碳化硅 (SiC) 是一种很有前途的平台，可通过单光子进行长距离量子信息传输，提供长自旋相干量子比特、出色的电子和光学特性以及 CMOS 兼容性。我们回顾了自旋光子接口组件的关键特性，以便将来在绝缘体上 SiC 平台上部署，并提供了有关可用色心以及集成光子电路的详细见解。从前瞻性的角度阐述了实现高保真度多量子比特控制和片上光子介导纠缠的相关挑战。
光子可用作飞行量子比特，以允许节点1,2之间的量子通信或操作量子门3,4。飞行量子比特的主要优势是能够同时实现量子态的叠加并显示量子干涉，这使光子能够根据其相对相位组合多个量子态。这提供了用于量子操作的经典和量子光学干涉5。一般来说，光子主要用于通过光纤进行的长距离量子通信6,7。集成量子光子电路以相同的方式利用光子，并提高了其在量子处理器或量子网络中的部署以及量子信息分发8,9的可扩展性和小型化。碳化硅（SiC）可以为片上集成光子学提供平台，从而增强有利的材料非线性光学特性（二阶和三阶光学非线性），从而增强色心的单光子发射10。此外，SiC 集成光子学，尤其是纳米柱，还可以增强各种辐射顺磁色心的特性（见图 1a），这已通过单光子配置中的硅空位得到证明 11。结合其晶圆级纳米制造能力，SiC 可以发展成为量子现象的优越宿主。这些无与伦比的优势的组合可能导致增强的自旋光子接口 (SPI)，即连接光子与与单光子发射顺磁缺陷相关的电子自旋（见图 1b）。这为在同一系统中拥有不同类型的量子比特提供了机会。
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优点：对材质本身不造成改变
缺点：厚度控制不精准
Grinding-CMP fabricated 6 inch SiCOI
High-purity semi-insulating 4H-SiC, on-axis, Orientation: {0001} ±0.25 deg, thickness: 1um±0.1um；
SiO2 thickness 3um，Si (100) 675+-25um
SiC C-face up, roughness Rq<0.2nm （5um*5um）after CMP ，
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摘要
碳化硅 (SiC) 是一种很有前途的平台，可通过单光子进行长距离量子信息传输，提供长自旋相干量子比特、出色的电子和光学特性以及 CMOS 兼容性。我们回顾了自旋光子接口组件的关键特性，以便将来在绝缘体上 SiC 平台上部署，并提供了有关可用色心以及集成光子电路的详细见解。从前瞻性的角度阐述了实现高保真度多量子比特控制和片上光子介导纠缠的相关挑战。
光子可用作飞行量子比特，以允许节点1,2之间的量子通信或操作量子门3,4。飞行量子比特的主要优势是能够同时实现量子态的叠加并显示量子干涉，这使光子能够根据其相对相位组合多个量子态。这提供了用于量子操作的经典和量子光学干涉5。一般来说，光子主要用于通过光纤进行的长距离量子通信6,7。集成量子光子电路以相同的方式利用光子，并提高了其在量子处理器或量子网络中的部署以及量子信息分发8,9的可扩展性和小型化。碳化硅（SiC）可以为片上集成光子学提供平台，从而增强有利的材料非线性光学特性（二阶和三阶光学非线性），从而增强色心的单光子发射10。此外，SiC 集成光子学，尤其是纳米柱，还可以增强各种辐射顺磁色心的特性（见图 1a），这已通过单光子配置中的硅空位得到证明 11。结合其晶圆级纳米制造能力，SiC 可以发展成为量子现象的优越宿主。这些无与伦比的优势的组合可能导致增强的自旋光子接口 (SPI)，即连接光子与与单光子发射顺磁缺陷相关的电子自旋（见图 1b）。这为在同一系统中拥有不同类型的量子比特提供了机会。最近已开展了在其他集成光子宿主平台中实现这种能力的努力 12,13，并在块体 SiC14 中获得了初步见解。然而，在绝缘体上碳化硅 (SiCOI) 中仍然缺乏这种组合的成功展示。此外，由于光谱增宽效应的存在，并非所有可用的色心都可用于集成量子应用。SiC 中的硅空位不会受到过度光谱增宽的影响15-17。
此外，与色心相关的自旋主要有两种，由于所考虑的原子或缺陷的电子壳层模型，它们与量子技术应用相关。驻留在色心并被原子核包围的电子可以具有特定的自旋，称为电子自旋，而原子核本身也可以具有自旋，称为核自旋（见图 1c）。根据所考虑的主体材料或晶格内的原子，这些自旋具有不同的固有值。当电子和核自旋在给定的量子态或能级中极化或制备时（见图 1d），它们自然会演变为混合态或经典态，从而确定弛豫时间或自旋-自旋弛豫（自旋相干性）。对于可用作量子存储器的核自旋来说，这通常要长得多18,19。单光子发射 (SPE) 色心备受追捧，它们是利用各种注入或辐照技术制造的。可以使用不同的实验装置（例如二阶相关测量）来评估 SPE（见图 1b）。这种特殊的测量利用基于 Mach-Zehnder 或 Hanbury Brown 和 Twiss 干涉仪的光子到达巧合测量，由 50:50 分束器和一个传入光子通道的延时电路组成。时间标记电子设备记录来自两个通道的传入光子的到达时间以构建直方图。
光子纳米结构中的集成 SPI 可以实现核自旋与电子自旋耦合的量子存储能力 18,19，并操作量子门 14，然后通过片上纠缠分布或利用光子的自由空间传输信息 20。
