Stabilität, elektronische Struktur und Potenzial als Spin-Qubits sauerstoffbedingter Defekte in 4H-SiC +

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4H-SiC hat aufgrund seiner ausgereiften Kristallwachstumstechnologie, kontrollierbaren n-Typ- und p-Typ-Dotierung und Mikro-Nano-Verarbeitungsfähigkeiten großes Potenzial in der Quantentechnologie gezeigt. Ähnlich wie bei Diamant können die in 4H-SiC vorhandenen Punktdefekte als Spin-Qubits dienen und Spin-Photonen-Schnittstellen für Anwendungen in der Quanteninformatik, Kryptographie und Sensorik ermöglichen. Unter den zahlreichen Defekten haben Sauerstoffdefekte aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Struktur und optischen Eigenschaften in den letzten Jahren wieder an Forschungsinteresse gewonnen.

1. Klassifizierung und Stabilität von Sauerstoffdefekten in 4H-SiC

Nach der Forschung von Iwamoto et al. können sauerstoffbedingte Defekte in 4H-SiC in vier Kategorien eingeteilt werden:

Gruppe I: Alternative Sauerstoffdefekte (z. B. O_C., O_Si, O_C.Ö_Si)

Gruppe II: Sauerstofflückendefekte (O_ich,1, O_ich,2)

Gruppe III: Sauerstoff-Leerstellenkomplexe (wie O_C.V._Si, O_SiV._C.)

Gruppe IV: Alternative Sauerstoff-Kohlenstoff-Komplexe (wie O_C.C._Si)

Unter n-Typ-Bedingungen sind die drei stabilsten Defekte:

Ö_ich,1(Dreifachkoordination, gebunden an drei Si-Atome)

Ö_C.(Vierfachkoordination, C_3vSymmetrie)

Ö_C.V._Si(Sauerstoff-Silizium-Leerstellenkomplex)

Darunter die Bildungsenergie von O_C.V._Siist relativ gering, insbesondere unter n-Typ-Bedingungen, lässt sich leicht bilden und existiert stabil, was im Mittelpunkt nachfolgender Forschung steht.

2. Entstehung und Nachweis von Sauerstoffdefekten in 4H-SiC

Ö_C.V._SiDurch Sauerstoffionenimplantation und anschließendes Tempern können in 4H-SiC Defekte entstehen. Wenn das Fermi-Niveau durch Schottky-Kontakt auf den Bereich von EV+0,96–2,07 eV reguliert wird, beträgt O_C.V._Sikann den S=1-Spinzustand beibehalten, während O_ich,1, und O_C.haben keinen Spin, wodurch die Spin-Dekohärenz unterdrückt wird.

Das O_III-O_vDie in frühen DLTS-Messungen entdeckten tiefen Energieniveaus lagen im Bereich der (-1/-2) Akzeptorenergieniveaus (EV+2,40–2,52 eV) von O_C.V._Si, und das beobachtete O_III-O_V.Das Signal kann mit Defekten in O zusammenhängen_C.V._Si. Darüber hinaus ist der D_ichDie im Experiment beobachteten Seriendefekte (ZPL≈1,23 eV) stimmen in hohem Maße mit dem theoretisch vorhergesagten O überein_C.V._SiZPL-Energie, was darauf hindeutet, dass dieser Defekt möglicherweise im Experiment beobachtet wurde.

Abb. 1 Bildungsenergien von sauerstoffbedingten Defekten in 4H-SiC unter (a), (b) Si-reichen und (c), (d) C-reichen Bedingungen

3. Struktur und elektronische Eigenschaften von O_C.V._SiMängel

Kobayashi et al. führte eine detaillierte Studie über O durch_C.V._SiMängel. Dieser Defekt weist C auf_3vSymmetrie in allen vier Gitterkonfigurationen von kk, hh, hk und kh, wobei sich Sauerstoffatome auf der Symmetrieachse von drei Kohlenstoffatomen befinden und drei gleich lange Si-O-Bindungen bilden (Bindungslänge von etwa 1,83 Å).

Abb. 2 Optimierte 4H-SiC-Sauerstoffdefektstruktur

Dieser Defekt hat einen Grundzustand mit hohem Spin (S=1) im neutralen Ladungszustand (q=0), wobei der Spin hauptsächlich auf den freien Bindungsorbitalen von drei Kohlenstoffatomen lokalisiert ist. Im Einzelteilchen-Energieniveaudiagramm beträgt die Energielücke zwischen dem höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) und dem niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (LUMO) 1,61–1,80 eV und ist damit etwas höher als die tatsächliche optische Übergangsenergie.

Abb. 3 Einzelteilchen-Energieniveaus von O_C.V._Si⁰Defekte in 4H-SiC

4. Optische Eigenschaften und Nahinfrarotemission von Sauerstoffdefekten

Mithilfe der Constrained Occupancy Method (ASCF) kann die Null-Phononenlinien-Energie (ZPL) von O_C.V._Si⁰wird mit 1,11–1,24 eV berechnet, was einer Wellenlänge von 1004–1117 nm entspricht und zum Nahinfrarotband gehört.

Abb. 4 PL-Spektren von O_C.V._Si⁰Defekte mit kk-Konfiguration in 4H-SiC

Darüber hinaus ist die Strahlungslebensdauer dieses Defekts extrem kurz (12,5 ns im kk-Modus), vergleichbar mit Diamant-NV-Zentren und V_SiDefekte in SiC. Bemerkenswerter ist, dass sein Debye-Waller-Faktor bis zu 13,4 % beträgt, was darauf hindeutet, dass ZPL das Photolumineszenzspektrum dominiert und als effiziente Quantenlichtquelle geeignet ist.

5. Spineigenschaften von Sauerstoffdefekten und Quantenbitpotential

Der Grundzustandsspin von O_C.V._Si⁰ist S=1, mit offensichtlicher Nullfeldaufteilung (ZFS). Die axiale Komponente D liegt zwischen 1,61 und 1,74 GHz und die transversale Komponente E ist in Konfigurationen mit niedriger Symmetrie ungleich Null. Darüber hinaus zeigt die Hyperfeinkopplungskonstante erhebliche Wechselwirkungen mit dem Spin der Umgebung¹³C,²⁹Si, und¹⁷O-Kerne, die zur Spinmanipulation und -erkennung genutzt werden können.

Die Struktur, Bildungsenergie, der Spin und die optischen Eigenschaften verschiedener sauerstoffbezogener Defekte in 4H-SiC wurden systematisch durch First-Prinzipien-Rechnungen untersucht. Unter ihnen O_C.V._SiDefekte haben eine niedrige Bildungsenergie, einen hohen Spin-Grundzustand (S=1), eine ZPL-Emission im nahen Infrarot, eine kurze Strahlungslebensdauer und einen hohen Debye-Waller-Faktor unter n-Typ-Bedingungen, was sie zu einem vielversprechenden Kandidatendefekt für Spin-Photonen-Schnittstellen macht. Es wird erwartet, dass es in Zukunft durch Sauerstoffinjektion und Bandregulierung seine Anwendung in Quantengeräten finden wird.

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Verweise:

1. Iwamoto, S., Shimura, T., Watanabe, H. & Kobayashi, T. (2024). Sauerstoffbedingte Defekte in 4H-SiC nach ersten Prinzipien. Angewandte Physik Express, 17(5), 051008.
2. Kobayashi, T., Shimura, T. & Watanabe, H. (2023). Sauerstoffleerstellendefekt in 4H-SiC als Emitter im nahen Infrarot: Eine Ab-initio-Studie. Zeitschrift für Angewandte Physik, 134(14).