碳化硅：从研磨剂到光量子

21世纪初对集成光子学来说是比较简单的时期，当时少数几个材料平台主导了研究和工业应用。然而，在过去的十年里，新型光子材料出现了爆炸式的发展出现了如GaP、Ta2O5、SiC、AlN、LiNbO3、金刚石等许多新型材料。集成光子学的发展推动了新材料的研究。

与此同时，随着集成光子学的应用也越来越多，也带来了各自新技术的挑战和材料要求。应对这些挑战的一种材料是碳化硅(SiC)，一种传统上用于研磨剂、LED和晶体管的物质，但它正在成为可扩展量子和非线性光子学的支持平台。该特性着眼于SiC在量子领域的前景和挑战。

基于自旋的光量子学

值得注意的是，通过在晶体材料中制造缺陷(例如，移除或替换一个原子)，人们可以制造出世界上最好的量子存储器。原子缺陷支持在晶体带隙深处存在定域电子态。这些状态被“半导体真空”所屏蔽，从理论上讲，半导体真空是完全周期性的。因此，就像一个被困在实际真空中的原子一样，半导体真空中的电子态可以很好地防止量子退相干。

光量子学中最“热门”的一类晶体缺陷是所谓的色心，它的电子结构不仅可以存储量子信息，还可以以光子的形式传播。由于光子是量子信息的理想载体，色心似乎是量子通信应用的完美候选人，但也需要一个存储组件才能有效地工作。因为，毕竟通过大西洋海底传输互联网数据并不需要内存，而只需要周期性地增强光信号的光纤放大器链。然而，由于非克隆定理，量子态不能被放大。如果它们能做到这一点，量子通信将失去古典协议的安全优势。

因此，为了减少光纤中量子信息的丢失，并扩大量子信号的范围，就需要更先进的方案——量子中继器，而量子存储器可以极大地提高中继器的效率，这就变得至关重要。色心已经成为满足这一需求的核心实现技术。在最近的一项突破性研究中，哈佛大学的研究人员利用嵌入金刚石纳米光子器件的色心来实现基本的量子中继器功能，从而演示了内存增强的量子通信。

色心能使量子技术受益的另一种方式是产生比单个光子更复杂的光子态。通过使用色心量子存储器，有可能产生纠缠的光子序列(如所谓的簇态)，可用于强大的计算和通信协议。到目前为止，簇态仅在量子点中得到了证明，但是色心量子存储器也可以用来产生这样的纠缠光子序列。

撬动半导体行业的SiC

迄今为止，最具突破性的色心研究都是在金刚石中进行的，特别是氮空位(NV)和硅空位(SiV)的色心。这些色心是基于金刚石晶格中的缺陷，在晶体晶格中两个碳原子被一个氮原子和一个晶格空位(对于NV中心)或一个硅原子和一个空位(对于SiV中心)所取代。SiC在该领域相对较新，但与金刚石有一些相似之处。(事实上，有趣的是，用硅原子替换金刚石晶体中的每一个碳原子实际上会产生碳化硅晶体，这是一种立方体多型材料。)

和金刚石一样，SiC也有色心，这在光量子技术中很有前途。然而，与金刚石不同的是，SiC晶圆的生产是由数十亿美元的半导体产业支持的。像Cree, Inc.这样的公司正在扩大他们的SiC增长能力，以满足应用于电动汽车等领域的日益增长的对高效、大功率半导体器件的需求。因此，一个6英寸的高纯碳化硅晶片和5×5mm金刚石晶片价格相当，每个晶片区域的价格相差近千倍。

几十年来对优化体单晶的生长的投资和研究（其中的优化包括减少污染、缺陷、位错和其他问题），以及先进的SiC层同外延化学气相沉积(CVD)法，实现了前所未有的纯度和对特性的控制。2019年，在这些进展的基础上，芝加哥大学的研究人员证明了商业化的圆片规模的SiC PIN结具有优异的光学和自旋特性的光谱可调色心。这次演示为可扩展的色心技术铺平了道路

从体单晶到薄膜

尽管高纯度SiC晶片已经在市场上销售了几十年，也并非缺乏尝试，但集成光子学领域一直未能利用这种本质上具有高透明度的半导体。要在一种新材料中创造集成光子，必须在低折射率衬底上隔离一薄层，以便波导和谐振器可以在薄层上形成图案，以限制光并控制其传播。长期以来，SiC面临的挑战是找到一种合适的方法，从高质量的大块晶圆中制造薄膜。

当然，从体单晶到薄膜转变最显著的例子是集成光子学的主要平台—绝缘体上的硅(SOI)。在生产SOI的技术中，被称为SmartCut的工艺是由法国格勒诺布尔的CEA-Leti的Michel Bruel在20世纪90年代末首创的，现在已经走在了前面。在SmartCut中，氢离子被注入大块晶体，并在晶体表面下形成富氢层。在高温退火下，H+层蒸发产生H2气泡，导致薄膜开裂并从大块晶体中分离出来。这就产生了厚度极其均匀的完美单晶薄膜。各种敏感性实验表明，通过SmartCut制备的SOI在材料质量上与大块硅几乎没有区别，该技术在硅领域取得了令人难以置信的成功。