图 1 | SiCOI 平台概览，展示了具有不同植入色心和集成光子学的 SiCOI。a 硅空位、氮空位 (NCVSi-)、双空位和钒中心以及 4H-SiC 中量子信息分布的示例性整体 PL 测量，数据来自参考文献 168（原始数据来自参考文献 169）。硅空位和双空位在 671 nm 处激发，NCVSi- 在 940 nm 处激发，钒在441 nm 处激发，遵循参考文献 112；硅空位、双空位和 NCVSi- 在12 K 处测量，而钒 PL 在室温下测量。b 显示了来自 4H-SiC170 中可见单光子发射体的二阶相关
测量；c 显示了 SiC 中托管的色心电子自旋和相邻核自旋；图 1 示出了 4H-SiC 中硅空位缺陷的能级示意图。图 e 中显示了波导传输，图 f 中显示了自旋光子界面示意图。后者由 2D-PhC 和选定的色心组成，其中 SLT：光子厚度，λ：光波长，BA：波导底角，H：波导高度，n4H−SiC：4H-SiC 在所需波长下的折射率，W：波导宽度，D：PhC 孔的直径。
此外，SPI 可应用于基于量子中继器的通信 21，并允许量子计算单元之间的通信 22。SiC 能够承载光子设备，例如波导（见图 1e）、光子晶体腔 (PhC)（见图 1f）和片上光子探测器 23。因此，量子 SPI 取决于材料能力，允许通过光子高效传输量子信息来连接空间上相距很远的固体自旋态。SPI 可以实现量子网络 25,26 中的量子节点 24 和量子存储器，基于电子/核自旋将自旋和单个光子互连。
在量子网络中，一些量子位直接相互作用以完成小规模量子操作，而其他量子位可以作为中继器运行，利用光子将量子信息和纠缠分发到其他节点。量子网络应该将量子纠缠分布在许多量子存储器的长距离上，例如原子状固态量子比特中的核自旋。量子比特纠缠可以通过自旋光子纠缠与特定光子通道中的单光子干涉相结合来产生。
在能够实现单片 SPI 的材料平台中，SiC 已成为一个突出的候选材料，这些材料有可能在大晶圆规模上实现片上和互补金属氧化物半导体 (CMOS) 兼容，并能够承载纳米光子器件。这归因于一些关键特性：一些可用色心电子自旋量子比特的长自旋相干性27,28；核自旋池的低密度，这使得 SiC 成为具有最小核自旋噪声的最佳非硫族化物材料平台29；电子和核自旋的纠缠以及红外波长区域内的单光子发射 (SPE) 读出1930,31。尤其是，与其他材料平台（如金刚石）中发现的可见光或近红外自旋光子界面相比，在 mK 范围内具有较长的相干时间，基于 SiC 红外光子发射器的 SPI 有望将印度金刚石中获得的距离延长十倍，因为光纤内部或光子电路内的损耗降低了 10 倍 32。
在这篇评论中，我们总结了在 SiCOI 中建立基于色心作为自旋量子位的 SPI 所需的所有必要元素。到目前为止，只有反演对称缺陷以及硅空位显示出在这些应用中被利用的前景。我们通过多种方法包括它们的制造方法，例如离子注入、电子辐照和直接激光写入，如“色心制造方法”部分所述。我们详细说明了单自旋的控制、操纵和光学读出，以及与自旋量子位相关的不可区分单光子的验证。考虑到核自旋在 SPI 中的重要性（可在主平台的晶格中或植入的离子中获取），我们概述了它们在 SPI 中的作用。我们描述了从色心已知的 SiC 中可用的相关自旋以及在 SiCOI 平台上制造它们时面临的材料挑战。此外，我们指出了 SiCOI 制造和晶圆纯度方面的最新材料挑战。此外，我们概述了 SiC 中最新的光子结构以及控制光子和改进自旋量子位的光学读出所必需的相关非线性现象。最后，我们将重点介绍 SPI 在集成电路中的优势，以便将来应用于量子技术。
图 2 | 自旋-光子界面关键测量。图解主要 SPI 要求，如 a 中显示的 ODMR 测量数据（来自参考文献 164），b 中显示的后续实验设置，c 中显示的 Hong-Ou-Mandel 实验设置和 d 中显示的来自参考文献 16 的实验 HOM 演示。图 a 经参考文献 164 许可转载，图 d 经参考文献 16 许可转载，根据 Creative Commons 许可证 CC BY 4.0 许可。
自旋-光子接口要求
固态 SPI 是一种物理系统，它承载着自旋、光学和电荷状态特性的相互作用，可用于实现复杂的实验和技术。虽然目前正在探索几种物理系统，但基于将光子与单个固态自旋接口的实现33 已得到特别探索，因为在 SiC 等宿主材料中可以实现较长的自旋相干时间，核自旋浓度较低，可通过核自旋材料纯化进一步降低。
在这些系统中，电子自旋主要通过光子初始化和光学读出，而电子自旋相位在不同纳米环境中的积累/偏移用于量子传感34,35。电子自旋可以与大量核自旋寄存器耦合以进行量子计算36，内置量子门控制和读出由 SPI 介导。量子计算节点之间的量子通信需要自旋相关的光学跃迁37和基于自旋能力的量子存储器。因此，SPI的关键组件被归类为与不可区分的单光子发射相关的电子和核自旋状态，对应于自旋选择性跃迁（见图1b），可以高保真度地检测到。这需要高自旋（自旋晶格，自旋自旋相干性）和光学相干性，可以利用Rabi-38或自旋回波方法39来控制，而通过光子腔控制光子局部状态密度是控制发射的另一种光学方法。虽然SPI的这些特性可以通过前面提到的方法来控制，但它们也由材料晶体结构和纯度以及增强它们所需的设备制造决定。对于自旋读出目的，光学检测磁共振（ODMR）宿主材料的能力是非常理想的。SPI 所需的属性可以总结如下：
