AQUES-projekti (AlN-on-Si kvanttilähteet ja -sensorit) alkoi vuoden 2025 alussa osana Helsinki Institute of Physics (HIP) Teknologiaohjelmaa. Projektin tavoitteena on suunnitella haluttuja pistevirheitä, jotka pystyvät luomaan yksittäisiä fotoneja korkealaatuisessa alumiininitridissä (AlN), jota kasvatetaan piialustoilla (Si (111)), hyödyntämällä metalli-orgaanista höyryfaasiepitaksikasvatusta (MOVPE) kvanttitekniikoiden sovelluksiin. Keskeisiin tavoitteisiin sisältyy esimerkiksi  MOVPE-kasvatusparametrien optimointi, tutkimus pistevirheiden muodostumiseen eri kasvuolosuhteissa ja kasvatusparametrien vaikutus, sekä tavoiteltujen pistevikojen muodostumisen suunnittelu ioniimplantaation ja lämpökäsittelyjen avulla yksittäisen fotonin emittointikyvyn parantamiseksi, ja lopuksi niiden karakterisointi edistyneillä optisilla karakterisointitekniikoilla. Projekti on Aalto-yliopiston ja Helsingin yliopiston yhteistyöhanke, jossa yhdistetään molempien alakohtainen asiantuntemus tutkimusaiheesta. Tässä blogikirjoituksessa annan lyhyen yleiskatsauksen projektin taustasta, keskeisistä käsitteistä ja toteuttamisstrategioista.

Ennen kuin sukellamme aiheeseen, selvennetään mitä yksittäiset fotonilähteet pohjimmiltaan ovat ja miten niitä voidaan karakterisoida ja todentaa. Yksittäiset fotonilähteet (SPEs) ovat kvanttivalolähteitä, jotka tuottavat yksittäisiä fotoneita suurella tarkkuudella joko halutusti tai suurella todennäköisyydellä, ja ne ovat avaintekijöitä uusien ja innovatiivisten sovellusten toteuttamisessa kvanttimaailmassa. SPE:t ovat luonteeltaan fotoniantibuchtungisia, joka on kvanttimekaaninen ilmiö, jossa fotonit emittoidaan tai havaitaan tasaisemmalla aikavälillä kuin klassisesta valonlähteestä odotettaisiin. Toisin sanoen, SPE ei voi emittoida toista fotonia välittömästi ensimmäisen jälkeen, koska se tarvitsee aikaa palatakseen perustilaansa ja virittyäkseen jälleen, mikä johtaa pienempään todennäköisyyteen havaita niputtautuneita lähekkäin tulevia fotoneita. Tämä johtaa niin sanottuun sub-Poisson- tilastolliseen käyttäytymiseen, mikä tarkoittaa, että fotonilaskennan varianssi on pienempi kuin keskiarvo, mikä on suora osoitus ei-klassisesta valosta, sillä klassiset valonlähteet osoittavat ns. Poissonian tai super-Poissonan tilastollisuutta. Tämän ilmiön laajuus kvantifioidaan käyttämällä autokorrelaatiofunktiota, joka on toisen asteen aikakorrelaatiofunktio g⁽²⁾(τ), jossa g⁽²⁾(0) < 0.5 arvo nolla-aikaviiveessä (τ = 0) vahvistaa yksittäisen fotonin emittoinnin (ideaalisessa SPE-lähteessä g⁽²⁾(0) = 0). Nämä mittaukset suoritetaan yleensä käyttämällä Hanbury Brown ja Twiss (HBT) interferometriaa, joka hyödyntää keilanjakajaa jakamaan emittoidun valon kahden detektorin kesken, mittaamaan fotonitapahtumien saapumisaikojen eroja ja luomaan histogrammin näistä viiveistä.

