通过肖特基二极管施加电场来控制和调节4H碳化硅中的色心

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Control and tuning of color centers in 4H silicon carbide by application of electric field via Schottky diode

硅 carbide（SiC）中色心缺陷的偏压调控研究显示，利用高掺杂n型4H-SiC基的肖特基二极管，在正反偏压下可显著调控硅空位（V1/V1’/V2）、碳空位-硅空位对（B1/B2）及硅二空位（PL4）的发光波长（偏移量达数百GHz）和强度。发现电场引起的Stark效应与电流传导共同作用，导致不同缺陷响应差异。例如，V1’在反向偏压下波长红移，而PL4在正向偏压下蓝移。此外，在V2附近发现了未知的K1和K2峰，可能源于硅空位与碳空位的相互作用。

　　在半导体材料中，点缺陷色心（color centers）被认为是实现未来量子技术（Quantum Technology, QT）应用的重要平台。这些色心能够以单光子发射的形式工作，尤其是在室温下，这使其成为量子计算、量子通信和量子传感等领域的潜在候选者。硅碳化物（Silicon Carbide, SiC）因其丰富的色心种类、成熟的材料加工技术和器件制造工艺，成为实现基于点缺陷的量子技术的有前景材料之一。在本文中，研究团队探讨了如何利用肖特基二极管对SiC中色心相关发射进行控制和调制，特别是研究了在正向和反向偏置条件下，色心发射强度和波长的变化。

研究采用了高度掺杂的n型4H-SiC外延层，其载流子浓度约为1×10^17 cm^-3。这种高掺杂的特性使得肖特基二极管的耗尽区（depletion region）宽度较小，从而限制了电场的作用范围。与之前研究使用的低掺杂SiC外延层（载流子浓度范围为1×10^14 cm^-3到1×10^15 cm^-3）相比，这种结构下的电场扩展更有限。此外，研究还对三种色心——硅空位（silicon vacancy）、碳反位空位对（carbon antisite-vacancy pair）和硅-碳双空位复合体（silicon-carbon divacancy complex）的电场响应进行了同步分析。研究团队发现，所有这些色心的发射波长都会在施加偏置时发生偏移，但偏移的幅度和方向存在差异。这表明，不同的色心对电场的响应机制可能不同，或者电场对不同缺陷的影响程度不同。

其中，硅空位在六方晶格位点的发射波长被标记为V1，而其第二激发态则被标记为V1’，V2则对应于硅空位在立方晶格位点的发射。值得注意的是，目前尚未在实验中观察到V1’的第二激发态，这可能是因为其在某些条件下不易被激发或难以检测。碳反位空位对的发射被标记为AB线，其中B1和B2分别对应于第一和第二激发态，而PL4则与硅-碳双空位复合体有关。此外，研究团队还发现了两个未知的发射特征，被标记为K1和K2，它们出现在V2发射波长附近，且表现出对电场的强烈依赖性。

在研究中，团队采用了肖特基二极管结构，通过在高掺杂的4H-SiC外延层上沉积100 nm厚的镍（Ni）层，制备了直径为900 μm的圆形二极管。为了确保实验的准确性，样品在沉积前进行了全RCA清洗，以去除表面污染和氧化物。通过电流-电压（IV）和电容-电压（CV）测量，验证了二极管的质量，并确定了掺杂后的载流子浓度。研究团队还利用TCAD（Technology Computer Aided Design）模拟工具，对二极管在不同偏置下的电场分布进行了模拟，以支持实验结果。此外，研究还考虑了由于偏置引起的自加热效应，模拟了不同温度条件下的电场响应。

实验中，团队在10 K温度下进行光致发光（PL）测量，以减少非辐射复合的干扰。在PL测量过程中，样品仍处于耗尽区的电场影响范围内，尽管其在高温下可能因载流子冻结而表现出不同的特性。研究团队发现，色心的发射波长和强度对偏置的依赖性显著，尤其是对于硅空位和碳反位空位对。例如，在正向偏置条件下，硅空位的V1和V2发射波长会向红光方向移动，而V1’则向蓝光方向移动。这可能与电场对色心电子能级的影响有关，即所谓的斯托克效应（Stark effect）。然而，与以往的线性斯托克效应不同，本研究中在正向偏置下观察到的偏移幅度更大，这可能是因为电流在耗尽区的流动导致了局部电场的变化，而不仅仅是电场本身的作用。

对于碳反位空位对的B2发射线，研究团队发现其在正向偏置下表现出快速的波长偏移，而在中等反向偏置下则表现出波长的变化幅度较小，甚至趋于稳定。这表明，B2的发射特性可能受到局部电场和温度的共同影响。此外，在反向偏置下，B2的发射强度会随着偏置电压的增加而减少，这种变化可能与电场对色心的电荷状态的调控有关。通过进一步的分析，研究团队推测，这种变化可能与能带弯曲有关，即在反向偏置下，费米能级相对于缺陷的电荷转换能级发生了偏移，从而改变了色心的发射特性。

硅空位的V1’发射线在反向偏置下表现出显著的波长偏移，且其变化幅度随着温度的升高而增加。这可能与V1’具有极化子（polaron）特性有关，即其发射特性不仅受到电子能级的影响，还受到声子耦合的影响。此外，V1’的发射强度和半高全宽（FWHM）的变化也表现出与电场相关的趋势，这表明色心的发射特性可能与电场引起的局部效应有关。然而，由于V1和V2的发射方向与激光的入射方向不一致，导致其发射强度较低，因此在实验中难以准确测量它们的电场响应。

研究团队还观察到，在硅空位V2附近出现了两个未知的发射峰K1和K2，它们的波长分别距离V2约1.0 meV和2.2 meV。这些峰在正向偏置下会迅速减弱，但在反向偏置下则保持稳定。这表明K1和K2可能与V2有关，可能是由于V2受到附近碳反位的扰动所导致的。这种扰动可能影响了V2的电子结构，使其表现出不同的发射特性。通过理论预测和实验数据的对比，研究团队推测K1和K2可能来源于硅空位在立方晶格位点上受到碳反位的扰动，从而形成了新的发射特征。

此外，研究团队还发现，在反向偏置下，硅-碳双空位复合体的PL4发射线表现出较小的波长偏移，这与之前在PIN二极管中观察到的斯托克效应不同。这可能是因为高掺杂材料中的电场分布不同，导致了不同的响应机制。同时，PL4的发射强度在正向偏置下会显著减弱，这可能是由于局部电场和电流的影响，从而增加了非辐射复合的几率。

综上所述，本研究揭示了SiC中点缺陷色心在不同电场条件下的响应特性。通过利用肖特基二极管，团队成功地对色心的发射强度和波长进行了调控。研究结果表明，电场对色心的影响不仅与斯托克效应有关，还可能涉及电流流动和局部电场的形成。这些发现对于未来量子技术平台的设计和优化具有重要意义，特别是在如何控制色心的发射特性以实现高质量单光子源方面。此外，K1和K2的发现也为理解SiC中色心的相互作用提供了新的线索，可能为未来色心研究提供新的方向。