專利名稱：固態(tài)材料的制作方法
固態(tài)材料本發(fā)明涉及包含金剛石主體(host)材料和量子自旋缺陷的固態(tài)系統(tǒng)。這類系統(tǒng) 中的量子自旋缺陷具有長的退相干0 時(shí)間，因此所述固態(tài)系統(tǒng)特別適合于自旋電子應(yīng)用。在過去20年間，使用和調(diào)控用于密碼術(shù)和量子計(jì)算兩個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域的單光子 源一直受到很大的關(guān)注。這些應(yīng)用領(lǐng)域利用本質(zhì)上基于量子尺度存在的基本性能；在進(jìn)行測量之前，具有 兩種自旋態(tài)的粒子必須被視為具有所有自旋態(tài)疊加的粒子。具有不連續(xù)自旋態(tài)的粒子例如光子、電子、原子核、原子缺陷等的自旋態(tài)可使用許 多方法進(jìn)行調(diào)控，并且可使用能量源或檢測器檢測和/或可控地改變所述自旋態(tài)。具有不 連續(xù)自旋態(tài)的電子、光子、原子核或原子缺陷類似于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的“比特(bit) ”并且被稱 作“量子位元”(或“量子比特(qubit)”或“量子位(qbit)”)。然而，由于自旋態(tài)的量子性 質(zhì)，量子比特可不僅僅以兩種自旋態(tài)之一存在，而且還以這些自旋態(tài)的疊加存在。正是這種 自旋態(tài)疊加使基于量子比特的計(jì)算機(jī)能夠按比經(jīng)典計(jì)算機(jī)所能夠的速度大得多的速度計(jì) 算某些問題，并且在密碼術(shù)應(yīng)用中使發(fā)送者確實(shí)能夠知道信息是否已發(fā)送至接收者而無竊 聽者也知道信息內(nèi)容。量子信息處理所需要的關(guān)鍵要素是量子比特到單個(gè)量子系統(tǒng)的低錯(cuò)誤編碼 (coding)；相比于選通(gate)時(shí)間，量子信息的長久存儲；和可控的兩量子比特的相互作 用從而形成快速量子門。已提出很多材料和結(jié)構(gòu)用作從量子點(diǎn)半導(dǎo)體到超冷離子阱的量子比特主體。至今 為止的替代物遭受到的缺點(diǎn)是僅可能在低溫下工作或者具有非常短的橫向馳豫時(shí)間(稱 作“T2”)。相反，金剛石中的氮空位(“NV”)缺陷在室溫(約300K)下可具有使其用于一 系列應(yīng)用的足夠長T2。金剛石中的NV中心可用于量子比特應(yīng)用，這是因?yàn)槠渚哂胁贿B續(xù)的 量子化磁自旋態(tài)。已經(jīng)使用例如電子順磁共振(EPR)、光致發(fā)光(PL)、光學(xué)吸收光譜法和單 軸應(yīng)力下光譜法的技術(shù)對NV中心進(jìn)行了充分表征。在金剛石中NV中心確定為中性電荷狀 態(tài)和負(fù)電荷狀態(tài)(分別為“NV°”和“NV_”)。NV中心在其負(fù)電荷狀態(tài)(NV_)時(shí)具有在637nm 的零聲子線(“ZPL”)，與就中性狀態(tài)(NV0)的NV中心而言的575nm形成對比。產(chǎn)生適合于量子比特應(yīng)用的材料的一個(gè)主要問題是防止量子比特退相干，或至少 延長系統(tǒng)退相干所花費(fèi)的時(shí)間(即延長“退相干時(shí)間”)。退相干通常理解為使量子變?yōu)榻?jīng) 典的過程；宏觀世界的確定性產(chǎn)生于描述量子過程的疊加和纏結(jié)所依據(jù)的過程。退相干時(shí) 間可以使用橫向弛豫時(shí)間T2進(jìn)行量化和對比。T2是用于NMR(核磁共振)和MRI (磁共振 成像)技術(shù)中的術(shù)語并且還稱作“相移(cbphasing)時(shí)間”或“自旋-自旋弛豫時(shí)間”。橫向 弛豫描述了垂直于施加到材料的主磁場返回到平衡即與磁場平行的受激磁矩的弛豫。長的 T2時(shí)間在例如量子計(jì)算的應(yīng)用中是期望的，因?yàn)槠湓试S更多時(shí)間用于量子門陣列運(yùn)行且因 此允許實(shí)施更加復(fù)雜的量子計(jì)算。在特定材料中，退相干時(shí)間可與例如在金剛石中所考慮的比磁矩相關(guān)，關(guān)于％原 子核的磁矩與NV—中心的電子自旋態(tài)的磁矩相比可以具有不同的T2。這些磁矩中的每一種可有利地用于量子應(yīng)用，盡管在許多方面它們在這種類型的應(yīng)用中顯示出不同的益處和限 制，因此重要是要清楚所報(bào)導(dǎo)的T2是關(guān)于哪一種磁矩。在本說明書中，除非另外說明，“T2” 將是指量子自旋缺陷(例如金剛石中的NV—中心)的電子自旋態(tài)的退相干時(shí)間，其它T2值 將適當(dāng)進(jìn)行量化，例如“T2 [13C]，，是指13C原子核磁矩的T2時(shí)間。在US 7，122,837中，金剛石中的NV中心以受控方式產(chǎn)生。在一個(gè)實(shí)施方案中，使 用CVD方法形成單晶金剛石，并然后進(jìn)行退火以除去NV中心。然后用控制數(shù)目的NV中心 形成單晶金剛石的薄層。NV中心形成用于電子電路的量子比特。掩膜式和控制離子注入與 退火聯(lián)合用于CVD形成的金剛石以產(chǎn)生用于光學(xué)應(yīng)用和納米機(jī)電裝置形成的結(jié)構(gòu)。可以形 成與NV中心光耦合并且進(jìn)一步與光源和光檢測器耦合以與NV中心相互作用的波導(dǎo)。Kennedy 和 Linares (Phys. Stat. Sol. (b)，233 (2002)，416-426)公開了 含有在 1. 5-100K溫度下T2為32μ s的NV中心的金剛石。NV-缺陷內(nèi)的內(nèi)部光躍遷典型地花費(fèi)約10ns。對于可行的量子計(jì)算裝置，T2時(shí)間 必須比此大得多以獲得足夠的門操作用于糾錯(cuò)等。因此大于約500 μ S (0.5ms)的T2時(shí)間 在退相干失去之前提供了可觀數(shù)目的門控操作(gated operation)，典型地約5 ΧΙΟ4。一些應(yīng)用的其它重要參數(shù)涉及光躍遷的時(shí)間譜穩(wěn)定性，所述光躍遷可用于讀/寫 來自NV量子比特的信息。這在要獲得從單獨(dú)量子比特發(fā)射出的光子之間的纏結(jié)時(shí)是特別 重要的。這些光子的頻率必須相同以確保量子纏結(jié)所需不可分辨性的條件之一。基于上述，很明顯存在對包含主體材料和量子自旋缺陷的固態(tài)系統(tǒng)的需要，其中 所述量子自旋缺陷在室溫下具有比目前所證明的更高的Τ2時(shí)間。此外，如最終應(yīng)用所要求 的，可期望以對于表征和“讀出”很容易獲得的形式和/或位置提供這些量子自旋缺陷。還 期望用于對這種量子自旋缺陷進(jìn)行讀/寫的光躍遷頻率是穩(wěn)定的。就此而言，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)單晶金剛石材料可用于形成包含量子自旋缺陷的固態(tài)系 統(tǒng)，所述單晶金剛石材料具有高的化學(xué)純度，即低的氮含量，并且其中已將該金剛石材料的 表面進(jìn)行加工以使晶體缺陷的存在最小化。出人意料地，發(fā)現(xiàn)在使用這種材料作為量子自 旋缺陷的主體時(shí)，在室溫下獲得長的Τ2時(shí)間并且用于對裝置進(jìn)行讀/寫的光躍遷頻率是穩(wěn) 定的。因此，本發(fā)明提供了包含主體材料和量子自旋缺陷的固態(tài)系統(tǒng)，所述量子自旋缺 陷在室溫下具有約300 μ s以上的Τ2，其中所述主體材料包含總氮濃度為約20ppb以下的 單晶CVD金剛石層，其中在由半徑約5μπι的圓所限定的區(qū)域內(nèi)單晶金剛石的表面粗糙度 為約IOnm以下，所述圓以最接近形成量子自旋缺陷的地方的表面上的點(diǎn)為中心。在根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)系統(tǒng)中，量子自旋缺陷例如NV缺陷在室溫下具有出人意料 的長Τ2值。由于用于進(jìn)行讀出量子自旋缺陷的技術(shù)，以及其制備方法，例如僅可在表面的數(shù) 微米內(nèi)引入缺陷時(shí)的注入技術(shù)，因此這種表征通常在主體材料表面約ΙΟΟμπι內(nèi)的材料區(qū) 域上進(jìn)行。因此期望主體材料的該區(qū)域具有特別高的品質(zhì)(即基本上無損害)，并且使量子 自旋缺陷位于材料的該區(qū)域中從而使它們易于獲得。就此而言，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過加工單 晶金剛石主體材料的表面以便實(shí)現(xiàn)低的表面粗糙度Rtl，可獲得高的Τ2值和高的譜穩(wěn)定性， 其中本發(fā)明的合成金剛石材料用作主體材料，在該主體材料中量子自旋缺陷位于距離加工 表面小于ΙΟΟμπι。量子自旋缺陷的這種定位意味著其對于最終應(yīng)用是易于獲得的，使得其可例如通過與波導(dǎo)的光耦合進(jìn)行表征和“讀出”?？梢栽谄渲行纬闪孔幼孕毕葜盎蛑蠹庸尉Ы饎偸黧w材料的表面。就此 而言，量子自旋缺陷例如NV中心可以在主體材料制備之后形成。因此，在另一方面，本發(fā)明 提供了用于制備包含主體材料和在室溫下T2為約300 μ s以上的量子自旋缺陷的固態(tài)系統(tǒng) 的方法，其中所述主體材料包含通過化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備的總氮濃度為約20ppb 以下的單晶金剛石，所述方法包括在主體材料中形成量子自旋缺陷，其中對該主體材料的表面進(jìn)行加工，使得在由 半徑約5 μ m的圓所限定的區(qū)域內(nèi)單晶金剛石的表面粗糙度Rtl為約IOnm以下，所述圓以最 接近形成量子自旋缺陷的地方的表面上的點(diǎn)為中心?；蛘撸梢栽诒砻婕庸ぶ霸谥黧w材料中形成量子自旋缺陷。就此而言，本發(fā)明還 提供了用于制備包含主體材料和在室溫下T2為約300 μ s以上的量子自旋缺陷的固態(tài)系統(tǒng) 的方法，其中所述主體材料包含總氮濃度為約20ppb以下的單晶CVD金剛石層，所述方法包 括對其中已形成量子自旋缺陷的主體材料的表面進(jìn)行加工，使得在由半徑約5 μ m 的圓所限定的區(qū)域內(nèi)單晶金剛石的表面粗糙度Rtl為約IOnm以下，所述圓以最接近形成量 子自旋缺陷的地方的表面上的點(diǎn)為中心。在量子自旋缺陷存在于主體材料時(shí)，在該材料的最終應(yīng)用中，需要表征和讀出量 子自旋缺陷。為了使包含主體材料和缺陷的系統(tǒng)用于例如量子計(jì)算應(yīng)用，必要的是，用于表 征和讀出量子自旋缺陷的光躍遷頻率具有高的譜穩(wěn)定性。這確保了在量子纏結(jié)所必需的條 件下一個(gè)量子自旋缺陷不可能與任何其它量子自旋缺陷區(qū)分開。量子自旋缺陷例如NV—中心的譜穩(wěn)定性通過由該中心在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)射的光子 頻率的傳播進(jìn)行量化，其在室溫下(約300K)進(jìn)行測量。對于NV—中心，所測量的光子是當(dāng) ms= 士 1受激狀態(tài)的電子弛豫(即去激發(fā))進(jìn)入ms = 0基態(tài)時(shí)發(fā)射的光子。與零聲子線 (ZPL)有關(guān)的光子具有637nm的標(biāo)稱波長，相應(yīng)于約4. 7 X IO14Hz (470THz)的頻率。使ZPL 的光子進(jìn)入分光計(jì)并測定它們的頻率。通過測量大量光子的頻率，可繪制具有特定頻率的 光子數(shù)相對于光子頻率的頻率曲線。出人意料地，在本發(fā)明的固態(tài)系統(tǒng)中，量子缺陷表現(xiàn)出 特別穩(wěn)定的光躍遷。本發(fā)明人已確定，具有高化學(xué)純度的單晶金剛石材料在自旋電子應(yīng)用中是特別有 用的。因此，在其它方面，本發(fā)明涉及總氮濃度為約20ppb以下的單晶CVD金剛石在自旋電 子應(yīng)用中的用途。本發(fā)明的金剛石材料具有非常低的雜質(zhì)水平和非常低的締合點(diǎn)(associated point)缺陷水平。此外，其可以具有非常低的位錯(cuò)密度和應(yīng)變，以及足夠接近與生長溫度有 關(guān)的熱力學(xué)平衡值的空位和自間隙濃度，使得該材料的吸光譜基本上是完美的天然同位素 豐度金剛石晶格的吸光譜，且因此在為金剛石的材料中不可得到進(jìn)一步改進(jìn)。術(shù)語“ppm”在本文中用于意指百萬分之一。術(shù)語“ppb ”在本文中用于意指十億分之一。術(shù)語“高化學(xué)純度”在本文中用于描述總氮濃度為約20ppb以下，優(yōu)選約IOppb 以下，優(yōu)選約5ppb以下，優(yōu)選約2ppb以下，優(yōu)選約Ippb以下，優(yōu)選約0. 5ppb以下，優(yōu)選約 0. 2ppb以下，優(yōu)選約0. Ippb以下的單晶金剛石材料。
術(shù)語“量子自旋缺陷”在本文中用于意指順磁性缺陷中心，該順磁性缺陷中心具有 兩種或更多種磁自旋態(tài)并且當(dāng)將其結(jié)合到主體材料中時(shí)可用作量子比特。優(yōu)選的量子自旋 缺陷是NV中心。術(shù)語“自旋電子應(yīng)用”在本文中用于意指利用電子的量子自旋態(tài)的應(yīng)用。實(shí)例包 括量子計(jì)算、量子密碼術(shù)和磁測量。如本文所用，術(shù)語“室溫”是指約300K的溫度。術(shù)語“表面粗糙度Ra”(有時(shí)稱作“中心線平均值”或“C. 1. a. ”)是指表面輪廓偏離 用觸針式表面光度儀在0. 08mm長度內(nèi)測量的平均線的絕對偏差的算數(shù)平均值，依照英國 標(biāo)準(zhǔn) BS 1134 Part IfPPart 2 測量。Ra (來自"Tribology，，，I. M. Hutchings，Rib. Edward Arnold(London)，1992，8-9 頁)的數(shù)學(xué)描述是
_3]凡李 “表面粗糙度R/’是指均方根粗糙度(有時(shí)也稱作“RMS粗糙度”)。在提及Rtl時(shí)， 其典型地使用觸針式表面光度儀在0.08mm長度內(nèi)依照于英國標(biāo)準(zhǔn)BS 1134 Part 1和Part 2測得，或者使用掃描探針儀器例如原子力顯微鏡在幾ym乘幾ym(例如ΙμπιΧΙμπι或 2ymX2ym)的區(qū)域內(nèi)測得；對于所正提及的R,，Rq使用觸針式表面光度儀測得，除非具體 說明Rtl使用掃描探針儀器測得。Rtl的數(shù)學(xué)描述(來自“Tribology”，I. Μ. Hutchings, Pub. Edward Arnold(London)，1992，8-9 頁)是Rq = ^[y\x)dx對于具有表面高度的高斯(Gaussian)分布的表面，Rq = 1. 25Ra(來自 "Tribology", I. M. Hutchings, Pub.Edward Arnold(London)，1992,8-9 M )。本發(fā)明的固態(tài)系統(tǒng)包含主體材料和量子自旋缺陷。所述主體材料包含總氮濃度為 約20ppb以下的單晶CVD金剛石層。本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石主體材料是通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法制得 的。合成金剛石材料(包括同質(zhì)外延單晶CVD金剛石)的方法現(xiàn)已完全確立并且已廣泛描 述在專利和其它文獻(xiàn)中。在將金剛石材料沉積在基材的生長表面上時(shí)，該方法通常包括提 供輸入到合成設(shè)備中的氣源。在合成設(shè)備內(nèi)部，將合成環(huán)境中的源氣體解離成原子形式的 氫或鹵素(例如F、Cl)以及C或含碳的自由基和其它反應(yīng)性物質(zhì)，例如CHX、CFx，其中χ可 以是1-4。此外，可以存在含氧源，正如可存在氮源和硼源一樣。在許多方法中，也存在惰性 氣體如氦氣、氖氣或氬氣。因此，典型的源氣體將含有烴CxHy，其中χ和y可以各自為1-10， 或鹵代烴CxHyHalz，其中χ和ζ可以各自為1-10，而y可以是0_10，和任選的下述中的一種 或多種=COx (其中χ可以是0. 5-2)、02、H2, N2, NH3、B2H6和惰性氣體。各氣體可以按其天然 同位素比存在，或者可以人工控制相對同位素比；例如氫可以按氘或氚形式存在，而碳可以 按1Y或uC形式存在。作為其通過CVD法制備的結(jié)果，用作本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)中主體材料的單晶金剛石層 具有約Ippm以下，或者約0. Ippm以下，或者約0. Olppm以下，或者約0. 003ppm以下，或者 約0. OOlppm以下的總化學(xué)雜質(zhì)濃度(不包括氫及其同位素)。單晶金剛石材料層的優(yōu)選厚度將取決于待使用的包含該金剛石材料層的固態(tài)系統(tǒng)的最終應(yīng)用。例如，單晶金剛石層的厚度可以為100 μ m以下，或者約50 μ m以下，或者約 20 μ m以下，或者約10 μ m以下。這在金剛石層意欲與常規(guī)金剛石載體層組合使用時(shí)是有利 的。為了易于處理，金剛石材料層可以具有至少0. Ιμπι以上，優(yōu)選約0.2 μπι以上，優(yōu)選約 0. 5μπι以上的厚度。或者，合成金剛石材料層的厚度可以為100 μ m以上，在一些情形中為200 μ m以 上。合成金剛石材料層的厚度小于約2000 μ m，或者小于約1000 μπι。