Huomioiden yksittäisten fotonilähteiden (SPE:t) kriittinen merkitys kvanttisovelluksissa, keskeinen haaste on kehittää tehokkaasti skaalautuvia ja luotettavia valmistusprosesseja niiden integroimiseksi nykyisiin järjestelmiin ja teknologioihin. Ennen tätä käydään lyhyesti läpi saatavilla olevat SPE-tyypit, joita on olemassa eri muodoissa. Kvanttipisteisiin ja ioniloukkuihin perustuvat SPE:t vaativat usein erittäin matalia lämpötiloja koherenssin säilyttämiseksi ja tarkan kontrollin mahdollistamiseksi. Nämä järjestelmät hyödyntävät kryogeenistä laitteistoa, mikä monimutkaistaa skaalautuvuutta. Vaikka nämä emittoijat toimivat poikkeuksellisen hyvin kontrolloiduissa laboratorioympäristöissä, niiden monimutkaiset kokoonpanot haittaavat käytännön toteutusta. Toisaalta erittäin suuren energia-aukon (UWBG) ja suuren energia-aukon (WBG) materiaalien, kuten timantin, heksagonaalisen boorinitridin, alumiininitridin (AlN), piikarbidin (SiC) ja galliumnitridin (GaN) virhekeskukset tarjoavat lupaavan mahdollisuuden uusiin käytännön sovelluksiin. Nämä virhekeskukset, joita kutsutaan myös syviksi värikeskuksiksi, voivat emittoida yksittäisiä fotoneita jopa huoneenlämmössä. Vaikka tällaiset virhekeskukset ovat ei-toivottuja elektronisissa ja optoelektronisissa laitteissa heikentäen niiden suorituskykyä ja tehokkuutta, niitä hyödynnetään kvanttisovelluksissa, koska ne tarjoavat paikallisia, hallittavia ja optisesti havaittavissa olevia spin-tiloja kubiteille ja emittoivat yksittäisiä fotoneita, mikä on ensiarvoisen tärkeää kvanttiviestinnässä ja -salauksessa. Kuva 1 havainnollistaa virhetiloihin perustuvan SPE-konseptin sekä niiden mahdollisia sovellukseia kvanttimaailmassa. Kyky toimia huoneenlämmössä skaalautuvilla valmistusmahdollisuuksilla tekee UWBG-materiaalien virhekeskuksista vahvoja kandidaatteja kehitettäessä käytännöllisiä ja tehokkaita yksittäisfotonilähteitä uusiin sovelluksiin kvanttiteknologioissa ja -järjestelmissä.

AQUES-projektissa keskitymme tiettyjen pistevirheiden suunnitteluun AlN:ssä sen erinomaisen fysikaalisten ominaisuuksien johdosta. AlN:llä on erittäin leveä energia-aukko (6,2 eV), korkea sähkövastus (>10^13 Ω.cm), erinomainen lämmönjohtavuus (jopa 318 W/m·K) ja se on yhteensopiva CMOS-valmistusprosessien kanssa. Nämä ominaisuudet tekevät AlN:stä erittäin käyttökelpoisenmateriaalin monenlaisiin sovelluksiin, kuten fotoniikkaan, tehoelektroniikkaan ja mikromekaanisiin järjestelmiin (MEMS. Lisäksi AlN:a voidaan valmistaa kerroksittain fysikaalisella höyryfaasikasvatuksella (PVD) sekä epitaksiallisilla prosesseilla kuten MOVPE ja molekyylisuihkuepitaksia (MBE) monininaisille alustoille. Epitaksiaaliset prosessit korkeissa lämpötiloissa (≈ 1000 °C) tarjoavat merkittävää vapautta materiaalin ominaisuuksien räätälöinnissä, korkean kidelaadun, paremman epäpuhtauksien ja virheiden hallinnan  sekä pinnan karheuden osalta.