电子自旋应具备 ODMR 能力（见图 2a、b），最好是单次状态。此外，它应被有效初始化，并具有较长的自旋晶格弛豫和自旋相干时间，以允许量子操作。ODMR 被广泛理解为一种光谱测量技术，其中磁场或微波/射频激发被施加到半导体材料的光学活性跃迁上。外部磁场可引起塞曼分裂40，微波/射频激发会影响基态自旋能级的群体状态，从而调制光学跃迁。单次 ODMR 读出非常可取，因为它允许以最高的保真度读出单个量子态，这对于量子技术至关重要。
自旋的初始化和读出应具有高保真度，以允许寻址和操纵额外的量子位，例如附近的核自旋，以实现量子误差校正和量子计算任务以及纠缠纯化。由于芯片上集成了单电子晶体管41，因此电自旋读出已在硅 (Si) 中得到利用，但由于单电子晶体管的热限制，通常首选光学读出，因为读出增强可以通过光子学实现，并实现来自量子节点的长距离通信。SPI 的自旋到电荷转换特性可能与实现单次读出有关。事实上，可以利用光子腔来控制自旋选择性跃迁的自发发射率并限制由跃迁到亚稳态引起的自旋翻转来实现单次读出。据 Calusine 等人报道，利用光子腔可以提高控制色心自发发射率和光学自旋读出的能力，因为光子腔可以提高光致发光的光子收集效率，从而提高 ODMR 信号强度和基态自旋初始化。由于在混合光子腔中，色心的高 Purcell 增强通常具有挑战性，因此可以使用其他方法，即自旋到电荷的转换或核自旋辅助单次读出。此外，由于光子发射的计数率低，这些替代方法不能提供足够高的保真度，并且需要在色心附近有额外的核自旋。
单光子发射对于确定只有一个 SPI 被寻址并用于传输量子信息至关重要。为了能够确定光子源是否是单光子发射器，可以进行二阶相关测量（图 1b）。在此测量过程中，方程 (1) 将应用于所检查的光子源数据45：
其中 ni(t) 表示在时间戳 t 检测到的光子数量，ni(t + τ) 表示在延迟时间 τ 检测到的光子数量。我们可以假设，如果满足条件 (2)，则可以将植入的色心识别为 SPE46,47
无论宿主平台如何，都迫切需要由单个源发射的高发射率的不可区分光子来承载自旋光子界面48。
由于各种原因，复杂的自旋光子相互作用需要不可区分的单光子。一般来说，不可区分性是一种假设，表明从源发射的每个光子都是相同的，并且无法与另一个光子区分16,49,50。为了证明某个单光子源的不可区分性，最常见的解决方案16,51–53是进行 Hong-Ou-Mandel 双光子干涉实验54。该实验主要用于测试两个连续入射光子对不平衡 Mach-Zehnder 干涉仪的干涉，并对这些入射光子进行时间延迟测量（图 2c）。在时间延迟图中，Hong-Ou-Mandel 实验在零时间延迟处提供了非常典型的下降（图 2d），这清楚地表明光子源是否可以被视为无法区分。
需要通过超精细相互作用将核自旋与电子自旋耦合。核自旋的第一个技术上有用的量子计算应用已在特定掺杂的硅基板 29Si55 中得到证实。由于其独特的材料特性，SiC 结合了 13C 和 29Si 核自旋，其自然丰度分别为 pC =1.1% 和 pSi =4.7%56,57，这两者都有助于增加特定色心的退相干时间。SiC 能够将一个电子自旋耦合到多个原子核中，然后生成量子寄存器58,59。需要进一步研究以开发一种量子处理器，将原子级自旋扩展到半导体芯片58。该研究领域受到了有关控制具有非零核自旋的孤立 29Si 自旋的报告的重大影响，然后该报告被用于将光激发的双空位自旋与量子寄存器纠缠，基于 29Si19 的自然 1/2 自旋。然而，最近有报道称，利用电子自旋活性硅空位与 13C 或 29Si 的核自旋相结合，可以形成可扩展的量子存储节点 18。在此之前，人们开发了一种理论，研究过渡金属缺陷，尤其是钒空位，研究它们将植入原子的电子自旋与 4H- 或 6H-SiC60 中的核自旋耦合的能力。
相干自旋光子接口需要窄光谱稳定、相干自旋选择性光学跃迁，尽可能接近寿命极限。到目前为止，只有硅空位显示出所需的能力。此外，应提供无噪声量子频率转换，以在所需的光谱范围内转换 SPI，或补偿不同发射器之间的光发射频率差异。频率转换还可以通过将发射调整到所需波长来帮助干扰不同的色心。
高质量纳米光子平台与增强单个自旋/光子级上的自旋光子相互作用以及实现自旋的单次读出有关。光学纳米光子腔需要提高光子产生率并提高收集效率。可扩展性考虑要求该平台嵌入所有标准集成光子电路，包括频率转换，以及与考虑全尺寸晶圆级的工业纳米制造标准的兼容性。光物质相互作用中的高度协同性也可用于通过非线性量子光学或高阶自旋光子纠缠态产生量子光学纠缠态，即格林伯格-霍恩-泽林格 (GHZ) 态61，其中 SiC 中特定的色心被识别为适合生成这些量子系统62。
到目前为止，在 SiC 中已经发现了实现量子网络的各种必要元素，例如电子自旋量子控制63、电子自旋介导的核自旋控制19、量子操作14 以及不可区分的单光子16，这可能导致集成量子电路以及自旋光子纠缠17 的进一步技术发展。在 SiC 中实现了通过自旋到电荷转换的单个电子自旋读出，保真度超过 80%28。SPI 并非完全依赖于 SiC 作为主机平台33。然而，SiC 非常适合将色心的电子/核自旋与光子结构48 耦合，硅空位色心已显示出理想的先决条件。
SiC 平台
