CN117008252A - 一种基于应力调控的片上双碳化硅色心hom干涉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置，使用本装置可以实现一个完全单片式SiC光子电路，通过单模脊形波导将两个频率匹配的色心单光子源连接到芯片上的分束器，使得在芯片上进行双光子干涉实验成为可能。
Description
技术领域
本发明属于量子信息科学技术领域，特别涉及一种基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置。
背景技术
碳化硅(SiC)是一种重要的宽带隙半导体材料，具有许多优异的性能，如高温稳定性、高功率密度、高电子迁移率等，因此在电力电子、能源、光电子学等领域受到广泛关注。SiC的存在形式主要有六方4H-SiC(带隙3.23eV)和6H-SiC(3.0eV)以及立方3C-SiC(2.36eV)，这些晶型已经实现了晶圆级生产和商业化，其中建立了兼容CMOS集成电路制造工艺的n型和p型掺杂方法。此外SiC拥有许多具有从可见光到近通讯波长的单光子源中心即色心。大多数这些单光子源还具有光学可寻址性和可控的自旋相干性，具有非常长的相干时间(高达20毫秒)。这些色心的另一独特特性是可以将它们与核自旋耦合以实现量子存储，并且利用自旋-光子界面的高保真机制实现多个自旋的远程纠缠。这些色心量子光源可以通过连续光、脉冲光以及电激发的方式进行光激发，其寿命为1ns至170ns，这取决于色心的种类和量子效率(高达70％)。此外SiC的纳米制造技术也已成熟，高光学质量因子Q、微谐振器和纳米谐振器的制造正在进行中，而基于超导纳米线的单光子探测器在碳化硅中的集成已经实现。从量子光学角度来看，SiC材料具有许多有趣的量子光学性质，例如实现自旋量子比特与光光量子比特的相互转换、单光子发射等，这些性质使得SiC成为一个有潜力的量子信息和量子计算平台。
基于单光子和线性光学光量子计算和通信依赖在50:50分束器上对两个光子的量子干涉，这个过程被称为洪-欧曼德尔(Hong-OuMandel，HOM)效应，在两个相同的单光子进入分束器的两个输入端时时产生。当光子不可区分时，它们会合并成为一个二光子的福克态，从而从相同但随机的输出端口出射。这个过程是最简单的非平凡路径纠缠NOON态生成的基础，并引入了一种光学非线性，是实现更复杂的光子门和协议的光量子集成电路的基础。因此，可扩展的光量子信息技术将需要将许多相同的不可区分的单光子源与由分束器组成的可靠光子电路集成在一起。利用先进的集成光子技术能够显著减小量子设备的占地面积。此外，由于路径长度的固有亚波长稳定性、低损耗和集成分束器的近乎完美模式重叠，它允许以在高保真度情况下控制光子状态，从而实现高保真度的量子干涉。集成光子技术的进展已经实现了相对复杂的量子电路，证明了CNOT门操作、玻色子采样、量子游走、一些简单的量子算法和芯片间量子隐形传态，还已经将集成光子电路与自发四波混频光子源相结合。然而，由于使用的光源具有概率性质，它们的效率和可扩展性本质上是有限的。基于量子发射体的单光子源没有这个限制，并且最近已经表现出在同时达到高光子不可区分度和亮度方面优于自发四波混频和下转换光子源。此外，已经利用离子束、量子点、有机分子或金刚石色心展示了两个量子发射体之间的远程干涉。其中绝大多数实验都是在自由空间中进行的。在芯片上执行类似的实验，利用完全集成的量子发射体和分束器的光子电路，尚未进行过，并且仍然是向上述量子技术扩展的缺失组件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置。
本发明的一种基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置，所述装置包括：压电材料，所述压电材料设有水平沟槽，并且沟槽的延长线通过压电陶瓷中心；所述压电材料上设有多模干涉耦合器MMI，其中MMI包括第一波导和第二波导，其中第一波导包括第一部分和第二部分，所述第一波导的第一部分和第二部分上设有色心；所述压电材料上还设有金属电极，包括第一金属电极和第二金属电极，第一金属电极和第二金属电极延水平沟槽对称。
所述第一波导的第一部分、第二部分延水平沟槽对称；所述水平沟槽的延长线通过MMI中心。
所述压电材料为压电陶瓷；压电材料的背面设有金属底电极。
所述MMI包括第一波导和第二波导，其中第一波导和第二波导设于MMI两侧。
所述第一波导的第一部分和第二部分上设有色心：第一波导的第一部分和第二部分上分别设有一个色心。
本发明的一种基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置的制备方法，包括：
(1)在压电材料背面沉积金属底电极，然后在压电材料正面划出水平沟槽，压电材料上沉积金属顶电极；
(2)制备碳化硅色心：在SiCOI表面旋涂电子束光刻胶，通过电子束曝光形成圆孔阵列图案，前述光刻胶为模板，通过电子束辐照或者等离子注入的方式，在圆孔中形成初步的色心系综得到初步的色心阵列，洗去光刻胶、退火，使色心稳定且形成单个色心；
(3)在步骤(2)SiCOI表面旋涂电子束光刻胶，通过电子束曝光形成MMI的图案，利用干法刻蚀技术在顶层SiC薄膜上制备MMI，并通过激光宽场成像装置，对单点色心进行定位，并使得两个色心分别在MMI一侧的两路上，然后将下层埋氧层掏空，并转移到步骤(1)的压电陶瓷上，得到基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置。
上述方法的优选方式如下：
所述步骤(1)中压电材料为压电陶瓷；压电陶瓷为PMN-PT压电陶瓷；底电极为20nmCr/200-300nmAu，所述顶电极为20nmCr/200-300nmAu；水平沟槽的宽度为2-10微米。
