AlN auf optischen Saphirwellenleitern: Herstellung, Leistung und integrierte Photonikanwendungen +

Für die Herstellung optischer Wellenleiter stehen AlN-auf-Saphir- und AlN-auf-Silizium-Vorlagen zur Verfügung. Weitere Wafer-Spezifikationen erhalten Sie unter[email protected]

Aluminiumnitrid (AlN) verfügt als Halbleiter mit großer Bandlücke (≈6,2 eV) über ein breites Transparenzfenster vom tiefen Ultraviolett bis zum mittleren Infrarot, erhebliche nichtlineare optische Effekte zweiter Ordnung (χ²), piezoelektrische und pyroelektrische Eigenschaften sowie CMOS-kompatible Herstellungsvorteile. In den letzten Jahren hat es sich zu einer entscheidenden Plattform für die integrierte Photonik entwickelt, insbesondere für Geräte, die im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich arbeiten. Saphir (Al₂O₃) dient aufgrund seiner guten Gitteranpassung an AlN und seiner eigenen Transparenz im UV-Vis-Bereich als ideales Substrat für die Züchtung hochwertiger einkristalliner AlN-Filme.

1. Vorteile von AlN-Material auf Saphirbasis und verlustarmer Wellenleiterherstellung

Unter den verschiedenen Substraten ermöglicht Saphir aufgrund der günstigen Gitteranpassung deutlich reduzierte Versetzungsdichten in epitaktischen AlN-Filmen, was zu hochwertigen Einkristallen führt. Untersuchungen zeigen, dass einkristalline AlN-Filme, die mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf Saphir gezüchtet werden, Fadenversetzungsdichten von unter 10⁹cm⁻² erreichen können und damit die Grundlage für eine breite Transparenz und verlustarme optische Ausbreitung legen. Abb. 1 zeigt Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) von AlN-Wellenleitern, die aus einem solchen Material hergestellt wurden. Sie zeigen eine glatte Seitenwandmorphologie, die für die Minimierung optischer Streuverluste entscheidend ist.

Abb. 1 SEM-Bilder von AlN-Streifenwellenleitern auf Saphirbasis: (a) Schrägansicht des Wellenleiters; (b) Vergrößerte Draufsicht, die die SiO₂-Hartmaske und die glatten Seitenwände zeigt

Die Erzielung geringer Ausbreitungsverluste, insbesondere im UV-Vis-Bereich, bleibt jedoch eine Herausforderung, da die durch die Seitenwandrauheit induzierte Rayleigh-Streuung eine Hauptursache darstellt. Studien zeigen, dass Streuverluste typischerweise einer Wellenlängenabhängigkeit von ~1/λ⁴ folgen, wodurch die Verlustkontrolle bei kürzeren Wellenlängen wichtiger wird. Um diesem Problem zu begegnen, wurden mehrere fortschrittliche Herstellungsprozesse entwickelt und optimiert:

• Hochpräzise E-Beam-Lithographie und Musterkorrektur:Durch den Einsatz von Strategien wie formbasierter Proximity-Effekt-Korrektur (Shape-PEC) und Überdosierung bei Unterdimensionierung (ODUS) in Kombination mit feinen 4-nm-Scanschritten wird die Maskenrauheit effektiv reduziert. Dies führt nach dem Ätzen zu glatteren Wellenleiterseitenwänden, wodurch der Ausbreitungsverlust um mehrere dB/cm gesenkt wird.
• Oberflächenpassivierung durch Atomlagenabscheidung (ALD):Schon die Abscheidung einer einzigen Atomschicht (~1 Å) Al₂O₃ kann den Wellenleiterausbreitungsverlust erheblich reduzieren. Forschung von Videnov et al. zeigt, dass ein ALD-Zyklus den Verlust von 7,3 dB/cm auf 4,9 dB/cm reduzierte, mit weiterer Optimierung nach 10 Zyklen. Es wird angenommen, dass der Mechanismus in der Passivierung von Defekten wie freien Bindungen auf der geätzten AlN-Oberfläche besteht, wodurch optische Streuzentren an nachfolgenden Mantelschnittstellen reduziert werden.
• Rapid Thermal Annealing (RTA) Nachbearbeitung:Die Durchführung einer RTA nach der Herstellung und Ummantelung des Wellenleiters kann den Verlust weiter reduzieren. Bei saphirbasierten AlN-Wellenleitern reduzierte ein RTA-Zyklus mit einem Anstieg von ~6,3 °C/s auf 400 °C und einer Haltezeit von 60 Sekunden den durchschnittlichen Verlust auf das 0,7-fache seines ursprünglichen Wertes. Im optimalen Fall wurde bei einer Wellenlänge von 852 nm ein äußerst geringer Verlust von 2,0 ± 0,3 dB/cm erreicht.

