G中心是硅中一种与碳相关的点缺陷，自最近被证明为单光子发射器以来，其发现和表征引起了科学界的强烈兴趣。特别是，这个硅G中心代表了量子传感、通信和信息处理的一个新兴平台，这是由于几个有前景的特征，即：电信范围内的发射(1279 nm)5,6;实现光学检测磁共振协议的三重单线态跃迁的可用性7;缺陷与核自旋和电子自旋自由度的吸引人的耦合。此外，它可以作为硅中的固态色中心，而不需要铰接的同质外延生长工艺，这为通过离子注入等工业兼容技术制造高度可积平台铺平了道路。在这种情况下，在高纯度硅衬底中引入具有高度控制的G中心的技术能力对于实际器件的制造将是至关重要的。这一目标需要成熟的离子注入技术(例如，用于输送具有高空间分辨率的单个杂质的确定性方法)，以及高效的后注入工艺，使其能够在转化为稳定晶格缺陷时进行光学激活10。
目前，在硅中系统实现这种类型的发射极的主要障碍是其非常结构的配置。点缺陷被归因于与间隙硅原子耦合的带中性电荷的取代二碳对。如果与具有金刚石型晶体结构的其他类别材料中的稳定发射体相比，这种结构是相当不寻常的，这对其一致和有效的制造是否存在合适的途径提出了疑问。最近在一项理论研究11中强调的一个相关问题是，这种复合物的构型代表了一种结构亚稳态，与更稳定的晶格缺陷竞争，这些缺陷在传统的热退火过程中在能量上更容易获得。事实上，G中心的形成需要发生两个独立的过程，即：C原子在取代晶格位点的调节及其与可移动的C间质的相互作用11。在这方面，值得注意的是，虽然前一种工艺通过基材9的热处理而增强，但后一种工艺不受退火处理的影响，而是通过晶体11内的辐射诱导损伤而增强。这一观察结果与迄今为止文献中报道的实验结果一致。G中心的产生通常在富含碳的样品中报道，这些样品通过直拉法合成或通过碳离子注入，然后进行常规热退火和/或随后的质子或硅辐照获得。值得注意的是，据报道，如果衬底中的天然碳浓度足够高，则碳离子注入步骤是不必要的。这些制造要求，伴随着常规快速热退火(RTA)处理的必要性(20 s持续时间)18表示在以较长持续时间19为特征的退火工艺下G中心的形成效率较差。制造过程中的这些限制导致了两个不期望的特征。首先，选择富含碳的衬底而不是高纯度晶体可能导致将制造的G中心嵌入有缺陷的环境中，这可能改变它们的总体发射20或增加背景光致发光辐射。其次，衬底的高浓度碳掺杂严重限制了色心的制造采用纯统计方法，从而阻止了对其数量和位置的必要控制。
在这项工作中，我们报道了一种基于ns脉冲聚焦激光退火的方法，该方法允许在碳注入硅衬底中进行空间分辨和控制制造G中心集成。相对于迄今为止报道的基于传统RTA协议的统计激活方法19，该方法依赖于退火步骤中明显更快的热瞬态。
这项工作的灵感来自M.S.Skolnick等人21的开创性工作，其中G中心的形成是通过使用高功率Q开关激光诱导注入硅的熔化和随后的再结晶来实现的。通过在不足以实现材料完全再结晶的激光能量密度下使用宽红外源，还进一步观察到CZ硅中W中心的浓度对脉冲退火的依赖性，从而表明热加热在光学活性缺陷的形成中的作用22。激光技术的重大进展使得最近能够证明通过fs激光照射23，24，25在半导体中制造色心，其中光脉冲的主要作用包括引入形成发射缺陷所需的晶格空位。类似于高功率ns激光，用于在硅中制造G中心的fs激光退火的探索被证明仅在晶体熔化和随后的再结晶的情况下有效26。
相反，本工作中研究的方法依赖于纯热工艺，取代了传统的退火处理，同时提供了在目标材料的有限体积中激活发射器的可能性。通过在低于熔化阈值的情况下向晶体输送热能，既不达到稳定条件，也不引入晶格损伤，这种快速的非平衡处理路线提供了强烈增强较轻碳原子相对于硅间隙的迁移率的可能性，从而以牺牲以更高结构稳定性为特征的竞争配置为代价促进G中心的形成。与其他提出的涉及通过有机分子进行表面功能化的实验程序10相比，提出的方法以良好的空间精度提供了G中心的活化，从而从长远来看，能够通过受控离子注入协议对引入硅晶格中的单个碳杂质进行确定性活化。因此，该方法提供了在通过浮区(FZ)法生长的更高纯度硅晶体中制造G中心的独特能力，此处RTA在超纯硅晶体中被证明是无效的。反过来，这种能力揭示了在不引入与主体材料的局部熔化相关的损伤的情况下，完全解开登记到特定纳米级光子结构的硅G中心的电势的可能性。
后果
我们的研究是在从商用FZ硅片(碳浓度<5 × 1014 cm−3)，均匀植入36 keV C–离子在2 × 1014 cm−2通量。研究了注入样品的PL发射，目的是比较两种不同的注入后处理，即常规RTA和ns脉冲激光退火的效果。
常规RTA处理后的光致发光(PL)光谱(20 s持续时间)如图所示。1a对于标准化为光学激发功率的不同温度。不管处理温度如何，所有RTA处理都导致了唯一W中心的形成，对应于1218处的尖锐发射线 nm及其在更高波长下的声子复制品，并且起源于扩展的三初始I3-V络合物27，28。随着退火温度的升高，W发射的强度稳步降低，表明原始晶体结构逐渐恢复。值得注意的是，在任何RTA处理阶段都不能识别出与G中心相关联的光谱特征。这一结果与之前关于SOI衬底工程的报道形成了明显的对比，证明了在FZ硅中RTA后注入处理下G中心的不良形成，并且其形成可以说受到硅衬底中碳浓度的限制。事实上，从具有低天然碳浓度的浮区硅获得的当前数据表明，即使通过离子注入引入适量的碳离子也不足以诱导可检测的G中心系综。对这一实验证据的解释是，尽管大多数碳杂质在退火过程中演变成取代缺陷，但它们的浓度不足以通过与C注入过程中产生的硅间隙相互作用形成小部分(C-Si)Si间隙对。这些配合物对于在取代碳位点捕获时形成G中心是必要的11。
