在ALP-4-SiC項目中，德國聯邦研究、技術與航天部推出了“科學預研項目”計劃。在該項目中，德國的馬克斯·普朗克光科學研究所與弗勞恩霍夫IISB研究所共同致力于開發用于制造高效光子集成電路以及基于碳化硅的微型固態量子系統的基礎技術。該項目屬于德國聯邦研究、技術與航天部“WiVoPro：德國量子技術發展計劃”的組成部分。
以光波導及環形諧振器為例，他們展示了如何利用原子層沉積技術顯著改善由碳化硅制成的光子器件的光學性能。
堅固耐用、可連接且兼容量子技術：碳化硅作為關鍵的量子材料
作為一種寬禁帶半導體材料，碳化硅因其獨特的物理特性而成為固態量子系統發展的理想技術平臺。近年來，碳化硅已在電力電子領域得到廣泛應用；同時，由于它可以用于制造光學器件、光源及傳感器，因此在開發光子微系統及光子集成電路方面也具有巨大潛力。
碳化硅也因其非線性光學效應而備受關注——這些效應可被用來改變激光光的顏色。例如，碳化硅能夠高效地將紅外光轉化為可見光。
以色心形式存在的點缺陷在室溫下仍能發揮作用，這一特性使得碳化硅未來甚至有可能直接實現量子功能的集成。
“這使得碳化硅成為光子學、電子學及量子技術應用的理想載體。”負責MPL該項目研究的帕斯卡爾·德爾海博士說道。
因此，碳化硅可用于制造構建強大且微型化的量子系統所需的所有元件。它與微電子技術及微光子技術兼容，并能實現新的量子電子功能。由于碳化硅與傳統硅技術中易于控制的CMOS工藝相兼容，因此被認為非常適合用于量子光集成電路的工業化大規模生產。
首批微光子器件的優化為碳化硅量子芯片的研發鋪平了道路
要制造光集成電路，就需要使用具有極低光損耗的標準化微光子器件。這些器件需要配備能夠高效引導或儲存光信號的光波導及環形諧振器。光波導起到無損耗傳輸光信號的作用，而環形諧振器則由多個環狀結構組成，輸入光信號在其中可循環傳播多達一百萬次。通過這種方式實現的光子存儲功能使得這些器件能夠承載較高的光功率，從而產生多種非線性光學效應。例如，微諧振器可將特定波長的激光轉換為光頻梳——一種由多個離散頻率組成的光源。這種光源可用于電信網絡中實現高速并行數據傳輸。
另一個重要的效應是相向傳播的光之間的相互作用。在環形諧振器中，相向傳播的光通過非線性光學耦合作用產生自發對稱性破缺，從而使光只能沿一個方向傳播——無論是順時針還是逆時針方向。這一現象可被用于制造芯片集成型光電二極管、光子開關及光學傳感器等器件，進而促進更復雜光子系統的開發與構建。
然而，采用碳化硅基底制造的光子器件的質量尚未達到理想水平。其表面粗糙度較高，從而導致波導及諧振器中出現光損耗。只有擁有完美光滑的表面，光子才能快速傳播而不會向外泄漏。一種可行的解決方案是利用原子層刻蝕技術對器件表面進行拋光處理，從而形成清晰的界面并最大限度地減少損耗與散射現象。
在ALP-4-SiC項目中架起基礎研究與工藝開發之間的橋梁
要開發基于碳化硅的復雜光子器件的新型制造工藝，基礎研究與應用研究必須緊密協作。在ALP-4-SiC項目中，MPL與弗勞恩霍夫IISB通過其位于薩克森州弗賴貝格的高性能材料技術中心發揮了各自的優勢：MPL在光子元件的設計與特性分析方面擁有豐富經驗，而IISB則在其碳化硅半導體技術及原子層加工領域具有專長。
圖片：碳化硅中光子結構的橫截面圖——絕緣體基上的SiC結構。? Pascal Del’Haye/MPL。
將基于原子層沉積技術的工藝與光子器件結合起來，從而顯著提升其光學性能的這一新方法，被認為對未來光子器件的商業化具有巨大潛力。從短期來看，采用該技術的工藝設備制造商有望開拓新的客戶群體；而擁有創新產品的光子器件供應商則能在這個快速發展的市場中占據有利地位。不過需要指出的是，目前還無法預測基于碳化硅的通用型、實用型且可擴展的集成量子光電電路技術平臺在長期內會產生何種影響。
來源：今日半導體
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