radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2024-27-2-119-131radioelectronics-866Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА СВЧMICROWAVE ELECTRONICSВлияние отжига на волноведущие свойства планарных волноводов, изготовленных на основе пленок из нитрида кремния различной толщиныEffect of Annealing Treatment on the Optical Properties of Silicon Nitride Waveguideshttps://orcid.org/0000-0003-3600-4946ЕршовА. А.ErshovA. A.

Ершов Александр Александрович – аспирант кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexander A. Ershov, Postgraduate student of the Department of Physical Electronics and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

aaershov@etu.ruhttps://orcid.org/0009-0005-9179-1112ЧекмезовК. Н.ChekmezovK. N.

Чекмезов Кирилл Николаевич – студент 1-го курса магистратуры

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Kirill N. Chekmezov, 1-st year master degree student of 

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

chekmezovkn@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-5147-0630БуровихинА. П.BurovikhinA. P.

Буровихин Антон Павлович – инженер 2-й категории лаборатории технологии материалов и элементов интегральной радиофотоники

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Anton P. Burovikhin, engineer of the Laboratory of Technology of Materials and Elements of Integrated Radiophotonics

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

antonburovihin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4226-4341НикитинА. А.NikitinA. A.

Никитин Андрей Александрович – кандидат физико-математических наук (2011), доцент кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Andrey A. Nikitin, Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2011), Associate Professor of the Department of Physical Electronics and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

aanikitin@etu.comhttps://orcid.org/0000-0002-8877-8372АболмасовС. Н.AbolmasovS. N.

Аболмасов Сергей Николаевич – кандидат физико-математических наук (2003), ведущий технолог; научный сотрудник 

ул. Политехническая, д. 28, Санкт-Петербург, 194064

Sergey N. Abolmasov, Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2003), leading technologist; research fellow

28, Politekhnicheskaya St., St Petersburg 194064

s.abolmasov@hevelsolar.comСташкевичА. А.StashkevichA. A.

Сташкевич Андрей Александрович – доктор физико-математических наук (1995), заслуженный профессор (2020)

LSPM – CNRS UPR3407, Ж. Б. Клемана авеню, д. 99, Вилльтанёз, 93 430

Andrey A. Stashkevich, Dr Sci. (Phys-Math.) (1994), Emeritus Professor (2020) of Physics, Institut Galilee

99, J. B. Clement Ave., Villetaneuse 93 430

stachkevitch@univ-paris13.frТеруковЕ. И.TerukovE. I.

Теруков Евгений Иванович – доктор технических наук (1992), заведующий лабораторией Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН, профессор кафедры фотоники

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Evgeniy I. Terukov, Dr Sci. (Eng.) (1993), Vice Director of Science of the Scientific and Technical Center for Thin-Film Technologies in Energy at the Ioffe Institute. Professor of the Department of Photonics

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

eug.terukov@mail.ioffe.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5770-1543ЕськовА. В.EskovA. V.

Еськов Андрей Владимирович – кандидат технических наук (2014), руководитель лаборатории технологии материалов и элементов интегральной радиофотоники

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Andrey V. Eskov, Cand. Sci. (Eng.) (2014), Head of the Laboratory of Technology of Materials and Ele- ments of Integrated Microwave Photonics

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

aeskow@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-2348-3773СеменовА. А.SemenovA. A.

Семенов Александр Анатольевич – доктор технических наук (2017), заведующий кафедрой физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

 

Alexander A. Semenov, Dr Sci. (Eng.) (2017), Head of the Department of Physical Electronics and Technology

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

aasemenov@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7382-9210УстиновА. Б.UstinovA. B.

Устинов Алексей Борисович – доктор физико-математических наук (2012), профессор кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexey B. Ustinov, Dr. Sci. (Phys.-Math.) (2012), Professor of the Department of Physical Electronics and Technologies

