Dünnschicht-LNOI-Wafer (Lithium-Niobat auf Isolator) sind speziell entwickelte Substrate für integrierte photonische und elektrooptische Bauelemente.
Die Plattform besteht aus einer Dünnschicht aus einkristallinem Lithiumniobat, die auf eine vergrabene Oxidschicht (SiO₂) aufgebracht ist und von einem Silizium- oder isolierenden Trägerwafer getragen wird.
Diese Struktur ermöglicht eine starke optische Einschränkung, geringere Ausbreitungsverluste und eine hohe elektrooptische Effizienz, was sie zu einer der wichtigsten Materialplattformen für die moderne integrierte Photonik macht.
Das Konzept des Dünnschicht-Lithiumniobats (TFLN)
Unter „Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN)“ versteht man eine kristalline LiNbO₃-Schicht im Submikrometerbereich, die für optische Wellenleiter mit hohem Einschlussgrad und für die elektrooptische Modulation entwickelt wurde.
Im Vergleich zu massivem Lithiumniobat bietet TFLN folgende Vorteile:
- Stärkere optische Feldbegrenzung
- Höhere Modulationseffizienz
- Geringerer Platzbedarf
- Kompatibilität mit der Integration von Siliziumphotonik
TFLN wird auf LNOI-Wafern implementiert, um eine photonische Integration im Wafermaßstab zu ermöglichen.
Wafer-Architektur
| Ebene | Material | Funktionale Rolle |
|---|---|---|
| Geräteebene | LiNbO₃-Dünnschicht (TFLN) | Elektrooptische Modulation, nichtlineare Optik |
| Isolierschicht | SiO₂ (vergrabenes Oxid) | Optische Isolation und Modeneinschränkung |
| Griffplatte | Silizium / Quarz / Saphir | Mechanische Unterstützung und Prozesskompatibilität |
Wesentliche Merkmale
Extrem geringer optischer Übertragungsverlust < 0,05 dB/cm bei der Telekommunikationswellenlänge (1550 nm)
Hoher elektrooptischer Koeffizient (r₃₃ bis zu 90 pm/V)
Kompatibilität mit Wellenleitern im Submikrometerbereich für kompakte photonische Integration
CMOS-kompatible Integration mit Silizium- und Siliziumnitrid-Plattformen
Hohe thermische Stabilität mit einer Curie-Temperatur von ca. 1140 °C
Verschiedene Kristallorientierungen verfügbar: X-Schnitt, Y-Schnitt, Z-Schnitt
Wafergrößen von 3 bis 8 Zoll
Technische Daten
Parameter auf Wafer-Ebene
| Parameter | Spezifikation |
|---|---|
| Waferdurchmesser | 3″, 4″, 6″, 8″ |
| Dicke | 525 ± 25 μm |
| Bogen | ±50 μm |
| Warp | <50 μm |
| Lokale Dickenabweichung (LTV) | <1,5 μm (5 × 5 mm², 95%) |
LiNbO₃-Dünnschicht
| Parameter | Spezifikation |
|---|---|
| Material | LiNbO₃-Einkristall |
| Dickenbereich | 300 nm – 1000 nm |
| Ausrichtungsgenauigkeit | ±0,5° |
| Oberflächenrauhigkeit | Ra < 1 nm |
| Fehlerkriterien | Keine Hohlräume > 1 mm |
Vergrabene Oxidschicht
| Parameter | Spezifikation |
|---|---|
| Material | SiO₂ |
| Dicke | 100 nm – 2 μm (individuell anpassbar) |
| Einheitlichkeit | ±5% |
Fertigungstechnik
LNOI-Wafer werden unter Verwendung halbleiterkompatibler Verfahren hergestellt:
- Kontrollierte Ionenimplantation zur Definition von Kristallschichten
- Wafer-Bonding auf isolierende Substrate
- Thermisches Tempern zur Wiederherstellung der Kristallqualität
- Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) zur Oberflächenplanarisierung
