特表 2025-502598 エンジニアリングドープされた薄膜構造および素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-28

(54)【発明の名称】エンジニアリングドープされた薄膜構造および素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20250121BHJP

   C30B 29/16 20060101ALI20250121BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20250121BHJP

   G06N 10/40 20220101ALN20250121BHJP

【ＦＩ】

G02B6/12 371

C30B29/16

G02B6/122

G06N10/40

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024529344

(86)(22)【出願日】2022-11-17

(85)【翻訳文提出日】2024-06-04

(86)【国際出願番号】 US2022050208

(87)【国際公開番号】W WO2023091546

(87)【国際公開日】2023-05-25

(31)【優先権主張番号】63/281,194

(32)【優先日】2021-11-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】399019892

【氏名又は名称】ザ・ユニバーシティ・オブ・シカゴ

【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＣＨＩＣＡＧＯ

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】シン， マニシュ クマール

(72)【発明者】

【氏名】グハ， スプラティク

【テーマコード（参考）】

2H147

4G077

【Ｆターム（参考）】

2H147AB37

2H147EA02C

2H147EA10A

2H147EA13C

2H147EA15C

2H147EA38A

2H147FA01

2H147FC01

2H147FF08

4G077BB04

4G077ED06

4G077FE11

4G077FH08

(57)【要約】

本開示は、ドープされた薄膜構造および素子を加工するための方法を対象とする。素子は、基質と、基質上に配置される、薄膜構造とを含む。薄膜構造は、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第１の多形相を有する、第１の領域であって、第１の多形相は、第１の多形相によって修正される、光学活性イオンの第１の共振周波数をもたらす、第１の領域と、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第２の多形相を有する、第２の領域であって、第２の多形相は、第２の多形相によって修正される、光学活性イオンの第２の共振周波数をもたらし、第１の共振周波数は、第２の共振周波数から偏移される、第２の領域とを含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学素子であって、
基質と、
前記基質上に配置される薄膜構造であって、前記薄膜構造は、
第１の領域であって、前記第１の領域は、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第１の多形相を有し、前記第１の多形相は、前記第１の多形相によって修正される前記光学活性イオンの第１の共振周波数をもたらす、第１の領域と、
第２の領域であって、前記第２の領域は、前記希土類系の光学活性イオンでドープされ、第２の多形相を有し、前記第２の多形相は、前記第２の多形相によって修正される前記光学活性イオンの第２の共振周波数をもたらし、前記第１の共振周波数は、前記第２の共振周波数から偏移される、第２の領域と
を備える、薄膜構造と
を備える、光学素子。

【請求項2】

前記第１の領域および前記第２の領域は、
成長方向に沿って、同一薄膜層の中にあり、
前記薄膜層の異なる面内部分にある、
請求項１に記載の光学素子。

【請求項3】

前記第１の領域および第２の領域は、
ある成長温度において、前記希土類系の光学活性イオンでドープされた前記薄膜層を前記基質上に堆積させ、それによって、前記薄膜層を前記第１の多形相内に形成することと、
前記成長温度より高いアニーリング温度における局所的熱アニーリングによって、前記第２の領域を前記薄膜層内に形成し、前記薄膜層の第２の領域を前記第１の多形相から前記第２の多形相に変換することと、
前記第１の領域を前記薄膜層の残りの部分とともに形成することと
によって形成される、請求項２に記載の光学素子。

【請求項4】

前記局所的熱アニーリングは、局所的レーザアニーリングを使用して実施される、請求項３に記載の光学素子。

【請求項5】

前記第２の領域は、１マイクロメートル（ミクロン）に等しいまたはそれより小さい寸法を有する、請求項４に記載の光学素子。

【請求項6】

前記局所的レーザアニーリングは、約５００ミリワット（ｍＷ）の電力を伴って、約１ミクロンのスポットサイズを伴う青色レーザを用いて、実施される、請求項４に記載の光学素子。

【請求項7】

前記第１の領域および前記第２の領域は、シーケンスにおいて、異なる時間で堆積される、請求項２に記載の光学素子。

【請求項8】

前記第１の領域および前記第２の領域は、
第１のパターンをリソグラフィでパターン化し、前記基質を前記第２の領域において暴露させることと、
前記第１の多形相内で、ある成長温度において、前記希土類系の光学活性イオンでドープされた第１の薄膜を前記基質上の前記第２の領域に堆積させることと、
前記成長温度より高いアニーリング温度において、前記第２の領域を熱的にアニーリングし、前記第２の領域を前記第１の多形相から前記第２の多形相に変遷させることと、
前記熱アニーリング後、前記暴露された前記基質内の前記第１の領域をリソグラフィで画定し、前記第１の多形相内で、前記成長温度において、前記希土類系の光学活性イオンを伴う第２の薄膜を前記第１の領域における前記基質にわたって堆積させることと
によって形成される、請求項７に記載の光学素子。

【請求項9】

前記第１の領域および前記第２の領域は、前記薄膜構造の異なる層内にある、請求項１に記載の光学素子。

【請求項10】

前記第１の領域および前記第２の領域は、
前記第１の多形相内で、ある成長温度において、前記希土類系の光学活性イオンでドープされた第１の薄膜を前記基質上に堆積させることと、
前記成長温度より高いアニーリング温度において、前記第２の領域を熱的にアニーリングし、前記第２の領域を前記第１の多形相から前記第２の多形相に変遷させることと、
熱アニーリング後、前記第１の多形相内で、前記成長温度において、前記希土類系の光学活性イオンを伴う第２の薄膜を前記第１の薄膜にわたって堆積させ、前記第１の領域を前記第２の薄膜内に形成することと
によって形成される、請求項９に記載の光学素子。

【請求項11】

前記第１の領域は、前記薄膜構造内に、第１の光学リング共振器を形成し、前記第２の領域は、第２の光学リング共振器を形成する、請求項１に記載の光学素子。

【請求項12】

前記第１の光学リング共振器および前記第２の光学リング共振器は、前記薄膜構造内で同一光学導波管に結合される、請求項１１に記載の光学素子。

【請求項13】

前記第１の領域および前記第２の領域は、加えて前記薄膜構造内に形成される、同一光学Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ共振器内に形成される、請求項１に記載の光学素子。

【請求項14】

前記熱アニーリングプロセスは、以下、すなわち、
ゲート電極を用いた電気加熱、または
光吸収による光学加熱
のうちの少なくとも１つを備える、請求項３、４、８、および１０のいずれか１項に記載の光学素子。

【請求項15】

前記アニーリング温度は、摂氏６００度を上回り、前記熱アニーリングは、所定の持続時間にわたって実施される、請求項３、４、８、および１０のいずれか１項に記載の光学素子。

【請求項16】

前記第１の領域および前記第２の領域は、二酸化チタンを備え、
前記希土類イオンは、エルビウムイオンを備える、
請求項１－１３のいずれか１項に記載の光学素子。

【請求項17】

前記基質は、
シリコン、
サファイア、または
チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）
のうちの少なくとも１つを備える、請求項１－１３のいずれか１項に記載の光学素子。

【請求項18】

前記第１の多形相は、アナターゼ相を備え、前記第１の共振周波数は、約１，５３２ナノメートルの光学波長に対応し、
前記第２の相は、ルチル相を備え、前記第２の共振周波数は、約１，５２０ナノメートルの光学波長に対応する、
請求項１－１３のいずれか１項に記載の光学素子。

【請求項19】

前記第１の領域は、第１の量子ビットを形成し、
前記第２の領域は、第２の量子ビットを形成する、
請求項１－１３のいずれか１項に記載の光学素子。

【請求項20】

前記第１の量子ビットは、前記第１の共振周波数を有する第１の光学場と相互作用し、
前記第２の量子ビットは、前記第２の共振周波数を有する第２の光学場と相互作用する、
請求項１９に記載の光学素子。

【請求項21】

前記薄膜構造は、第１の非ドープ緩衝層と、第２の非ドープ緩衝層とを備え、
前記ドープされた第１の領域は、前記第１の非ドープ緩衝層と第２の非ドープ緩衝層との間に配置される、
請求項１－１３のいずれか１項に記載の光学素子。

【請求項22】

光学素子を加工するための方法であって、前記方法は、
基質を提供することと、
薄膜構造を前記基質上に配置することであって、前記薄膜構造は、
第１の領域であって、前記第１の領域は、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第１の多形相を有し、前記第１の多形相は、前記第１の多形相によって修正される前記光学活性イオンの第１の共振周波数をもたらす、第１の領域と、
第２の領域であって、前記第２の領域は、前記希土類系の光学活性イオンでドープされ、第２の多形相を有し、前記第２の多形相は、前記第２の多形相によって修正される前記光学活性イオンの第２の共振周波数をもたらし、前記第１の共振周波数は、前記第２の共振周波数から偏移される、第２の領域と
を備える、ことと
を含む、方法。

