[發明專利]4H-SiC光子晶體微諧振腔及其制備方法

有效

• 申請號: 201810744600.7
• 申請日: 2018-07-09
• 公開（公告）號: CN108873110B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 李哲;鞠濤;張立國;張澤哄;張寶順
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所;中國科學院大學
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00
• 代理公司: 南京艾普利德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32297
• 代理人: 陸明耀;顧祥安

本發明揭示了4H?SiC光子晶體微諧振腔及其制備方法，其中4H?SiC光子晶體微諧振腔，至少包括4H?SiC層，所述4H?SiC層具有呈圖案化分布的孔，所述4H?SiC層的上方及下方均為空氣環境，所述4H?SiC光子晶體微諧振腔的Q值不低于2000。本方案設計精巧，結構簡單，利用Purcell效應，通過特殊的光子晶體微諧振腔的設計為有效的實現單一T_V2色心的熒光增強提供了可行的方式，并且通過對光子晶體微諧振腔的Q值設計，使其Q值不低于2000，有效的保證了單一T_V2色心的熒光能夠增強到足夠的強度，為T_V2色心的研究和應用創造了基礎條件，有效的解決了當前T_V2色心熒光強度低不利于研究、利用的問題。

技術領域

本發明涉及量子通信領域，尤其是4H-SiC光子晶體微諧振腔及其制備方法。

背景技術

易于操控的量子體系是實現量子計算及通信的關鍵部分。一些能夠在室溫下工作的半導體材料點缺陷體系是當前研究的熱點。

金剛石中帶單位負電荷的氮-空位對色心(NV-)室溫下的熒光衰減時間短，且呈現光子反聚束性質，表現出良好的單光子源特性，一些基于金剛石NV-色心的室溫下可操縱量子體系已被順利實現。

然而，金剛石具有很好的化學穩定性及很高的硬度，因此存在較高的微納加工難度，而且大量制備大面積高質量的單晶金剛石襯底也極為困難。在探討如何克服上述困難的同時，尋找其他半導體點缺陷量子體系也是一個重要的研究方向。

其中碳化硅(SiC)，是一種寬禁帶半導體材料，因其與金剛石相似的晶體結構及元素組成而受到關注。一些理論預測表明SiC中的點缺陷也可實現應用于量子計算領域中比較理想的量子比特系統。SiC是典型的多型材料，點缺陷種類豐富，包含多種與光電以及自旋特性相關的本征缺陷。

不同的缺陷存在性質差異，從中加以篩選可面向不同量子體系或器件的需求。較之于金剛石，SiC在單晶生長、外延、微納加工工藝方面更為成熟，既可較為方便的獲得高質量大尺寸單晶襯底，也與現有硅(Si)半導體微納加工有良好的兼容性。SiC良好的加工性能與豐富的點缺陷種類等特性對于新興量子自旋電子學研究領域的發展非常有益。

在眾多SiC色心體系中，4H-SiC晶體里帶單位負電荷的硅空位被稱為 T_V2色心，可實現室溫固體下的微波響應和長相干時間的單缺陷基自旋量子比特，并且可以方便地對其量子態進行光讀取及光操控，因此4H-SiC 中的T_V2色心是能夠在室溫下工作的自旋體系的重要發展方向，也是量子信息學領域關鍵及前沿的課題。

然而，4H-SiC中T_V2色心熒光強度較低，單一色心一般只能達到10 kcps(千計數/秒)量級，這限制了其在高亮度單光子源的應用，及其量子態的光讀取效率。

對此，目前國際公開報道中使用微透鏡技術提高T_V2色心的熒光輻射強度，可達原值的3-4倍，其強度也只有40kcps，這嚴重制約了T_V2色心在量子信息學技術上的應用。

發明內容

本發明的目的就是為了解決現有技術中存在的上述問題，通過低摻高純 4H-SiC外延、Tv2色心的精確定位及設計制備微諧振腔并優化加工工藝提高微諧振腔Q值，并通過微諧振腔模式波長的微調及優選，從而提供能夠增強T_V2色心熒光效率的4H-SiC光子晶體微諧振腔及其制備方法。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：

4H-SiC光子晶體微諧振腔，至少包括4H-SiC層，所述4H-SiC層上具有呈圖案化分布的孔，所述4H-SiC層的上方及下方均為空氣環境，所述 4H-SiC光子晶體微諧振腔的Q值不低于2000。