- Messtechnische Prüfung zur optischen und strukturellen Qualitätssicherung
Anwendungsbereiche
Integrierte optische Kommunikationssysteme mit Hochgeschwindigkeitsmodulatoren für die Übertragung von 100G bis 800G
Quantenphotonische Systeme zur Erzeugung verschränkter Photonen und zur Quanteninformationsverarbeitung
Mikrowellenphotonik für die HF-Signalverarbeitung und photonische Millimeterwellen-Systeme
Nichtlineare optische Bauelemente, einschließlich Frequenzkonversion und Erzeugung optischer Frequenzkämme
Integrierte optische Sensorsysteme für die biochemische und umweltbezogene Überwachung
Leistungsvergleich
| Eigentum | LiNbO₃ in Großmengen | LNOI-Dünnschichtplattform |
|---|---|---|
| Optischer Verlust | Höher | <0,05 dB/cm |
| Geräteabmessungen | Groß | Submikrometerbereich |
| Integrationsfähigkeit | Begrenzt | Hochdichte photonische Integration |
| CMOS-Kompatibilität | Nein | Ja |
| Modulationseffizienz | Mäßig | Hoch (Vπ ~ 1 V erreichbar) |
Maßgeschneiderte technische Lösungen
Kristallorientierung wählbar zwischen X-, Y- und Z-Schnitt-Konfigurationen
Dünnschichtdicke im Bereich von 300 nm bis 1000 nm
Einstellbare Dicke des vergrabenen Oxids zur Abstimmung der optischen Einschränkung
Zu den Substratoptionen gehören Silizium, Quarz und Saphir
Optionale MgO-Dotierung zur Verbesserung der optischen Schadensschwelle
Qualitätssicherung und Messtechnik
Jeder Wafer durchläuft eine strenge Prüfung nach Halbleiter-Standards:
Messung optischer Verluste in Telekommunikationswellenlängenbereichen
Rasterkraftmikroskopie zur Beurteilung der Oberflächenrauheit
Infrarotprüfung zur Überprüfung der Unversehrtheit der Klebefläche
Darstellung der Dicke und Gleichmäßigkeit über den gesamten Wafer
Analyse der Wafer-Ebenheit und der Spannungsverteilung
Technische und fertigungstechnische Kompetenzen
ZMSH bietet umfassende LNOI-Wafer-Engineering-Lösungen an, darunter Materialdesign, Entwicklung von Wafer-Bonding-Verfahren, Unterstützung bei der Herstellung photonischer Bauelemente, Nanofabrikationsverfahren (EBL, IBE) sowie Dienstleistungen zur optischen Charakterisierung.
Die Produktionskapazitäten decken sowohl die Prototypenfertigung im Forschungs- und Entwicklungsmaßstab als auch die Fertigung kleiner bis mittlerer Losgrößen ab, wobei eine stabile 6-Zoll-Produktion gewährleistet ist und die Entwicklung von 8-Zoll-LNOI-Plattformen vorangetrieben wird.
Häufig gestellte Fragen
1. Wofür wird Lithium-Niobat-Dünnschicht verwendet?
Es findet Anwendung in der integrierten Photonik, der optischen Kommunikation, der Quantenphotonik und bei nichtlinearen optischen Bauelementen.
2. Wie dick ist eine Lithium-Niobat-Dünnschicht in der Regel?
Die Schichtdicke liegt je nach den Anforderungen des Bauteils in der Regel zwischen 300 nm und 1000 nm.
3. Welche Vorteile bietet LNOI gegenüber Lithium-Niobat in loser Form?
LNOI ermöglicht geringere optische Verluste, eine höhere Integrationsdichte und Kompatibilität mit Silizium-Photonik-Plattformen.
4. Ist LNOI mit Siliziumphotonik kompatibel?
Ja, LNOI lässt sich in photonische Plattformen aus Silizium und Siliziumnitrid integrieren.
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