厚度可控六方氮化硼直接在硅平台上生长实现单光子发射器

《Advanced Optical Materials》：Single-Photon Emitters in Thickness-Controlled hBN Directly Grown on Silicon Platform

　　

六方氮化硼（hBN）已成为二维平台中室温量子光发射的主要宿主材料，能够轻松与多种光子器件集成。然而，可扩展的hBN生长通常局限于超薄薄膜和有限的衬底选择，使得实际器件集成必须依赖转移步骤。本研究报道了在CMOS兼容的SiO2/Si衬底上，通过无催化剂的化学气相沉积直接生长厚度可控的hBN薄膜，实现了无需转移的大面积生长，且该hBN薄膜可承载单光子发射器（SPEs）。通过系统调控生长参数，研究人员将SPE密度从2 × 107 cm?2调控至7 × 107 cm?2，并确定了获得最高发射体密度的最优生长条件。光物理测量确认了高纯度发射，其g2(0)值低至0.09（未经背景校正）。重要的是，SPE在厚度高达100 nm的较厚hBN层中仍保持良好的孤立性，这为实现光学模式限制和制备集成光子架构提供了与器件相关的厚度范围。这些结果为在硅平台上集成基于hBN的量子光源提供了一条可扩展的途径，适用于大面积量子光子器件。

论文解读文章

研究背景与现存问题

量子光子技术是实现量子通信、量子传感和集成量子信息处理的关键基石，而单光子发射器（SPE）是其核心构建模块之一。在众多固态平台中，六方氮化硼（hBN）因其宽带隙、化学稳定性以及在室温下支持光稳定且最亮的单光子发射等特性，成为极具吸引力的二维宿主材料。然而，将嵌入SPE的hBN实际集成到硅兼容器件平台仍面临巨大挑战。迄今为止，hBN基SPE主要依赖于机械剥离的薄片，这种方法获得的薄片横向尺寸有限、厚度不均匀、几何形状不规则，并且通常需要复杂的后处理才能产生SPE，严重阻碍了晶圆级制造和单片集成光子架构的实现。虽然化学气相沉积（CVD）作为可扩展的集成导向合成方案被提出，但高质量CVD生长的hBN通常在金属催化剂（如Cu箔）上完成，这些金属基底不适合作为最终的光子芯片平台，因此CVD生长的hBN薄膜在器件制备前通常需要转移到目标介电衬底上。这种转移流程涉及光刻、蚀刻和反复清洗，会引入聚合物残留、应力和非预期缺陷，从而干扰发射体的局部环境，成为hBN SPE可靠集成的持久瓶颈。直接在介电衬底上生长hBN是实现无转移集成的理想策略，但此前在蓝宝石上的直接生长存在与CMOS工艺不兼容的问题，且已报道的可承载SPE的CVD生长hBN薄膜厚度均低于15 nm，不足以约束光学模式，限制了其在集成光子器件中的实用价值。因此，在CMOS兼容的SiO₂/Si平台上直接生长含有SPE的厚hBN薄膜，是一条重要但尚未充分探索的路线。

研究内容与结论

研究人员展示了一种无转移路线，即通过无催化剂CVD法，在CMOS兼容的SiO₂/Si衬底上直接生长厚度可控的hBN薄膜，并证明所生长的薄膜本身即可在室温下承载单光子发射器。均匀、大面积且厚度可控的hBN薄膜实现了系统的光学表征，共聚焦光致发光（PL）映射揭示了空间分布的高纯度SPE，其g²(0)值低至0.09（未经背景校正）。特别是，稳定的单光子发射在厚度高达100 nm的较厚hBN层中得以保持，这一厚度区间更有利于集成光子器件结构中的稳健光子模式限制和制备。通过对不同生长条件下的发射体统计数据进行定量分析，研究表明非经典光发射体的面密度以及满足单光子判据的发射体比例，均可通过薄膜厚度、生长温度和生长后退火等工艺参数进行调控。X射线光电子能谱（XPS）分析进一步揭示了SPE特性与碳（C）相关键合构型比例之间的关联，表明生长介导的缺陷化学有助于SPE的形成和产率。这些结果共同确立了在硅上直接生长承载SPE的hBN作为一种可扩展且CMOS兼容的材料平台，用于实现量子光源的无转移集成，迈向实用的片上量子光子学系统。

关键技术方法

本研究采用的核心技术方法包括：

1. 1.
   无催化剂化学气相沉积（CVD）系统：利用硼嗪（borazine）作为硼和氮的前驱体，在无金属催化剂的条件下，于SiO₂/Si衬底上直接生长hBN薄膜。
2. 2.
   缺陷工程：在CVD生长过程中引入CH₄作为碳源以促进碳相关缺陷的形成，并通入少量O₂以调控缺陷形成环境，从而在不需后处理的情况下直接产生SPE。
3. 3.
   结构与光学表征技术：使用高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）、光谱椭偏仪、原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱表征薄膜的结构、光学各向异性和结晶质量；利用XPS分析碳相关缺陷的化学键合状态。
4. 4.
   单光子发射性能评估：搭建共聚焦PL系统，结合Hanbury Brown-Twiss（HBT）干涉仪进行二阶自相关函数g²(τ)测量，以验证单光子发射性质，并进行时间分辨PL测量获取激发态寿命。

