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量子密钥分发（QKD）协议的最新进展为利用非激光光源的实现提供了机会。一个可能的解决方案是使用铒掺杂的发光二极管（LEDs），这些二极管能够在第三通信窗口产生光子，波长约为1550 nm。在此，我们介绍了一种基于Er:O复合物电致发光的硅LED。此类光源采用完全兼容的CMOS工艺，在220 nm厚的硅基绝缘体（SOI）晶圆上制造，这是硅光子学中的常见标准。通过调节掺入深度，使其与硅层的中心对齐。同时，调节铒和氧的共掺杂比例，以优化电致发光信号。我们制造了一批Er:O二极管，表面积从1 µm × 1 µm到50 µm × 50 µm不等，这些二极管在室温下能够发射1550 nm的光子。我们展示了在室温下，使用冷却至0.8 K的超导纳米线探测器，1 µm × 1 µm设备的发射速率约为5 × 10⁶光子/秒。Er:O二极管在220 nm SOI平台上的集成演示为创建适用于任意统计容忍的QKD协议的集成硅光子源铺平了道路。

划重点：

可注入元素：H He P C Er+ Ge  Yb B,P,F,Al,N,Ar,H,Si,As,O,He

 能提供MeV级Er Fe、Ni、Cu、V、Ti、Mo、Zr、Mg、Al、Si、Au、Ag、N、O等元素的离子束，温度室温 到 800℃ Fe、Ni、Cu、V、Ti、Mo、Zr、Mg、Al、Si、Au、Ag、N、O

#金刚石色心离子注入 

28Si, 29Si, 14N, 15N or 74Ge

#碳化硅色心离子注入  

晶圆：SICOi晶圆  碳化硅外延片 ，更有 美国高纯碳化硅和碳化硅外延片

注入：C,H，He，Er3+ ,V

#硅色心离子注入

硅G色心用：220nm高阻SOI晶圆-C12+RTP+电子束光刻刻蚀

硅T色心用：220nm高阻SOI晶圆-C12+RTP+H+RTP+电子束光刻刻蚀

我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。

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1. 引言

量子密钥分发（QKD）是最著名的量子通信协议之一。自从基于单光子源的首次理论实现以来，许多进展已经取得[1]。其中最重要的进展之一是引入了诱饵状态协议，这使得激光器在QKD协议的实验实现中得以应用[2]。然而，尽管硅光子学近年来逐渐兴起，但仍然缺乏完整的硅实现，因为仍然需要芯片外的激光源，目前仅有集成的无源组件和调制器[3,4]。原则上，III-V族激光器可以通过晶圆键合技术[5]或通过翻转芯片键合的混合集成[6]集成到硅芯片上，但这会增加制造成本并提高工艺复杂度。一个可能的解决方案是最近的一项研究[7]提出的，展示了使用任意光子统计的诱饵状态QKD。这样的选择为在硅芯片中使用非激光光源打开了道路，例如本研究中提出的基于Er-O复合物的SOI LED光子源。这种光源预计具有二项式光子数分布，并且在QKD实验中，它应该以脉冲模式工作，每个脉冲的平均光子数小于1。近年来，基于铒的二极管在大硅中已广泛研究，主要用于高功率应用[8-10]。关于SOI平台，已经在2 µm的硅基绝缘体[11]平台上对与铒相关的缺陷进行了光致发光（PL）表征，但在科学文献中尚未报道在SOI上的铒掺杂二极管。考虑到将这种光源集成到硅光子芯片中，必须从大硅平台转向220 nm SOI平台[12]。事实上，硅光子学提供了一整套光子构建模块，包括调制器、相位移器和光纤耦合器，用于设计复杂电路。这使得具有高性能和功能的先进光子器件成为可能，特别是对于减小尺寸、重量和功率（SWaP），这是空间应用中至关重要的。此外，成熟的CMOS技术可以提供更高的良率和可扩展性[13]。此前，我们已经在大硅中表征了铒-氧复合物在极低浓度下的室温光致发光[14]，通过原子探针断层扫描探讨了铒的扩散[15]，并设计了基于铒的共振腔[16]，这些工作都在利用铒相关缺陷在硅中应用于单光子应用的框架内进行[17]。在这里，我们报告了基于220 nm硅基绝缘体的铒二极管的制造和室温下的电致发光表征。我们选择了完全兼容CMOS的工艺，以符合半导体工业的要求。我们进行了FDTD模拟，以估算纳米二极管中产生的光子总数，并展示了这种设备在制造特征和名义参数之间轻微偏差下的容忍度。电致发光产量的表征是在室温下使用超导单光子计数探测器（SPAD）进行的。

