Stabilitet, elektronisk struktur och potential som spin Qubits av syrerelaterade defekter i 4H-SiC +

PAM-XIAMEN kan tillhandahålla ledande och halvisolerande 4H-SiC-skivor, såväl som skärnings- och beläggningstjänster. För detaljer, vänligen kontakta på[email protected]

4H-SiC har visat stor potential inom kvantteknologi tack vare dess mogna kristalltillväxtteknologi, kontrollerbar n-typ och p-typ dopning och mikronano-bearbetningsförmåga. I likhet med diamant kan punktdefekterna som finns i 4H-SiC fungera som spin-qubits och möjliggöra spin-fotongränssnitt för applikationer inom kvantberäkning, kryptografi och avkänning. Bland många defekter har syrerelaterade defekter återfått forskningsintresset de senaste åren på grund av deras unika elektroniska struktur och optiska egenskaper.

1. Klassificering och stabilitet av syredefekter i 4H-SiC

Enligt Iwamoto et al.s forskning kan syrerelaterade defekter i 4H–SiC delas in i fyra kategorier:

Grupp-I: Alternativa syredefekter (som O_C, O_Si, O_CO_Si)

Grupp II: Oxygen gap defekter (O_i,1, O_i,2)

Grupp III: Vakanskomplex för syre (som O_CV_Si, O_SiV_C)

Grupp IV: Alternativa syrekolkomplex (som O_CC_Si)

Under förhållanden av n-typ är de tre mest stabila defekterna:

O_i,1(Trippelkoordination, bunden till tre Si-atomer)

O_C(fyrdubbel koordination, C_3vsymmetri)

O_CV_Si(vakanskomplex för syrekisel)

Bland dem är bildningsenergin för O_CV_Siär relativt låg, särskilt under n-typ förhållanden, är den lätt att bilda och finns stabil, vilket är i fokus för efterföljande forskning.

2. Bildning och upptäckt av syredefekter i 4H-SiC

O_CV_Sidefekter kan bildas i 4H-SiC genom syrejonimplantation och efterföljande glödgning. Om Fermi-nivån regleras till området EV+0,96-2,07eV genom Schottky-kontakt, O_CV_Sikan bibehålla S=1-spinntillståndet, medan O_i,1, och O_Char inget spinn, vilket undertrycker spindekoherens.

O_III-O_vdjupa energinivåer som upptäcktes i tidiga DLTS-mätningar låg inom intervallet för (-1/-2) acceptorenerginivåerna (EV+2,40-2,52eV) för O_CV_Si, och den observerade O_III-O_Vsignal kan vara relaterad till defekter i O_CV_Si. Dessutom har D_Jagseriedefekter som observerades i experimentet (ZPL≈1,23 eV) överensstämmer i hög grad med det teoretiskt förutspådda O_CV_SiZPL-energi, vilket indikerar att denna defekt kan ha observerats i experimentet.

Fig. 1 Bildningsenergier för syrerelaterade defekter i 4H-SiC under (a), (b) Si-rika och (c), (d) C-rika förhållanden

3. Struktur och elektroniska egenskaper hos O_CV_SiDefekter

Kobayashi et al. genomförde en detaljerad studie om O_CV_Sidefekter. Denna defekt uppvisar C_3vsymmetri i alla fyra gitterkonfigurationerna av kk, hh, hk och kh, med syreatomer placerade på symmetriaxeln för tre kolatomer, vilket bildar tre lika långa Si-O-bindningar (bindningslängd på cirka 1,83 Å).

Fig. 2 Optimerad 4H-SiC-syredefektstruktur

Denna defekt har ett grundtillstånd med hög spinn (S=1) i det neutrala laddningstillståndet (q=0), med spinn huvudsakligen lokaliserad till de hängande bindningsorbitalerna för tre kolatomer. I dess energinivådiagram för en enda partikel är energigapet mellan den högsta ockuperade molekylära orbitalen (HOMO) och den lägsta obesatta molekylomloppsbanan (LUMO) 1,61-1,80 eV, något högre än den faktiska optiska övergångsenergin.

Fig. 3 Energinivåer för enstaka partiklar av O_CV_Si⁰defekter i 4H-SiC

4. Optiska egenskaper och nära-infraröd emission av syredefekter

Genom att använda Constrained Occupancy Method (ASCF), noll phonon line (ZPL) energi för O_CV_Si⁰beräknas vara mellan 1,11-1,24eV, motsvarande en våglängd på 1004-1117nm, som tillhör det nära-infraröda bandet.

Fig. 4 PL-spektra av O_CV_Si⁰defekter med kk-konfiguration i 4H-SiC

Dessutom är strålningslivslängden för denna defekt extremt kort (12,5 ns i kk-läge), jämförbar med diamant NV-center och V_Sidefekter i SiC. Mer anmärkningsvärt är att dess Debye Waller-faktor är så hög som 13,4 %, vilket indikerar att ZPL dominerar fotoluminescensspektrumet och är lämplig som en effektiv kvantljuskälla.

5. Spinegenskaper för syredefekter och kvantbitpotential

Grundtillståndsspinnet för O_CV_Si⁰är S=1, med uppenbar nollfältsdelning (ZFS). Den axiella komponenten D är mellan 1,61-1,74 GHz, och den tvärgående komponenten E är icke-noll i lågsymmetrikonfigurationer. Dessutom visar den hyperfina kopplingskonstanten betydande interaktioner med omgivningens spinn¹³C,²⁹Si, och¹⁷O kärnor, som kan användas för spinnmanipulation och igenkänning.

Strukturen, bildningsenergin, spinn och optiska egenskaper hos olika syrerelaterade defekter i 4H-SiC studerades systematiskt genom första principberäkningar. Bland dem O_CV_Sidefekter har låg formationsenergi, högt spinngrundtillstånd (S=1), nära-infraröd ZPL-emission, kort strålningslivslängd och hög Debye Waller-faktor under n-typsförhållanden, vilket gör dem till en mycket lovande kandidatdefekt för spinnfotongränssnitt. I framtiden, genom syreinjektion och bandreglering, förväntas det uppnå sin tillämpning i kvantenheter.

Oavsett om du behöver 4H-SiC wafer för forskning eller industriella tillämpningar, vänligen kontakta oss via e-post på[email protected] och [email protected].

Referenser:

1. Iwamoto, S., Shimura, T., Watanabe, H., & Kobayashi, T. (2024). Syrerelaterade defekter i 4H-SiC från första principer. Applied Physics Express, 17(5), 051008.
2. Kobayashi, T., Shimura, T., & Watanabe, H. (2023). Syre-vakansdefekt i 4H-SiC som en nära-infraröd emitter: En ab initio studie. Journal of Applied Physics, 134(14).