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationООО "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике"; Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наукРоссияScientific and Technical Center of Thin Film Technologies in Energy LLC; Ioffe InstituteRussian FederationУниверситет Сорбонна Париж СеверФранцияUniversité Sorbonne Paris NordFranceСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина); ООО "НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике"; Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наукРоссияSaint Petersburg Electrotechnical University; Scientific and Technical Center of Thin Film Technologies in Energy LLC; Ioffe InstituteRussian Federation202425042024272119131Copyright © Ершов А.А., Чекмезов К.Н., Буровихин А.П., Никитин А.А., Аболмасов С.Н., Сташкевич А.А., Теруков Е.И., Еськов А.В., Семенов А.А., Устинов А.Б., 20242024Ершов А.А., Чекмезов К.Н., Буровихин А.П., Никитин А.А., Аболмасов С.Н., Сташкевич А.А., Теруков Е.И., Еськов А.В., Семенов А.А., Устинов А.Б.Ershov A.A., Chekmezov K.N., Burovikhin A.P., Nikitin A.A., Abolmasov S.N., Stashkevich A.A., Terukov E.I., Eskov A.V., Semenov A.A., Ustinov A.B.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/866Введение

Введение. Нитрид кремния является многообещающим материалом для изготовления фотонных интегральных схем (ФИС). Одним из наиболее перспективных методов с точки зрения промышленного производства ФИС из нитрида кремния является метод плазмохимического осаждения из газовой фазы. Недостатком этого метода, ограничивающим его применение, является высокое затухание в телекоммуникационном диапазоне частот, обусловленное поглощением на Si–H- и N–H-комплексах, оставшихся в процессе роста пленки. Термический отжиг является основным способом разрушения этих комплексов и уменьшения потерь. Таким образом, актуальной задачей является изучение влияния отжига на волноведущие свойства фотонных интегральных волноводов из нитрида кремния.

Цель работы

Цель работы. Исследование влияния отжига на волноведущие свойства ФИС на основе пленок из нитрида кремния разной толщины, полученных методом плазмохимического осаждения из газовой фазы.

Материалы и методы

Материалы и методы. В работе исследовано влияние отжига на волноведущие свойства ФИС, изготовленных из пленок нитрида кремния толщиной 200, 400 и 700 нм. Для этого при помощи оптического анализатора компонентов высокого разрешения измерялись передаточные характеристики набора тестовых элементов. Измерения выполнены в диапазоне частот 185…196 ТГц.

Результаты

Результаты. Из измеренных передаточных характеристик тестовых элементов были получены частотные зависимости декремента затухания, коэффициента связи и группового показателя преломления до и после отжига. Показано, что волноводы на пленках 200 нм демонстрировали достаточно высокое затухание по сравнению с волноводами на более толстых пленках, затухание в которых составляло 5 дБ в диапазоне 185…190 ТГц. На частотах выше 190 ТГц наблюдалось резкое возрастание потерь, связанных с поглощением на N–H-комплексах. В результате отжига потери уменьшаются во всей полосе частот. Адекватность определения волноведущих свойств продемонстрирована путем сопоставления теоретических и экспериментальных передаточных характеристик кольцевых резонаторов.

Заключение

Заключение. Результаты исследования показывают, что для микроволноводов из нитрида кремния, полученных методом плазмохимического осаждения из газовой фазы, необходим отжиг. Отжиг при температуре 600 °C в течение 30 мин в вакууме позволил уменьшить затухание в микроволноводах сечением 900 × 400 и 900 × 700 нм2 до 4 дБ/см во всем диапазоне частот от 185 до 196 ТГц.

Introduction

Introduction. Silicon nitride is a highly promising material for fabrication of photonic integrated circuits (PICs). Plasma-enhanced chemical vapor deposition is a prospective method for large-scale industrial production of silicon nitride-based PICs. The disadvantage of this method, which limits its practical application, consists in high insertion losses in the telecommunication frequency band due to absorption on the Si–H and N–H bonds remaining from the film growth process. Thermal annealing is the most common method for breaking these bonds and reducing losses. Therefore, investigation of the impact of annealing on the optical properties of photonic integrated waveguides is an important research task.

Aim

Aim. To investigate the effect of annealing treatment on the optical properties of PICs based on the silicon nitride films with different thicknesses obtained by plasma-enhanced chemical vapor deposition.

Materials and methods

Materials and methods. The work investigates the effect of annealing treatment on the optical properties of PICs based on the silicon nitride films with thicknesses of 200, 400 and 700 nm. To that end, the transmission characteristics of a set of test elements were measured using a high-definition component analyzer in the frequency range of 185…196 THz.

