Kestabilan, Struktur Elektronik dan Potensi sebagai Qubit Putaran Kecacatan Berkaitan Oksigen dalam 4H-SiC +

PAM-XIAMEN boleh menyediakan wafer 4H-SiC konduktif dan separuh penebat, serta perkhidmatan pemotongan dan salutan. Untuk butiran, sila hubungi di[email protected]

4H-SiC telah menunjukkan potensi besar dalam teknologi kuantum kerana teknologi pertumbuhan kristal matang, doping jenis n dan jenis p yang boleh dikawal, dan keupayaan pemprosesan nano mikro. Sama seperti berlian, kecacatan titik yang terdapat dalam 4H-SiC boleh berfungsi sebagai qubit putaran dan membolehkan antara muka foton putaran untuk aplikasi dalam pengkomputeran kuantum, kriptografi dan penderiaan. Di antara banyak kecacatan, kecacatan berkaitan oksigen telah mendapat semula minat penyelidikan dalam beberapa tahun kebelakangan ini disebabkan oleh struktur elektronik dan sifat optiknya yang unik.

1. Pengelasan dan Kestabilan Kecacatan Oksigen dalam 4H-SiC

Menurut penyelidikan Iwamoto et al., kecacatan berkaitan oksigen dalam 4H–SiC boleh dibahagikan kepada empat kategori:

Kumpulan-I: Kecacatan oksigen alternatif (seperti O_C, O_Si, O_CO_Si)

Kumpulan II: Kecacatan jurang oksigen (O_i,1, O_i,2)

Kumpulan III: Kompleks kekosongan oksigen (seperti O_CV_Si, O_SiV_C)

Kumpulan IV: Kompleks karbon oksigen alternatif (seperti O_CC_Si)

Di bawah keadaan jenis-n, tiga kecacatan yang paling stabil ialah:

O_i,1(Koordinasi tiga kali ganda, terikat kepada tiga atom Si)

O_C(koordinasi empat kali ganda, C_3vsimetri)

O_CV_Si(kompleks kekosongan silikon oksigen)

Antaranya, tenaga pembentukan O_CV_Siadalah agak rendah, terutamanya dalam keadaan jenis-n, ia mudah dibentuk dan wujud secara stabil, yang menjadi tumpuan penyelidikan seterusnya.

2. Pembentukan dan Pengesanan Kecacatan Oksigen dalam 4H-SiC

O_CV_Sikecacatan boleh terbentuk dalam 4H-SiC melalui implantasi ion oksigen dan penyepuhlindapan seterusnya. Jika tahap Fermi dikawal kepada julat EV+0.96-2.07eV melalui hubungan Schottky, O_CV_Siboleh mengekalkan keadaan putaran S=1, manakala O_i,1, dan O_Ctidak mempunyai putaran, dengan itu menyekat dekoheren putaran.

O_III-O_vtahap tenaga dalam yang ditemui dalam pengukuran awal DLTS berada dalam julat paras tenaga penerima (-1/-2) (EV+2.40-2.52eV) O_CV_Si, dan O yang diperhatikan_III-O_Visyarat mungkin berkaitan dengan kecacatan pada O_CV_Si. Di samping itu, D_sayakecacatan siri yang diperhatikan dalam eksperimen (ZPL≈1.23 eV) sangat konsisten dengan O yang diramalkan secara teori_CV_SiTenaga ZPL, menunjukkan bahawa kecacatan ini mungkin telah diperhatikan dalam eksperimen.

Rajah 1 Tenaga pembentukan kecacatan berkaitan oksigen dalam 4H-SiC di bawah (a), (b) Si kaya dan (c), (d) keadaan kaya C

3. Struktur dan Sifat Elektronik O_CV_SiKecacatan

Kobayashi et al. menjalankan kajian terperinci mengenai O_CV_Sikecacatan. Kecacatan ini menunjukkan C_3vsimetri dalam kesemua empat konfigurasi kekisi kk, hh, hk, dan kh, dengan atom oksigen terletak pada paksi simetri tiga atom karbon, membentuk tiga ikatan Si-O yang sama panjang (panjang ikatan lebih kurang 1.83 Å).

