近日，《應(yīng)用物理評(píng)論》（Applied Physics Reviews）在線發(fā)表了中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室歐欣團(tuán)隊(duì)撰寫的綜述文章（Silicon carbide for integrated photonics），并被編輯推薦為該期刊7月份“熱點(diǎn)文章”（Featured Article）。該綜述以薄膜制備到光子器件實(shí)現(xiàn)為主體，全方面回顧了碳化硅單晶薄膜制備及其在集成非光學(xué)、光量子學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展歷程和關(guān)鍵技術(shù)，并展望了未來的發(fā)展方向與技術(shù)挑戰(zhàn)。
光子集成電路（Photonic Integrated Circuit，PIC）由密集的分立集成光學(xué)元器件構(gòu)成，工作時(shí)以光子為信息載體，有望解決目前信息技術(shù)領(lǐng)域面臨的信息傳輸帶寬和處理速度的問題。通常情況下，光子集成電路以硅作為材料平臺(tái)，但基于單一硅基光子集成電路無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)光子芯片所需的各項(xiàng)性能，因而新平臺(tái)不斷發(fā)展如鈮酸鋰（LiNbO3）、磷化銦（InP）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）等材料平臺(tái)。其中，SiC集成光學(xué)因SiC具有的高折射率、寬透光窗口、高非線性系數(shù)、CMOS工藝兼容等特性成為頗具潛力的集成光子芯片發(fā)展方向。
光子集成電路的襯底需求高質(zhì)量的薄膜材料，碳化硅光子學(xué)發(fā)展十余年以來，多種技術(shù)方案制備的碳化硅薄膜被用于光子器件的驗(yàn)證，例如，外延生長、化學(xué)氣相沉積、離子束剝離與轉(zhuǎn)移、精密研磨拋光等薄膜制備方法。雖然碳化硅薄膜和光學(xué)器件的實(shí)現(xiàn)方法多樣，但近年來碳化硅光子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展主要基于一種被稱為絕緣體上碳化硅（SiC-on-insulator，SiCOI）的薄膜材料。SiC薄膜的晶型也有多種如3C-SiC、α-SiC、4H-SiC等，其中，只有4H晶型因最大的禁帶寬度（3.2 eV），產(chǎn)業(yè)界日漸成熟的6寸4H-SiC晶圓生長技術(shù)以及豐富的量子光源被廣泛研究，4H-SiCOI薄膜材料成為產(chǎn)業(yè)與科研界的重點(diǎn)關(guān)注方向。
近年來，得益于碳化硅晶圓鍵合、精密拋光和微納器件加工等技術(shù)的趨于成熟，高性能的集成光子器件在碳化硅平臺(tái)上得以實(shí)現(xiàn)。這些光器件包括高品質(zhì)因子光學(xué)諧振腔、低損耗波導(dǎo)、電光調(diào)制器、光學(xué)微腔頻率梳、可調(diào)控量子光源等。在光學(xué)頻率梳方面（圖1），2021年上海微系統(tǒng)所歐欣團(tuán)隊(duì)和華東師范大學(xué)程亞團(tuán)隊(duì)合作，驗(yàn)證了高品質(zhì)因子的SiC微腔及相應(yīng)的寬譜光頻梳產(chǎn)生【Light Sci Appl 10, 139 (2021)】，同年美國斯坦福大學(xué)Jelena課題組利用低溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了孤子微梳【Nat. Photon. 16, 52-58 (2022)】，2022年美國卡耐基梅隆大學(xué)李慶研究團(tuán)隊(duì)通過色散設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了150THz倍頻程的光頻梳【Photon. Res. 10, 870-876 (2022)】。在電光調(diào)制器方面，CMOS級(jí)電壓驅(qū)動(dòng)的微環(huán)電光調(diào)制也得到驗(yàn)證【Nat. Commun. 13, 1851 (2022)】，其調(diào)制帶寬大于10GHz，由于SiC的高導(dǎo)熱特性，由SiC制成的電光調(diào)制模塊在高功率耐受性能上要顯著優(yōu)于鈮酸鋰電光調(diào)制器和硅等離子色散調(diào)制器。