不幸的是，众所周知，Er³⁺离子在室温下的光致发光会被抑制，因为非辐射损耗主导了去激发过程。为了解决这个问题，采用氧共掺杂来形成Er-O复合物。

制造并表征了一批样品，其中铒掺杂区域的大小分别为1 µm × 1 µm、15 µm × 15 µm和50 µm × 50 µm的正方形。

2.2. 掺杂注入

220 nm SOI样品在室温下使用400 kV高压工程离子注入器进行注入。在B、P和Er注入的情况下，使用固体源，而氧（O）注入则采用气体源。设备的p型区域通过30 keV的B注入实现，剂量为4 × 10¹⁴ cm⁻²；n型区域则通过70 keV的P注入定义，剂量为3.7 × 10¹⁴ cm⁻²。注入后，掺杂剂通过在920 °C下退火1小时进行电激活。然后，铒离子以300 keV的能量注入，以将铒浓度峰值定位在220 nm硅层的中心。铒的剂量设置为1 × 10¹³ cm⁻²， resulting in an Er concentration peak of 1 × 10¹⁸ cm⁻³，低于晶体硅中铒的固溶度[25]。最后，氧离子以40 keV的能量注入铒掺杂区域，以重叠两个掺杂浓度分布。之前的研究表明，O:Er比率在1–10范围内时，发光增强效果最大[26–28]。因此，氧的剂量在0.35–1.4 × 10¹⁴ cm⁻²之间变化。注入后，所有样品在氮气气氛中退火30分钟，以去除注入损伤并光激活铒离子。我们研究了两种不同的退火温度：900 °C和920 °C，以确定哪一种退火温度能提供最高的Er:O电致发光产率。

铒离子在硅中的存在通过修改硅折射率的实部进行模拟。光源被建模为硅层中的一个振荡偶极子。我们评估了垂直发射的功率占总发射功率的比例。采用的边界条件是完美匹配层（PML）边界条件。此外，我们还计算了Purcell因子，以检查设备的形状是否显著地抑制或增强了发射功率。Purcell因子小于1表示环境相对于自由空间情况下抑制了自发发射，而大于1的值则表示自发发射得到了增强。

我们发现，向上发射的辐射百分比保持稳定，约为6%，与样品的大小无关。两个较小的几何形状，其Purcell因子分别为0.41和0.72，并未促进自发偶极子发射的增加，因为它们与发射波长不共振。最大的几何形状的Purcell因子为1.16，仍远未达到最佳共振条件。

对最小的制造结构进行了参数研究，以检查在制造偏离名义尺寸的情况下的容忍度。对于较小的样品，修改了长方体的长度，考虑到名义长度为1000 nm，并假设可能的误差为±5%。因此，评估的范围是从950 nm到1050 nm，步长为5 nm。如图2b所示，Purcell因子平滑地从0.46变化到0.38，且没有共振现象。这表明，在可能的小尺寸偏差情况下，二极管仍将按预期行为表现。

4. 实验结果

接下来，我们将讨论基于制造设备的实验结果。首先，我们将提供氧掺杂效果的实验表征。接着，我们将讨论在设备中观察到的电致发光。

4.1. 氧掺杂的表征

为了理解最佳的氧共掺杂剂量，我们对三块未制造的220 nm SOI样品进行了铒和氧掺杂，并通过光致发光（PL）光谱学进行表征。铒掺杂和氧注入是在与前面描述的设备相同的条件下进行的，即铒的能量为300 keV，剂量为1 × 10¹³ Er cm⁻²，而氧的能量为40 keV，剂量范围为0.35–1.4 × 10¹⁴ O cm⁻²，以理解导致最佳发光性能的条件。

PL测量是通过使用HeCd激光器的325 nm线进行激发的。激光束通过声光调制器以11 Hz的频率进行调制。然后，发光信号被聚焦到单光栅单色仪的孔径上，并通过液氮冷却的锗探测器进行检测。最后，来自探测器的信号通过锁相放大器进行测量，使用声光频率作为参考，以提高信噪比。低温测量使用闭环氦低温箱进行，样品保持在真空状态下。图3显示了不同氧含量的样品的PL光谱，并分别在900 °C（图3左侧面板）和920 °C（图3右侧面板）下退火。这些测量是在11 K下进行的。