20 Jahre AMO GmbH 20 years AMO GmbH

13 Pages·2013·1.91 MB·English

20 Jahre AMO GmbH
20 years AMO GmbH
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AMO
Vorwort Foreword
Im Herbst 1992 beschloss die nordrhein-westfälische Landes- In the fall of 1992, the state government of North Rhine- In dieser Jubiläumsschrift wird über die Entwicklung der This brochure reports the development of AMO over the
regierung, erhebliche Mittel aus dem Strukturhilfe-Fonds Westphalia (NRW) decided to allocate a significant AMO in den letzten zwanzig Jahren berichtet – von den past 20 years, from initial concept to the AMICA of today.
der EU in eine Innovationsoffensive im Land zu investieren. amount of European funding to raise the level of innova- ersten Grün dungsüberlegungen bis hin zu AMICA von heute. It also illustrates the organization’s almost perfect fit with
Im Rahmen dieser Maßnahme fiel auch der Entschluss, ein tion in NRW through specific research and develop- Diese Entwicklung deckt sich weitgehend mit der derzeitigen the Key Enabling Technology (KET) initiative, part of the
„Advanced Microelectronic Center Aachen“ (AMICA) auf- ment activities. One of these was the founding of the Offensive für neue Schlüsseltechnologien (KET) der europä- EU’s HORIZON 2020 program. The report reviews the
zubauen, um neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Infor- “Advanced Microelectronic Center Aachen” (AMICA) ischen Kommission innerhalb des neuen Rahmenprogramms original mission statement and summarizes the strategy
mations- und Kommunikationstechnik (IKT) zu forcieren. with the aim to stimulate innovation in the sector of für Forschung und Innovation, HORIZON 2020. used to accomplish it.
infor mation and communication technologies (ICT).
Zu diesem Zweck wurde am 12. Februar 1993 die gemein- Die wichtigsten Ereignisse, Meilensteine und Resultate sind The most important milestones, projects and achieve-
nützige AMO GmbH gegründet, mit dem Auftrag, AMICA zu For this purpose the non-profit AMO GmbH has been in einem Zeitstrahl zusammengefasst. Die Jahre von 1993 bis ments are highlighted in the time-line running along
planen, auf zubauen und in Betrieb zu nehmen. Zudem wurde founded on the 12th of February 1993 and charged with 1998 können als Aufbauphase betrachtet werden. Die zweite the bottom of each page. The first section (1993–1998)
sie mit der Auswahl und Initiierung von Forschungsthemen the planning, build-up and operation of AMICA. The Phase (1999–2003)wird durch einen erfolgreichen Wettbewerb outlines the essential steps in the development of the
und der Projektabwicklung betraut. selection of topics and execution of a research plan has für ein BMBF-Kompetenzzentrum für Nanotechnologie einge- infrastructure. The second section (1999–2003) begins
been assigned to AMO too. leitet, dem eine Reihe von Verbundprojekten auf dem Gebiet with the successful bid for a national nanotechnology
Unter den vielfältigen Möglichkeiten im Bereich der IKT Inno- der Nanoelektronik folgen. Die dritte Phase (2004–2008) competence center and the launch of several silicon
vationen auszulösen, legte AMO den Fokus darauf, die Po ten - To enhance innovation in ICT, AMO has chosen to exploit ist durch eine Offensive für Graphen und Silizium-Photonik nanoelectronic projects. The third section (2004–2008)
ziale einer Synergie zwischen Mikro- und Optoelektronik zu the synergy between silicon-based micro- and optoelec- geprägt, die in der vierten Phase (2009–2013) ihren Höhepunkt looks at the emergence of graphene and silicon photon-
evaluieren. Darüber hinaus sollten in enger Zusammenarbeit tronics. In a close collaboration with the RWTH Institute erreicht. Gegen deren Ende startet das europäische FET- ics. Both activities peak in the fourth section (2009–2013)
mit dem Institut für Halbleitertechnik (IHT) der RWTH Aachen for Semiconductor Electronics (Institut für Halbleiter- Flaggschiff GRAPHENE. with the successful competition for the European FET-
vielversprechende Ansätze aus der Nanotechnologie einge- technik, IHT), the potential of nanotechnology for this Flagship GRAPHENE as a highlight.
bracht und der Brückenschlag zwischen Physik und Elektro- synergy had to be explored and the bridge between phys- Im zweiten Teil der Jubiläumsschrift illustrieren sechs repräsen-
technik stärker forciert werden. ics and electrical engineering strengthened. tative Beispiele den derzeitigen Stand der Forschung, der als The second part of the brochure presents six examples of
Eichmaß für den Erfolg dienen mag. current research activities. These may be used to gauge
Außer der verständlichen Erwartung und Auflage, den Kosten- The only stipulation attached to the government grant the success of the strategy and the progress made so far.
