[논문 리뷰] Hydrogen-free low-temperature silica for next generation integrated photonics

Zheru Qiu, Zihan Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 12.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다음 세대 통합 광학 기술을 위한 저손실 SiO2 클래딩 필름을 제조하기 위해 SiCl4와 O2 전구물을 사용한 수소를 포함하지 않는 저온(300 °C) 인덕티브 결합 플라즈마 증착화학적 기상법(ICPCVD) 공정을 제시한다. 이 방법은 수소 기반 OH 흡수를 제거하여 전체 1260–1625 nm 통신 대역에서 1550 nm에서 <2.5 dB/m의 파장 손실을 달성하며, LNOI 및 III-V 온 인슐레이터 재료와 같은 온도에 민감한 플랫폼과의 호환성을 보장한다.

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 &lt; 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.

연구 동기 및 목표

• 기존 전구물에서 잔류 수소로 인한 저온 증착 SiO2 필름의 높은 광학 손실 문제를 해결하기 위해.
• 신규 페로일렉트릭 및 III-V 온 인슐레이터 광학 플랫폼과 호환되는 저온, 수소를 포함하지 않는 SiO2 클래딩 공정을 개발하기 위해.
• 고온 열처리가 필요 없이 전체 1260–1625 nm 통신 대역에서 저손실 파장 손실을 달성하기 위해.
• 온도에 민감한 기판에서 저손실 광학 집적 회로의 스케일러블이고 팹 기반 호환성 제조를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 300 °C에서 인덕티브 결합 플라즈마 증착화학적 기상법(ICPCVD) 시스템을 사용해 SiCl4와 O2 전구물을 이용해 SiO2 필름을 증착하였다.
• SiH4와 같은 수소 함유 실리콘 전구물을 SiCl4로 대체하여 내재된 수소와 OH 기반 흡수를 제거하였다.
• 가스 유량(50 sccm O2, 30 sccm SiCl4, 10 sccm Ar), 압력(5 mTorr), ICP 출력(2000 W), 바이어스 출력(250 W) 등의 공정 조건을 최적화하였다.
• 잔류 수소 오염을 최소화하기 위해 챔버 조절 및 기판 탈수를 구현하였다.
• 잔류 수소 농도의 지표로 656 nm에서의 수소 원자 방출 스펙트럼을 현장에서 원자 방출 분광법으로 모니터링하였다.
• 성능 및 손실 메커니즘을 검증하기 위해 SiH4 기반 ICPCVD 및 PECVD 필름과의 비교 연구를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온 열처리가 필요 없이 300 °C에서 수소를 포함하지 않는 SiO2 클래딩을 증착하여 저손실을 유지할 수 있는가?
• RQ2 SiCl4를 전구물로 사용할 경우 1380 nm 부근의 OH 기반 흡수 피크와 1550 nm 대역으로 연장되는 긴 尾음(트레일)이 제거되는가?
• RQ3 기존 고온 열처리 필름과 비교해 저온 SiCl4 기반 ICPCVD 공정이 파장 손실을 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 1260–1625 nm 통신 밴드 전체에서 손실 및 균일성 측면에서 이 공정의 성능은 어떠한가?
• RQ5 SiCl4 기반 공정은 스케일러블하고 CMOS 및 신규 온 인슐레이터 광학 플랫폼과 호환되는가?

주요 결과

• SiCl4 기반 ICPCVD 공정은 1550 nm에서 파장 손실이 <2.5 dB/m로, 1200 °C에서 열처리한 필름과 유사한 성능을 보였다.
• 필름은 1260 nm에서 1625 nm까지 넓은 저손실 밴드를 보였으며, 모든 주요 통신 대역을 커버했다.
• 수소 불순물의 부재로 인해 1380 nm 중심의 강한 OH 옵티컬 오버톤 흡수 피크와 1550 nm 이상으로 연장되는 긴 꼬리 부분이 모두 제거되었다.
• LiNbO3 온 인슐레이터(LNOI), LiTaO3 및 III-V 재료와 같이 700–800 °C 이상에서 열화되는 온도에 민감한 플랫폼과도 완전히 호환되었다.
• 고온 열처리 없이 저손실 클래딩을 실현함으로써 고급 광학 재료 통합의 주요 장벽을 극복하였다.
• 이 공정은 스케일러블하며 기존 팹 인프라와 직접 호환되어 향후 차세대 통합 광학 기술의 상용화를 지원한다.