Nat. Commun. | 硅上单光子发射器的晶圆级纳米制造

图1 通过光刻掩模宽束注入离子和扫描聚焦离子束在硅上可控制造单光子发射器

光子集成电路（PIC）利用的是光子，而电子集成电路中使用的是电子。两种集成电路的主要区别在于，光子集成电路通常使用近红外区间光波携带信息。

德国亥姆霍兹国家研究中心离子束物理与材料研究所量子技术负责人Georgy Astakhov博士说：“实际中，由许多集成光子组件组成的PIC能够在单个芯片上产生光、传导光、处理光和检测光，这种集成处理模式将在量子计算等未来技术中发挥关键作用，PICs毫无疑问将是技术引领者。”

此前量子光子实验中常用的是体光学，仪器常占据整个桌面，因此受人诟病。如今，光子芯片即将彻底改变这一现状。小型化、稳定以及适用大规模生产的优点，使其有望成为现代量子光子学的主力。

从随机到可控

将单光子源以可控方式单片集成将为在PICs中实现数百万光子量子比特提供一种资源高效的方法；同时，要想运行量子计算协议，光子必须是不可区分的。实现这两点后，就有希望实现工业规模的光子量子处理器生产。然而，在目前所使用的制造方法下，这一设想无法与如今的半导体技术兼容。

在两年前所报道的首次实验中，研究人员已能够在硅片上产生单光子，尽管产生的单光子是随机和不可扩展的；到今天，研究又向前迈出了一大步。物理学家Nico Klingner博士说：“这次，我们展示了如何使用来自液态金属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，发射器具有高生成产量和高光谱质量。”

此外，德国亥姆霍兹国家研究中心的科学家对相同的单光子发射器进行了严格的材料测试程序：历经几次冷却和预热后，其光学特性没有任何退化。这些结果显示满足了以后大规模生产所需的先决条件。

为了将这一研究成果转化为大规模生产技术，并在原子尺度上实现与现有的制造工艺兼容的单个光子发射器的晶圆级制造，该团队通过光刻设计的掩模在商业植入机中实现了宽束植入。

“我们在这项工作中，最大化发挥了纳米制造工厂最先进的硅加工无尘室和电子束光刻机的作用，”Ciarán Fowley博士解释说，他是无尘室小组负责人和纳米制造与分析负责人。

在这两项先进技术的帮助下，该团队在预定义的位置创建了数十个单光子发射器，空间精度约为50纳米，能发射具有重要应用价值的电信O波段，并且在连续波激励下表现出稳定的运行。

科学家们相信，单光子发射器在硅中可控制造的实现，将使其成为光子量子技术的极有前途的候选者；这种制造方法与极大规模的集成兼容。这些单光子发射器在技术上已具备在半导体晶圆厂生产、并集成到现有的电信基础设施中的能力。

此项研究结果发表于Nature Communications。文章见：Michael Hollenbach et al, Wafer-scale nanofabrication of telecom single-photon emitters in silicon, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-35051-5。