Kirjallisuus osoittaa, että safiiri- ja piialustoille epitaksiaalisesti kasvatetuissa AlN-kalvoissa on huoneenlämmössä havaittu yksittäisiä fotonilähteitä (SPE) emittoimassa näkyvällä ja lähi-infrapuna-alueella. Kuitenkin nämä emittoijat ovat jakautuneet satunnaisesti, mikä aiheuttaa haasteita ennustettavuuden ja valmistuksen suhteen [1]. Emittoijien satunnainen jakautuminen voi vaikeuttaa pyrkimyksiä suunnitella laitteita tarkkojen ja luotettavien kvanttiominaisuuksien saavuttamiseksi. Suorituskyvyn ja tasalaatuisuuden parantamiseksi on tärkeää suunnitella haluttuja virherakenteia. Tämä voidaan saavuttaa ioni-istutuksella, jota seuraa lämpökäsittely virheiden aktivoimiseksi. Viimeisimmät tutkimukset ovat osoittaneet, että SPE:tä voidaan luoda käyttämällä AlN-ohutkalvoissa helium (He), zirkonium (Zr), krypton (Kr) ja alumiini (Al)ioni-istutusta [2-4]. Zr:n kohdalla teoreettiset ennusteet stabiilien kompleksien muodostumisesta typen vakanssien kanssa Zr_AlV_N [5] vahvistettiin kokeellisesti tutkimuksessa [4], mutta samanlaisia vikoja, jotka emittoivat samalla spektrialueella, havaittiin myös kasvatusvaiheessa olevassa AlN:ssä ja AlN-kalvoissa, joihin oli istutettu kryptonia. Tämä toi esille ongelman, joka koskee pelkästään luotettaessa fluoresenssiin  SPE:n vahvistamiseen ennustettavilla ominaisuuksilla. Siksi optimaalisten tulosten saavuttaminen vaatii huolellista teoreettista suunnittelua virheiden käyttäytymisen ennustamiseksi ja hallitsemiseksi, sekä kattavaa kokeellista karakterisointia SPE-lähteiden laadun ja johdonmukaisuuden varmentamiseksi. Tällaiset menetelmät mahdollistavat materiaalin ominaisuuksien kohdennetun manipuloinnin emittoijien tuottamiseksi halutuilla ominaisuuksilla.

AQUES-projektissa SPE pistevirheiden suunnittelustrategia  vaatii perusteellista ymmärrystä niiden muodostumismekanismeista sekä niiden suhteesta MOVPE-kasvatusprosessin parametreihin. Aalto-yliopiston Aixtron MOVPE-reaktoria käyttäen kasvatetaan korkealaatuisia yksikiteisiä AlN-kerroksia Si (111) -alustoille. Reaktori sisältää edistyneitä in-situ-seurantajärjestelmiä ja erikoistuneen suihkupää-kaasuinjektorin, joka minimoi ei-toivotut esireaktiot, yhdessä korkean lämpötilan lämmittimen kanssa, joka pystyy saavuttamaan 1500 °C lämpötilankorkealaatuisia Al-pitoisia III-N-seoksia valmistettaessa. MOVPE-prosessin parametrit optimoidaan AlN-kerrosten tuottamiseksi mahdollisimman vähäisin virhein ja epäpuhtauksin 150 mm:n piikiekoilla. Kasvatettuja AlN-kalvoja karakterisoidaan niiden kidelaadun, jäännösjännitysten ja pintamorfologian osalta käyttämällä edistyneitä analyysitekniikoita kuten HRXRD, AFM, SEM ja TEM. AlN-Si-rajapinnan virheitä ja ansoitustiloja karakterisoidaan myös sähköisin mittauksin. Ennen ioni-istutuskokeita epäpuhtausasteiden perusteellinen karakterisointi on oleellista kalvon laadun varmentamiseksi, luontaisten epäpuhtauksien tunnistamiseksi ja niiden varausasteiden määrittämiseksi. Pistevirhetilat (vakanssit, antisite-virheet), epäpuhtauksien vaikutus (esim. hiili) sekä piikiekkojen luontaiset epäpuhtaudet (esim. O, N) ja niiden kompleksit AlN-materiaalissa sekä AlN-Si-rajapinnalla tutkitaan käyttäen edistyneitä karakterisointitekniikoita, jotka ovat saatavilla kiihdytinlaboratoriossa. Laboratorion huippuluokan tiloihin kuuluu äskettäin päivitetty 5 MV tandem-kiihdytin, 500 kV kiihdytin/ioni-istututin ja kaksi hidaspositronilähdettä. Muita käytettäviä analyysimenetelmiä ovat muun muassa partikkelien indusoiman röntgenemissioon (PIXE), elastisen takaisinsirontaanalyysiin (ERDA), Rutherfordin takaisinsirontaspektroskopiaan (RBS), kiihdytinmassaspektrometriaan (AMS) sekä positronin annihilaatioon perustuvat elinikä- ja Dopplerin laajennusspektroskopiat. Kokeita voidaan suorittaa laajalla lämpötila-alueella 1500 K:sta alas kryogeenisiin lämpötiloihin mK-alueelle. Kuvassa 2 ovat projektin keskeiset työkalut – Aalto-yliopiston MOVPE-reaktori ja kiihdytinlaboratorion positronin annihilaatiospektroskopia (PAS).

