近日，《應用物理評論》（Applied Physics Reviews）在線發(fā)表了中國科學院上海微系統(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、光量子學和應用物理學等領域中的發(fā)展歷程和關鍵技術，并展望了未來的發(fā)展方向與技術挑戰(zhàn)。
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量的薄膜材料，碳化硅光子學發(fā)展十余年以來，多種技術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、化學氣相沉積、離子束剝離與轉移、精密研磨拋光等薄膜制備方法。雖然碳化硅薄膜和光學器件的實現方法多樣，但近年來碳化硅光子學領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），產業(yè)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，4H-SiCOI薄膜材料成為產業(yè)與科研界的重點關注方向。
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。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(tǒng)所歐欣團隊和華東師范大學程亞團隊合作，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)】，同年美國斯坦福大學Jelena課題組利用低溫技術實現了孤子微梳【Nat. Photon. 16, 52-58 (2022)】，2022年美國卡耐基梅隆大學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(huán)電光調制也得到驗證【Nat. Commun. 13, 1851 (2022)】，其調制帶寬大于10GHz，由于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(yōu)于鈮酸鋰電光調制器和硅等離子色散調制器。
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，近期，中國科學技術大學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控方面，美國斯坦福大學Jelena團隊在薄膜中實現單個硅空位色心的定位與調諧，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)】。單光子源與微納結構集成是集成量子光學的主要技術途徑，通常與微納結構集成的碳化硅色心面臨自旋性質的衰退（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)】。
目前，SiC集成光子學正處于快速發(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)。鑒于光子集成技術本身經過在硅、III-V族、鈮酸鋰平臺上的長期積累，相關器件的設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)主要來自于高質量碳化硅薄膜的制備。
上海微系統(tǒng)所異質集成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）異質襯底，開發(fā)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(fā)現了室溫下可尋址、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光子學領域內的最高值，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【Light Sci. Appl. 10, 139 (2021)】；2022年，通過設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）。
SiC材料是極具魅力的半導體光學平臺，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，結合目前在SiC非線性光學及SiC片上量子光學領域取得的進展，可以預見SiC在更大規(guī)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(fā)展一樣，實現集成光子學相關應用的前提需要以高質量的SiCOI材料為基礎，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、集成光學、片上量子光學等光子學領域的發(fā)展。同時，本團隊開發(fā)的SiC單晶薄膜制備技術有望進一步應用于低成本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用前景。
圖1.碳化硅光學微腔中光學頻率梳的產生
圖2.與波導集成的碳化硅色心光源
圖3.晶圓級超低光學損耗的碳化硅單晶薄膜
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象和克爾光頻梳
圖6.碳化硅-量子點混合集成系統(tǒng)
（來源：上海微系統(tǒng)與信息技術研究所）