碳化硅光电子集成技术的发展与应用

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引言
6 ]- M, h5 E8 [% b- P6 V( [2 B碳化硅(SiC)正在成为光电子集成领域的重要材料，凭借独特的光学性能，能够推动光通信、量子计算和传感技术的发展。本文探讨碳化硅光电子技术的现状、优势及近期研究进展[1]。
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光电子集成技术基础
% o7 }  x* L8 Y4 q8 Q8 P  H( V在过去50多年中，硅一直是微电子工业的核心材料。随着器件尺寸接近物理极限，研究人员开始转向光电子集成技术寻求新的突破。从电子到光子作为信息载体的转变既带来机遇也面临挑战。

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+ a, {  ^% A0 {1 @7 D表格1展示了光子和电子作为信息载体的基本差异，突出了光电系统的优势。
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$ U1 G0 a* Q' P) x光电子集成与电子集成的根本区别在于载体选择。光子相比电子具有多项优势：不带电荷，因此不受电磁干扰；无质量，使运行速度更快。但是，光的操控也带来了研究人员需要解决的特定难题。

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. B/ S3 @. ~, ~5 s0 L" b碳化硅的优势
# v$ [$ l1 I9 x0 i7 g* p! D  o虽然硅凭借成熟的加工技术在光电子领域发挥重要作用，但面临两个主要限制：间接带隙使其发光效率低下，相对较窄的带隙导致在通信波长下出现强烈的双光子吸收。这些限制促使研究人员探索碳化硅等替代材料。

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8 D4 a4 g+ x9 w1 _( B' i表格2全面对比了碳化硅与其他光电子集成材料平台的性能，展示了其在各种光学特性方面的竞争优势。

碳化硅在光电子集成方面具有多项优势：
& a# T' V/ V8 a6 R& ]' Z$ F6 ^& j兼容CMOS工艺和生物相容性
% _( J# k, S: @+ Q- p6 A" U储量丰富且无毒
高二阶和三阶非线性
宽禁带
9 L( b2 ^6 v6 c+ m低本征材料损耗
优异的热导率
7 \, A+ }$ U; O/ X5 ~多种晶型可选，性能可调
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3
) P  h( w4 K$ \4 _$ w$ |光频梳：革新性应用
2 {, e0 r: @5 w0 f: M5 D. {光频梳(OFCs)的发展是光电子技术的重要里程碑，相关研究获得2005年诺贝尔物理学奖。这种器件产生具有离散、等间隔频率线的光谱，可作为测量光频率的精确标尺。

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: a) `$ }/ h% I4 y图1展示了2014年至2023年微型光频梳的发展路线图，显示了不同材料平台的演变过程。
; l& Z, ~1 c  f9 _1 `9 L
芯片级光频梳（微型光频梳）代表第三代光频梳技术，继锁模激光光频梳和光纤激光光频梳之后的重要进展。该技术结合纳米加工和非线性光学优势，具有：
/ j) ?, s6 A8 ]! ~& z9 _& W+ B4 u小型化
能源效率高
超宽带输出
+ |' Y! h. A! Q' B+ b/ j! X应用范围广

1 ~1 b7 D  K: y# [) U

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图2展示了基于微环谐振器的SiCOI光频梳，说明了该技术的实际应用。

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* k! b, q; _& n0 D4 E/ B+ g8 S技术挑战与解决方案
在实现碳化硅光电子集成过程中面临几个主要挑战：
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3 d! T' F. m* z, Z8 K5 |; A9 U1. 碳化硅绝缘体上（SiCOI）结构制备
最初采用离子切割方法将碳化硅从晶圆转移到薄层，但会导致较高的光学损耗。目前采用键合和研磨方法，但产率仍需提高。
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2. 波导开发
制作低损耗波导需要精确控制制造工艺。丹麦技术大学的研究团队优化了电子束光刻、干法刻蚀和二氧化硅顶层沉积工艺，实现了表面光滑、几何结构良好的波导。

3. 光耦合
标准单模光纤（约10微米）与碳化硅波导（约500纳米）之间的尺寸差异显著，需要在芯片上采用特殊的模式转换策略。

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; \' ~& n4 @1 W& P8 y7 |; N未来发展
! ?7 Z) m0 c2 S+ W3 C碳化硅光电子技术在量子光电子集成领域展现出巨大潜力。材料中的多种色心可提供室温单光子源，性能有望超越金刚石和三五族量子点。

短期发展重点是优化碳化硅绝缘体上光电子集成的六个基本构建模块。长期目标包括将碳化硅确立为量子光电子集成线路的主导平台，特别强调单光子源的单片集成。
+ ]2 {3 ?3 d  K( I, [& T, f0 ?+ S
3 I2 |6 A1 H. Z) l3 P' \7 _参考文献
[1] H. Ou, "Integrated photonic platforms: The case for SiC," PIC Magazine, vol. III, pp. 24-28, 2024.
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