微光子 - 微电子融合：碳化硅量子光子电路的原子层处理技术

一、量子技术的发展现状与核心挑战

量子系统是未来技术的新星，大型高科技公司及机构投资者正参与全球竞赛，致力于将量子力学现象从研究实验室推向更广泛的实际应用。信息处理、传感器技术和通信领域已因此发生变革，这将永久改变整个经济部门和社会。

从技术角度而言，量子系统是量子物理、光子学和电子学的结合体，量子计算机便是其中极具代表性的例子。当前的量子系统在很大程度上仍类似复杂的光电子实验室装置，生成、控制和处理量子态需要巨大的技术投入，其复杂性、庞大体积以及所需的冷却条件（许多解决方案需在接近绝对零度的温度下工作）均为限制因素。因此，要将量子技术融入可销售的产品和服务，需大量研发工作以打造关键基础技术，而实用量子系统的经济实现，也缺乏统一且具未来适应性的材料平台，难以实现微型化的重大突破、性能提升及成本降低。

图|碳化硅衬底上直径 200 微米的光学环形谐振器

二、碳化硅：量子技术的理想材料平台

碳化硅（SiC）作为一种宽带隙（WBG）半导体，近年来在电力电子领域已站稳脚跟，同时也是固态量子系统中极具前景的技术平台。它在开发光子微系统和光子集成电路（PIC）方面吸引力十足，可用于制造光学器件、光源和传感器，其非线性光学效应还能改变激光光的颜色，例如高效将红外光转换为可见光。

更重要的是，碳化硅可积分点缺陷，形成在室温下功能的色心，未来甚至可能实现量子泛函的直接积分。此外，碳化硅兼容微电子学和微光子学，具备新的量子电子功能，且与经典硅技术中易于控制的CMOS工艺兼容，非常适合量子PIC的工业大规模生产，堪称光子学、电子学和量子应用的理想平台。MPL项目负责人Pascal Del'Haye博士也指出：“这使得碳化硅成为光子学、电子学和量子应用的理想平台。”

图|Fraunhofer THM 的研究人员正将晶圆放入沉积 / 蚀刻集群的传输腔室中，以通过原子层蚀刻技术进行结构化加工。

三、量子光子器件的核心需求与现存问题

距离光电子量子芯片成为现实仍有漫长道路，该领域研究尚处于起步阶段。制造PIC需要具有最小光学损耗的标准化微光子器件，光学波导和环形谐振腔便是核心组件——波导承担无损耗光学线的功能，谐振腔由微小的环组成，输入光在其中可循环达一百万个周期，通过实现的光子存储时间，使器件能以高光周期充能，进而实现多种非线性光学效应。

例如，微谐振腔可将特定波长的激光光转换为光频梳（由多个离散频率组成的光源），适用于电信网络中非常快速的并行数据传输；环形谐振腔中反向传播光的非线性光学耦合还会导致自发对称性破缺，使光只能沿单向循环，可用于实现芯片集成的光学二极管、光子开关或光学传感器，助力构建更复杂的光子系统。但目前在硅碳基板上制造的光子器件质量尚未达最佳，较高的表面粗糙度会导致波导和谐振腔产生光学损耗，而完美表面对于确保光子快速移动且不向外隧道移动至关重要。

四、ALP-4-SiC项目：技术创新与合作模式

为解决上述问题，马克斯·普朗克光科学研究所（MPL）和弗劳恩霍夫综合系统及器件技术研究所（IISB）联合开展ALP-4-SiC项目（光子学和量子通信应用中的原子层处理SiC），旨在推动碳化硅成为下一代光子集成芯片的关键材料平台。该项目由德国联邦研究、技术与航天部（BMFTR）在WiVoPro计划（“科学前期项目”）框架下100%资助，核心目标是打通基础研究与工业工艺开发之间的壁垒，为基于碳化硅的量子光子集成芯片奠定基础。

图|来源：《Compound Semiconductor》

项目汇聚了多方核心专长：MPL凭借在光元件设计和表征方面的丰富经验，IISB贡献其在硅碳半导体技术和原子层加工领域的专业知识，弗劳恩霍夫高性能材料技术中心THM也参与其中。研究着重运用原子层处理技术（ALP）改善碳化硅基微光电子器件的光学性能，核心是利用原子层蚀刻（ALE）技术平滑器件表面，创建明确界面，以降低碳化硅波导和环谐振器表面的粗糙度，这是减少光学损耗、为集成量子系统提供高质量光子元件的关键步骤。

五、项目价值与未来展望

通过增强光子约束并降低散射损耗，ALP-4-SiC项目的研究将支持非线性光学效应、光学频率梳生成以及芯片级光子开关等诸多先进功能的应用，这些功能对未来量子通信和计算平台的构建至关重要。

基于原子层的光子器件集成过程，带来了显著提升光学性能的新方法，对集成光子器件的未来商业化具有巨大潜力。从中期来看，尤其是ALE工艺设备制造商能够开拓新的客户群，为光子学供应商提供创新产品的快速增长市场定位，但目前尚无法预测基于SiC的通用、实用且可扩展的集成量子光电子电路技术平台的长期影响。

资讯来源：Compound Semiconductor、Max Planck Institute for the Science of Light