【請求項23】

前記第１の領域および前記第２の領域は、
成長方向に沿って、同一薄膜層の中にあり、
前記薄膜層の異なる面内部分にある、
請求項２２に記載の方法。

【請求項24】

前記第１の領域および第２の領域は、
ある成長温度において、前記希土類系の光学活性イオンでドープされた前記薄膜層を前記基質上に堆積させ、それによって、前記薄膜層を前記第１の多形相内に形成することと、
前記成長温度より高いアニーリング温度における局所的熱アニーリングによって、前記第２の領域を前記薄膜層内に形成し、前記薄膜層の第２の領域を前記第１の多形相から前記第２の多形相に変換することと、
前記第１の領域を前記薄膜層の残りの部分とともに形成することと
によって形成される、請求項２３に記載の方法。

【請求項25】

前記局所的熱アニーリングは、局所的レーザアニーリングを使用して実施される、請求項２４に記載の方法。

【請求項26】

前記第２の領域は、１マイクロメートル（ミクロン）に等しいまたはそれより小さい寸法を有する、請求項２５に記載の方法。

【請求項27】

前記局所的レーザアニーリングは、約５００ミリワット（ｍＷ）の電力を伴って、約１ミクロンのスポットサイズを伴う青色レーザを用いて、実施される、請求項２５に記載の方法。

【請求項28】

前記第１の領域および前記第２の領域は、シーケンスにおいて、異なる時間で堆積される、請求項２３に記載の方法。

【請求項29】

前記第１の領域および前記第２の領域は、
第１のパターンをリソグラフィでパターン化し、前記基質を前記第２の領域において暴露させることと、
前記第１の多形相内で、ある成長温度において、前記希土類系の光学活性イオンでドープされた第１の薄膜を前記基質上の前記第２の領域に堆積させることと、
前記成長温度より高いアニーリング温度において、前記第２の領域を熱的にアニーリングし、前記第２の領域を前記第１の多形相から前記第２の多形相に変遷させることと、
前記熱アニーリング後、前記暴露された前記基質内の前記第１の領域をリソグラフィで画定し、前記第１の多形相内で、前記成長温度において、前記希土類系の光学活性イオンを伴う第２の薄膜を前記第１の領域における前記基質にわたって堆積させることと
によって形成される、請求項２８に記載の方法。

【請求項30】

前記第１の領域および前記第２の領域は、前記薄膜構造の異なる層内にある、請求項２２に記載の方法。

【請求項31】

前記第１の領域および前記第２の領域は、
前記第１の多形相内で、ある成長温度において、前記希土類系の光学活性イオンでドープされた第１の薄膜を前記基質上に堆積させることと、
前記成長温度より高いアニーリング温度において、前記第２の領域を熱的にアニーリングし、前記第２の領域を前記第１の多形相から前記第２の多形相に変遷させることと、
熱アニーリング後、前記第１の多形相内で、前記成長温度において、前記希土類系の光学活性イオンを伴う第２の薄膜を前記第１の薄膜にわたって堆積させ、前記第１の領域を前記第２の薄膜内に形成することと
によって形成される、請求項３０に記載の方法。

【請求項32】

前記第１の領域は、前記薄膜構造内に、第１の光学リング共振器を形成し、前記第２の領域は、第２の光学リング共振器を形成する、請求項２２に記載の方法。

【請求項33】

前記第１の光学リング共振器および前記第２の光学リング共振器は、前記薄膜構造内で同一光学導波管に結合される、請求項３２に記載の方法。

【請求項34】

前記第１の領域および前記第２の領域は、加えて前記薄膜構造内に形成される同一光学Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ共振器内に形成される、請求項２２に記載の方法。

【請求項35】

前記熱アニーリングプロセスは、以下、すなわち、
ゲート電極を用いた電気加熱、または
光吸収による光学加熱
のうちの少なくとも１つを備える、請求項２４、２５、２９、および３１のいずれか１項に記載の方法。

【請求項36】

前記アニーリング温度は、摂氏６００度を上回り、前記熱アニーリングは、所定の持続時間にわたって実施される、請求項２４、２５、２９、および３１のいずれか１項に記載の方法。

【請求項37】

前記第１の領域および前記第２の領域は、二酸化チタンを備え、
前記希土類イオンは、エルビウムイオンを備える、
請求項２２－３４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項38】

前記基質は、
シリコン、
サファイア、または
チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）
のうちの少なくとも１つを備える、請求項２２－３４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項39】

前記第１の多形相は、アナターゼ相を備え、前記第１の共振周波数は、約１，５３２ナノメートルの光学波長に対応し、
前記第２の相は、ルチル相を備え、前記第２の共振周波数は、約１，５２０ナノメートルの光学波長に対応する、
請求項２２－３４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項40】

前記第１の領域は、第１の量子ビットを形成し、
前記第２の領域は、第２の量子ビットを形成する、
請求項２２－３４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項41】

前記第１の量子ビットは、前記第１の共振周波数を有する第１の光学場と相互作用し、
前記第２の量子ビットは、前記第２の共振周波数を有する第２の光学場と相互作用する、
請求項４０に記載の方法。

【請求項42】

第１の非ドープ緩衝層および第２の非ドープ緩衝層を堆積させることによって、前記第１の領域の性質を制御することをさらに含み、前記ドープされた第１の領域は、前記第１の非ドープ緩衝層と第２の非ドープ緩衝層との間に配置される、請求項２２－３４のいずれか１項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

（関連出願）
本願は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０２１年１１月１９日に出願された、米国仮出願第６３／２８１，１９４号に基づき、かつその優先権の利益を主張する。

【0002】

政府使用許諾権
本発明は、米国エネルギー省によって付与された、ＤＥ－ＡＣ０２－０５ＣＨ１１２３１、および米国海軍研究局によって付与された、Ｎ０００１４－１８－１－２８６９の下で、政府支援を受けて行われた。政府は、本発明において、ある権利を有する。

【0003】

異なる多形相を有する、同一材料ホストは、ドープされたイオンの光学性質に影響を及ぼすことが公知である。そのような影響は、限定ではないが、量子情報処理素子を含む、種々のタイプの光学素子を実装するために利用され得る。量子情報処理は、特に、通信およびコンピューティングにおける進歩が有望である。ドープされたイオンの光学性質に及ぼされる多形相の影響は、例えば、量子メモリ素子内で利用され、量子交絡ベースのリンクを長距離にわたって確立することが可能である、量子ネットワークを可能にし得る。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

本開示は、ドープされた薄膜構造および素子を加工するための方法に関する。

【0005】

一実施形態では、本開示は、光学素子を説明する。光学素子は、基質と、基質上に配置される、薄膜構造とを含む。薄膜構造は、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第１の多形相を有する、第１の領域であって、第１の多形相は、第１の多形相によって修正される、光学活性イオンの第１の共振周波数をもたらす、第１の領域と、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第２の多形相を有する、第２の領域であって、第２の多形相は、第２の多形相によって修正される、光学活性イオンの第２の共振周波数をもたらし、第１の共振周波数は、第２の共振周波数から偏移される、第２の領域とを含む。

【0006】

別の実施形態では、本開示は、光学素子を加工するための方法を説明する。本方法は、基質を提供するステップと、薄膜構造を基質上に配置するステップとを含む。薄膜構造は、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第１の多形相を有する、第１の領域であって、第１の多形相は、第１の多形相によって修正される、光学活性イオンの第１の共振周波数をもたらす、第１の領域と、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第２の多形相を有する、第２の領域であって、第２の多形相は、第２の多形相によって修正される、光学活性イオンの第２の共振周波数をもたらし、第１の共振周波数は、第２の共振周波数から偏移される、第２の領域とを含む。

【0007】

いくつかの他の実施形態では、システムは、上記に説明される光学素子を含んでもよい。

【0008】

いくつかの他の実施形態では、コンピュータ可読媒体は、コンピュータによって実行されると、コンピュータに、上記の方法を行わせる、命令を備える。

【図面の簡単な説明】

【0009】

下記に説明されるシステム、素子、製品、および／または方法は、以下の図面および非限定的かつ非包括的実施形態の説明を参照することで、より深く理解され得る。図面における構成要素は、必ずしも、正確な縮尺ではない。強調が、代わりに、本開示の原理を図示することに置かれる。

【0010】

【図1】図１は、例示的光学素子の概略図である。

【0011】

【図2】図２は、例示的光学素子を加工するための方法のフロー図である。

【0012】

【図3A】図３Ａは、別の例示的光学素子の概略図である。

【0013】

【図3B】図３Ｂは、図３Ａにおける光学素子を加工するための概略図である。

【0014】

【図3C】図３Ｃは、図３Ａにおける光学素子を加工するための別の概略図である。

【0015】

【図4A】図４Ａは、別の例示的光学素子の概略図である。

【0016】

【図4B】図４Ｂは、別の例示的光学素子の概略図である。

【0017】

【図4C】図４Ｃは、図４Ｂにおける光学素子を加工するための概略図である。

【0018】

【図5A】図５Ａは、例示的光学共振器素子の概略図である。

【0019】

【図5B】図５Ｂは、別の例示的光学共振器素子の概略図である。

【0020】

【図6】図６は、酸化チタンの種々の多形相の構造的特性（シリコン上の多結晶、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）上のエピタキシャル単結晶、およびｒ－サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３））を示す。