rahmen bei dieser strukturpolitischen Maßnahme verlässlich was the understandable requirement for a strict control Der vorliegende Rückblick ist den kompetenten und engagier-
einzuhalten, wurden von der Landesregierung keine weiteren of the budget available for this project. There have been ten AMO-Mitarbeitern sowie den herausragenden Partnern This report is dedicated to AMO’s competent and commit-
Bedingungen in wissenschaftspolitischer Hinsicht als auch no further strings attached concerning the science policy in Verbundprojekten auf nationaler und EU-Ebene gewidmet. ted employees and the numerous outstanding partners
in strategischer Hinsicht an den Auftrag geknüpft. Dieser or the strategic research agenda involved. This unusually Zugleich legen wir mit der Schrift Rechenschaft über die who have been involved in joint projects on both the
unge wöhnliche Freiraum war für die dringend erforderlichen ‘hands off’ approach has been ideal for a creative environ- Ver wendung von über 40 Millionen Euro Drittmitteln ab, die national and EU level. These projects clearly justify the
kreativen Ansätze in der Forschungsplanung eine entscheiden- ment and a decisive condition for novel approaches in the aus Programmen des Landes (MIWFT), des Bundes (BMBF) €40 million in research funds received over the last
de Voraussetzung, wie ein realistischer Rückblick auf die zahl- research agenda, as a realistic retrospective analysis of und der Europäischen Kommission (FRP 4, 5, 6, 7) in den twenty years from state (MIWFT), national programs
reichen Innovationen der AMO in der Vergangenheit zeigt. œ the numerous innovations in the past demonstrates. œ letzten zwanzig Jahren eingeworben wurden. ¥ (BMBF), and the EU commission (FP 4, 5, 6 and 7). ¥
1993 1995 1997 1999 2001 2003
Gründung der AMO GmbH | Inbetriebnahme Windrad Eröffnung von AMICA | BMBF-Kompetenzzentrum Start der ersten Silizium- Start der Silizium-Photonik-
Founding of AMO GmbH ANIMA | Installation of the Ope ning of AMICA für funktionale laterale Nanoelektronik Verbund- Aktivitäten | Start of silicon
ANIMA wind turbine Nanostrukturen | projekte | Start of the first photonic activities
BMBF Competence Center joint Silicon Nanoelectronics
for functional lateral project
Nanostructures
1994 1996 1998 2000 2002
Erster Spatenstich | Ground- Energie-Offensive Solar Eröffnung Alfried Krupp- Endgültige Festlegung der Erste Ergebnisse in der
breaking ceremony (EOS) | Launch of solar Forum in der AMICA- AMO-Mission | Final definition Nanoelektronik | First
energy program Kuppel | Opening of the of AMO Mission results in Nanoelectronics
Alfried Krupp Forum in the
AMICA dome
2 | 3
Mission und Strategie Mission and Strategy
Innovationen sind nachweislich die stärksten Triebkräfte für die Innovations are powerful driving forces in the economic r Aufbau eines hochflexiblen Nanolaboratoriums für r Continuous improvement of process technology
wirtschaftliche Entwicklung von Hochtechnologiezonen und development of high-tech zones and of significant influ- e xplora tive Forschung (AMICA) for fabrication and advanced analytics of functional
die entscheidenden Größen im globalen Wettbewerb. Sie sind ence on global competition. Innovations are not restricted nanostructures to explore the real potential of
nicht nur auf den Bereich F&E beschränkt, sondern umfas- to just R&D, they play a decisive part across all stages r Ständiger Ausbau der Prozesstechnologie, um funktionale n anotechnology
sen alle Stufen der Wertschöpfungskette, bis hin zu kreativen of the value chain, including finding creative ways to Nanostrukturen in AMICA zu erzeugen und zu vermessen
Methoden, den Markt zu erobern. conquer market dominance. r Continuous and careful analysis of the innovation
r Analyse der Potenziale der Nanotechnologie und der potential of nanotechnology and specifically of
Um dem Auftrag der NRW-Landesregierung weitgehend To fulfill the NRW state government’s vision, AMO physikalischen Grenzen der Si-Nanoelektronik Si-nanoelectronics for advanced ICT concepts
gerecht zu werden, richtete die AMO ihre Mission auf die IKT focused its research strategy on the ICT sector and ad-
aus, basierend auf den bereits vorhandenen Potenzialen an dressed a number of key steps in the ICT value chain, r Allianzen mit kompetenten Verbundpartnern auf lokaler r Alliance with competent project partners on local
der RWTH Aachen und mit der Vorgabe, möglichst mehre- from basic materials and processes to components and (RWTH), nordrhein-westfälischer, nationaler und (RWTH), state (NRW), national (BMBF) and
re Stufen in der IKT-Wertschöpfungskette abzudecken. Die systems. This vertical orientation within the innovation e uropäischer Ebene EU level
vertikale Orientierung in der Innovationsstrategie war und ist chain has been, and still is, the key element in the spe-
ein besonderes Markenzeichen der AMO-Mission. Eine enge cific mission of AMO. A close and sustainable cooperation r Offenheit für neue Entwicklungen und wissenschaftliche r Open mind for new developments and scientific
und nachhaltige Kooperation mit dem IHT der RWTH Aachen, with the IHT at the RWTH Aachen and the Faculty of Durchbrüche b reakthroughs
sowie die Einbettung in die Fakultät für Elektrotechnik, waren Electrical Engineering has been essential for this mission.
