Evaluation of Silicon Carbide for integrated photonics

This thesis investigates the design and fabrication of strongly confined 4H-SiCOI (4HSilicon Carbide on Insulator) waveguides for integrated photonic applications. The work combines numerical design, material characterization, and cleanroom process development to establish a reproducible framework for silicon carbide–based photonic structures. A global design methodology is developed for silicon carbide core waveguides operating in the strong confinement regime. Systematic maps of waveguide cross-sections are generated, including modal confinement, effective and group indices, bending loss, angular loss, and free spectral range, enabling the identification of optimal geometries under technological constraints. A pilot waveguide geometry of 300 nm height and 700 nm width is determined to follow with lithography and etching optimizations on bulk 4H-SiC. Spectroscopic ellipsometry is used to extract the optical constants of silicon carbide, and the resulting refractive index values are incorporated into the waveguide design pipeline. Maskless photolithography and reactive ion etching are calibrated to control proximity effects, tapering, and micronsized pattern transfer leading the way towards realization of sub-micron designs on 4HSiCOI platform. The fabricated structures are characterized by scanning electron microscopy to assess dimensional accuracy and profile quality. This work establishes a coherent design-tofabrication workflow for the 4H-SiCOI photonic platform. This work was carried out at the PoliFAB cleanroom facilities, the micro- and nanotechnology center of Politecnico di Milano, as well as at the Photonic Devices Laboratory of Politecnico di Milano.

Questa tesi indaga la progettazione e la fabbricazione di guide d’onda fortemente confinate su piattaforma 4H-SiCOI (4H-Silicon Carbide on Insulator) per applicazioni di fotonica integrata. Il lavoro combina progettazione numerica, caratterizzazione dei materiali e sviluppo di processi in cleanroom al fine di definire un framework riproducibile per strutture fotoniche basate su carburo di silicio. Viene sviluppata una metodologia globale di progettazione per guide d’onda con nucleo in carburo di silicio operanti nel regime di forte confinamento ottico. Sono generate mappe sistematiche delle sezioni trasversali delle guide d’onda, comprendenti confinamento modale, indici effettivi e di gruppo, perdite per curvatura, perdite angolari e free spectral range, consentendo l’identificazione di geometrie ottimali in presenza di vincoli tecnologici. Una geometria pilota di guida d’onda, con altezza di 300 nm e larghezza di 700 nm, viene individuata a seguito delle ottimizzazioni dei processi di litografia e incisione su campioni bulk di 4H-SiC. L’ellissometria spettroscopica è utilizzata per estrarre le costanti ottiche del carburo di silicio e i valori dell’indice di rifrazione ottenuti vengono integrati nel flusso di progettazione delle guide d’onda. La fotolitografia maskless e l’incisione mediante plasma reattivo (RIE) sono calibrate per controllare effetti di prossimità, tapering e trasferimento di pattern submicrometrici. Le strutture fabbricate sono caratterizzate mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) per valutare l’accuratezza dimensionale e la qualità dei profili. Questo lavoro definisce un flusso coerente dalla progettazione alla fabbricazione per la piattaforma fotonica 4H-SiCOI. Il lavoro è stato svolto presso le cleanroom di PoliFAB, centro di micro- e nanotecnologie del Politecnico di Milano, e presso il laboratorio di Dispositivi Fotonici del Politecnico di Milano.