Results

Results. Frequency dependencies of loss and coupling coefficients, as well as the group index before and after annealing were extracted from the measured transmission characteristics of the test elements. It was found that waveguides on a 200-nm-thick film exhibited higher losses in comparison with the waveguides on thicker films. The waveguides with cross sections of 900 × 400 and 900 × 700 nm2 demonstrate the losses below 5 dB in the frequency range of 185…190 THz. A rapid increase in losses due to absorption on the N–H bonds was observed at the frequencies above 190 THz. The work shows that thermal annealing reduces insertion losses across the frequency range from 185 to 196 THz. The adequacy of extracted optical parameters is confirmed by comparing theoretical and experimental transmission characteristics of the ring resonator.

Conclusion

Conclusion. The obtained results demonstrate that silicon nitride waveguides fabricated by the method of plasma-enhanced chemical vapor deposition require the stage of thermal annealing. Vacuum annealing at 600 °C for 30 min reduces insertion losses in the waveguides with cross sections of 900 × 400 and 900 × 700 nm2 down to 4 dB/cm in the frequency band from 185 to 196 THz.

фотонные интегральные схемыоптические волноводынитрид кремнияотжигphotonic integrated circuitsoptical waveguidessilicon nitrideannealingРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках выполнения Государственного задания № 075-01438-22-07 и гранта № FSEE-2022-0017.The work was carried out with the support of Ministry of Education and Science of Russian Federation (project no. 075-01438-22-07, grant FSEE-2022-0017).ReferencesMethods to achieve ultra-high quality factor silicon nitride resonators / X. Ji, S. Roberts, M. CoratoZanarella, M. Lipson // APL Photonics. 2021. Vol. 6, iss. 7. P. 071101. doi: 10.1063/5.0057881Ji X., Roberts S., Corato-Zanarella M., Lipson M. Methods to Achieve Ultra-High Quality Factor Silicon Nitride Resonators. APL Photonics. 2021, vol. 6, iss. 7, p. 071101. doi: 10.1063/5.0057881High-yield, wafer-scale fabrication of ultralowloss, dispersion-engineered silicon nitride photonic circuits / J. Liu, G. Huang, R. N. Wang, J. He, A. S. Raja, T. Liu, N. J. Engelsen, T. J. Kippenberg // Nature communications. 2021. Vol. 12, iss. 1. P. 2236. doi: 10.1038/s41467-021-21973-zLiu J., Huang G., Wang R. N., He J., Raja A. S., Liu T., Engelsen N. J., Kippenberg T. J. High-Yield, Wafer-Scale Fabrication of Ultralow-Loss, DispersionEngineered Silicon Nitride Photonic Circuits. Nature Communications. 2021, vol. 12, iss. 1, p. 2236. doi: 10.1038/s41467-021-21973-zHertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators / W. Jin, Q. F. Yang, L. Chang, B. Shen, H. Wang, M. A. Leal, L. Wu, M. Gao, A. Feshali, M. Paniccia, K. J. Vahala, J. E. Bowers // Nature Photonics. 2021. Vol. 15, iss. 5. P. 346–353. doi: 10.1038/s41566-021-00761-7Jin W., Yang Q. F., Chang L., Shen B., Wang H., Leal M. A., Wu L., Gao M., Feshali A., Paniccia M., Vahala K. J., Bowers J. E. Hertz-Linewidth Semiconductor Lasers Using CMOS-Ready Ultra-High-Q Microresonators. Nature Photonics. 2021, vol. 15, iss. 5, pp. 346–353. doi: 10.1038/s41566-021-00761-7Ultralow-loss tightly confining Si3N4 waveguides and high-Q microresonators / H. El Dirani, L. Youssef, C. Petit-Etienne, S. Kerdiles, P. Grosse, C. Monat, E. Pargon, C. Sciancalepore // Optics express. 