dabei entscheidende Voraussetzungen. r Effektive Verstärkung unternehmerischer Potenziale, r Support entrepreneurial endeavors, such as tech-
One of the best known sources of innovation is the fa- Begleitung von Ausgründungen und Technologietransfer in nology transfer to start-ups and innovative SMEs
Eine der wichtigsten Quellen für Innovationen ist laut der mous Casimir spiral or helix, which links Science (S) and innovative KMUs
berühmten Casimir-Spirale die wechselseitige Verknüpfung von Technology (T): New scientific breakthroughs enable the AMO’s original mission has remained unchanged over
„Science“ (S) und „Technology“ (T). Sie besagt, dass wissen- development of new technologies which in turn enables Die ursprüngliche Mission blieb im Verlauf der Jahre unverän- the years. It was, however, reviewed and given an
schaftliche Durchbrüche die Entwicklung neuer Techniken new scientific insights. dert. Um 2000 herum wurde sie abermals überprüft und noch even sharper focus in 2000. But the strategy has had
ermöglichen, die in einem Wechselspiel wiederum neue stärker fokussiert. Die Strategie zu ihrer Umsetzung musste to be adapted to changing funding conditions over the
Schübe in der Wissenschaft auslösen. Diese S/T-Helix liegt der The S/T Helix not only served as a guiding principle in for- sich allerdings den wandelnden Förderbedingungen anpassen. years. Initiating and coordinating large joint projects,
AMO-Mission nicht nur als Leitidee zugrunde, sondern wurde mulating the AMO mission, it also helped to link different Deshalb kam auch der Initiative und der Koordination von gro- such as the national Nanotechnology Competence
auch als fruchtbares Prinzip bei der Verknüpfung verschiede- stages of the value chain to the development and design ßen Forschungsprojekten, wie dem BMBF-Kompetenzzentrum Center and several European joint projects, have been
ner Stufen in der Wertschöpfungskette erkannt und in der phase. The following strategic issues were considered für funktionale Nanotechnologie und mehreren europäischen essential key stones of the strategy therefore prominently
Aufbauphase weiterentwickelt. Sie bestimmte die Strategie vital to fulfill the mission within the ICT sector: Verbundprojekten, eine hohe strategische Bedeutung zu. Das documented in the successful competition for the
der AMO im IKT Bereich maßgeblich, deren zentrale Elemente starke Engagement beim erfolgreichen Wettbewerb um das EU- EU-Flagship GRAPHENE. ¥
hier stichwortartig aufgelistet sind: r Focus on the convergence of optics and electronics Flaggschiff GRAPHENE ist dafür ein prominentes Beispiel. ¥
based on a Si-CMOS process platform
r Fokus auf der Konvergenz von Optik und Elektronik zur
effektiven Symbiose von Mikro- und Optoelektronik r Development of a dedicated nanolaboratory for
auf Si-Basis œ explorative research (AMICA) œ
20 Jahre AMO GmbH
20 years AMO GmbH
2004 2006 2008 2010 2012
Organisation der interna- Start des europäischen Start von GRAND, dem ers- Ausgründung von AMO Paralleler Start von vier Sili zi um-
tionalen Nanoimprint- Silizium-Photonik-Projektes ten Graphen-Verbundprojekt AMOTRONICS | Founding Photonik Projekten mit erweiter -
tronics
NNT-Konferenz in Wien | Circles of Light | Start of auf EU-Ebene | Start of of AMOTRONICS tem Anwen dungs spektrum |
Organizing the international Silicon Nanophotonic pro- GRAND, the EU’s first joint Start of four parallel silicon
Nanoimprint-NNT confer- ject Circles of Light graphene project photonic proj ects with extended
ence in Vienna range of applications
2005 2007 2009 2011 2013
Weltweit erster Transistor Weltweit erster Graphen- Start von MISTRAL, einem Start der Initiative für ein Start des EU-Flaggschiffs
mit epitaktischem GdO | Transistor mit Top-Gate | Schlüsselprojekt für Si- EU-Flaggschiff | Launch of GRAPHENE | EU’s flagship
2 3
The world’s first transistor The world’s first graphene Photonik | Start of MISTRAL the EU flagship initiative GRAPHENE begins
with epitaxial GdO transistor with top gate pathfinder silicon photonics
2 3
project
4 | 5
1 Beugungsgitter auf der gesamten,
150 mm großen Waferoberfläche,
Nanolithographie:
Der Schlüssel zur hergestellt mit Interferenz-Lithographie |
Diffraction pattern across a full 150 mm
wafer, fabricated by interference lithography
| Nanolithography:
Nanotechnologie The key
1
for nanotechnology
Nanolithographie Nanolithography
Das Potenzial der Nanotechnologie für innovative funktio- The enabling potentials of nanotechnology for innovative
nale IKT-Komponenten, mit deutlich verbesserten Leistungs- functional ICT components with superior performance
daten, hängt kritisch von der Verfügbarkeit fortschrittlicher compared to existing solution, rely heavily on the avail-
Lithographie-Methoden und deren kontinuierlicher ability of advanced lithography processes and their
Verbesserung ab. con tinuous improvement.
Die Nanolithographie spielte daher bei der Einrichtung von Therefore nanolithography played a major role in the
AMICA eine große Rolle. Das Konzept dafür basierte auf der design of AMICA. Nurtured by the experience the
jahrelangen Erfahrung des Gründers an der RWTH Aachen. founder could accumulate at the RWTH Aachen in years
Es wurden ausschließlich „Top-Down“-Methoden verfolgt, before, in AMICA only top-down lithography methods
da „Bottom-Up“-Ansätze zu diesem Zeitpunkt noch nicht reif have been developed, as the bottom-up approach has
für Innovationen waren. Die Entwicklung dreier komplemen- not been promising enough for innovations. The develop-
tärer Methoden war geleitet von dem Bemühen, den speziellen ment of three complementary top-down approaches was
Anforderungen für eine kostengünstige Herstellung zuverlässi- governed by the attempt to meet specific requirements
ger Komponenten von Beginn an optimal gerecht zu werden. relevant for the reliable and cost-effective fabrication,
such as minimum feature size, exposure area, time of
Unmittelbar nach der Eröffnung von AMICA im Juli 1997 exposure and design flexibility.
wurde in einem ultrastabilen Reinraum eine DUV-Interferenz-
Lithographie aufgebaut. Parallel dazu begannen die Aufbau- When AMICA opened in July 1997 a DUV-interference-
arbeiten für eine UV-Nanoimprint-Anlage (UV-NIL), die lithography system was immediately installed in the
kostengünstige Replikationen von Nanostrukturen liefern sollte. ultra-stable cleanroom environment. An UV nanoimprint
Eine hochwertige Elektronenstrahl-Lithographie-Anlage wurde (UV-NIL) set-up was established and devoted to the low-
2000 installiert, mit der maskenfrei sub-10-nm-Strukturen cost replication of nanostructures. An advanced e-beam
reproduzierbar hergestellt werden können. tool was installed in 2000, allowing mask-free definition
of reproducible sub 10 nm structures.
