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上海微系統(tǒng)所發(fā)表關(guān)于碳化硅單晶薄膜制備技術(shù)及集成光子應(yīng)用的綜述文章
責(zé)編:李曉燕 發(fā)布時間:2022-09-21 14:50:49 瀏覽次數(shù):
   近日,《應(yīng)用物理評論》(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實驗室歐欣團隊撰寫的綜述文章(Silicon carbide for integrated photonics),并被編輯推薦為該期刊7月份“熱點文章”(Featured Article)。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,但基于單一硅基光子集成電路無法同時實現(xiàn)光子芯片所需的各項性能,因而新平臺不斷發(fā)展如鈮酸鋰(LiNbO3)、磷化銦(InP)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)等材料平臺。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)器件的實現(xiàn)方法多樣,但近年來碳化硅光子學(xué)領(lǐng)域的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。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上得以實現(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)所歐欣團隊和華東師范大學(xué)程亞團隊合作,驗證了高品質(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)李慶研究團隊通過色散設(shè)計實現(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級電壓驅(qū)動的微環(huán)電光調(diào)制也得到驗證【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)許金時團隊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團隊在薄膜中實現(xiàn)單個硅空位色心的定位與調(diào)諧,并驗證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、鈮酸鋰平臺上的長期積累,相關(guān)器件的設(shè)計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,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)計雙層垂直耦合器和1X2多模干涉儀,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)。 
 
   SiC材料是極具魅力的半導(dǎo)體光學(xué)平臺,集多種優(yōu)異特性于一身,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。 

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圖1.碳化硅光學(xué)微腔中光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生
 
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圖2.與波導(dǎo)集成的碳化硅色心光源 

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圖3.晶圓級超低光學(xué)損耗的碳化硅單晶薄膜 

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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 

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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

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圖6.碳化硅-量子點混合集成系統(tǒng) 
 

                                                                                                                                          (來源:上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所)