Abb. 2 Verbesserung des AlN-Wellenleiterausbreitungsverlusts unter verschiedenen Rapid Thermal Annealing (RTA)-Bedingungen

Durch die Kombination dieser Prozesse haben AlN-Wellenleiter auf Saphirbasis eine verlustarme Leistung erreicht, die mit der Siliziumphotonik vom nahen Infrarot bis zum Ultraviolett vergleichbar ist, z. B. 0,14 dB/cm Verlust bei 1550 nm und Mikroringresonatoren mit optischen Q-Faktoren von bis zu 2,5×10⁶.

2. Lineare optische und optomechanische AlN-Geräte

Basierend auf verlustarmen Wellenleitern wurde eine Reihe grundlegender linearer optischer Geräte realisiert. Dazu gehören AlN-Wellenleiter, Mikroringresonatoren, Richtkoppler und Strahlteiler, die erfolgreich in breiten Spektren vom C-Band (~1550 nm) bis zum sichtbaren (~770 nm) und mittleren Infrarot (~2500–3900 nm) demonstriert wurden. Ein bemerkenswerter Durchbruch im UV-Bereich ist die Herstellung eines Mikroringresonators, der bei 390 nm unter Verwendung von einkristallinem AlN auf Saphir arbeitet und einen hohen intrinsischen Q-Faktor von 2,1×10⁵ erreicht, was einem Wellenleiterverlust von ≈8 dB/cm entspricht, was für integrierte photonische UV-Schaltkreise von Bedeutung ist.

Seine optomechanischen Geräte nutzen die hervorragenden piezoelektrischen Eigenschaften von AlN und weisen einzigartige Vorteile auf. Eine starke Kopplung zwischen optischen und mechanischen Schwingungsmoden kann durch die Gestaltung schwebender Mikroringe oder photonischer Kristall-Nanokavitäten erreicht werden. Beispielsweise ermöglicht die Verwendung von Interdigitalwandlern (IDTs) zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen (SAWs) in AlN-Wellenleitern eine Mikrowellenfrequenz-Phasenmodulation des optischen Felds in benachbarten Mikroringresonatoren oder erreicht eine nichtreziproke optische Isolierung durch Aufbrechen der räumlichen Symmetrie. Dies bietet eine CMOS-kompatible Lösung für vollständig integrierte optische nichtreziproke On-Chip-Geräte.

Abb. 3 Schema eines SAW-basierten optischen AlN-Wellenleitermodulators: (a) Diagramm der SAW-Wechselwirkung mit dem optischen Modus in einem AlN-Stegwellenleiter; (b) Optische Mikroaufnahme des Geräts, die eine IDT-anregende SAW zeigt, um Licht in einem benachbarten Racetrack-Mikroringresonator zu modulieren; (c) Vergrößertes SEM von IDT-Elektrodenfingern mit Periode D = 400 nm

3. Nichtlineare optische Anwendungen: Von der UV-Erzeugung bis zum Superkontinuum

Die nichtzentrosymmetrische Kristallstruktur von AlN verleiht ihm eine starke Nichtlinearität zweiter Ordnung (χ²). In Kombination mit seinem breiten Transparenzfenster ist es eine ideale Plattform für die nichtlineare Frequenzumwandlung, insbesondere in Richtung des UV-Spektrums.

1) Quasi-phasenangepasste Erzeugung der zweiten Harmonischen:Aufgrund der schwachen Doppelbrechung in AlN ist eine herkömmliche doppelbrechende Phasenanpassung schwierig. Quasi-Phasenanpassung (QPM) kompensiert Phasenfehlanpassungen durch periodisches Umkehren der Polarität des Materials (C-Achsen-Richtung) und ermöglicht so die Nutzung des größten nichtlinearen Koeffizienten d₃₃. Forscher stellten AlN-Wellenleiter mit seitlich gepolten Strukturen (Periode 10 μm) auf Saphir her und demonstrierten erfolgreich die Umwandlung von Pumplicht im nahen Infrarot in UV-Zweitharmonische. Beispielsweise wurde 344-nm-UV-Licht mit einer 690-nm-Pumpe erzeugt, was den auf der Dispersion basierenden theoretischen Vorhersagen sehr nahe kommt.