其中20nmCr/200-300nmAu为先沉积厚20nmCr，然后再沉积厚200-300nmAu。
所述步骤(1)中在压电材料背面沉积金属底电极：用电子束蒸发或者磁控溅射的方式在压电材料背面沉积金属作为底电极；所述在压电材料正面划出水平沟槽为：利用二氧化碳飞秒激光划片在压电材料划出水平沟槽；所述沉积金属顶电极为通过光刻和电子束蒸发在压电陶瓷上沉积金属电极。
所述步骤(2)中SiCOI(绝缘体上碳化硅晶圆)由下到上依次包括：基底层、埋氧层、碳化硅层。如其中基底层为Si层，所述埋氧层为二氧化硅层。
所述步骤(2)、(3)中的光刻胶为PMMA、ZEP520A、HSQ中的至少一种。
所述步骤(2)中在SiCOI表面旋涂电子束光刻胶，通过电子束曝光形成圆孔阵列图案为：在SiCOI表面旋涂电子束光刻胶，前烘、电子束曝光、显影，形成圆孔阵列图案。
所述步骤(2)中电子束辐照或等离子注入量在1e11-1e15cm-2；所述等离子注入为H、He、C中的一种或几种等离子注入。
所述步骤(2)中退火为300-800℃下退火20-30min。
所述步骤(3)中SiCOI表面旋涂电子束光刻胶，通过电子束曝光形成MMI的图案：电子束光刻胶旋涂、前烘、电子束曝光、后烘，显影。
所述步骤(3)中干法刻蚀技术为反应离子刻蚀RIE-ICP干法刻蚀技术，其中ICP功率：100-180W，偏置功率：80-120W和SF6气体流量：15-32SCCM(标准立方厘米/分钟)，O2气流：4-8SCCM，Ar气流为4-8SCCM。
所述步骤(3)中将下层埋氧层掏空为采用HF干法刻蚀将器件下层埋氧层掏空；所述转移为使用有粘性的高聚物(如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚乙烯醇(PVA)等)从衬底上取下结构并转移至压电陶瓷上。
本发明的一种所述基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置在片上双单光子源干涉研究中的应用。
通过FiberArray和端面耦合的方式同时泵浦两个色心单光子源，通过压电陶瓷应力调控的方式使得两个色心的发光频率一致。两个色心发射的单光子在MMI产生干涉，通过在收集端测量二阶关联函数，验证HOM双光子干涉的产生。
有益效果
本发明首次在SiCOI平台上提出片上集成两个色心的HOM双光子干涉实验，使可扩展的基于确定性的量子单光子源的大规模多量子态可操纵的光量子集成电路成为可能。
本发明提供了一种基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置的制备方法及其结构，使用本装置可以实现一个完全单片式SiC光子电路，通过单模脊形波导将两个频率匹配的色心单光子源连接到芯片上的分束器，使得在芯片上进行双光子干涉实验成为可能。
附图说明
图1用于施加应力的压电陶瓷器件图；
图2(a～b)含有色心单点的MMI制备流程图；
图3最终器件示意图；
图4为pulsed激光双光子干涉示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置，包括压电陶瓷，所述压电陶瓷上设有水平沟槽，并且沟槽的延长线通过压电陶瓷中心；所述压电陶瓷上设有MMI，其中MMI包括第一波导和第二波导，其中第一波导包括第一部分(第一路)和第二部分(第二路)，所述第一波导的第一部分和第二部分上均分别设有一个色心；所述压电材料上还设有金属电极，包括第一金属顶电极和第二金属顶电极，第一金属电极和第二金属电极延水平沟槽对称。
所述第一波导的第一部分、第二部分延水平沟槽对称；所述水平沟槽的延长线通过MMI中心。所述压电材料的背面设有金属底电极。第一波导和第二波导设于MMI两侧。
实施例2
(1)压电陶瓷准备：首先通过电子束蒸发在压电陶瓷背面沉积Au电子束蒸发或者磁控溅射沉积20nmCr/200nmAu作为底电极，然后通过二氧化碳飞秒激光划片技术在PMN-PT压电陶瓷一侧划开一个一字结构宽度约2微米，再通过光刻和电子束蒸发在压电陶瓷上沉积Au金属电极得到如图1所示结构。具体过程为：匀AZ5214光刻胶，4000rpm/2000acc，前烘100℃下60s，光刻，AZ300MIF显影，电子束蒸发20nmCr/200nmAu，丙酮金属剥离。
(2)制备碳化硅色心：先在SiCOI表面旋涂ZEP520A或PMMA等电子束光刻胶，具体本实施例为ZEP520A，6000rpm/3000acc，前烘180℃下4min，电子束曝光，束流1nA剂量200至340μC/cm2(实施例束流1nA剂量为280μC/cm2)，邻二甲苯显影60s，得到如图2a所示的孔阵列结构。然后通过2MeV电子束辐照或者40keV He+离子注入(本实施例40keV He+)，以前述光刻胶为掩膜，在圆孔中形成初步的色心系综得到初步的色心阵列。辐照或注入剂量在1e11-1e15 cm-2之间以确保能获得单点色心(本实施例中剂量为1e13 cm-2)。然后用丙酮洗去光刻胶，并在300-800℃高温下退火30min使色心稳定且形成单个色心(本实施例的退火温度300℃)。然后再在SiCOI表面旋涂光刻胶，通过光刻、沉积Au和Lift-off工艺得到图2b所示的结构，并通过激光宽场成像装置对后续色心定位。
