碳化硅中单硅空位缺陷的按需生成*
1. 概述
碳化硅（SiC）中的缺陷已被探索为量子技术中有前途的自旋系统。然而，对于实际的量子计量和量子通信来说，实现按需产生单自旋缺陷至关重要。在这项工作中，介绍了通过使用不同的注入离子和退火条件在碳化硅中产生和表征浅硅空位。在宽注入注量范围内，氦离子的硅空位（VSi）的转换效率高于碳离子和氢离子的转换效率。此外，在优化退火条件后，转换效率可以提高2倍以上。由于产生的系综缺陷密度高，感应静态磁场的灵敏度可高达η≈23.5T/HzμB，比以前的结果小约9倍。通过仔细优化注入条件，我们进一步证明可以产生具有约80%的高转换效率的单个硅空位阵列。这些结果为将按需产生的单晶硅空位用于量子信息处理和量子光子学铺平了道路。
2. 样品制备
本研究使用了来自中芯晶研的高纯度4H-SiC外延层（离轴4°，厚度约7μm，氮掺杂，浓度为5.2×1015cm−3）样品。4H-SiC的能隙约为3.23eV，费米能级的负VSi缺陷约为1.5−2.3 eV。
为了比较不同离子的注入效果，通过在4H-SiC外延层中注入氢（H2+）、氦（He+），和样品表面具有相同能量（H2+为40keV，He+和C++为20keV）的碳（C+），通量范围分别为1×1011 cm-2至1×1014 cm-2。为了演示生成的单晶硅空位阵列，首先使用电子束光刻（EBL）在200nm聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）层上制作直径为50±10nm的阵列（2×2μm2）和10μm宽的条带作为位置标记，通过旋涂沉积在SiC表面上。由于从物质中离子的停止和范围（SRIM）模拟推断，20keV的氦和氢注入离子可以穿透200nm的PMMA层，我们选择了可以被PMMA层阻挡的碳离子。然后用注量为1.3×1011 cm−2的20keV碳离子注入样品，制备单个浅VSi缺陷阵列。通过使用自制的共焦显微镜和微波系统对缺陷的PL和自旋特性进行表征。使用730nm激光通过物镜激发VSi缺陷（激光的偏振垂直于样品的量化轴）。
在室温实验中，使用了三个共焦装置。对于室温下的所有缺陷扫描，使用1.3 NA油物镜（尼康）聚焦在样品上，并通过两个具有40μm直径针孔的雪崩光电二极管（APD）直接收集荧光。对于光学探测磁共振（ODMR）测量，我们使用红外0.8 NA物镜（奥林巴斯）激发样品，并通过单模光纤将荧光收集到雪崩光电二极管。对于Rabi和Ramsey测量，使用红外0.8 NA物镜（Olympus）激发样品，并通过多模光纤收集荧光至毫微微（OE-200-Si）。为了检测低温PL光谱，使用蒙大拿冷冻站（4−350 K）与带有红外0.65 NA物镜（Olympus）的共焦系统相结合。
图1 在激发功率为0.5mW的退火（600°C，1小时）后，植入的浅单VSi缺陷阵列的代表性共焦荧光图像（20×20μm2）；每个植入孔径的VSi缺陷数量的统计数据（蓝色点），数据采用泊松分布（红点）进行拟合
3. 结论
本研究提供了一种按需生成浅单VSi缺陷阵列的方法，该阵列具有约80%的高转换效率和4H-SiC中的高浓度缺陷集成。注入结果的比较表明，从低通量（1×1011 cm−2）到高通量(1 × 1014 cm−2 )。通过优化退火温度和退火时间，PL强度提高了约2倍以上。此外，使用注入的高浓度系综VSi缺陷，磁传感灵敏度可以达到η≈23.5T/HzμB，比以前的结果小约9倍。使用脉冲ODMR17和同位素纯化的SiC衬底可以进一步提高磁灵敏度。
本实验结果开辟了一些实际应用。首先，单个VSi缺陷的高转换效率将导致很少的残余辐射损伤，这可以延长缺陷自旋的相干时间，并在量子信息处理和量子传感中有用。此外，高效产生VSi缺陷也有利于将VSi缺陷耦合到光子学器件。其次，高浓度VSi缺陷集成可用于实现高灵敏度的磁性和温度传感，并研究具有缺陷相互作用的多体动力学。使用激光烧蚀或反应离子蚀刻，可以用植入的样品制造高质量的纳米SiC颗粒，这将导致高灵敏度，具有光稳定性和化学惰性的纳米级空间分辨率传感器。最后，这些方法可以用于在SiC中产生具有高质量的其他类型的缺陷，例如二空位。
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