Tổng quan

LNOI (Lithium Niobate on Insulator) là vật liệu quang tử hiệu suất caonền tảng đã bậtbởi mức độ wafer không đồng nhấthội nhập. Nó bao gồm một đơn-pha lêmàng mỏng lithium niobate (LN)ngoại quan lênoxit cách điệnlớpvà một chất nền hỗ trợ. Cấu trúc nàykết hợpquang điện tuyệt vời, quang phi tuyến và hiệu suất thấpsự mất mát quá trình lây truyền của cải, làm cho nó trở thành vật liệu chính cho quang tử thế hệ tiếp theotích hợp mạch điện(PIC).

Kết cấu &Thông số kỹ thuật

BẰNGminh họaTRÊNtrang 3 của PDF, tấm wafer LNOI có ba-lớpkết cấu:

• Đứng đầulớp: Màng mỏng LN (300–600 nm)
• Ở giữalớp: SiO₂ (2–15 μm)
• Chất nền dưới cùng: Si, SiC, Sapphire hoặc Thạch anh

Có sẵncấu hình:

• Kích thước wafer: 4 inch / 6 inch / 8 inch (lộ trình có thể mở rộng)
• Pha lê định hướng: Cắt Z, cắt X, cắt Y,xoaycắt chữ Y
• dopingtùy chọn: MgO (5 mol%), Er (1 mol%), v.v.

Hiệu suất chínhThông số

Vìtấm wafer 6 inch(xem trang 6):

• Độ dày màng mỏng: 300–600 nm
• độ dàybiến thể: 40nm
• Bề mặtđộ nhám: ~0,19 nm RMS (kết quả kiểm tra trang 5)
• Khuyết điểmđiều khiển:
  • Khoảng trống (>10 μm): <80
  • Hạt (>0,3 μm): <200

Vìtấm wafer 8 inch(trang 9):

• độ dàybiến thểphạm vi: ~ 7,04nm
• Khoảng trống: <100
• Quá trình liên tụctối ưu hóa

Hiệu suất quang học và quang điện

Dựa trên thử nghiệmdữ liệu(trang 8):

• Băng thông điều chế: >67 GHz
• Điện quanghiệu quả(Vπ·L): ~2,1 V·cm
• Quang học cực thấpsự mất mát(băng thông ~ 0,78 chiều)

Những cái nàyđặc trưng chứng minhxuất sắcsự thích hợpcho tốc độ cao và tốc độ thấpsự mất mátquang tửthiết bị.

Ứng dụng

• Mạch tích hợp quang tử (PIC)
• Bộ điều biến quang tốc độ cao (100G/400G/800G+)
• Quang tử vi sóng
• Quang học phi tuyến (chuyển đổi tần số, OPO, v.v.)
• Quang tử lượng tử và cảm biến chính xác

Ưu điểm chính

• Hiệu ứng quang điện Pockels mạnh
• Suy hao lan truyền cực thấp
• Tích hợp không đồng nhất tương thích với CMOS
• Có thể mở rộng sang kích thước wafer lớn (lên đến 8 inch)

Thuộc tính củaBánh quế LNOI

Việc chế tạo tấm wafer Lithium Niobate trên chất cách điện (LNOI) bao gồm một loạt các bước phức tạp kết hợp khoa học vật liệu và kỹ thuật chế tạo tiên tiến. Quá trình này nhằm mục đích tạo ra một màng lithium niobate (LiNbO₃) mỏng, chất lượng cao liên kết với một chất nền cách điện, chẳng hạn như chính silicon hoặc lithium niobate. Sau đây là giải thích chi tiết về quy trình:

Bước 1: Cấy ion

Bước đầu tiên trong quá trình sản xuất tấm wafer LNOI liên quan đến việc cấy ion. Một tinh thể lithium niobate số lượng lớn được bơm các ion helium (He) năng lượng cao vào bề mặt của nó. Máy cấy ion tăng tốc các ion helium, chúng xuyên qua tinh thể lithium niobate đến một độ sâu cụ thể.

Năng lượng của các ion helium được kiểm soát cẩn thận để đạt được độ sâu mong muốn trong tinh thể. Khi các ion di chuyển qua tinh thể, chúng tương tác với cấu trúc mạng của vật liệu, gây ra sự gián đoạn nguyên tử dẫn đến hình thành một mặt phẳng yếu đi, được gọi là “lớp cấy ghép”. Lớp này cuối cùng sẽ cho phép tinh thể được tách thành hai lớp riêng biệt, trong đó lớp trên cùng (gọi là Lớp A) trở thành màng lithium niobate mỏng cần thiết cho LNOI.

Độ dày của màng mỏng này chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi độ sâu cấy ghép, được điều khiển bởi năng lượng của các ion helium. Các ion tạo thành phân bố Gaussian tại bề mặt phân cách, điều này rất quan trọng để đảm bảo tính đồng nhất trong màng cuối cùng.

