[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种无需氢、低温（300 °C）的感应耦合等离子体增强化学气相沉积（ICPCVD）工艺，采用 SiCl4 和 O2 前驱体，制备下一代集成光子学用低损耗 SiO2 包层薄膜。该方法消除了与氢相关的 OH 吸收，实现了在 1550 nm 波长下全 1260–1625 nm 通信波段内波导损耗 <2.5 dB/m，使该技术兼容对温度敏感的平台，如 LNOI 和 III-V on insulator 材料。

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.

研究动机与目标

• 解决传统前驱体残留氢导致低温沉积 SiO2 薄膜光学损耗高的问题。
• 开发一种与新兴铁电及 III-V on insulator 光子平台兼容的低温、无氢 SiO2 包层工艺。
• 在无需高温退火的条件下，实现整个 1260–1625 nm 通信波段的低波导损耗。
• 实现对温度敏感基底上低损耗光子集成电路的可扩展、代工厂兼容制造。

提出的方法

• 在 300 °C 条件下，利用感应耦合等离子体增强化学气相沉积（ICPCVD）系统，使用 SiCl4 和 O2 前驱体沉积 SiO2 薄膜。
• 将含氢硅前驱体（如 SiH4）替换为 SiCl4，以消除固有氢和 OH 相关吸收。
• 优化工艺参数，包括气体流量（50 sccm O2，30 sccm SiCl4，10 sccm Ar）、压力（5 mTorr）、ICP 功率（2000 W）和偏置功率（250 W）。
• 实施腔室预处理和基底脱水，以最大限度减少环境气体带来的残留氢污染。
• 使用原位原子发射光谱法监测 656 nm 处的 H 原子发射，作为残留氢浓度的替代指标。
• 与 SiH4 基 ICPCVD 和 PECVD 薄膜进行对比研究，以验证性能和损耗机理。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在 300 °C 条件下实现无氢 SiO2 包层沉积，且无需高温退火，同时保持低光学损耗？
• RQ2 使用 SiCl4 作为前驱体是否可消除 1380 nm 区域的 OH 相关吸收峰及其向 1550 nm 波段的长尾延伸？
• RQ3 与传统高温退火薄膜相比，低温 SiCl4 基 ICPCVD 工艺在多大程度上降低了波导损耗？
• RQ4 该工艺在 1260–1625 nm 全通信窗口内，损耗和均匀性表现如何？
• RQ5 SiCl4 基工艺是否具备可扩展性，并与 CMOS 及新兴的 on-insulator 光子平台兼容？

主要发现

• SiCl4 基 ICPCVD 工艺在 1550 nm 处实现了 <2.5 dB/m 的波导损耗，与 1200 °C 退火薄膜性能相当。
• 该薄膜展现出从 1260 nm 到 1625 nm 的宽低损耗窗口，覆盖所有主要通信波段。
• 由于无氢杂质存在，1380 nm 处的强 OH 基频吸收峰及其在 1550 nm 以上的长尾均被消除。
• 该工艺完全兼容对温度敏感的平台，如绝缘衬底上的 LiNbO3（LNOI）、LiTaO3 及 III-V 材料，这些材料在 700–800 °C 以上会降解。
• 该方法无需高温退火即可实现低损耗包层，克服了在先进光子材料集成中的一大瓶颈。
• 该工艺具备可扩展性，并可直接与现有代工厂基础设施兼容，支持下一代集成光子学的未来商业化。