[論文レビュー] Intrinsic defects in silicon carbide LED as a perspective room temperature single photon source in near infrared

F. Fuchs, V. A. Soltamov+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2012

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 74

ひとこと要約

本論文は、シリコンカーバイド（SiC）の内在的欠陥を用いた電気的駆動による単一光子放出を実証し、標準的な半導体プロセスと電子線照射を用いて、室温で近赤外（NIR）発光を実現した。シリコンバケンシー（V_Si）欠陥を介して、発光波長は約950 nmで、広帯域スペクトルを示し、量子通信に向けた実用的で低コストな室温動作型単一光子源の実現に貢献した。

ABSTRACT

Generation of single photons has been demonstrated in several systems. However, none of them satisfies all the conditions, e.g. room temperature functionality, telecom wavelength operation, high efficiency, as required for practical applications. Here, we report the fabrication of light emitting diodes (LEDs) based on intrinsic defects in silicon carbide (SiC). To fabricate our devices we used a standard semiconductor manufacturing technology in combination with high-energy electron irradiation. The room temperature electroluminescence (EL) of our LEDs reveals two strong emission bands in visible and near infrared (NIR), associated with two different intrinsic defects. As these defects can potentially be generated at a low or even single defect level, our approach can be used to realize electrically driven single photon source for quantum telecommunication and information processing.

研究の動機と目的

• 既存の半導体技術と互換性を持つスケーラブルな室温動作型単一光子源の開発。
• 量子通信に適した近赤外（NIR）領域で発光するSiC内の内在的欠陥の特定と電気的励起。
• 6H-SiC中のV_Si欠陥が、室温で高いスペクトル安定性を示しながら電気的に駆動可能であることを実証。
• NIR発光を介して、欠陥ベースのSiC発光ダイオードを既存の通信インfraに統合可能であることを実現。
• 制御された照射によって個々の欠陥を分離し、オンデマンドで単一光子発光を達成すること。

提案手法

• n型6H-SiC基板にエpitaxial SiC層を成長させ、標準的な半導体プロセスを用いてp-i-n型SiC発光ダイオードを形成。
• 蒸気相 epitaxy を用いてp層にアルミニウムをドーピングし、高い受容体濃度（約10^20 cm⁻³）を達成。
• 0.9 MeVの電子線を10^18 cm⁻²の線量で照射し、その後Ar雰囲気下で1700 °Cでアニール処理により内在的欠陥を誘発。
• 電気的注入のためのアルミニウムメタル接触（0.4 × 0.4 mm²）を用い、室温および77 Kで発光を測定。
• 77 Kで473 nmおよび633 nmの励起を用いてフォトルミネッセンス（PL）分光測定を実施し、V_Si欠陥のゼロフォノンライン（ZPL）を同定。
• 電流依存性のEL強度を解析し、飽和挙動をモデル化。飽和電流（I₀ = 17 mA）を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiC内の内在的欠陥は、室温で電気的に励起され、単一光子を放出可能か？
• RQ2 6H-SiC中のV_Si欠陥は、量子通信に適した安定的で狭帯域の近赤外発光を示すか？
• RQ3 照射によってSiC中の欠陥濃度を制御し、個々の欠陥を分離して単一光子発光を実現可能か？
• RQ4 V_Si欠陥からの発光は、直接的な電気的再結合によるものか、それとも他の欠陥からの再発光によるものか？
• RQ5 SiCベースの発光ダイオードは、NIR発光を介して既存の通信システムに統合可能か？

主な発見

• 室温でのV_Si欠陥からの発光は、850〜1050 nmの広帯域発光を示し、ピーク波長は約950 nmである。
• 77 Kで、V_Si欠陥は1.368 eV、1.398 eV、1.434 eVの3つの明確なゼロフォノンライン（ZPL）を示し、V_Si(V1)中心の存在を確認した。
• 77 KでのEL測定で、1.434 eVのV_Si(V1) ZPLが明確に観測され、欠陥の直接的な電気的励起を裏付けた。
• 2.62 eV励起下でのV_Si PLに顕著な増幅が認められなかったため、V_Si ELはD₁欠陥からの再発光によるものではないと確認した。
• V_SiバンドのEL強度は電流増加に伴い飽和し、P ∝ (1 + I₀/I)^−α（I₀ = 17 mA、α = 0.75）の式で良好に記述された。
• 飽和電流I₀はNV中心を用いた単一光子発光ダイオードと同等の値であり、効率的な電気的注入が可能であることを示した。