有不同类型的色心可用，主要是在块体 SiC 以及 SiC 外延层中进行研究。这些报告的发现可用于在优越的 SiCOI 结构中生成这些色心。它们的性质在很大程度上取决于晶体位置、局部材料杂质和所用的 SiC 多型，其中最被认可的是六方（4H、6H）和立方（3C）多型。这些中心作为具有长自旋相干时间的 SPI 中的 SPE 源，引入了经过验证的出色材料量子特性64。报告的面积总共约有 20 个不同的色心65。然而，研究最多的是两个特定的色心，称为硅空位 VSi-66 和双空位 VSiV67。
在这里，我们将缩小列表到大约 5-6 个特定中心（见表 1），这些中心在自旋、电荷状态、零声子线 (ZPL)、自旋相干性以及自旋光子跃迁方面具有独特的属性，并指出了最近的挑战。有趣的是，到目前为止，VSi 是唯一经证实不会遭受重大光谱增宽的发射体。在此之前，我们将详细介绍色心的最先进的制造方法。
色心制造方法
为了提高这项技术的能力，在材料中给定的深度和横向位置精确制造色心的能力至关重要，并且会影响色心的量子特性，例如自旋相干时间、发射线宽、光稳定性、量子效率和光谱扩散。电子-66–68、中子-47 和质子-69,70 辐照以及聚焦离子束70,71，随后进行热退火，可用于制造由空位产生和扩散产生的所需色心。辐照技术可获得的色心范围主要限于本征色心，例如
硅空位 (VSi- )、双空位 (VSiV) 和碳反位空位对
(CAV)。此外，温度稳定 (TS) 中心被归类为另一种本征缺陷，已通过质子辐照72 创建，最近的一项研究表明，在高于 1200°C 的温度下进行热退火后具有光稳定性73。无论使用哪种制造技术，辐照技术的去除原理都保持不变。入射粒子的目的是从 Si 晶格中去除 Si 原子、C 原子或两者，从而产生空位，该空位在样品热均质退火后可进行光学寻址。由于电子和中子辐射的性质，它们无法提供平面和深度位置信息。多年来最常用的技术是离子注入（见图 3a），以获得外部色心，根据注入离子停止范围的注入能量提供色心注入深度的近似值。随后，注入剂量会影响生成的中心作为 SPE 或集合的分类。
为了获得本征缺陷，最常用的是电子辐照技术，因为它对材料的损害较小，还能提供近似的深度信息。此外，激光写入技术也正在兴起，用于各种深度注入，并且可能对材料造成的损害较小。
图 3 | 从制造到自旋相干测量的色心。图 4 显示了 SiC 中色心的示意图，a 为制造，b 为缺陷晶格，如图 5 所示；a 为 NCVSi 中心的 Spinecho 光谱，如图 6 所示；b 为自旋读出微波/射频激发序列（见参考文献 39）和 Ramsey 激发用于操纵 NCVSi 中心（kk），如图 7 所示。图 8 经许可转载自参考文献 172 ⑥光子学标签（见参考文献 171）。相应的自旋失相/控制测量：d-ii 经许可转载自研究 173。d-iii 分发自参考文献 39，根据 CC BY-NC 4.0 的连续 ODMR 测量 d-i 中报告的双空位 PL 1 ⑥作者，保留部分权利，独家许可人 AAAS
ref. 172；利用中性 PL1-双空位和 d-iv 的动态自旋解偶联测量经许可转载107。版权所有 2024 美国化学学会。
各种离子束已被用于将 He+、H2-、Si2+、C−、Er3+、N− 等离子注入 SiC 晶格（见图 3b），用于产生空位并替换 Si 或 C 原子。根据所需的色心，确定相应的注入离子以及注入能量和剂量，以尽量减少材料损坏。
一般来说，与生长发射极或电子辐照色心相比，离子辐照技术会对自旋相干时间产生严重影响74,75，因此对材料损伤较小的制造方法的需求也随之增加。自旋相干性也受到材料表面物质的影响，因此，表面积较大且色心距表面 100 nm 的薄膜具有不利的光学和自旋量子特性，包括在某些情况下降低的光稳定性和间歇性32,42。尤其是光谱稳定的发射极对未来的集成量子光子学应用非常有利。到目前为止，硅空位具有最适合这些应用的特性。
硅空位
研究最多的中心之一是带负电的硅空位
VSi-。这种固有缺陷可以通过从 SiC 晶格中去除硅原子 76 来产生，这可以利用各种辐照技术 77 来实现，例如最初的电子辐照 66、后来的离子注入 78,79 或最近报道的聚焦 He+-离子束 (FIB) 注入 80。
对于制造目的，许多研究报告称，利用氦离子 (He+-Ions) 与 PMMA 掩模结合进行精确定位，有利于保持 VSi-14 出色的自旋和光学特性。无掩模方法受到追捧，因为它们可以更加精确并直接应用于光子器件。
聚焦离子束 (FIB) 正在研究如何利用 He+-FIB 产生色心，这种技术已经显示出能够提供总体高产率和简单定位的 VSi-80。由于 FIB 光束的能量较低，该技术只能用于近表面（20-100 纳米深度）发射器。它并不总是适用于深度制造色心。基于飞秒激光的激光写入也已成功证明可以在 5 至 40 微米的深度产生 VSi-81,82，最近，利用纳秒激光直接在纳米光子晶体腔中产生 VSi-83。激光写入可以对自旋相干性产生非常有益的影响，但缺乏实验证据。
