[論文レビュー] Hydrogen-free low-temperature silica for next generation integrated photonics

Zheru Qiu, Zihan Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、SiCl4およびO2を前駆体として用い、300 °Cで誘導結合プラズマ増強化学蒸着法（ICPCVD）を用いて、次世代統合フォトニクス用の低損失SiO2クラッド膜を形成する水素不含有・低温プロセスを提案する。この手法により水素由来のOH吸収が排除され、1260–1625 nmの通信帯全域で1550 nmにおいて2.5 dB/m未満の波ガイド損失を達成した。これにより、LNOIやIII-V on insulator材料のような温度感受性プラットフォームとの互換性が実現された。

ABSTRACT

The advances in novel low-loss "on insulator" integrated photonics platforms beyond silicon, such as thin-film LiNbO3, LiTaO3, GaP and BaTiO3 have demonstrated major potential across a wide range of applications, due to their unique electro-optical or nonlinear optical properties. This has heralded novel devices, ranging from low-voltage and high-speed modulators to parametric amplifiers. For such photonic integrated circuits, a low-loss SiO2 cladding layer is a key element, serving as a passivation layer for the waveguides and enabling efficient fiber-to-chip coupling. However, numerous novel ferroelectric or III-V "on insulator" platforms have low tolerances for process temperature. This prohibits using high-temperature anneals to remove hydrogen, a common impurity that is inherent to ordinary chemical vapor deposited SiO2 and causes significant optical loss in the near infrared. Here, we satisfy the dichotomy of a low-loss wafer scale manufactured SiO2 cladding and low processing temperature. Inspired by the manufacturing of optical fibers, we introduce a hydrogen-free, low-loss SiO2 cladding that is deposited at low temperatures (300 degrees Celsius) by using SiCl4 and O2 as precursors in inductively coupled plasma-enhanced chemical vapor deposition (ICPCVD). By replacing hydrogenous silicon precursors (e.g. SiH4) with SiCl4, the deposited film is inherently free from residual hydrogen. The process temperature is compatible with the "on insulator" platforms and CMOS electronic integrated circuits. We demonstrate a wide low-loss window that covers all telecommunication bands from 1260 nm to 1625 nm. We achieve a < 2.5 dB/m waveguide loss at 1550 nm, comparable with 1200 degree Celsius annealed films. Our SiCl4 process provides a key future cladding for all recently emerged "on-insulator" photonics platforms, that is low cost, scalable in manufacturing, and directly foundry compatible.

研究の動機と目的

• 従来の前駆体由来の残留水素が原因で生じる低温堆積SiO2膜の高光学損失の課題に対処すること。
• 新興のフェロエレクトリックおよびIII-V on insulatorフォトニクスプラットフォームと相性の良い、低温・水素不含有のSiO2クラッドプロセスを開発すること。
• 高温アニールを要せず、1260–1625 nmの通信帯全域で低波ガイド損失を達成すること。
• 温度感受性基板上での低損失フォトニクス集積回路のスケーラブルかつファブリケーション対応製造を可能にすること。

提案手法

• 300 °Cで、誘導結合プラズマ増強化学蒸着法（ICPCVD）装置を用いてSiCl4およびO2前駆体からSiO2膜を堆積した。
• SiH4などの水素含有シリコン前駆体の代わりにSiCl4を用いることで、内在する水素およびOH由来吸収を排除した。
• ガス流量（O2: 50 sccm、SiCl4: 30 sccm、Ar: 10 sccm）、圧力（5 mTorr）、ICP出力（2000 W）、バイアス出力（250 W）のプロセスパラメータを最適化した。
• 残留水素汚染を低減するため、チャンバーコーニディショニングおよび基板の脱水処理を実施した。
• 残留水素濃度のプロキシとして、656 nmでの水素原子発光をインサイト原子発光分光法でモニタリングした。
• 性能および損失メカニズムの検証のため、SiH4ベースICPCVDおよびPECVD膜と比較する研究を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 300 °Cで高温アニールを要せず、低損失を維持する水素不含有SiO2クラッド膜を堆積可能か？
• RQ2 SiCl4を前駆体として用いることで、1380 nm領域のOHオーバートーン吸収ピークおよび1550 nm帯への長尾拡張が抑制されるか？
• RQ3 従来の高温アニール処理を施した膜と比較して、低温SiCl4ベースICPCVDプロセスが波ガイド損失をどの程度低減するか？
• RQ4 1260–1625 nmの通信帯全域において、損失および一様性の観点でプロセスの性能はいかがなものか？
• RQ5 SiCl4ベースプロセスはスケーラブルであり、CMOSおよび新興のオンインシュレータフォトニクスプラットフォームと互換性があるか？

主な発見

• SiCl4ベースICPCVDプロセスは、1550 nmにおいて2.5 dB/m未満の波ガイド損失を達成し、1200 °Cでアニール処理を施した膜と同等の性能を示した。
• 膜は1260 nmから1625 nmまで広範囲にわたり低損失窓を有しており、主要な通信帯をカバーした。
• 水素不純物の不在により、1380 nmに中心を置く強力なOHオーバートーン吸収ピークおよび1550 nm以降への長尾拡張が完全に消失した。
• LiNbO3 on insulator（LNOI）、LiTaO3、およびIII-V材料など、700–800 °C以上で劣化する温度感受性プラットフォームとも完全に相性が良かった。
• 高温アニールを要せず低損失クラッドを実現したことで、先進フォトニクス材料の統合における主要な障壁を克服した。
• プロセスはスケーラブルであり、既存のファブリケーションインfraに直接対応可能で、次世代統合フォトニクスの商業化を支援する。