GaN中单自旋的室温光学检测磁共振*

1. 概述

        光学检测磁共振（ODMR）是一种在室温下读取固态色心自旋的有效机制，从而使基于自旋的磁场、电场和温度量子传感器具有高灵敏度和广泛的商业应用性。室温ODMR的机制是基于光学激发态到基态之间的自旋相关弛豫，因此它是缺陷中心的固有性质。虽然金刚石氮空位（NV）中心是最突出的例子，但在碳化硅（SiC）中的硅空位中心和双空位中心，以及最近在六方氮化硼（hBN）中的硼空位中心系综和未识别的单个缺陷中，也发现了室温光学检测磁共振。

        在这些材料系统中，金刚石氮空位中心由于其大（20–30%）的光学检测磁共振对比度、长自旋相干、高量子效率和高亮度而在技术上最为重要。然而，金刚石作为基底在技术上还远未成熟。例如，金刚石在大规模晶片中不具有高晶体质量，并且缺乏与集成传感器技术的半导体的异质外延集成。同样，hBN中的硼空位中心具有大的对比度（高达20%），然而，它们仅作为小薄片可用，具有低量子效率，并且在室温下缺乏可见的零声子线。碳化硅是一种技术成熟的衬底，在基于色心的量子光源的可扩展单片集成方面取得了最新进展。然而，迄今为止发现的室温光学检测磁共振对其缺陷的对比度较低（低于1%）。在这项工作中，我们展示了GaN中显示出大光学检测磁共振对比度（高达~30%）的明亮单缺陷。由于GaN是一种成熟的半导体，已经开发出了成熟的电子技术，这种缺陷平台在集成量子传感应用中很有前景。

2. 样品制备

        本研究采用来自我司的GaN外延片，即通过氢化物气相外延（HVPE）在430µm厚的蓝宝石晶片上生长4µm厚Fe掺杂的半绝缘型GaN层。使用自制的扫描激光共聚焦显微镜预先选择GaN缺陷。然后，检查了缺陷的PL光谱是否与之前报道的一致，并通过测量光子自相关g验证了它们是单光子发射器。GaN是一种n～2.4的高折射率材料，这导致该材料发射的PL比例较低。为了增强光子收集，使用聚焦离子束铣削在预先选择的缺陷上雕刻出直径为4µm的半球形固体浸没透镜（SIL）。使用这些结构，我们能够用大约15–20µW的适度激光功率有效地激发和收集PL。随后，在室温下进行所有测量。

3. 结论

        本工作报道了室温下GaN单缺陷自旋的高对比度光学检测自旋共振，发现了两个不同的缺陷组，我们根据它们的magnto PL和光学检测磁共振光谱对其进行分类。它们显示出复杂的光学循环和自旋共振行为，需要进一步的研究才能完全理解，然而，这项工作确定了这些缺陷组的关键事实。第一组具有小的负光学检测磁共振对比度，在其亚稳态中自旋至少S=1来解释实验结果。第二组具有大的（高达30%）正光学检测磁共振对比度，具有复杂的基态自旋哈密顿量，至少包括S＝3/2。此外，通过与角度相关的连续光学检测磁共振测量，我们根据具有最大光学检测磁共振对比度的磁场角度建立了自旋量化轴。两组的自旋量子化轴不连接相邻的GaN晶格位点，这表明存在间隙原子。除了提供关键的新线索来帮助识别这些高性能单光子发射器外，我们的发现有望成为使用基于缺陷荧光的磁传感技术的基础，这是一个成熟的光电子半导体平台。

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