【0021】

【図7A】図７Ａは、成長温度に応じて種々の例示的多形相を有する、ＴｉＯ_２内にドープされた光学活性エルビウムイオンの光学特性を示す。

【0022】

【図7B】図７Ｂは、８５０℃で、３０分にわたって、アナターゼ多結晶ＴｉＯ_２をシリコン上にアニーリング後に取得される、ルチル相内のエルビウムイオンからのスペクトルを示す。

【0023】

【図8A】図８Ａは、シリコン上のＴｉＯ_２の種々の多形相からの光学応答の不均質線幅の比較を示す。

【0024】

【図8B】図８Ｂは、成長時におよび熱アニーリングを介して取得される、（シリコン上の）ルチル相に関する光学応答の不均質線幅を示す。

【0025】

【図8C】図８Ｃは、種々の成長条件下で取得される、種々の多形相に関する不均質線幅を示す。

【0026】

【図9】図９は、活性薄膜の不均質光学線幅を改良する際の光学活性薄膜と基質との間の底部緩衝材の役割を実証する。

【0027】

【図10A】図１０Ａは、光学活性のドープされたイオンの濃度の関数としての不均質光学線幅への寄与を示す。

【0028】

【図10B】図１０Ｂは、温度の関数としての例示的不均質光学線幅を示す。

【0029】

【図11】図１１は、上部および底部緩衝材厚と、光学活性のドープされたイオンの濃度との関数としてのスペクトル拡散を示す。

【0030】

【図12A】図１２Ａは、本開示における例示的実施形態の概略図を示す。

【0031】

【図12B】図１２Ｂは、図１２Ａに示される例示的実施形態の特性チャートを示す。

【0032】

【図12C】図１２Ｃは、図１２Ａに示される例示的実施形態の特性チャートを示す。

【0033】

【図12D】図１２Ｄは、本開示における別の例示的実施形態の概略図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0034】

本開示の詳細な説明
開示されるシステム、素子、および方法が、ここで、本願の一部を形成し、例証として、具体的実施形態の実施例を示す、添付の図面を参照して、詳細に以降に説明されるであろう。しかしながら、説明されるシステムおよび方法は、様々な異なる形態で具現化されてもよく、したがって、本開示によって網羅される、請求される主題は、実施形態のいずれかに限定されないものとして解釈されるように意図される。本開示は、方法、素子、構成要素、またはシステムとして具現化されてもよい。故に、開示されるシステムおよび方法の実施形態は、例えば、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組み合わせの形態をとってもよい。

【0035】

明細書および請求項全体を通して、用語は、明示的に述べられた意味以外の文脈において示唆または含意される、微妙な意味を有してもよい。同様に、本明細書で使用されるような語句「一実施形態では」または「いくつかの実施形態では」は、必ずしも、同一実施形態を指すわけではなく、本明細書で使用されるような語句「別の実施形態では」または「他の実施形態では」は、必ずしも、異なる実施形態を指すわけではない。例えば、請求される主題は、全体的または部分的に、例示的実施形態の組み合わせを含んでもよいことが意図される。さらに、本明細書で使用されるような語句「１つの実装では」、「別の実装では」、または「いくつかの実装では」は、必ずしも、同一実装または異なる実装を指すわけではない。例えば、請求される主題は、全体的または部分的に、実装からの開示される特徴の組み合わせを含んでもよいことが意図される。

【0036】

一般に、専門用語は、少なくとも部分的に、文脈における使用から理解され得る。例えば、本明細書で使用されるような「および」、「または」、または「および／または」等の用語は、少なくとも部分的に、その中でそのような用語が使用される、文脈に依存し得る、様々な意味を含んでもよい。加えて、本明細書で使用されるような用語「１つまたはそれを上回る」または「少なくとも１つ」は、少なくとも部分的に、文脈に応じて、単数形の意味において、任意の特徴、構造、または特性を説明するために使用されてもよい、または複数形の意味において、特徴、構造、または特性の組み合わせを説明するために使用されてもよい。同様に、「ａ」、「ａｎ」、または「ｔｈｅ」等の用語は、再び、少なくとも部分的に、文脈に応じて、単数形の使用を伝達する、または複数形の使用を伝達するために理解され得る。加えて、用語「～に基づいて」または「～によって決定された」は、必ずしも、要因の排他的セットを伝達するように意図されるものと理解され得ず、代わりに、再び、少なくとも部分的に、文脈に応じて、必ずしも、明示的に説明されない、付加的要因の存在を可能にし得る。

【0037】

本開示は、ドープされた薄膜構造を加工するための方法およびその加工される素子に関する。素子は、光学場と相互作用してもよく、限定ではないが、スケーラブル量子メモリプラットフォームおよび／または量子情報処理を含む、種々の光学処理および用途およびプラットフォームのための光学共振器を含む、種々の光学構造を含むように構成されてもよい。

【0038】

本開示の例示的文脈では、量子情報処理は、広義には、量子情報を記憶すること、量子情報をトランスポートすること、量子情報をコンピューティングすること、量子情報を読み出すこと、量子情報を初期化すること、量子情報を制御すること、または量子情報を操作することのうちの少なくとも１つを含んでもよい。そのような量子情報処理は、通信およびコンピューティングにおけるパラダイムシフトをもたらす。光学相互作用に基づく、実践的量子情報処理は、フォトニック構造とのチップスケール統合を可能にしながら、同時に、長コヒーレンス時間および狭光学遷移を保有する、量子機械的プラットフォームに依拠し得る。量子メモリ素子は、特に、量子交絡ベースのリンクを長距離にわたって確立することが可能である、量子ネットワークのために、特に、量子情報処理および量子コンピューティングの重要な部分である。量子情報は、原子の小集団または単一原子／欠陥のレベル、例えば、固体内の希土類（ＲＥ）イオン欠陥に記憶され得る。本開示は、実践的量子情報処理のために好適なこれらの構造的および物理的特性を提供する、構造を含有する、例示的素子を説明する。本開示は、量子情報処理用途に焦点を当てるが、下記に説明される素子は、そのように限定されない。それらは、量子情報処理以外の他の光学処理および通信用途に適合されてもよい。

【0039】

例示的光学活性材料として、固体内でドープされたエルビウム（Ｅｒ）等の希土類（ＲＥ）イオンは、事実上、閉鎖された外側シェルによってそれらの結晶性周囲から遮蔽され、長スピンコヒーレンス時間（例えば、最大６時間）および狭光学遷移（例えば、１ｋＨｚ未満）を可能にする、４ｆ－４ｆシェル内遷移を特徴とする。非限定的実施例として、そのような希土類イオンは、活性光学構成要素として、本開示に説明される種々の例示的素子内に組み込まれる。種々の実施形態では、希土類イオンは、１７個の金属元素のセットを指し得る、周期表内の希土類元素のイオンを指し得る。

【0040】

下記に開示される種々の実施形態では、ＲＥイオンでドープされた固体は、量子情報を処理するための量子素子／装置としての役割を果たし得、ＲＥイオンは、量子ビット（キュービット）としての役割を果たし得る。Ｅｒドープされた二酸化チタン（ＴｉＯ_２）薄膜が、以下の実践的考慮点のうちの少なくとも１つのために、例示的プラットフォームとして選択されてもよい。１つの考慮点は、Ｅｒキュービットからの光学放出が、直接、最小限の損失を伴って、既存の光ファイバを経由して伝送され、それによって、長距離量子交絡分布を可能にし得るように、Ｅｒが電気通信Ｃ帯域（１，５３０～１，５６５ｎｍ）内にその第１の放出を有することであり得る。別の考慮点は、４ｆシェルが、遮局所的環境からの保護を提供し、長コヒーレンス時間をもたらす、完全５ｓおよび５ｐレベルによって遮蔽されるため、Ｅｒイオンが狭４ｆ－４ｆ遷移を有することであり得る。

【0041】

下記に開示される種々の実施形態は、エルビウムドープされたＴｉＯ_２薄膜の成長を含む。Ｅｒドープされた薄膜をドーピングおよび／または成長させる、ある一般的方法論は、２０２０年３月５日に出願された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／２１２５７号、および２０２１年８月２６日に出願された、米国特許出願第１７／４３４，２２１号（その両方とも、参照することによってそれらの全体として本明細書に組み込まれる）に説明される。ＴｉＯ_２薄膜の堆積は、例えば、以下の方法、すなわち、化学蒸着（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）のうちの少なくとも１つを通して、金属有機前駆体を使用し得る。成長温度に応じて、種々の成長条件下のＴｉＯ_２薄膜の成長は、複数の多形相、例えば、アナターゼ相またはルチル相のうちの少なくとも１つをもたらし得る。いくつかの実装では、薄膜は、以下のタイプ、すなわち、エピタキシャル膜、多結晶膜、または非晶質膜の任意のタイプを含んでもよい。いくつかの他の実装では、薄膜は、１つを上回るタイプを含んでもよく、例えば、薄膜の一部は、１つのタイプを含んでもよく、薄膜の別の部分は、別の異なるタイプを含んでもよい。