2019. Vol. 27, iss. 21. P. 30726–30740. doi: 10.1364/OE.27.030726El Dirani H., Youssef L., Petit-Etienne C., Kerdiles S., Grosse P., Monat C., Pargon E., Sciancalepore C. Ultralow-Loss Tightly Confining Si3N4 Waveguides and High-Q Microresonators. Optics Express. 2019, vol. 27, iss. 21, pp. 30726–30740. doi: 10.1364/OE.27.030726Pushing the limits of CMOS optical parametric amplifiers with USRN:Si7N3 above the two-photon absorption edge / K. J. A. Ooi, D. K. T. Ng, T. Wang, A. K. L. Chee, S. K. Ng, Q. Wang, L. K. Ang, A. M. Agarwal, L. C. Kimerling, D. T. H. Tan // Nature communications. 2017. Vol. 8, iss. 1. P. 13878. doi: 10.1038/ncomms13878Ooi K. J. A., Ng D. K. T., Wang T., Chee A. K. L., Ng S. K., Wang Q., Ang L. K., Agarwal A. M., Kimerling L. C., Tan D. T. H. Pushing the Limits of CMOS Optical Parametric Amplifiers with USRN:Si7N3 Above the Two-Photon Absorption Edge. Nature Communications. 2017, vol. 8, iss. 1, p. 13878. doi: 10.1038/ncomms13878Radiation hardness of high-Q silicon nitride microresonators for space compatible integrated optics / V. Brasch, Q. F. Chen, S. Schiller, T. J. Kippenberg // Optics express. 2014. Vol. 22, iss. 25. P. 30786–30794. doi: 10.1364/OE.22.030786Brasch V., Chen Q. F., Schiller S., Kippenberg T. J. Radiation Hardness of High-Q Silicon Nitride Microresonators for Space Compatible Integrated Optics. Optics Express. 2014, vol. 22, iss. 25, pp. 30786– 30794. doi: 10.1364/OE.22.030786Marpaung D., Yao J., Capmany J. Integrated microwave photonics // Nature photonics. 2019. Vol. 13, iss. 2. P. 80–90. doi: 10.1038/s41566-018-0310-5Marpaung D., Yao J., Capmany J. Integrated Microwave Photonics. Nature Photonics. 2019, vol. 13, iss. 2, pp. 80–90. doi: 10.1038/s41566-018-0310-5Silicon nitride in silicon photonics / D. J. Blumenthal, R. Heideman, D. Geuzebroek, A. Leinse, C. Roeloffzen // Proceedings of the IEEE. 2018. Vol. 106, iss. 12. P. 2209–2231. doi: 10.1109/JPROC.2018.2861576Blumenthal D. J., Heideman R., Geuzebroek D., Leinse A., Roeloffzen C. Silicon Nitride in Silicon Photonics. Proc. of the IEEE. 2018, vol. 106, iss. 12, pp. 2209– 2231. doi: 10.1109/JPROC.2018.2861576Dissipative Kerr solitons in optical microresonators / T. J. Kippenberg, A. L. Gaeta, M. Lipson, M. L. Gorodetsky // Science. 2018. Vol. 361, iss. 6402. P. eaan8083. doi: 10.1126/science.aan808Kippenberg T. J., Gaeta A. L., Lipson M., Gorodetsky M. L. Dissipative Kerr Solitons in Optical Microresonators. Science. 2018, vol. 361, iss. 6402, p. eaan8083. doi: 10.1126/science.aan808Capmany J., Novak D. Microwave photonics combines two worlds // Nature photonics. 2007. Vol. 1, iss. 6. P. 319–330. doi: 10.1038/nphoton.2007.89Capmany J., Novak D. Microwave Photonics Combines Two Worlds. Nature Photonics. 2007, vol. 1, iss. 6, pp. 319–330. doi: 10.1038/nphoton.2007.89Marpaung D., Yao J., Capmany J. Integrated microwave photonics // Nature photonics. 2019. Vol. 13, iss. 2. P. 80–90. doi: 10.1038/s41566-018-0310-5Marpaung D., Yao J., Capmany J. Integrated Microwave Photonics. Nature Photonics. 2019, vol. 13, iss. 2, pp. 80–90. doi: 10.1038/s41566-018-0310-5Photonic damascene process for low-loss, highconfinement silicon nitride waveguides / M. H. P. Pfeiffer, C. Herkommer, J. Liu, T. Morais, M. Zervas, M. Geiselmann, T. J. Kippenberg // IEEE J. of selected topics in quantum electronics. 2018. Vol. 24, iss. 4. P. 1–11. doi: 10.1109/JSTQE.2018.2808258Pfeiffer M. H. P., Herkommer C., Liu J., Morais T., Zervas M., Geiselmann M., Kippenberg T. J. Photonic Damascene Process for Low-Loss, High-Confinement Silicon Nitride Waveguides. IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics. 2018, vol. 24, iss. 4, pp. 1–11. doi: 10.1109/JSTQE.2018.2808258Nonlinear silicon nitride waveguides based on a PECVD deposition platform / L. Wang, W. Xie, D. Van Thourhout, Y. Zhang, H. Yu, S. Wang // Optics express. 