CMOS-kompatible Strukturübertragungsprozesse mit Nano-
meter präzision ergänzten die Nanolithographie. Die gesamte These lines have been embedded in a CMOS compatible
Prozesskette wurde im Rahmen mehrerer BMBF-Projekte im pattern transfer to silicon substrates. The whole process
Bereich der Si-Nanoelektronik entscheidend verbessert. Sie chain was further optimized in several BMBF Si-nano-
bildet heute das Rückgrat für die Herstellung photonischer und electronics projects providing today’s backbone for the
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optoelektronischer Elemente, der Grundlage für die Symbiose production of advanced photonic and optoelectronic
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Lorem ipsum autem vel eum iriure dolor von Mikro- und Optoelektronik auf Si-Basis. œ elements, enabling the Si-based symbiosis of micro- and
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optoelectronics. œ
^ Nanostrukturierung auf Waferskala
mit UV-Nanoimprint-Lithographie |
Full wafer nanopatterning using UV
nanoimprint litho graphy
6 | 7
3 Veranschaulichung der Grundidee 4 Flexibles diffraktives optisches
einer „Mix-and-Match“-Lithographie: Element, hergestellt durch
Links Vistec EBPG5200-System und UV-NIL | Flexible diffractive opti-
REM-Bild einer Ringresonatorstruktur, cal element, produced by UV-NIL
rechts Canon i-Line-Stepper und
Mikroskopbild einer Implantations-
ebene | Principle of “mix-and-match”-
lithography. Left hand side Vistec
EBPG5200 system and SEM micro-
graph of a ring resonator, right
hand side Canon i-line stepper and
200 nm microscope image of an implantation 1 µm
layer
2 4 5
3
2 Nanoskalige HSQ-Lackstruktur mit 5 Nanotexturierte Solarzelle mit nicht-
hohem Aspektverhältnis (1:14) | planarer Topografie | Nanotextured solar
Nano scale HSQ resist pattern with high cell with nonplanar topography
aspect ratio (1:14)
Elektronenstrahl-Lithographie (EBL) Electron Beam Lithography (EBL) Interferenz-Lithographie (IL) Interference lithography (IL)
Bei der Herstellung nanoskaliger elektronischer und photo- EBL is one of AMO’s key technologies for the definition Die Stärke optischer Technologien basiert auf der parallelen The power of optics is based on parallel information
nischer Bauelemente setzt die AMO ihre EBL als z entrales of ultimately scaled structures in nanoelectronic and Informationsübertragung und der extrem hohen Genauigkeit in transfer and ultra-high precision in the spatial frequency
lithographisches Instrument zur Definition kleinster nanophotonic projects. der Ortsfrequenz interferometrischer Strukturen. Periodische of interferometric structures. Highly regular nanostruc-
Strukturelemente ein. Nanostrukturen mit extrem hoher Präzision werden mit tures with an extremely high periodic precision across
In combination with process technology developed in- Hilfe der DUV-Interferenz-Lithographie über den gesamten the entire wafer area are fabricated by DUV-interference-
Mit einem EBPG5200-System der Firma Vistec lassen sich in house, a Vistec EBPG5200 system allows the realization Wafer hergestellt, die auf einer holographischen Zwei-Strahl- lithography, based on an elementary two-beam holo-
Verbindung mit der im eigenen Haus entwickelten Prozess- of features with critical dimensions (CD) of 10 nm and Belichtung bei einer Wellenlänge von 266 nm beruht. graphic exposure at a wavelength of 266 nm.
technologie Strukturgrößen von 10 nm und darunter realisieren. below. At the same time the process technology, with
Gleichzeitig wurde die Prozesstechnologie im Hinblick auf ge- respect to key lithographic figures of merit, such as an Beugungsgitter mit hoher Auflösung und Effizienz können so High resolution and high efficiency diffraction gratings
ringe Fertigungstoleranzen, hohe Reproduzierbarkeit und eine accurate CD control and a high degree of reproducibility, mit einer einzigen Belichtung auf einer gesamten, 150 mm covering an entire 150 mm wafer have been produced
exzellente Qualität der Bauelemente weiterentwickelt. has been improved continuously to guarantee an excel- großen Waferoberfläche, hergestellt werden. Daher eignet sich using a single exposure. This method appears to be very
lent quality of the devices fabricated. diese Methode für die Kleinserienproduktion von qualitativ well suited to small volume production of high quality dif-
So wurde beispielsweise HSQ als anorganischer Lack mit hochwertigen diffraktiven Komponenten. Eine zusätzliche fractive components. With additional digital stabilization
höchs tem Auflösungsvermögen und geringer Oberflächen rauig - For example, the processing of HSQ, an inorganic resist digitale Stabilisierung ermöglicht kontrastreiche Gitter. Deren high contrast gratings can be realized. The periodicity can
keit auf senkrechte Lackprofile optimiert sowie, in Kombination material with ultimate resolution, has been optimized for Periodizität kann auf 0,01 nm genau definiert werden. be accurately defined with a precision of 0.01 nm.
mit geeigneten Trockenätzverfahren, als Ätzmaske bei der low surface roughness, step resist profiles and, in com-
Strukturübertragung genutzt. bination with corresponding dry etching processes, as an UV-Nanoimprint-Lithographie (UV-NIL) UV Nanoimprint –Lithography (UV-NIL)
etch mask during pattern transfer.
