哈工大深圳宋清海/周宇课题组实现4H-SiCOI单自旋-腔确定性耦合 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

导读

构建片上量子网络的核心挑战，在于如何在微纳芯片上同时实现单光子的高效产生、精准操控与低损传输。碳化硅（SiC）凭借其优异的长寿命色心资源与成熟的CMOS工艺兼容性，被视为这一领域的理想载体。然而，长期以来，如何在高质量薄膜上精准定位随机生成的色心，并将其与光子结构完美对准，是阻碍该材料走向晶圆级集成的关键难题。近日，哈尔滨工业大学（深圳）宋清海、周宇教授团队与中国科学院上海微系统所欧欣研究员团队合作，在4H-SiCOI平台上通过独特的协同设计框架，攻克了从材料制备到纳米级对准的工艺难题，成功实现了单色心与牛眼腔的确定性集成。该成果以“Deterministic and Scalable Coupling of Single 4H-SiC Spin Defects into Bullseye Cavities”为题发表于国际光学著名期刊《Laser & Photonics Reviews》。哈尔滨工业大学（深圳）博士生包桐源、罗祺，中国科学院上海微系统与信息技术研究所伊艾伦副研究员为论文共同第一作者，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员、哈尔滨工业大学（深圳）宋清海、周宇教授为共同通讯作者。

研究亮点

在传统的量子器件制备中，色心的生成位置往往具有随机性，研究人员通常不得不通过“盲选”来寻找恰好位于微腔中的色心，导致器件良率极低且难以规模化。针对这一痛点，研究团队提出了一套覆盖“缺陷生成-坐标标记-微腔制备”全链条的协同工艺框架。团队首先利用晶圆键合与机械-化学协同抛光技术，获得了厚度仅为200纳米的高质量4H-SiC单晶薄膜，为低损耗光学传输打下基础。在此基础上，研究人员开发了“金标记-CCD成像-电子束曝光（EBL）”的三级对准技术，这就好比为微观制造装上了高精度“瞄准镜”，将单个PL6色心的定位误差控制在数十纳米级别。这种技术突破使得研究者可以直接在选定的色心位置上刻蚀出“牛眼”光子晶体腔，真正做到了“选哪颗就耦合哪颗”，彻底摒弃了传统的随机尝试模式。

图1. “指哪打哪”的确定性集成工艺。(a) 从晶圆级薄膜制备到“金标记-电子束曝光”三级对准的工艺流程示意图；(b) 刻蚀完成的碳化硅“牛眼”微腔电子显微镜照片，显示出完美的同心圆结构与极高的加工质量。

实现精准对准只是第一步，器件在光学性能与量子性质上的优异表现才是该工作的核心价值所在。得益于牛眼腔对光场的强束缚能力，模场被紧紧“钉扎”在中心盘上方，使得色心的零声子线（ZPL）荧光强度提升了40倍。同时，时间分辨测量表明色心的荧光寿命显著缩短，对应约5倍的Purcell增强因子，这意味着单光子源的发射速率更快。

图2. 腔模与色心的共振。(a) 通过调整牛眼腔直径实现共振波长的连续调控；(b) 当腔模与色心零声子线（ZPL）重合时，荧光强度获得大幅增强；(c) 共振状态下荧光寿命显著缩短，验证了Purcell增强效应。

更为关键的是，尽管经历了复杂的微纳加工工艺，色心本身优异的自旋性质并未受损。实验清晰观测到了单个PL6色心的反聚束效应（g2(0）约0.28），并在同一器件内完成了ODMR（光学探测磁共振）与拉比振荡。该工作在4H-SiCOI平台上验证了“确定性耦合”的可行性，打破了碳化硅量子器件难以重复制备的困难。