有利地，在所述層具 有這樣的厚度時(shí)，其對于機(jī)械穩(wěn)定(robust)是足夠地厚并且可從基材脫離以提供獨(dú)立合 成金剛石材料層。優(yōu)選不使合成金剛石層過厚，因?yàn)檫@相當(dāng)大地增加制備該層的成本和難 度，特別如上所討論，表面粗糙度民或Rtl趨向于隨著厚度增加而提高。本發(fā)明人已認(rèn)識到，在使用單晶金剛石作為量子自旋缺陷的主體材料時(shí)，期望使 金剛石的化學(xué)純度最大化以使晶格缺陷和可以對量子自旋缺陷具有有害作用的物質(zhì)的存 在最小化。為了使合成金剛石材料層的化學(xué)純度最大化，期望使合成金剛石材料層中氮的 總濃度最小化。就此而言，氮的總濃度為約20ppb以下，優(yōu)選約IOppb以下，優(yōu)選約5ppb以 下，優(yōu)選約2ppb以下，優(yōu)選約Ippb以下，優(yōu)選約0. 5ppb以下，優(yōu)選約0. 2ppb以下，優(yōu)選約 0. Ippb 以下。金剛石材料中的總氮可通過二次離子質(zhì)譜法(SIMS)進(jìn)行測量。SIMS是可用于進(jìn) 行薄層(典型地為幾nm至幾μπι)的元素分析的非常敏感的技術(shù)。在該技術(shù)中，通過一次離 子束濺射表面并通過質(zhì)譜分析作為離子離開表面的濺射材料部分。通過將特定物質(zhì)的計(jì)數(shù) 率與標(biāo)準(zhǔn)濃度進(jìn)行對比和通過測定濺射空穴的深度，可以產(chǎn)生深度相對于濃度的曲線?？?在給定區(qū)域中取一組值然后將其平均。作為單取代氮存在的氮可通過電子順磁共振(EPR)進(jìn)行測量。靈敏度的下限小于 約Ippb (小于約2X IO14CnT3)。CVD金剛石中的絕大多數(shù)氮作為單取代氮存在。就此而言， 單取代氮典型地占CVD金剛石中存在的氮的約99%以上。作為NV中心存在的氮與W15 EPR中心關(guān)聯(lián)并且可通過EI3R測量低至約Ippb (約 2X IO14Cm-3)的濃度。共焦光致發(fā)光(共焦PL)可識別單個(gè)NV中心，因此可通過計(jì)數(shù)工序 測量極低濃度。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)總氮濃度為約IOOppb時(shí)，NV中心濃度典型地為CVD金剛石 中總N濃度的約1/10-約1/100，更典型地約1/20-約1/50，更典型地約1/30。據(jù)認(rèn)為，可 合理地將該比率外推至更低的NV濃度。本發(fā)明人已確定，還期望使單晶金剛石材料層中其它雜質(zhì)的存在最小化。就此而 言，單晶CVD金剛石層優(yōu)選滿足如下標(biāo)準(zhǔn)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)⑴硼的濃度為約IOOppb以下，優(yōu)選約50ppb以下，優(yōu)選約20ppb以下，優(yōu)選約 IOppb以下，優(yōu)選約5ppb以下，優(yōu)選約2ppb以下，優(yōu)選約Ippb以下，優(yōu)選約0. 5ppb以下，優(yōu) 選約0. 2ppb以下，優(yōu)選約0. Ippb以下；(ii)非補(bǔ)償取代(uncompensated substitutional)硼的濃度為約 IOOppb 以下， 優(yōu)選約50ppb以下，優(yōu)選約20ppb以下，優(yōu)選約IOppb以下，優(yōu)選約5ppb以下，優(yōu)選約2ppb 以下，優(yōu)選約Ippb以下，優(yōu)選約0. 5ppb以下，優(yōu)選約0. 2ppb以下，優(yōu)選約0. Ippb以下；(iii)硅的濃度為約IOOppb以下，優(yōu)選約50ppb以下，優(yōu)選約20ppb以下，優(yōu)選約 IOppb以下，優(yōu)選約5ppb以下，優(yōu)選約2ppb以下，優(yōu)選約Ippb以下，優(yōu)選約0. 5ppb以下，優(yōu) 選約0. 2ppb以下，優(yōu)選約0. Ippb以下，優(yōu)選約0. 05ppb以下；
(iv)硅空位(稱作“SiV” )的濃度，其特征在于相對于在約1332. 5^1位移處的 金剛石拉曼(Raman)譜線的強(qiáng)度進(jìn)行歸一化的737nm光致發(fā)光(PL)譜線的強(qiáng)度(二者均在 約77K溫度下測量)為約0.5以下，優(yōu)選約0.2以下，優(yōu)選約0. 1以下，優(yōu)選約0.05以下， 優(yōu)選約0. 02以下，優(yōu)選約0. 01以下，優(yōu)選約0. 005以下；(ν)固有順磁性缺陷即具有非零自旋磁自旋的缺陷的濃度，為約Ippm以下，優(yōu) 選約0. 5ppm以下，優(yōu)選約0. 2ppm以下，優(yōu)選約0. Ippm以下，優(yōu)選約0. 05ppm以下，優(yōu)選約 0. 02ppm以下，優(yōu)選約0. Olppm以下，優(yōu)選約0. 005ppm以下，優(yōu)選約0. OOlppm以下；(vi)任何單一非氫雜質(zhì)的濃度為約5ppm以下。優(yōu)選地，任何單一雜質(zhì)(不包括氫 及其同位素)的水平為約Ippm以下，優(yōu)選約0. 5ppm以下。(vii)總雜質(zhì)含量(不包括氫及其同位素)為約IOppm以下。優(yōu)選地，總雜質(zhì)含量 (不包括氫及其同位素)為約5ppm以下，優(yōu)選約2ppm以下；和(viii)氫雜質(zhì)(具體是氫及其同位素)的濃度為約IO18CnT3以下，優(yōu)選約IO17CnT3 以下，優(yōu)選約IO16CnT3以下，優(yōu)選約IO15CnT3以下。單晶CVD金剛石可以滿足任何數(shù)目和任何組合的任何特征(i)-(viii)。在一個(gè)實(shí) 施方案中，單晶CVD金剛石可以滿足特征(i)-(viii)中任何組合的兩個(gè)。在替代性的實(shí)施 方案中，單晶CVD金剛石可以滿足特征(i)-(viii)中任何組合的三個(gè)。在替代性的實(shí)施方 案中，單晶CVD金剛石可以滿足特征(i)-(viii)中任何組合的四個(gè)。在替代性的實(shí)施方案 中，單晶CVD金剛石可以滿足任何組合的特征(i)-(viii)中的五個(gè)。在替代性的實(shí)施方案 中，單晶CVD金剛石可以滿足特征(i)-(viii)中任何組合的六個(gè)。在替代性的實(shí)施方案中， 單晶CVD金剛石可以滿足特征(i)-(viii)中任何組合的七個(gè)。在替代性的實(shí)施方案中，單 晶CVD金剛石可以滿足所有八個(gè)特征(i)_(viii)。硼的濃度和硅的濃度可以使用SIMS進(jìn)行測定。非補(bǔ)償取代硼的濃度可以使用電容-電壓(CV)技術(shù)進(jìn)行測量。硅空位即Si-V的濃度可以通過相對于在約1332. 5^1位移處的金剛石拉曼譜線 的強(qiáng)度進(jìn)行歸一化的737nm光致發(fā)光(PL)譜線的強(qiáng)度(兩者均在約77K溫度下測量)來 表征。順磁性缺陷的濃度可以使用EI3R技術(shù)測定。固有順磁性缺陷是具有非零自旋的晶格缺陷，其對于例如位錯(cuò)和空位簇的材料是 固有的。這類缺陷的濃度可以使用電子順磁共振(EPR)在g = 2. 0028下進(jìn)行測定。該譜 線被認(rèn)為與晶格缺陷的存在相關(guān)。雜質(zhì)濃度可通過二次離子質(zhì)譜法(SIMQ、輝光放電質(zhì)譜法(GDMS)、燃燒質(zhì)譜法 (CMS)、電子順磁共振(EPR)和紅外(IR)吸收進(jìn)行測量，此外對于單取代氮通過在270nm的 光吸收測量進(jìn)行測量(相對于由通過燃燒分析所破壞性分析的樣品獲得的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行校 正)。在上述中，“雜質(zhì)”排除氫及其同位素形式。適合作為本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)中的主體材料的單晶CVD金剛石材料的實(shí)例描述于 W001/96333 中。更具體地，單晶金剛石材料層可以具有許多電子特性中的至少一種。就此而言，本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層在斷開(off)狀態(tài)下可以具有約 1 X IO12 Ω . cm以上，優(yōu)選約2 X IO13 Ω . cm以上，優(yōu)選約5 X IO14 Ω . cm以上的電阻率R1，所有電阻率都在50V/ym施加電場和300Κ(或20°C，對于本發(fā)明目的認(rèn)為二者是相當(dāng)?shù)?下測 量。在這種高的施加電場下的這種電阻率是金剛石的化學(xué)純度和基本上不存在雜質(zhì)與缺陷 的指示。在較低的施加電場例如小于30V/ μ m下，具有較低化學(xué)純度或晶體完美性的材料 可表現(xiàn)出高的電阻率，但在大于30V/ μ m和通常最高45V/ μ m的施加電場下，隨著漏泄電流 快速升高，顯示出擊穿行為?？赏ㄟ^本領(lǐng)域已知的方法，由漏泄(暗)電流的測量確定電阻 率。將試驗(yàn)樣品制備成均勻厚度的板，使用標(biāo)準(zhǔn)的金剛石清潔技術(shù)進(jìn)行清潔，以便接受合適 的接觸體(蒸發(fā)、濺射或摻雜的金剛石)，可將該接觸體外接到電壓源上，然后部分或全部 封裝，以避免飛弧(flash-over)的危險(xiǎn)。重要的是確保封裝并不顯著增加所測量的漏泄電 流。典型的樣品尺寸為厚為0.01-0. 5mm，橫向?yàn)? X 3mm-50 X 50mm，但也可使用更小或更 大的尺寸。作為替代或補(bǔ)充，本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層在接通(on)狀態(tài)下可 以具有高的電流和長的載流子壽命時(shí)間，更具體地約1.5X10_6Cm2/V以上，優(yōu)選大于約 4. OX l(T6cm7V以上，優(yōu)選約6. 0X l(T6cm7V以上的μ τ乘積，均是在約50V/ μ m施加電場 和約300K溫度下測量的。μ是遷移率而τ是電荷載流子的壽命，該乘積表示電荷載流子 對總電荷位移或電流的貢獻(xiàn)。這種特性還可進(jìn)行測量并且表示為電荷收集距離。使用下述等式，μ τ乘積與電荷收集距離相關(guān)μ τ E = CCD(cm2/Vs) X (s) X (V/cm) = cm其中E=施加電場本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層，尤其是其優(yōu)選形式，可以具有高的μ τ乘 積，而這轉(zhuǎn)化為高的電荷收集距離，其比用另外任何已知的單晶CVD金剛石獲得的電荷收
集距離高得多。當(dāng)使用電極將電場施加到樣品上時(shí)，可分離通過樣品的光子照射產(chǎn)生的電子-空 穴對。空穴向陰極漂移，電子向陽極漂移。具有短波長(紫外或UV光)和在金剛石的帶隙 之上的光子能量的光具有很小的滲透入金剛石內(nèi)的深度，并且通過使用這類光，可以鑒別 僅依賴于電極被照射的一類載流子的貢獻(xiàn)。以下述方式測量在本說明書中所指的μ τ乘積(i)將金剛石樣品制備成厚度超過約100 μ m的板。(ii)將Ti半透明接觸體濺射到金剛石板的兩側(cè)上，然后使用標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)光刻技 術(shù)進(jìn)行圖案化。該方法形成合適的接觸體。(iii)使用10 μ s單色Xe光脈沖(波長218nm)激發(fā)載流子，同時(shí)在外電路中測量 所產(chǎn)生的光電流。10 μ S的脈沖長度遠(yuǎn)比其它過程如躍遷時(shí)間和載流子壽命長，并可認(rèn)為在 脈沖過程中的所有時(shí)刻下該體系處于平衡。在此波長下光滲透到金剛石內(nèi)僅幾微米。使用 相對低的光強(qiáng)度(約0. lW/cm2)，以便使Ntl相對低，然后使內(nèi)場合理地接近施加電場。保持 施加電場低于閾值，而高于該閾值時(shí)遷移率將變得依賴于電場。施加電場也保持低于這樣 的數(shù)值，而高于該數(shù)值時(shí)大部分電荷載流子到達(dá)金剛石的遠(yuǎn)端，并且所收集的總電荷顯示 飽和(而阻塞接觸體；這時(shí)，未阻塞接觸體可顯示出增益)。(iv)使用Hecht關(guān)系式，使收集的電荷與施加電壓相關(guān)，從而得出μ τ乘積。Q = N0e μ τ E/D [l_exp {_D/( μ τ Ε)}]
在該等式中，Q是在未照射的接觸體處收集的電荷，Ntl是通過光脈沖所產(chǎn)生的電子 空穴對的總數(shù)，E是施加電場，D是樣品厚度，μ τ是待測定的遷移率和壽命的乘積。(ν)作為實(shí)例，如果照射的電極是陽極(陰極)，則在表面的幾Pm之內(nèi)產(chǎn)生電荷 載流子，并且電子(空穴)向附近電極的電荷位移是可忽略的。相反，空穴(電子)向相對 接觸體的電荷位移則是顯著的，并受到μ τ乘積的限制，其中μ和τ 二者對向未照射的 電極移動的特定電荷載流子來說是特定的。作為替代或補(bǔ)充，本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層可以具有約MoocnAr1iT1 以上，優(yōu)選約3000( ^-1 s—1以上，優(yōu)選約^OOcm2V-1S-1以上(在300K下測量)的電子 遷移率(μ e)。據(jù)報(bào)道，在高品質(zhì)IIa型天然金剛石中，在300K下電子遷移率典型地為 ISOOcmW1，報(bào)道的例外值最高達(dá)2200011^^作為替代或補(bǔ)充，本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層可以具有約ZlOOcm2V-1S-1 以上，優(yōu)選約2500( ^-1 s—1以上，優(yōu)選約3000( ^-1 s—1以上(在300K下測量)的空穴 遷移率(μ h)。據(jù)報(bào)道，在高品質(zhì)IIa型天然金剛石中，在300K下空穴遷移率典型地為 UOOcmW1，報(bào)道的例外值最高達(dá)igOOcmW1。作為替代或補(bǔ)充，本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層可以具有約150μπι以上， 優(yōu)選約400 μ m以上，優(yōu)選約600 μ m以上的高電荷收集距離，均是在IV/μ m施加電場和 300K下測量的。據(jù)報(bào)道，在高品質(zhì)IIa型天然金剛石中，在300K和IV/μ m施加電場下，電 荷收集距離基本上小于100 μ m,更典型地為約40 μ m。收集距離及其測定在本領(lǐng)域中是已知的。撞擊在金剛石上的輻射例如UV、X射 線和Y射線可形成在電極之間的施加電壓下漂移的電子空穴對。典型地，對于滲透性輻 射例如β和Y射線，將電極置于金剛石層的相對表面上，所述金剛石層的厚度典型地為 200-700 μ m但可以在小于100 μ m至大于1000 μ m的范圍內(nèi)并且電荷載流子(電子/空穴) 漂移通過該層厚度。對于滲入到金剛石中僅幾μ m的被高度吸收的輻射，例如能量接近或 高于帶隙能量的α射線或UV射線，可以在金剛石層的相同面上使用交叉指形電極配置；該 面可以是平面或使電極與表面結(jié)構(gòu)例如溝槽相關(guān)聯(lián)地進(jìn)行設(shè)置。然而，電子和空穴具有有限的遷移率和壽命，因此它們在復(fù)合之前僅移動一定距 離。當(dāng)發(fā)生形成電荷載流子的情況(例如β粒子撞擊)時(shí)，然后來自檢測器的總信號從首 先(first order)取決于電荷載流子移動的平均距離。這種電荷位移是載流子遷移率、施 加電場(其提供電荷漂移速度)和載流子在俘獲或復(fù)合停止其漂移之前的復(fù)合壽命的乘 積。這是收集距離，還可認(rèn)為其是掃掠到(sw印t to)電極的電荷量(volume)。金剛石越 純(或非補(bǔ)償阱的水平越低)或晶體缺陷水平越低，則載流子的遷移率和/或它們的壽命 越高。所測量的收集距離通常受試驗(yàn)樣品厚度的限制；如果收集距離測量超過樣品厚度的 約80%，則測量值有可能是下限而不是實(shí)際值。通過下述工序確定本文中所指的收集距離1)將歐姆點(diǎn)接觸放置在測試層的任一側(cè)。該層典型地為300-700 μ m厚和5_10mm 的見方，允許直徑為2-6mm的點(diǎn)接觸。歐姆接觸(而不是表現(xiàn)二極管行為的接觸)的形成 對可靠的測量來說是重要的。這可通過數(shù)種方式實(shí)現(xiàn)，但典型地用如下的工序來實(shí)現(xiàn)i)使用例如氧等離子體灰，使金剛石的表面進(jìn)行氧終止，使表面電導(dǎo)最小化(降 低設(shè)備的‘暗電流’)；
