4H/3C/6H碳化硅纳米多型体的自旋量子态裁剪及特性研究

Generating isolated electron spin in semiconductor crystals is one of the most desired directions to achieve solid-state quantum information processing systems. Besides the nitrogen-vacancy (NV) centers spin system in diamond, people have started studying new spin systems. Silicon carbide is a kind of polytype materials, in which the generated spins are more conventional than those in NV systems when manipulation, and so has a better read-write compatibility. Since spins in SiC have light-controlled states at room temperature and have a long spin coherence time, silicon carbide polytypes can become an important material to build a system of artificial spin quantum bits. In this project we will grow silicon carbide polytypes artificial micro-structural materials 4H/3C/6H by organic chemical vapor deposition, thereafter, we will study spin related defects in silicon carbide polytypes by electron spin spectroscopy, and tailing electron spin ensemble via polytype control. We will also investigate their physical properties, and the preparation of the relevant prototype device structures and its performance testing as well. This project will be important to the development of silicon carbide solid-state quantum system and devices.

在半导体晶体中产生隔离的电子自旋，是最有希望实现的固态量子信息处理系统发展方向之一。目前除了研究金刚石氮空位中心（NV）这种自旋体系外，人们也着手研究新的自旋体系。碳化硅是一种多型体材料，它比现有NV体系在产生、操纵、读写等方面具有更好的兼容性，如它具有室温可光控的自旋态以及长的相干时间，因此，碳化硅多型体可以成为构建人工自旋量子位的一个重要体系。本项目采用有机化学气相沉积生长碳化硅多型体人工微结构材料4H/3C/6H，开展相关的缺陷电子自旋光谱测量，研究碳化硅多型体缺陷电子自旋系综裁剪及其物性，制备出相关原型器件结构并测试其性能。本研究将对碳化硅固态量子体系及其器件的发展具有重要意义。

本项目在碳化硅固态量子体系的研究基础上，提出立足于碳化硅多型体材料制备、缺陷自旋量子比特构建等方面研究目标，密切围绕基于量子态构筑与相干操纵的新结构新方法，开展碳化硅缺陷自旋态微结构制备和物理特性等实验研究。本项目主要工作集中于在化学气相沉积(CVD)系统中生长碳化硅多型体微结构，研究其可控性生长技术参数，建立生长模型，掌握4H碳化硅多型体生长技术；通过掺杂和注入的方式有目的地产生缺陷中心及分布；采用原位掺N、B或Al的方法以及离子注入Al的方法制备掺杂4H-SiC外延层，研究其可控掺杂，建立注入模型、高温退火工艺，掌握4H-SiC缺陷中心制备技术；通过光致发光谱PL线检测缺陷发光，对于不同SiC多型体中非等价晶格位点（准立方k和六边形h格点）产生的多种点缺陷进行光致发光谱PL表征，以研究其光量子特性和红外光通讯中的潜在应用；在此基础上制备了基于PiN二极管结构的单光子原型器件，对其制备条件等进行了探索，并对原型器件进行了相关测试表征。通过本项目研究，我们在碳化硅多型体外延生长、3C/4H碳化硅多型体结构表征、点缺陷深能级/光致发光谱研究以及基于PiN二极管结构的单光子源制备等方面已取得部分重要成果，发表了二十余篇学术论文，申请了多项国家发明专利，并且有部分专利获得授权。

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