宽禁带科技论|德国维尔茨堡大学：首次实现室温连续波工作的碳化硅半导体微波激射器

近日，德国维尔茨堡大学Andreas Sperlich团队在《Nature Communications》发表研究论文，首次报道了基于4H-碳化硅中硅空位（VSi）的半导体微波激射器。该工作利用有源反馈回路提升谐振腔品质因子，实现了连续波激射，且可在室温以上工作；微波激射器同时可用作微波预放大器、微波光子吸收器（将谐振腔模式温度降低40 K）和磁力计（磁场灵敏度达20 pT/√Hz），展现了碳化硅重塑室温微波激射器技术的巨大潜力。

研究背景

激光器已成为日常生活中不可或缺的一部分，但基于受激发射的微波激射器历史悠久，迄今仅在低噪声放大器和时钟标准等有限场景中得到应用。这归因于其极为不利的工作条件，例如自由电子和原子微波激射器需真空技术，固态微波激射器需低温环境。 因此，微波激射器的巨大潜力尚未被充分开发。

近年来，自旋缺陷微波激射器的进展为克服这些限制开辟了新可能。目前已报道两种室温自旋缺陷微波激射器体系：一是基于有机材料（如并五苯）的脉冲微波激射器，正朝连续波方向发展；二是基于金刚石中NV色心的连续波微波激射器，工作于X波段9.2 GHz。然而，基于碳化硅——这一工业界成熟且可晶圆级制备的半导体材料——的全功能微波激射器至今未能实现。 4H-SiC中硅空位具有极小的零场分裂（2D/h = 70 MHz），使其在极小的偏置磁场下即可实现粒子数反转，从而在整个通信波段内具备极宽频率可调谐性。

图文解读

1.SiC基微波激射器的工作原理与首次演示

图1 碳化硅基微波激射器的工作原理与首次演示

图1a展示了微波激射器的基本工作原理：由增益材料（4H-SiC中的VSi缺陷）、光泵浦（808 nm激光）和谐振腔三部分组成。图1b展示了VSi缺陷的泵浦能级：体系具有四重基态自旋（S=3/2），经近红外光激发后自旋依赖地弛豫，能量较低的J=1/2支能级获得更高布居。通过施加大于2.5 mT的外加磁场克服基态能级反交叉，使较高能级的布居数超过较低能级，实现粒子数反转。 图1c首次展示了SiC基微波激射器在T=110 K下的微波输出，在共振磁场处观察到线宽0.021 mT的窄峰及两个与2⁹Si超精细相互作用相关的卫星峰，首次演示了基于SiC的连续波微波激射器。

2. 品质因子Q值增强与性能提升

图2 Q值增强对SiC基微波激射器输出功率的调控

图2a为理论模型模拟的微波功率随Q值和光泵浦功率的变化关系，黑色虚线为微波激射器阈值，右上区域为激射工作区。Q值（品质因子）是衡量谐振腔能量损耗的指标，Q值越高表示能量损耗越小，谐振腔对微波的束缚能力越强。 图1c的测量结果位于阈值附近，解释了输出功率极低的原因。通过引入有源反馈回路——将微波部分输出放大后同相馈回谐振腔——可人工增强Q值达5倍。图2b展示了反馈回路驱动下的测量结果：输出功率接近-100 dBm/Hz，已可用于实际应用；微波输出线宽仅0.001 mT，较图1c收窄21倍。 图2c显示微波激射器输出强烈依赖于Q值，与模拟高度吻合；更高的Q值允许更低的光泵浦功率达到激射阈值。

3. 室温微波激射器的实现

图3 室温下SiC基微波激射器的演示与温度依赖性

图3a展示了特征泵浦功率P₀随温度的变化关系，P₀紧密跟随自旋-晶格弛豫率T₁⁻1的温度依赖性，表明T₁⁻1是主导弛豫机制。图3b展示了室温下（315 K，因光泵浦加热）首次微波激射器输出：在共振条件下观察到-80 dBm/Hz的强微波输出信号，以及随频率连续变化的随机迹线（来源于谐振腔内热光子，经反馈回路轻微放大）。 室温下信号线宽展宽至0.04 mT，这实际上是极大优势——表明微波激射器对磁场波动具有良好稳定性，若峰更窄则微小磁场偏差即会导致输出崩溃。

4. SiC基微波激射器的三种应用

图4 SiC基微波激射器作为放大器、制冷器与磁力计

图4a展示了微波激射器作为低噪声预放大器的实验结果：光泵浦增益介质将弱微波信号放大7 dB，且未观察到信号展宽。图4b模拟了不同Q值和泵浦功率下的增益潜力，原则上可将弱信号放大数个数量级。图4c的实验验证显示，提高Q值和光泵浦功率均可增强放大效果，最高在500 mW激光功率下实现11 dB增益，噪声系数1–3.5 dB，噪声温度远低于器件温度。

图4d展示了微波激射器作为微波制冷器的应用。利用B⁻跃迁的光学自旋极化吸收微波光子，在共振处观察到-2 dB衰减，对应40 K的温度降低。 硅空位极小的零场分裂使得在仅±2.5 mT的磁场偏移下即可在制冷器与放大器模式间切换，而金刚石NV色心需要±102.5 mT，体现出SiC的独特优势。

图4e-f展示了微波激射器作为磁力计的应用。ODMR（光探测磁共振）和EDMR（电探测磁共振）的对比度分别低于1%和0.1%，而微波激射器仅在共振条件下工作，关断时仅剩热光子背景，对比度达10%，使对比度-线宽比较传统读出技术提升9个数量级。 考虑激发激光相对强度噪声的影响，估计室温磁场灵敏度为20 pT/√Hz。

结论与展望

（1）首次演示了基于4H-SiC中硅空位缺陷的连续波半导体微波激射器，利用有源反馈回路实现了Q值增强，使微波激射器可在室温以上稳定工作。

（2）该微波激射器作为低噪声微波预放大器，实验增益超过10 dB（110 K），模拟显示潜在放大能力可超30 dB，噪声温度远低于器件温度。

（3）该微波激射器作为微波光子吸收器（制冷器），可将谐振腔模式温度降低40 K，且SiC中VSi的极小零场分裂使其可在±2.5 mT磁场偏移下实现制冷与放大模式的快速切换。

（4）该微波激射器作为磁力计，对比度-线宽比较传统ODMR/EDMR读出技术提升9个数量级，室温磁场灵敏度达20 pT/√Hz。

碳化硅在半导体工业中的成熟地位及其与大规模制造的兼容性，凸显了其作为可扩展室温微波激射器平台的潜力。本工作采用的自旋缺陷不仅可通过光学方式极化，还可通过电学方式极化，为电驱动片上微波激射器的发展开辟了道路。正如从光学激光器向紧凑型激光二极管的转变改变了日常技术一样，本工作为微波激射器二极管的实现奠定了基础，可能开启微波激射器在科学、工程和工业领域实际应用的新篇章。

原文链接：

Gottscholl, A., Wagenhöfer, M., Baianov, V. et al. Semiconductor room-temperature maser. Nat Commun 17, 7267 (2026).

https://doi.org/10.1038/s41467-026-75446-2

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