Влияние отжига на волноведущие свойства планарных волноводов, изготовленных на основе пленок из нитрида кремния различной толщины

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. 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. 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. 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. 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.

1. Methods 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: 10.1063/5.0057881

2. High-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-z

3. Hertz-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/s41566-021-00761-7

4. Ultralow-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.27.030726

5. Pushing 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/ncomms13878

6. Radiation 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.22.030786

7. Marpaung D., Yao J., Capmany J. Integrated microwave photonics // Nature photonics. 2019. Vol. 13, iss. 2. P. 80–90. doi: 10.1038/s41566-018-0310-5

8. Silicon 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.2018.2861576

9. Dissipative 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.aan808

10. Capmany J., Novak D. Microwave photonics combines two worlds // Nature photonics. 2007. Vol. 1, iss. 6. P. 319–330. doi: 10.1038/nphoton.2007.89

11. Marpaung D., Yao J., Capmany J. Integrated microwave photonics // Nature photonics. 2019. Vol. 13, iss. 2. P. 80–90. doi: 10.1038/s41566-018-0310-5

12. Photonic 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.2018.2808258

13. Nonlinear 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.26.009645

14. Ay 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.2003.12.004

15. Fabrication 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: 10.1117/12.588828

16. Васильев 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.21.352-367

17. 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.33675

18. Silicon 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.201100017

19. Nonlinear 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.2020.103279