研究结果

2.1 在CMOS兼容SiO₂/Si平台上直接生长缺陷工程化的hBN

研究人员通过无催化CVD工艺，精确控制H₂、CH₄、O₂和硼嗪流量，在SiO₂/Si衬底上实现了无转移生长。HR-TEM图像证实了生长的hBN保持了良好的二维层状结构，层间距为0.339 nm。光谱椭偏测量显示薄膜保留了hBN特有的显著光学各向异性，双折射率Δn≈0.27（594 nm处），且在紫外区域观察到与激子响应相关的特征吸收峰，表明其各向异性光学响应和电子结构基本得以保存。XPS分析显示，随着CH₄流量的增加，成功将CNB₂和C₂NB等碳相关缺陷构型引入hBN晶格。AFM图像显示薄膜表面光滑，粗糙度低，且薄膜厚度随生长时间线性增加，生长速率约为1.91 nm/min，证明了该CVD工艺的可控性和可重复性。

2.2 单光子发射器的光物理表征与统计分析

研究人员对代表性发射体进行了二阶自相关测量，结果显示QE1和QE2的g²(0)值分别为0.241和0.261，远低于经典极限0.5，确认了室温下的非经典单光子发射。时间分辨PL测量显示激发态寿命在纳秒范围内。即使在约100 nm厚的较厚hBN薄膜中，发射体也表现出超过600秒的稳定发射，无明显闪烁或光谱扩散。研究还观察到两种典型的光谱行为：一种具有尖锐的零声子线（ZPL），另一种呈现宽带发射。统计分析表明，尖锐光谱发射体的ZPL能量集中在平均值2.185 eV附近，标准偏差为0.048 eV。

2.3 单光子发射体产率的工艺依赖性控制

研究人员通过系统分析不同生长条件下的发射体统计数据，发现SPE的形成并非随机。随着hBN薄膜厚度从14 nm增加到350 nm，总的反聚束发射体面密度从2 × 10⁷单调增加到7 × 10⁷ cm^?2，但满足单光子判据的发射体比例在中厚度时达到最大，随后下降，在350 nm厚的薄膜中未检测到符合条件的SPE。这表明虽然更厚的薄膜支持更高密度的光学活性缺陷，但缺陷重叠会降低单光子纯度。生长温度对发射体密度和单光子比例均有显著影响，存在一个最优温度窗口。生长后退火处理也能改变发射体总数和满足单光子判据的比例，表明后处理可以调节缺陷的光学活性和稳定性。

2.4 生长条件依赖的碳相关缺陷与量子发射体形成

XPS分析表明，随着hBN薄膜厚度增加，sp² N–B峰的半高宽（FWHM）先减小后饱和，表明结晶有序度提高。碳相关缺陷的总比例和C₂NB组分比例随厚度先增后减，在约50 nm时达到峰值，这与SPE比例的变化趋势相似，暗示C₂NB缺陷可能促进了SPE的形成。在不同生长温度下，C₂NB组分的比例在1100°C时达到最大值，这与SPE比例和量子发射体密度随温度变化的趋势高度一致。对不同退火条件的分析也显示，C₂NB组分的变化趋势与SPE比例的变化紧密相关。这些结果表明，SPE的性能可以通过生长工程进行系统调控。

结论总结

研究人员展示了一种无转移路线，可直接在CMOS兼容的SiO₂/Si衬底上通过无催化剂CVD生长厚度可控的hBN薄膜，并且这些薄膜本身即可在室温下承载单光子发射器。均匀、大面积的hBN薄膜实现了可重复的厚度控制，共聚焦PL映射揭示了空间分布的高纯度SPE，其g²(0)值低至0.09（未经背景校正）。如表S1所示，这种在介电衬底上直接生长、无需催化剂和转移处理、并能实现高纯度室温单光子发射的组合，使本研究的方案区别于以往报道的CVD生长hBN SPE平台。特别是，稳定的单光子发射在厚度高达100 nm的较厚hBN层中得以保持，提供了一个与集成光子器件结构中稳健的光子模式限制和制备更为兼容的厚度区间。通过定量分析不同生长条件下的发射体统计数据，研究表明非经典光发射体的面密度以及满足单光子判据的发射体比例，均可通过薄膜厚度、生长温度和生长后退火等工艺参数进行工程设计。XPS分析进一步揭示了SPE特性与碳相关键合构型比例之间的相关性，表明生长介导的缺陷化学有助于SPE的形成和产率。这些结果共同确立了在硅上直接生长承载SPE的hBN作为一种可扩展且CMOS兼容的材料平台，用于实现量子光源的无转移集成，向着实用的片上量子光子学系统迈出了重要一步。