ii)通過濺射、蒸發(fā)或類似方法，在金剛石上沉積金屬層，該金屬層包括第一碳化 物形成物(former)(如Ti、Cr)，然后是較厚的保護(hù)材料層，典型地是Au(引線可接合到其 上)。然后典型地使接觸體在約400-約600°C下退火直到約1小時(shí)。2)將引線接合到接觸體上，并將金剛石連接到電路中，而偏壓典型地為2-10kV/ cm。在2. 5kV/cm下，使用3mm直徑點(diǎn)接觸體，表征‘暗電流’或漏泄電流，且在良好的樣品 中‘暗電流’或漏泄電流應(yīng)當(dāng)小于約5nA，更典型地小于約ΙΟΟρΑ。3)通過將樣品暴露于β射線進(jìn)行收集距離的測量，在輸出(exit)面上有Si觸發(fā) 檢測器，以便a)表明事件已發(fā)生，和b)確保β粒子不在金剛石膜內(nèi)停止，這將導(dǎo)致形成數(shù) 量大得多的電荷載流子。然后通過高增益電荷放大器讀取來自金剛石的信號，并且基于因 β粒子穿過而形成電荷載流子的已知速率(約36個(gè)電子-空穴對/線性μ m)，可通過下 述等式由所測量的電荷計(jì)算收集距離CCD = CCEXt其中t =樣品厚度CCE =電荷收集效率=所收集的電荷/所產(chǎn)生的總電荷CXD =電荷收集距離。4)為了完整性，用一定范圍的施加偏壓值(正向和反向)測量收集距離，并且在 10kV/cm的偏壓下，所引用的特征收集距離僅對于在至多l(xiāng)OkV/cm偏壓下顯示出對偏壓的 良好表現(xiàn)的線性行為的樣品。另外，將整個(gè)測量工序重復(fù)數(shù)次以確保行為的可重復(fù)性，因?yàn)?在較差的樣品上測量的值可隨時(shí)間和處理歷史而退化。5)在收集距離的測量中的另一個(gè)問題是材料是否處在泵激(pumped)狀態(tài)或未 泵激(impumped)狀態(tài)。‘泵激’(也稱為‘引動(priming)’)材料包括將其暴露于某類輻 射(β、Y等)足夠的時(shí)間段，此時(shí)所測量的收集距離可能升高，在多晶CVD金剛石中升高 典型地為1. 6的因子，盡管這可變化。在高純單晶中引動的效果通常較低，引動1. 05-1. 2 的因子是通常的，在一些樣品中無可測量的引動。通過暴露于足夠強(qiáng)的白光或選擇波長的 光可實(shí)現(xiàn)去泵激(cbpumping)，且據(jù)認(rèn)為該過程是完全可逆的。在本說明書中所指的收集 距離全部處在未泵激狀態(tài)，與材料的最終應(yīng)用無關(guān)。在某些應(yīng)用(如高能粒子物理實(shí)驗(yàn)) 中，與泵激有關(guān)的收集距離的增加可通過保護(hù)檢測器不受任何去泵激輻射而有益地用于提 高單個(gè)事件的可檢測性。在其它應(yīng)用中，與泵激有關(guān)的設(shè)備增益的不穩(wěn)定性是嚴(yán)重有害的?？稍诮饎偸拇蟛糠煮w積內(nèi)觀察到上述特性?？纱嬖谕ǔＰ∮?0體積％的一部 分體積，其中觀察不到所述特定特性。就此而言，本文所用術(shù)語“大部分體積”是指連續(xù)且 不含有不符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域的單一體積。除上述特性外，用作本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)中主體材料的單晶CVD金剛石層可以具有在 575nm能帶(其是低的或不存在的)的陰極射線發(fā)光(CL)發(fā)射信號，以及在77K于514nm Ar離子激光激發(fā)下(標(biāo)稱300mW的入射光)測量的相關(guān)的光致發(fā)光(PL)譜線，該譜線的峰 高小于在1332CHT1處的金剛石拉曼峰的峰高的1/1000。這些能帶與氮/空穴缺陷有關(guān)，并 且它們的存在表明膜中氮的存在。由于可能存在競爭性淬滅(quenching)機(jī)理，575nm譜 線的歸一化強(qiáng)度不是氮的定量量度，它的不存在也不是膜中不存在氮的確定指示。CL是束 能量一般為10-40keV的電子束的激發(fā)導(dǎo)致的發(fā)光，所述束滲透到樣品表面內(nèi)約30nm-10微 米。光致發(fā)光更通常在整個(gè)樣品體積內(nèi)被激發(fā)。
作為替代或補(bǔ)充，本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層可以在77K下收集的CL譜 中具有在235nm的均勻的強(qiáng)自由激子(FE)峰。強(qiáng)自由激子峰的存在表明基本上不存在缺 陷例如位錯(cuò)和雜質(zhì)。多晶CVD金剛石合成中單個(gè)晶體的低缺陷和雜質(zhì)密度與高FE之間的 聯(lián)系以前已有報(bào)道。作為替代或補(bǔ)充，本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層可以在室溫UV-激發(fā)的光 致發(fā)光譜中具有強(qiáng)自由激子發(fā)射。自由激子發(fā)射也可由上述帶隙輻射激發(fā)，例如由來自ArF 準(zhǔn)分子激光的193nm輻射激發(fā)。在以這種方式激發(fā)的光致發(fā)光譜中存在強(qiáng)自由激子發(fā)射表 明基本上不存在位錯(cuò)和雜質(zhì)。在室溫下，由193nm ArF準(zhǔn)分子激光激發(fā)的自由激子發(fā)射的 強(qiáng)度使得自由激子發(fā)射的量子產(chǎn)率至少為10_5。作為替代或補(bǔ)充，本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層可以在電子順磁共振 (EPR)中具有濃度為約40ppb以下，更典型地約IOppb以下的單取代氮中心[N_C]°，表明了 低的氮結(jié)合水平。作為替代或補(bǔ)充，在g = 2. 0028處，本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層可以在 EPR中具有約IXlO17Cm-3以下，更典型地約5X 1016cm_3以下，更典型地約2X 1016cm_3以下， 更典型地約IXlO16cnT3以下，更典型地約5 X IO15CnT3以下，更典型地約2 X IO15CnT3以下的 自旋密度。在單晶金剛石中，在8 = 2.00 處，這一譜線與晶格缺陷濃度有關(guān)，并且在天然 的IIa型金剛石中，在通過缺口塑性變形的CVD金剛石中以及在品質(zhì)差的同質(zhì)外延金剛石 中典型地是大的。作為替代或補(bǔ)充，本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層可以具有優(yōu)異的光學(xué)性 能，該光學(xué)性能具有接近金剛石理論最大值的UV/可見和IR (紅外)透光率，更具體地，在 UV中在270nm處低或不存在的單取代氮的吸收，在頂中的2500-3400(^-1波數(shù)的譜范圍內(nèi)， 低或不存在C-H伸張鍵合。本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層可以依附于金剛石基材(不論基材是合成 的、天然的還是CVD金剛石)。這是有利的，因?yàn)檫@意味著在厚度限制其應(yīng)用時(shí)可提供較大 的總體厚度，或提供CVD金剛石的載體，其厚度已通過加工得到降低。另外，單晶CVD金剛 石層可形成多層設(shè)備中的一層，其中其它金剛石層可以例如被摻雜以提供與該CVD金剛石 層的電接觸部或電子連接部，或僅存在其它金剛石層以提供該CVD金剛石的載體。在一個(gè)實(shí)施方案中，適用于本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)和/或適用于自旋電子應(yīng)用的單晶 CVD金剛石層可以通過包括如下步驟的方法制備提供具有基本無晶體缺陷的表面的金剛 石基材，提供源氣體，使源氣體解離，和在含有小于300ppb的氮的氣氛中，在基本無晶體缺 陷的表面上允許進(jìn)行同質(zhì)外延金剛石生長。用于生產(chǎn)本發(fā)明主體材料的單晶CVD金剛石層的基材優(yōu)選為金剛石基材，優(yōu)選為 適用于同質(zhì)外延金剛石合成的金剛石基材。本發(fā)明的基材可以是低雙折射Ia或IIb型天 然金剛石或低雙折射型Λ或IIa高壓/高溫(HPHT)合成金剛石。所述基材可以包含在其 上合成有CVD金剛石基材層的HPHT合成金剛石層，從而使該基材的生長表面優(yōu)選是CVD金 剛石基材層的表面?；蛘?，本發(fā)明的基材可以是單晶CVD金剛石。該基材可以是通過同質(zhì) 外延單晶CVD金剛石合成制備的同質(zhì)外延單晶CVD金剛石(本文也稱作同質(zhì)外延基材)。金剛石基材優(yōu)選具有低的雙折射。就此而言，優(yōu)選基材滿足如下項(xiàng)中的至少一 個(gè)
a)通過在約0. 014cm2以上的面積內(nèi)約1000/cm2以下的X-射線形貌術(shù)表征的擴(kuò)
展缺陷密度；b)在約0. Imm3以上的體積內(nèi)約IX 10_4以下的光學(xué)各向同性；和c)對于約120弧秒以下的(004)反射(reflection)的FWHM( “半高寬”)X_射線
搖擺曲線寬度。如本文所使用的，術(shù)語“擴(kuò)展缺陷”是指缺陷例如位錯(cuò)或位錯(cuò)束簇和堆垛層錯(cuò)。本發(fā)明的金剛石基材可以具有標(biāo)準(zhǔn)(a)-(c)的至少兩項(xiàng)，優(yōu)選至少三項(xiàng)。優(yōu)選地， 合成的金剛石材料層滿足標(biāo)準(zhǔn)(a)和(b)，或標(biāo)準(zhǔn)(a)和(c)，或標(biāo)準(zhǔn)(b)和(c)，更優(yōu)選 (a)、 (b)和(c)。優(yōu)選地，金剛石基材具有通過約1000/cm2以下，優(yōu)選約400/cm2以下，優(yōu)選約300/ cm2以下，優(yōu)選約200/cm2以下，優(yōu)選約100/cm2以下的X-射線形貌術(shù)表征的擴(kuò)展缺陷密 度。優(yōu)選地，在其內(nèi)表征擴(kuò)展缺陷的面積為約0. OHcm2以上，優(yōu)選約0. Icm2以上，優(yōu)選約 0. 25cm2以上，優(yōu)選約0. 5cm2以上，優(yōu)選約Icm2以上，優(yōu)選約2cm2以上。優(yōu)選地，金剛石基材具有約1X10_4以下，優(yōu)選約5X10_5以下，優(yōu)選約1X10_5以 下，優(yōu)選約5 X 10_6以下，優(yōu)選約2 X 10_6以下，優(yōu)選約1 X 10_6以下的光學(xué)各向同性。優(yōu)選地， 這種光學(xué)各向同性在約0. Imm3以上，優(yōu)選約0. 5mm3以上，優(yōu)選約Imm3以上，優(yōu)選約3. 4mm3 以上，優(yōu)選約Smm3以上，優(yōu)選約27mm3以上，優(yōu)選約64mm3以上，優(yōu)選約125mm3以上，優(yōu)選約 512mm3以上，優(yōu)選約IOOOmm3以上的體積進(jìn)行測量。優(yōu)選地，金剛石基材具有半高寬(FWHM)為約120弧秒以下，優(yōu)選約50弧秒以下， 優(yōu)選20弧秒以下，優(yōu)選約10弧秒以下，優(yōu)選約7弧秒以下，優(yōu)選約5弧秒以下，優(yōu)選約3弧 秒以下，優(yōu)選約2弧秒以下，優(yōu)選約1.5弧秒以下的(004) X-射線搖擺曲線。優(yōu)選地，(004) X-射線搖擺曲線FWHM在約ImmXlmm以上，優(yōu)選約2mmX 2mm以上，優(yōu)選約4mmX 4mm以上， 優(yōu)選約7mmX7mm以上，優(yōu)選約15mmX 15mm以上的面積內(nèi)測量。優(yōu)選地，金剛石基材具有極低水平的雙折射。在金剛石中，雙折射典型地與大量 擴(kuò)展缺陷(例如位錯(cuò)、位錯(cuò)束和堆垛層錯(cuò))的存在有關(guān)，所述缺陷的存在引起高的局部應(yīng) 變水平并因此引起雙折射。優(yōu)選地，在約70%以上的主表面的面積，優(yōu)選約80%以上的 主表面的面積，優(yōu)選約90 %以上的主表面的面積，優(yōu)選約95 %以上的主表面的面積，優(yōu)選 約98%以上的主表面的面積中，通過基材厚度測量而評價(jià)的最大雙折射為1X10_4以下， 優(yōu)選5X10—5以下，優(yōu)選1X10—5以下，優(yōu)選5X10—6以下，優(yōu)選1X10—6以下。可使用例如 "Metripol”(Oxford CyrosystemsLtd. , Oxford, UK)的儀器評價(jià)雙折射。使用這樣的低雙 折射的金剛石材料是有利的，因?yàn)槠浣档土嗽谕|(zhì)外延金剛石層生長期間從該基材傳播到 同質(zhì)外延金剛石層中的擴(kuò)展缺陷的每單位面積的數(shù)量；這類缺陷可以用可具有非零原子核 自旋的雜質(zhì)原子進(jìn)行“修飾”，因此可降低附近量子自旋缺陷的T2時(shí)間。優(yōu)選地，如通過SIMS測量或Era測量所測定的，金剛石基材內(nèi)的氮濃度為約 200ppm以下，優(yōu)選約150ppm以下，優(yōu)選約IOOppm以下，優(yōu)選約50ppm以下，優(yōu)選約20ppm 以下，優(yōu)選約IOppm以下，優(yōu)選約5ppm以下，優(yōu)選約2ppm以下，優(yōu)選約Ippm以下，優(yōu)選約 0. 5ppm以下，優(yōu)選約0. Ippm以下，優(yōu)選約0. Olppm以下，優(yōu)選約0. OOlppm以下。金剛石基 材中的低氮濃度是有利的，因?yàn)槠浣档土伺c具有較高濃度的氮雜質(zhì)并且具有任何界面位錯(cuò) 的金剛石的晶格膨脹有關(guān)的應(yīng)變，可產(chǎn)生所述位錯(cuò)以吸收(take up)在基材和金剛石材料
15之間的界面處晶格失配。其具有的其它優(yōu)點(diǎn)是提高從基材和CVD金剛石層之間的界面處起 小于約100 μ m的量子自旋缺陷的T2。合成后，可以保持基材以充當(dāng)金剛石材料的載體層?；蛘?，合成后可以從金剛石材 料中除去基材并將其丟棄，而留下金剛石材料作為獨(dú)立物體(freestanding object) 0金 剛石材料可以含有一個(gè)或多個(gè)在下文稱為“中間載體層”的其它層。因此，在一個(gè)實(shí)施方案 中，本發(fā)明的金剛石材料可以包含比基材具有更高化學(xué)純度層的層以排除與依附基材中自 旋中心有關(guān)的雜質(zhì)影響，接著是含有量子自旋缺陷(例如NV中心)的高化學(xué)純度層?；?者，金剛石材料可以與基材分離，將該基材丟棄，而留下包含金剛石層和一個(gè)或多個(gè)中間載 體層的金剛石材料。當(dāng)基材是金剛石基材時(shí)，在其上發(fā)生金剛石生長的基材表面基本上可以是{100}、 {110}或{111}表面。這些表面對基材的生長表面是有利的，因?yàn)檫@些表面中的每一個(gè)具有 低指數(shù)，這意味著在表面中存在最小數(shù)量的臺階型邊緣。當(dāng)基材是金剛石基材時(shí)，優(yōu)選具有(001)主面，該主面可以受到位于基本沿著 <100>方向的邊緣約束。進(jìn)一步優(yōu)選地，基材具有法線與
方向偏離約10°以下，優(yōu)選 約5°以下，優(yōu)選約4°以下，優(yōu)選約3°以下，優(yōu)選約2°以下，優(yōu)選約1°以下的主表面。 進(jìn)一步優(yōu)選地，基材具有法線與
方向偏離約0.01°以上，優(yōu)選約0.05°以上，優(yōu)選約 0.2°以上，優(yōu)選約0.5°以上的主表面?；蛘?，優(yōu)選基材具有法線與W01]方向偏離為約 0.01° -約2°，優(yōu)選約0.05° -約1.5°，優(yōu)選約0.5° -約1°的主表面。小但非零的偏 離可以通過提供低但均勻的臺階型邊緣密度而有助于獲得高品質(zhì)的生長。當(dāng)基材的邊緣沿 <100>方向基本上對齊時(shí)，優(yōu)選基材的邊緣在<100>方向的約10°以內(nèi)，優(yōu)選在<100>方向 的約5°以內(nèi)，在<100>方向的約3°以內(nèi)。如本文所使用的，術(shù)語“基本上”在指方向例如晶向或相對于基材生長表面的方向 時(shí)，指的是在所述方向的約10°以內(nèi)，或者在所述方向的約5°以內(nèi)，或者在所述方向的約 4°以內(nèi)，或者在所述方向的約3°以內(nèi)。在其上發(fā)生生長的基材表面基本無晶體缺陷。術(shù)語“晶體缺陷”在下文中用于意 指材料所固有的擴(kuò)展和/或結(jié)構(gòu)晶體缺陷，例如位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)、孿晶界等。如本文所使用的，“基本無晶體缺陷”在指基材的生長表面時(shí)，指的是如通過如下 所述的暴露(reveal)等離子體蝕刻所測定的，在約5 X 103mm 2以下，優(yōu)選約1 X 102mm 2以下 的生長表面上的晶體缺陷密度。使用具有基本無晶體缺陷的生長表面的基材是有利的，因?yàn)槿绻谄渖虾铣山饎?石材料的基材的生長表面含有大量的晶體缺陷，則提高了在合成金剛石材料中的晶體缺陷 的濃度。合成金剛石材料中晶體缺陷的降低的濃度對于自旋電子應(yīng)用而言是有利的，因?yàn)?這種降低減少了順磁性缺陷的濃度且增大了金剛石層中量子比特缺陷中心的T2。晶體缺陷 可導(dǎo)致材料中應(yīng)變的存在，這進(jìn)而可影響量子自旋缺陷的光學(xué)特性；因此降低晶體缺陷的 密度是有利的。在使用為暴露缺陷而優(yōu)化的等離子體或化學(xué)蝕刻(稱為暴露等離子體蝕刻)，例 如使用下述類型的簡單等離子體蝕刻之后，通過光學(xué)評價(jià)可最容易地表征缺陷密度?？杀?露兩種類型的缺陷1)對基材材料品質(zhì)來說固有的那些缺陷。在所選擇的天然金剛石中，這些缺陷的密度可低至50/mm2，而更典型的值為102/mm2，盡管在其它金剛石中缺陷的密度可以是IO6/ mm2以上。2)來自拋光的那些缺陷，包括位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和沿拋光線以‘振痕(chatter track)，形 式存在的微裂紋。這些缺陷的密度在樣品中可具有相當(dāng)大的變化，典型的值從約102/mm2到 在不良拋光區(qū)域或樣品中的高達(dá)大于104/mm2。因此，優(yōu)選的低缺陷密度是因此使得上述與缺陷有關(guān)的表面蝕刻特征的密度低于 5X107mm2，更優(yōu)選低于 102/mm2?？墒褂玫谋┞段g刻的一種類型是主要使用氫氣以及任選的小量Ar和所需的小量 O2的等離子體蝕刻。