Point defects in aluminium nitride for quantum technologies

Doctorante : Azin Aghdaei

Jury : 

Direction de recherche : P^r Denis Morris
Président du jury : P^r Jeffrey Quilliam
Membre : P^r René Côté
Membre externe : P^r Richard Leonelli, Université de Montréal

Titre en français

Défauts ponctuels dans le nitrure d’aluminium pour les technologies quantiques

 RÉSUMÉ

Les défauts ponctuels affectent fortement les propriétés électroniques et optiques des semi-conducteurs : une meilleure compréhension de l’impact de ces défauts sur les performances des dispositifs basés sur ces matériaux est donc d’un grand intérêt technologique. Ces dernières années, il a été démontré que les défauts ponctuels possédaient des propriétés intéressantes pour les applications liées à l’informatique, à la détection et à la communication quantiques. Les défauts ponctuels dans l’AlN ont récemment attiré une attention considérable en raison de leur capacité à agir comme qubit pour les applications quantiques. En effet, les lacunes d’azote chargées négativement, les paires d’impuretés du groupe IV (Ge, Sn, Ti et Zr) et, plus récemment, les paires ions métalliques-lacunes (Y, La, Zr et Hf) dans l’AlN, ont été théoriquement signalées comme des candidats prometteurs pour les qubits.

Cette thèse aborde l’étude des propriétés optiques et magnétiques de quelques défauts ponctuels générés artificiellement dans l’AlN, via un procédé d’implantation ionique. Les résultats ont permis d’explorer l’influence de différentes espèces d’implantation (H, Ti, Zr, Hf) et de différentes conditions de recuit thermique à haute température sur la formation de certains complexes de défauts ponctuels d’intérêt pour des applications aux technologies quantiques. L’espace des paramètres expérimentaux explorés dans cette thèse est limité, mais il ressort tout de même qu’il est possible de générer des paires lacunes-impuretés lourdes de type VN-ZrAl qui présentent un intérêt comme défauts ponctuels luminescents pour les sources de photons uniques ou encore des paires lacunes-impuretés lourdes de type VN-TiAl qui présentent un intérêt comme défauts de spin (S=1) pour des applications aux senseurs quantiques.

ABSTRACT

Point defects strongly affect the electronic and optical properties of semiconductors: a better understanding of the impact of these defects on the performance of devices based on these materials is therefore of great technological interest. Over recent years point defects have been shown to possess properties of interest for applications related to quantum computing, sensing, and communication. Point defects in AlN recently attract considerable attention due to their ability to act as a qubit for quantum applications. Indeed, negatively charged nitrogen vacancies, group IV impurity (Ge, Sn, Ti, and Zr)–vacancy pairs, and, more recently, large metal ion (Y, La, Zr, and Hf )–vacancy pairs in AlN, have been theoretically reported as promising qubit candidates.
This thesis presents the results of the study of the optical and magnetic properties of some artificially generated point defects in AlN, via an ion implantation process. The results allowed to explore the influence of different implantation species (H, Ti, Zr, Hf) and different high temperature thermal annealing conditions on the formation of some point defect complexes of interest for quantum technology applications. The experimental parameter explored in this thesis is limited, but it is shown that it is possible to generate VN-ZrAl complex defects which are of interest as luminescent point defects for single photon sources or VN-TiAl complex defects which are of interest as spin defects (S=1) for quantum sensor applications.