【0042】

下記に開示される種々の実施形態では、ＴｉＯ_２は、成長条件に応じて、２つの主要多形相（アナターゼおよびルチル相）に結晶化し得る。これらの多形相は、簡潔にするために、「相」と称され得る。多形相はそれぞれ、ＴｉＯ_２の特定の結晶構造に対応し得る。ＴｉＯ_２の２つの相は、ＴｉＯ_２の相によって修正される、ドープされたＥｒイオンの２つの異なる共振周波数をもたらし得る。例えば、アナターゼＴｉＯ_２薄膜内にドープされたＥｒイオンは、約１，５３２ナノメートル（ｎｍ）の光学波長に対応する、共振周波数を有し得、ルチルＴｉＯ_２薄膜内にドープされたＥｒイオンは、約１，５２０ナノメートル（ｎｍ）の光学波長に対応する、共振周波数を有し得る。ここでは、「約ｘｎｍ」は、（ｘ－ａ）ｎｍ～（ｘ＋ａ）ｎｍ（それらの値を包含する）の範囲を指し、ａは、例えば、数ナノメートル内の任意の数であってもよい。

【0043】

小集団またはさらに大集団である、個々のエルビウム原子は、種々の用途のための、例えば、量子情報処理のためのキュービットとして機能することができる。

【0044】

本開示は、制御されたアニーリング動作によって、単一ナノフォトニック構造内に複数の多形相のうちの少なくともいくつかを達成するための、種々の例示的実施形態を説明する。下記にさらに詳細に示されるように、本制御されたアニーリング動作は、単一素子内に複数の多形相を提供することに加え、光学均質性の観点から、「より良質な」膜をもたらし得る。種々の実施形態は、単一ナノフォトニック構造内に異なる光学共振周波数を有する、エルビウムでドープされた少なくとも２つの領域（両方ともＣ－帯域適合性）を生成するステップを含んでもよい。異なる光学共振周波数は、（Ｓｔａｒｋ効果を介して、光学共振を修正するために、外部電場を２つの領域のうちの１つに印加すること等による）外部制御を伴わずに、達成される。種々の実施形態は、例えば、空間的に選択的レーザ加熱または局所的電気加熱を使用することによる、および／または熱アニーリングプロセスをリソグラフィで制御することによって、制御された熱アニーリングを介して、例えば、多形相の選択的空間制御によって、異なる光学共振を有する、キュービットの空間分布を制御するステップを含んでもよい。

【0045】

図１を参照すると、本開示は、素子１００を含む、種々の実施形態を説明する。素子１００は、素子内の情報を操作する、制御する、処理する、および／または読み取るために、光学場と相互作用する、光学素子であってもよい。素子１００は、以下の構成要素、すなわち、基質１１０と、基質上に配置される、薄膜構造１３０との一部または全てを含んでもよい。いくつかの実装では、薄膜１３０は、以下のタイプ、すなわち、エピタキシャル膜、多結晶膜、または非晶質膜の任意の１つのタイプを含んでもよい。いくつかの他の実装では、薄膜１３０は、１つを上回るタイプを含んでもよく、例えば、薄膜の一部は、１つのタイプを含んでもよく、薄膜の別の部分は、別の異なるタイプを含んでもよい。

【0046】

薄膜構造１３０は、第１の領域１３１と、第２の領域１３２とを含んでもよい。第１の領域は、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第１の多形相を有してもよく、第１の多形相は、第１の多形相によって修正される、光学活性イオンの第１の共振周波数をもたらしてもよい。第２の領域は、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第２の多形相を有してもよく、第２の多形相は、第２の多形相によって修正される、光学活性イオンの第２の共振周波数をもたらしてもよい。いくつかの実装では、第１の共振周波数は、第２の共振周波数から偏移されてもよい。いくつかの他の実装では、第１の領域および第２の領域は、同一多形相を有してもよい。図１では、第１の領域１３１の周囲の細線ボックスは、アナターゼ相内にあり得る、第１の領域を示し得、および／または第２の領域１３２の周囲の太線ボックスは、ルチル相内にあり得る、第２の領域を示し得る。第１の領域１３１および第２の領域１３２は、空間的に分離していてもよい。図１は、実施例として、領域１３１および領域１３２が、素子１００の面内方向において分離しており、それらは、代替として、成長方向において、または面内方向および成長方向の両方において、空間的に分離していてもよい（素子１００の一般的描写に具体的に図示されないが、下記の図４Ａおよび図４Ｂの具体的実装に示される）ことを示す。

【0047】

種々の実施形態では、図２は、光学素子を加工するための方法２００のフロー図を示す。方法２００は、以下、すなわち、基質を提供するステップ２１０および／または薄膜構造を基質上に配置するステップ２２０の一部または全てを含んでもよい。薄膜構造は、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第１の多形相を有する、第１の領域であって、第１の多形相は、第１の多形相によって修正される、光学活性イオンの第１の共振周波数をもたらす、第１の領域と、希土類系の光学活性イオンでドープされ、第２の多形相を有する、第２の領域であって、第２の多形相は、第２の多形相によって修正される、光学活性イオンの第２の共振周波数をもたらし、第１の共振周波数は、第２の共振周波数から偏移される、第２の領域とを含む。

【0048】

いくつかの実装では、各領域は、情報を記憶する、例えば、量子情報を少なくとも１つの量子ビット（キュービット）として記憶するための少なくとも１つの部位としての役割を果たし得る。いくつかの他の実装では、薄膜構造１３０は、他のキュービットとしての役割を果たす、他の領域を含んでもよい。

【0049】

一実施例に関して、基質１１０は、シリコン、サファイア、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）、ＳｉＮ、またはチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）のうちの少なくとも１つを含んでもよく、および／または薄膜構造１３０は、少なくとも１つのＴｉＯ_２薄膜を含んでもよく、希土類系の光学活性イオンは、Ｅｒイオンを含んでもよい。第１の多形相は、アナターゼ相を含んでもよく、第２の多形相は、ルチル相を含んでもよい。アナターゼＴｉＯ_２薄膜内のＥｒイオンは、約１，５３２ナノメートル（ｎｍ）の光学波長に対応する、共振周波数を有してもよく、ルチルＴｉＯ_２薄膜内のＥｒイオンは、約１，５２０ナノメートル（ｎｍ）の光学波長に対応する、共振周波数を有してもよい。ここでは、「約ｘｍｍ」は、（ｘ－ａ）ｎｍ～（ｘ＋ａ）ｎｍ（それらの値を包含する）の範囲を指し、ａは、例えば、数ナノメートル以内の任意の数であってもよい。

【0050】

いくつかの実装では、第１の領域は、第１の量子ビットを形成し、第２の領域は、第２の量子ビットを形成する。第１の量子ビットは、第１の共振周波数を有する、第１の光学場と相互作用し、第２の量子ビットは、第２の共振周波数を有する、第２の光学場と相互作用する。第１の光学場および第２の光学場は、２つの異なる光源によって発生されてもよく、または第１の光学場および第２の光学場は、同一光源によって発生されてもよく、これは、同時にまたは順次のいずれかにおいて、第１の共振周波数を有する、第１の光学場と、第２の共振周波数を有する、第２の光学場とを出力する。

【0051】

ルチルＴｉＯ_２およびアナターゼＴｉＯ_２内にドープされたエルビウムの光学遷移間の偏移を表す、共振周波数間の約１２ｎｍ波長差は、アナターゼＴｉＯ_２薄膜およびルチルＴｉＯ_２薄膜内にドープされたＥｒイオンによって表される、２つのキュービット間の光学場によるスペクトル選択を可能にし得る。例えば、２つのキュービットが、平面または成長方向のいずれかにおいて、相互に空間的に近い、状況では、光学場は、約１，５３２ｎｍまたは１，５２０ｎｍのいずれかに調整され、２つのキュービットのうちの一方のキュービットと選択的に相互作用し、他方のキュービットに対して透過性であってもよい。ここでは、「約ｘｍｍ」は、（ｘ－ａ）ｎｍ～（ｘ＋ａ）ｎｍ（それらの値を包含する）の範囲を指し、ａは、例えば、数ナノメートル以内の任意の数であってもよい。

【0052】

いくつかの実施形態では、ＴｉＯ_２薄膜層は、成長温度において堆積され、アナターゼ相を形成してもよい。成長温度は、摂氏６００度（℃）を下回る比較的に低温、例えば、摂氏５５０度または摂氏４８０度であってもよい。