典型的氧氣蝕刻條件是壓力為約50 X IO2Pa-約450 X IO2Pa,蝕刻氣 體含有約1-約5%的氧含量，0-約30%的氬氣含量和余量的氫，所有百分?jǐn)?shù)為體積百分?jǐn)?shù)， 而基材溫度為約600°C -約1100°C (更典型地為約800°C )，和典型的持續(xù)時(shí)間為約3-約 60分鐘。然后使用光學(xué)顯微鏡檢查蝕刻表面并且計(jì)算表面特征的數(shù)目。通過仔細(xì)制備基材，因此可使在其上發(fā)生CVD生長的基材表面處和表面下方的缺 陷水平最小化。此處，制備包括施加于來自礦物回收(在天然金剛石的情況下)或合成(在 合成材料的情況下)材料的任何過程，因?yàn)楦麟A段都可能影響材料內(nèi)的、當(dāng)形成基材的加 工完成時(shí)最終形成基材表面的平面上的缺陷密度。具體的加工步驟可包括常規(guī)的金剛石 加工方法如機(jī)械鋸解、研磨和拋光，和較不常規(guī)的技術(shù)如激光加工或離子注入和剝離(lift off)技術(shù)、化學(xué)/機(jī)械拋光，以及液體和等離子體化學(xué)加工技術(shù)。有利地是，應(yīng)當(dāng)使基材的表面Ra最小化。優(yōu)選地，在任何等離子體蝕刻之前基材 生長表面的Ra為約IOnm以下，優(yōu)選約5nm以下，優(yōu)選約2nm以下，優(yōu)選約Inm以下，優(yōu)選約 0. 5nm以下，優(yōu)選約0. 2nm以下?；乃蟮摩│坪?或晶體取向可以通過對基材進(jìn)行機(jī)械鋸解或激光鋸解來獲 得，所述基材來自于較大的高度完美金剛石材料片，優(yōu)選來自于這樣的金剛石材料片的單 個(gè)生長扇區(qū)。基材的主表面可以使用常規(guī)寶石雕刻技術(shù)如研磨和磨光盤(scaif)拋光進(jìn)行 加工。這類技術(shù)是本領(lǐng)域公知的，并且在本文中稱作“機(jī)械加工”。優(yōu)選地，將基材的生長表 面進(jìn)行磨光盤拋光。機(jī)械加工的基材可以具有機(jī)械損傷層(也稱作“亞表面損傷層”)，該機(jī)械損傷層 延伸到表面之下從幾微米直到幾十微米的深度，取決于機(jī)械加工的準(zhǔn)確細(xì)節(jié)?？捎糜诮档突牡臋C(jī)械損傷層對于單晶CVD金剛石層的隨后生長的影響的一種 具體方法是使用原位等離子體蝕刻。原則上，這種蝕刻不必是原位的，也不必進(jìn)行該蝕刻后 立刻進(jìn)行生長過程，但若是原位的，則可實(shí)現(xiàn)最大的益處，因?yàn)樗苊饬诉M(jìn)一步物理損傷或 化學(xué)污染的任何風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)生長工藝也是基于等離子體時(shí)，原位蝕刻通常是最方便的。等離 子體蝕刻可使用與沉積或金剛石生長過程相類似的條件，但在沒有任何含碳的源氣體存在 下和通常在稍低的溫度下進(jìn)行，以更好地控制蝕刻速率。例如，它可由如下中的一項(xiàng)或多項(xiàng) 構(gòu)成(i)氧蝕刻，其主要使用氫，及任選的小量Ar和所要求的小量02。典型的氧蝕刻條 件是壓力為50-450X IO2Pa,蝕刻氣體含有的氧，0-30%的氬和余量的氫，所有百分 數(shù)為體積百分?jǐn)?shù)，基材溫度為600-1100°C (更典型地為800°C )，且典型的持續(xù)時(shí)間為3_60 分鐘。
(ii)氫蝕刻，與(i)相類似，但其中不含氧。(iii)可以使用不是僅僅基于氬、氫和氧的替代性的蝕刻方法，例如使用鹵素、其 它惰性氣體或氮的那些蝕刻方法。典型地，蝕刻包括氧蝕刻，接著進(jìn)行氫蝕刻，然后通過引入碳源氣體，直接將過程 轉(zhuǎn)入合成。選擇蝕刻的時(shí)間/溫度，以便能夠除去因加工造成的任何殘留的表面損傷，和除 去任何表面污染物，但不形成高度粗糙的表面和不沿?cái)U(kuò)展的缺陷(如位錯(cuò))過度蝕刻，該過 度蝕刻橫斷表面，進(jìn)而引起深的凹點(diǎn)。由于蝕刻是侵蝕性的，因此對這一階段來說尤其重要 的是，腔室設(shè)計(jì)和其組份材料的選擇使得沒有材料從腔室通過等離子體被轉(zhuǎn)移到氣相中或 轉(zhuǎn)移到基材表面上。氧蝕刻之后的氫蝕刻對晶體缺陷的特異性較低，從而將氧蝕刻(它侵 蝕性地沖擊這類缺陷)引起的棱角變圓并提供對于隨后的生長來說較光滑、較好的表面。或者，例如在共同未決申請PCT/IB2008/050215中所描述的那樣，離位(ex situ) 各向同性蝕刻例如Ar-Cl2感應(yīng)耦合等離子體蝕刻可以替代基材表面的預(yù)生長原位等離子 體蝕刻或在其之前進(jìn)行。Ar-Cl2感應(yīng)耦合等離子體蝕刻還可以用于制備將最終含有量子缺 陷中心的CVD金剛石層在其上的基材表面。有利的是，在原位等離子體蝕刻之前進(jìn)行離位 各向同性蝕刻例如Ar-Cl2蝕刻，因?yàn)檫@提供了基本上無損傷的表面而不過度提高表面粗糙 度。優(yōu)選地，當(dāng)使用離位Ar-Cl2感應(yīng)耦合蝕刻時(shí)，接著進(jìn)行原位，并且原位蝕刻的持續(xù)時(shí)間 典型地在約3分鐘-約15分鐘的范圍內(nèi)。Ar-Cl2感應(yīng)耦合等離子體蝕刻可以在約0. 5毫托(約0. 06671 )-約100毫托 (約13. 3Pa)，更優(yōu)選為約1毫托(約0. 133Pa)-約30毫托(約4. OOPa)，更優(yōu)選為約2毫 托(約0J67Pa)_約10毫托(1.33Pa)的操作壓力下進(jìn)行。蝕刻劑優(yōu)選氣體混合物，該氣 體混合物由至少惰性氣體，優(yōu)選氬，和含鹵素氣體，優(yōu)選氯(Cl2)構(gòu)成。優(yōu)選地，含鹵素氣體 以約1 % -約99 %，更優(yōu)選約20 % -約85 %，更優(yōu)選約40 % -約70 %的濃度(以體積計(jì)) 存在于加入到工藝中的氣體混合物中。優(yōu)選地，大多數(shù)氣體混合物的余量由Ar組成，更優(yōu) 選整個(gè)氣體的余量由Ar組成。作為替代，惰性氣體可以是氦、氖、氪或氙，或者可以包含這些中多于一種的混合 物，或者可以包含這些中的一種或多種與氬的混合物。在生產(chǎn)單晶CVD金剛石主體材料時(shí)，適當(dāng)控制發(fā)生CVD生長的環(huán)境中的雜質(zhì)含量 也是重要的。更具體地，必須在基本上不含氮?dú)?，即小于約300份/十億(ppb，總氣體體積 的分子份數(shù))，優(yōu)選小于約lOOppb，優(yōu)選小于約80ppb，優(yōu)選小于約50ppb，優(yōu)選小于約20ppb 的氣氛存在下進(jìn)行金剛石的生長。在文獻(xiàn)中已報(bào)道過在CVD金剛石，尤其是多晶CVD金剛石 的合成中氮的作用。例如，在這些報(bào)道中已注意到，IOppm以上的氣相氮水平改變了 {100} 與{111}面之間的相對生長速率，同時(shí)在生長速率和在一些情況下晶體品質(zhì)方面總體提 高。此外，對于某些CVD金剛石合成方法來說，已建議可以使用低于幾ppm的低含氮量。這 些低數(shù)值的氮水平測量要求精密的監(jiān)控，如通過用例如氣相色譜法可實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控?，F(xiàn)描述 這種方法的一個(gè)實(shí)例(1)標(biāo)準(zhǔn)的氣相色譜(GC)技術(shù)，由如下構(gòu)成使用窄內(nèi)徑的樣品管線，從所關(guān)心的 點(diǎn)處提取氣體樣品物流，為最大流速和最小死體積進(jìn)行優(yōu)化，并在流到廢棄物之前使其流 經(jīng)GC樣品盤管(coil)。GC樣品盤管是盤旋的管道的一部分，其具有固定和已知的體積(對 于標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓注射來說，典型地Icm3)，該GC樣品盤管可從樣品管線處的位置切換到輸送到氣相色譜柱的載氣(高純He)管線。這樣將已知體積的氣體樣品放置到進(jìn)入柱內(nèi)的氣流 中；在本領(lǐng)域中，該工序稱為樣品注射。注射的樣品被載氣攜載經(jīng)過第一個(gè)GC柱(填充有為簡單無機(jī)氣體的分離而優(yōu)化 的分子篩)并部分分離，但高濃度的主要?dú)怏w(如H2、Ar)引起柱飽和，這使得氮?dú)獾耐耆?分離困難。來自第一個(gè)柱的流出物的相關(guān)部分然后轉(zhuǎn)變成第二個(gè)柱的原料，從而避免大部 分其它氣體進(jìn)入到第二個(gè)柱中，避免了柱飽和并使目標(biāo)氣體(N2)能完全分離。該工序稱為 “中心切割”。使第二個(gè)柱的輸出流流過放電離子化檢測器(DID)，其檢測在載氣通過時(shí)由于樣 品存在而引起的漏泄電流的增加。通過氣體的停留時(shí)間(由標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物來校正)確定 化學(xué)特性。DID的響應(yīng)在大于5個(gè)數(shù)量級的范圍內(nèi)是線性的，且通過使用特定的校正氣體混 合物來校正，校正氣體混合物濃度典型地在IO-IOOppm范圍內(nèi)，通過重力分析進(jìn)行，然后由 供應(yīng)商來驗(yàn)證?？赏ㄟ^仔細(xì)的稀釋實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證DID的線性。(2)如下面所述，氣相色譜的這一已知技術(shù)已被進(jìn)一步改進(jìn)和開發(fā)以用于此應(yīng)用 此處被分析的過程典型地在50-500X 102 下操作。通常的GC操作使用比大氣壓高的壓力 的源氣體，以驅(qū)動氣體流過樣品管線。此處，通過在管線的廢料端連接真空泵驅(qū)動樣品，并 在低于大氣壓下抽取樣品。然而，在氣體流動的同時(shí)，管道阻力可引起管線中顯著的壓降， 從而影響校正和靈敏度。因此，在樣品盤管與真空泵之間放置閥門，該閥門在樣品注射之前 關(guān)閉短的時(shí)間段，以便使樣品盤管處的壓力穩(wěn)定，并通過壓力計(jì)來測量。為了確保注射足夠 質(zhì)量的樣品氣體，將樣品盤管的體積擴(kuò)大到約5cm3。取決于樣品管線的設(shè)計(jì)，該技術(shù)可在低 至約70X IO2Pa的壓力下有效操作。GC的校正取決于注射的樣品質(zhì)量，并且通過使用與進(jìn) 行分析的原料可獲得的相同的樣品壓力校正GC來獲得最大的精確度。必須觀察非常高標(biāo) 準(zhǔn)的真空和氣體操作實(shí)踐，以確保測量是正確的。取樣點(diǎn)可以是在合成腔室的上游以表征進(jìn)入氣體，可以是在腔室內(nèi)以表征腔室環(huán) 境，或者可以是在腔室的下游以測量腔室內(nèi)氮濃度的最差情況數(shù)值。源氣體可以是本領(lǐng)域已知的任何源氣體，并且將含有可解離從而產(chǎn)生自由基或其 它活性物質(zhì)的含碳材料。氣體混合物通常還含有適于提供原子形式的氫或鹵素的氣體。優(yōu)選在反應(yīng)器(其例子中是本領(lǐng)域已知的)中使用微波能量進(jìn)行源氣體的解離。 然而，應(yīng)當(dāng)使從反應(yīng)器轉(zhuǎn)移的任何雜質(zhì)最少化?？墒褂梦⒉ㄏ到y(tǒng)，以確保等離子體遠(yuǎn)離除發(fā) 生金剛石生長的基材表面之外的所有表面及其固定物。優(yōu)選的固定物材料的實(shí)例是鉬、 鎢、硅和碳化硅。優(yōu)選的反應(yīng)器腔室材料的實(shí)例是不銹鋼、鋁、銅、金、鉬?？梢允褂酶叩牡入x子體功率密度，其來自于高的微波功率(對于50_150mm的基材 直徑，典型地為3-60kW)和高的氣體壓力(50-500 X IO2Pa,優(yōu)選100-450 X IO2Pa)。使用上述優(yōu)選的條件，可產(chǎn)生總氮濃度為20ppb以下以及遷移率和壽命的乘 積μ τ值超過1.5X10-6Cm2/V(例如對于電子而言為320X 10-6Cm2/V而對于空穴而言為 390X 10_6Cm7V)的高品質(zhì)的單晶CVD金剛石層?；蛘撸景l(fā)明主體材料的單晶金剛石材料層可以通過包括以下的方法制備提供具有基本無晶體缺陷的表面的金剛石基材；提供包含高純氣體的源氣體混合物，其中該源氣體混合物中的氮濃度為約300ppb 以下；
提供固體碳源，其中該固體碳源具有低的氮雜質(zhì)含量；活化和/或解離至少部分的源氣體混合物和固體碳源以形成氣態(tài)碳物質(zhì)；和允許在所述基材表面上進(jìn)行同質(zhì)外延金剛石生長。所使用的源氣體通常含有氫氣，一種或多種惰性氣體如氦、氖或氬，以及氧氣，并 且組成源氣體的氣體都是高純氣體。這意味著所述氣體都具有高的化學(xué)純度。因?yàn)榈獨(dú)馐?空氣中最豐富的氣體，所以其是最常見引入到氣體源中的雜質(zhì)。其還容易引入到金剛石中 作為取代雜質(zhì)原子。就此而言，特定氣體的化學(xué)純度可通過參考其中存在的氮雜質(zhì)含量進(jìn) 行量化。特別地，形成源氣體的一部分的氫氣優(yōu)選含有約Ippm以下的氮雜質(zhì)，惰性氣體優(yōu) 選含有約Ippm以下的氮雜質(zhì)和/或氧氣優(yōu)選含有約Ippm以下的氮雜質(zhì)。在這種方法中，碳源是固體碳源，對其進(jìn)行活化以產(chǎn)生氣態(tài)碳物質(zhì)，然后將其用于 基材上的同質(zhì)外延金剛石生長。合適的固體碳源的實(shí)例包括石墨和金剛石。典型地，這類 固體源由氣態(tài)前體(例如CH4)制備。在一個(gè)實(shí)施方案中，固體碳源是金剛石。在另一個(gè)實(shí) 施方案中，固體碳源是石墨，對其進(jìn)行制備以便確保使氮進(jìn)入石墨結(jié)構(gòu)的吸收度最小化。如上所述，氮?dú)馐强諝庵凶钬S富的氣體，因此難以避免具有氮的氣態(tài)碳源的污染。 然而，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，可通過使用固體碳源使這種影響最小化。就此而言，本發(fā)明人已認(rèn)識 到，通過活化固體碳源以形成氣態(tài)碳物質(zhì)，然后使該氣態(tài)物質(zhì)再沉積，所形成的固體具有提 高的化學(xué)純度(即降低的氮含量)。這意味著可以降低用于制備固體碳源的碳源氣體的化 學(xué)純度并同時(shí)仍可獲得高化學(xué)純度的產(chǎn)品。對碳源進(jìn)行選擇以便具有低的氮雜質(zhì)含量。術(shù)語“低的氮雜質(zhì)含量”在本文中用 于意指氮濃度為約IOppm以下。優(yōu)選地，通過SIMS或燃燒分析的固體碳源中的氮濃度為優(yōu) 選約5ppm以下，優(yōu)選約2ppm以下，優(yōu)選約Ippm以下。當(dāng)固體碳源是金剛石時(shí)，其可以通過常規(guī)HPHT使用固體碳源或者通過CVD技術(shù)使 用對于這樣的商購氣體而言具有典型化學(xué)純度的碳源氣體(即構(gòu)成源氣體的含碳?xì)怏w并 不一定具有高化學(xué)純度)進(jìn)行制備。在CVD方法中，雖然這類碳源氣體可能包括不期望的 高含量氮，但已發(fā)現(xiàn)，存在于合成環(huán)境中的氮的僅約千分之一被引入到固體金剛石中。在然 后將這種金剛石用作根據(jù)本發(fā)明方法中的固體碳源時(shí)，通過活化固體碳源制得的氣態(tài)碳物 質(zhì)與初始碳源相比必然具有更低的氮含量。因此，本發(fā)明提供了用于精制碳源氣體的化學(xué) 純度以便顯著降低最終CVD金剛石層中氮含量的方法。在其中使用固體碳源的本發(fā)明的實(shí)施方案中，用于通過CVD方法合成固體碳源的 源氣體混合物中的氮濃度為約IOppm以下，優(yōu)選約3ppm以下，優(yōu)選約Ippm以下，優(yōu)選約 300ppb以下，或者約IOOppb以下，或者約30ppb以下，或者約IOppb以下。源氣體中的氮濃 度可通過氣相色譜測定。期望使源氣體混合物中的氮含量最小化，因?yàn)檫@將最終使引入到 金剛石材料中的氮的量最小。這進(jìn)而是期望的，因?yàn)槠涮岣咚峁┑牟牧系钠焚|(zhì)，并因此使 其特別用作量子自旋缺陷的主體材料。含有這種量的氮的源氣體混合物是可商購的。源氣體的實(shí)例是雜質(zhì)含量以體積計(jì) 小于 0. 5ppm 的 H2 (如得自例如 CK Gases Ltd. ,Hook,Hampshire,UK 的“H26. 5”)，其可以通 過穿過Pd散射體(例如JohnsonMatthey Inc.，West Chester, PA, USA)進(jìn)一步純化以實(shí)現(xiàn) 以體積計(jì)小于5ppb的雜質(zhì)水平；雜質(zhì)含量以體積計(jì)小于Ippm的Ar (如得自例如CK Gases Ltd.，Hook, Hampshire UK 的 “Ar 6. 0”)，其可以通過穿過凈化器(例如 Johnson MattheyInc.，West Chester, PA, USA)進(jìn)一步純化以實(shí)現(xiàn)以體積計(jì)小于5ppb的雜質(zhì)水平。當(dāng)固體碳源用于本發(fā)明方法中時(shí)，源氣體混合物優(yōu)選含有最少的有意添加的含碳 氣體。就此而言，固體碳源優(yōu)選提供約80%以上，優(yōu)選約85%以上的碳，優(yōu)選約90%以上， 優(yōu)選約95%以上，優(yōu)選約98%以上，優(yōu)選約99%以上，優(yōu)選基本上100%的含碳?xì)怏w以用于 所述方法中。因此優(yōu)選地，存在于源氣體混合物中的僅含碳物質(zhì)將是作為雜質(zhì)存在的那些 含碳物質(zhì)。在本發(fā)明的方法中將至少部分的固體碳源活化以提供氣態(tài)碳物質(zhì)。固體碳源的“活化”是指將固體碳轉(zhuǎn)化成氣態(tài)碳和含碳物質(zhì)，例如包括物質(zhì)如原 子碳、CHx自由基，其中χ是1、2或3 ；含有多個(gè)碳原子的自由基，例如C2Hx，其中χ是1-5的 整數(shù)，和分子物質(zhì)例如CH4。