研究目的
为验证热丝化学气相沉积（HWCVD）氮化硅（SiN）用于制备硅光子器件（包括直波导、多模干涉仪MMI及马赫-曾德尔干涉仪MZI）的可行性，通过表征其光学特性并与等离子体增强化学气相沉积（PECVD）SiN进行对比。
研究成果
在400°C以下沉积的热壁化学气相沉积（HWCVD）氮化硅适用于硅光子学，在1310 nm波长下传播损耗为5.7 dB/cm，在1550 nm波长下为6.1 dB/cm。多模干涉器（MMI）和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）等器件性能与等离子体增强化学气相沉积（PECVD）同类器件相当，但由于形貌缺陷导致损耗略高。HWCVD氮化硅较低的氢含量减少了吸收损耗，但空隙散射限制了性能。未来工作应聚焦于最小化形貌缺陷以改善损耗。
研究不足
通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）估算的氢浓度和氮硅比可能因忽略硅-硅键而低估硅原子数量，不过对于近化学计量比的薄膜可视为影响可忽略。氮化硅中的孔隙等形貌缺陷会导致散射损耗，刻蚀形成的侧壁粗糙度也可能增加损耗。其传播损耗高于等离子体增强化学气相沉积（PECVD）氮化硅，表明材料形貌方面存在优化空间。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用热丝化学气相沉积（HWCVD）技术在低温下沉积氮化硅（SiN）层以制备硅光子器件。通过MODE Solutions软件进行理论建模，指导单模传输和最佳尺寸的器件设计。
2：样品选择与数据来源：
在6英寸p型硅晶圆的二氧化硅（SiO2）层上沉积SiN层。器件包括直波导、多模干涉仪（MMI）和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）。
3：实验设备与材料清单：
设备包括用于HWCVD的Echerkon Nitor 301系统、用于图案化的电子束光刻、感应耦合等离子体刻蚀系统、用于包层的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、Woolham M-2000光谱椭偏仪、Zeiss NVision 40 FIB-FESEM、Varian 600傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），以及配备可调谐激光器和光电探测器的光学测量装置。
4：实验步骤与操作流程：
步骤包括在350°C下以特定气体比例和压力沉积SiN，通过光刻和刻蚀定义器件，沉积SiO2包层，并使用椭偏仪、FIB-FESEM、FTIR以及截断法测量传播损耗来表征物理/光学特性。
5：数据分析方法：
利用比例因子分析FTIR数据以估算键合和原子浓度；通过插入损耗与长度的线性回归确定传播损耗；通过光谱测量和仿真评估器件性能。
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Woolham M-2000 spectroscopic ellipsometer
M-2000
Woolham
Used to determine the thickness and refractive index of the SiN layers.
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FIB-FESEM Zeiss NVision 40
NVision 40
Zeiss
Used to inspect the morphology of the films via focused ion beam and field emission scanning electron microscopy.
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Echerkon Nitor 301 system
Nitor 301
Echerkon
Used for hot-wire chemical vapor deposition (HWCVD) of silicon nitride (SiN) layers.
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Varian 600 FTIR spectrometer
600
Varian
Used for Fourier Transform Infrared Spectrometry to ascertain hydrogen concentration in the films.
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MODE Solutions software
Commercial software used for detailed analysis of guided modes and eigenmode expansion simulations to optimize device dimensions.
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Electron beam lithography system
Used to define the optical devices and grating couplers.
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Inductive coupled plasma etching system
Used to transfer patterns to SiN layers with SF6 and CHF3 chemistry.
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Used to deposit SiO2 cladding layers.
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Tunable laser
Part of the optical measurement setup for characterizing device performance.
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Photodetector
Part of the optical measurement setup for detecting light output.
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