量子技术的飞速发展正在深刻变革计算、通信和传感等领域的传统范式。在众多量子平台中，基于固态缺陷的色心系统因其可扩展性、长相干时间和与半导体工艺兼容的特性而备受关注。金刚石中的氮-空位（NV）中心已成为量子传感的标杆，但材料体系的局限性和大规模集成难度促使研究者将目光投向更成熟的半导体平台。碳化硅（SiC）凭借其优异的光学特性、成熟的半导体工艺和丰富的自旋缺陷种类，正崛起为量子色心的理想宿主材料。然而，色心所处的电荷环境极易受周围杂质和缺陷的影响，导致量子特性退化。如何通过外延片研发从材料层面稳定电荷环境，成为实现SiC基量子器件可扩展性的关键。

一、固态色心及其电荷环境敏感性

1.1 色心作为量子资源的优势

色心是晶体中的点缺陷，通常由缺失原子或杂质原子构成，能够捕获电子或空穴形成可光学寻址的自旋态。以SiC中的硅空位（VSi）和双空位（VV）为例，它们具备以下量子特性：

• 长自旋相干时间：低温下可达毫秒量级

• 光学自旋初始化与读出：通过激光激发可实现自旋态的制备和检测

• 微波操控能力：自旋态可受外加微波场共振操控

这些特性使色心成为量子传感（如磁场、温度、压力测量）、量子中继器和量子计算节点的候选单元。

1.2 电荷波动对量子特性的影响

尽管色心本身具有优异的量子性能，但其周围晶格环境中的电荷波动会通过以下机制导致量子特性退化：

• 电场噪声：移动的电荷杂质产生随机电场，通过斯塔克效应扰动自旋能级，加速自旋退相干

• 电荷态跃迁：色心可能在多种电荷态之间切换（如中性态和带负电态），不同电荷态的光学和自旋特性截然不同，导致量子态信息丢失

• 电离杂质散射：载流子与电离杂质的相互作用产生噪声，影响光学跃迁的均匀性

研究表明，在未加控制的SiC材料中，电荷波动引起的退相干时间可短至微秒量级，远低于色心本征的毫秒级相干潜力。

二、SiC作为量子色心宿主的独特优势

2.1 材料体系的综合优势

SiC之所以成为量子色心研究的焦点，源于其多重特性的组合：

• 宽禁带：4H-SiC禁带宽度约3.26 eV，允许色心的光学跃迁覆盖可见光至近红外波段，且与标准光纤通信窗口兼容

• 成熟的半导体工艺：SiC已实现6英寸衬底的商业化生产，具备离子注入、氧化、刻蚀等完整工艺链，为量子器件的规模化制备奠定基础

• 丰富的色心种类：SiC中已确认的发光缺陷包括硅空位、双空位、碳空位、氮-空位对等，不同色心具有不同的自旋和光学特性，可适应多样化应用需求

• 同位素纯化潜力：SiC可生长为无核自旋的同位素富集材料（如28Si、12C），消除核自旋引起的背景噪声

2.2 掺杂调控费米能级的物理机制

与其他量子宿主材料相比，SiC*显著的优势在于其成熟的掺杂技术，可通过外延生长**调控费米能级，从而稳定色心的电荷环境：

费米能级EF决定了晶体中缺陷的电荷态占据情况。对于一个具有多个电荷态的色心，其稳定电荷态由EF相对于缺陷能级的位置决定。通过在外延生长过程中引入N型掺杂剂（氮）或P型掺杂剂（铝），可将EF调节至目标范围，使色心锁定在所需的电荷态。

以4H-SiC中的硅空位（VSi）为例，理论计算表明：

• 当EF位于导带底附近（N型重掺杂）时，VSi倾向于带负电态（VSi⁻）

• 当EF位于价带顶附近（P型重掺杂）时，VSi倾向于带正电态（VSi⁺）

• 在中等掺杂水平（近本征），VSi以中性态（VSi⁰）存在

不同电荷态的VSi具有迥异的光学特性和自旋性质，例如VSi⁻在近红外波段具有明亮的零声子线，而VSi⁰则在可见光波段发光。通过外延掺杂锁定目标电荷态，是获得稳定、均匀量子发射器的前提。