本領(lǐng)域完全確立的是，碳的氣態(tài)源對有助于生長過程的碳物質(zhì) 并因此對金剛石的品質(zhì)具有可忽略的影響，此處發(fā)明人已證明，對于固體碳源而言這也是 出人意料地正確。發(fā)明人已確定兩種一般方法，由此使固體碳源活化(i)在與發(fā)生金剛石沉積的相同腔室內(nèi)活化，和(ii)遠(yuǎn)離其中發(fā)生金剛石沉積的腔室活化。優(yōu)選這兩種技術(shù)中的后者(方法(ii))，因?yàn)檫@種方法允許對固體碳源的活化速 率的顯著更大的控制，并因此更大地控制再沉積過程存在的C濃度以形成本發(fā)明的金剛石 材料。在其中遠(yuǎn)距離地發(fā)生活化的實(shí)施方案中，固體碳源的活化優(yōu)選在反應(yīng)器(本文中 稱作“活化反應(yīng)器”)例如化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中進(jìn)行，所述反應(yīng)器包括腔室、氣體入口、氣 體出口，以及當(dāng)用于活化的能量源是微波等離子體時(shí)，將微波能量供給到反應(yīng)器的裝置。當(dāng) 微波是能量源時(shí)，活化反應(yīng)器的腔室優(yōu)選是使用中的微波頻率的諧振腔。優(yōu)選地，借助于微 波等離子體加熱固體碳源。使源氣體(典型地是氫氣和氬的混合物)穿過固體碳源，并且 借助于等離子體例如微波等離子體、熱絲，或者通過固體碳源的直接加熱來供給能量。將固 體碳源加熱到約700°C -約1200°C的溫度，選擇準(zhǔn)確的溫度以便以期望的速率將氣態(tài)碳物 質(zhì)供入金剛石沉積反應(yīng)器。因?yàn)閼?yīng)該將在活化反應(yīng)器中制備的氣體混合物供入金剛石沉積 反應(yīng)器中，所以活化反應(yīng)器中的壓力必須高于金剛石沉積反應(yīng)器中的壓力?；蛘?，在將其供 入金剛石沉積反應(yīng)器中之前可以壓縮來自活化反應(yīng)器的氣體混合物(即提高其壓力)，或 者，可替代地將其充入貯存設(shè)備中用于隨后輸送到金剛石沉積反應(yīng)器。優(yōu)選將所述氣體直 接充入金剛石沉積反應(yīng)器中，因?yàn)檫@降低了在壓縮和/或貯存期間所述氣體被雜質(zhì)如N2污 染的可能性。也可用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的替代性的活化方法，例如使用激光以局部燒蝕碳源。在其中固體碳源的活化發(fā)生在與金剛石沉積的相同腔室內(nèi)的實(shí)施方案中，反應(yīng)器 是CVD金剛石沉積反應(yīng)器，在其中處置固體碳源從而使其可被氫自由基蝕刻以產(chǎn)生氣態(tài)碳 物質(zhì)，隨后將該氣態(tài)碳物質(zhì)再沉積在相鄰的單晶金剛石基材上以形成高化學(xué)純度的單晶 CVD金剛石層。在替代性的實(shí)施方案中，本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶金剛石材料層可以通過包括以下 的方法制備
提供具有基本無晶體缺陷的表面的金剛石基材；提供源氣體混合物，其包含高純氣體和碳源氣體，其中該高純氣體對源氣體混合 物中的總氮水平貢獻(xiàn)約300ppb以下，而該碳源氣體含有約20ppm以下量的氮雜質(zhì)；解離源氣體；和允許在表面上進(jìn)行同質(zhì)外延金剛石生長，其中滿足下面條件中的至少一個(gè)(a)基材溫度為約800°C -約1000°C ；和(b)將氧氣以總源氣體混合物的約0.5體積約5體積％的量(按02當(dāng)量以體 積份數(shù)進(jìn)行測量)加入到該源氣體中。在該實(shí)施方案，碳源是氣體。合適的碳源氣體的例子包括但不限于CxHy，其中χ和 y可以各自獨(dú)立地為1-10的整數(shù)(例如CH4、C2H6, C2H4, C2H2等)，CxHyHalz,其中χ和ζ可以 獨(dú)立地為1-10的整數(shù)，而y可以是0-10，或COx，其中χ為0. 5-2. 0。優(yōu)選地，碳源氣體是 CH4。特別地，當(dāng)碳源為氣態(tài)且含有小于約20ppm水平的氮雜質(zhì)但仍足夠高從而顯著增加該 過程的總氮濃度(例如大于約lppm)時(shí)，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)具有高化學(xué)純度的產(chǎn)品可通過使工 藝條件優(yōu)化來獲得。更具體地，發(fā)現(xiàn)了具有高化學(xué)純度的材料可以通過如下任一項(xiàng)獲得⑴確?；臏囟雀哂诩s800°C且低于約1000°C ；或(ii)以總氣體流的約0.5%至總氣體流的約5% (按O2當(dāng)量以體積份數(shù)進(jìn)行測 量)將氧氣加入到源氣體混合物中。氧氣濃度按占總氣體流的體積份數(shù)(表示為百分?jǐn)?shù))進(jìn)行測量；例如，當(dāng)總氣體流 為500sCCm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米)，其中IOsccm為仏時(shí)，仏當(dāng)量的體積份數(shù)為2%;例如，當(dāng)總氣 體流為500SCCm，其中IOsccm為CO時(shí)，O2當(dāng)量的體積份數(shù)為1%。不希望受理論束縛，本發(fā)明人認(rèn)為上述特征(i)的最佳溫度范圍可通過兩種對立 因素進(jìn)行測定。第一，本發(fā)明人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于相同基材和生長條件，隨著基材溫度從約 700°C提高到約1000°C，通過例如SIMS和EPR的技術(shù)測量的氮引入水平降低。不意欲受任 何特定理論束縛，據(jù)認(rèn)為，這是N原子對金剛石生長表面的粘著系數(shù)隨基材溫度提高而降 低的結(jié)果。第二，本發(fā)明人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于給定的CVD金剛石生長厚度，如通過宏觀臺階、丘 狀物和孿晶的觀察所表征的，隨著基材溫度從約700°C提高到約1000°C，CVD金剛石層生長 表面顯示出提高的粗糙化。不意欲受任何特定理論束縛，據(jù)認(rèn)為這種提高的粗糙化為將N 和其它缺陷引入正在生長的金剛石膜中提供了更多自由基位置。因此本發(fā)明人確認(rèn)了兩種 相互競爭的影響，其中之一隨著基材溫度提高導(dǎo)致氮引入降低而另一個(gè)隨著基材溫度提高 導(dǎo)致氮引入提高。對于CVD金剛石生長的任何選擇的厚度，由于這兩種效應(yīng)隨著溫度的變 化速率不相同，所以對于給定的層厚度，在使氮引入最小化情況下可確定生長溫度。就此而言，基材溫度優(yōu)選高于約840°C，優(yōu)選高于約860°C，優(yōu)選高于約880°C，優(yōu) 選高于約900°C，優(yōu)選高于約920°C，優(yōu)選高于約950°C。最優(yōu)選地，基材溫度為約950°C -約 1000°C。關(guān)于上述特征(ii)且不意欲受任何特定理論束縛，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以上述(ii)所述的 量將少量氧加入到源氣體混合物中，降低了與提高基材溫度有關(guān)的表面粗糙化效應(yīng)(這進(jìn) 而導(dǎo)致提高的氮吸收度)，因此在CVD金剛石生長的任何具體厚度和生長溫度下，與相同條 件(但不同的是不存在氧添加)相比，存在降低的N引入。
添加的氧可按A形式或者按含氧物質(zhì)如COx形式，其中χ為0. 5-2，例如CO或CO2。優(yōu)選地，以總氣體流的約1體積％至總氣體流約3體積％，優(yōu)選總氣體流的約1體 積％至總氣體流的約2體積％的量將氧加入到源氣體混合物中。當(dāng)使用氣態(tài)碳源時(shí)，其含有的氮濃度為約20ppm以下，或者約IOppm以下，或者約 5ppm以下，或者約3ppm以下，或者約Ippm以下，或者約0. 5ppm以下。這類碳源是可商購 的。當(dāng)碳源含有在約Ippm以上，或者約2ppm以上，或者約5ppm以上濃度的氮時(shí)，這種 技術(shù)特別合適。因此，提供了由此使用⑴或(ii)或者⑴和(ii)的方法，可使CVD金剛石層的
氮雜質(zhì)含量最小化。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，含有較大濃度氮的商購氣態(tài)碳源可按上文所述通過形成固體碳源 進(jìn)行精制。更具體地，固體碳源例如多晶金剛石可以通過使用較低化學(xué)純度碳源氣體的常規(guī) CVD技術(shù)形成。在該方法中，合成環(huán)境中存在的約千分之一的氮將結(jié)合到所制得的金剛石材 料中。可然后活化多晶金剛石以提供具有改善化學(xué)純度的氣態(tài)碳源。就此而言，本發(fā)明計(jì)劃將所述兩種方法組合，具體通過使用固體碳源且兼確保滿 足條件(i)和(ii)之一或其二者。在根據(jù)上文詳述的方法制備后，對單晶CVD金剛石材料層的表面進(jìn)行加工，使得 在半徑為約5 μ m,優(yōu)選約10 μ m,優(yōu)選約20 μ m,優(yōu)選約50 μ m,優(yōu)選約100 μ m的圓所限定 的區(qū)域內(nèi)，表面的表面粗糙度&為約IOnm以下、約5nm以下、約2nm以下、約Inm以下、約 0. 5nm以下、約0. 2nm以下、約0. Inm以下，所述圓以在最接近待用的量子自旋缺陷的表面上 的點(diǎn)為中心，或者在將通過例如離子注入的方法進(jìn)行表面加工后提供量子自旋缺陷時(shí)，所 述圓以最接近量子自旋缺陷的預(yù)期位置的表面上的點(diǎn)為中心。如果表面具有宏觀曲率，例如用以收集和聚焦從量子缺陷中心輸出的光的透鏡 (具有約 ο μ m-約100 μ m的曲率半徑)，則粗糙度是指宏觀曲率。這類物體的粗糙度可以 使用掃描探針儀器(例如使用原子力顯微鏡)進(jìn)行測量，由此可從表面粗糙度減去下面的 曲率。可以通過對金剛石材料表面進(jìn)行常規(guī)機(jī)械加工(包括例如磨光盤拋光)改善表 面的平整度和粗糙度。這樣的技術(shù)在本領(lǐng)域是公知的。雖然機(jī)械加工操作改善金剛石材 料表面的平整度(如可通過本領(lǐng)域已知的宏觀方法例如干涉測量法測量的)和降低其粗 糙度(如Ra或Rtl所描述)，然而，同時(shí)這樣的制備可以引入亞表面損傷，這可能是不期望 的。在金剛石材料用于自旋電子應(yīng)用時(shí)亞表面損傷的存在是特別不期望的，在所述自旋電 子應(yīng)用中，為了準(zhǔn)確的讀出以及位于材料內(nèi)的量子自旋缺陷的表征，重要的是表面下方達(dá) 約100 μ m深度的材料品質(zhì)是高的。因此，在機(jī)械加工后，可以將金剛石表面用蝕刻，優(yōu)選各向同性蝕刻和/或再生長 步驟進(jìn)行處理?？墒褂酶飨蛲晕g刻來保持或形成宏觀彎曲特征例如透鏡，同時(shí)控制或降 低表面粗糙度。蝕刻的表面意指從基于最后機(jī)械加工砂礫尺寸的機(jī)械加工狀態(tài)的表面除去材料 的最小厚度，從而提供沒有或基本上沒有機(jī)械加工損傷(亞表面損傷)并且也沒有或基本
23上沒有損傷蝕刻特征的表面。優(yōu)選地，通過感應(yīng)耦合等離子體(ICP)蝕刻實(shí)現(xiàn)蝕刻，優(yōu)選使用含有鹵素和惰性 氣體的氣體混合物，優(yōu)選其中惰性氣體是氬，并且優(yōu)選其中鹵素是氯。Ar/Cl等離子體蝕刻 清潔可能具有其它化學(xué)物質(zhì)的金剛石層表面，所述其它化學(xué)物質(zhì)作為表面污染物存在于其 上，具有順磁性能或帶有電荷。各向同性蝕刻的表面并不顯著使表面的提高。優(yōu)選使用掃描探針儀器進(jìn)行的 Rq測量RJ和IC是在金剛石層表面的相同區(qū)域上獲得的。“相同區(qū)域”是指盡量合理實(shí)際 地接近的等效區(qū)域，如本領(lǐng)域所已知的，在必須核實(shí)測量的整體有效性時(shí)使用多種測量和 統(tǒng)計(jì)分析。特別地，各向同性的蝕刻表面可以具有粗糙度IC(在蝕刻后)而原始表面具有 粗糙度(在蝕刻前)，使得IV/IC優(yōu)選小于1. 5，更優(yōu)選小于1. 4，更優(yōu)選小于1. 2，更優(yōu)選 小于1. 1，此外，各向同性蝕刻優(yōu)選提供了至少一種，優(yōu)選至少兩種的以下特征·平滑且優(yōu)選比蝕刻前的原始表面更平滑的蝕刻表面，特別是其中蝕刻表面的 Rq(R；)優(yōu)選小于lOnm，優(yōu)選小于5nm，優(yōu)選小于2nm，優(yōu)選小于lnm，優(yōu)選小于0. 5nm，優(yōu)選小 于 0. 3nm ； 去除的材料厚度超過至少0. 2 μ m，更優(yōu)選至少0. 5 μ m，更優(yōu)選至少1. O μ m，更優(yōu) 選至少2 μ m，更優(yōu)選至少5 μ m，更優(yōu)選至少10 μ m。通過蝕刻從基于最后機(jī)械加工的砂礫尺寸的機(jī)械加工狀態(tài)的表面除去最小厚度 的金剛石，從而提供沒有或基本上沒有機(jī)械加工損傷的表面，需要除去足夠的深度以顯著 減少表面損傷并因此需要通過蝕刻除去與表面損傷層的相同級別的厚度。典型地，表面損 傷層具有0. 2 μ m-20 μ m的厚度(或如果使用非常侵傷性的寶石雕刻技術(shù)時(shí)更厚)。因此，優(yōu) 選地，所述蝕刻從該表面除去一定的金剛石厚度，其中所除去的金剛石厚度為至少0. 2 μ m， 更優(yōu)選至少0. 5 μ m，更優(yōu)選至少1. O μ m，更優(yōu)選至少2 μ m，更優(yōu)選至少5 μ m，更優(yōu)選至少 IOum0表面損傷層典型地具有與用于任何寶石雕刻加工的最后階段的最大金剛石砂粒 (grit particle)尺寸約相同的厚度；例如用1_2 μ m尺寸的金剛石砂磨光盤拋光的表面將 典型地具有約2μπι厚的表面損傷層。因此，為了通過本發(fā)明方法使蝕刻后留下的寶石雕 刻加工引起的損傷量最小化，通過本發(fā)明方法除去的材料量應(yīng)優(yōu)選為最大砂粒尺寸的至少
0.2倍，更優(yōu)選最大砂粒尺寸的至少0. 5倍，更優(yōu)選最大砂粒尺寸的至少0. 8倍，更優(yōu)選最大 砂粒尺寸的至少ι. O倍，更優(yōu)選最大砂粒尺寸的至少1. 5倍，更優(yōu)選最大砂粒尺寸的至少2 倍。在蝕刻后，金剛石層表面優(yōu)選具有小于lOnm，更優(yōu)選小于5nm，更優(yōu)選小于2nm，更優(yōu)選 小于lnm，更優(yōu)選小于0. 5nm,更優(yōu)選小于0. 3nm的蝕刻后表面粗糙度R^a。蝕刻的表面可以貫穿金剛石層的整個(gè)表面中，或者使用已知技術(shù)例如光學(xué)光刻法 貫穿一定比例的表面例如蝕刻到表面內(nèi)的結(jié)構(gòu)部件(例如光學(xué)波導(dǎo))，然后該表面部分本 身形成金剛石層的表面。此外，具有低RJ的蝕刻金剛石表面優(yōu)選基本上沒有加工損傷，使得通過暴露蝕刻 試驗(yàn)揭示的缺陷數(shù)目為約5X103/mm2以下，優(yōu)選約100/mm2以下。合適的各向同性蝕刻的實(shí)例是Ar-Cl2感應(yīng)耦合等離子體蝕刻，其可以在以下工作 壓力范圍下進(jìn)行約O. 5毫托(約O. 0667 )-約100毫托(約13. 3Pa)，更優(yōu)選約1毫托 (約0. 133Pa)-約30毫托(約4. OOPa)，更優(yōu)選約2毫托(約0. 267Pa)-約10毫托(約
