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Siliziumkarbid (SiC) ist ein Halbleiter mit ausgereiften verwandten Technologien, kontrollierbarer p-Typ- und n-Typ-Dotierung und ausgereifter Nanofertigungstechnologie. Derzeit ist es jedoch notwendig, die Kohärenzeigenschaften, die Abklingzeit T1 und den longitudinalen Spinrelaxationsprozess der Doppelleerstellen-Quantenpunkte für ihre dynamischen Entkopplungs- und Erfassungsprozesse aufzudecken.

Ein Forschungsteam führte eine systematische Studie zur Spinrelaxationsdynamik von Doppelleerstellen-Quantenpunkten in 4H-SiC durch. Das Forschungsteam untersuchte zunächst die Magnetfeldabhängigkeit der Spinmischung, die durch unterschiedliche Spins in der lokalen Umgebung von Doppelleerstellen-Quantenpunkten verursacht wird, und zeigte, dass benachbarte Doppelleerstellenzentren und Spin-3/2-Silizium-Leerstellenzentren mehrere Relaxationsmodi mit mehreren Relaxationsspitzen erzeugen. Die Spinrelaxationsmodi mit unterschiedlichen Magnetfeldabhängigkeiten können mit optischen Mitteln für die lokale Umgebung einzelner oder einer Gruppe von Doppelleerstellen-Quantenpunkten identifiziert und untersucht werden.

Anschließend simulierte der Autor die Konzentrationskorrelation zwischen dem Magnetfeld und der Spinrelaxationszeit T1 der relevantesten Spindefekte in SiC. In hochreinen Proben kommt der wichtigste nicht-thermische Beitrag zur Spinrelaxation vom 29Si-Kernspinschlitz, der die durchschnittliche T1-Gesamtzeit bei 100 ms bei niedrigen Temperaturen weit entfernt von der GSLAC-Resonanz maximiert. Für benachbarte Kernspinkonfigurationen kann die Relaxationszeit unter Null-Magnetfeld auf 40 ms reduziert werden.

Abb. 1 Diagramm der Näherungswerte, die bei Berechnungen der Dipolspinrelaxation verwendet werden

Abb. 2 a. Relaxation durch Kernspins von 29Si (durchgezogene dunkelblaue Linie) und 13C (durchgezogene hellblaue Linie); B. Magnetfeldkorrelation der longitudinalen Spinrelaxationsrate, verursacht durch Spin-1/2-Punktdefekte verschiedener Konzentrationen.

Es ist erwähnenswert, dass die begrenzte Spinrelaxationszeit des 29Si-Spinschlitzes gleich oder sogar kürzer als die Kohärenzzeit des Doppelleerstellen-Quantenpunkt-Unterraums mit Dekohärenzschutz (64 ms) ist. In diesem Fall könnte die longitudinale Spinrelaxation der Hauptfaktor sein, der die Lebensdauer kohärenter geschützter Unterräume begrenzt. Darüber hinaus zeigte der Autor auch, dass die durch paramagnetische Punktdefekte verursachte bipolare Spinrelaxation erhebliche Auswirkungen auf Ionenimplantationsproben haben kann. Die in dieser Studie bereitgestellte Analyseformel kann zur Schätzung des T1 einer gegebenen Probe mit bekannten Spindefektkonzentrationen sowie zur Analyse experimentell gemessener T1 verwendet werden, um die lokale Spindefektkonzentration von Quantenpunkten mit doppelter Leerstelle abzuschätzen. Mithilfe der letztgenannten Methode stellte der Autor fest, dass in mit N2-Ionen implantierten Proben die lokale Konzentration paramagnetischer Punktdefekte bis zu 4×10 erreichen kann¹⁸cm^-3, und die maximale Kohärenzzeit beträgt etwa 0,5 ms, was nur der Hälfte der 1,3 ms der natürlichen Isotopenhäufigkeit von 4H-SiC entspricht.

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