МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 5, с. 323-337
= КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
УДК 530.145
ОПТИМИЗАЦИЯ СВОЙСТВ АЛМАЗНЫХ СТРУКТУР С NV-ЦЕНТРАМИ
© 2015 г. А. В. Цуканов
Физико-технологический институт Российской АН E-mail: tsukanov@ftian.ru Поступила в редакцию 15.01.2015 г.
Рассматриваются и анализируются результаты экспериментальных работ, посвященных дальнейшему совершенствованию технологии изготовления алмазных структур, содержащих NV-центры. Затрагиваются вопросы, связанные с получением центров (как одиночных, так и их ансамблей), управление их зарядом и пространственной ориентацией. Особое внимание уделяется новым направлениям, таким, как дельта-легирование алмазных пленок азотом и контроль направления центров относительно поверхности.
DOI: 10.7868/S0544126915050117
1. ВВЕДЕНИЕ
В течение двух десятилетий NV-центры — дефекты в природных и синтетических алмазах, состоящие из атома азота и вакансии, которые занимают соседние узлы кристаллической решетки — привлекают к себе пристальное внимание многих исследователей. Можно с уверенностью констатировать, что практический интерес к алмазным структурам с NV-центрами возник после того, как их уникальные свойства (в первую очередь, возможность оптического контроля спинового состояния и длительное сохранение когерентности при комнатной температуре) было предложено использовать для создания прототипов твердотельных квантовых битов [1—3]. В данном обзоре вниманию читателя будут представлены результаты работ 2011—2014 годов, охватывающие три направления развития современной алмазной технологии. Мы не будем подробно останавливаться на тех отлаженных методиках, которые уже стали неотъемлемой частью производственной и экспериментальной базы благодаря высокой степени надежности (отжиг, литография, измерение и др.), а сфокусируемся на примерах дальнейшего совершенствования существующих подходов и успешного внедрения новых идей. Что касается формирования центров, то, наряду с заметным прогрессом в сфере имплантаци-онных методов, обеспечивающих пространственную локализацию дефектов, наблюдается быстрое развитие новой стратегии — их синтеза в процессе роста алмаза, позволяющей заметно улучшить функциональные свойства центров. Алмазные пленки, выращиваемые методом химического осаждения (chemical vapor deposition, далее — CVD) и характеризующиеся изотопической чистотой, дают возможность существенно увеличить время спиновой когерентности центров. Далее, рынок высокоточных сенсоров (магнитометров, элек-
трометров, термометров и др.) на основе алмазных наноструктур, где в роли чувствительных элементов выступают ансамбли МУ-центров, предъявляет новые требования к качеству данных приборов. Если при изготовлении первых датчиков основная задача состояла в обеспечении высокой концентрации центров и надежном интегрировании алмаза в инфраструктуру чипа, то в настоящее время внимание разработчиков нацелено на увеличение количества активных (отрицательно заряженных) центров и на унификацию их отклика на внешние поля за счет контроля ориентации осей симметрии относительно поверхности. Основные подходы к оптимизации уже существующих и только разрабатывающихся приборов данного назначения базируются на использовании методов химического и оптического воздействия на алмаз после формирования в нем МУ-центров, а также на управлении процессом синтеза центров в ходе роста самого алмаза. Важно отметить, что технологические приемы, с которыми мы познакомимся, являются общими для изготовления алмазных устройств разного назначения — от квантовых компьютеров и источников одиночных фотонов до сенсоров внешних полей и микромеханических устройств.
2. УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАЗОВАНИЯ МУ-ЦЕНТРОВ
Как известно, самый простой и дешевый способ получения большого количества искусственных МУ-центров заключается в ионной бомбардировке "грязного" алмаза 1Ь-типа, уже содержащего значительное число атомов азота (1—200 ррт), с целью создания вакансий в его приповерхностном слое [1]. После ионной обработки образец подвергается отжигу, в ходе которого часть мигрирующих
8 107
о
о
8 106
о <ч
н _
13 105 ^
Ч
°Ш4
103
0.1
о
о
о
_|_I_I_I_I_I I I I
• •
•О
—I_I_I_I I I I
о
О О
1
10
Доза облучения, 1 х 1012 ион/см
_|_I_I_I_■ ■ ■'
100
Рис. 1. Зависимость сигнала фотолюминесценции с длиной волны = 637 нм от участков поверхности алмаза в зависимости от дозы облучения ионным пучком Не+ [5].