Um das Potenzial dieses und anderer Lacksysteme optimal Beim UV-NIL-Prozess wird die Struktur mit einem Stempel in In this process, the pattern is transferred to a liquid resist
ausschöpfen zu können, wurden nicht nur die lithographischen To be able to make full use of the potential of this and eine flüssige Lackschicht übertragen, die nachfolgend durch through a stamp under pressure. After an UV cure the
Kernprozesse optimiert, sondern diese auch in ein fl e xibles other resist systems, considerable effort has been spent UV-Belichtung ausgehärtet wird. In einem Prägeschritt können stamp is removed and 2D or even 3D replicas of the stamp
Umfeld integriert. Dabei wurden Techniken wie Proximity- to integrate these processes into a flexible environment. so sowohl 2D- als auch 3D-Strukturen mit nm-Auflösung er- with nanometer resolution are left behind. Up to now
effekt-Korrekturen, Mehrfachbelichtungsverfahren oder der By using techniques, such as proximity effect correction, zeugt werden. Mit weichen Stempeln lassen sich auch nicht- this UV-NIL technique could only be applied to pattern
Ansatz einer „Mix-and-Match“-Lithographie eingesetzt, um den multi-pass exposure strategies or a “mix-and-match”- planare und korrugierte Oberflächen sowie flexible Filme extremely even and flat substrates. With flexible stamps
Anforderungen der Bauelemente an ihre Herstellung, sowohl in lithography approach, the technological and economic strukturieren. the patterning of nonplanar or corrugated surfaces could
technologischer als auch in betriebswirtschaftlicher Hinsicht, requirements which different devices enforce onto their be facilitated.
gerecht zu werden. Mit dem „Mix-and-Match“-Ansatz gelingt respective fabrication processes could be met. For ex am- Mit der „Liquid Transfer Imprint Lithography“ (LTIL) lässt sich
es, Auflösungs- und Kostenanforderungen an die Herstellung zu ple the “mix-and-match” approach is able to serve both, dieser Vorgang weiter optimieren. Unter Ausnutzung spezifi- Further improvements have been achieved with the
separieren, indem besonders feine Strukturen per EBL definiert resolution and cost requirements, by separa ting both scher Fluidik-Effekte wird der flüssige Imprintlack sym metrisch introduction of liquid transfer imprint lithography (LTIL).
und gröbere Strukturelemente durch eine optische Lithographie from each other. Very fine features are realized using horizontal geteilt. Eine Wiederholung des Teilungsprozesses This process uses specific fluidic effects to create a sym-
mittels eines i-Line-Steppers ergänzt werden. œ EBL, whereas coarse elements are added by using an reduziert die Restlackschichtdicke auf ein Minimum und stei- metrical split in the liquid layer. Consecutively applying
opti cal i-line stepper lithography system. œ gert so die Qualität des Abdrucks für die nachfolgende Strukt ur- the split process thins the residual layer to a minimum,
übertragung. ¥ which is a critical condition for the quality of the following
pattern transfer. ¥
8 | 9
Nanoelektronik:
Die Schlüsseltechnologie
Residual HSO
2 TEM-Bild der inneren
| Nanoelectronics:
für IKT The key enabling Struktur eines EJ-FET mit 12 nm
Silicon Gate-Länge | TEM picture of an
EJ-FET’s inner structure with a
12 nm gate length
technology for ICT
Silicon
SiO2
BOX
100 nm 20 nm
1 2
1 Silizium-Nanodrähte für
Sensoranwendungen | Silicon
nanowires for intelligent sensors
Nanoelektronik Nanoelectronics
Im Frühjahr 1998 schrieb das BMBF einen Wettbewerb für In spring 1998, BMBF launched a competition for nation-
nationale Kompetenzzentren im Bereich der Nanotechnologie al nanotechnology competence centers. AMO submitted
aus. Die AMO reichte Ende Mai 1998 einen Antrag ein, um ein its proposal in late May, suggesting a competence center
Kompetenzzentrum für funktionale laterale Nanostrukturen that would focus on lateral functional nanostructures.
zu errichten. Dieses im Wesentlichen der weiteren Entwicklung The strategic research agenda of this center, announced
der Silizium-Nanoelektronik gewidmete Kompetenzzentrum as one of the winners at the end of the year, has been
wurde Ende des Jahres bewilligt und löste in den Folgejahren focussed on silicon nanoelectronics. Since that time a
eine bemerkenswerte Welle von innovativen Verbundprojekten remarkable number of innovative joint projects have been
aus. initiated and coordinated.
In Kooperation mit der RWTH Aachen und anderen führenden In a close cooperation with the RWTH Aachen and
Forschungslaboratorien nahm die AMO konkret die Forschung other leading research institutions AMO began to work
an „Triple-Gate“-Transistoren auf. Erste Ergebnisse dieser on triple-gate-transistors. First results were published
Arbeit wurden bereits 2002 publiziert. Europaweit entstanden in 2002, and for the first time in Europe triple-gate-
zum ersten Mal funktionsfähige „Triple-Gate“-Transistoren mit transistors with 90 nm gate length and electrical junction
90 nm Gate-Länge und ein „EJ-FET“ mit 12 nm Gate-Länge field effect transistors (EJ-FET) with 12 nm gate length
auf „silicon-on-insulator“-Substraten (SOI). were successfully fabricated on silicon-on-insulator (SOI)
substrates.
Darauf aufbauend wurden in den Folgeprojekten KRISMOS
(BMBF) und PULLNANO (EU) Materialvariationen für eine Following this promising start projects such as KRISMOS
effizientere Gate-Ankopplung in extrem kurzen Transistor- (BMBF) and PULLNANO (EU) have been set up to ex-
kanälen untersucht. Von besonderem Interesse waren dabei plore advanced concepts for improved gate coupling in
epitaktische einkristalline „high-k“-Materialien, die im Prinzip extremely short transistor channels. Particular interest
eine vertikale Integration von Transistoren ermöglichen. was paid to epitaxial high-k-materials that principally
allow the vertical integration of transistors.