三、碳化硅外延片研发的核心技术

3.1 本征外延层的超高纯度控制

为减少背景杂质引起的电荷波动，量子应用要求SiC外延层具有极高的化学纯度和晶体完整性：

• 背景掺杂浓度：需控制在1×10¹⁴ cm⁻³以下，以减少电离杂质散射

• 补偿度：N型与P型杂质的补偿应*小化，避免费米能级钉扎在深能级

• 缺陷密度：位错密度需低于10³ cm⁻²，防止缺陷能级引入额外电荷陷阱

实现这一目标需要采用特制的高纯源气体、优化的生长温度和压力窗口，以及严格的反应室洁净度管理。

3.2 **掺杂与费米能级调控

量子色心所需的掺杂浓度通常远低于功率器件（10¹⁵–10¹⁶ cm⁻³量级），且要求极高的空间均匀性和批次一致性：

• 超低浓度掺杂：N型掺杂浓度需在1×10¹⁴–1×10¹⁶ cm⁻³范围内**可调，这对气体流量控制和反应室记忆效应抑制提出极高要求

• 补偿掺杂：在某些应用中，需同时引入N型和P型杂质实现费米能级的精细调节，这要求对两种掺杂剂的补偿效应有定量理解

• 纵向均匀性：掺杂浓度在厚度方向上的波动需小于±10%，以避免能带弯曲引起的局部电荷积累

3.3 多层结构设计

先进量子器件往往需要多层外延结构，例如：

• 色心定位层：在**深度（如几十纳米）引入色心，利用波导或微腔增强光收集效率

• 耗尽层工程：在色心层上下引入轻掺杂区域，形成内建电场耗尽移动载流子，进一步抑制电荷噪声

• 屏蔽层：在表面与色心之间插入重掺杂层，屏蔽表面电荷波动的影响

这要求外延系统具备多层生长的能力，且界面过渡区宽度控制在10 nm以内。

四、掺杂调控电荷环境的实验验证

4.1 费米能级对色心电荷态的影响

多项研究证实了掺杂调控SiC色心电荷态的有效性。例如，通过对比不同N型掺杂浓度的4H-SiC外延片中的硅空位发光特性：

• 在轻掺杂样品（Nd ≈ 1×10¹⁵ cm⁻³）中，可同时观察到VSi⁰和VSi⁻的发光峰，表明两种电荷态共存

• 在重掺杂样品（Nd ≈ 1×10¹⁸ cm⁻³）中，VSi⁰的发光峰消失，仅存VSi⁻的特征发射，证明费米能级升高使VSi完全转变为负电态

同时，自旋相干时间的测量表明，处于单一电荷态的色心具有更长的T₂*，验证了电荷环境稳定对量子特性的正面作用。

4.2 电荷噪声抑制效果

通过外延结构设计进一步抑制电荷噪声的研究也取得进展。在色心层下方引入重掺杂N+层，可在色心区域形成耗尽区，将移动载流子排斥在外。采用此结构的样品中，色心的电荷态稳定性从数秒提升至数小时，自旋相干时间延长三倍以上。

五、面向量子应用的SiC外延片研发挑战

尽管前景广阔，面向量子应用的SiC外延片研发仍面临以下挑战：

• 缺陷与掺杂的相互作用：掺杂剂本身可能引入额外缺陷或与色心形成复合体，需要精细调控生长参数

• 表面与界面效应：靠近表面的色心易受表面电荷和吸附物的影响，需要发展原位表面钝化技术

• 规模化制备：从实验室单片研究走向工程化批量生产，需保持电荷环境的极高水平一致性

• 表征技术的匹配：量子级材料需求超出传统半导体表征手段的灵敏度，需引入共聚焦显微、单光子计数等量子光学表征

碳化硅正以其独特的材料特性和成熟的半导体工艺基础，成为量子技术领域冉冉升起的新星。通过外延片研发实现费米能级的**调控，从材料本源上稳定色心的电荷环境，是释放SiC量子应用潜力的关键路径。高品质、低缺陷、掺杂可控的外延片，不仅是功率器件性能的保障，更是量子器件走向实用化的基石。厦门中芯晶研半导体有限公司致力于**SiC外延片的研发与生产，依托先进的外延生长平台和深厚的工艺积累，可为量子技术研究提供高纯度、掺杂**可控的4H-SiC外延片，支持硅空位、双空位等色心的电荷环境调控研究，助力探索碳化硅在量子传感、量子通信等前沿领域的新应用。