飞秒激光制备的 4H-SiC 中硅空位色心的共焦光致发光表征*
1. 概述
碳化硅（SiC）已成为量子传感和计量领域最具吸引力的材料之一。功能缺陷，如SiC中的色心，具有高亮度、在红色到近红外光谱区域发射、长自旋相干时间和优异的磁光特性等优点，这使它们对光子量子计算、网络和通信的未来应用非常有吸引力。特别是，SiC中的硅空位（VSi）缺陷已被证明可以作为固体量子位，可用于量子计算和传感。飞秒激光写入作为一种新的可控色心制备方法，已逐渐应用于SiC中VSi的制备。在本研究中，4H-SiC由飞秒激光直接写入，并在293K下通过原子力显微镜、共聚焦光致发光（PL）和拉曼光谱进行表征。使用785nm激光激发，通过深度剖面和二维映射的方法发现并分析了VSi的PL信号。分析了加工参数对VSi形成的影响，建立了4H-SiC飞秒激光写入过程中VSi缺陷的三维分布。
2. 样品制备
本研究中使用的主体材料是来自我司的氮掺杂（0001）4H-SiC衬底，离轴4°±0.5°。使用1030nm波长、持续时间为350-fs的激光器在4H-SiC中产生空位。激光写入系统通过双轴激光扫描头（SCANcube III 10）以单脉冲照射模式照射样品表面，固定激光能量为每脉冲5 μJ。制作了具有不同重复率、脉冲数和扫描速度的六线阵列。使用食人鱼溶液进行表面清洁以去除表面有机污染物后，对激光写入的样品进行了PL和拉曼光谱表征。
图1 激光写入区域的表面形态：(a)–(f) R1–R6 的表面形貌；插入图是沿着 3D 形态中指示的虚线的高度剖面，其中原始区域的表面高度为 0 μm
图2 785nm激光激发的PL/拉曼光谱：（a）通过fs激光写入的4H-SiC衬底样品的辐照区域（R1–R6）；（b）不同样品的辐照区域
图3 激光写入SiC的VSi分布示意图
3. 结论
在本研究中，4H-SiC样品的飞秒激光写入在室温下通过PL和拉曼光谱进行了表征，发现：
1）850–950nm范围内的PL峰值证明该方法可以在不退火的情况下在SiC中制备VSi。实验结果表明，在一定范围内增加脉冲数量并降低扫描速度会增加SiC样品吸收的光子能量，促进VSi的形成。如果扫描速度太慢或脉冲太多，则SiC的损伤将加剧，从而抑制VSi的形成；
2）根据AFM表面形貌和PL光谱表征结果，建立了缺陷形成模型。PL强度在照射区域中最高，并且逐渐减弱到加工槽的两侧。从样品表面到内部，VSi的产率先增加后降低，表面以下1μm处有一个VSi富集区。
由于VSi信号在室温下是宽峰值，因此有必要测量低温PL光谱以获得ZPL，从而确定产生的VSi的类型。此外，随后的退火可以增加VSi的密度或在SiC中的色心上产生其他缺陷。对退火后样品的表征和低温PL光谱测量提出了进一步的研究方向。
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