1.33Pa) 0蝕刻劑優(yōu)選是由至少惰性氣體(優(yōu)選氬氣)和含鹵素氣體(優(yōu)選氯氣(Cl2))構(gòu)成的氣體混合物。優(yōu)選地，該含鹵素氣體以如下濃度范圍(以體積計(jì))存在于加入到該工藝 的氣體混合物中約1 % -約99 %，更優(yōu)選約20 % -約85%，更優(yōu)選約40% -約70%。優(yōu) 選地，氣體混合物余量的主要部分由Ar組成，更優(yōu)選全部的該氣體余量由Ar組成。此外，具有低RJ的蝕刻金剛石表面優(yōu)選基本上沒有加工損傷，使得通過暴露蝕刻 試驗(yàn)所暴露的缺陷數(shù)目為約5X103/mm2以下，優(yōu)選約100/mm2以下。在通過生長形成表面時(shí)，可通過使用掩蔽技術(shù)將其限制到金剛石層表面的一部 分，該部分則對應(yīng)于金剛石層的表面，或者更優(yōu)選地，其可延伸貫穿金剛石層的整個(gè)表面， 該整個(gè)表面形成根據(jù)本發(fā)明的金剛石層表面。通過再生長形成的表面意味著生長第二薄金剛石層，其中該薄層的表面然后以其 生長狀態(tài)用作金剛石層的表面而無進(jìn)一步機(jī)械加工或蝕刻以除去金剛石材料和改變金剛 石表面。第二薄金剛石層優(yōu)選通過CVD合成進(jìn)行生長并且是薄的以限制宏觀生長臺階的 形成。生長到預(yù)先以機(jī)械方式制備的表面上的該層的厚度為約ΙΟΟμπι以下，優(yōu)選約50μπι 以下，優(yōu)選約30 μ m以下，優(yōu)選約20 μ m以下，優(yōu)選約10 μ m以下，優(yōu)選約3 μ m以下，優(yōu)選約 Ιμπι以下，優(yōu)選約IOOnm以下，優(yōu)選約50nm以下，優(yōu)選約20nm以下，優(yōu)選IOnm以下。第二 薄金剛石層的厚度可以為約Inm以上，優(yōu)選約IOnm以上，優(yōu)選約30nm以上，優(yōu)選約IOOnm 以上，優(yōu)選約300nm以上，優(yōu)選約Ιμπι以上。在一些實(shí)施方案中，生長到預(yù)先以機(jī)械方式制 備的表面上的該層的厚度為約IOOnm-約50 μ m,或者約500nm_約20 μ m,或者約1 μ m_約 10 μ m。第二薄金剛石層可使用許多技術(shù)制備，包括單層生長技術(shù)和使用離軸表面以控制 表面臺階的傳播且因此保持非常平坦和平滑的表面。在一些實(shí)施方案中，第二薄層要么含有要么將會含有量子自旋缺陷。在這樣的實(shí) 施方案中，優(yōu)選使用本文描述的技術(shù)制備第二薄層使得通過使用本文描述的一種或多種技 術(shù)使該層的碳、氮含量最小化。第二薄金剛石層的表面形成金剛石層的表面并且優(yōu)選具有約IOnm以下，優(yōu)選約 5nm以下，優(yōu)選約3nm以下，優(yōu)選約2nm以下，優(yōu)選約Inm以下，優(yōu)選約0. 5nm以下，優(yōu)選約 0. 3nm以下，優(yōu)選約0. 2nm以下，優(yōu)選約0. Inm以下的R,。因此，該表面具有非常低的表面 粗糙度而且沒有加工損傷?？梢詫⑸衔挠懻摰奈g刻技術(shù)，優(yōu)選各向同性蝕刻和再生長組合，使得首先蝕刻表 面然后再生長薄層以形成金剛石層的表面。通常，只有當(dāng)蝕刻沒有完成至足夠的深度來除 去所有機(jī)械加工損傷時(shí)，該方法才是有利的。優(yōu)選通過上文所述的各向同性蝕刻和再生長技術(shù)，有利地制備本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的 單晶CVD金剛石主體材料的表面。特別地，這種制備確保金剛石材料與制備的表面相鄰的 部分基本上沒有缺陷和雜質(zhì)，使得該材料可用于自旋電子應(yīng)用、量子自旋缺陷的光學(xué)讀和寫?？梢蕴幚韱尉VD金剛石層的表面以控制表面終止(termination)。金剛石表面 很少由裸碳原子構(gòu)成，除非在極低壓力的條件下(例如幾μ乇的壓力)并且此時(shí)僅若通過 加熱至幾百。C而解吸終止物質(zhì)。最常見的終止物質(zhì)是按其所有同位素形式的Η、0和0Η。特 別地，期望用具有非零電子和/或非零核磁自旋量子數(shù)的物質(zhì)使表面終止最小化，因?yàn)檫@些可以影響材料中存在的任何量子自旋缺陷的退相干時(shí)間和/或譜穩(wěn)定性。特別地，可期 望以這樣的原子終止金剛石表面，所述原子具有等于零的核自旋量子數(shù)或者等于零的電子 自旋量子數(shù)或者同時(shí)等于零的核自旋量子數(shù)和電子自旋量子數(shù)。氫(1H)具有1/2的核自 旋量子數(shù)，且因此可通過超精細(xì)相互作用導(dǎo)致NV—缺陷躍遷的分裂；氖(2H)具有為1的核自 旋量子數(shù)，且因此可通過超精細(xì)相互作用導(dǎo)致NV_缺陷的躍遷的分裂。因此這兩種同位素 可能對量子自旋缺陷的退相干時(shí)間和/或譜穩(wěn)定性具有有害影響。同位素lfiO具有為零的 核自旋量子數(shù)；因此不存在與NV-量子自旋缺陷的超精細(xì)相互作用并且lfiO不具有通過超精 細(xì)相互作用對退相干時(shí)間或譜穩(wěn)定性的影響。因此，與其它可能的終止物質(zhì)相比，以lfiO進(jìn) 行終止被認(rèn)為是有益的。天然豐度的氧含有99. 76% 16O0本發(fā)明人認(rèn)為基本上完全16O氧終止的表面不具有任何未成對電子，且因此在16O 終止原子的電子和包含量子自旋缺陷的NV-中心的未成對電子之間應(yīng)該不存在相互作用。lfiO終止的表面可以例如通過在不足以顯著地蝕刻表面的條件下將表面暴露于低 壓16O等離子體制得(例如在Biorad PT7150 RF等離子體筒狀蝕刻器中，在約20 的壓力 下于16O等離子體中約1分鐘-15分鐘)。優(yōu)選地，用lfiO終止的最接近量子自旋缺陷的表面的面積份數(shù)為約95%以上，約 98%以上，約99%以上，約99. 5%以上，約99. 8%以上，約99. 9%以上。表面終止可以用本領(lǐng)域已知的技術(shù)例如X射線光電子光譜法進(jìn)行表征。本發(fā)明的固態(tài)系統(tǒng)還包含量子自旋缺陷。優(yōu)選該量子自旋缺陷是NV中心，優(yōu)選 ΝΓ中心。在量子自旋缺陷是NV—中心時(shí)，其可以通過氮離子注入、氮原子注入或含氮離子注 入來形成?；蛘撸梢允筃V_中心生長入金剛石層中。術(shù)語“生長入”表示在層生長期間NV 中心由N原子和在生長表面處結(jié)合的空位自發(fā)地形成。特別地，本領(lǐng)域公知的是，CVD金剛 石生長表面上存在近似熱力學(xué)平衡濃度的空位并且這些中的一定比例的結(jié)合到本體金剛 石中。因此，存在N原子和空位被結(jié)合到彼此相鄰固體中的少但有限的機(jī)會使得它們自發(fā) 地形成NV中心。在量子自旋缺陷是NV—中心時(shí)，其可以包含14N或15N。優(yōu)選NV—中心包含單獨(dú)14N 或單獨(dú)1N并且不包含14N和15N的混合物。NV_中心的N原子有利地是單一同位素，因?yàn)檫@ 意味著電子躍遷的能量對于所有情形是相同的。單一同位素NV—中心的形成與這些中心通 過離子注入技術(shù)產(chǎn)生完全相容。可使用離子注入將一種或多種原子物質(zhì)輸送到金剛石材料表面之中和之下，以形 成NV—中心注入層，該層在金剛石層表面下預(yù)定深度處具有峰值的注入原子濃度。然后，可 在注入了 NV—中心的金剛石層上合成金剛石覆蓋層。金剛石覆蓋層優(yōu)選使用本文描述的方 法合成。在生長后，可通過使用本領(lǐng)域已知的離子注入方法在金剛石層中形成NV—中心，接 著在真空中或者在惰性氣氛中于約600°C -約900°C，優(yōu)選約750°C -約850°C退火約0. 1小 時(shí)-約16小時(shí)，優(yōu)選約0. 5小時(shí)-約8小時(shí)，優(yōu)選約1小時(shí)-約6小時(shí)，優(yōu)選約2小時(shí)-約 4小時(shí)的時(shí)間段。在該溫度范圍中，金剛石層中作為離子注入過程的副產(chǎn)物產(chǎn)生的空位變得 可遷移。在該溫度范圍內(nèi)，取代的N具有用于空位俘獲的大的橫截面，且因此在退火過程中 形成NV中心。
有利地是，在形成NV—中心之前或之后，可以使本發(fā)明的單晶金剛石層經(jīng)受進(jìn)一步 退火步驟。在包括進(jìn)一步退火步驟時(shí)，優(yōu)選在大于約1000°c，優(yōu)選大于約1100°C，優(yōu)選大于 約1200°C，優(yōu)選大于約1300°C，優(yōu)選大于約1400°C，優(yōu)選大于約1500°C，優(yōu)選大于約1600°C 的溫度下進(jìn)行約0. 1小時(shí)-約16小時(shí)，優(yōu)選約0. 5小時(shí)-約8小時(shí)，優(yōu)選約1小時(shí)-約6 小時(shí)，優(yōu)選約2小時(shí)-約4小時(shí)的時(shí)間段?？梢栽谛∮诩slX10_3Pa(即約1X10_5毫巴)壓 力的真空下，或者優(yōu)選在超高壓力條件下進(jìn)行該退火步驟，所述超高壓力條件使得金剛石 為碳的熱力學(xué)穩(wěn)定形式(廣義地稱作“金剛石穩(wěn)定壓力”)，典型地取決于溫度在約至 約IOGI^a之間。這種最終退火除去了因注入而留下的任何殘留損傷，該損傷可影響NV中心 的譜穩(wěn)定性和T2。第二退火步驟具有的其它優(yōu)點(diǎn)是在高于第二退火步驟的最低溫度下(即高于約 IOOO0C)固體內(nèi)(即不在表面上)的任何氫原子變得顯著可遷移。因此，可通過包括這 樣的退火步驟降低材料的氫濃度。氫屮及其同位素的濃度優(yōu)選為約IO18CnT3以下，優(yōu)選約 IO17Cm-3以下，優(yōu)選約IO16CnT3以下，優(yōu)選約IO15CnT3以下。降低固體中的咕濃度是有利的， 這是因?yàn)?H具有的核自旋且因此可與NV中心相互作用以減小其T2時(shí)間。優(yōu)選地，在主體材料表面內(nèi)約IOOym以下，優(yōu)選約50 μ m以下，優(yōu)選約30 μ m以 下，優(yōu)選約20 μ m以下，優(yōu)選約10 μ m以下，優(yōu)選約5 μ m以下，優(yōu)選約2 μ m以下，優(yōu)選約1 μ m 以下形成量子自旋缺陷，優(yōu)選所述主體材料的表面已按上文所述進(jìn)行了加工。這是有利的， 因?yàn)槠湟馕吨墒褂霉鈱W(xué)裝置表征和讀出NV中心。使用離子注入準(zhǔn)確設(shè)置單晶金剛石層中形成的量子自旋缺陷，使得可以在金剛石 層內(nèi)產(chǎn)生量子自旋缺陷陣列。在金剛石層內(nèi)量子自旋缺陷陣列可以是一維、二維或三維。量 子自旋缺陷可以在陣列中均勻分布或非均勻分布。三維陣列可以使用注入方法通過注入不 同能量的原子或離子形成。此外，合成金剛石材料可以包含許多金剛石層，每個(gè)金剛石層包 含至少一個(gè)量子自旋缺陷。存在多種可將許多量子自旋缺陷按一維陣列或兩維陣列進(jìn)行排列的方式，并且前 述討論不排除使用任何特定的陣列。在量子自旋缺陷為一維陣列時(shí)，其中許多量子自旋缺 陷沿線排列，可以使量子自旋缺陷均勻地間隔或非均勻地間隔。優(yōu)選使量子自旋缺陷均勻 間隔，因?yàn)檫@使得能夠?qū)崿F(xiàn)它們彼此之間相互作用的較好控制。在量子自旋缺陷按一維陣 列排列時(shí)，可以使該陣列對準(zhǔn)位于合成金剛石層表面內(nèi)的晶向；例如，對于具有的法向在 W01]方向的約3°內(nèi)的表面，該陣列可以在<100>或<110>方向的約5°內(nèi)。在量子自旋缺陷按兩維陣列排列時(shí)，沿兩個(gè)陣列軸中每一個(gè)的量子自旋缺陷分布 可以相同或不同，均勻或不均勻。陣列軸可以垂直或不垂直。優(yōu)選的兩維陣列具有垂直的 軸，其中量子自旋缺陷沿軸均勻間隔開。在兩維陣列具有垂直的軸時(shí)，可以使所述軸對準(zhǔn)位 于合成金剛石層表面內(nèi)的晶向；例如，對于具有的法向在W01]方向的約3°內(nèi)的表面，該 兩維陣列的軸可以在<100>或<110>方向的約5°內(nèi)。雖然自旋電子應(yīng)用需要穩(wěn)定和可控的單光子源，但是實(shí)驗(yàn)實(shí)際性(practicality) 對最接近的NV中心之間的距離施加了限制。這些實(shí)驗(yàn)實(shí)際性與能夠?qū)稳毕葸M(jìn)行讀/寫 的光/磁方法以及高濃度順磁性缺陷對參數(shù)T2的影響有關(guān)。雖然系綜(ensemble) EPR測量通過W15 EPR中心提供了確定 0. 05ppb的ΝΓ濃 度上限的可能性，但是共焦光致發(fā)光(PL)測量能夠定量到非常低的水平。顯示這可如何完成的示意圖是

圖15?？墒褂霉步癸@微鏡法實(shí)現(xiàn)在室溫下單NV中心的檢測。在W1. Tamarat 等(J. Phys. Chem. A，104 0000)，1-16)中描述了在本領(lǐng)域中已知的共焦顯微鏡法技術(shù)以及 所使用的那種。優(yōu)選地，在量子自旋缺陷為NV中心時(shí)，金剛石層中形成的NV中心的濃度為約Ippb 以下，優(yōu)選約0. 5ppb以下，優(yōu)選約0. 2ppb以下，優(yōu)選約0. Ippb以下，優(yōu)選約0. 05ppb以下， 優(yōu)選約0. 02ppb以下，優(yōu)選約0. Olppb以下，優(yōu)選約0. 005ppb以下，優(yōu)選約0. OOlppb以下， 優(yōu)選約0. OOOlppb以下，優(yōu)選約0. OOOOlppb以下，優(yōu)選約0. 00000Ippb以下。該濃度是有 利的，因?yàn)槠浣档土瞬⒉皇橇孔友b置一部分的NV中心之間的相互作用，從而提高退相干時(shí) 間T2和提高包含量子自旋缺陷的NV中心的譜穩(wěn)定性。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解的，正是將在固態(tài)材料的最終應(yīng)用中用作量子比特的量 子自旋缺陷的濃度和分離是特別相關(guān)的。例如，當(dāng)待用于自旋電子應(yīng)用中的量子自旋缺陷 位于主體材料的薄層中時(shí)，該層外其它量子自旋缺陷的濃度不太重要。然而，本發(fā)明還提供 了其中可存在例如三維量子自旋缺陷陣列的固態(tài)系統(tǒng)，所述量子自旋缺陷遍及分布在整個(gè) 主體材料中，其中每個(gè)量子自旋缺陷均是可單獨(dú)尋址的。在該情形中，所有量子自旋缺陷的 濃度和分離特別相關(guān)。就此而言，本發(fā)明不限于主體材料的薄層并且還擴(kuò)展至包含合成金 剛石主體材料的本體片的固態(tài)系統(tǒng)，所述片在其整個(gè)本體中具有基本上相同的性能。主體材料中其它缺陷/特別是具有磁自旋的缺陷的附近特別不利地減小主體材 料中量子比特缺陷中心的退相干時(shí)間T2。術(shù)語“其它缺陷”在本文中用于意指主體材料中 存在的不意欲充當(dāng)量子比特中心的缺陷。單晶金剛石層中存在的對量子自旋缺陷的T2具有影響的其它缺陷通常通過如下 4種機(jī)理中的一種實(shí)現(xiàn)之·雙極自旋耦合，例如在缺陷是順磁性時(shí)且因此具有自旋時(shí)；·電場或電荷，例如在局部電場電勢改變時(shí)，在所述局部電場電勢中量子比特缺陷 中心位(sit)由相鄰缺陷上的電荷引起。此外，這樣的缺陷可因熱激發(fā)而例如無規(guī)律地改 變電荷狀態(tài)，從而對量子比特缺陷中心的能量狀態(tài)施加改變。基本上，將狀態(tài)增加到帶隙中 的任何缺陷可以導(dǎo)致局部電場的上升；·晶格應(yīng)變，因?yàn)檫@改變了晶格的局部彈性性能且因此改變了量子比特缺陷中心 的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，然后例如影響零聲子線能量或線寬；和·局部光學(xué)性能，包括吸收度、折射率和散射；因?yàn)榕c量子比特缺陷中心的相互作 用通常是通過光學(xué)手段，從而需要詳細(xì)的光子結(jié)構(gòu)來有效地與外界耦合，于是金剛石材料 的所有這些光學(xué)方面是重要的。因此，除了使這類缺陷的存在最小化外，還期望確保量子自旋缺陷與具有磁自旋 的其它組元分離足以使任何相互作用最小化的距離。就此而言，優(yōu)選地，使量子自旋缺陷與具有磁自旋的其它組元(即其它NV中心) 分離，使得NV中心之間的平均距離為0. 02 μ m以上，優(yōu)選0. 05 μ m以上，優(yōu)選0. 1 μ m以上， 優(yōu)選0. 5 μ m以上，優(yōu)選1 μ m以上，優(yōu)選2 μ m以上，優(yōu)選5 μ m以上，優(yōu)選10 μ m以上，優(yōu)選 20 μ m以上，優(yōu)選50 μ m以上。這可以例如在橫截切片中進(jìn)行表征。上文提及的距離可以是待用作量子比特的單獨(dú)NV中心和具有磁自旋的其它組元 之間的距離，或者待一起用于自旋電子應(yīng)用的兩個(gè)或更多個(gè)NV中心的組和具有磁自旋的其它組元之間的距離。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解的，正是待讀出和/或表征的金剛石主體材料的部分中 的NV中心的間距和NV中心的密度是重要的。由于本發(fā)明固態(tài)系統(tǒng)的單晶CVD金剛石層的高化學(xué)純度，可在該層中形成在室溫 下具有出人意料地長的T2時(shí)間的量子自旋缺陷，特別是NV中心。特別有利地是，在室溫下觀測到這些長的T2時(shí)間，這是因?yàn)槠湟馕吨幢厥褂玫?br> ilmilm, ο就此而言，在本發(fā)明的固態(tài)系統(tǒng)中，量子自旋缺陷在室溫下具有的T2為約300μ s 以上，優(yōu)選約500 μ S以上，優(yōu)選約700 μ S以上，優(yōu)選約900 μ S以上，優(yōu)選約Ims以上，優(yōu)選 約1. 2ms以上，優(yōu)選約1. 4ms以上，優(yōu)選約1. 6ms以上，優(yōu)選約2. Oms以上，優(yōu)選約3. Oms以 上，優(yōu)選約4. Oms以上，優(yōu)選約5. Oms以上，優(yōu)選約8ms以上，優(yōu)選約IOms以上，優(yōu)選約15ms 以上，優(yōu)選約20ms以上，優(yōu)選約25ms以上，優(yōu)選約30ms以上，優(yōu)選約50ms以上。T2的最大值受Tl值即“自旋晶格弛豫時(shí)間”的根本性限制。實(shí)際上，發(fā)現(xiàn)T2的最 大值在Tl值的約1/5和1/10之間。通常，在室溫下T2值將不超過1000ms。量子自旋缺陷的T2時(shí)間可使用ESR方法測定。用來測量T2的ESR方法使用Hahn 回波衰減來測量自旋相干的壽命(即T2)。例如，在量子自旋缺陷是NV中心時(shí)，對具有自 旋極化布局(population)的單NV中心進(jìn)行Hahn回波衰減測量。自旋極化布局通過從3A 基態(tài)(即ms = 0) 一直到3E第一激發(fā)三重態(tài)(即ms = -1)的激光激發(fā)、接著衰減返回基態(tài) 產(chǎn)生，由于自旋角動量的不守恒導(dǎo)致導(dǎo)致留下自旋極化態(tài)(D. Redman等，J. Opt. Soc. Am. B, 9(1992)，768)。然后利用使NV中心的自旋進(jìn)行翻轉(zhuǎn)(flip)的微波脈沖使NV中心的自旋 經(jīng)歷一系列變換(例如圖17中所描述的順序)。脈沖采用π/2-、-π-、-π/2的形式，其 中、是脈沖之間的時(shí)間。然后通過熒光讀出NV中心的自旋。以脈沖之間的不同時(shí)間重復(fù) 測量使得能夠測量退相干時(shí)間Τ2。測量Τ2值的方法如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解，雖然關(guān)于表征NV中心描述了該 方法，但是可以使用類似方法來確定除NV中心外的量子自旋缺陷的Τ2值。