Películas delgadas de nitruro de silicio: el corazón invisible de los circuitos fotónicos integrados
Ana Luisa Aguayo Alvarado1, Francisco Domínguez Serna2, Wencel De La Cruz3 y Karina Garay Palmett1
1Departamento de Óptica, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, B.C
2SECIHTI, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, B.C.
3Centro de Nanociencias y Nanotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México
¿Qué es el nitruro de silicio y por qué es tan importante?
Cuando hablamos de chips fotónicos —esos pequeños circuitos que manipulan luz en lugar de electricidad—, uno de los materiales más prometedores es el nitruro de silicio (Si₃N₄). Este material no solo es transparente en el visible e infrarrojo cercano, sino que además es compatible con la tecnología usada en la industria de los semiconductores (CMOS), y tiene una respuesta no lineal útil para generar, controlar y manipular luz cuántica.
El artículo https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2023.122370 explora cómo fabricar este material de forma controlada, usando una técnica llamada pulverización catódica reactivo por radiofrecuencia, y cómo sus propiedades ópticas dependen de las condiciones de crecimiento.
¿Cómo se fabrican estas películas delgadas?
Los autores utilizaron un sistema de alto vacío en el que se implementó la técnica de pulverización catódica. En dicha técnica, un blanco de silicio es bombardeado con iones de argón, lo que provoca el desprendimiento de átomos de silicio. Posteriormente, se introduce gas nitrógeno a la cámara de vacío, el cual reacciona con los átomos de silicio y da lugar al depósito de una capa delgada de nitruro de silicio sobre un sustrato.
El truco está en afinar parámetros como:
El flujo de gases (nitrógeno y argón),
La presión de trabajo, y
La potencia de la fuente de RF.
Estos factores determinan qué tan "perfecta" será la película: si es amorfa o cristalina, si tiene impurezas, y —muy importante para este estudio— si sus índices de refracción son adecuados para aplicaciones en fotónica integrada.
¿Qué se encontró?
Se hizo una caracterización completa del material:
Composición química (XPS): se descubrió que pequeños cambios en el flujo de nitrógeno o en la presión de la cámara alteran la cantidad de silicio que forma enlaces con nitrógeno (lo deseable), frente a silicio que forma óxidos o queda sin enlazar.
Estructura (XRD): se comprobó que las películas son amorfas, lo cual es deseable para evitar efectos no deseados como la generación de no linealidades de segundo orden.
Índice de refracción (elipsometría): el índice lineal fue ajustable entre 2.07 y 1.76, dependiendo de los parámetros de síntesis.
Respuesta no lineal (z-scan con pulsos ultracortos): se midió un índice de refracción no lineal n2 del orden de 10-15 m2/W, lo cual es alto en comparación con otros materiales amorfos, especialmente a longitudes de onda cercanas a 800 nm (una región relevante para óptica cuántica con pulsos ultracortos).
¿Por qué es relevante este trabajo?
1. Desarrollo nacional de plataformas fotónicas: este tipo de películas ya se están usando para fabricar guías de onda, anillos resonadores y otros dispositivos integrados.
2. Personalización del material: al entender cómo los parámetros de síntesis afectan las propiedades ópticas, es posible ajustar el material a distintas aplicaciones, desde sensores ópticos hasta fuentes de fotones individuales.
3. Contribución al diseño de compuertas cuánticas: este mismo grupo ha propuesto compuertas cuánticas usando estos materiales, por lo que tener control preciso sobre sus propiedades es clave para avanzar en la computación cuántica fotónica integrada.
Figura 1. Fotografía del sistema de pulverización catódica por RF usado para depositar películas delgadas de nitruro de silicio, donde se puede observar el plasma de color morado generado durante el proceso.
Figura 2. Representación de un chip fotónico con guías de onda espirales, acopladores direccionales e interferómetros integrados, fabricados con nitruro de silicio.