【0053】

熱アニーリングプロセスは、アナターゼ相における領域をルチル相に変遷させ得る。熱アニーリングは、薄膜アナターゼ相の小部分のみがルチル相に変換されるように、局所的熱アニーリングであってもよい。アニーリング温度は、摂氏６００度を上回るより高い温度であってもよく、熱アニーリングは、所定の持続時間にわたって実施されてもよい。熱アニーリングプロセスは、ゲート電極を用いた電気加熱および／または光吸収による光学加熱のうちの１つまたはそれらの組み合わせであってもよい。熱アニーリングは、（例えば、レーザから）集束された光または局所的電気加熱器によって、局所的に印加されてもよい。例えば、ゲート電極は、薄膜構造上に堆積される、具体的に設計される空間パターンを伴う、伝導性層を含んでもよく、電気電圧が、ゲート電極上に印加されると、ゲート電極は、熱を局所的に発生させ、局所的熱アニーリングを特定の領域に提供してもよい。レーザ加熱を通した局所的制御は、集束されたレーザビームによって、または制御されたレーザ空間干渉パターンによって、着目領域を生成するために使用されてもよい。そのような制御されたアニーリングは、ルチルエリアをそうでなければアナターゼ薄膜内に生成し、それによって、薄膜をルチル領域およびアナターゼ領域の中に分岐させる。一方のＴｉＯ_２領域は、本質的に、他方の領域に対して波長共振性を伴って、光学場に対して「透過性」になる。

【0054】

本開示における種々の実施形態の１つの利点／利益は、決定的設置を達成するために、既存の技法を活用することを含み得る。いくつかの実装では、決定的設置および／または熱アニーリングの正確度は、約１マイクロメートル（μｍ）として、またはそれを下回って達成され得る。

【0055】

レーザ加熱による局所的熱アニーリングの空間分解能は、例えば、さらに、集束されたレーザ強度プロファイルによって制御されてもよい。いくつかの実装では、加熱レーザビームの吸収は、非線形であってもよい。したがって、集束されたビームのより高い強度部分は、より吸収され、向上された局所的熱アニーリング空間分解能につながり得る。

【0056】

いくつかの実装では、熱アニーリングは、摂氏７５０～８５０度（それらの値を包含する）の３０分アニーリングを含んでもよい。いくつかの他の実装では、摂氏８５０度より高い熱アニーリング温度では、熱アニーリングにおける所定の持続時間は、３０分より短くてもよく、例えば、数分、数秒、および／または数分の１秒程度の短さであってもよい。

【0057】

薄膜構造１３０は、１つまたはそれを上回る薄膜層を含んでもよく、第１の領域および第２の領域は、同一薄膜層または２つの異なる薄膜層内に配置されてもよい。

【0058】

図３Ａは、光学素子３００の実施形態を示す。光学素子３００は、基質３１０と、薄膜構造３３０とを含んでもよい。薄膜構造は、薄膜層を含んでもよく、その中に第１の領域３３１および第２の領域３３２が、成長方向３９８と垂直に配置されてもよい。換言すると、第１の領域３３１および第２の領域３３２は、薄膜層内の異なる面内場所（または位置または部分）にある。いくつかの実装では、第１の領域３３１は、アナターゼ相内にあってもよく、第２の領域３３２は、ルチル相内にあってもよい。

【0059】

種々の実施形態は、光学素子３００を加工するための方法を含み、これは、単一ナノフォトニクス素子上の同一ドーパント－ホスト系内で偏移される波長を伴う、２つの非重複光学遷移を有する、２つの領域を含む。

【0060】

図３Ｂは、図３Ａの光学素子３００を加工するための一例示的実施形態を示す。図２の方法２００は、以下の一部または全てをさらに含むように適合されてもよい。

【0061】

第１のステップは、ある成長温度において、希土類系の光学活性イオンでドープされた薄膜層を基質上に堆積させるステップを含む。成長温度は、比較的に低温（例えば、５５０℃）であってもよく、それによって、薄膜層３３０が、領域３３２ａをアナターゼ相内に含む、アナターゼ相内に形成される。

【0062】

第２のステップは、成長温度より高いアニーリング温度において、局所的熱アニーリング３４０（上記に説明されるように、局所的レーザ加熱または電気加熱）を薄膜層内の領域３３２ａに印加し、アナターゼ相内の薄膜の領域３３２ａをルチル領域３３２ｂ（第２の多形相）に変換し、第２の領域３３２を形成するステップを含む。

【0063】

第３のステップは、薄膜層の残りの部分内にアナターゼ相（第１の多形相）を有する、第１の領域３３１を形成するステップを含む。いくつかの実装では、第２の領域３３２以外の部分は、第１の領域３３１を形成してもよい。いくつかの他の実装では、第１の領域３３２および第２の領域３３１は、面内方向において、薄膜３３０全体を占有しなくてもよく、第１の領域３３１および第２の領域３３２以外の部分は、例えば、リソグラフィ手段（例えば、エッチング、溶解、またはリフトオフ）を介して、除去されてもよい。

【0064】

本開示のいくつかの実施形態では、図３Ｂに示されるような例示的実施形態における上記の全てのステップを含まなくてもよい。一実施例に関して、実施形態は、パターンが、形成され、次いで、相変換が、実施される、光学素子をもたらす、最初の２つのステップを含んでもよい。

【0065】

図３Ｃは、光学素子を加工するための別の実施形態を示す。第１の領域および第２の領域は、同一面内薄膜層内に、シーケンスにおいて、異なる時間で堆積されてもよい。図２の方法２００は、光学素子を加工するために、以下の一部または全てをさらに含むように適合されてもよい。

【0066】

第１のステップは、リソグラフィ方法（例えば、第１のパターン化された層をリソグラフィでパターン化し、１つまたはそれを上回るある領域において、基質を暴露させる）を使用して、リソグラフィで画定された領域（例えば、領域３３２ｄ）内で、ある成長温度において、第１の薄膜を希土類系の光学活性イオンでドープされたを基質上に堆積させるステップを含む。リソグラフィ方法は、第１の薄膜の領域３３２ｄ堆積時に開口部を伴ってパターン化されたフォトレジストまたは犠牲層を使用してもよい。成長温度は、比較的に低温であってもよく、それによって、リソグラフィで画定された領域（領域３３２ｄ）は、アナターゼ相内に形成される。

【0067】

第２のステップは、３３２ｅによって示されるように、成長温度より高いアニーリング温度において、熱アニーリング３４０を素子に印加し、薄膜の領域３３２ｄをアナターゼ相からルチル相に変換し、第２の領域３３２を形成するステップを含む。しかし、ここでの熱アニーリングは、パターン化された薄膜層が第２の領域３３２にのみ存在するため、局所的である必要はあり得ない。

【0068】

第３のステップは、第１の領域を暴露された基質内にリソグラフィで画定し、第１の多形相内で、成長温度において、希土類系の光学活性イオンを伴う第２の薄膜を第１の領域３３１における基質にわたって堆積させるステップを含む。成長温度は、比較的に低温であってもよく、それによって、第１の領域３３１は、アナターゼ相内に形成される。リソグラフィ画定および第１の多形相を伴う第１の領域３３１の成長は、上記の第２のステップにおいて取得される、構造にわたって、フォトレジストまたは犠牲層を堆積させ、第２の薄膜を第１の領域３３１および残りのフォトレジストまたは犠牲層にわたって堆積させる前に、第１の領域３３１にわたるフォトレジストまたは犠牲層を空間的にパターン化およびエッチング除去し、第１の領域３３１下の基質を暴露させ、次いで、第１の領域以外の領域を被覆する、フォトレジスト層を上方にリフトオフし、図３Ｃの第３のステップの構造を形成するステップを含んでもよい。

【0069】

代替として、図３Ｃの例示的フローでは、第１の薄膜は、成長温度において領域３３２ｄをリソグラフィパターン化し、アナターゼ薄膜を形成する前に、堆積されてもよい。第１の薄膜は、次いで、アニーリングされ、ルチル薄膜に変換されてもよい。アニーリングされた第１の薄膜は、次いで、例えば、領域３３２以外の残りの領域をエッチングすることによって、リソグラフィによって処理され、ルチル相を伴う、領域３３２を形成してもよい。

【0070】

本開示のいくつかの実施形態では、図３Ｃに示されるような例示的実施形態における上記の全てのステップを含まなくてもよい。一実施例に関して、実施形態は、パターンが、例えば、エッチングすることによって、形成され、次いで、相変換が、実施される、光学素子をもたらす、最初の２つのステップを含んでもよい。

【0071】

図４Ａは、例示的光学素子４００の実施形態を示す。光学素子４００は、基質４１０と、薄膜構造４３０とを含んでもよい。薄膜構造は、１つを上回る薄膜層、すなわち、第１の薄膜層４４０と、第２の薄膜層４５０とを含んでもよい。第１の領域４３１および第２の領域４３２は、成長方向４９８に沿って、異なる薄膜層内に配置されてもよい。いくつかの実装では、第１の領域４３１は、アナターゼ相内の第２の薄膜層内にあってもよく、第２の領域４３２は、ルチル相内の第１の薄膜層内にあってもよい。

