Epitaxial single T centres in silicon-on-insulator

Sintesi Tecnica: Centri T Epitassiali in Silicio su Isolante (SOI)

Problematica
Gli emettitori quantistici al silicio, in particolare il centro T, rappresentano una piattaforma promettente per le interfacce spin-fotone allo stato solido grazie alle loro eccellenti proprietà di spin, all'operatività a lunghezze d'onda telecomunicazione (banda O) e alla compatibilità con la produzione standard di silicio su isolante (SOI). Tuttavia, la realizzazione di un'emissione fotonica coerente è attualmente ostacolata da rigorosi requisiti di qualità del materiale. I metodi di formazione standard, specificamente l'impiantazione ionica di carbonio e idrogeno, introduzione un significativo danno materiale e una varietà di difetti indesiderati (ad es. vacanze, cluster interstiziali). Questi difetti creano un ambiente di carica rumoroso che porta al wandering spettrale e all'allargamento omogeneo, risultando in larghezze di riga ottica di centinaia di MHz o GHz a 4 K. Queste prestazioni sono ordini di grandezza peggiori rispetto a quelle osservate nel silicio bulk, limitando l'utilità dei centri T per il networking e il computing quantistico scalabile. Inoltre, l'impiantazione ionica offre un scarso controllo della profondità, distribuendo tipicamente la distribuzione dei difetti su una regione di circa 100 nm, il che complica l'integrazione con strutture nanofotoniche.

Metodologia
Per affrontare queste limitazioni, gli autori hanno sviluppato un approccio basato sulla crescita utilizzando la crescita epitassiale da fasci molecolari (MBE) ad alta purezza per incorporare singoli centri T direttamente in uno stack di materiale SOI. Il processo prevede:

1. Preparazione del Substrato: Partendo da un wafer SOI standard float-zone (FZ) con uno strato superiore di silicio da 220 nm, lo strato viene assottigliato tramite back-etching a 70 nm.
2. Crescita Epitassiale: Il wafer viene trasferito in un sistema MBE dedicato ad altissima purezza. Uno strato buffer di silicio viene cresciuto a 650°C per garantire la qualità cristallina.
3. $\delta$-Doping: La temperatura del substrato viene abbassata a 220–350°C per facilitare l'incorporazione del carbonio limitata cineticamente. Viene depositato uno strato di 9 nm di silicio drogato con carbonio (Si:C), creando una regione $\delta$-drogata con un'alta concentrazione di atomi di carbonio.
4. Capping: Uno strato di copertura (capping) di silicio da 105 nm viene cresciuto a circa 400°C per completare lo stack e prevenire la diffusione del carbonio fuori dallo strato $\delta$.
5. Post-Processing: I campioni vengono sottoposti ad annealing termico a 510°C per facilitare la ricombinazione degli atomi di carbonio e idrogeno in centri T e per curare termicamente il materiale.
6. Fabricazione del Dispositivo: I wafer vengono lavorati utilizzando la litografia a fascio elettronico per creare guide d'onda a nanobeam con accoppiatori a reticolo per l'accoppiamento in ingresso e in uscita.
7. Caratterizzazione: I dispositivi sono operati in un frigorifero a diluizione a 100 mK. La caratterizzazione ottica include l'eccitazione di fotoluminescenza risonante (PLE), misurazioni di autocorrelazione del secondo ordine ($g^{(2)}$) e spettroscopia di hole-burning per determinare le larghezze di riga omogenee.

Contributi Chiave e Risultati

• Dimostrazione dei Centri T Epitassiali: Gli autori hanno dimostrato con successo la formazione di singoli centri T all'interno di uno stack SOI cresciuto epitassialmente. Le misurazioni di fotoluminescenza hanno confermato l'emissione alla lunghezza d'onda attesa di 1325,8 nm, insieme ad altri centri come i centri G e I.
• Operatività a Singolo Fotone: Dispositivi a guida d'onda integrati si sono accoppiati con successo a singoli centri T epitassiali. L'eccitazione risonante ha prodotto un valore di autocorrelazione del secondo ordine $g^{(2)}(0) = 0,26(3)$, confermando l'operatività al livello di singolo fotone.
• Soppressione dell'Allargamento Omogeneo: Il risultato più significativo è l'osservazione di una sostanziale riduzione dell'allargamento omogeneo. Utilizzando misurazioni di hole-burning, gli autori hanno estratto larghezze di riga ottiche omogenee istantanee strette fino a 30 MHz per i centri T epitassiali cresciuti in silicio naturale.
• Confronto con l'Impiantazione: Quando confrontati con campioni di riferimento creati tramite standard impianto ionico sullo stesso substrato base SOI e valutati in condizioni identiche, il metodo epitassiale ha mostrato una riduzione di dieci volte dell'allargamento. Mentre l'allargamento disomogeneo ($\sim$30 GHz) rimaneva simile tra i due metodi (suggerendo un'origine comune nello stress dello strato di ossido), le larghezze di riga omogenee erano drasticamente migliorate nei campioni epitassiali.
• Spectral Diffusion: Le misurazioni del wandering spettrale hanno indicato un tempo di decadimento di 34(5) $\mu$s, che è comparabile o leggermente superiore ai valori riportati per i dispositivi impiantati in simili cavità nanofotoniche.

Significatività
L'articolo stabilisce i centri T epitassiali come una base robusta per le interfacce spin-fotone coerenti nella fotonica del silicio. Utilizzando MBE ad alta purezza e $\delta$-doping, gli autori aggirano il disordine e il danno inerenti all'impiantazione ionica, ottenendo larghezze di riga ottica che si avvicinano ai limiti fondamentali richiesti per le operazioni quantistiche coerenti. Questo lavoro dimostra che è possibile far crescere centri T di alta qualità all'interno di uno stack di materiale compatibile con la fabbricazione di dispositivi nanofotonici, offrendo una via scalabile verso l'integrazione di emettitori quantistici con la tecnologia silicio su isolante.