基于离子束剥离技术的绝缘体上的碳化硅制备及器件研究

High-quality silicon-based SiC film is enormously demanded in the high-temperature sensors and integrated quantum photonics. In this project, the heterogeneous integration technique based on the ion-cutting method is investigated to overcome the crystal and lattice mismatch in the hetero-epitaxy process and to fabricate high quality SiC-on-Insulator (SiCOI) substrates. The investigation focuses on the mechanism of “debonding” in ion-slicing process and the “re-bonding” between the hetero-interfaces. Then, the implantation and annealing processes are optimized to fabricate wafer-scale (>4 inch) highly pure SiCOI substrates with low strain and low damage level. This project will contribute to develop the key techniques for providing wafer-scale highly-pure SiC thin film material. Meanwhile, SiC integrated photonic devices will be demonstrated on the developed SiCOI material platform, and the device performance will be characterized to optimize the quality of the fabricating SiCOI wafer. The success of this project will provide a material platform for high-performance SiC-based high temperature electronics and quantum photonics.

本项目面向高温传感器、集成量子光学器件对高质量硅基SiC单晶薄膜的需求，研究基于“离子束剥离与键合”的异质集成技术，突破传统硅基异质外延存在的晶型失配和晶格失配等物理限制，制备绝缘体上的SiC（SiC-On-Insulator，SiCOI）异质衬底。重点研究离子束剥离高纯SiC材料的“断键”机理与异质键合界面融合的“成键”过程。在此基础上优化离子注入与退火工艺，制备出低应力、低损伤的晶圆级（≥4英寸）高纯SiCOI衬底，为国内解决“卡脖子”高纯SiC薄膜材料提供关键技术积累。在材料制备的基础上，开发 SiC集成光学器件，提取器件参数迭代优化SiCOI制备工艺并提升材料质量。本项目的顺利实施将为高性能SiC器件在高温电子、量子光子学等领域的研究提供材料平台。

碳化硅（Silicon Carbon, SiC）是一种性能优异的宽禁带半导体材料，其禁带宽度达到2.4~3.2 eV，具有高硬度、高热导率（480 Wm-1K-1）、耐腐蚀等特性。同时，碳化硅材料还具有非常优异的光学参数，其1550nm波长的折射率为2.6，其二阶非线性系数高达30 pm/V，科尔非线性系数为10-18m2W-1。因为其优异的材料性能和光学参数，SiC成为量子光学和非线性光学研究领域中的热门材料之一。如今，SiC材料被发现具有200多种晶型，而其中最常用的则为3C（禁带宽度2.4 eV）、4H（禁带宽度3.2 eV）和6H（禁带宽度3.0 eV）三种晶型。其中，由于4H SiC的具有0.37~5.6 μm的透明窗口，在光学领域最具应用价值。为了提高SiC光学器件的性能、缩小器件尺寸、提高紧凑型，需要将SiC材料制备在SiO2绝缘层上，形成所谓的SiC-on-Insulator (SiCOI)结构。本项目将开展基于离子注入剥离的SiCOI结构制备及其器件性能研究，主要研究内容将分为SiC的离子注入剥离、晶圆级SiCOI衬底制备和SiCOI光学性能研究三个方面。在SiC的离子注入剥离研究方面，对SiC剥离开展热动力学研究，分析注入到SiC内部的H离子的成/断键与扩散机制。针对SiC的化学稳定及高键强等特点，筛选与优化SiC的离子注入条件和剥离条件，形成最优的离子注入和剥离条件。在晶圆级SiCOI制备方面，优化SiC与SiO2/Si衬底的异质键合工艺，减少键合缺陷，制备4英寸晶圆级SiC薄膜。经过处理后，SiC薄膜的半高宽仅为75.6 arcsec，表面粗糙度仅为0.3 nm，具有良好的单晶性能和表面状态。采用该结构制备的SiC微环的本征Q值达到66000，制备的一维光子晶体纳米悬臂腔Q值为6.1×103。采用研磨减薄的方式可以进一步降低SiC薄膜的光学损耗，其微盘Q值达到6.75×106，并展示了覆盖1300~1700 nm的科尔光频梳。