【0072】

図４Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、光学素子４００内の第１の領域および第２の領域は、２つの薄膜層の異なる面内部分にあってもよい。

【0073】

図４Ｂを参照すると、いくつかの他の実施形態では、光学素子４０１内の第１の領域および第２の領域は、２つの薄膜層の同一面内部分にあってもよい。

【0074】

種々の実施形態は、光学素子４００または４０１を加工し、それによって、単一ナノフォトニクス素子上の同一ドーパント－ホスト系内に偏移される波長を伴う、２つの非重複遷移を生成するために使用されてもよい。

【0075】

図４Ｃは、光学素子を加工するための種々の実施形態を示す。図２の方法２００は、光学素子４０１を加工するために、図４Ｃの以下のステップの一部または全てをさらに含むように適合されてもよい。

【0076】

第１のステップは、ある成長温度において、希土類系の光学活性イオンでドープされた第１の薄膜４４０を基質４１０上に堆積させるステップを含む。成長温度は、比較的に低温であってもよく、それによって、第１の薄膜層４４０は、アナターゼ相内に形成される、領域４３２ａを含む。

【0077】

第２のステップは、成長温度より高いアニーリング温度において、第２の領域４５０を熱的にアニーリングし、領域４３２ａをアナターゼ相からルチル相領域４３２ｂに変遷させ、第２の領域４３２を形成するステップを含む。熱アニーリングは、局所的に実施されてもよい。

【0078】

第３のステップは、成長温度において、希土類系の光学活性イオンを伴う第２の薄膜４５０を第１の薄膜にわたって堆積させ、第１の領域４３１を第２の薄膜内に形成するステップを含む。成長温度は、比較的に低温であってもよく、それによって、第１の領域４３１を含む、第２の薄膜層４５０が、アナターゼ相内に形成される。

【0079】

上記の図４Ｂの素子４０１の基礎原理は、成長方向における２つを上回る薄膜層に拡大されてもよい。さらに、薄膜層のそれぞれにおいて、第１の領域４３１および／または第２の領域４３２は、面内方向における薄膜全体に拡張してもよい。第１および第２の領域４３１および４３２の面内場所の画定は、必要とされる場合、上記に説明されるように、種々のリソグラフィ処理を介して、達成されてもよい。

【0080】

限定ではないが、上記の種々の例示的素子内の第１の領域および第２の領域は、異なる希土類酸化物薄膜内にドープされた同一希土類イオンであってもよい。希土類酸化物は、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、または酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を含んでもよい。代替として、素子内の第１の領域および第２の領域は、同一希土類酸化物薄膜内にドープされた異なる希土類イオンであってもよい、または素子内の第１の領域および第２の領域は、異なる希土類酸化物薄膜内にドープされた異なる希土類イオンであってもよい。

【0081】

限定ではないが、種々の実施形態では、図４Ａおよび４Ｂにおける第１の領域４３１は、アナターゼ相およびルチル相の任意の相であってもよく、第２の領域４３２は、他の相であってもよい。図３Ｂにおける第２の領域３３２ａ、図３Ｃにおける３３２ｃ、または図４Ｃにおける４３２ａは、異なる多形相であってもよく、熱アニーリングに応じて、ルチル相に変換される。

【0082】

本開示は、上記の素子を上記の実施形態のうちの任意の１つまたはそれらの組み合わせに組み込む、用途の種々の実施形態をさらに説明する。

【0083】

一実施形態は、順次堆積およびアニーリング方法を使用することによって、側方構成および／または垂直構成を用いて、キュービット密度を有意に増加させる、例えば、キュービット密度を２倍にするステップを含んでもよい。別の実施形態は、選択されたエリア上への多形相変換によって、決定的キュービット設置を達成するステップを含んでもよい。

【0084】

図５Ａを参照すると、別の実施形態は、リング共振器ベースの素子５００を含んでもよい。素子は、ナノフォトニックメモリ素子または他の光学処理素子（光学フィルタ等）として実装されてもよい。図５Ａは、薄膜構造の面内図を示す。アナターゼ相内の第１の領域５１１は、薄膜構造内に、第１の光学リング共振器を形成し、第２の領域５１２は、第２の光学リング共振器を形成してもよい。いくつかの実装では、第１の光学リング共振器５１１および第２の光学リング共振器５１２は、薄膜構造内の同一光学導波管５１０に結合されてもよい。

【0085】

図５Ｂを参照すると、別の実施形態は、導波管および／またはフォトニック結晶（ＰｈＣ）ベースの素子５２０を含んでもよい。素子は、ナノフォトニックメモリ素子として実装されてもよい。素子５２０は、ミラー領域５２１と、ＰｈＣ内の着目領域５２２とを含んでもよい。ＰｈＣ内の着目領域５２２は、第１の領域５３１のセットと、第２の領域５３２のセットとを含んでもよい。素子５２０は、別のミラー領域（図５Ｂには図示せず）を含んでもよく、これは、ミラー領域５２１との組み合わせにおいて、着目領域５２２を包囲し、例えば、Ｆａｂｒｅ－Ｐｅｒｏｔ共振器を形成してもよい。着目領域５２２内の第１の領域５３１および第２の領域５３２は、任意の面内空間様式に配列されてもよい。

【0086】

本開示は、熱アニーリングを使用して、特定の領域を第１の多形相（アナターゼ相）から第２の多形相（ルチル相）に変遷させる、種々の実施形態を説明する。より高い成長温度において、薄膜を堆積させることによって、直接加工される、ルチル相と比較して、熱アニーリングのいくつかの利点／利益が存在し得る。

【0087】

本開示は、ドープされた層を非ドープ層の合間に挟着することによって、１つまたはそれを上回るキュービットの性質を制御する、種々の実施形態を説明する、例えば、限定ではないが、エルビウムドープされた層が、第１の非ドープ層上に堆積され、第２の非ドープ層で冠着される。第１の非ドープ層は、底部緩衝層であってもよく、第２の非ドープ層は、上部緩衝層であってもよい。底部緩衝層（すなわち、第１の非ドープ層）および／または上部緩衝層（すなわち、第２の非ドープ層）の厚さを変動させることによって、エルビウムドープされた層内の１つまたはそれを上回るキュービットの性質が、制御されてもよい。例えば、以下の節にさらに詳細に議論されるように、底部層の厚さを増加させることによって、エルビウムドープされた層内の１つまたはそれを上回るキュービットの光学性質（例えば、不均質光学線幅）は、より狭く（すなわち、より小さく）なる。

【0088】

１つの利点／利益として、アナターゼ相からアニーリングすることによって、ルチル相を取得することは、下記にさらに詳細に説明されるように、直接堆積されるルチル相と比較して、最終ルチル相のためのより良好な品質を達成することに役立ち得る。

【0089】

別の利点／利益は、直接堆積されるルチル相と比較して、変換されるルチル相内のＥｒイオンのための物理的性質の均質性を大幅に改良することを含み得る。例えば、直接成長されるルチル薄膜の不均質線幅は、７６±３ＧＨｚ（端の値を包含する）の範囲内であり得る一方、アナターゼ薄膜を熱アニーリングした後に取得される同一厚を伴う、ルチル薄膜の不均質線幅は、４８±２ＧＨｚ（端の値を包含する）の範囲内であり得る。光学不均質線幅は、ドーパントイオンの局所的環境内の不均質性に関するメトリックである。各Ｅｒイオンは、隔離される場合、同一遷移周波数を有するであろう、すなわち、局所的環境における小差異は、これを偏移させ、全体的分布は、本不均質線幅によって測定される。不均質線幅を低減させることが有利である。

【0090】

別の利点／利益は、低温において堆積を実施することが、直接、堆積のために、光リフォグラフィマスクを使用すること、長持続時間にわたる高温における成長と比較して、高温における熱アニーリングを用いる短持続時間のみを伴って、熱予算を低下させること、および／または１つのタイプのみの薄膜成長（低温成長）を用いて、プロセスサイクルを簡略化することを可能にすることを含み得る。

【0091】

下記では、本開示はさらに、詳細な素子加工方法および加工される素子の構造および光学特性の測定に関連する詳細を説明する。

【0092】

量子メモリ素子は、量子交絡ベースのリンクを長距離にわたって確立することが可能である、提案されるネットワークの重要な部分である。情報は、原子の小集団または単一原子／欠陥のレベル、例えば、数ある中でもとりわけ、ダイヤモンド内のＮＶ中心およびＹＳＯ内の希土類欠陥に記憶される。これらのキュービットのためのソリッドステートホストが、有望なキュービットプラットフォームとして出現しており、主要な利点は、これらのシステムが本質的にスケーラブルであることに由来する。本システムは、上記に議論されるような１つを上回る実施形態のうちの任意の１つまたはそれらの組み合わせであってもよい。半導体産業適合性薄膜ホストを使用するための潜在性は、確立されたプロセスを利用することができる。本分野における１つの重要な駆動力は、ナノフォトニック構造を使用する単一原子との相互作用の重要な実証となっている一方、これらの実証は、それらが薄膜プラットフォームの潜在性に関する強力な支持を提供する、概念検証である。

