[论文解读] 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 74

一句话总结

本文展示了通过电子辐照和标准半导体制造工艺，实现氮化硅碳化硅（SiC）LED中本征缺陷的电致单光子发射，利用硅空位（V_Si）缺陷在室温下实现近红外（NIR）发射。该方法实现了宽谱带、低成本、室温运行的单光子源，适用于量子通信。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、室温运行、兼容现有半导体技术的单光子源。
• 识别并电激发SiC中在近红外（NIR）波段发光的本征缺陷，以用于量子通信。
• 证明在6H-SiC中，V_Si缺陷可在室温下实现电致激发，并具有高光谱稳定性。
• 通过NIR发射实现基于缺陷的SiC LED与现有电信基础设施的集成。
• 通过控制辐照实现单个缺陷的隔离，从而实现按需单光子发射。

提出的方法

• 在n型6H-SiC衬底上采用标准半导体制造工艺制备p-i-n SiC LED，外延生长SiC外延层。
• 通过化学气相外延法在p型层中掺杂铝，实现高受主浓度（~10^20 cm⁻³）。
• 通过0.9 MeV电子辐照（剂量为10^18 cm⁻²）诱导本征缺陷，随后在Ar气氛中1700 °C退火处理。
• 采用铝接触电极（0.4 × 0.4 mm²）进行电注入，测量室温和77 K下的电致发光（EL）特性。
• 在77 K下使用473 nm和633 nm激发光源进行光致发光（PL）光谱测量，以识别V_Si缺陷的零声子线（ZPLs）。
• 通过分析电流依赖的EL强度，建立饱和行为模型，提取饱和电流（I₀ = 17 mA）

实验结果

研究问题

• RQ1 SiC中的本征缺陷能否在室温下通过电激发实现单光子发射？
• RQ2 6H-SiC中的V_Si缺陷是否在近红外波段表现出稳定、窄带发射，适用于量子通信？
• RQ3 能否通过辐照调控SiC中的缺陷浓度，以实现单个缺陷的隔离，从而实现单光子发射？
• RQ4 V_Si缺陷的电致发光是否源于直接电荷复合，还是来自其他缺陷的再发射？
• RQ5 基于SiC的LED能否通过NIR发射与现有电信系统实现集成？

主要发现

• 室温下SiC中V_Si缺陷的电致发光（EL）呈现850至1050 nm的宽发射带，峰值波长约为950 nm。
• 在77 K下，V_Si缺陷显示出三个清晰的零声子线（ZPLs），能量分别为1.368 eV、1.398 eV和1.434 eV，证实了V_Si(V1)中心的存在。
• 在77 K下，V_Si(V1)的ZPL（1.434 eV）在EL光谱中清晰可辨，证明该缺陷可被直接电激发。
• 在2.62 eV激发下，V_Si的PL未见显著增强，表明V_Si的EL并非源于D₁缺陷的再发射。
• V_Si发射带的EL强度随电流增加而趋于饱和，其行为可由P ∝ (1 + I₀/I)^−α公式准确描述，其中I₀ = 17 mA，α = 0.75。
• 饱和电流I₀与基于NV中心的单光子LED相当，表明实现了高效的电注入。