2018. Vol. 26, iss. 8. P. 9645–9654. doi: 10.1364/OE.26.009645Wang L., Xie W., Van Thourhout D., Zhang Y., Yu H., Wang S. Nonlinear Silicon Nitride Waveguides Based on a PECVD Deposition Platform. Optics Express. 2018, vol. 26, iss. 8, pp. 9645–9654. doi: 10.1364/OE.26.009645Ay F., Aydinli A. Comparative investigation of hydrogen bonding in silicon based PECVD grown dielectrics for optical waveguides // Optical materials. 2004. Vol. 26, iss. 1. P. 33–46. doi: 10.1016/j.optmat.2003.12.004Ay F., Aydinli A. Comparative Investigation of Hydrogen Bonding in Silicon Based PECVD Grown Dielectrics for Optical Waveguides. Optical Materials. 2004, vol. 26, iss. 1, pp. 33–46. doi: 10.1016/j.optmat.2003.12.004Fabrication techniques for low-loss silicon nitride waveguides / M. J. Shaw, J. Guo, G. A. Vawter, S. Habermehl, C. T. Sullivan // Micromachining Technology for Micro-Optics and Nano-Optics III. 2005. Vol. 2720. P. 109–118. doi: 10.1117/12.588828Shaw M. J., Guo J., Vawter G. A., Habermehl S., Sullivan C. T. Fabrication Techniques for Low-Loss Silicon Nitride Waveguides. Micromachining Technology for Micro-Optics and Nano-Optics III. 2005, vol. 2720, pp. 109–118. doi: 10.1117/12.588828Васильев В. Ю. Технологии получения тонких пленок нитрида кремния для микроэлектроники и микросистемной техники. Ч. 8: Влияние водорода в пленках на их свойства // Нанои микросистемная техника. 2019. Т. 21, № 6. С. 352–367. doi: 10.17587/nmst.21.352-367Vasilev V. Yu. Silicon Nitride Thin Film Deposition for Microelectronics and Microsystems Technologies. Part 8. Hydrogen Influence on Basic Film Properties. Nanoi mikrosistemnaya tekhnika. 2019, vol. 21, no. 6, pp. 352–367. doi: 10.17587/nmst.21.352-367 (In Russ.)Extraction of the optical properties of waveguides through the characterization of silicon‐on‐ insulator integrated circuits / A. A. Ershov, A. I. Eremeev, A. A. Nikitin, A. B. Ustinov // Microwave and Optical Technology Letters. 2023. Vol. 65, iss. 8. P. 2451–2455. doi: 10.1002/mop.33675Ershov A. A., Eremeev A. I., Nikitin A. A., Ustinov A. B. Extraction of the Optical Properties of Waveguides Through the Characterization of Silicon‐ On‐Insulator Integrated Circuits. Microwave and Optical Technology Letters. 2023, vol. 65, iss. 8, pp. 2451–2455. doi: 10.1002/mop.33675Silicon microring resonators / W. Bogaerts, P. De Heyn, T. Van Vaerenbergh, K. De Vos, S. Kumar Selvaraja, T. Claes, P. Dumon, P. Bienstman, D. Van Thourhout, R. Baets // Laser & Photonics Reviews. 2012. Vol. 6, iss. 1. P. 47–73. doi: 10.1002/lpor.201100017Bogaerts W., De Heyn P., Van Vaerenbergh T., De Vos K., Kumar Selvaraja S., Claes T., Dumon P., Bienstman P., Van Thourhout D., Baets R. Silicon Microring Resonators. Laser & Photonics Reviews. 2012, vol. 6, iss. 1, pp. 47–73. doi: 10.1002/lpor.201100017Nonlinear frequency response of the multiresonant ring cavities / A. A. Nikitin, V. V. Vitko, M. A. Cherkasskii, A. B. Ustinov, B. A. Kalinikos // Results in Physics. 2020. Vol. 18. P. 103279. doi: 10.1016/j.rinp.2020.103279Nikitin A. A., Vitko V. V., Cherkasskii M. A., Ustinov A. B., Kalinikos B. A. Nonlinear Frequency Response of the Multi-Resonant Ring Cavities. Results in Physics. 2020, vol. 18, p. 103279. doi: 10.1016/j.rinp.2020.103279

The authors declare that there are no conflicts of interest present.