(3)MMI制备：HSQ旋涂2000rpm/2000acc，前烘150℃下10min，电子束曝光，束流1nA剂量1000至5000μC/cm2，后烘170℃10min，TMAH显影60s，采用RIE-ICP干法刻蚀获得结构(ICP功率：150W，偏置功率：100W和SF6气体流量：32SCCM(标准立方厘米/分钟)，O2气流：8SCCM，Ar气流为8SCCM)，10％HF腐蚀5-10min氧化硅掏空，聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚乙烯醇(PVA)等高聚物将MMI转移到压电陶瓷上得到图3所示的最终结构。片上HOM测试结果如图4所示，当两个光子同时到达MMI时即time delay为0ns时发生干涉，g2 HOM(0)<0.5，验证了双光子干涉的发生。
Claims (10)
1.一种基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置，其特征在于，所述装置包括：压电材料，所述压电材料设有水平沟槽，并且沟槽的延长线通过压电材料中心；所述压电材料上设有MMI，其中MMI包括第一波导和第二波导，其中第一波导包括第一部分和第二部分，所述第一波导的第一部分和第二部分上设有色心；所述压电材料上还设有金属电极，包括第一金属电极和第二金属电极，第一金属电极和第二金属电极延水平沟槽对称。
2.根据权利要求1所述基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置，其特征在于，所述第一波导的第一部分、第二部分延水平沟槽对称；所述水平沟槽的延长线通过MMI中心；所述第一波导和第二波导设于MMI两侧。
3.根据权利要求1所述基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置，其特征在于，所述压电材料为压电陶瓷；所述压电材料的背面设有金属底电极；所述第一部分和第二部分上分别设有一个色心。
4.一种基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置的制备方法，包括：
(1)在压电材料背面沉积金属底电极，然后在压电材料正面划出水平沟槽，压电材料上沉积金属顶电极；
(2)在SiCOI表面旋涂电子束光刻胶，通过电子束曝光形成圆孔阵列图案，光刻胶为模板，通过电子束辐照或者等离子注入的方式，得到初步的色心阵列，洗去光刻胶、退火；
(3)在步骤(2)SiCOI表面旋涂电子束光刻胶，通过电子束曝光形成MMI的图案，利用干法刻蚀技术在顶层SiC薄膜上制备MMI，并使得两个色心分别在MMI一侧的两路上，然后将下层埋氧层掏空，并转移到步骤(1)的压电材料上，得到基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置。
5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中压电材料为压电陶瓷，压电陶瓷为PMN-PT压电陶瓷；底电极为20nmCr/200-300nmAu，所述顶电极为20nmCr/200-300nmAu；水平沟槽的宽度为2-10微米。
6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)、(3)中的光刻胶为PMMA、ZEP520A、HSQ中的至少一种。
7.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中电子束辐照或等离子注入量在1e11-1e15 cm-2；所述等离子注入为H、He、C中的一种或几种等离子注入。
8.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中退火为300-800℃下退火20-30min。
9.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中干法刻蚀技术为反应离子刻蚀RIE-ICP干法刻蚀技术，其中ICP功率：100-180W，偏置功率：80-120W和SF6气体流量：15-32SCCM，O2气流：4-8SCCM，Ar气流为4-8SCCM。
10.一种权利要求1所述基于应力调控的片上双碳化硅色心HOM干涉装置在片上双单光子源干涉研究中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310838941.1A CN117008252A (zh) | 2023-07-10 | 2023-07-10 | 一种基于应力调控的片上双碳化硅色心hom干涉装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310838941.1A CN117008252A (zh) | 2023-07-10 | 2023-07-10 | 一种基于应力调控的片上双碳化硅色心hom干涉装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117008252A true CN117008252A (zh) | 2023-11-07 |
Family
ID=88561173
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310838941.1A Pending CN117008252A (zh) | 2023-07-10 | 2023-07-10 | 一种基于应力调控的片上双碳化硅色心hom干涉装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117008252A (zh) |
-
2023
- 2023-07-10 CN CN202310838941.1A patent/CN117008252A/zh active Pending
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