光子与量子材料
Tystar 公司专注于先进的半导体工艺设备，包括低压化学气相沉积（LPCVD）炉和光增强化学气相沉积（Photo-CVD）系统。其独特的技术产品——无裂纹光学级氮化硅（Si3N4）薄膜（厚度可达 3 µm）、通过氧化形成的厚光学级二氧化硅（SiO2）层（厚度可达 30 µm）、以及在低温（80–250 °C）下实现的无缺陷氮化物与氧化物沉积——与新兴的光子集成电路（PIC）和量子计算技术的需求高度契合。这些工艺可制备用于纳米尺度光操控的高性能、低损耗材料，减少光传播损耗，并在无热损伤的条件下集成灵敏的量子元件。以下将通过具体实例探讨其应用，重点说明 Tystar 的优势如何缓解这些领域的关键挑战。
1. 无氢 3 µm 无裂纹 Si3N4 LPCVD 薄膜
氮化硅（Si3N4）因其极低的光学损耗、宽广的透明窗口（从可见光至中红外）以及高光功率承载能力，而成为高性能光子与量子系统的基础材料。 然而，在制备厚度超过 600 nm 的 Si3N4 薄膜以实现强光学约束时，LPCVD 薄膜中的高拉应力常导致开裂或剥离。 Tystar 能够沉积高质量、无氢、厚达 3 µm 的无缺陷 Si3N4 薄膜，成功克服了应力限制，实现在 PIC 中的超低损耗波导。 由于 Si3N4 在可见至近红外波段具有宽带透明性与极低吸收，这项技术可支持用于电信与数据通信的高密度 PIC 的批量制造，其中厚而均匀的薄膜确保了可靠性。
2. 创纪录的 30 µm SiO2 氧化层
二氧化硅（SiO2）是基于硅的光子器件中主要的包层与缓冲层，用以将高折射率的波导核心（如 Si 或 Si3N4）与衬底隔离。 在中红外或高功率应用中，为防止光泄漏（倏逝耦合）到衬底，需要厚且高均匀性的氧化层。 Tystar 的光学级 SiO2 氧化技术可实现高达 30 µm 的厚度，创下世界纪录，为波导提供优异的光学包层，有效隔离光路并降低硅光子平台中的串扰。这对于硅-氮化硅混合集成平台尤为关键，可增强光信号处理等功能。 值得注意的是，加州理工学院（Caltech）的研究人员曾利用 Tystar 的 SiO2 氧化技术，在《Nature Photonics》[1] 报道中实现了光学谐振腔品质因数（Q ≈ 109）的世界纪录。
3. 低温（80–250 °C）光增强化学气相沉积（Photo-CVD）
在开发异质集成电路时，光子或量子器件需与已制备的电子元件（如 CMOS）相结合，这要求低温沉积工艺以避免损伤底层金属化层或有源器件。 Tystar 的光增强 CVD 技术利用紫外光激活反应气体，无需高温等离子体，从而避免了离子辐射损伤。 该低温（80–250 °C）Photo-CVD 工艺可在温度敏感衬底上实现无空洞的氮化物与氧化物沉积，使其能够与 III–V 材料或聚合物集成。 这为柔性光子集成电路（PIC）提供了制造路径，尤其适用于生物光子学领域的可穿戴传感器等应用，低热工艺可确保衬底结构与功能的完整性。
表 1：厚膜 Si3N4 LPCVD 的应用
| 应用 | Tystar 优势 | 具体示例 |
|---|---|---|
| 高约束波导（High-Confinement Waveguides） | 缓解薄膜应力与开裂问题：可沉积厚达 3 µm 的高质量无缺陷 Si3N4 薄膜，突破其他制造平台受应力限制的瓶颈。 | 超低损耗 Si3N4 波导（如 4 µm × 1 µm 截面），用于片上长距离信号传输，传播损耗接近光纤级别（<0.1 dB·cm-1），对大规模 PIC 与量子网络至关重要。在自动驾驶激光雷达（LiDAR）系统中，该技术实现低损耗光束形成网络，从而提升探测距离与分辨率。 |
| 集成非线性光学（Integrated Nonlinear Optics） | 高功率承载与增强的三阶非线性 χ(3)：厚膜可实现更强光学约束，结合 Si3N4 的高 Kerr 非线性（χ(3)），是高效频率转换的关键。 | Kerr 频率梳（Frequency Comb）发生器，用于光学原子钟与大数据高速传输。高质量 Si3N4 可用于制造超高 Q 值微谐振腔，产生高相干性的光学频率梳。在基于频率梳的量子处理器中，无裂纹 Si3N4 波导支持室温下可扩展的多量子比特操作。 |