独特的光学特性基于 VSi- 的电子排列，它由五个活性电子和三个空电子组成。这直接指向 3/217,76 的自旋，其中子状态 ms =±1/2 和 ms = ± 3/2 已被确定为 Kramer 双态84。当 VSi- 出现在 4H-SiC 中时，可以区分为两个不同的晶体位置，称为六边形 (h) 和准立方 (k)，每个位置都具有特定的特性85。对于这两个晶体位置，可以观察到额外的主要无声子光致发光 (PL) 线 V1 和 V285，这与晶格中缺陷的位置有关86,87。4H-SiC 中 V1 和 V2ZPL 线的出现是由于存在两个激发态 4E 和 4A217,88，它们的激发能量略有不同。根据从基态选择的激发，可以基于 4E 到 4A2 的跃迁生成 861 nm 处的 V1-ZPL17，这对应于 4A2 到 4A2 ZPL 跃迁或 V1’-ZPL88。它们都可以被认为是自旋守恒的89。然而，这些激发态也可以由两种跃迁的混合产生，这种混合可能由于现有电子态的极化子混合而发生87。这两种状态都与 SiC 晶格中的 h 缺陷配置有关。相反，916 nm 处的 V2-ZPL90 归因于 k 缺陷配置。
此外，VSi 的德拜-沃勒因子 (DWF) 为 6%，理论和实验测定结果分别为 8-9%87，光学寿命分别为 5.03 ns 和 6.26 ns（考虑到特定自旋态 ms =± 1/2 和 ms = ± 3/2，分别适用于 V1 配置21,76,91。对于 V2 配置，据报道理论 DWF 约为 6.2%，实验 DWF 为 6-9%92，光学寿命为 6.1 ns（ms = ± 1/2）和 11.3 ns（ms =±3/2）93。据报道，自旋相干时间 T2 为 20 ms17,94，它是通过利用 ODMR 装置结合回声射频激发序列测得的，如图 3c 所示，它们应用于作为自旋极化的激光激发和随后的光学读出测量之间。
VSi- 的主要优势在于近红外光子发射，以及已经证实可在室温下在现有的光电器件中实现。即使在室温下，VSi- 也能提供明亮且高度光稳定的光子发射，以及相当长的自旋相干时间 T2，同时与发射波长相关的瑞利散射损耗较低85。此外，即使与光子器件耦合，也可以保持较窄的光谱线宽，如 10 所述。V1-VSi- 的线宽为 57 ± 6 MHz 和 48± 6 MHz，这可以验证单光子不可区分性16。对于 V2-VSi- ，在厚度小于 250 nm 的 SiC 膜中观察到小于 200 MHz（116-187 MHz）的线宽，而在更厚的膜中，两个自旋选择跃迁的线宽分别为 26 MHz 和 14 MHz15。这表明含有 VSi- 的亚微米膜可用于 SPI 协议。
据我们所知，VSi- 是目前唯一成功集成到 SiCOI-芯片中的色心76,95。Babin 等人首次提出了将光限制结构与 SiC 中承载的 VSi- 相结合的见解14。利用 VSi- 的长自旋相干时间与 SiC 块体的特性可以实现自旋光子操控，从而导致远程产生量子自旋光子纠缠。Fang 等人利用固体浸没透镜中的 V1-VSi- 4H-SiC 外延层证明了局部自旋光子纠缠，这表明利用集成光子腔可以实现更高的可见性和可扩展性，以实现远距离量子比特的纠缠。
有趣的是，据报道，在室温下将 VSi- 调谐到 SPE 时，量子效率为 30%91，Morioka 等人估计下限约为 23%。这可能与沿垂直轴的偶极极化和系统间能级交叉的复杂过渡有关86。植入的 VSi- 的报道特性与 VSi- 的块体演示略有不同。据报道，4H-SiCOI 中的 V2-ZPL 在 4.3 K 的温度下为 916.5 nm95。
双空位
VSiV 是 SiC 中另一个经过深入研究的光子发射器的例子。中性带电的 VSiV 是 SiC97 等半导体中最常见的缺陷之一。这种特定的色心由晶格内一个缺失的 Si 原子和一个相邻的缺失的 C 原子组成。制造 VSiV 最受认可的方法是将热退火应用于先前创建的 VSi 缺陷，如 98,99 所示。然而，为了最佳地产生双空位，还应优化电子或离子束通量。最近，利用飞秒脉冲的激光写入技术和随后的热退火 98，在 SiC 块体中 200 纳米深度附近的表面处生成了 VSiV。其独特的晶格取向导致 VSiV 呈现出四种已报道的构型，它们要么沿 c 轴取向（称为 hh 和 kk），要么沿基键方向取向（称为 hk 和 kh）100，从而导致在 1078 nm (kh)、1108 nm (hk)、1131 nm (kk) 和 1132 nm (hh)65,78,101 之间出现四种不同的 ZPL。最近，研究人员对这些已报道的 ZPL 进行了扩展，在晶格的堆垛层错内增加了三种构型，这些构型可以充当量子阱102。从该扩展中最容易识别的是 PL6 亚型，可以在室温下观察到，据报道 ZPL 出现在 1038 nm103。该配置以其非常高的单光子发射计数率（约 150 kcts/s）和高于 25%103 的 ODMR 对比度而闻名。相反，PL1 配置 (kh) 具有较低的 ODMR 对比度，即使基于 Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG)-N 脉冲的动态自旋去耦测量，也是如此，如图 3d-i 和 d-ii 所示。
尽管各种 VSiV 亚型的辐射并不直接依赖于电信范围，但在光纤传输方面仍被视为优势 65。此外，VSiV 对核自旋具有良好的控制 14。VSiV 可应用于固态量子传感、通信和信息处理 10，并可用于深层组织应用中的生物医学成像 103。
氮空位
