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基于金剛石優(yōu)異內(nèi)在特性的光子學(xué)應(yīng)用

DT半導(dǎo)體 ? 來(lái)源:DT半導(dǎo)體 ? 2023-06-28 11:03 ? 次閱讀
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人造鉆石生產(chǎn)的進(jìn)步,使新的光子學(xué)技術(shù)成為了可能,但這些新技術(shù)在服務(wù)量子應(yīng)用方面仍然存在許多挑戰(zhàn)。

過(guò)去十余年中,受到一系列關(guān)鍵技術(shù)趨勢(shì)和市場(chǎng)需求的推動(dòng),許多利用金剛石特殊物理特性的商用、新興光子學(xué)技術(shù)迎來(lái)了重大進(jìn)展。通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)合成光學(xué)質(zhì)量金剛石的創(chuàng)新,金剛石色心工程,以及用于制造金剛石光學(xué)元件和光子結(jié)構(gòu)的技術(shù),使這些進(jìn)展成為可能。

基于金剛石優(yōu)異內(nèi)在特性的光子學(xué)應(yīng)用

高純度的金剛石,在紫外線到太赫茲乃至更高的頻率范圍內(nèi)都會(huì)呈現(xiàn)出透明的狀態(tài)。它具有任何塊狀材料中最高的室溫?zé)釋?dǎo)率(>銅的5倍),同時(shí)具有熱光系數(shù)較低。這些特性使金剛石光學(xué)元件成為了高功率工業(yè)激光應(yīng)用的理想選擇,包括機(jī)械加工、焊接和增材制造,它適用于電磁頻譜的許多不同部分。

此外,金剛石是地球上已知最硬的物質(zhì),它非常堅(jiān)硬和堅(jiān)固,因此也非常適合那些需要堅(jiān)固的光學(xué)與紅外組件的國(guó)防和安全應(yīng)用,并且能夠在極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中發(fā)揮作用。 光學(xué)質(zhì)量的CVD金剛石有單晶、多晶兩種形式。多晶金剛石的優(yōu)點(diǎn)是可用于直徑達(dá)135毫米的大尺寸大面積器件。比如,它可以作為高功率10.6 μm CO2激光器的窗口,用于極紫外(EUV)光刻系統(tǒng),用于最先進(jìn)的半導(dǎo)體器件制造節(jié)點(diǎn)。 這項(xiàng)技術(shù)的動(dòng)力是保持摩爾定律的步伐,它嚴(yán)重依賴于合成、加工嚴(yán)格的光學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的金剛石窗,因?yàn)闆](méi)有其他光學(xué)材料可以在所需的極端激光條件下工作。

對(duì)于工業(yè)激光器,大面積多晶CVD金剛石光學(xué)元件比它們通常取代的ZnSe光學(xué)元件更堅(jiān)固可靠(圖片來(lái)源:Element Six)

在波長(zhǎng)短于約1.5 μm時(shí),多晶CVD金剛石中的散射損耗,意味著在該范圍內(nèi)的大多數(shù)應(yīng)用都是使用單晶金剛石來(lái)解決的。由于目前可用的金剛石襯底的尺寸限制,單晶金剛石元件的長(zhǎng)度通常在5-10mm左右,盡管一些生產(chǎn)商正在開(kāi)發(fā)非金剛石襯底上的大面積單晶金剛石,但由于其相對(duì)較高的內(nèi)部應(yīng)變,這種材料不能用于所有光學(xué)應(yīng)用。 盡管存在尺寸限制,一些單晶CVD金剛石光子學(xué)技術(shù)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái),比如基于Element Six獨(dú)特的低光吸收、低雙折射晶體的金剛石拉曼激光器。 這些非線性激光器利用受激拉曼散射現(xiàn)象,將泵浦光束轉(zhuǎn)換為斯托克斯位移輸出光束,從而擴(kuò)大了可用激光源的范圍,用于涵蓋紫外到紅外的新應(yīng)用,包括:材料焊接、3D打印、定向能、激光雷達(dá)、遙感和激光導(dǎo)星(LGS)。