вакансий захватывается атомами азота, что и приводит к образованию МУ-центров. Размер и геометрия области, в которой происходит такой процесс, определяются параметрами ионного пучка (угол фокусировки, энергия частиц), а количество центров зависит от концентрации азота в алмазе и плотности потока ионов. Наиболее подходящими считаются легкие ионы Не+ с энергиями 10—35 эВ, не приводящие к серьезным повреждениям решетки алмаза и создающие вакансии (60—70 на один ион) на глубине 130 ± 30 нм с разбросом в горизонтальной плоскости около 40 нм. Кроме того, заряд иона дает возможность контролировать сечение пучка с нанометровым разрешением за счет фокусирующих полей (т.н. ионной оптики). В работах [4, 5] проводились комплексные исследования эффективности образования центров с помощью гелиевого ионного микроскопа в зависимости от плотности пучка ионов (дозы облучения). Сообщается о 10%-ой конверсии азота в МУ-центры, что сопоставимо с результатами в схемах имплантации с использованием азота с той же энергией ионов. Однако для гелия уширение линии оптического перехода оказывается в 4 раза меньше, чем для азота [4]. Авторами работы [5] изучались массивы квадратных участков 5 х 5 мкм2 на расстоянии 10 мкм друг от друга, подвергавшихся воздействию пучков с разными дозами. Линейная зависимость концентрации центров, пропорциональной интенсивности флюоресценции участка, от дозы ионов сохраняется в широком диапазоне — от 1010 до 1014 см-2, как показано на рис. 1. При дозах выше 1016 см-2 начинается необратимая амор-физация алмаза, что приводит к резкому падению уровня флюоресценции. Исследователи отмечают небольшое уменьшение времени жизни т центров (<12 нс) в возбужденном состоянии с ростом концентрации центров в ансамбле [5]. Еще один метод получения компактных массивов центров в
1Ь-алмазах заключается в воздействии на алмаз электронными пучками с энергией 28 МэВ, которое в условиях низких температур (Т = 77 К) обеспечивает 24%-ую конверсию природного азота в МУ-центры [6].
Азот и азотосодержащие вещества представляют собой наиболее естественный материал для формирования МУ-центров путем имплантации. Обычно они применяются с целью создания небольшого количества центров в ультрачистых алмазных пленках (99.99% 12С), в которых концентрация азота не превышает 0.1-1 ррЬ. Варьируя плотность и энергию пучка, можно получать как массивы, так и одиночные центры на заданной глубине. В работе [7] использовался пучок ионов 15№3 с очень большой энергией — 10 МэВ, благодаря чему эффективность превращения имплантируемого азота в МУ-центры возрастала почти в два раза по сравнению с обычными источниками ионов (10—40 кэВ) и достигала 40 ± 3%. При этом до 56 ± 3% атомов природного азота в 11а-алмазе ([14М] = 0.1 ррЬ) также трансформировались в центры, что обеспечило почти 100%-ую эффективность процесса конверсии. Этой исследовательской группе удалось получить квадратную решетку центров с расстоянием ~ 8 мкм между соседними точками экспозиции пучка (рис. 2). На каждую точку приходилось в среднем 2.8 ионов. С помощью конфокальной микроскопии удалось определить, к какому типу - природному или имплантированному - принадлежит атом азота в каждом из центров, а также рассчитать его глубину залегания. Согласно экспериментальным данным, подтверждаемым результатами расчетов, имплантированные центры лежат несколько глубже от поверхности (3.8 ± 0.2 мкм), чем центры, образовавшиеся естественным путем (3.5 ± 0.3 мкм), причем ближе чем 2.8 мкм к поверхности никаких центров обнаружено не было. Авторы отмечают большие
5 мкм
(15
NV-
o14nv- x14nv- + 15nv
100
m о н о
о н о
0 0 0
л
я
о н о
е
0
...о]
S12 ;_°1з ; °14 ; S15
............£ь-
8*
S9
10:
— <р-.....(У-.....ОЖ
S4 ier-
So
-¿••О"»
1 Si ■
S2
о :
S7
*г
---О: S3
Рис. 2. Слева: оптическое изображение флюоресцирующих МУ-центров (пересечения пунктирных линий соответствуют местам ионного воздействия). Стрелками указаны другие (неизвестные) центры окраски алмаза. Справа: изотопическая идентификация одиночных центров и пар центров (белые кружки — центры, в состав которых входит "природный" атом азота 14М черные кружки — центры, содержащие имплант 15Ы, и крестики — пары центров, в состав которых входят оба изотопа азота) [7].
времена когерентности T2 ~ 2 мс у всех центров, что сопоставимо с величиной T2 для центров, возникающих в процессе роста CVD-пленки, а также высокую стабильность отрицательно заряженной формы.
Чтобы получить массив центров с более определенными координатами, можно воспользоваться литографической маской (PMMA) с отверстиями заданного диаметра [8]. При работе с маскированной поверхностью следует работать с энергиями ионов, не превышающими 10—20 кэВ, поскольку ионы с большей энергией будут испытывать отражение от стенок отверстий (shadowing), что приведет к большому разбросу их траекторий. В работе [8] сообщается о линейной зависимости числа центров от площади отверстий (диаметр последних варьировался в пределах от 80 нм до 240 нм) в чистом алмазе с концентрацией [14N] < 5 ppb. Центры образуются в открытом приповерхностном слое алмаза на глубине 30 нм с эффективностью 6—7%, что дает в среднем 0.9—5 центров для используемых здесь плотностей потока 5 х х 1010—2 х 1011 см-2 ионов 15N+. Моделирование процесса имплантации дает разброс в 25 нм в горизонтальной плоскости, что указывает на гораздо более точное позиционирование дефектов, чем в предыдущей работе. Однако и время потери когерентности T2 = 3.39 ± 0.02 мкс для приповерхностных центров на три порядка короче. Способ увеличить значение Т2 на порядок с сохранением точности позиционирования был продемонстри
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.