[논문 리뷰] Room-Temperature Sputtered Ultralow-loss Silicon Nitride for Hybrid Photonic Integration

Shuangyou Zhang, Toby Bi외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 25.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실온에서 반응성 스퍼터링을 통해 제작된 초저손실 실리콘 nitride 웨이브가이드를 보고하며, 800 °C에서 열처리한 후 전파 손실이 3.5 dB/m에 달하여 저온 공정에서 보고된 바 중에서 가장 낮은 수준이다. 이 방법은 실리콘 전자기기, III-V 레이저, 실리카 인슐레이터 위의 리튬니오브산타네이트(LNOI)와의 CMOS 호환성 있는 프론트엔드 통합을 가능하게 하며, 고-Q 리드 지름 레이저와 1.3 및 1.5 µm에서 밝은 솔리톤 주파수 복합체 생성을 지원한다. 이는 최소 1.1 mW의 임계 전력으로 구현된다.

ABSTRACT

Silicon-nitride-on-insulator photonic circuits have seen tremendous advances in many applications, such as on-chip frequency combs, Lidar, telecommunications, and spectroscopy. So far, the best film quality has been achieved with low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and high-temperature annealing (1200 °C). However, high processing temperature poses challenges to the cointegration of Si3N4 with pre-processed silicon electronic and photonic devices, lithium niobate on insulator (LNOI), and Ge-on-Si photodiodes. This limits LPCVD as a front-end-of-line process. Here, we demonstrate ultralow-loss Silicon nitride photonics based on room-temperature reactive sputtering. Propagation losses as low as 5.4 dB/m after 400 °C annealing and 3.5 dB/m after 800 °C annealing are achieved, enabling ring resonators with more than 10 million optical quality factors. To the best of our knowledge, these are the lowest propagation losses achieved with low temperature silicon nitride. This ultralow loss enables threshold powers for optical parametric oscillations to 1.1 mW and enables the generation of bright soliton frequency combs at 1.3 and 1.5 μm. Our work features a full complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatibility with front-end silicon electronics and photonics, and has the potential for hybrid 3D monolithic integration with III-V-on-Si integrated lasers, and LNOI.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 광학 통합을 위한 저온, CMOS 호환성 있는 실리콘 질화물 플랫폼을 개발하기 위해.
• 사전 제작된 전자기기 및 광학 장치와의 공통 통합을 방해하는 고온의 LPCVD 공정의 한계를 극복하기 위해.
• 고온 열처리 없이도 초저손실 실리콘 질화물 필름을 달 đạt하기 위해.
• 고품질 인덕터(질량 요소 Q > 10⁷) 리드 지름 공진기 및 저임계 전력 광학적 비선형 진동을 실현하기 위해.
• III-V-on-Si 레이저 및 실리카 인슐레이터 위의 리튬니오브산타네이트(LNOI)와의 하이브리드 3D 단일 구조 통합을 지원하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 기판 위에 열산화된 실리콘 기초에 실온에서 반응성 스퍼터링을 이용해 실리콘 질화물 필름을 증착하였다.
• 증착 후 400 °C 및 800 °C에서 열처리를 실시하여 내부 스트레스를 감소시키고 필름 품질을 향상시켰다.
• 전파 손실을 측정하기 위해 레이서트랙 리드 지름 공진기 구성을 사용하여 전파 손실과 내재 전파 손실을 추출하였다.
• 고-Q 리드 지름 공진기를 제작하고 특성 분석하여 저전파 손실과 고품질 인덕터를 확인하였다.
• 지속광 펌프를 1.3 및 1.5 µm에서 사용하여 주파수 복합체 생성을 실험적으로 구현하였으며, 광학적 비선형 진동의 임계 전력도 측정하였다.
• 사전 제작된 실리콘 전자기기 및 광학 장치와의 통합을 고려하여 프로세스의 프론트엔드 CMOS 통합 호환성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온의 LPCVD 공정을 사용하지 않고 실온에서 스퍼터링을 통해 초저손실 실리콘 질화물 웨이브가이드를 달성할 수 있는가?
• RQ2 증착 후 열처리를 적용한 저온에서 제작된 실리콘 질화물 필름에서 달성 가능한 최소 전파 손실은 얼마인가?
• RQ3 저온 스퍼터링 실리콘 질화물(Si3N4)에서 고-Q 리드 지름 공진기(Q > 10⁷)를 실현할 수 있는가? 주파수 복합체 생성 응용에 적합한가?
• RQ4 이러한 저손실 웨이브가이드에서 광학적 비선형 진동의 임계 전력은 얼마인가?
• RQ5 이 공정은 III-V-on-Si 레이저 및 실리카 인슐레이터 위의 리튬니오브산타네이트(LNOI)를 포함한 프론트엔드 CMOS 통합과 얼마나 호환되는가?

주요 결과

• 400 °C에서 열처리한 후 전파 손실이 5.4 dB/m, 800 °C에서 열처리한 후에는 3.5 dB/m로 측정되어 저온 실리콘 질화물에서 보고된 바 중에서 가장 낮은 손실이다.
• Q > 10⁷인 고품질 인덕터 리드 지름 공진기를 구현하여 초저손실을 확인하였다.
• 광학적 비선형 진동의 임계 전력이 1.1 mW로 측정되어 효율적인 주파수 복합체 생성이 가능하다.
• 1.3 및 1.5 µm에서 밝은 솔리톤 주파수 복합체를 생성하여 플랫폼이 비선형 광학 응용에 적합함을 입증하였다.
• 이 공정는 프론트엔드 CMOS 통합과 완전히 호환되며, 사전 제작된 실리콘 전자기기, III-V-on-Si 레이저, 실리카 인슐레이터 위의 리튬니오브산타네이트(LNOI)와의 공통 통합을 가능하게 한다.
• 결과적으로 이는 고성능 실리콘 질화물 광학 회로를 위한 확장 가능한 저온 대체 공정으로서의 가능성을 입증한다.