金剛石具有最高的拉曼增益系數(shù)之一,再加上其導(dǎo)熱性優(yōu)異,也就成為了展示功率縮放和亮度增強(qiáng)的理想增益介質(zhì),包括在1.4-1.8 μm的“人眼安全”光譜區(qū)域。而在此范圍內(nèi),可用的激光源選擇以往是受到限制的。

通過(guò)色心工程化擴(kuò)展鉆石的應(yīng)用范圍

雖然金剛石擁有一系列出色的固有光學(xué)特性,但它也存在數(shù)百種不同的光學(xué)活性缺陷(色心)。其中一些對(duì)于利用光的量子態(tài)和色心的電子自旋特性的技術(shù)應(yīng)用具有重要意義,包括量子通信、量子計(jì)算和一系列傳感應(yīng)用。

特別值得一提的是氮空位(NV)色心——它是金剛石中的一種發(fā)光點(diǎn)缺陷,由于能夠在室溫下通過(guò)光和射頻場(chǎng)的應(yīng)用輕松地操縱其量子態(tài),因此金剛石NV色心一直是被深入研究的主題。 根據(jù)最終應(yīng)用工藝,人們可以通過(guò)兩種方法創(chuàng)建NV色心。一是通過(guò)在CVD生長(zhǎng)過(guò)程中控制氮的摻入,使氮原子以所需的濃度分布在整個(gè)材料中。另一方面,則需要對(duì)單個(gè)色心進(jìn)行精確的空間控制,使用氮注入。然后通過(guò)高能電子輻照產(chǎn)生晶格空位,晶體在高溫下退火以調(diào)動(dòng)空位與晶體中的氮原子結(jié)合,從而形成NV色心。類似的方法可以用來(lái)形成其他定制的色心,如硅空位(SiV)或鍺空位(GeV)中心。

對(duì)于量子信息處理,則需要色心陣列——既可以控制其量子特性,又可以通過(guò)光子腔有效地將單個(gè)中心耦合在一起。由于金剛石的化學(xué)惰性和缺乏廣泛的市場(chǎng)可用性,人們?nèi)孕枰度氪罅烤唾Y金來(lái)開(kāi)發(fā)這種結(jié)構(gòu)所需的納米制造技術(shù);但近年來(lái),研究人員們已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展,包括以波導(dǎo)、柱、腔和盤的形式制造復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu),使用各種光刻技術(shù),并采用等離子體和反應(yīng)離子束進(jìn)行蝕刻。

實(shí)現(xiàn)金剛石量子光子學(xué)面臨的未來(lái)挑戰(zhàn)

近年來(lái),研究人員們?cè)谏a(chǎn)具有高內(nèi)在光學(xué)質(zhì)量和高質(zhì)量色心的鉆石方面取得了重大進(jìn)展,并使許多新的和現(xiàn)有的先進(jìn)光子學(xué)技術(shù)成為了可能。

但金剛石應(yīng)用在量子光子學(xué)領(lǐng)域,在成功實(shí)現(xiàn)量子信息處理等應(yīng)用的可擴(kuò)展芯片之前,仍然存在一些挑戰(zhàn)。其中包括:色心工程的改進(jìn)和量子比特的魯棒性;制作晶片;與其他光子材料和元件進(jìn)行混合集成。盡管存在這些挑戰(zhàn),但當(dāng)下面向這些領(lǐng)域的研究非常活躍,并且預(yù)期在未來(lái)幾年將取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

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原文標(biāo)題:光子學(xué)技術(shù)發(fā)展加速人造金剛石應(yīng)用

文章出處:【微信號(hào):DT-Semiconductor,微信公眾號(hào):DT半導(dǎo)體】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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