Einzelne Farbzentren in Siliziumkarbid: elektrooptischer Zugang mittels epitaktischem Graphen

• Antragsteller: Professor Dr. Heiko B. Weber
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 337455822

Die Physik von Farbzentren in Halbleitern mit großer Bandlücke hat große Bedeutung erlangt und bietet Zugriff auf grundlegende Quantenphänomene. Im Vergleich zum prototypischen NV-Defekt in Diamant bieten Farbzentren in Siliziumkarbid (SiC) vergleichbare Eigenschaften mit dem Vorteil einer vollständig entwickelten Halbleitertechnologie für die Fertigung von SiC Bauelementen. Unser Vorhaben ist die gleichzeitige elektrische und optische Charakterisierung von Farbzentren (insbesondere intrinsischer Defekte) in SiC. Für deren Herstellung wird die Methode der Ionenimplantation in Kombination mit optimierten Ausheilprozessen entwickelt. Sie erlaubt kleinste Störstellenkonzentrationen nahe der SiC (0001) Oberfläche, so dass der Zugriff auf einzelne Defekte möglich wird. Diese (0001) Oberfläche wird mit epitaktisch aufgewachsenen Graphen-Elektroden versehen sein, so dass eine Raumladungszone entsteht, in der der zu untersuchende Defekt elektrostatisch beeinflusst werden kann. Insbesondere kann er durch Anlegen einer Spannung befüllt und entleert werden. In Verbindung mit unseren patentierten epitaktischen monolithischen SiC/Graphen Transistoren werden wir die Methode der Drain-Strom-Transientenspektroskopie weiterentwickeln, um mit elektrischen Messungen sensitiv auf einzelne Defekte zu werden. Gleichzeitig erlauben die transparenten Graphen-Elektroden den optischen Zugang zum selben Defekt, den wir mittels eines konfokalen Mikroskops einzeln spektroskopieren werden, im sichtbaren wie im infraroten Spektralbereich. Wir erwarten durch die kombinierte elektrische und optische Beeinflussung sowie die elektrische und optische Charakterisierung am selben Farbzentrum/Defekt ein tiefes Verständnis der Anregungsspektren zu erreichen und die Brücke zwischen elektrischer und optischer Anregung zu schlagen. Diese verfeinerte Methodik der Defektanalyse hat große Bedeutung für elektrische SiC Bauelemente. Sie eröffnet auch die Möglichkeit, in diesem ausgereiften Materialsystem elektrisch steuerbare Einzelphotonenemitter zu bauen, mit vielen möglichen Anwendungen, beispielsweise für hochempfindliche Sensorik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Michael Krieger