Résultats présentés à la conférence SPIE Nanophotonics XI (Proc. SPIE 14076, mai 2026)
Le nitrure de silicium (SiN) s’est imposé comme une plateforme majeure pour la photonique intégrée grâce à sa compatibilité avec les procédés de fabrication CMOS qui facilite la production à grande échelle et l’intégration avec les plateformes photoniques et électroniques existantes. Sa large fenêtre de transparence, ses faibles pertes linéaires, sa non-linéarité Kerr modérée et l’absence d’absorption à deux photons dans le proche infrarouge le rendent particulièrement adapté aux dispositifs nonlinéaires intégrés. Une exploitation pleine du potentiel nonlinéaire du SiN dans le proche infrarouge nécessite cependant une excellente qualité du procédé de fabrication des structures photoniques car les interactions optiques nonlinéaires exigent de fortes intensités optiques et de grandes longueurs d’interaction. Cela impose des contraintes sévères sur les pertes des guides d’onde, dont les imperfections de fabrication liées à la rugosité des flancs de gravure constituent le principal facteur limitant. Par ailleurs, de nombreuses applications nonlinéaires reposent sur une ingénierie précise de la dispersion nécessitant souvent des épaisseurs de SiN relativement épaisses (600-800nm) et exemptes de défauts profonds liés aux jeux de contraintes. Le développement de procédés de fabrication fiables, reproductibles et à ultra-faibles pertes constitue ainsi une étape clé pour faire progresser les dispositifs photoniques nonlinéaires intégrés nitrure de silicium en vue du développement d’applications.
Dans ce contexte, le procédé damascène [1] s’est imposé comme la stratégie de fabrication de référence pour réaliser des dispositifs photoniques en SiN à ultra-faibles pertes. Dans ce procédé, des tranchées correspondant à la géométrie souhaitée sont d’abord définies par lithographie et gravure anisotrope dans la couche de substrat. Le SiN est ensuite déposé de manière conforme, le plus souvent par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), afin de remplir les tranchées préformées. L’excédent de matériau est ensuite retiré par planarisation mécano-chimique (CMP), de sorte que le SiN ne subsiste que dans les zones structurées. Enfin, une couche supplémentaire de silice est déposée sur les dispositifs.
Malgré ses avantages pour l’obtention de dispositifs à ultra-faibles pertes, le procédé damascène présente des inconvénients et des limitations. L’un des principaux défis réside dans l’étape de CMP : le retrait de matière est difficile à contrôler de façon uniforme selon les tailles de motifs et les densités de structures, ce qui impose l’ajout de motifs de remplissage pour obtenir une bonne uniformité. En outre, la géométrie enterrée des guides d’ondes qui en résulte peut constituer une limitation importante pour d’autres applications, comme la détection ou l’intégration hybride : le cœur en SiN étant entièrement noyé dans le dioxyde de silicium, l’accès direct au mode optique est restreint. Une autre approche pour fabriquer des dispositifs en SiN est le procédé soustractif conventionnel qui structure directement le matériau par gravure plutôt que de l’encapsuler par un procédé damascène. Bien que ce procédé soit plus courant dans les fonderies de semi-conducteurs commerciales, plusieurs défis restent à relever pour l’optimiser. L’utilisation de guides d’ondes à dispersion négative nécessite des couches de SiN conduisant à l’accumulation de contraintes intrinsèques lors du dépôt par LPCVD. La problématique de la rugosité des flancs des guides reste par ailleurs entière.
Pour surmonter ces limitations, un procédé de fabrication des guides a été proposé, il repose sur des couches minces de SiN de haute qualité déposées par LPCVD sur une couche d’oxyde enterré (BOX) de silice thermique de 3 µm de substrats silicium sur isolant. Une gravure profonde de la couche de SiN est réalisée pour définir les contours des puces et permettre la découpe en échantillons individuels afin d’éviter l’apparition de fissures du matériau lors de la séparation des puces. La lithographie électronique est réalisée selon un schéma multi-passage dans une résine ZEP520A, ceci moyennant les fluctuations du faisceau pendant la phase d’écriture. La gravure est ensuite effectuée par gravure ionique réactive fluorée. L’argon est utilisé pour renforcer la pulvérisation physique et lisser les flancs des guides, et l’azote pour ajuster finement la couche de passivation au cours de la gravure. Un recuit final est effectué afin d’éliminer les liaisons N-H présentes dans le matériau déposé, l’ensemble conduisant à l’obtention de guides d’onde bien définis (Fig. 1 a)).
Les pertes optiques sont ensuite été mesurées à l’aide de résonateurs optiques en anneau en balayant finement la longueur d’onde d’un laser à cavité accordable et en enregistrant les spectres de transmission au moyen d’un photodétecteur infrarouge. Des facteurs de qualité de l’ordre de 5 millions pour des guides d’onde multimodes et de 2 millions pour les guides monomodes ont été obtenus (Fig. 1 b)) [2]. Des dispositifs présentant de tels niveaux de pertes de propagation et de facteurs de qualité sont bien adaptés aux applications en optique nonlinéaire où un fort confinement optique et des durées de vie des photons élevées permettent une conversion de fréquence ou des processus paramétriques efficaces [3]. Ces dispositifs peuvent également être utilisés dans des schémas d’intégration hybride avec d’autres matériaux en vue d’accroître les non-linéarités optiques.
[1] M. H. P. Pfeiffer et al., Optica 5, 884-892 (2018)
[2] M. C. Diaz-Sanchez et al., Proc. SPIE 14076, Nanophotonics XI, 1407611 (26 May 2026), https://doi.org/10.1117/12.3099926
[3] X. Ji et al., Optica, 4, 6 (2017)
Maria Camila Diaz-Sanchez1, Yijun Yang1, Sebastian Alvarez-Ortega1, Etienne Herth1, David Bouville1 Daniele Melati1, Carlos Alonso-Ramos1, Delphine Marris-Morini1, Laurent Vivien1, Eric Cassan1
1Centre des Nanosciences et des Nanotechnologies, 91120 Palaiseau, France
Figure : Fig. 1: Circuits en SiN : a) image au MEB d'un guide d'ondes fabriqué ; b) Transmission d'un résonateur en anneau
Contact : Eric Cassan