SiC 中带负电的氮空位中心 NCVSi- 最近出现，由氮原子取代碳原子组成，该碳原子被植入在 VSi-30、103、104 附近。植入可以通过电子辐射、离子轰击 105 或精确利用 PMMA 掩模并随后进行离子淹没来实现，随后必须在约 1050°C (1h) 104 下对样品进行热退火。然而，根据 SiC 主体材料生长过程中 N 掺杂剂的浓度，NCVSi 中心可以由所含的 N 而不是注入的 N106 形成。与 VSiV 类似，NCVSi 中心具有四种可用配置，可以通过 ODMR 光谱检测，也可通过其 inc 轴方向（kk 和 hh）或基键方向（k 和 hk）107 区分。这导致每种配置具有相关但不同的光学和磁特性。报告的光子发射范围从 1180 nm 到 1240 nm21,108，kh 发射于 1176 nm，hhat1223 nm，kkat1241 nm 和 hkat1242 nm30。NCVSi 中心的寿命报告为 2.7 ns30,107，本征自旋等于 1108,109。然而，在 4H-SiC 外延层中，报告的寿命在低温下为 (2.2 ± 0.4) ns110，激发波长为 785 nm。零场分裂 (ZFS) 确定为 1.27– 1.313 GHz108,109。
尤其是，在电信波段附近的发射以及已证实的单光子发射源的存在可以被认为是有利的。然而，报道的自旋相干时间 T2 为 17.2 μs（对于 hh 配置）64 和低 ODMR 对比度 104 以及光谱扩散不是最佳的（即图 3d-iii、iv）。通过应用自旋回波和拉姆齐序列，由于脉冲应用导致的自旋重新聚焦，环境因素以及不均匀磁场将在 ODMR 测量期间最小化，如图 3d-iii、iv 所示。
最近，已经证明了利用自旋回波和动态去耦序列延长块体 4H-SiC 中 NVSi 中心的自旋相干时间 T2。这导致测量的 T2 增加了 10 倍39。此外，还实现了 Rabi 振荡，其相应的 Rabi 频率为 3.73 Mhz39,107。
钒和铒缺陷
SiC 中还有许多其他可用的色心，例如 Mo5+、V4+、Er3+ 或碳反位空位对 CAV，但这些色心的研究较少。
钒缺陷 V4+ 是 SiC111 中发现的第一批发射体之一。它以电信范围的发射31 和两性特性而闻名。据报道，中性带电 V4+ 杂质在电信范围的 1300 nm 左右具有 ZPL，激发光寿命小于 50 ns112。自旋弛豫时间以 μs 为单位，在低温下没有特定的数值31。尽管电子自旋被记录为 1/231,113，但钒杂质仍被认为是核自旋为 7/2 的电激发物 112 的候选材料。最近对块体 4H-SiC 中钒色心的演示 114 指出中性 V4+ 位点的电荷态寿命为 135 毫秒。此外，PL 发射范围的光谱分布研究表明固态单光子发射器 113,114 的发射带分布较小，值低至 100 MHz。已经确定了进一步的自旋选择性光学跃迁。这对于量子网络和通信中的应用非常有益。
另一个引起人们极大兴趣的色心，至少在其他材料中，是离子注入的 Er3+ 缺陷 115。它以 1540 nm 的光子发射而闻名，由于内壳层电子屏蔽了来自晶体场的电子，因此非常稳定 116,117。据报道，ZPL 与温度无关，但其他研究表明 ZPL 介于 1490 nm 和 1640 nm 之间 115。Parker 等人报告了 Er3+ 的光寿命，T2 = 1.16 ± 0.04 ms 时有图案，T2 = 1.56 ± 0.005 ms 时无图案。116。一般来说，Er3+ 是 SiC 中特征最少的缺陷，最近的演示报告见于其他材料 118,119。将其集成到光子腔中对于提高光子发射率至关重要，因为块体材料的长光学寿命限制了光子发射率。然而，使用光线宽为 150 kHz、光谱扩散为 63 kHz120 和非常长的自旋相干时间 (23 ms)121 的 Si 纳米光子束，CaWO4 中的 Er3+ 中心在电信波长下显示出难以区分的单光子发射。植入 Si 中的 Er3+ 离子报告的自旋相干时间为 0.8-1.2 ms122，光线宽非常不均匀 (100 MHz)，在 ≈ 11 mT 和 20 mK 时均匀线宽低于 70 kHz。预计在 SiC 中，自旋相干时间 T2 可以达到参考文献中预测的 1.1 ms 的值。 29，略高于金刚石和硅，但温度高于Si，这是由于SiC的德拜温度高于Si。
集成碳化硅光子学
由于具有宽带隙、高光学非线性、高折射率、可控的人工自旋缺陷以及与 CMOS 技术兼容的制造工艺，SiC 为光子集成电路 (PIC) 的逐步发展提供了巨大的前景。SiC 的这些卓越特性使得能够实现用于经典和量子应用的先进 SiC PIC64,65,76。平面光波导通过提供在平面结构内引导和操纵光的手段，在 PIC 中起着至关重要的作用。这些波导是实现在单个芯片上集成各种光学功能的基本组件。在芯片上制造整个光学系统提供了无与伦比的可扩展性、重量减轻、成本效率和功率效率。在研究 SiC 波导的初始阶段，利用悬浮在空气中的 SiC 在块状 SiC 衬底上创建光子结构，利用硅衬底上商用 SiC 外延层的优势。鉴于 Si 的折射率高于 SiC，因此需要去除 SiC 波导附近的 SiC 14,123。然而，在此平台上制造的波导通常会表现出较高的固有损耗，这主要是由于 SiC 和 Si 之间存在相当大的晶格失配。此外，由于 Si 层的折射率较高，因此在此平台上制造的任何光子元件都需要悬浮在空气中。这种必要性导致了复杂的制造程序，包括图案化和顶部包层沉积，从而降低了可靠性 124,125。作为替代方案，当前文献主要介绍了 SiCOI 平台的使用，这一发展解决了与早期结构相关的挑战 126–129。图 4a 概述了 SiCOI 形成的三种主要方法，包括：图 4a-i 中的方法采用了绝缘体上硅 (SOI) 堆栈形成的智能/离子切割技术，用 SiC 晶片代替 Si 晶片，主要产生 4H-SiCOI 堆栈 130,131。然而，由于物理特性不同，与离子注入后的 SOI 相比，SiCOI 会经历相当大的材料损失。图 4a-ii 中的方法涉及使用研磨和随后的化学机械抛光 (CMP) 直接减薄键合的 SiC 以获得光滑的表面，从而绕过先前方法中的离子注入步骤并实现 SiCOI 堆栈中的最小损失 132。这种方法可产生 4H 和 3C 结构的 SiCOI 堆栈。在图 4a-iii 的方法中，非晶 SiC (a-SiC) 直接沉积在 Si 衬底上，中间有一层 SiO2 层，这可通过等离子增强化学气相沉积 (PECVD) 和溅射实现129。