【0093】

ＥｒドープされたＴｉＯ_２薄膜の特性評価は、下記の節に説明され得る。Ｅｒの選択肢は、Ｅｒがその第１の放出を電気通信Ｃ帯域（１，５３０～１，５６５ｎｍ）内に有するという事実によって動機付けられ、これは、Ｅｒキュービットからの光が、最小限の損失を伴って、直接、既存の光ファイバを経由して伝送され、したがって、長距離交絡分布を可能にし得ることを意味する。加えて、希土類イオン（ＲＥＩ）としてのＥｒは、４ｆシェルが完全５ｓおよび５ｐレベルによって遮蔽されるため、狭４ｆ－４ｆ遷移を有し、これは、局所的環境からの保護を提供する。

【0094】

ナノ粒子形態におけるＴｉＯ_２内のエルビウムは、太陽電池材料として探求されている。ＴｉＯ_２の薄膜成長は、金属有機前駆体をｒ－面サファイア上で使用してもよい。本方法は、ＴｉＯ_２圧力が精密かつはるかに低い温度で制御され得るため、（Ｔｉの）直接蒸発より有利である。

【0095】

加工方法および薄膜特性
例示的ＴｉＯ_２膜の成長は、Ｒｉｂｅｒ酸化物ＭＢＥシステムを使用して実施されてもよい。オルトチタン酸テトライソプロピル（ＴＴＩＰ）が、チタンの源として使用された。前駆体が、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈから購買され、９９．９９９％の純度を有していた（微量金属ベース）。チャンバ内に導入される、ＴＴＩＰの量は、コンピュータ制御された針弁を介した前駆体水蒸気圧力を介して、精密に制御された。膜内のドーピングは、高温Ｋｎｕｄｓｅｎセル内の金属エルビウム源を使用して実施された。その精製された金属形態におけるエルビウムは、Ｉｏｗａ州にあるＡｍｅｓ Ｌａｂから購入され、５Ｎの純度を有していた（希土類ベース）。膜が、高温計によって測定されるように、ある範囲の基質温度（摂氏４８０度（℃）～８５０℃）にわたって成長された。成長に関して、温度は、ルチル膜のために、７５０℃に、アナターゼ膜のために、４８０℃に設定された。酸素流が、０．５５ｓｃｃｍに保たれ、５Ｅ－６Ｔｏｒｒのチャンバ背景圧力を得た。使用される基質は、ｒ－面サファイア（ＬＡＴＴＩＣＥ）、ＳＴＯ（１００）、およびＳｉ（１００）であって、前者２つは、加熱器と基質との間の改良された熱伝達のために、３５０ｎｍ厚のＴａ層を背面側上で使用した。ＳＴＯおよびサファイアに関して、基質は、２０分のＯ_２プラズマを基質上で使用して清浄され、シリコンに関して、ＲＣＡ清浄が、行われ、その後、ＨＦ浸漬（本来の酸化物を除去する）が続き、基質の清浄度が、２ｘ１再構成によって信号伝達された。ドーパント密度は、源温度（８００℃～１，２００℃）を制御することによって、変動された。成長される膜は、０．５５ｓｃｃｍ酸素流を用いて、（成長温度から２００℃まで）冷却された。

【0096】

成長は、ＲＨＥＥＤを使用して、原位置で監視され、原位置外膜特性評価が、Ｘ線回折（ＸＲＤ）（Ｂｒｕｋｅｒ Ｄ８ ｄｉｓｃｏｖｅｒ）を使用して、実施された。表面特性評価が、Ｂｒｕｋｅｒ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｉｃｏｎ原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を使用して、実施された。

【0097】

ブロードバンドオフ共振分光法が、９０５ｎｍ励起レーザ（ＱＰｈｏｔｏｎｉｃｓ ＱＦＬＤ－９０５－２００Ｓ）を使用して、実施された。エルビウムフォトルミネッセンスが、１．２μｍ光のためにブレーズドされた３００ｇ／ｍｍ回折格子を使用して、約０．３ｎｍのスペクトル分解能を達成する、ファイバ結合分光計および液体窒素冷却ＩｎＧａＡｓカメラ（Ｔｅｌｅｄｙｎｅ Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製ＩｓｏＰｌａｎｅ－３２０およびＰｙＬｏＮ－ＩＲ）を用いて、収集された。

【0098】

光学特性評価設定は、薄膜上に集束された、５０倍対物レンズを使用する、ホームビルドされた共焦点顕微鏡である。光が、単一コリメータから分光維持ファイバの中へと自由空間から／の中に収集／放出される。ファイバは、双方向性２ｘ１音響光変調器スイッチ（Ｂｒｉｍｒｏｓｅ）に接続され、これは、収集経路と励起経路との間で切り替える。励起の間、スイッチは、波長可変Ｃ－帯域レーザ（ＰｕｒｅＰｈｏｔｏｎｉｃｓ）からの光をサンプルへの自由空間の中に送光する一方、収集の間、スイッチは、フォトルミネッセンスを超伝導性ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）の中に送光する。励起経路上の２つの付加的音響光変調器（ＡＡ－Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ）は、ＳＮＳＰＤ暗雑音を下回る（＜１００カウント／秒）励起からの任意のクロストークを完全に減衰させることに役立つ。スペクトルは、波長可変レーザの波長を掃引し、０．１～１ミリ秒（ｍｓ）の持続時間との間にわたって励起させることによって取得される。フォトルミネッセンスは、１～１５ｍｓの持続時間にわたって、１００μｓの遅延後に収集される（過渡のために）。均質線幅測定が、強度電気光変調器（１０ＧＨｚ、Ｔｈｏｒｌａｂｓ）を使用して、実現され、二次点においてバイアスされ、プローブ側帯域を生成する。側帯域周波数は、駆動外部マイクロ波信号発生器によって設定および掃引される。

【0099】

膜の構造的特性
ＴｉＯ_２は、２つの主要相、すなわち、アナターゼ（Ｉ４_１／ａｍｄ、ａ＝３．７８４５Å、ｃ＝９．５１４３Å、Ｚ＝４）と、ルチル（Ｐ４_２／ｍｎｍ ａ＝４．５９３７Å、ｃ＝２．９５８７Å、Ｚ＝２）とに結晶化する。これらのうち、ルチルは、ｒ－面サファイア（０１２）／／ＴｉＯ２（１０１）上にエピタキシャルに成長されており、

【化1】

に沿って３．７％および

【化2】

に沿って６．０４％の不整合を伴う。

【0100】

図６の下側半分を参照すると、透過型電子顕微鏡検査（ＴＥＭ）画像（行１および行２）および選択的エリア回折（ＳＡＤ）データ（行３）は、ｒ－サファイア上の成長がエピタキシャル関係を有することを示す。しかしながら、シリコン上では、成長は、ＴＥＭ画像に見られるように、多結晶であるが、ＳＡＤから裏付けられるように、好ましい成長方向に沿って、テクスチャ加工される（行３）。

【0101】

同様に、アナターゼに関して、ＳＴＯ（１００）／／ＴｉＯ_２（００１）は、３．１％の不整合を有するが、本エピタキシャル関係に起因して、成長は、エピタキシャルのままである。しかしながら、シリコン（１００）上では、エピタキシャル関係の不在に起因して、相が温度に強依存性を有し、成長表面が熱力学的に駆動された、すなわち、好ましい成長方向がルチルおよびアナターゼの両方に関して識別されたことが見出された。これらの成長では、界面層は、ｒ－サファイアおよびＳＴＯ上のＴｉＯ_２成長に関して認められなかったが、明確に異なる量の酸化物が、シリコン基質に関する界面に存在し、これは、より高い温度で成長されたルチルに関して、より厚い。本酸化物中間層は、成長の間のＳｉの酸化に起因し、より高い成長温度は、より厚い層の酸化物（２対４ｎｍ）につながる。

【0102】

光学特性評価
ルチルおよびアナターゼ内のエルビウムは、フォトルミネッセンス（ＰＬ）シグネチャに見られるように、２つの明確に異なる放出ピークを有する。これに基づいて、アナターゼ成長にわたる温度範囲が、識別され得る。探求される範囲に関して、明確に異なる相／温度依存性が、認められた。

【0103】

図７Ａに示されるように、膜は、主に、７５０℃およびそれを上回ると、ルチルであって、主に、５５０℃およびそれを下回ると、アナターゼであって、中間温度は、２つの相間の分布を与え、これは、温度に依存することが予期されるが、ここでは探求されていない。図７Ａでは、ＥｒドープされたＴｉＯ_２（ルチル）は、約１，５２０ｎｍのピークを有する一方、アナターゼ相は、約１，５３２ｎｍのピークを有する。ルチル相は、成長温度が減少されるにつれて、減少する（赤色：７５０Ｃ、青色：６１０Ｃ、黒色：５５０Ｃ、シアン色：４８０Ｃ）。

