一种新型的氮化镓镍氮空位色心及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型的氮化镓镍氮空位色心及其制备方法，主要解决现有技术中色心制备成本高、光学激发能高、应用受限的问题。方案包括：在氮化镓晶格中，利用镍原子取代一个镓原子和该镓原子最近邻的氮空位，原子排列呈现C

【技术实现步骤摘要】
一种新型的氮化镓镍氮空位色心及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体材料
，进一步涉及固态体系中的色心，具体为一种新型的氮化镓镍氮空位色心及其制备方法，可用于量子传感器件。

技术介绍

[0002]固态体系中的色心在传感与测量、通信、仿真、高性能计算等领域拥有广阔的应用前景。经过多年的发展，金刚石中的氮空位NV色心由于其优异的光学性质、长的自旋相干时间，在新兴的量子技术中起着重要的作用。尽管金刚石中NV色心的潜力已经在量子技术应用中表现出来，但其硬度高、微纳加工和掺杂难度大，在实用化方面面临很大的挑战。因此，探索技术成熟、低成本的其它宽禁带半导体材料作为色心的主体材料显得尤为重要。
[0003]作为第三代半导体材料，GaN具有3.4eV的宽的直接带隙、优异的化学稳定性、良好的热导率；生长技术成熟的高质量GaN薄膜单晶，避免了其它缺陷杂质干扰色心自旋态，并且具有弱的自旋
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轨道耦合，是非常适合制备色心的主体材料。过渡金属元素由于具有独特的电子结构，能够调控主体材料的磁性和实现理想的自旋注入，有利于实现顺磁性的、存在内在自旋守恒光学激发的色心。
[0004]在名称为“一种纳米金刚石过渡金属色心的植晶掺杂制备方法”，申请公布号为CN 111705305B的专利文献中公开了一种具有纳米金刚石钛色心，其采用纳米金刚石晶种和过渡金属小颗粒的混合液通过超声植晶金刚石基底实现混合晶种均匀分布的金刚石基底，在植晶完成后的金刚石基底表面再生长纳米金刚石薄膜，并通过高温退火的方法得到了具有过渡金属色心的金刚石。该制备方法实现了较为纯净的纳米金刚石过渡金属色心。然而，使用该方法制备的金刚石薄膜都是由许多小晶粒所组成，而并非“单晶结构”，这样的晶粒结构会严重影响金刚石的电学和光学性能。另外，该方法得到的色心浓度低且难以实现精确的位置控制，色心的自旋比特态测量所需的光学激发能高。
[0005]YU Zhou等作者在其论文“Room temperature solid
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state quantum emitters in the telecom range”中公布了掺Mg氮化镓薄膜样品存在的色心。该样品实现了辐射荧光峰处在近红外波段、亮度高、光学稳定的色心，该色心在p型氮化镓中更容易形成。然而，氮化镓p型掺杂层的导电性依旧有限，阻碍了器件的应用。
[0006]以金刚石为主体材料的过渡金属色心是一种具有优异特性的近红外波段的单光子源，但是金刚石硬度高、加工难度大，从而限制了金刚石中色心的实际应用。高质量的氮化镓薄膜也是制备色心的合适材料，现有氮化镓色心在p型氮化镓中更容易形成，但是氮化镓p型掺杂层的导电性有限，从而限制了氮化镓色心的应用。因此，亟待探寻一种光学激发能低的，易于加工的，在n型氮化镓中稳定存在的新型色心材料。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种新型的氮化镓镍氮空位色心及其制备方法。用于解决现有色心制备成本高、光学激发能高、在氮化镓宿主中只存在于导
电性有限的p型掺杂层等问题。首先，采用立方氮化镓作为外延层，通过镍离子注入和电子辐照，然后进行热退火，形成氮化镓镍氮空位色心这种全新的结构；本专利技术能够提高氮化镓电中性色心稳定存在时对应的费米面的位置，降低操作色心需要的光学激发能，减少色心制备成本。
[0008]本专利技术实现上述目的具体方案包括：在氮化镓晶格中，利用镍原子取代一个镓原子和该镓原子最近邻的氮空位形成复合体，即氮化镓镍氮空位色心；所述复合体的原子排列呈现C
3v
对称，且C
3v
对称轴穿过镍原子和氮空位的中心，并与三个间距相等的镓原子所在平面相垂直。制备上述氮化镓镍氮空位色心的方法，包括如下步骤：
[0009](1)选用衬底并对其进行预处理，得到预处理后的平整衬底；
[0010](2)在平整衬底上采用金属有机化学气相沉积法MOCVD生长非故意掺杂的外延层，即立方相氮化镓薄膜；
[0011](3)对外延层进行离子注入：
