绝缘体上碳化硅（SiCOI）薄膜：高性能光子器件的理想选择

        绝缘体上碳化硅（SiCOI）薄膜是一种创新型复合材料，通常由单晶高质量碳化硅（SiC）薄层（500~600 nm，根据具体应用而定）覆盖在硅基二氧化硅（SiO₂）之上制备而成。SiC以其卓越的导热性、高击穿电压和优异的耐化学性而闻名。当这种材料与绝缘层结合后，能够同时满足高功率、高频和高温等严苛应用的需求。SiCOI薄膜片的相关产品详情，欢迎咨询：vp@honestgroup.cn。

1. 绝缘体上碳化硅薄膜结构

2. SiCOI制备方法

        SiCOI薄膜的制备可以通过CMOS工艺实现，如离子切割、键合，从而与现有电子电路无缝集成。

2.1离子切割工艺

        其中一种工艺基于离子切割（智能切割）和SiC层转移，然后是晶片键合。该技术已应用于绝缘体上硅（SOI）晶片的大规模生产。然而，在SiC的应用中，离子注入可能引入热退火无法恢复的损伤，从而导致光子结构中损耗过高。此外，超过1000°C的高温热退火并不总是与某些应用工艺兼容。

        为了解决这些问题，可采用研磨和化学机械抛光（CMP）技术，将结合后的SiC与SiO₂-Si直接减薄至<1μm，从而获得光滑的表面。而进一步的减薄可通过反应离子蚀刻完成，这种方法在SiCOI结构中能够最大限度地减少损耗。同时，湿氧化辅助CMP技术已被证明能够显著降低表面粗糙度和散射损失，而高温退火也可以进一步优化晶片质量。

图1 离子切割法流程图

2.2 晶片键合技术

       另一种制备方法是晶片键合技术，通过在SiC和Si晶片之间施加压力，并利用两片晶片的热氧化层进行键合。然而，SiC的热氧化层可能在SiC-氧化物界面处引发局部缺陷，这些缺陷可能导致光损耗增加或形成电荷陷阱。此外，SiC上的二氧化硅层通常通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备，这一过程也可能带来一定的结构问题。

        为了克服上述挑战，一种新型3C-SiCOI芯片制造工艺被提出，采用阳极键合工艺结合硼硅酸盐玻璃，从而保留了硅微加工/CMOS和SiC光子学的全部功能。此外，非晶态SiC还可以通过PECVD或溅射直接沉积在SiO₂/Si晶片上，从而实现简化的工艺集成。这些方法均与CMOS工艺完全兼容，进一步推动了SiCOI在光子学领域的应用。

3. SiCOI薄膜优势与应用

        与现有的绝缘体上硅 (SOI)、氮化硅 (SiN) 和绝缘体上铌酸锂 (LNOI) 3材料平台相比，SiCOI 材料平台在光学应用方面展现出显著优势，正在成为量子技术的下一代材料平台。具体优势如下：

1）在 ~ 400 nm 到 ~ 5000 nm 的波长范围内展示了极佳的透明度，并实现波导损耗 < 1 dB/cm的出色性能；

2）支持电光调制、热开关、频率调谐等多种功能；

3）展现了二次谐波及其他非线性光学特性，并可作为基于色心的单光子源平台。

        此外，SiCOI结合了SiC的高导热性、高击穿电压的优势和绝缘体的良好电学隔离性能，并增强了原始 SiC 晶片的光学特性，被广泛应用于集成光子学、量子光学、功率器件等多个高科技领域。基于该材料，研究者开发出了众多高质量光子元件，包括线性波导、微环谐振器、光子晶体波导、微盘谐振器、电光调制器、马赫曾德干涉仪（MZI ）和分束器等。这些元件具有低损耗、高性能的特点，为量子通信、光子计算和高频功率设备提供了坚实的技术支持。

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参考文献

Yi A , Zheng Y , Huang H ,et al.Wafer-scale 4H-silicon carbide-on-insulator (4H–SiCOI) platform for nonlinear integrated optical devices[J].Optical Materials, 2020:109990.DOI:10.1016/j.optmat.2020.109990.