【0104】

図７Ｂは、低温において成長されるが、８５０℃でアニーリングされる（５ｘ１０Ｅ－５ｔｏｒｒの酸素圧力、８５０℃）、サンプルに関して、低温ピークが消失することを示す。

【0105】

単結晶成長のためのルチルおよびアナターゼ相を比較すると、光学不均質線幅が、ルチル相に関してより有意に大きい（約６倍）ことが見出される。ｒ－サファイアとルチルとの間のより大きい格子不整合は、少なくとも部分的に、本効果に責任があり得る。しかしながら、これが、唯一の理由であった場合、線幅は、Ｓｉ（１００）上の多結晶薄膜に関して、より近くなるであろうことが予期され得る。代わりに、これはさらに、悪化し、Γ_ｉｎｈは、図８Ａ－８Ｃに示されるように、アナターゼと比較して、ルチルに関して約８倍より大きい。理由は、完全に明白ではなく、結晶構造内のエルビウムの位置が、ある役割を果たし得ることが予期される。このため、シリコン上の多結晶アナターゼは、界面、濃度、およびサンプル温度の効果の研究のために取り上げられ得る。

【0106】

図８Ｂは、ローレンツ関数を光学フォトルミネッセンスデータに適合させる、均質線幅形態を示す。

【0107】

図８Ｃでは、単結晶ルチルのΓ_ｉｎｈが、単結晶アナターゼより約６倍広い。多結晶サンプルに関して、これは、ルチルがアナターゼより約８倍広い状態になる。

【0108】

膜性質のエンジニアリング
界面は、不均質線幅（Γ_ｉｎｈ）に関して有意な役割を有し得る。これを利用して、種々の実施形態は、１つまたはそれを上回る非ドープ層の厚さを変化させることにより、エルビウムドープされた層を非ドープ層の合間に挟着することによって、１つまたはそれを上回るキュービットの性質を制御するステップを含んでもよい。例えば、限定ではないが、１つまたはそれを上回るキュービットの性質は、不均質線幅の観点からの光学性質を含んでもよい。

【0109】

強依存性が、１０ｎｍの底部緩衝材と、５ｎｍの上部緩衝材とを伴う、「裸」層（１０ｎｍＥｒ：ＴｉＯ_２膜）を比較するときに認められた。底部緩衝材厚を増加させることは、図９に示されるように、Γ_ｉｎｈをさらに改良する。４Ｋｅｌｖｉｎ度（Ｋ）における約５．２ＧＨｚの一連の最良線幅が、６０ｎｍの底部緩衝材を伴う膜スタックに関して見出された。図９では、一連の実験は、不均質光学線幅を改良する際の底部緩衝材の役割を実証し得る。最良線幅は、６０ｎｍ底部緩衝材に関して取得された（差込図）。

【0110】

線幅が濃度または温度によって限定されたかどうかもまた、調査された。パラメータ空間内では、濃度は、限定要因であるとは考えられないことが見出された。しかしながら、改良のためのある程度の余地が、より低いサンプル温度に関して残っている。

【0111】

図１０Ａおよび１０Ｂは、濃度および温度に由来する、Γ_ｉｎｈへの寄与を示す。濃度は、主要な広がりを引き起こさないために十分に低いが、しかしながら、依然として、より低い温度に進むことによって、改良のための余地が存在することが見出された。

【0112】

Ｔ_２＊は、潜在的キュービットを特性評価した、別の重要なパラメータである。従来的に、これは、光のパルスとインターフェースすることを介して、評価される。前述で説明される間接方法が、Ｔ_２＊に関する上限を得るために採用された。これは、上部および底部緩衝材およびドーパント濃度が果たす、役割を評価するために使用された。Γ_ｉｎｈと比較して、Ｔ_２＊は、図１１に示されるように、緩衝材および濃度に対してより敏感である。

【0113】

慎重に設計された実験はさらに、エルビウムドープされた薄膜の性質がエンジニアリングされ得ることを示す。加えて、膜のＳｉ適合性および加工性は、直接、本プラットフォーム上で、素子加工を可能にする。

【0114】

多結晶のより良好な性能は、完全に緩和されたナノ結晶に完全に起因し得ない。しかしながら、本時点で完全に明白ではない、役割を果たす、他の機構も存在し得る。均質線幅を研究するための能力が、さらなる発展を経るにつれて、これは、ひいては、また、これらの相互作用の性質をさらに深く研究することを可能にし得る。

【0115】

サブミクロンスケールにおける局所的レーザ加熱を用いた実施形態
いくつかの実装では、Ｔ_ｉＯ_２は、２つの安定相内、すなわち、アナターゼと、ルチルとに存在し、局所的加熱が、２つの相間の変化に影響を及ぼすために使用されてもよい。集束されたレーザビームを使用して、相変化が、１マイクロメートル（ミクロン）の長さおよび／または幅に等しいまたはそれより小さい、例えば、サブミクロンと見なされる、０．５ミクロンであり得る、エリアにわたって画定されてもよい。

【0116】

いくつかの実装では、Ｅｒ－ドープされたＴ_ｉＯ_２の局所的相変化が、ミクロンまたはサブミクロンサイズレベルにおいて局所的環境に影響を及ぼすために使用されてもよく、したがって、マイクロスケール領域は、準決定的方式において、Ｅｒ（または他のＲＥＩ）キュービット設置を可能にする。一実施例に関して、図１２Ａ－１２Ｄは、集束されたレーザが、局所的レーザ加熱によって、サブミクロン領域にわたって相変化を得るために使用され得ることを実証する。

【0117】

図１２Ａを参照すると、パネル１２１０は、薄膜／ウエハの断面の概略図を示し、その基質は、シリコンであって、上層は、Ｅｒ－ドープされたＴｉＯ_２薄膜である。Ｅｒ－ドープされたＴｉＯ_２薄膜は、アナターゼの相である。パネル１２２０は、局所的レーザ加熱／アニーリングが生じる、領域（すなわち、「実験領域」）の概略図を示す。クロムマーカが、Ｘ線蛍光を使用してデータ収集を誘導するために使用される。局所的レーザ加熱／アニーリングが、長方形によって示されるエリアにおいて実施された後、領域の後続特性評価が、実施される。

【0118】

図１２Ｂを参照すると、パネル１２３０は、ＴｉＯ_２サンプル（アナターゼ）上のパターン化されたエリアの光学画像を示し、１９×１９μｍの領域が、エリアを識別するために、クロム基点を使用して画定される。約１マイクロメートル（μｍ）スポットサイズを伴う、５００ミリワット（ｍＷ）青色レーザが、それぞれ、約１、１０、１００、および５００秒の滞留時間を伴う、約５μｍ分離される、小領域を加熱するために使用される。パネル１２４０は、アナターゼでは、約１，５３３ナノメートル（ｎｍ）において、ルチルでは、約１，５２１ｎｍにおいて、Ｅｒ放出を示す。フォトルミネッセンス（ＰＬ）放出は、長方形（１２４２）内のエリアに対応する、放出波長における差異を通して、相変化の証拠を示す。ＰＬは、ルチルピークを中心とする帯域通過フィルタを使用して、収集される。

【0119】

本開示では、「約Ａ」は、Ａ±１０％＊Ａ（端の値を包含する）としてＡの周囲の範囲を指し得、Ａは、数である。

【0120】

図１２Ｃを参照すると、パネル１２５０および１２６０は、先端放射光施設において、集束されたＸ線ビーム（４０ｎｍ）を使用して、着目領域（図１２Ｂにおける長方形１４４２）を走査することによる、さらなる証拠を示す。粒子のサイズが、１００ｎｍを下回って測定され、それらの場所は、青色レーザによって修飾されるエリアに合致する。

【0121】

図１２Ｄを参照すると、パネル１２７０および１２８０は、本開示における種々の実施形態が、例えば、ナノフォトニクス素子の波腹（領域１２８２によって示される）において、着目領域を局所的に画定するために使用され得ることを示す。参照のために背景として、典型的フォトニック導波管は、約５００ｎｍの幅を有する。パネル１２７０は、絶縁体上シリコン上のＥｒ：ＴｉＯ_２を使用して加工される素子の概略図を示す。パネル１２８０は、本開示に説明されるような局所的レーザ加熱方法を用いる、別の加工される素子上の相の概略図を示す。

【0122】

特定の開示が、例証的実施形態を参照して説明されているが、本説明は、限定することを意味するものではない。本開示の例証的実施形態および付加的実施形態の種々の修正が、本説明から当業者に明白となるであろう。当業者は、これらおよび種々の他の修正が、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に図示および説明される、例示的実施形態に行われ得ることを容易に認識するであろう。したがって、添付の請求項は、任意のそのような修正および代替実施形態を網羅するであろうと想定される。例証のある割合は、誇張され得る一方、他の割合は、最小限にされ得る。故に、本開示および図は、制限的ではなく、例証的と見なされるべきである。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図12D】

【国際調査報告】