(i)使用共焦顯微鏡系統(tǒng)利用激光激發(fā)定位單NV中心(示意性地示于圖15中)。(ii)對NV中心進(jìn)行“重合(coincidence)測量”以證實(shí)所選NV中心的確是單NV 中心。這種測量使用的系統(tǒng)類似用于光子頻率穩(wěn)定性測量的系統(tǒng)，但是具有窄很多和快很 多的掃描時(shí)間并且測量一個(gè)光子和下一個(gè)光子之間的時(shí)間延遲而不是對光子進(jìn)行計(jì)數(shù)。圖 14顯示了重合試驗(yàn)的結(jié)果，在零位沒有重合顯現(xiàn)從而表示經(jīng)表征的NV確是單NV中心。現(xiàn)可測定經(jīng)確定的NV中心的T2時(shí)間。(iii)在關(guān)于非簡并共振的磁場存在下(例如1. ，使用以小于NV_中心的ZPL 的波長(例如在532nm下)工作的連續(xù)波(“cw”)激光激發(fā)NV中心來產(chǎn)生處于ms = 0態(tài) 的自旋極化布局(依靠NV中心的電子結(jié)構(gòu))。(iv)然后使自旋極化NV_中心經(jīng)受一系列的短(持續(xù)數(shù)ns)且強(qiáng)烈(16W峰值功 率)微波脈沖，這些脈沖的頻率為例如約35GHz并且被“延遲時(shí)間”、(其從小于1 μ s到多 個(gè)μ s系統(tǒng)地變動)分離，這導(dǎo)致自旋態(tài)將被“翻轉(zhuǎn)”。第一脈沖是η/2脈沖，該脈沖使磁 化旋轉(zhuǎn)進(jìn)入ms = 0態(tài)和ms = -l態(tài)的相干疊加。第二脈沖，第一脈沖后的時(shí)間、，是π脈 沖，該脈沖使自旋顛倒。第三脈沖(另一 η/2脈沖)，第一脈沖后的時(shí)間2、，使自旋旋轉(zhuǎn)返回到其原始狀態(tài)。在圖16中描述了該順序。在微波脈沖順序期間，監(jiān)測來自NV中心的 熒光發(fā)射的強(qiáng)度。熒光發(fā)射的強(qiáng)度隨、值變化而變化。以較長的、時(shí)間系統(tǒng)地重復(fù)該過程。(ν)將熒光強(qiáng)度(也稱作“Hahn回波幅度”)作為、時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行繪制。熒光 強(qiáng)度顯示對指數(shù)下降曲線和指數(shù)曲線(也稱作“電子自旋回波包絡(luò)(echo envelope)")的 調(diào)制可在調(diào)制的峰中得到近似擬合。發(fā)明人已進(jìn)行選擇以擬合它們的數(shù)據(jù)使得I oc θχρ (_1/TM)其中I是熒光強(qiáng)度而Tm是相記憶(memory)時(shí)間，等于T2。在該情形中，T2值作 為電子自旋回波包絡(luò)上的點(diǎn)加以限定，其中使I值降低到初始強(qiáng)度的1/e ^ 0. 367(其中e 是公知的，超越數(shù)e = 2.7182818...)。在文獻(xiàn)中，存在許多方法來擬合電子自旋回波包絡(luò)和求解T2值。上文描述的方法 被認(rèn)為是傳統(tǒng)的(conservative)。該方法(除由電子自旋回波包絡(luò)求解T2激發(fā)值外)描述于Charnock and Kennedy (Phys. Rev. B,64(2001)，041201-1 至 041201-4)中。在包含量子自旋缺陷的固態(tài)系統(tǒng)中，必要的是，用于讀/寫的量子自旋缺陷的光 躍遷頻率是穩(wěn)定的以使兩個(gè)或更多個(gè)缺陷能夠得到調(diào)制從而使它們產(chǎn)生量子力學(xué)相同的 光子?？筛鶕?jù)下文描述的方法測定來自量子自旋缺陷的發(fā)射的穩(wěn)定性。本領(lǐng)域技術(shù)人員 可理解的是，雖然關(guān)于表征NV中心描述了該方法，但是可以使用類似方法來確定來自除NV 中心外的量子自旋缺陷的發(fā)射的穩(wěn)定性。在637nm下來自NV—中心的零聲子線發(fā)射的波長(或頻率)穩(wěn)定性測定需要使用 高精度方法，因?yàn)樗蟮木葘τ谳^常規(guī)的光譜法過高從而不能使用(即通過常規(guī)光譜 法不能確定線位置優(yōu)于約0. 05nm,等于約30GHz的頻率分辨率)。實(shí)際上，需要ZPL真實(shí)線 寬的測量。在該情形中，發(fā)明人進(jìn)行了選擇以使用激光譜法來確定ZPL的穩(wěn)定性，盡管可 使用本領(lǐng)域公開的其它方法。在低溫(例如4K)下使用光致發(fā)光激發(fā)(PLE)測量對金 剛石中的單 NV 中心的激光譜法由 Jelezko 等(F. Jelezko，I. Popa, A. Gruber，C. Tietz, J. ffrachtrup, A.Nizovtsev and S. Kilin, "Single spin states in a defect center resolvedby optical spectroscopy, "Appl. Phys. Lett. ,81 (2002), 2160-2162)進(jìn)行了描 述。本發(fā)明人使用這種技術(shù)，然而是在室溫而不是低溫下。通過PLE測定NV_中心的ZPL的穩(wěn)定性按下面方式進(jìn)行(i)使用具有532nm激光照射的共焦顯微鏡和用于測定T2時(shí)間的重合測量來確定 單NV中心。(ii)使用共焦顯微鏡將可調(diào)激發(fā)激光(能夠以637nm且頻率調(diào)節(jié)步驟小于約 5MHz輸出的可調(diào)激光)聚焦到NV中心上并且使激光頻率以637nm掃描貫穿NV_ZPL，例如 ZPL頻率任一側(cè)約3GHz的范圍中。從樣品“反射”回的照射沿著光程使得其可被檢測到，典 型地使用用于導(dǎo)入ZPL波長的光的常規(guī)光譜儀裝置。(iii)單NV中心僅在發(fā)生從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的實(shí)際躍遷所處的頻率下吸收入射激 光輻射；這作為檢測器測得的強(qiáng)度降低被觀測到。該頻率與在檢測器的強(qiáng)度降低相關(guān)聯(lián)并且繪制在激發(fā)頻率相對于光子計(jì)數(shù)的頻率曲線上。(iv)重復(fù)頻率掃描多次以建立具有明確限定的峰的在統(tǒng)計(jì)上明顯的頻率曲線，例 如如圖17中所示。(ν)用頻率曲線中峰的半高寬(“FWHM”)表征穩(wěn)定性。在上述方法中，所用檢測器可以是常規(guī)光譜儀，因?yàn)槠渥饔檬菧y量激光掃描時(shí)“反 射”的輻射的強(qiáng)度而不是頻率。在上述方法中，特別是在提高激發(fā)功率時(shí)，可發(fā)生“光漂白”(即電子從NV中心逃 逸(lost))。可通過施加在例如532nm或488nm的“回泵(repump) ”激光使漂白逆轉(zhuǎn)。該 回泵具有足夠的能量以將電子從單取代氮雜質(zhì)激發(fā)到導(dǎo)帶，并且這些電子不會被NV中心 再次俘獲。該過程不是確定性的并且不總是使NV中心維持在NV_電荷狀態(tài)?？蛇B續(xù)地或 者作為PLE掃描間的脈沖施加回泵，但是連續(xù)回泵導(dǎo)致快速閃爍(blinking)且可能導(dǎo)致單 PLE掃描期間的譜擴(kuò)散。掃描間的脈沖化回泵可允許不間斷地完成單掃描，但是可以導(dǎo)致閃 爍或掃描之間的譜跳躍(jump)。光子數(shù)頻率曲線峰的FWHM的理論最小值為約13. 3MHz所述光子數(shù)具有相對于光 子頻率的特定頻率。該值適用于另外完美同位素純金剛石中的單NV中心，所述金剛石沒有 其它點(diǎn)缺陷或擴(kuò)展缺陷。優(yōu)選地，在本發(fā)明的固態(tài)系統(tǒng)中，從& = 士 1激發(fā)態(tài)到ms = 0基態(tài)的躍遷穩(wěn)定性 使得光子數(shù)(具有相對于光子頻率的特定頻率)頻率曲線的峰的FWHM為約500MHz以下， 優(yōu)選約300MHz以下，優(yōu)選約200MHz以下，優(yōu)選約150MHz以下，優(yōu)選約IOOMHz以下，優(yōu)選約 80MHz以下，優(yōu)選約50MHz以下，其中光子數(shù)(在該范圍內(nèi)估算了 FWHM)為約5 X IO5以上， 優(yōu)選約IO6以上，優(yōu)選約IO7以上，優(yōu)選約IO8以上。本發(fā)明的固態(tài)系統(tǒng)可以是量子中繼器，量子密碼術(shù)裝置或量子計(jì)算裝置或磁力計(jì) 或其它自旋電子裝置。附圖下圖旨在說明本發(fā)明圖1顯示了在77K下HDS-I的自由激子陰極射線發(fā)光譜，顯示了在235nm的強(qiáng)發(fā) 射(橫向光模式)；圖2顯示了 HDS-I的陰極射線發(fā)光譜(77K)，顯示了集中在約420nm的寬的弱帶， 在533nm和575nm處非常弱的線以及非常強(qiáng)的自由激子發(fā)射(在470nm的二階所示)；圖3顯示了(1)同質(zhì)外延CVD金剛石和(2)HDS_1的室溫EI3R譜圖，所述金剛石含 有約0. 6ppm的單取代氮。所述譜圖在相同條件下測量并且樣品為近似相同尺寸；圖4顯示了在4. 2K記錄的⑴高純度同質(zhì)外延CVD金剛石和(ii)HDS_l的EI3R 譜圖，與HDS-I同時(shí)生長的所述金剛石在生長后進(jìn)行塑性變形以證明由缺口所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu) 缺陷對Era信號的影響。所述譜圖在相同條件下測量；圖5顯示了 IIa型天然金剛石和HDS-1的室溫EI3R譜圖。所述譜圖在相同條件下 測量并且樣品為相同尺寸；圖6顯示了 HDS-I的室溫紫外吸收光譜，顯示了本征吸收邊緣和不存在歸屬于單 取代氮的在270nm集中的吸收帶；圖7顯示了 HDS-I的雙軸X射線搖擺曲線；
圖8顯示了使用氬離子激光的488nm線在300K測得的HDS-1的拉曼譜；圖9 (a)顯示了對于15NV_和14NV_中心的能級圖；圖9(b)顯示了從15NV_中心光學(xué)檢測的電子順磁共振譜圖，插圖顯示了 14NV_中心 的相同譜圖；圖10(a)顯示了將兩維陣列1N離子注入合成金剛石材料以形成15NV中心的兩維 陣列的示意圖；圖10(b)顯示了 Monte-Carlo模擬結(jié)果，該模擬表明了注入期間金剛石結(jié)構(gòu)中高 能氮離子的路徑和最終位置；圖11顯示了通過將15NV離子注入單晶CVD金剛石層中形成的15NV中心的2維陣 列的共焦熒光顯微圖；圖12顯示了本發(fā)明金剛石層中N中心的熒光激發(fā)光譜；圖13顯示了單晶CVD金剛石層中每個(gè)位點(diǎn)對應(yīng)于單個(gè)NV中心的區(qū)域的共焦熒光 顯微圖；圖14顯示連續(xù)光子之間的時(shí)間延遲(光子內(nèi)(interphoton)時(shí)間延遲)對于Ons 時(shí)間延遲具有為零的重合率，表明所有光子來自單NV中心；圖15顯示了示意性配置，由此可使用共焦顯微鏡法(包括共焦熒光顯微鏡法)來 測量非常低濃度的NV中心并且可使用微波或射頻信號來激發(fā)電子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)；圖16顯示了使用使NV中心的自旋進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的微波脈沖的一系列變換；和圖17顯示了其中進(jìn)行多個(gè)PLE掃描(具有每隔數(shù)個(gè)掃描的回泵脈沖)的單NV中 心的結(jié)果以及發(fā)射光子頻率相對于在該頻率下發(fā)射次數(shù)的頻率曲線，顯示了該峰的半高寬 為約 250MHz。如上文所討論的，金剛石中的NV中心具有多于一個(gè)磁自旋態(tài)且因此可用于量子 比特應(yīng)用。圖9(a)顯示了對于15NV-和14NV-中心的能級圖，顯示了基態(tài)自旋結(jié)構(gòu)中超精 細(xì)耦合能的差異。還可在圖9(b)中的光檢測磁共振譜圖中看到這些中心的自旋結(jié)構(gòu)。圖 9(a)和9(b)清楚地顯示了就NV中心而言磁自旋態(tài)的非簡并性。如圖9(a)中所示，磁自旋 態(tài)之間存在許多允許的躍遷，通過這些躍遷，占據(jù)較高能量磁自旋態(tài)的NV中心可以失去能 量。在NV中心經(jīng)歷從高能量磁自旋態(tài)到低能量磁自旋態(tài)的躍遷時(shí)失去的能量可以作為光 子發(fā)射，且因此可以使用光檢測器進(jìn)行檢測和表征。圖10(a)顯示了將NV中心注入合成金剛石材料的示意圖。在該圖中，通過在 2MeV(百萬電子伏)能量下的N++離子的注入形成NV中心。該圖中所示的NV中心均以相 同的能量注入并且形成2維陣列。圖10(b)顯示了 Monte-Carlo模擬結(jié)果，該模擬表明注入期間金剛石結(jié)構(gòu)中高能 氮離子的路徑。離子最終位置的分布具有約1. Iym的平均深度并且該分布橫向表征為約 0.5μπι半高寬。在該圖中，通過在2MeV能量下的N++離子的注入形成NV中心。注入離子 的路徑不是直的，而是由與金剛石結(jié)構(gòu)碳原子的撞擊之間的一系列直線段構(gòu)成。一些撞擊 將碳原子擊出它們的正常位置從而形成自間隙碳原子且空位形成損壞區(qū)。損壞區(qū)的側(cè)向擴(kuò) 展與注入的N++離子的分布大致相同，但是存在每個(gè)注入的N++離子許多(例如IO2-IO3)所 形成的間隙和空位。圖11顯示了單晶CVD金剛石層中注入的NV中心的2維陣列的共焦熒光顯微圖。圖像上的每個(gè)點(diǎn)對應(yīng)于單個(gè)NV中心。點(diǎn)簇(在基本上方形陣列中可看到其中4個(gè))是通 過注入方法形成的NV中心并且其它無規(guī)律分布的點(diǎn)歸因于通過在生長過程中結(jié)合氮原子 和空位形成的NV中心(也稱作“本征NV中心”)。在圖15中描述的共焦顯微鏡法配置中，( 是激光器，(4)是雪崩光電二極管 (APD)，(6)是金剛石表面，(8)是單NV中心，而(10)是微波和射頻。通過下面實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。應(yīng)理解，所述實(shí)施例僅僅是出于說明性目的 并且不意欲限制上述本發(fā)明。可作出細(xì)節(jié)的修改而不背離本發(fā)明的范圍。在單晶CVD金剛石中測量單NV中心的T2值。這種特定中心的選擇與光學(xué)讀出器 的可獲得性有關(guān)，所述光學(xué)讀出器允許獲取單個(gè)中心的自旋態(tài)。
實(shí)施例實(shí)施例1適合于合成本發(fā)明單晶CVD金剛石的基材和形成本發(fā)明部件的金剛石材料可以 按如下制備i)在顯微鏡觀察與雙折射成像的基礎(chǔ)上，優(yōu)化原材料的選擇(Ia天然鉆石和Λ HPHT鉆石)，以鑒別不含應(yīng)變和缺陷的基材。ii)使用激光鋸解、研磨和拋光工藝，使表面缺陷最小化，使用暴露等離子體蝕刻 方法，確定由于該加工引入的缺陷水平。iii)可常規(guī)地生產(chǎn)基材，其中在暴露蝕刻之后可測量的缺陷密度主要取決于材料 品質(zhì)，并且該缺陷密度低于5X 103/mm2，通常低于102/mm2。然后將通過該方法制備的基材用 于隨后的合成。在高壓壓機(jī)中使高溫/高壓合成Λ型金剛石生長，然后使用上述方法制備成基材 以使基材缺陷最小化。最終形式的基材是5X5mm方形，厚度500 μ m的板，具有所有面{100} 的板。在該階段的表面粗糙度小于Inm IV使用適用于金剛石的高溫釬焊，將該基材安置 在鎢基材上。將其引入到反應(yīng)器中，并如上所述開始蝕刻與生長周期，更具體地1)使反應(yīng)器中預(yù)先裝配有使用凈化器的位置，以便將進(jìn)入氣流中的氮水平降低到 低于80ppb，通過上述改進(jìn)的GC方法測量。2)在333 XlO2I^a和800°C的基材溫度下，使用30/150/1200sccm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/ 秒)的02/Ar/H2進(jìn)行原位氧等離子體蝕刻。3)隨著從氣流中除去O2，這不間斷地轉(zhuǎn)入氫蝕刻。4)通過加入碳源，這轉(zhuǎn)入生長過程，在該情況下，碳源是以30sCCm流動的CH4。在 此階段的生長溫度是980°C。5)在其中進(jìn)行生長的氣氛中含有小于IOOppb的氮，通過上述的改進(jìn)GC方法進(jìn)行測量。6)在生長期結(jié)束時(shí)，從反應(yīng)器中取出基材，并從基材上移除CVD金剛石層。7)然后將該層拋光變平成410 μ m厚度的層，清潔并用氧灰化，以制備用氧終止的 表面，并測試其電荷收集距離。發(fā)現(xiàn)在IV/μ m的施加電場下，其為380 μ m(總是受到樣品 厚度限制的值)，給出遷移率和壽命的乘積μ τ為3.8X10_6Cm7V的下限值。8)在斷開狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)所述金剛石層的電阻率在20°C和50V/ μ m的施加電場下測量時(shí)為 6 X IO14 Ω cm。9)進(jìn)一步通過以下和附圖1-8所提供的數(shù)據(jù)表征確定為HDS-I的層i) CL譜，顯示出低的藍(lán)帶、低的575nm和高的FE發(fā)射(圖1和2)。譜，顯示出低的取代氮和弱的g = 2. 0028譜線(圖3-5)。iii)光學(xué)譜，顯示接近理論透射率(圖6)。iv)X-射線的搖擺曲線圖，顯示出樣品的角展度(spread)小于10弧秒(圖7)。ν)拉曼光譜，顯示出約2CHT1的譜線寬度(FWHM)(圖8)。實(shí)施例2在下述條件變化下，重復(fù)實(shí)施例1中給出的工序Ar 75sccm, H2 600sccm, CH4 30sccm，820°C，7. 2kW，小于 200ppb 的氮?dú)?根據(jù)上