Rajah 2 Struktur kecacatan oksigen 4H-SiC yang dioptimumkan

Kecacatan ini mempunyai keadaan tanah putaran tinggi (S=1) dalam keadaan cas neutral (q=0), dengan putaran disetempat terutamanya pada orbital ikatan berjuntai tiga atom karbon. Dalam rajah aras tenaga zarah tunggalnya, jurang tenaga antara Orbital Molekul Pendudukan Tertinggi (HOMO) dan Orbital Molekul Tidak Berpenghuni Terendah (LUMO) ialah 1.61-1.80eV, lebih tinggi sedikit daripada tenaga peralihan optik sebenar.

Rajah 3 Aras tenaga zarah tunggal O_CV_Si⁰kecacatan dalam 4H-SiC

4. Sifat Optik dan Pancaran Inframerah Dekat Kecacatan Oksigen

Dengan menggunakan Kaedah Penghuni Terkandas (ASCF), tenaga garis fonon sifar (ZPL) O_CV_Si⁰dikira antara 1.11-1.24eV, sepadan dengan panjang gelombang 1004-1117nm, kepunyaan jalur inframerah dekat.

Rajah 4 Spektrum PL bagi O_CV_Si⁰kecacatan dengan konfigurasi kk dalam 4H-SiC

Di samping itu, jangka hayat sinaran kecacatan ini sangat singkat (12.5ns dalam mod kk), setanding dengan pusat NV berlian dan V_Sikecacatan pada SiC. Lebih perlu diberi perhatian ialah faktor Debye Wallernya setinggi 13.4%, menunjukkan bahawa ZPL mendominasi spektrum photoluminescence dan sesuai sebagai sumber cahaya kuantum yang cekap.

5. Sifat Putaran Kecacatan Oksigen dan Potensi Bit Kuantum

Putaran keadaan dasar O_CV_Si⁰ialah S=1, dengan pemisahan medan sifar jelas (ZFS). Komponen paksi D adalah antara 1.61-1.74GHz, dan komponen melintang E bukan sifar dalam konfigurasi simetri rendah. Di samping itu, pemalar gandingan hiperhalus menunjukkan interaksi yang ketara dengan putaran sekeliling¹³C,²⁹Si, dan¹⁷O nukleus, yang boleh digunakan untuk manipulasi putaran dan pengecaman.

Struktur, tenaga pembentukan, putaran, dan sifat optik pelbagai kecacatan berkaitan oksigen dalam 4H-SiC telah dikaji secara sistematik melalui pengiraan prinsip pertama. Antaranya, O_CV_Sikecacatan mempunyai tenaga pembentukan yang rendah, keadaan tanah putaran tinggi (S=1), pelepasan ZPL inframerah dekat, jangka hayat sinaran pendek, dan faktor Debye Waller yang tinggi di bawah keadaan jenis-n, menjadikannya kecacatan calon yang sangat menjanjikan untuk antara muka foton putaran. Pada masa hadapan, melalui suntikan oksigen dan peraturan jalur, ia dijangka mencapai aplikasinya dalam peranti kuantum.

Sama ada anda memerlukan wafer 4H-SiC untuk penyelidikan atau untuk aplikasi industri, sila hubungi kami e-mel di[email protected] dan [email protected].

Rujukan:

1. Iwamoto, S., Shimura, T., Watanabe, H., & Kobayashi, T. (2024). Kecacatan berkaitan oksigen dalam 4H-SiC daripada prinsip pertama. Ekspres Fizik Gunaan, 17(5), 051008.
2. Kobayashi, T., Shimura, T., & Watanabe, H. (2023). Kecacatan kekosongan oksigen dalam 4H-SiC sebagai pemancar inframerah dekat: Kajian ab initio. Jurnal Fizik Gunaan, 134(14).