^ Vernetzung von
In MEGAEPOS, als großem nationalen Verbundprojekt und
Hierarchien und Domänen
in IKT, Kopie aus AMICA- vorläufigem Abschluss dieser Arbeiten, konnte die Integration Finally MEGAEPOS, a large national BMBF joint project,
Logbuch, Juni 2007 | Web of
von Metall-Gates und kristallinen Gate-Oxiden erfolgreich zu demonstrated the integration of metal-gates and crystal-
hierarchies and domains in
ICT, copy from AMICA diary, Ende geführt werden. Damit stand der AMO in AMICA ab 2010 line gate oxides. This series of successful joint projects
June 2007 eine hoch flexible und hoch entwickelte Technologieplattform has given AMO a flexible and well equipped technology
für die Nanoelektronik zur Verfügung. Diese wird bis heute zur base in AMICA which provides a critical test bed for the
Bewertung neuer Konzepte herangezogen. ¥ evaluation of new concepts. ¥
10 | 11
Nanophotonik:
Licht ist mehr als Shannon
| Nanophotonics:
von Moore erwarten kann
Light is more than Shannon can ask Moore to deliver
2
200 nm
2 Integrierter photonischer
1 Schaltkreis | Integrated photonic
circuit
1 Rein optisches Schaltelement mit extrem
geringer Schaltenergie | All-optical switching
element with extremely low switching energy
Nanophotonik Nanophotonics
In den ersten fünf Jahren des neuen Jahrtausends traten im Major changes occurred in mainstream silicon-micro-
Mainstream der Silizium-Mikroelektronik eine Reihe von großen electronics in the first years of the new millennium, when
Veränderungen auf, die durch die aggressive Skalierung und an aggressive scaling and accelerated progression took
beschleunigte Progression entlang der Knoten von CMOS- place along the nodes of CMOS transistor generations.
Transistor-Generationen bedingt waren.
At the same time, silicon nanophotonics was emerging
Parallel dazu entwickelte sich die Silizium-Nanophotonik zur as an important platform for a number of optical devices.
100 nm
Plattform für verschiedene optische Bauelemente. Die Ein- The introduction of electro-optic functionalities in CMOS
führung von elektrooptischen Funktionalitäten in der CMOS- technology opened the way to Si-based optoelectronics.
Technologie eröffnet vielfältige Möglichkeiten – bis hin zur These functionalities made the monolithic integration
monolithischen Integration von elektrischen und optischen of electrical and optical components on the same chip
Komponenten auf Chipebene. possible.
Die kritischen Elemente hierfür sind elektrooptische Modu- Silicon-based electro-optic modulators are the critical
latoren auf Silizium-Basis. Zunächst wurde die optische elements for monolithic chip components. Optical signal
Signalmodulation durch eine Variation in der Dichte der freien modulation was initially based on the free carrier plasma
Ladungsträger, entlang der Lichtpropagation im Wellenleiter, dispersion effect. However, the weak plasma effect and
angestrebt. Der schwache Plasmaeffekt und die damit verbun- the inevitable loss associated with free carrier absorption,
denen unvermeidlichen Verluste lösten jedoch relativ frühzeitig quickly led to the search for plasma-free alternatives.
eine Suche nach plasmafreien Alternativen aus.
In close collaboration with the IHT at the RWTH Aachen,
In enger Kooperation mit dem IHT der RWTH Aachen startete AMO started working with CIRCLES OF LIGHT (2006-
AMO daher mit CIRCLES OF LIGHT (2006–2010) und MISTRAL 2010) and MISTRAL (2009-2012), two major joint
(2009–2012) zwei bedeutende Verbundprojekte auf europäi- pro jects at EU and national level that explore the limits
scher und nationaler Ebene, um die technischen Grenzen der of plasma controlled waveguide modulators and identify
Plasmamodulation auszuloten und alternative Wege plasma- alternative paths for plasma free electro-optic modula-
freier Ansätze zu erforschen. In beiden Projekten wurde tion. Both projects provided a large body of insights.
eine Vielzahl neuer Einsichten gewonnen. Von besonderem Particular all-optical switching devices with extremely
Interesse waren dabei rein optische Schaltelemente mit extrem low switching energy have been developed.
geringer Schaltenergie.
Today AMO is engaged in six silicon-photonics projects
Derzeit ist AMO in sechs Silizium-Photonik-Verbundprojekten from which an impressive range of new approaches are
aktiv, in denen eine imposante Anzahl vielversprechender expected to result. œ
^ Weltweiter Datenverkehr, erschlossen
durch hochintegrierte optische Netzwerk- Ansätze untersucht wird. œ
knoten auf Si-Basis | Worldwide data
traffic enabled by highly integrated optical
Si-based network nodes
12 | 13
4 Ringresonator, eingebettet in eine Si3N4 6 Illustration der Gitterverzerrung
Hochfrequenz-Umgebung | Ring resonator innerhalb eines Si-Wellenleiters |
embedded in RF-circuitry Illustration of the strain distribution
inside a Si-waveguide
Si
z SiO2
5 y 6
5 REM-Aufnahme eines Si-Wellen-
leiters, bedeckt mit Silizium-Nitrid
in der Seitenansicht | SEM cross-
3 4 section of a Si-waveguide covered
with silicon nitride
3 Frauen in Wissenschaft und
Technologie | Care and diligence in the
test lab
Plasma Modulatoren Plasma modulators Plasmafreie Modulatoren Beyond plasma
Innerhalb verschiedener nationaler und europäischer Projekte Within several national and European projects AMO Plasmabasierte elektrooptische Modulatoren unterliegen Speed and transparency, the inherent limitations of plas-
untersucht AMO Siliziummodulatoren basierend auf dem investigates silicon modulators utilizing the plasma dis- inhä renten Beschränkungen, was die maximale Datenrate und ma-based Si-modulators, can be overcome using inno-
Plasmadispersionseffekt, bei dem eine Änderung des persion effect. This is where the refractive index changes minimale Verluste betrifft. Plasmafreie Konzepte, in denen vative electro-optic modulation concepts. Consequently
Brechungsindexes durch eine geänderte freie Ladungs träger- with the concentration of free carriers in Si-PN-diode nichtlineare optische Effekte eingesetzt werden, sind daher plasma-free approaches, such as the use of linear electro-
dichte in Si-PN-Dioden hervorgerufen wird. Um eine effiziente structures. For an efficient light modulation in integrated für die weitere Entwicklung der Silizium-Photonik von großer optic modulation based on the introduction of nonlinear
Lichtmodulation innerhalb von integrierten Wellenleiterstruk- silicon waveguide structures concepts based on carrier Bedeutung. optical effects, are of high importance for Si-photonics.