| 光子量子源（Photonic Quantum Sources） | 低材料损耗以维持相干性：最小化光学损耗对于保持量子相干性与纠缠至关重要。 | 集成单光子源与分束器（Beam Splitters），基于低损耗波导制成，可在单芯片上实现复杂的量子算法与纠缠生成。在光子量子计算中，Si3N4 薄膜支持量子光子集成电路（QPIC），以极低损耗生成与传输纠缠光子。 |
4. 总结
Tystar 的尖端技术正有望通过实现新一代光子与量子计算解决方案来变革各行各业。其独特能力能够制造出高质量、无缺陷的厚硅氮化物薄膜，从而在自动驾驶汽车的 LiDAR 系统以及量子网络等设备中实现更快速、更可靠的数据传输。其创下世界纪录的二氧化硅层显著提升了先进传感器和量子处理器的稳定性与性能，这对于医疗保健与计算领域的应用至关重要。此外，Tystar的低温沉积工艺可与敏感材料兼容，促进创新产品的开发，例如可穿戴健康监测设备和小型数据中心收发器。通过解决关键制造挑战，Tystar 的解决方案推动了规模化生产与成本效益的提升，使公司在快速增长的光子与量子技术市场中处于领先地位，其应用领域涵盖电信、自动驾驶以及安全计算等多个方向。
表 2：创纪录 SiO2 氧化层的应用
| 应用 | Tystar 优势 | 具体示例 |
|---|---|---|
| 高 Q 值光学谐振器（High-Q Optical Resonators） | 极致衬底隔离与均匀性：热氧化可生长厚达 30 µm 的 SiO2 层，实现完美的光模隔离，降低泄漏损耗并提升谐振器品质因数（Q）。Tystar 的技术已实现世界纪录级 Q 值（高达 ~109）。 | 高 Q 值光学微盘（Microdisk）与微球（Microsphere）谐振腔，可用作紧凑稳定的参考激光源，或作为腔量子电动力学（cQED）实验中的高精细腔体，增强光-物质相互作用。在生命科学用光谱仪中，厚氧化层支持高分辨率的片上传感器。 |
| 热与机械隔离（Thermal and Mechanical Isolation） | 卓越的包层与缓冲性能：厚且高密度的热氧化层提供优异的机械与热稳定性。 | 硅绝缘体上硅（SOI）与硅绝缘体上氮化硅（SONI）平台需深缓冲层以实现高效压电或热光调制（如微环调制器），并确保在多变环境下的稳定运行。在硅基量子比特（如自旋量子比特）中，厚 SiO2 层作为高质量介电层，提供电隔离并降低电荷噪声。例如，在同位素纯化硅量子点中，Tystar 的氧化技术制备出坚固的栅氧层，提高了兼容 CMOS 平台的量子比特保真度。 |
表 3：低温光增强化学气相沉积（CVD）的应用
| 应用 | Tystar 优势 | 具体示例 |
|---|---|---|
| 光子集成电路中的异质集成（Heterogeneous Integration in PICs） | 低温下的无缺陷/无空洞沉积：紫外光激活确保薄膜质量高、无等离子体损伤，可兼容敏感衬底。 | 用于生物光子学的柔性 PIC，例如将氮化物与氧化物沉积于聚合物上的可穿戴传感器。低温工艺使光子器件可与 CMOS 电子元件集成，用于数据中心的紧凑型光电收发器。 |
| 量子器件钝化与集成（Quantum Device Passivation and Integration） | 保持热预算（Thermal Budget）：低温工艺防止超导或光子量子比特中出现缺陷，实现无缝异质集成。 | 在超导量子比特上沉积钝化层而不超过热限值；在用于量子通信的 GeSi 单光子雪崩二极管（SPAD）中，低温氧化层可将探测器集成进波导，实现安全的量子密钥分发。 |
参考文献
[1] H. Lee, et al., “Chemically etched ultrahigh-Q wedge-resonator on a silicon chip,” Nature Pho-tonics, vol. 6, pp. 369-373, 2012.