SiC在集成光量子芯片上研究也取得了重要進(jìn)展。SiC中的固態(tài)自旋色心光源具有優(yōu)異的自旋性質(zhì)，近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)許金時(shí)團(tuán)隊(duì)利用離子注入制備的PL6色心在室外下具備與金剛石NV色心相媲美的亮度（150k/s）和對比度（30%）【Natl. Sci. Rev. 9, 5, nwab122 (2021)】。在碳化硅色心與微腔耦合調(diào)控方面，美國斯坦福大學(xué)Jelena團(tuán)隊(duì)在薄膜中實(shí)現(xiàn)單個(gè)硅空位色心的定位與調(diào)諧，并驗(yàn)證與微腔共振的色心光源發(fā)射強(qiáng)度可提升120倍【Nat. Photonics 14, 330-334 (2020)】。單光子源與微納結(jié)構(gòu)集成是集成量子光學(xué)的主要技術(shù)途徑，通常與微納結(jié)構(gòu)集成的碳化硅色心面臨自旋性質(zhì)的衰退（相比于體材料），而研究利用低能量的He離子制備了與體材料SiC中色心具有同等自旋性質(zhì)的色心（圖2），這為下一步構(gòu)建基于碳化硅色心體系的集成光量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)【Nat. Mater. 21, 67-73 (2022)】。
目前，SiC集成光子學(xué)正處于快速發(fā)展階段。更大規(guī)模的碳化硅薄膜集成光路擁有重大機(jī)遇，也面臨著挑戰(zhàn)。鑒于光子集成技術(shù)本身經(jīng)過在硅、III-V族、鈮酸鋰平臺(tái)上的長期積累，相關(guān)器件的設(shè)計(jì)和微納加工已具有比較成熟的方案，因此未來更大規(guī)模、更高集成度、更高性能的碳化硅光路的挑戰(zhàn)主要來自于高質(zhì)量碳化硅薄膜的制備。
上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組在晶圓級(jí)的高性能SiC單晶薄膜的制備上開展了長期的、系統(tǒng)的研究：2019年，制備出高均勻度、4英寸的碳化硅單晶薄膜（SiCOI）異質(zhì)襯底，開發(fā)了SiC微納光子結(jié)構(gòu)加工工藝【Opt. Mater. 107, 109990 (2020)】，同時(shí)，通過離子注入在薄膜中發(fā)現(xiàn)了室溫下可尋址、可相干操控的新型雙空位自旋態(tài)【npj Quantum Inf. 6, 38 (2020)】；2021年，在進(jìn)一步優(yōu)化材料損耗、晶圓鍵合、微納加工工藝基礎(chǔ)上，制備出超低損耗的碳化硅薄膜，并將SiCOI微腔的Q值提升到7.1×106，該值為目前SiC光子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的最高值，高質(zhì)量SiC單晶薄膜的制備將帶來能耗更低、性能更高、尺寸更為緊湊的光子學(xué)芯片【Light Sci. Appl. 10, 139 (2021)】；2022年，通過設(shè)計(jì)雙層垂直耦合器和1X2多模干涉儀，將自組裝量子點(diǎn)確定性光源轉(zhuǎn)移到4H-SiCOI光芯片上，實(shí)現(xiàn)了確定性單光子的高效路由和二階關(guān)聯(lián)函數(shù)片上實(shí)驗(yàn)測量（Laser Photonics Rev. 2022, 2200172）。
SiC材料是極具魅力的半導(dǎo)體光學(xué)平臺(tái)，集多種優(yōu)異特性于一身，繼承了硅的優(yōu)異性能，兼具與金剛石比擬的特性，結(jié)合目前在SiC非線性光學(xué)及SiC片上量子光學(xué)領(lǐng)域取得的進(jìn)展，可以預(yù)見SiC在更大規(guī)模的非線性光學(xué)、集成光學(xué)、片上量子光學(xué)等光子學(xué)應(yīng)用中的廣闊前景。正如SOI、LNOI的發(fā)展一樣，實(shí)現(xiàn)集成光子學(xué)相關(guān)應(yīng)用的前提需要以高質(zhì)量的SiCOI材料為基礎(chǔ)，科研人員將繼續(xù)致力于這一發(fā)展方向，探究低損耗、高均勻度的4H-SiCOI制備方法，優(yōu)化SiC微納加工工藝，探索SiC色心自旋量子特性，推動(dòng)SiC在非線性光學(xué)、集成光學(xué)、片上量子光學(xué)等光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。同時(shí)，本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的SiC單晶薄膜制備技術(shù)有望進(jìn)一步應(yīng)用于低成本SiC晶圓的開發(fā)，在SiC功率器件、SiC/GaN射頻器件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1.碳化硅光學(xué)微腔中光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生
圖2.與波導(dǎo)集成的碳化硅色心光源
圖3.晶圓級(jí)超低光學(xué)損耗的碳化硅單晶薄膜
圖4.4英寸晶圓級(jí)絕緣體上碳化硅薄膜及微環(huán)諧振腔；離子注入在4H-SiC中引入的新型發(fā)光缺陷PL8
圖5.超高Q值的SiC微諧振腔中的多次諧波現(xiàn)象和克爾光頻梳
圖6.碳化硅-量子點(diǎn)混合集成系統(tǒng)
（來源：上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）