[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文首次实现了使用聚焦离子束（FIB）注入在硅中进行晶圆级、确定性的电信波段单光子发射体（G中心和W中心）的制造，每个点位的成功概率超过50%。此外，该研究提出了一种可扩展的宽束注入工艺，兼容CMOS技术，实现了单光子发射体在纳米尺度上的精确、可编程定位，适用于量子光子集成电路（PICs）的单片集成。

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.

研究动机与目标

• 为克服硅中单光子发射体可控、可扩展制造的缺乏，该问题阻碍了大规模量子光子集成电路（PICs）的发展。
• 实现在硅晶圆上对G中心和W中心单光子发射体在所需纳米尺度位置的确定性定位，以实现片上集成。
• 开发一种与CMOS兼容的宽束注入工艺，确保在无需辐照后退火的情况下实现精确的发射体定位。
• 实现高保真度的单光子发射，具有窄线宽和低光谱扩散，从而实现量子应用中的不可区分光子发射。

提出的方法

• 在10–15 μm间距下，使用40 keV、1–2.5 pA的Si²⁺离子束进行聚焦离子束（FIB）注入，通过调节停留时间控制每一点的离子剂量，实现对单个G中心和W中心的纳米尺度定位。
• 采用PMMA抗蚀剂掩膜结合电子束光刻（EBL）定义纳米孔阵列（直径30–400 nm），用于宽束注入，确保仅在开口区域进行选择性离子注入。
• 在宽束注入过程中采用7°倾斜角，以抑制离子通道效应，防止非预期缺陷的形成。
• 利用SRIM模拟预测注入深度（40 keV Si²⁺离子的Rp ≈ 60 nm），确保注入进入SOI晶圆的活性硅层。
• 在FIB注入过程中实施原位退火，以稳定所形成的色心，无需辐照后热处理。
• 采用共聚焦光致发光（PL）显微镜结合1278 nm ZPL滤光片检测并绘制单个G中心发射，通过二阶自相关函数（g²(τ)）验证单光子特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过FIB注入在纳米尺度上实现对硅晶圆中单光子发射体（G中心和W中心）的空间确定性控制？
• RQ2 每个FIB点位成功生成单个G中心和W中心的概率是多少？能否将其优化至50%以上？
• RQ3 能否开发一种可扩展的、与CMOS兼容的宽束注入工艺，实现在无需辐照后退火情况下的精确、掩膜定义的发射体定位？
• RQ4 所制备的发射体是否表现出窄的零声子线（ZPL）和低光谱扩散，从而实现量子应用中不可区分光子的发射？
• RQ5 能否通过标准硅基制造工艺实现单光子发射体与片上光学元件的晶圆级集成？

主要发现

• FIB注入在每个点位实现了超过50%的成功概率，通过共聚焦PL测绘在1278 nm（G中心）和1218 nm（W中心）处确认了发射。
• 二阶自相关函数g²(0) = 0.36 ± 0.06证实了发射的单光子特性，且未进行背景校正。
• 通过PMMA掩膜以1×10¹² cm⁻²的注入通量、7°倾斜角进行宽束注入，实现了10 μm节距下确定性、掩膜定义的单发射体定位，兼容CMOS工艺。
• 无需辐照后退火，且通过使用同素体纯化的²⁸Si晶体确认了无光谱扩散，表明具有优异的相干性。
• FIB注入的G中心在1278 nm处表现出清晰、孤立的ZPL，发射强度稳定，且在共聚焦图中可分辨出单个中心的发射（图1b插图）。
• 整个制造流程，包括FIB和宽束注入，均在一个SOI晶圆上完成，实现了在指定位置的晶圆级单光子发射体集成。