Centri di colore in diamante: strumenti e tecniche per una fabbricazione flessibile

I centri di colore nei semiconduttori rappresentano una delle piattaforme più promettenti nell’ambito delle tecnologie quantistiche di nuova generazione. Grazie alla loro capacità di emettere singoli fotoni, questi difetti puntuali consentono progressi significativi nel sensing quantistico, nella computazione e nelle comunicazioni su larga scala. Per integrarli efficacemente in dispositivi quantistici, è cruciale generare centri di colore in modo controllato in termini di densità e di posizionamento laterale all’interno della matrice cristallina. Presso FBK disponiamo di laboratori in cui tecniche avanzate di nanofabbricazione si combinano con strumentazione ottica ad alte prestazioni. Grazie alla tecnologia di Focused Ion Beam (FIB), siamo in grado di produrre difetti quantistici in semiconduttori a larga band gap con precisione laterale inferiore ai 100 nm, controllando sia la profondità tramite l’energia del fascio sia il numero di ioni impiantati, così da ottenere singoli emettitori. A questo si aggiunge la possibilità di effettuare avanzate analisi ottiche attraverso l’utilizzo di un microscopio confocale per misure Raman/PL con sensibilità di singolo fotone, equipaggiato con un interferometro HBT per le misure di antibunching, che consente una caratterizzazione minuziosa dei centri di colore come sorgenti quantistiche a stato solido. In questo lavoro saranno presentati i risultati ottenuti nella formazione di emettitori quantistici nel diamante basati su centri GeV⁻ e SiV⁻, creati mediante l’impianto delle rispettive specie ioniche con il FIB, e la loro integrazione in strutture fotoniche come i nanopillars. L’impiego del FIB consente inoltre di realizzare regioni conduttive tramite la grafitizzazione del diamante, utili per creare strati conduttivi integrati o sepolti, necessari per pilotare elettricamente i centri colore o per ottenere elettrodi con buon contatto ohmico. Infine, saranno illustrati la realizzazione di centri NV poco profondi (shallow) mediante impianto broad-beam, particolarmente indicati per costruire sensori essendo prossimi alla superficie, e i progressi nello sviluppo di tecniche per la fabbricazione controllata di lamelle di diamante destinate alla nano-termometria quantistica.