SmartCut技术也应用于碳化硅。然而，令人惊讶的是，用这种方法制备的绝缘体SIC(SiCOI)薄膜的材料有约5 dB/cm的高光学吸收，质量明显低于大块材料。这种材料的光学损耗如此之大，显然不适合用于高性能集成光子学。 SmartCut SiC的关键问题是熔化温度。大块硅在1400°C的较低温度下熔化，在更低的温度下软化，结果表明，在退火过程中，注入氢离子引起的晶格损伤几乎完全修复。相反，SiC根本不熔化，而是在2700℃的极端温度升华为气体，在这个温度下，用于SiC薄膜的任何衬底都将被破坏。因此，认为在SmartCut制备的SiC中，由于氢注入所引起的损伤几乎是永久性的而且无法修复，因此大的光学吸收是不可避免的。

另一种制备SiC薄膜的方法是异质外延，即在不同的材料基体上生长SiC。多型3C-SiC很容易在硅上生长，为薄膜SiC提供了一种方便的、晶片级的方法。然而，SiC与硅之间的晶格失配导致了SiC中高密度的晶格缺陷。这种低质量的材料不仅会降低色心的特性，而且还会降低经典光子电路的色心特性。

向高质量薄膜发展

2019年，京都大学和斯坦福大学的研究小组各自推出了一种“研磨和抛光”法，依靠强力来制造难以捉摸的高质量SiC薄膜。该方法包括将SiC粘结在载体晶片上，将晶片研磨到几微米的厚度，然后抛光以获得光滑的表面。尽管在这个过程中会使厚度不均匀，该方法不能立即扩展，但产生的SiCOI保留了SiC体晶片的原始材料质量。

碳化硅的研磨和抛光技术使带有色心的集成光量子器件的一些基本部件得以演示。其中包括将单色心集成到高质量的纳米光子腔和波导中，传播损耗低于0.1 dB/cm。低损耗波导对于可伸缩的光量子节点的发展至关重要，不仅可以高效地连接芯片上的量子节点，而且还可以利用SiC本征二阶/三阶光学非线性设计高质量的纳米光子腔来转换光子频率但仍保持量子态。然后，色心发出的光子可以直接在芯片上转换成通信波段，通过现有的光纤网络进行更有效的路由。

下面重要的一步是改进工艺，使晶圆规模生产成为可能。在SmartCut方法主导SOI行业之前，其他生产SOI的竞争性方法已经被开发出来。其中一种是粘结和蚀刻反式绝缘体上硅(BESOI)。这种方法与碳化硅的研磨和抛光方法类似，但有一个关键区别：在结合之前要进行额外的外延。然后可以利用研磨后的选择性化学腐蚀来消除在研磨步骤中引入的不均匀性。

类似的方法可能允许在晶圆规模上制造高纯度SiCOI。虽然碳化硅是化学惰性最强的材料之一，但它对掺杂选择性光电化学蚀刻很敏感。这为在SiC中实现类似BESOI的材料打开了大门，从而将SiC添加到不断扩大的商用新型薄膜材料(如最近开发的绝缘体上的铌酸锂)名单中。

SiC在量子光子学及其他领域的应用

虽然高质量薄膜SiC平台的展示已经是重要的一步，但仍然存在许多挑战。其中一个是证明窄线宽和光谱可调色心，这将使通过光子干涉可以可控地产生片上色心纠缠。如果这一挑战能够被克服，SiC可能成为将最先进的经典光子学与基于自旋的量子技术相结合的平台。

然而，商用SiCOI的应用可能会远远超出光量子学。SiC材料的高折射率(2.6)和大禁带(3.2 eV)使其成为在可见光谱中进行强约束非线性光子研究的理想材料。在通信频段，低片内功率要求的光频梳已经在SiCOI上得到了验证。此外，可以通过平面半导体结或引入容易在4H-SiC表面生长的石墨烯单层来制造有源器件。

除了光子学，SiC也可能成为推动当前能力极限的微纳米机械设备的顶级竞争者。由于其优越的力学性能，SiCOI可用于制造新一代机械谐振器。同时，SiCOI具有与标准CMOS制造完全兼容的优势，这意味着晶片制造商可以立即将其基础设备应用到SiC器件上，而不必担心污染设备或重新设计制造流程。因此，高质量碳化硅光子学的发展是一个例子，说明对一项技术的工业投资对扩大新兴研究领域至关重要。如果没有半导体行业几十年的材料发展，就不会实现SiC在经典和光量子学方面的进步。从这样的角度来看现有的工业基础设备可以促进而不是阻碍技术创新。

图1：三种SiC薄膜制备方法。