碳化硅單晶薄膜制備技術及集成光子應用技術進展

發表于：2022-11-03 來源：半導體產業網編輯：

近日，美國物理聯合會(American Institute of Physics)旗下的著名期刊《應用物理評論》（Applied Physics Reviews）在線發表了上海微系統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），并展示在官網首頁（https://aip.scitation.org/journal/are）。

該綜述以薄膜制備到光子器件實現為主體全方面回顧了碳化硅單晶薄膜制備的關鍵技術及基于碳化硅薄膜的集成非線性光學、光量子學和應用物理學的發展里程碑，最后對碳化硅集成光學未來的發展方向和技術挑戰進行展望。

研究背景

光子集成電路（Photonic Integrated Circuit, PIC）由密集的分立集成光學元器件構成，工作時以光子為信息載體，有望解決目前信息技術領域所面臨的信息傳輸帶寬和處理速度兩大瓶頸問題。通常情況下，光子集成電路以硅作為材料平臺，但單一硅基光子集成電路無法同時實現光子芯片所需的各項性能，因此新的平臺在不斷發展，如鈮酸鋰（LiNbO₃）、磷化銦（InP）、氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）等材料平臺。其中，SiC集成光學因SiC具有的高折射率、寬透光窗口、高非線性系數、CMOS工藝兼容等特性成為一個極具潛力的集成光子芯片發展方向。

光子集成電路對薄膜材料的質量要求較高，因此碳化硅光子學發展十余年以來，研究人員開發了多種碳化硅薄膜的制備方案以實現集成光學器件，如外延生長、化學氣相沉積、離子束剝離與轉移、精密研磨拋光。雖然碳化硅薄膜和光學器件的實現方法多種多樣，但是近年來，碳化硅光子學領域的諸多進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。值得注意的是，SiC薄膜的晶型也有多種，如3C-SiC，α-SiC，4H-SiC等，其中只有4H晶型因其最大的禁帶寬度 (3.2 eV），產業界日漸成熟的6寸4H-SiC晶圓生長技術，以及豐富的量子光源被廣泛研究，所以4H-SiCOI薄膜材料逐漸成為產業與科研界的重點關注對象。

研究亮點

近年來，由于碳化硅晶圓鍵合、精密拋光和微納器件加工等技術日益成熟，高性能的集成光子器件在碳化硅平臺上被實現。這些光器件包括高品質因子光學諧振腔、低損耗波導、電光調制器、光學微腔頻率梳、可調控量子光源等。在光學頻率梳方面(圖1)，2021年上海微系統所歐欣團隊和華東師范大學程亞研究團隊合作率先驗證了高品質因子的SiC微腔及相應的寬譜光頻梳產生[Light Sci Appl 10, 139 (2021).]，同年來自斯坦福大學的Jelena課題組利用低溫技術實現了孤子微梳[Nat. Photon. 16, 52–58 (2022).]，2022年卡耐基梅隆大學的李慶研究團隊通過色散設計實現了150THz倍頻程的光頻梳[Photon. Res. 10, 870-876 (2022).]。在電光調制器方面，CMOS級電壓驅動的微環電光調制也得到驗證[Nat Commun 13, 1851 (2022).]，其調制帶寬大于10GHz，因SiC的高導熱特性，由SiC制成的電光調制模塊在高功率耐受性能上要顯著優于鈮酸鋰電光調制器和硅等離子色散調制器。

圖1. 碳化硅光學微腔中光學頻率梳的產生

SiC除了在非線性光學領域受到關注之外，還在集成光量子芯片研究上取得了許多重要進展。SiC中的固態自旋色心光源具有優異的自旋性質，近期，來自中國科學技術大學的許金時團隊，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控方面，斯坦福大學Jelena團隊在薄膜中實現了單個硅空位色心的定位與調諧，該研究還表明與微腔共振的色心光源發射強度可提升120倍[Nat. Photonics 14, 330–334 (2020).]。單光子源與微納結構集成是集成量子光學的主要技術途徑，通常情況下，與微納結構集成的碳化硅色心面臨自旋性質的衰退問題（相比于體材料），而近期發表在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的色心（圖2），這為下一步構建基于碳化硅色心體系的集成光量子網絡奠定了基礎[Nat. Mater. 21, 67–73 (2022).]。

圖2. 與波導集成的碳化硅色心光源

目前，SiC集成光子學正處于快速發展階段，在具有重大機遇的同時，也面臨著很多挑戰。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器件設計和微納加工方案作為參考未來實現更大規模、更高集成度、更高性能的碳化硅光芯片的挑戰主要來自于高質量碳化硅薄膜的制備。

圖3. 晶圓級超低光學損耗的碳化硅單晶薄膜

中科院上海微系統所異質集成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）異質襯底，開發了SiC微納光子結構加工工藝[Opt. Mater. 107, 109990 (2020).]。同時，通過離子注入在薄膜中發現了室溫下可尋址、可相干操控的新型雙空位自旋態[npj Quantum Inf 6, 38 (2020).]。2021年，在進一步優化材料損耗、晶圓鍵合、微納加工工藝的基礎上，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光子學領域內的最高值[Light Sci Appl 10, 139 (2021).]，也意味著高質量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芯片。2022年，通過設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移到4H-SiCOI光芯片上，實現了確定性單光子的高效路由和二階關聯函數片上實驗測量[Laser Photonics Rev. 2022, 2200172]。該研究獲得了上海市科委基礎研究項目（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諧振腔；離子注入在4H-SiC中引入的新型發光缺陷PL8。

圖5. 超高Q值的SiC微諧振腔中的多次諧波現象和克爾光頻梳。

圖6. 碳化硅-量子點混合集成系統。

總結與展望

SiC材料是一個極具魅力的半導體光學平臺，集多種優異特性于一身，在繼承了硅的優異性能的同時，還具有與金剛石比擬的諸多特性，結合目前在SiC非線性光學及SiC片上量子光學領域取得的諸多進展，我們可以預見SiC在更大規模的非線性光學、集成光學、片上量子光學等光子學應用中的廣闊前景。正如SOI、LNOI的發展過程一樣，SiC集成光子學相關應用必然以高質量的SiCOI薄膜材料為基礎，我們將繼續致力于發展這一方向，深入研究低損耗、高均勻度的4H-SiCOI制備方法，優化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、集成光學、片上量子光學等光子學領域的發展。同時，本團隊開發的SiC單晶薄膜制備技術有望進一步應用于低成本、晶圓級SiC薄膜的開發，在SiC功率器件、 SiC/GaN射頻器件方面有廣闊的應用前景。

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

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碳化硅單晶薄膜制備技術及集成光子應用技術進展