4H-SiC植入诱导色中心的亚带隙光致发光研究

图1:光学设置

近年来，碳化硅(SiC)中具有可见光和近红外发光的缺陷中心(颜色中心)由于其在新型量子技术(例如量子技术)中的潜在作用而引起了广泛的关注。^［1］)．我们研究了在不同退火条件下质子注入和随后的退火过程中颜色中心的形成。颜色中心的监测使用亚带隙光致发光(PL)在一个宽的光学范围。特别地，我们展示了与硅空位(V_如果)缺陷和碳空位反位(C_如果- v_C)缺陷(图2)。

图2:(a)质子注入后四个注入区直接的集成PL光谱。从575 nm到590 nm的强信号对应于拉曼位移激发激光器。(b) 10¹⁵厘米^－2不同退火温度下的质子注入区域。说明了三个主要PL签名。

实验装置

对于我们的测量，我们使用自定义的低温共聚焦荧光显微镜设置，如图1所示。样品被安装在液氦流低温恒温器的压电台上。样品被双倍频率Nd:YVO激发₄激光(532 nm)。然后用Andor Shamrock SR-500i-B2光谱仪结合开极CCD探测器(Andor Newton DU920P-OE)记录PL光谱。这使我们能够在可见光和近红外区域对局部PL进行检测和光谱分析。

样品制备及测量

我们使用CREE的高纯度半绝缘4H碳化硅(HPSI 4H- sic)。首先，在1675℃氩气气氛下生长外延石墨烯，以防止在样品表面形成闪烁缺陷，并通过热处理减少初始存在的本征缺陷。随后，用不同的注入剂量进行质子注入(350 keV)，以创建固有的颜色中心。然后，在3.5 K下对每个注入区域进行集成PL测量。然后，样品在200°C到1600°C的温度下依次退火30分钟，每个退火步骤后重复PL测量。

结果

通过上述设置，可以在局部记录PL光谱。分析了碳化硅内部缺陷及其在不同退火温度下的演变过程。图2a为质子注入后四个注入区域直接的PL谱，图2b为不同温度退火后注入剂量最高区域的PL谱。硅空位缺陷(V_如果)在所有光谱中都可见(v线)^[２]．其他特征，如abline，是碳空位反位对(C_如果- v_C）^[3]， TS-lines(温度稳定缺陷)，尚未报道(据我们所知)，仅在退火后出现。

与ts -线相反，v -线和ab -线在高温退火后被强烈还原。据报道，VSi是亚稳的，可以转化为C_如果- v_C在足够高的退火温度下^(1、4)．

在PL光谱中，在800°C到1000°C退火温度下，这种转变伴随着v线的减少和ab线的增加。在更高的退火温度下，我们观察到一个潜在的后续转变过程，其中ab线消失，而ts线急剧增加。因此，我们得出结论，ts线是由一个缺陷引起的，该缺陷是C的进一步转换产物_如果- v_C缺陷。

结论与展望

亚带隙PL对SiC植入诱导缺陷及其随退火温度的演化的研究，为我们了解缺陷的起源和稳定性提供了有价值的见解。下一步，我们将把颜色中心的密度降低到单个可观测缺陷，这对于量子应用来说是非常有趣的。bob综合app官网登录此外，我们还将在我们的Shamrock 500i光谱仪上增加一个Andor iDus InGaAs探测器阵列，以进一步扩大我们在近红外区域的光谱探测范围。1600 nm左右的PL缺陷具有广泛的兴趣，因为它们可以用作电信波长附近的单光子源。

致谢

感谢德国埃尔兰根-纽伦堡大学凝聚态物理系应用物理系主任Heiko B. Weber教授。

参考文献

[1] S. Castelletto, B. C. Johnson, V. Ivády, N. Stavrias, T.梅田，A. Gali和T. Ohshima，自然材料13,151-156 (2013)

[2] E. Janzén, A. Gali, P. Carlsson, A. Gällström, B. Magnusson和N.T. Son, Physica B 404, 4354-4358 (2009)

[3] J. W. Steeds，物理评论B 80, 245202 (2009)

M. Bockstedte, A. Mattausch和O. Pankratov，物理评论B 69, 235202 (2004)