图 4 | 绝缘体上碳化硅的制造及其衍生的集成光子学。a 创建 SiCOI 堆栈的三种方法。DL：由 H+ 注入引起的损伤层。a-SiC：非晶态 SiC。b 使用两个平行的 4H-SiC 脊/脊波导设计定向耦合器。(i) 和 (ii) 分别说明了定向耦合器的偶数和奇数模式的模拟模式轮廓，而 (iii) 显示了定向耦合器作为 3-dB 耦合器运行时的模拟光场分布。neff,even：偶数模式的有效折射率。neff,odd：奇数模式的有效折射率。λ：光波长。κ：场耦合系数。G：两个波导之间的间隙宽度。Lc：直耦合长度。H：波导高度。BW：波导基宽。SLT：拍击层厚度。BA：底角。c 在 4H-SiCOI 上制造的高限制 SiC 波导的显微照片 126。d 在 3C-SiCOI 平台上制造的 RR 的 SEM 图像 127。e 在 a-SiCOI 平台上制造的 RR 的 SEM 图像 129。
f 在 4H-SiCOI 上制造的超高 Q 光子晶体纳米腔结构 174。g 在 4H-SiCOI 平台上制造的 RR 的 SEM 和光学图像，设计用于二次谐波产生 10。h 在 3C-SiCOI 平台上制造的 RR 的 SEM 图像，特征为 SHG、差频产生和自发参量下转换过程 158。i 在 4H-SiCOI 平台上制造的 RR（假色）的 SEM 图像，设计用于光学参量振荡和光学微梳 135。
j 在 4H-SiCOI 平台上制造的 RR 的 SEM 图像，设计用于宽带梳状生成 175。k 在 3C-SiCOI 平台上制造的集成 Pockels 调制器的概览 161。
l 在 4H-SiCOI 平台上用于光子对生成的 RR 的 SEM 图像 159。面板 c 经参考文献 126 许可转载，ⓒ美国光学学会，d、f、i 和 j 在 Creative Commons 许可证 CC BY 4.0 下重新使用。面板 e 经参考文献 129 许可转载，版权所有 2024 美国化学学会。g 经参考文献 10 许可转载，h、k 和 l 经参考文献 158、161 以及参考文献 159 转载，在 Creative Commons 许可证 CC BY 4.0 下允许。
定向耦合器是马赫-曾德干涉仪 (MZI)、环形谐振器 (RR) 和萨格纳克干涉仪 (SI) 不可或缺的基本元件，而这些元件都是 PIC 中必不可少的组成部分。这些耦合器通过紧密放置两个相互能量耦合的波导而创建，从而可以将引导的光波分成两个物理上分离的相干分量，反之亦然。精确控制光波导之间的耦合强度对于 MZI、RR 和基于 SI 的设备的设计和实现至关重要。在定向耦合器中，可以通过改变相互作用长度或它们之间的分离间隙来调整耦合强度。根据耦合模式理论 133、134，定向耦合器的工作原理可以基于耦合波导的两个基本本征模式之间的相位匹配条件进行简化和阐明，这两个基本本征模式通常称为偶数模式和奇数模式，或对称模式和反对称模式。图 4b-i、ii 分别显示了由两个平行的 4H-SiC 脊/脊波导创建的定向耦合器的偶数模式和奇数模式的模式分布。图 4b-iii 显示了定向耦合器在 4H-SiCOI 平台上用作 3-dB 耦合器时模拟的光场分布。
随着微/纳米制造技术的进步，SiC 光子集成器件的各种应用已不断得到证实。研究 SiC PIC 的利用需要创建可靠的光子元件，包括用于高效光信号传输的低损耗波导和用于放大光场强度的高品质因数 (Q) 集成光腔 126–128。到目前为止，已提出了各种具有不同应用的芯片级 SiCOI 方案，包括用于自相位调制的高限制波导（图 4c）、高 Q 值和高限制 RR（图 4d、e）、超高 Q 值光子晶体纳米腔（图 4f）、用于二次谐波产生的 RR（图 4g、h）、用于差频产生的 RR 和自发参量下转换过程（图 4h，高 Q 值 RR）、克尔频率梳生成（图 4i、j）、由 RR 和微波带线电极形成的普克尔调制器（图 4k）以及用于光子对生成的 RR（图 4l）。与在系统复杂性和生产规模方面受到限制的分立片外元件相比，通过成熟的 CMOS 技术制造的集成形式的 SiC 元件的实现，提供了显著的优势，包括大幅减少占用空间和增强可扩展性。
SiCOI 中 SPI 的结论和展望
“绝缘体上”结构意味着在 SiC 中承载 PIC 具有非常有利的能力，并且已成为许多近期努力的目标。它是可扩展性最高的平台，在主机提供的低损耗/噪声方面表现最佳，并且有望在采用晶圆键合技术制造的 4H-SiCOI 中实现出色的 Q 因子，报告显示为 9.7 × 105135,136。Lietal.136 提出了一种新的 3C-SiCOI 芯片制造工艺，该工艺利用阳极键合工艺与硼硅酸盐玻璃相结合，可提供 1.4 × 105 的 Q 因子。然而，与其他竞争平台相比，非线性频率转换效率仍有改进空间，这表明 SiCOI 需要进一步发展。
