Emetteurs de lumière à base de silicium vers des dispositifs quantiques à la fréquence des télécommunications

Silicon-based light emitters towards quantum devices at telecom frequency

• Auteur / Autrice : Mario Khoury
• Direction : Marco Abbarchi, Isabelle Berbezier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences
• Date : Soutenance le 09/11/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….)
• Jury : Président / Présidente : Fabienne Michelini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Sanguinetti, Lydie Ferrier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Giordano Scappucci, Francesco Biccari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Photonique

Matériaux nanostructurés

Nanostructures

Théorie quantique

Mots clés libres

Mie résonateurs

Emetteurs de lumière en silicium

Centres G

Fréquence de télécommunication

Mie resonators

Light emitters in silicon

G-centers

Telecom frequency

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'explorer le potentiel des impuretés complexes de carbone dans le silicium (G-centers) pour des applications dans les technologies quantiques. Ce défaut ponctuel a été initialement mis en évidence dans des échantillons de Si riches en carbone soumis à une irradiation électronique à haute énergie suivie d'un recuit à haute température. Une caractéristique clé des centers-G est leur émission infrarouge, correspondant à l'importante longueur d'onde de la bande O des télécommunications optiques qui s'étend entre 1260-1360 nm. Nous avons démontré que nous sommes capables de créer des centres G individuels par implantation ionique dans du SOI, du 28Si isotopiquement purifié sur isolant, et des nanostructures photoniques telles que des résonateurs diélectriques de Mie vers des sources intégrées de photons uniques dans le silicium émettant dans la gamme de longueur d'onde des télécommunications. Par lithographie optique et de gravure au plasma, associée à un démouillage à l'état solide de silicium cristallin ultra-mince sur isolant, afin de former des résonateurs de Mie monocristallins. En intégrant des centres G émetteurs de lumière dans les antennes en Si, j'ai conçu l'émission de lumière en réglant la dose de carbone, l'énergie du faisceau et la taille des îlots afin d'optimiser le couplage entre les émetteurs et les résonances de Mie. L'émission de lumière directionnelle à 120 K a été démontrée expérimentalement et confirmée par des simulations FDT. Nous estimons qu'avec un couplage optimal de l'émission des centres G avec les antennes résonantes, une efficacité de collecte d'environ 90 % peut être atteinte en utilisant un objectif conventionnel

The aim of this thesis it to explore the potential of complex carbon impurities in silicon (G-centers) for applications in quantum technologies. This point defect was originally highlighted in carbon-rich Si samples undergoing high-energy electron irradiation followed by high temperature annealing. A key feature of G-centers is their infrared emission, matching the important optical telecommunications wavelength O-band spreading between 1260-1360 nm. Through my PhD work we have demonstrated that we are able to create individual G-centers by ion implantation in conventional silicon on insulator, isotopically purified 28Si on insulator, and embed these emitters in photonic nanostructures such as dielectric Mie resonators. We developed a low-resolution optical lithography and plasma etching method joined with solid state dewetting of monocrystalline, ultra-thin, silicon on insulator to form monocrystalline, atomically-smooth, Mie resonators in well-controlled and large, periodic arrays.By integrating light emitting G-centers within the Si-based antennas we engineered the light emission by tuning carbon dose, beam energy and islands size in order to optimize the coupling between the emitters and the Mie resonances in space and frequency. directional (Huygens-like) light emission at 120 K was demonstrated experimentally and confirmed by finite difference time domain simulations. We estimate that, with an optimal coupling of the G-centers emission with the resonant antennas, a collection efficiency of about 90% can be reached using a conventional objective lens