[论文解读] Single G centers in silicon fabricated by co-implantation with carbon and proton

Yoann Baron, Alrik Durand+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2022

Semiconductor materials and devices参考文献 23被引用 35

一句话总结

本研究展示了一种可重复的、通过碳离子与质子共注入在硅中制造孤立G中心的方法，实现的面密度低至约0.2 µm⁻²。通过光子反聚束实验确认了1279 nm（通信O波段）的单光子发射，为在硅中构建可扩展的单个人工原子提供了可行路径，适用于量子光子学与通信。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、可重复的方法，在硅中制造单个光学活性色心。
• 利用基于硅的缺陷实现在通信波段（1279 nm）的单光子发射。
• 实现单个缺陷在光子电路中的确定性集成，用于量子集成光子学。
• 证明G中心仅由碳与质子的共注入形成，而非通过退火或本征缺陷形成。
• 通过注入剂量调节，实现从密集阵列到孤立缺陷的可控密度调控。

提出的方法

• 在28Si-on-insulator（SOI）衬底上，对20×200 µm²孔径的7×7网格图案区域，进行能量为8 keV的碳离子与6 keV的质子共注入。
• 使用云母掩膜实现局部离子注入，以创建49种不同的剂量组合。
• 在N₂气氛下以1000 °C进行快速退火20秒，以修复注入损伤并激活缺陷。
• 在30 K下利用532 nm连续波激发进行空间分辨光致发光（PL）光谱测量，并使用超导单光子探测器。
• 通过强度关联测量（光子反聚束）确认单缺陷发射。
• 系统性地改变碳与质子的注入剂量，范围为0.3至300×10¹¹ cm⁻²，以调节缺陷密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在硅中实现面密度可控、低至单缺陷水平的孤立G中心？
• RQ2 在不同缺陷密度下，1279 nm处的G中心发射是否稳定且可重复？
• RQ3 当从缺陷阵列过渡到单个缺陷时，G中心的光学性质是否保持不变？
• RQ4 G中心的形成是否仅由碳与质子的共注入引起，而与退火或本征缺陷无关？
• RQ5 该方法是否可扩展以实现与集成光子电路兼容的单光子发射器？

主要发现

• 通过降低注入剂量，将G中心的面密度降低至约0.2 µm⁻²，实现了单缺陷工作状态。
• 在强度关联实验中观察到光子反聚束现象，证实了孤立G中心的单光子发射。
• 所有密度下零声子线（ZPL）均保持在1279 nm，表明光学性质一致。
• 在原始样品或快速退火样品中均未检测到本征G中心发射，证明G中心仅由共注入形成。
• 单个G中心的PL光谱与密集阵列的光谱一致，证实缺陷结构与光学响应相同。
• 该方法可实现硅中单个人工原子的确定性制备，具备通信波段发射特性，适用于量子通信与集成光子学。