硅片中电信单光子发射器的晶圆级纳米制造
发布时间：2023-02-24 08:00:00 阅读数： 99
通过平版印刷掩膜的宽束离子植入和扫描聚焦离子束在硅中受控生成单光子发射器。符号显示：两个单光子的发射。资料来源：B. Schröder/HZDRM
光子集成电路，或简而言之，PIC，利用光的粒子，更好地称为光子，而不是电子集成电路中运行的电子。两者之间的主要区别。光子集成电路为通常在近红外光谱的光波长上施加的信息信号提供功能。
"HZDR的离子束物理和材料研究所的量子技术负责人Georgy Astakhov博士说："实际上，这些具有许多集成光子元件的PIC能够在单个芯片上生成、路由、处理和检测光。"这种方式准备在即将到来的未来技术中发挥关键作用，如量子计算。而PIC将引领这条道路。"
以前，量子光子学实验因大量使用分布在光学台面上并占据整个实验室的 "批量光学器件 "而臭名昭著。现在，光子芯片正在从根本上改变这种局面。微型化、稳定性和适合大规模生产的特点可能会使它们成为现代量子光子学的主力。
从随机到控制模式
单片集成的单光子源以可控的方式将为在PIC中实现数以百万计的光子量子比特提供一条资源高效的途径。为了运行量子计算协议，这些光子必须是不可区分的。有了这个，工业规模的光子量子处理器的生产将变得可行。
然而，目前既定的制造方法阻碍了这一充满希望的概念与当今半导体技术的兼容。
在大约两年前报道的第一次尝试中，研究人员已经能够在硅片上产生单光子，但只是以随机和非可扩展的方式。从那时起，他们已经取得了很大进展。"物理学家Nico Klingner博士说："现在，我们展示了如何利用来自液态金属合金离子源的聚焦离子束将单光子发射器放置在晶圆上的理想位置，同时获得高的创造产量和高的光谱质量。
此外，HZDR的科学家们对相同的单光子发射器进行了严格的材料测试程序。经过几次降温和升温循环后，他们没有观察到其光学特性的任何退化。这些发现满足了以后大规模生产所需的前提条件。
为了将这一成果转化为广泛的技术，并允许在原子尺度上对单个光子发射器进行晶圆级工程，与既定的代工制造相兼容，该团队在商业植入器中通过光刻定义的掩模实施了宽光束植入。
"这项工作真正让我们利用了罗森道夫纳米制造厂最先进的硅加工洁净室和电子束光刻机，"洁净室组长兼纳米制造和分析主管Ciarán Fowley博士解释说。
使用这两种方法，该团队可以在预定的位置创建几十个电信单光子发射器，空间精度约为50纳米。它们在具有战略意义的电信O波段发射，并在连续波激励下表现出数日的稳定运行。
科学家们确信，在硅中实现单光子发射器的可控制造，使它们成为光子量子技术的一个非常有前途的候选者，其制造途径与非常大规模的集成兼容。这些单光子发射器现在在技术上已经准备好在半导体工厂生产，并纳入现有的电信基础设施中。
该研究结果发表在《自然通讯》杂志上。
更多信息:Michael Hollenbach等人，《硅中电信单光子发射器的晶圆级纳米加工》，《自然-通讯》（2022）。DOI: 10.1038/s41467-022-35051-5
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