引言
氮化硅已经成为光电子集成芯片中的关键材料，从早期作为硅材料的替代方案，发展到如今在先进光学应用中占据核心地位。这段发展历程始于硅波导在通信波长下显示出较差的非线性光学性能，促使研究人员开始探索氮化硅作为可行的解决方案。这种材料特别引人注目的地方在于，通过专门的制备技术可以实现极低的光学损耗，为频率梳到光学陀螺仪等各类应用提供了技术基础[1]。
氮化硅光学损耗的根源
要理解氮化硅为什么会产生光学损耗，需要深入研究其基本化学特性。当使用化学气相沉积方法生长氮化硅薄膜时，硅烷(SiH₄)、二氯硅烷(SiH₂Cl₂)和氨气(NH₃)等前驱体气体会在材料结构中形成不需要的硅-氢(Si-H)和氮-氢(N-H)键。这些氢键会带来问题，因为其三次振动泛频恰好出现在1.5微米附近的通信波长处，造成显著的材料吸收，降低器件性能。
为了消除这些有害的氢键，传统方法依赖于高温工艺处理。标准制备流程包括在约800摄氏度下进行低压化学气相沉积，随后在1050至1200摄氏度之间进行数小时的后沉积退火处理。虽然这种热处理能够成功去除氢键，实现低于每厘米一分贝的传播损耗，但会引入相当大的复杂性。高温处理在薄膜中产生显著应力，需要采用额外的应力管理技术，例如引入沟槽结构或实施多步沉积工艺。
氘化氮化硅的技术创新
Bose及其同事最近的研究通过使用氘化前驱体，为这个长期存在的挑战提供了巧妙的解决方案。研究人员使用氘化硅(SiD₄)代替常规硅烷气体，其中氘(氢的较重同位素)取代了普通氢原子。这个看似简单的替换对最终薄膜的光学特性产生了深远影响。沉积过程中形成的硅-氘(Si-D)键的振动泛频从有问题的1.5微米区域移至约2微米处，有效消除了通信波长下的吸收损耗。
这种方法特别具有创新性的地方在于大幅降低了热预算。薄膜可以在仅250摄氏度下沉积，无需任何后沉积退火处理，就能实现与传统高温方法相当甚至更优的超低损耗。报道的低束缚波导传播损耗为每米1.77分贝，高束缚波导为每米8.66分贝，这代表了无退火氮化硅薄膜所达到的最低数值。值得注意的是，氮化硅芯层和二氧化硅包层都使用氘化前驱体，确保整个波导结构中的吸收最小化。
束缚特性与应用领域
氮化硅器件根据光学束缚特性分为两个不同类别，每类服务于不同的应用领域。高束缚器件具有较小的横截面，光学模式主要与氮化硅芯层相互作用，而不是与周围的二氧化硅包层作用。这些几何结构提供反常色散，对于通过非线性过程(如级联四波混频、色散波形成和光学孤子动力学)产生频率梳具有必要性。演示器件中约1.3平方微米的小有效模式面积增强了非线性效应，因为非线性参数与模式面积成反比。
图1：芯片上的低束缚和高束缚氮化硅器件，显示了各自不同的光学特性和多样化应用，包括光学陀螺仪、频率梳和受激布里渊激光器。
低束缚器件呈现出互补优势，有效模式面积要大一个数量级，通常在20平方微米左右。这种扩展的模式分布降低了对侧壁和表面粗糙度的敏感性，使得传播损耗可以更低。由于这些器件的光学模式有相当部分位于包层中，氘化二氧化硅对于实现最小吸收变得极为重要。这些超低损耗、低束缚波导在需要卓越稳定性和品质因子的应用中表现出色，如激光稳定、光学陀螺仪和受激布里渊激光器。
演示的激光稳定采用Pound-Drever-Hall锁定技术锁定到氮化硅谐振器，实现了1490万的本征品质因子，使频率噪声降低了四个数量级。对于高束缚器件，研究工作展示了跨越两个倍频程的超连续谱产生，以及在约16.7毫瓦阈值功率下的光学参量振荡，谐振器品质因子超过400万。这些成果表明，产生具有理想相干特性和低相位噪声的孤子态可以在比以往更低的功率下实现。
制造意义与集成机遇
除了直接的性能优势外，低温氘化氮化硅对光电子线路的制造方式具有深远影响。考虑电子芯片的典型制造流程，首先进行前端CMOS工艺处理，通过光刻、刻蚀、离子注入和栅极形成来定义晶体管和电互连。随后，添加低介电常数材料和铜基金属互连来完成电学层。
在集成光子技术与电子技术时，热约束成为首要考虑因素。如果光子层在制造堆栈顶部加工，任何高温步骤都可能通过引起掺杂剂迁移或熔化铜互连而对下层结构造成灾难性影响。因此，传统的高温氮化硅工艺限制了可以与光子技术成功集成的电子线路类型。仅需250摄氏度加工的超低损耗氘化氮化硅的出现消除了这个基本障碍，实现了后端CMOS兼容性，扩展了可实现的光电线路架构范围。
这种热兼容性为异质集成开辟了新路径，光子功能和电子功能可以更自由地组合而不会损害任一子系统。工艺复杂性的降低也转化为更低的制造成本和潜在的更高良率，使先进光子集成技术在商业应用中更易获得。随着研究人员继续探索使用氘化前驱体生长的超低损耗氮化硅，可以预期在通信、传感和量子技术领域，利用超高品质因子谐振器和超低损耗波导的应用将加速发展。
参考文献
[1] D. T. H. Tan and X. X. Chia, "Ultra-low loss silicon nitride becomes even cooler," Light Sci. Appl., vol. 13, no. 233, pp. 1-3, Sept. 2024.
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