turen zu erzielen, werden dabei sowohl Konzepte zur Injektion injection, as well as carrier depletion, are explored.
als auch zur Verarmung von Ladungsträgern untersucht. Nichtlineare optische Effekte zweiter Ordnung können in Sili- Second order nonlinearities can be introduced in silicon
High-speed modulation in injection type microring- zium durch physikalisch-chemisch basierte Oberflächen modi- either by surface modifications using physico-chemical
Erste hochfrequente Injektionsmodulatoren auf der Basis von resonators was first successfully demonstrated in the fikation, durch Gitterverzerrungen aufgrund der Deposi tion processes, with strain gradients caused by the deposition
Mikroring-Resonatoren konnten erfolgreich in den nationalen national projects INNOTRANS and MISTRAL. Compared von Silizium-Nitrid-Verspannungsschichten – oder durch die of a silicon nitride layer, or by embedding electro-optic
Projekten INNOTRANS und MISTRAL demonstriert werden. to injection-based systems, depletion-type modulator Einbettung elektrooptischer Polymere in nanophotonischen polymers in nanophotonic (slot) waveguides.
Im Vergleich zu Injektionsmodulatoren können aber bei einer concepts can be operated at significantly higher data (Schlitz-)Wellenleitern – erzeugt werden.
Ladungsträgerverarmung deutlich höhere Datenraten erreicht rates. Consequently activities are focused on this type of The last two mentioned processes were developed in the
werden. Daher konzentrieren sich die Aktivitäten in zwei lau- plasma modulators in two ongoing R&D projects. Die beiden zuletzt genannten Effekte wurden innerhalb des national project MISTRAL and and demonstrated record-
fenden F&E-Projekten auf diese Modulatorkonzepte. Projektes MISTRAL entwickelt – dabei konnte ein neuer high optical nonlinearities in silicon. In the European
As part of the national SHYWA project, highly integrated Rekord für die optische Nichtlinearität in Silizium demonstriert project PHOXTROT, AMO is optimizing the polymer-
Im Rahmen des nationalen SHYWA-Projektes werden hoch optical transmitter modules for application in innovative werden. Im Rahmen des europäischen Projektes PHOXTROT based approach in close collaboration with the Karlsruhe
integrierte optische Transmittermodule und innovative WDM WDM ‘Active-Optical-Cables’, which rely on ring resona- verfeinert AMO derzeit zusammen mit dem Karlsruher Institut Institute of Technology (KIT) and also recently demon-
„Aktive optische Kabel“ mit Si-Ringresonator-Modulatoren tor based modulators, are developed. für Technologie (KIT) den polymerbasierten Ansatz und konnte strated electro-optic modulation at 84Gbit/s.
entwickelt. so bereits eine Modulation bei 84 Gbit/s demonstrieren.
In the EUREKA-project SASER, highly integrated deple- In the strained silicon approach, silicon’s symmetry is
Innerhalb des EUREKA-Projektes SASER werden hoch integ- tion modulator devices based on Mach-Zehnder inter- Beim Ansatz des verspannten Siliziums wird die Symmetrie des broken by strain gradients introduced by deposition of a
rierte Verarmungsmodulatoren basierend auf Mach-Zehnder- ferometers are developed. One of the challenges is to Kristallgitters durch Deposition einer Silizium-Nitrid-Schicht silicon nitride layer on to the Si-waveguides. Currently
Interferometern entwickelt. Die ambitionierten Projektziele, reduce the inevitable insertion loss to a minimum at auf einen Si-Wellenleiter gebrochen. Zurzeit wird dieser voll- this full CMOS compatible approach for plasma-free
die sich aus Anforderungen auf Systemebene ergeben, sind operation voltage swings compatible with CMOS driver ständig CMOS-kompatible Ansatz für plasmafreie Modulatoren, modulators is being intensively studied, facilitating trans-
reduzierte Einfügeverluste und Betriebsspannungen, die den circuitry, required by system considerations. welcher eine transparente und lineare elektrooptische parent and linear electro-optic modulation.
Einsatz von CMOS-Treibern erlauben. Modulation ermöglicht, intensiv untersucht.
All depletion modulator devices being tested are designed All three plasma-free concepts make a linear phase
Alle Verarmungsmodulatoren werden für Schaltfrequenzen for operation above 20 GHz to compete successfully with In allen drei alternativen Konzepten wird eine lineare Phasen- modulation within the modulator possible, enabling mul-
oberhalb von 20 GHz entworfen und haben somit das Potenzial, existing solutions for electro-optic modulators outside modulation innerhalb des Modulators erreicht, die für unter- tiple modulation formats and highest modulation speeds.
derzeitige Lösungen außerhalb der Si-Technologie für elektro- mainstream Si-technology. œ schiedlichste Modulationsformate und höchste Modula - More importantly, these new and innovative modula-
optische Modulatoren zu ersetzen. œ tionsraten Voraussetzung ist. Dieser Blick auf plasmafreie tion concepts could also stimulate serious efforts to look
Modulations-Konzepte dürfte sich also lohnen. ¥ ‘beyond plasma’. ¥
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Terahertz-Technologie: Die Silizium-Nanophotonik
2 Gemessene THz-Feldpulse –
erzeugt und geführt innerhalb eines
betritt den Terahertzbereich | Terahertz technology: Si-Hybridwellenleiters | Measured
THz field pulses – generated and
guided within a silicon hybrid
waveguide
Silicon nanophotonics enters the Terahertz regime
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1 THz Mikroprober Messstation |
THz microprobe measurement
set-up
Silizium-Nanophotonik zur Silicon nanophotonics based
Terahertz-Signalerzeugung Terahertz generation
^ Optische Terahertzwellen-Erzeugung in einem Si-Nano-
wellenleiter, beobachtet im Zeit- und Ortsbereich mit Hilfe Bisher hat das Fehlen einer Nichtlinearität zweiter Ordnung die So far, the absence of second-order nonlinearity has
einer Nahfeldmikrosonde | Optical Terahertz wave generation
Herstellung von ultraschnellen elektrooptischen Modulatoren hampered the fabrication of high-speed electro-optic
in a Si-nano-waveguide monitored in space- and time-
domain by a near-field microprobe und THz-Quellen basierend auf Siliziumwellenleitern verhin- modulators and THz sources based on silicon waveguides.
