Ein "Rezeptbuch", das Farbzentren in Siliziumkarbidkristallen erzeugt

Unterschiedliche Temperatur- und Protonendosierungen für die Herstellung von Defekten

05.10.2018 - Deutschland

Siliziumkarbid (SiC), ein Werkstoff, der für seine Zähigkeit bei Anwendungen vom Schleifmittel über Autobremsen bis hin zur Hochtemperatur-Leistungselektronik bekannt ist, hat ein erneutes Interesse an seinem Potenzial in der Quantentechnologie geweckt. Seine Fähigkeit, optisch anregbare Defekte, die sogenannten Farbzentren, aufzunehmen, hat es zu einem starken Kandidatenmaterial gemacht, um zum Baustein des Quantencomputings zu werden.

Maximilian Rühl

Grünes SiC-Substrat am unteren Rand mit der Graphenschicht auf der Oberseite, die von Protonen bestrahlt wird, wodurch ein lumineszierender Defekt im SiC-Kristall entsteht

Nun hat eine Forschergruppe eine Liste von "Rezepten" erstellt, mit denen Physiker bestimmte Arten von Defekten mit gewünschten optischen Eigenschaften in SiC erzeugen können. In einem der ersten Versuche, Farbzentren systematisch zu erforschen, verwendete die Gruppe Protonenbestrahlungstechniken, um die Farbzentren in Siliziumkarbid herzustellen. Sie passten Protonendosis und Temperatur an, um die richtigen Bedingungen zu finden, die zuverlässig die gewünschte Art von Farbzentrum erzeugen.

Atomdefekte im Gitter von SiC-Kristallen erzeugen Farbzentren, die Photonen mit einzigartigen spektralen Signaturen emittieren können. Während einige Materialien, die für die Quanteninformatik in Frage kommen, tiefkalte Temperaturen erfordern, können Farbzentren in SiC bei Raumtemperatur emittieren. Da der Vorstoß zur Entwicklung immer kleinerer Bauelemente in Richtung atomarer Sensoren und Ein-Photonen-Emitter weitergeht, macht die Fähigkeit, die Vorteile der bestehenden SiC-Technologie für integrierte Schaltungen zu nutzen, das Material zu einem herausragenden Kandidaten.

Um die Defekte zu erzeugen, bombardierten Michael Krieger und seine Kollegen SiC-Proben mit Protonen. Das Team ließ das SiC dann eine Erwärmungsphase durchlaufen, die als Glühen bezeichnet wird. "Wir richten großen Schaden an diesen Kristallen an", sagte Krieger. "Beim Glühen erholt sich jedoch die Kristallstruktur, aber es entstehen auch Defekte - einige von ihnen sind die gewünschten Farbzentren."

Um sicherzustellen, dass ihre Rezepturen mit der üblichen Halbleitertechnologie kompatibel sind, entschied sich die Gruppe für die Protonenbestrahlung. Außerdem benötigt dieser Ansatz keine Elektronenbeschleuniger oder Kernreaktoren wie andere Techniken zur Erzeugung von Farbzentren.

Die Daten aus der Verwendung verschiedener Dosen und Glühtemperaturen zeigten, dass die Produktion von Fehlern in SiC einem Muster folgt. Zunächst erzeugen Protonen überwiegend Siliziumleerstellen im Kristall, dann wandeln sich diese Leerstellen sequentiell in andere Defektkomplexe um.

Die Untersuchung der Niedertemperatur-Photolumineszenzspektren der Defekte veranlasste das Team, drei bisher nicht berichtete Signaturen zu entdecken. Es wurde gezeigt, dass die drei temperaturstabilen (TS) Linien mit der Protonendosis und der Glühtemperatur korrelieren.

Krieger sagte, dass diese TS-Linien spannende Eigenschaften haben und weitere Forschungen laufen bereits, da die Gruppe hofft, diese Defekte für den Einsatz in SiC-basierten Quantentechnologie-Bauteilen zu nutzen und zu kontrollieren.

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