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光子集成电路解决方案,助力量子领域探索

探索领先的集成量子光子器件制备解决方案

用于量子领域的等离子体增强沉积和刻蚀解决方案

我们提供了三个关键应用,用于光子集成电路的量子应用:

  • 超导氮化物的原子层沉积,用于SNSPD
  • 高温、SiH4和不含NH3的PE (ICP) CVD,用于制备Si3N4以实现低损耗波导
  • 用于光学组件的等离子体刻蚀(例如光栅、波导)
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ALD制备超导NbN用于单光子探测器

利用偏压通过等离子体ALD沉积超导氮化铌薄膜,将其应用于超导纳米线单光子探测器 (SNSPD)

  • 所需膜厚:<30 nm
  • ALD技术能够精确沉积超导薄膜,具有高临界温度(Tc),良好的厚度均匀性和出色的化学计量控制
  • 表面偏置电压可实现应力控制,以获得最低的室温电阻率
  • 低室温电阻率与更高的临界温度相关
  • 在牛津仪器实验中测得12.9 K的临界温度
  • 室温电阻率ρ = 139 µΩcm,临界温度Tc = 12.9 K
  • 用于在250°C下沉积的约30 nm NbN薄膜
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Bias RF power chart Tc = 12.9K diagram

用于低损耗光学元件的硅/氮化硅刻蚀技术

通过低温刻蚀技术克服Bosch刻蚀中的侧壁粗糙问题

我们提出一系列低温刻蚀工艺,用于制备由Si/Si3N4制成的光学元件,如光栅、环形谐振器、光学滤波器、延迟线和波导。这些元件是量子计算机的关键构建模块,可将光耦合到芯片中,实现光子操纵并向下传输到单光子探测器。

我们的低温刻蚀工艺具有以下特点:

  • 光滑的侧壁,降低光信号损失
  • 低刻蚀速率,有利于获得良好的刻蚀深度准确性和可重复性
  • 高选择比,受到掩膜厚度限制
  • 缺口控制
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Bosh etched structures SEM

Bosch刻蚀结构

SiNx cryo etch SEM

SiNx低温刻蚀

Grating coupler on SOI SEM

SOI光栅耦合器

Cryo etched SOI waveguide SEM

低温刻蚀的SOI波导

为光子元件量身定制的灵活解决方案

Bosch process SEM

Bosch工艺,以获得光滑的侧壁

最小scallop尺寸

 刻蚀速率

> 3 分钟

剖面

90 ±0.5°

选择比

> 45:1

扇形起伏

< 35 nm

深度

22 μm

纵横比

≈ 11

Cryo process SEM

低温工艺,旨在实现光滑的侧壁

光滑的侧壁

刻蚀速率

> 2 μm/min

剖面

91°

选择比

> 65:1 Si:SiO<sub>2</sub>

侧壁粗糙度

< 5 nm

深度

22 μm

纵横比

≈ 6

Mixed gas process SEM

混合气体工艺,旨在获得所需的轮廓形状

弯曲的轮廓

刻蚀速率

> 190 nm/min

轮廓形状

所需形状

选择比

> 12:1

侧壁粗糙度

< 5 nm

深度

485 nmm

柱宽度

≈ 105 nm 

广泛的III-V族光学元件加工

GaAs / AlGaAs Heterostructures

GaAs / AlGaAs异质结

InP Ridge Waveguide

InP脊型波导

GaN Photonics Crystal

GaN光子晶体

GaAs / AlGaAs Photonic Crystal

GaAs / AlGaAs光子晶体

InP Photonic Crystal

InP光子晶体

InSb / InSbAs

InSb/InSbAs结构

用于低损耗光学元件的Si3N4 PE/ICPCVD

硅氮化物(Si3N4)是非常有前景的低损耗光学元件候选材料之一。

在应用于波导的Si3N4沉积中,一个最主要的挑战是薄膜中的氢含量,其通常来自前驱体,会导致光学损耗。

因此,我们开发了一种高温等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺,该工艺氢浓度低,并能够实现增强的应力控制以及更高的沉积速率。因此高温PECVD的Si3N4特别适用于制备低损耗光学元件。

其他方法包括使用SiCl4的ICP CVD或在我们的PlasmaPro 100 Nano系统中在1000°C以上的温度下进行原位退火的低温ICP CVD(最高温度:1200°C)。

  • 高温和不含NH3的Si3N4 PECVD(800°C),可实现对折射率、应力和增强沉积速率的良好控制
  • 使用SiCl4工艺进行不含SiH4的ICP CVD 制备Si3N4
  • 低温SiN的ICP CVD
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PECVD film stress control graph

PECVD薄膜应力控制

High temp PECVD with low BHF etch rate graph

具有低BHF刻蚀速率的高温PECVD

用于超导比特和量子电路应用的系统

为实现这些解决方案,我们利用能够生产小型样品到200毫米晶圆的FlexALPlasmaPro 100沉积和刻蚀系统,其可集群以提高生产量并避免真空中断。我们的PlasmaPro 100平台能够高精度地沉积和刻蚀各种材料,用于量子器件。

我们为当今量子技术研发和器件开发中的各种器件制造挑战提供关键处理解决方案。

牛津仪器在为这一迅速发展的应用领域提供最先进的解决方案方面具有悠久历史,是量子技术在器件制造解决方案之外的关键推动者。

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