[0012]将170keV镍离子注入到氮化镓薄膜中，得到离子注入后的样品，并在氮气氛围下，对该样品进行800℃的快速退火；
[0013](4)对步骤(3)得到的样品使用10MeV能量、5
×
10
17
cm
‑2剂量的电子辐照，并对电子辐照后的样品在氮气氛围下进行600～800℃的快速退火；
[0014](5)完成氮化镓镍氮空位色心的制备。
[0015]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
[0016]第一、由于本专利技术采用氮化镓作为主体材料，使得色心加工难度降低，从而减少了色心的生产成本。
[0017]第二、由于本专利技术采用立方氮化镓作为主体材料，立方氮化镓大的晶格常数使得色心的基态和激发态之间的劈裂减小，从而降低了操控色心的光学激发能，该性质比金刚石色心更优异。
[0018]第三、由于本专利技术采用镍和氮空位共掺杂，使得设计的色心的形成能低，具有更高的化学稳定性，该电中性的色心稳定存在时对应的费米面靠近导带底，从而让其能够稳定存在于n型掺杂的氮化镓中。
附图说明：
[0019]图1为本专利技术中空位色心的制备流程示意图；
[0020]图2为本专利技术中空位色心的态密度图和能带结构图；
[0021]图3为本专利技术中空位色心的位型坐标图；
[0022]图4为本专利技术中空位色心的结构示意图；
具体实施方式
[0023]下面结合附图对本专利技术做进一步的描述。
[0024]参照附图4，本专利技术提出的一种新型的氮化镓镍氮空位色心，包括：
[0025]在氮化镓晶格中，利用镍原子取代一个镓原子和该镓原子最近邻的氮空位形成复合体，即氮化镓镍氮空位色心；所述复合体的原子排列呈现C
3v
对称，且C
3v
对称轴穿过镍原子和氮空位的中心，并与三个间距相等的镓原子所在平面相垂直。
[0026]参照附图1，本专利技术提出的一种新型的氮化镓镍氮空位色心的制备方法，利用离子注入的方法，掺杂特定种类的镍离子并经高温退火修复晶格损伤后，通过电子辐照产生大量单个空位，随后再快速退火，完成制备；具体包括如下步骤：
[0027]步骤1.选用衬底并对其进行预处理，得到预处理后的平整衬底；可被选用的衬底包括砷化镓衬底、蓝宝石衬底、氮化镓衬底等。本实施例中预处理过程，是将衬底在超声清洗机中清洗，随后依次用丙酮清洗3～5分钟、乙醇清洗3～5分钟、异丙酮清洗3～5分钟，用于去除衬底表面的油污；再用盐酸水溶液浸泡3～5分钟，用于去除表面的氧化层；最后使用去离子水进行超声清洗，取出后用氮气吹干。
[0028]步骤2.在平整衬底上采用金属有机化学气相沉积法MOCVD生长非故意掺杂的外延层，即立方相氮化镓薄膜。本实施例采用金属有机化学气相沉积法MOCVD生长非故意掺杂的外延层，分别以三甲基镓TMGa和氨气NH3作镓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型的氮化镓镍氮空位色心，其特征在于：在氮化镓晶格中，利用镍原子取代一个镓原子和该镓原子最近邻的氮空位形成复合体，即氮化镓镍氮空位色心；所述复合体的原子排列呈现C
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对称，且C
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对称轴穿过镍原子和氮空位的中心，并与三个间距相等的镓原子所在平面相垂直。2.一种新型的氮化镓镍氮空位色心的制备方法，其特征在于利用离子注入的方法，掺杂特定种类的镍离子并经高温退火修复晶格损伤后，通过电子辐照产生大量单个空位，随后再快速退火，完成制备；具体包括如下步骤：(1)选用衬底并对其进行预处理，得到预处理后的平整衬底；(2)在平整衬底上采用金属有机化学气相沉积法MOCVD生长非故意掺杂的外延层，即立方相氮化镓薄膜；(3)对外延层进行离子注入：将170keV镍离子注入到氮化镓薄膜中，得到离子注入后的样品，并在氮气氛围下，对该样品进行800℃的快速退火；(4)对步骤(3)得到的样品使用10MeV能量、5
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10
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‑2剂量的电子辐照，并对电子辐照后的样品在氮气氛围下进行600～800℃的快速退火；(5)完成氮化镓镍氮空位色心的制备。3.根据权利要求2所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏杰，林珍华，胡银辉，常晶晶，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：