 사용해 나노홀 배열(30–400 nm 직경)을 정의한 PMMA 리소그래피 마스크를 사용하여, 개구부를 통해만 선택적으로 이온을 임플란트하도록 하였다.
• 이온 채널링을 억제하고 의도하지 않은 결함 형성을 방지하기 위해 광범위 빔 임플란테이션 중 7° 기울임 각도를 적용하였다.
• SRIM 시뮬레이션을 활용해 임플란테이션 깊이(Rp ≈ 60 nm, 40 keV Si²⁺ 이온)를 예측하고, SOI 웨이퍼의 활성 실리콘 층에 정확히 임플란트되도록 보장하였다.
• 후방 열처리 없이도 생성된 색 중심을 안정화하기 위해 FIB 임플란테이션 중에 인-사이트 앤낼링을 구현하였다.
• 1278 nm ZPL 필터를 장착한 공형 광자방출(PL) 현미경을 사용해 단일 G 중심 방출을 감지하고 지도화하였으며, 두 번째 순서 상관함수(g²(τ))를 통해 단일 광자 성격을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FIB 임플란테이션을 통해 실리콘 웨이퍼에서 나노스케일 정밀도로 단일 광자 발광체(G 및 W 중심)를 결정적으로 제작할 수 있는가?
• RQ2 FIB 스폿당 단일 G 및 W 중심을 생성할 성공 확률는 얼마이며, 50% 이상으로 최적화될 수 있는가?
• RQ3 후방 열처리 없이도 정밀한 마스크 정의된 배치가 가능한 확장 가능한 CMOS 호환 광범위 빔 임플란테이션 프로토콜을 개발할 수 있는가?
• RQ4 제작된 발광체는 좁은 0-phonon 선과 낮은 스펙트럼 확산를 보이며, 양자 응용을 위한 서로 구분 불가능한 광자 방출을 가능하게 하는가?
• RQ5 표준 실리콘 제조 공정을 사용해 단일 광자 발광체를 온칩 광학 구성 요소와 함께 웨이퍼 스케일 통합이 가능한가?

주요 결과

• FIB 임플란테이션은 한 지점당 단일 G 및 W 중심을 생성하는 데 50% 이상의 성공 확률을 기록하였으며, 1278 nm(G 중심) 및 1218 nm(W 중심)에서 공형 PL 지ap을 통해 발광이 확인되었다.
• 두 번째 순서 상관함수 g²(0) = 0.36 ± 0.06는 방출이 단일 광자 성격을 가지며 배경 보정 없이도 확인되었다.
• 7° 기울임 각도로 1×10¹² cm⁻² 조사량을 사용한 PMMA 마스크를 통한 광범위 빔 임플란테이션은 10 μm 피치에서 결정적이고 마스크 정의된 단일 발광체의 정렬을 가능하게 하였으며, CMOS 공정과 호환되었다.
• 후방 열처리가 필요로 하지 않았고, 동위소 순수한 ²⁸Si 결정에서 좁은 ZPL이 관찰되어 스펙트럼 확산가 없음을 확인하였으며, 이는 높은 일관성 특성을 나타낸다.
• FIB 임플란트된 G 중심은 1278 nm에서 명확하고 고립된 ZPL을 보이며 안정적인 방출 강도를 나타내었고, 공형 지도에서 단일 중심의 방출이 해상도로 확인되었다(그림 1b의 인셋).
• FIB 및 광범위 빔 임플란테이션을 포함한 전체 제조 공정이 하나의 SOI 웨이퍼에서 성공적으로 구현되어, 원하는 위치에 웨이퍼 스케일 단일 광자 발광체 통합이 가능해졌다.