Bước 2: Chuẩn bị bề mặt

Sau khi quá trình cấy ion hoàn tất, bước tiếp theo là chuẩn bị chất nền hỗ trợ màng lithium niobate mỏng. Đối với tấm wafer LNOI, vật liệu nền phổ biến bao gồm chính silicon (Si) hoặc lithium niobate (LN). Chất nền phải hỗ trợ cơ học cho màng mỏng và đảm bảo độ ổn định lâu dài trong các bước xử lý tiếp theo.

Để chuẩn bị chất nền, lớp cách điện SiO₂ (silicon dioxide) thường được lắng đọng trên bề mặt chất nền silicon bằng các kỹ thuật như oxy hóa nhiệt hoặc PECVD (Lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma). Lớp này đóng vai trò là môi trường cách điện giữa màng lithium niobate và chất nền silicon. Trong một số trường hợp, nếu lớp SiO₂ không đủ mịn thì quy trình Đánh bóng cơ học hóa học (CMP) sẽ được áp dụng để đảm bảo bề mặt đồng nhất và sẵn sàng cho quá trình liên kết.

Bước 3: Liên kết màng mỏng

Sau khi chuẩn bị chất nền, bước tiếp theo là liên kết màng lithium niobate mỏng (Lớp A) với chất nền. Tinh thể lithium niobate, sau khi cấy ion, được lật 180 độ và đặt lên chất nền đã chuẩn bị sẵn. Quá trình liên kết thường được thực hiện bằng kỹ thuật liên kết wafer.

Trong liên kết wafer, cả tinh thể lithium niobate và chất nền đều phải chịu áp suất và nhiệt độ cao, khiến hai bề mặt bám dính chặt chẽ. Quá trình liên kết trực tiếp thường không yêu cầu bất kỳ vật liệu kết dính nào và các bề mặt được liên kết ở cấp độ phân tử. Đối với mục đích nghiên cứu, benzocyclobutene (BCB) có thể được sử dụng làm vật liệu liên kết trung gian để cung cấp hỗ trợ bổ sung, mặc dù nó thường không được sử dụng trong sản xuất thương mại do độ ổn định lâu dài hạn chế.

Bước 4: Ủ và tách lớp

Sau quá trình liên kết, wafer liên kết trải qua quá trình xử lý ủ. Quá trình ủ là rất quan trọng để cải thiện độ bền liên kết giữa lớp lithium niobate và chất nền, cũng như để sửa chữa mọi hư hỏng do quá trình cấy ion gây ra.

Trong quá trình ủ, tấm wafer liên kết được nung nóng đến nhiệt độ cụ thể và duy trì ở nhiệt độ đó trong một thời gian nhất định. Quá trình này không chỉ tăng cường các liên kết bề mặt mà còn tạo ra sự hình thành các vi bọt trong lớp cấy ion. Những bong bóng này dần dần làm cho lớp lithium niobate (Lớp A) tách ra khỏi tinh thể lithium niobate số lượng lớn ban đầu (Lớp B).

Sau khi quá trình phân tách xảy ra, các công cụ cơ học được sử dụng để tách hai lớp ra, để lại một màng lithium niobate mỏng, chất lượng cao (Lớp A) trên đế. Nhiệt độ giảm dần về nhiệt độ phòng, hoàn tất quá trình ủ và tách lớp.

Bước 5: Lập kế hoạch CMP

Sau khi tách lớp lithium niobate, bề mặt của wafer LNOI thường gồ ghề và không đồng đều. Để đạt được chất lượng bề mặt cần thiết, tấm bán dẫn phải trải qua quy trình Đánh bóng cơ học hóa học (CMP) cuối cùng. CMP làm phẳng bề mặt của tấm bán dẫn, loại bỏ mọi độ nhám còn sót lại và đảm bảo rằng màng mỏng là phẳng.

Quy trình CMP là cần thiết để đạt được chất lượng hoàn thiện cao trên tấm bán dẫn, điều này rất quan trọng cho quá trình chế tạo thiết bị tiếp theo. Bề mặt được đánh bóng đến mức rất mịn, thường có độ nhám (Rq) dưới 0,5 nm khi đo bằng Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM).

1. Hỏi: Lithium tantalate có giống với lithium niobate không?​

Đ: Không. Lithium tantalate (LiTaO₃) và lithium niobate (LiNbO₃) là những vật liệu riêng biệt có thành phần hóa học khác nhau (Ta so với Nb) nhưng có chung cấu trúc tinh thể (nhóm không gian R3c) và tính chất sắt điện.

2. Hỏi: Lithium niobate có phải là perovskite không?​

Đ: Không. Lithium niobate kết tinh theo cấu trúc không phải perovskite​​ (nhóm không gian R3c), khác với cấu trúc perovskite ABX₃ chính tắc. Tuy nhiên, nó thể hiện tính chất sắt điện giống perovskite do khung bát diện oxy giống ABO₃ của nó.