新制备技术促进纳米硅的使用

在全球范围内，专家们正致力于实施量子信息技术。其中一个重要的部分与光有关:单个光包，也被称为光子或光量子，可以传输编码的数据，并有效地防止窃听。

       研究人员使用物镜来测试芯片上一系列硅纳米硅的光输出。图片来源：亥姆霍兹中心Dresden Rossendorf/Juan Baratech。

       按规定的方式和要求来释放光子的新的光子源是必要的。直到最近，人们才发现硅可以容纳具有量子通信理想特征的单光子源。到目前为止，关于如何将这些光源整合到先进的光子电路中的研究还很少。

       由亥姆霍兹研究中心德累斯顿-罗森多夫（HZDR）领导的一个研究小组首次展示了一种利用硅纳米柱（一种化学蚀刻技术）的生产技术，然后进行离子轰击。

       亥姆霍兹中心德累斯顿罗森多夫离子束物理与材料研究所研究负责人Yonder Berencén博士表示：“长期以来，电信领域的硅和单光子源一直是加快光纤量子通信发展的缺失环节。现在，我们已经为它创造了必要的先决条件。”

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虽然单光子源已经在钻石等材料中被创造出来，但只有硅基源才能产生精确波长的光粒子在光纤中增殖——这是一个显著的优势。

科学家们通过选择一种湿法蚀刻方法--金属辅助化学蚀刻(MacEtch)法来代替传统的干法蚀刻方法来处理芯片上的硅，从而完成了这项技术创新。这些典型的方法使用极具活性的离子，允许硅光子结构的形成。

由于硅中的辐射损伤，这些离子会触发发光缺陷。然而，它们是随机分布的，并将首选的光信号与噪声叠加在一起。另一方面，MacEtch不会产生这些缺陷，相反，材料会在一种金属掩模下被化学蚀刻掉。

Yonder Berencén博士说：“我的梦想是把所有的基本构件，从单个光子源到单个光子探测器，集成在一个芯片上，然后通过商业光纤连接大量芯片，形成一个模块化的量子网络。”

目标：与光纤网络兼容的单光子源

利用 MacEtch 技术，科学家们最初创造了一种可能的光波导结构的最基本形式: 芯片上的硅纳米柱。然后他们用碳离子击中完整的纳米柱，就像他们用一个巨大的硅块一样，从而产生植入柱子中的光子源。

使用这种新的蚀刻方法意味着可以精确地调节纳米柱的尺寸、表面密度和间距，以匹配先进的光子电路。每平方毫米芯片有数以千计的硅纳米柱，通过垂直调节来传输和束缚来自光源的光。

Yonder Berencén博士说：“希望这意味着我们可以在薄柱上执行单个缺陷创建，并在实际上为每个柱子生成单个光子源。它第一次没有完美地工作。相比之下，即使对于最薄的支柱，我们的碳轰击剂量也太高了。但现在距离单光子源只有很短的一步。”

参考文献

Hollenbach, M., et al. (2022) Metal-assisted chemically etched silicon nanopillars hosting telecom photon emitters. Journal of Applied Physics. doi.org/10.1063/5.0094715.

资料来源: https://www.hzdr.de