碳化硅应用其实是基于点缺陷

Rad聊碳化硅 · 2021-03-01

碳化硅应用其实是基于点缺陷

前面提过线缺陷(位错、微管),缺陷会带来性质的不同,往往是需要避免的。但是,这些性质其实也可以利用。代表性的缺陷利用,就是各种点缺陷了。

点缺陷指晶体中几个原子尺寸范围内的缺陷,包括了:

没有原子(图1):空位(Vacancy),碳化硅中有碳空位VC、硅空位VSi;

多了原子(图2):填隙(Interstitital),碳化硅中有碳填隙IC、硅填隙ISi、杂质填隙IX;

换了原子(图3/4):错位,碳化硅中有碳错位CSi、硅错位SiC、杂质错位CX/SiX。

多了电子:电子;

少了电子:空穴。

注:大符号表示位置实际情况,小符号表示位置原来情况。SiC表示原来是一个碳,现在被一个硅原子替换了。

电子和空穴不用说了,半导体性质的基础就是基于这两种缺陷——也就是载流子。但这两种缺陷一般也是因为前三种而产生的,比如说N掺杂的碳化硅——N型碳化硅,就是通过N错位来增加电子数目,增加碳化硅的导电能力。所以一般点缺陷也特指前三种。

但是,实际上常常以点缺陷的某种性质来发表文章。比如,色心。色心是一种点缺陷,该缺陷能级与主体晶体不同,而使得晶体带有颜色。本来,色心是指两种及以上简单点缺陷复合形成的更大的点缺陷,现在都泛化了。直接电离辐照,可能得到多种色心,但是真实情况还是得看具体条件下的具体材料。

碳化硅晶体现在可以产生的色心如下所示:

可以看到,最典型的Si空位+电子的组合缺陷,带有自旋为3/2。简单的离子的自旋是可以通过电子轨道就得到,比如说Cr3+为3d3,自旋为3/2。色心的自旋没法简单的用分子轨道计算,因为会涉及周围环境的对称性。Si空位缺陷,周围是四个C原子提供四个电子的悬挂键。没有电子注入情况下,对称性为D2d(镜面),而非Td(四面体),自旋=0;注入一个电子,自旋=3/2。

常见的色心引入方法:

真空/在气氛下加热,使得晶体中原子形成气体,得到空位;

在气氛下加热,使得气体进入晶体,得到填隙、错位;

合成过程中加入杂质,得到填隙、错位;

高能射线辐照/注入(紫外线、X射线、γ射线、中子、电子、离子),使得晶体中原子形成气体,得到空位;

高能射线辐照/注入(中子、电子、离子),使得粒子进入晶体,得到填隙、错位。

引入这些色心,其实就是引入能级。能级的作用在半导体内已经有详细的阐述,可控发光、可控导电等等。色心想要实现的应用也是如此。

比如说:

不同磁场下,色心能级变化,测定完标准数据后,可以用于磁探测。

不同温度下,色心能级变化,测定完标准数据后,可以用于温度探测。

光激发,色心自旋变化,测定完标准数据后,可以用于做开关,也就是量子计算。

色心能级的变化,反应为吸收电子后,辐射的光位置不同,也就是光致发光(photoluminescence,PL,荧光)。磁场作用下的光致发光,光探测磁共振(optically detected magnetic resonance,ODMR)。

但是,色心常常在室温下不稳定,或者信号弱,表现为声子展宽。温度低,声子作用减弱,得到的光致发光谱线叫做零声子线(zero-phonon lines,ZPL)。

举个例子。

电子(计量为10^18cm2、2MeV)注入21R-SiC(氮浓度5×10^16cm-3)中可以产生Si空位色心。

532nm光激发,得到的1-4是零声子线,高温的是由于声子带来的展宽。

不同磁场不同温度变化如下:

参考文献

High-Temperature Spin Manipulation on Color Centers in Rhombic Silicon Carbide Polytype 21R-SiC

晶体点缺陷基础

http://www.cas.cn/syky/202006/t20200604_4748875.shtml?from=timeline&isappinstalled=0

SiC中空位缺陷的自旋态与自旋调控的理论研究_潘凤春

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