Abb. 4 AFM-Morphologie eines periodisch gepolten AlN-Wellenleiters für QPM: 3D-AFM-Topographie, die zwei benachbarte AlN-Wellenleiter mit lateraler Polaritätsstruktur (LPS) mit einer Periode von 10 μm zeigt

2) Effiziente Erzeugung der zweiten Harmonischen:In Mikroringresonatoren kann durch präzise modale Phasenanpassung und hohe optische Gütefaktoren eine extrem hohe Umwandlungseffizienz erreicht werden. In einem einkristallinen AlN-auf-Saphir-Mikroring erreichte die Erzeugung der zweiten Harmonischen vom TM₀₀-Modus zum TM₂₀-Modus beim Pumpen mit 1590 nm einen Wirkungsgrad von 17.000 %/W, eine etwa 7-fache Verbesserung gegenüber polykristallinen AlN-Plattformen, was die entscheidende Rolle der Materialqualität unterstreicht.

3) Superkontinuumserzeugung und UV-Frequenzkämme:Durch die Nutzung der Nichtlinearität dritter Ordnung (χ³) von AlN, wie z. B. Selbstphasenmodulation und Solitonenspaltung, kann in Wellenleitern die Erzeugung eines Superkontinuums erreicht werden. In einem Durchbruch erzeugte ein AlN-Wellenleiter auf Saphirbasis, der einen transversalen elektrischen Modus höherer Ordnung (TE₁₀) nutzte, um eine anomale Dispersion nahe der Pumpwellenlänge von 800 nm einzuführen, ein Superkontinuum von 490 bis über 1100 nm mit nur 0,36 nJ On-Chip-Pulsenergie. Gleichzeitig wurde über χ²-Effekte ein zweites harmonisches Band mit einem Bereich von 407–425 nm erzeugt (Abb. 5). Darüber hinaus kann durch die Entwicklung gechirpter und sich verjüngender Wellenleiter das nahe sichtbare Spektrum verbreitert und effizient in einen flachen UV-Frequenzkamm umgewandelt werden, der 360–425 nm abdeckt und so eine integrierte Lichtquelle für UV-Spektroskopie und -Messtechnik bietet.

Abb. 5 Ausgangsspektrum von Superkontinuum und Erzeugung der zweiten Harmonischen in einem AlN-Wellenleiter unter Verwendung der Modendispersionstechnik höherer Ordnung

Das Saphirsubstrat bietet eine ideale Plattform für das Wachstum hochwertiger Aluminiumnitridfilme. In Kombination mit fortschrittlichen Mikro-Nano-Fertigungs- und Nachbearbeitungstechniken konnten verlustarme optische Wellenleiter vom UV- bis zum mittleren Infrarotwellenlängenbereich erfolgreich hergestellt werden. Diese Plattform hat nicht nur leistungsstarke lineare und optomechanische Geräte ermöglicht, sondern auch bedeutende Errungenschaften in der nichtlinearen Optik, insbesondere die effiziente Erzeugung von UV-kohärentem Licht und ultrabreiten Spektren durch Quasi-Phasenanpassung und modale Dispersionstechnik. Da die Materialvorbereitung und die Geräteverarbeitung immer ausgereifter werden, wird die integrierte AlN-Photonik auf Saphirbasis eine immer wichtigere Rolle in Spitzenbereichen wie UV-Sensorik, Quanteninformationsverarbeitung und On-Chip-Spektrometern spielen.

Egal, ob Sie eine AlN-auf-Saphir-Vorlage für die Forschung oder für industrielle Anwendungen benötigen, kontaktieren Sie uns bitte per E-Mail unter[email protected] und [email protected].

 

Verweise:

1. Chen, H., Zhou, J., Li, D., Chen, D., Vinod, AK, Fu, H., … & Zhao, Y. (2021). Superkontinuumserzeugung im Wellenleitermodus höherer Ordnung mit nahezu sichtbarem Pumpen unter Verwendung von Aluminiumnitrid-Wellenleitern. ACS Photonics, 8(5), 1344-1352.
2. Videnov, N., Day, ML, & Bajcsy, M. (2025). Verlustarme Aluminiumnitrid-Wellenleiterherstellung: Reduzierung des Ausbreitungsverlusts durch ALD und RTA. arXiv-Vorabdruck arXiv:2508.20245.
3. Li, N., Ho, CP, Zhu, S., Fu, YH, Zhu, Y. & Lee, LYT (2021). Integrierte Photonik mit Aluminiumnitrid: ein Rückblick. Nanophotonik, 10(9), 2347-2387.
4. Alden, D., Troha, T., Kirste, R., Mita, S., Guo, Q., Hoffmann, A., … & Sitar, Z. (2019). Quasi-phasenangepasste Erzeugung von UV-Licht der zweiten Harmonischen mithilfe von AlN-Wellenleitern. Angewandte Physikbriefe, 114(10).