近日，美國物理聯(lián)合會(American Institute of Physics)旗下的著名期刊《應(yīng)用物理評論》（Applied Physics Reviews）在線發(fā)表了上海微系統(tǒng)所信息功能材料國家重點實驗室歐欣團隊的綜述文章《Silicon carbide for integrated photonics》，該綜述同時被編輯推薦為該期刊7月份的“熱點文章”（Featured Article），并展示在官網(wǎng)首頁（https://aip.scitation.org/journal/are）。
該綜述以薄膜制備到光子器件實現(xiàn)為主體全方面回顧了碳化硅單晶薄膜制備的關(guān)鍵技術(shù)及基于碳化硅薄膜的集成非線性光學(xué)、光量子學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)的發(fā)展里程碑，最后對碳化硅集成光學(xué)未來的發(fā)展方向和技術(shù)挑戰(zhàn)進行展望。
研究背景
圖1. 碳化硅光學(xué)微腔中光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生
SiC除了在非線性光學(xué)領(lǐng)域受到關(guān)注之外，還在集成光量子芯片研究上取得了許多重要進展。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，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的許金時團隊，利用離子注入制備的PL6色心在室溫下具備與金剛石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，斯坦福大學(xué)Jelena團隊在薄膜中實現(xiàn)了單個硅空位色心的定位與調(diào)諧，該研究還表明與微腔共振的色心光源發(fā)射強度可提升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，通常情況下，與微納結(jié)構(gòu)集成的碳化硅色心面臨自旋性質(zhì)的衰退問題（相比于體材料），而近期發(fā)表在Nature Materials上的工作利用低能量的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).]。
圖2. 與波導(dǎo)集成的碳化硅色心光源
目前，SiC集成光子學(xué)正處于快速發(fā)展階段，在具有重大機遇的同時，也面臨著很多挑戰(zhàn)。鑒于硅、III-V族、鈮酸鋰平臺上已有長期積累形成的成熟光學(xué)器件設(shè)計和微納加工方案作為參考未來實現(xiàn)更大規(guī)模、更高集成度、更高性能的碳化硅光芯片的挑戰(zhàn)主要來自于高質(zhì)量碳化硅薄膜的制備。
圖3. 晶圓級超低光學(xué)損耗的碳化硅單晶薄膜
中科院上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組在晶圓級高性能SiC單晶薄膜的制備上進行了長期的、系統(tǒng)的深入研究。2019年，制備出了高均勻度、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，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，在進一步優(yōu)化材料損耗、晶圓鍵合、微納加工工藝的基礎(chǔ)上，制備出了超低損耗的碳化硅薄膜，并將SiC微腔的Q值提升到7.1×106，該值為SiC光子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的最高值[Light Sci Appl 10, 139 (2021).]，也意味著高質(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。2022年，通過設(shè)計雙層垂直耦合器和1X2多模干涉儀，成功將自組裝量子點確定性光源轉(zhuǎn)移到4H-SiCOI光芯片上，實現(xiàn)了確定性單光子的高效路由和二階關(guān)聯(lián)函數(shù)片上實驗測量[Laser Photonics Rev. 2022, 2200172]。該研究獲得了上海市科委基礎(chǔ)研究項目（22JC1403300，20JC1416200）的支持。
圖4. 4英寸晶圓級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-量子點混合集成系統(tǒng)。
總結(jié)與展望
SiC材料是一個極具魅力的半導(dǎo)體光學(xué)平臺，集多種優(yōu)異特性于一身，在繼承了硅的優(yōu)異性能的同時，還具有與金剛石比擬的諸多特性，結(jié)合目前在SiC非線性光學(xué)及SiC片上量子光學(xué)領(lǐng)域取得的諸多進展，我們可以預(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)展過程一樣，SiC集成光子學(xué)相關(guān)應(yīng)用必然以高質(zhì)量的SiCOI薄膜材料為基礎(chǔ)，我們將繼續(xù)致力于發(fā)展這一方向，深入研究低損耗、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，本團隊開發(fā)的SiC單晶薄膜制備技術(shù)有望進一步應(yīng)用于低成本、晶圓級SiC薄膜的開發(fā)，在SiC功率器件、 SiC/GaN射頻器件方面有廣闊的應(yīng)用前景。
文章鏈接：
Silicon carbide for integrated photonics: Applied Physics Reviews: Vol 9, No 3 (scitation.org)
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0079649
來源：兩江科技評論
