上海微系统所信息功能材料国家重点实验室团队发布碳化硅单晶薄膜制备技术及集成光子应用综述

近日，美国物理联合会(American Institute of Physics)旗下的著名期刊《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）在线发表了上海微系统所信息功能材料国家重点实验室欧欣团队的综述文章《Silicon carbide for integrated photonics》，该综述同时被编辑推荐为该期刊7月份的“热点文章”（Featured Article），并展示在官网首页（https://aip.scitation.org/journal/are）。该综述以薄膜制备到光子器件实现为主体全方面回顾了碳化硅单晶薄膜制备的关键技术及基于碳化硅薄膜的集成非线性光学、光量子学和应用物理学的发展里程碑，最后对碳化硅集成光学未来的发展方向和技术挑战进行展望。

 

光子集成电路（Photonic Integrated Circuit, PIC）由密集的分立集成光学元器件构成，工作时以光子为信息载体，有望解决目前信息技术领域所面临的信息传输带宽和处理速度两大瓶颈问题。通常情况下，光子集成电路以硅作为材料平台，但单一硅基光子集成电路无法同时实现光子芯片所需的各项性能，因此新的平台在不断发展，如铌酸锂（LiNbO3）、磷化铟（InP）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）等材料平台。其中，SiC集成光学因SiC具有的高折射率、宽透光窗口、高非线性系数、CMOS工艺兼容等特性成为一个极具潜力的集成光子芯片发展方向。

 

光子集成电路对薄膜材料的质量要求较高，因此碳化硅光子学发展十余年以来，研究人员开发了多种碳化硅薄膜的制备方案以实现集成光学器件，如外延生长、化学气相沉积、离子束剥离与转移、精密研磨抛光。虽然碳化硅薄膜和光学器件的实现方法多种多样，但是近年来，碳化硅光子学领域的诸多进展主要基于一种被称为绝缘体上碳化硅（SiC-on-insulator，SiCOI）的薄膜材料。值得注意的是，SiC薄膜的晶型也有多种，如3C-SiC，α-SiC，4H-SiC等，其中只有4H晶型因其最大的禁带宽度 (3.2 eV），产业界日渐成熟的6寸4H-SiC晶圆生长技术，以及丰富的量子光源被广泛研究，所以4H-SiCOI薄膜材料逐渐成为产业与科研界的重点关注对象。

 

近年来，由于碳化硅晶圆键合、精密抛光和微纳器件加工等技术日益成熟，高性能的集成光子器件在碳化硅平台上被实现。这些光器件包括高品质因子光学谐振腔、低损耗波导、电光调制器、光学微腔频率梳、可调控量子光源等。在光学频率梳方面(图1)，2021年上海微系统所欧欣团队和华东师范大学程亚研究团队合作率先验证了高品质因子的SiC微腔及相应的宽谱光频梳产生[Light Sci Appl 10, 139 (2021).]，同年来自斯坦福大学的Jelena课题组利用低温技术实现了孤子微梳[Nat. Photon. 16, 52–58 (2022).]，2022年卡耐基梅隆大学的李庆研究团队通过色散设计实现了150THz倍频程的光频梳[Photon. Res. 10, 870-876 (2022).]。在电光调制器方面，CMOS级电压驱动的微环电光调制也得到验证[Nat Commun 13, 1851 (2022).]，其调制带宽大于10GHz，因SiC的高导热特性，由SiC制成的电光调制模块在高功率耐受性能上要显著优于铌酸锂电光调制器和硅等离子色散调制器。

图1. 碳化硅光学微腔中光学频率梳的产生

 