MOVPE-prosessin optimoinnin jälkeen tehdään eri AlN-paksuuksille , jotka vaihtelevat sadoista nanometreistä muutamaan mikroniin, näytteille mikro-rakenteellinen ja sähköinen karakterisointi jonka jälkeen ne valmistellaan jatkotutkimuksia varten. Helsingin yliopiston kiihdytinlaboratoriossa tehtävässä ioni-implantoinnissa istutetaan erilaisia seosaineita näihin optimoituihin AlN-kerroksiin tavoitteena suunnitella tiettyjä virhemuodostumia, jotka toimivat yksittäisfotonilähteinä. Erilaisia seosaineioneja, istutusenergioita ja istutusvuon suuriuuksia tutkitaan optimaalisten prosessointiolosuhteiden tunnistamiseksi. Lopuksi tehdään optinen karakterisointi, mukaan lukien jatkuvan aallon sekä pulssitetut autokorrelaatiomittaukset,joiden perusteella arvioidaan suunniteltujen virheiden yksittäisfotonin emitointikyvyt.

Aalto-yliopiston elektroniikan integroinnin ja luotettavuuden ryhmän (EILB) sekä Helsingin yliopiston kiihdytinlaboratorion välillä tulee olemaan aktiivista yhteistyötä. Projektissa hyödynnetään laajasti Otaniemen mikro- ja nanoteknologian tutkimusinfrastruktuurin (OtaNano) tiloja: Micronovaa ja Nanomikroskopiakeskusta AlN:n kasvattamiseksi, mikrorakenteellisessa ja sähköisessä karakterisoinnissa, sekä Helsingin kiihdytinlaboratorion tiloja syvälliseen materiaalikarakterisointiin, ioni-istutukseen ja optiseen karakterisointiin.

Tutkimusryhmään kuuluu seuraavat tutkijat: Nikhilendu Tiwary (projektin johtaja, AU), Josef Stevanus (AU), Mervi Paulasto-Kröckel (AU), Wen Xi (UoH), Igor Prozheev (UoH), Ilja Makkonen (UoH), Filip Tuomisto (UoH) ja Matti Kalliokoski (UoH).

Mikäli tutkimuspyrkimykset AQUES-projektissa onnistuvat, ne raivaavat tietä käytännöllisemmille ja merkittäville sovelluksille kvanttimaailmassa, kuten kvanttihavainnointi, kvanttisalaus, kvanttiviestintä ja kvanttilaskenta.

Nikhilendu Tiwary
Staff Scientist, Aalto University
Projektipäällikkö (AQUES), Helsinki Institute of Physics

Viitteet:

[1] J. K. Cannon et al., “Room temperature quantum emitters in aluminum nitride epilayers on silicon”, Applied Physics Letters, vol. 124, 244001, 2024.
[DOI: https://doi.org/10.1063/5.0207744]

[2] T-J. Lu et al., “Bright High-Purity Quantum Emitters in Aluminum Nitride Integrated Photonics”, ACS Photonics, vol. 7, 2650-2657, 2020.
[DOI: https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01259]

[3] H.B. Yagci et al., “Tracking the creation of single photon emitters in AlN by implantation and annealing”, Optical Materials, vol. 156, 115967, 2024.
[DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115967]

[4] A. Senichev et al., “Quantum emitters in aluminum nitride induced by heavy ion irradiation”, APL Quantum, vol. 1, 036103, 2024.
[DOI: https://doi.org/10.1063/5.0199647]

[5] J. B. Varley, A. Janotti, C. G. Van de Walle, “Defects in AlN as candidates for solid-state qubits”, Physical Review B, vol. 93, 161201(R), 2016.
[DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.93.161201]