述改進(jìn)的GC方法進(jìn)行測量)。將所產(chǎn)生的CVD金剛石層加工成390μπι厚的層用于測試。發(fā)現(xiàn)μ τ乘積對 電子而言為320 X 10"6cm2/V,且對空穴而言為390 X 10"6cm2/V (在300K下測量)，得到 355X 10_6cm2/V 的平均值。實(shí)施例3在下述條件變化下，重復(fù)實(shí)施例1中給出的工序Ar 150sccm, H2 1200sccm, CH4 30sccm，237 X IO2Pa, 822 °C 的基材溫度，小于 IOOppb氮?dú)?根據(jù)上述改進(jìn)的GC方法進(jìn)行測量)。將所產(chǎn)生的CVD金剛石層加工成420 μ m厚的層用于測試。該層的收集距離經(jīng)測 量大于400 μ m。在50V/μ m的施加電場下該層的電阻率超過IX IO14 Ω cm。實(shí)施例4在下述條件變化下，重復(fù)實(shí)施例1中給出的工序氧等離子體蝕刻使用15/75/600sccm的02/Ar/H2。接著使用75/600sccm的Ar/H2 進(jìn)行氫蝕刻。通過加入碳源引發(fā)生長，在該情況下，碳源是以30sCCm流動的CH4。在此階段 的生長溫度為780°C。所生產(chǎn)的CVD金剛石層具有1500 μ m的厚度，并被加工成500 μ m厚的層用于測
試ο1)在IV/μ m的施加電場和300K下，發(fā)現(xiàn)電荷收集距離為480 μ m(受樣品厚度限 制的值)，給出遷移率與壽命乘積即μ τ4.8Χ10、πι7ν的下限。2)使用上述的Hecht關(guān)系式在300K下測量的μ τ乘積對電子和空穴分別為 1. 7Χ l(T3cm2/V 和 7. 2X l(T4cm2/V。3)在300K的樣品溫度下，空間電荷限制的飛行時(shí)間實(shí)驗(yàn)測量到電子遷移率μ 6為 4400cm2/Vso4)在300K的樣品溫度下，空間電荷限制的飛行時(shí)間實(shí)驗(yàn)測量到空穴遷移率μ 3800cm2/Vso5) SIMS測量顯示，沒有任何單一缺陷以高于5 X IO16CnT3的濃度存在(排除氫及其 同位素)的證據(jù)。6)在100V/μ m的施加電場，如在300K下測量，測得的電阻率超過5 X IO14 Ω cm。7)PL譜顯示低的藍(lán)帶和低的575nm強(qiáng)度(小于拉曼峰的1/1000)。拉曼FWHM的
34譜線寬度為1. 5cm-10 CL強(qiáng)度顯示出強(qiáng)的FE峰。8) EPR譜顯示沒有(< 7ppb)的取代氮，并且沒有(< IOppb) g = 2. 0028譜線。實(shí)施例5對根據(jù)實(shí)施例1-4制備的材料樣品進(jìn)行進(jìn)一步處理以使它們適合于自旋電子應(yīng)用。使用下面條件，采用Ar-Cl2ICP蝕刻將一個(gè)樣品(其主表面預(yù)先使用磨光盤拋光 技術(shù)進(jìn)行了機(jī)械加工)進(jìn)一步進(jìn)行表面加工平臺(platen)功率 300w ；線圈功率 400w;腔室壓 5毫乇( 0. 67Pa)；氣體流速 Ar-25sccm, Cl2_40sccm ；蝕刻時(shí)間 15分鐘。使用原子力顯微鏡(Veeco “Dimension 3100”)在1 μ mX 1 μ m標(biāo)稱面積中測量的 表面R,，蝕刻前為約0. 9nm,從該表面除去約900nm材料后為約1. 2nm。NV中心的T2時(shí)間使用說明書另外描述的工序進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)其為約650 μ S。譜穩(wěn)定性使用說明書另外描述的工序進(jìn)行測量，并且發(fā)射光子頻率相對于發(fā)射光 子次數(shù)的頻率曲線的峰FWHM是在大于IO6個(gè)光子中測得的約250MHz的頻率。實(shí)施例6根據(jù)實(shí)施例5制備樣品。在下面條件下對Ar-Cl2 ICP蝕刻表面進(jìn)行微波等離子體暴露蝕刻氣體混合物30/150/1200(均為 sccm)的 02/Ar/H2壓力=333XlO2Pa溫度800°C持續(xù)時(shí)間5分鐘使用光學(xué)顯微鏡對通過蝕刻在表面中暴露的缺陷數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)并發(fā)現(xiàn)其為約 5 X IOW2ο
權(quán)利要求
1.一種包含主體材料和量子自旋缺陷的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述量子自旋缺陷在室溫下具 有約300 μ S以上的T2，其中所述主體材料包含總氮濃度為約20ppb以下的單晶CVD金剛 石層，其中在由半徑約5 μ m的圓所限定的區(qū)域內(nèi)單晶金剛石的表面粗糙度Rtl為約IOnm以 下，所述圓以最接近形成量子自旋缺陷的地方的表面上的點(diǎn)為中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述量子自旋缺陷位于單晶金剛石層表面約 100 μ m 內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的固態(tài)系統(tǒng)，其中單晶CVD金剛石主體材料中硼濃度 為約IOOppb以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中單晶CVD金剛石主體材料中非補(bǔ)償取 代硼的濃度為約IOOppb以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中單晶CVD金剛石主體材料中硅濃度為 約IOOppb以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中單晶CVD金剛石主體材料中通過相對 于在約1332. 5cm—1位移處金剛石拉曼譜線的強(qiáng)度進(jìn)行歸一化的737nm光致發(fā)光譜線的強(qiáng)度 所表征的硅空位的濃度為約0. 5，所述兩種強(qiáng)度均在77K的溫度下測得。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中單晶CVD金剛石主體材料中順磁性缺 陷的濃度為約Ippm以下。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中單晶CVD金剛石主體材料中任何單一 非氫雜質(zhì)的濃度為約5ppm以下。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中單晶CVD金剛石主體材料中的總雜質(zhì) 含量為約IOppm以下，所述總雜質(zhì)含量不包括氫及其同位素。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中單晶金剛石主體材料中氫雜質(zhì)的濃 度為約IO18CnT3以下。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述單晶金剛石主體材料具有在 300K下測得的約1.5父川 ??！^—以上的μ τ乘積，其中μ是遷移率而τ是電荷載流子的壽命。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述單晶金剛石主體材料具有在斷 開狀態(tài)下、在50V/ μ m的施加電場下和300K下測得的約1 X IO12 Ω cm以上的電阻率隊(duì)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述單晶金剛石主體材料具有在 300K下測得的約MOOcmW1以上的電子遷移率(μ e)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述單晶金剛石主體材料具有在 300K下測得的約210001^-1 s—1以上的空穴遷移率(yh)。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述單晶金剛石主體材料具有在 IV/ μ m的施加電場和300K下測得的約150 μ m以上的高收集距離。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中量子自旋缺陷從ms=士 1躍遷到ms =0狀態(tài)的穩(wěn)定性使得具有特定頻率的光子數(shù)相對于光子頻率的頻率曲線的峰的FWHM為 約500MHz以下。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述量子自旋缺陷為NV中心。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述NV中心包含14N。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述NV中心包含％。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中至少一種量子自旋缺陷與具有磁自 旋的其它組元分離約0. 02 μ m以上。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述NV中心的濃度為IOppm以下。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述主體材料的表面進(jìn)行了蝕刻。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述主體材料的表面通過機(jī)械拋光 進(jìn)行了加工。
24.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述主體材料的表面通過在所述表 面上生長主體材料的其它薄層進(jìn)行加工，并且所述其它薄層具有約100 μ m以下的厚度。
25.根據(jù)權(quán)利要求M的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述量子自旋缺陷位于所述其它薄層內(nèi)。
26.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中與缺陷有關(guān)的表面蝕刻特征的密度 為 5 X 103/mm2。
27.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述量子自旋缺陷與具有磁自旋的 其它組元分離約0. 012 μ m以上。
28.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述主體材料的表面用lfiO終止。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀的固態(tài)系統(tǒng)，其中最接近量子自旋缺陷的主體材料的約95%以上 的表面用lfiO終止。
30.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的固態(tài)系統(tǒng)，其是量子中繼器、量子密碼術(shù)裝置或量子計(jì)算裝置。
31.一種用于制備固態(tài)系統(tǒng)的方法，該固態(tài)系統(tǒng)包含主體材料和在室溫下T2為約 300 μ s以上的量子自旋缺陷，其中所述主體材料包含總氮濃度為約20ppb以下的單晶CVD 金剛石層，所述方法包括對其中已形成量子自旋缺陷的主體材料的表面進(jìn)行加工，使得在由半徑約5 μ m的圓 所限定的區(qū)域內(nèi)單晶金剛石的表面粗糙度Rq為約IOnm以下，所述圓以最接近形成量子自 旋缺陷的地方的表面上的點(diǎn)為中心。
32.一種用于制備固態(tài)系統(tǒng)的方法，該固態(tài)系統(tǒng)包含主體材料和在室溫下T2為約 300μ S以上的量子自旋缺陷，其中所述主體材料包含通過化學(xué)氣相沉積(CVD)過程制備的 總氮濃度為約20ppb以下的單晶金剛石，所述方法包括在主體材料中形成量子自旋缺陷，其中對該主體材料的表面進(jìn)行加工，使得在由半徑 約5 μ m的圓所限定的區(qū)域內(nèi)單晶金剛石的表面粗糙度為約IOnm以下，所述圓以最接近 形成量子自旋缺陷的地方的表面上的點(diǎn)為中心。
33.根據(jù)權(quán)利要求31或權(quán)利要求32的方法，其中所述單晶金剛石主體材料具有在 300K下測得的約1.5父川 ??！^—以上的μ τ乘積，其中μ是遷移率而τ是電荷載流子的 壽命ο
34.根據(jù)權(quán)利要求31-33中任一項(xiàng)的方法，其中所述單晶金剛石主體材料具有在300Κ 下測得的約MOOcm2W1iT1以上的電子遷移率(μ e)。
35.根據(jù)權(quán)利要求31-34中任一項(xiàng)的方法，其中所述單晶金剛石主體材料具有在300K 下測得的約2100(^2^1^以上的空穴遷移率(μ h)。
36.根據(jù)權(quán)利要求31-35中任一項(xiàng)的方法，其中所述單晶金剛石主體材料具有在IV/μ m施加電場和300K下測得的約150 μ m以上的高收集距離。
37.根據(jù)權(quán)利要求31-36中任一項(xiàng)的方法，其中單晶金剛石主體材料中氫雜質(zhì)的濃度 為約IO18CnT3以下。
38.根據(jù)權(quán)利要求31-37中任一項(xiàng)的方法，其中所述單晶金剛石主體材料的表面通過 蝕刻進(jìn)行加工。
39.根據(jù)權(quán)利要求31-38中任一項(xiàng)的方法，其中所述單晶金剛石主體材料的表面通過 機(jī)械拋光進(jìn)行加工。
40.根據(jù)權(quán)利要求38或權(quán)利要求39的方法，其中所述蝕刻為Ar/Cl2蝕刻。
41.根據(jù)權(quán)利要求31-40中任一項(xiàng)的方法，其中所述單晶金剛石主體材料的表面通過 在所述表面上生長主體材料的其它薄層進(jìn)行加工，并且所述其它薄層具有約100 μ m以下 的厚度。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中所述量子自旋缺陷位于所述其它薄層內(nèi)。
43.根據(jù)權(quán)利要求38-42中任一項(xiàng)的方法，其中對所述表面進(jìn)行加工從而使得與缺陷 有關(guān)的表面蝕刻特征的密度為5X 103/mm2。
44.根據(jù)權(quán)利要求31-43中任一項(xiàng)的方法，該方法包括將固態(tài)系統(tǒng)在約600-約900°C 溫度下退火約0. 1-約16小時(shí)時(shí)間段的其它步驟。
45.根據(jù)權(quán)利要求31-44中任一項(xiàng)的方法，該方法包括將固態(tài)系統(tǒng)在約1000°C以上的 溫度下退火約0. 1-約16小時(shí)時(shí)間段的其它步驟。
46.根據(jù)權(quán)利要求31-45中任一項(xiàng)的方法，其中在單晶金剛石主體材料的經(jīng)加工的表 面之下約100 μ m以下的深度形成所述量子自旋缺陷。
47.根據(jù)權(quán)利要求31-46中任一項(xiàng)的方法，其中所述量子自旋缺陷為NV中心。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中所述NV中心包含14N。
49.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中所述NV中心包含1N。
50.根據(jù)權(quán)利要求47-49中任一項(xiàng)的方法，其中所述NV中心通過氮離子注入、氮原子注 入或含氮離子注入而形成。
51.總氮濃度為約20ppb以下的單晶CVD金剛石在自旋電子應(yīng)用中的用途。
52.根據(jù)權(quán)利要求51的用途，其中所述單晶金剛石材料具有在300K下測得的約 LSXlO-6Cm2V-1以上的μ τ乘積，其中μ是遷移率而τ是電荷載流子的壽命。
53.根據(jù)權(quán)利要求51或權(quán)利要求52的用途，其中所述單晶金剛石材料具有在300Κ下 測得的約MOOcm2W1iT1以上的電子遷移率(μ e)。
54.根據(jù)權(quán)利要求51-53中任一項(xiàng)的用途，其中所述單晶金剛石材料具有在300K下測 得的約2100(^2^1 s—1以上的空穴遷移率(μ h)。
55.根據(jù)權(quán)利要求51-54中任一項(xiàng)的用途，其中所述單晶金剛石主體材料具有在IV/ μ m的施加電場和300K下測得的約150 μ m以上的高收集距離。
56.根據(jù)權(quán)利要求51-55中任一項(xiàng)的用途，其中單晶金剛石包含為NV中心的量子自旋 缺陷。
全文摘要
一種包含主體材料和量子自旋缺陷的固態(tài)系統(tǒng)，其中所述量子自旋缺陷在室溫下具有約300μs以上的T2，其中所述主體材料包含總氮濃度為約20ppb以下的單晶CVD金剛石層，其中，使得在由半徑約5μm的圓所限定的區(qū)域內(nèi)單晶金剛石的表面粗糙度Rq為約10nm以下，所述圓以最接近形成量子自旋缺陷的地方的表面上的點(diǎn)為中心，描述了用于制備固態(tài)系統(tǒng)的方法和總氮濃度為約20ppb以下的單晶金剛石在自旋電子應(yīng)用中的用途。
文檔編號C30B29/00GK102077222SQ200980123822
公開日2011年5月25日 申請日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月23日
發(fā)明者D·J·特維切, G·A·斯卡司布魯克, M·L·馬克漢姆 申請人:六號元素有限公司