SiC除了在非线性光学领域受到关注之外，还在集成光量子芯片研究上取得了许多重要进展。SiC中的固态自旋色心光源具有优异的自旋性质，近期，来自中国科学技术大学的许金时团队，利用离子注入制备的PL6色心在室温下具备与金刚石NV色心相媲美的亮度（150k/s）和对比度（30%）[Natl. Sci. Rev. 9, 5, nwab122 (2021).]。在碳化硅色心与微腔耦合调控方面，斯坦福大学Jelena团队在薄膜中实现了单个硅空位色心的定位与调谐，该研究还表明与微腔共振的色心光源发射强度可提升120倍[Nat. Photonics 14, 330–334 (2020).]。单光子源与微纳结构集成是集成量子光学的主要技术途径，通常情况下，与微纳结构集成的碳化硅色心面临自旋性质的衰退问题（相比于体材料），而近期发表在Nature Materials上的工作利用低能量的He离子制备了与体材料SiC中色心具有同等自旋性质的色心（图2），这为下一步构建基于碳化硅色心体系的集成光量子网络奠定了基础[Nat. Mater. 21, 67–73 (2022).]。

图2. 与波导集成的碳化硅色心光源

目前，SiC集成光子学正处于快速发展阶段，在具有重大机遇的同时，也面临着很多挑战。鉴于硅、III-V族、铌酸锂平台上已有长期积累形成的成熟光学器件设计和微纳加工方案作为参考未来实现更大规模、更高集成度、更高性能的碳化硅光芯片的挑战主要来自于高质量碳化硅薄膜的制备。

 

 

图3. 晶圆级超低光学损耗的碳化硅单晶薄膜

 

中科院上海微系统所异质集成XOI课题组在晶圆级高性能SiC单晶薄膜的制备上进行了长期的、系统的深入研究。2019年，制备出了高均匀度、4英寸的碳化硅单晶薄膜（SiCOI）异质衬底，开发了SiC微纳光子结构加工工艺[Opt. Mater. 107, 109990 (2020).]。同时，通过离子注入在薄膜中发现了室温下可寻址、可相干操控的新型双空位自旋态[npj Quantum Inf 6, 38 (2020).]。2021年，在进一步优化材料损耗、晶圆键合、微纳加工工艺的基础上，制备出了超低损耗的碳化硅薄膜，并将SiC微腔的Q值提升到7.1×106，该值为SiC光子学领域内的最高值[Light Sci Appl 10, 139 (2021).]，也意味着高质量SiC单晶薄膜的制备将带来能耗更低、性能更高、尺寸更为紧凑的光子学芯片。2022年，通过设计双层垂直耦合器和1X2多模干涉仪，成功将自组装量子点确定性光源转移到4H-SiCOI光芯片上，实现了确定性单光子的高效路由和二阶关联函数片上实验测量[Laser Photonics Rev. 2022, 2200172]。该研究获得了上海市科委基础研究项目（22JC1403300，20JC1416200）的支持。

 

 

 

图4. 4英寸晶圆级绝缘体上碳化硅薄膜及微环谐振腔；离子注入在4H-SiC中引入的新型发光缺陷PL8

 

 

 

 

图5. 超高Q值的SiC微谐振腔中的多次谐波现象和克尔光频梳

 

 

 

 

图6. 碳化硅-量子点混合集成系统

 

SiC材料是一个极具魅力的半导体光学平台，集多种优异特性于一身，在继承了硅的优异性能的同时，还具有与金刚石比拟的诸多特性，结合目前在SiC非线性光学及SiC片上量子光学领域取得的诸多进展，我们可以预见SiC在更大规模的非线性光学、集成光学、片上量子光学等光子学应用中的广阔前景。正如SOI、LNOI的发展过程一样，SiC集成光子学相关应用必然以高质量的SiCOI薄膜材料为基础，我们将继续致力于发展这一方向，深入研究低损耗、高均匀度的4H-SiCOI制备方法，优化SiC微纳加工工艺，探索SiC色心自旋量子特性，推动SiC在非线性光学、集成光学、片上量子光学等光子学领域的发展。同时，本团队开发的SiC单晶薄膜制备技术有望进一步应用于低成本、晶圆级SiC薄膜的开发，在SiC功率器件、 SiC/GaN射频器件方面有广阔的应用前景。