图 5 | SiCOI 中集成量子光子学未来应用的片上愿景示意图。
量子光子学目前相当依赖芯片内外光的光纤耦合，这会给系统带来显著的损失，从而导致光子的完全丢失。例如，已经证明了一个集成度更高的双量子比特网络节点，该节点具有硅空位中心和近端硅核自旋的金刚石纳米光子学137，同样，实现了一个纳米光子金刚石波导，该波导承载着与自旋-1/2Sn核耦合的空位中心138。在这两种情况下，发射光子与光纤的耦合（无论从光子波导到光纤的高提取效率如何），都会导致相当大的光子损失，从而降低系统的稳健性和性能，从而限制核自旋的初始化、读出、控制和电子-核自旋的远程纠缠。因此，利用 SiCOI 中的波导将光子路由到片上干涉仪是集成 SiC 量子光子学的一个主要优势，可以提高光子进入波导的模式耦合和收集效率，而金刚石则没有。这可以改善 SiCOI 中基于 VSi 的可能双量子比特网络，具有较小的光谱扩散。可以演示量子光子链路，这是量子网络的关键元素，旨在通过干涉将 SiCOI 芯片上分离波导中的两个自旋量子比特耦合到片上分束器中。这还可以实现基于与核寄存器强耦合的单个 SPI 的双量子比特网络和光子多维簇状态 139。事实上，可以产生和利用包含 M × N 个光子的光子簇状态的速率 Rat 在公式 (3) 中表示：
指数依赖于生成效率（量子效率 (qe)、收集效率 (ce) 和检测效率 (de)）。片上 SPI 集成电路可以显著提高 ce 值和 de 值，从而提高整体效率，目前，整体效率受金刚石纳米腔中 57(6)% 的波导与光纤耦合限制 138。
P-i-n 结旨在控制电荷状态或根据斯塔克位移效应调整指定色心的 PL 发射，这已在 SiC140-142 中得到证实。与片上单光子探测器结合，可以实现完全集成的片上 SPI，消除光纤耦合，从而大大提高量子系统的整体效率（见图 5）。
片上单光子探测器（见图 5）已在 23,143–145 和最近在 SiCOI146 上报道过，基于超导纳米线单光子探测器 (SNSPD)，结合色心的小光谱扩散 ZPL 线，可能是实现 PIC 高系统效率的重要一步。特别是，未来使用能够探测 25 K 下单光子的高温超导纳米线探测器将是 SiCOI 的理想选择，可用于量子传感和量子信息处理147。
之前讨论了 SiC 中报道的最先进的发射体。然而，近年来，由于调整注入过程的努力，出现了几种新型发射体。Bulancea-Lindvalletal 报道的 4H-SiC 中的氯中心表现出有趣的特性。148 SiC 中的碳空位以及 Si 中的 G 中心 150,151。然而，从集成量子光子学的角度来看，到目前为止，唯一有前途的发射体是 VSi 以及金刚石中的反演对称硅空位中心，据报道光谱线宽为 94 Mhz152。特别是，反演对称缺陷最近引起了一些关注，因为它们无法承载永久电偶极子，这被认为对外部电场没有反应，从而最大限度地减少了特定跃迁的光谱扩散 153。
从长远来看，基于空位（C 或 Si 空位）的色心可以通过聚焦电子束技术 154 产生，该技术可以不使用掩模。为此，需要向材料提供至少 200 keV 的辐射能量以进行 Si 置换 155。主要优点是通过电子束进行高精度辐射，分辨率在纳米范围内。离子辐射通常会损坏芯片表面，导致色心横向放置不精确，并且需要掩模进行光子元件对准。如果首先在 SiC 芯片顶部制造波导，然后再制造色心，这一点尤其令人感兴趣。
Babin 等人展示了制造三角形光子器件的能力，该器件嵌入了通过 SiC 块体角度蚀刻获得的植入 VSi 中心 14（见图 5）。这使得 VSi 中心能够控制相邻自旋量子位的核自旋，而这些量子位在光子结构中正在发展。
光子逆设计是一种新兴的光子器件开发工具，它利用一种独特的方法，利用多个未知的结构参数对光子器件进行重点优化。该技术已被提出与本征色心相结合，以建立用于植入原子的固态量子模拟器 156。
相位匹配是利用所选平台的非线性能力实现高效非线性频率转换的最重要因素。因此，在 SiCOI 中实现相位匹配至关重要。到目前为止，Yang 等人 157 报告了最新的研究成果，他们介绍了一种逆向设计过程，使研究人员能够控制色散。这导致了二阶相位匹配条件，从而实现了二阶和三阶非线性光的生成 157。使用 I 型（信号和闲置光与泵浦光呈线性偏振正交）模式相位匹配，在 3C-SiCOI RRs158 中展示了自发参量下转换。
总之，我们可以在图 5 中设想，未来的 SiCOI 集成量子光子学将包含包含电子和核自旋以及耦合和纠缠光子的单个 SPI。SPI 通过在波导中传播的光子连接，共同用于形成光子多维簇状态。来自不同 SPI 的自旋纠缠光子通过 50:50 分束器在芯片上发生干涉，然后利用波导集成的 SNSPD 进行检测。每个 SPI 将包含光子腔以增强自旋-光子耦合。微波天线和电极可以在芯片上制造，用于自旋或电荷控制以及 SPI 的斯塔克位移调谐。核自旋可用作量子信息存储和处理的存储器。此外，可以实现基于谐振器的量子存储器（见图 5）。最后，参数非线性、经典和量子光子源 157-160 和电光调制器 161 也可以在 SiCOI 芯片中实现。
与其他平台相比，SiC 中的集成量子光子链路从可持续性的角度脱颖而出，因为 VSi 中心有可能在液氢温度 T=20 K87 下使用。