dert. Ein vielversprechender neuer Ansatz wurde jedoch kürz- But a promising new approach that endows silicon
lich von AMO und dem IHT der RWTH Aachen entwickelt. waveguides with the missed nonlinearity has recently
been developed by AMO and IHT of the RWTH Aachen.
Durch einen speziellen Ätzprozess in einem HBr-Plasma wird Through a specific etching procedure with HBr-plasma
die Si-Oberfläche derart modifiziert, dass sie eine hohe opti- the surface of silicon is modified giving rise to a high
sche Nichtlinearität aufweist, die mit CMOS-kompatiblen optical nonlinearity. This CMOS compatible process can
Maskenprozessen in beliebigen Mustern auf Silizium generiert be used easily to fabricate any pattern on the silicon chip
werden kann. with established lithography techniques.
Die THz-Nahfeldmesstechnik, die vor Kurzem bei der AMO The development of fabricating devices with nonlinear
entwickelt wurde, hat die Entwicklung von Si-Bauelementen optical response has been supported decisively by the
mit nichtlinear optischer Aktivität entscheidend unterstützt. THz near-field probing technique, also recently devel-
THz-Signale werden durch Differenzfrequenzmischen von oped at AMO. THz signals are generated via difference
kurzen infraroten Pulsen aus einem Femtosekunden-Laser frequency mixing of short infrared pulses from a femto-
innerhalb der Si-Wellenleiter erzeugt. Hochauflösende second laser in the Si-waveguide. On-chip field amplitude
Messungen der Feldamplituden in Zeit und Raum visualisie- measurements in time- and space-domain visualize this
ren den Generationsprozess. Diese haben zu substanziellen generation process of THz-waves at sub-wavelength
Einblicken in beteiligte nichtlineare Prozesse geführt, die einen resolution. These results have provided substantial
Durchbruch in der Entwicklung plasmafreier elektrooptischer insights in the nonlinear optical processes involved that
Modulatoren zur Folge hatten. Darüber hinaus eröffnen sie led to important breakthroughs for the development of
den Weg zur rein optischen THz-Generation in nanophotoni- Si-based electro-optic modulators without plasma effects.
schen Si-Wellenleitern, was als Highlight in der Januar-Ausgabe Moreover a road to all optical THz-generation in nano-
von „Nature Photonics“ in 2011 gewürdigt wurde. Die inter- photonic Si-waveguides has been opened, acknowledged
ne Effizienz dieser neuen THz-Emitter, die die Möglichkeit a highlight in the January 2011 issue of Nature Photonics.
der Phasenanpassung zwischen optischer und THz-Welle in The internal efficiencies of these novel THz emitters
einer Hybridwellenleiterstruktur nutzen, übersteigt die der exceed those of competitive state of the art emitters by
kompetitiven Emitter nach dem Stand der Technik um eine one order of magnitude utilizing the opportunity of phase
Größenordnung. ¥ matching the optical and THz-wave in hybrid waveguide
structures. ¥
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1 Das internationale Team
der AMO | AMO’s international team
Graphen:
Das Schlüsselmaterial für die Konvergenz
2 Logo des Flaggschiff-Projekts
GRAPHENE | Logo of the flagship
project GRAPHENE
von Optik und Elektronik | Graphene: The key enabling
material for the convergence of optics and electronics
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Das neue Silizium? Moving beyond silicon
Bis heute dominiert Silizium die Mikroelektronik. Graphen, eine Nowadays, silicon still dominates microelectronics.
zweidimensionale Kohlenstoffschicht, allerdings bietet perfekte However, graphene, the 2-dimensional allotrope of car-
Voraussetzungen, um die Grenzen der Si-CMOS-Technologie zu bon, is perfectly suited for moving beyond the intrinsic
überwinden. Diese Erwartung basiert wesentlich auf der zwei- limitations of silicon. This is due to graphene’s 2D nature,
dimensionalen Struktur, der hohen Ladungsträgerbeweglich- its ultra-high carrier mobility and ultra-broadband optical
keit und der breitbandigen optischen Absorption, welche die absorption. These attributes could give rise to high-speed
Herstellung von schnellsten elektrischen und optoelektrischen devices for future electronic and optoelectronic compo-
Bauteilen ermöglichen. nents.
Wie bei jeder neuen Halbleitertechnologie ist jedoch auch hier However, as with every emerging semiconductor tech-
für einen echten Durchbruch entscheidend, ob sie mit der nology, its compatibility with standard CMOS technology
etablierten CMOS-Technologie kompatibel ist. Daher verfolgt will be a decisive factor for its success. Since 2006, AMO
die AMO seit 2006, unter Berücksichtigung der Kompatibilität has therefore been developing ways to produce graphene
mit der CMOS-Technologie, Ansätze zur großflächigen Her stel- on a wafer-scale and for processing devices while ensur-
lung von Graphen und zur Realisierung von graphenbasierten ing its compatibility with conventional CMOS technology.
Bau teilen. Diese Vereinbarkeit ermöglicht es nicht nur, die eta- This compatibility not only allows utilization of well-
blierte Si-Prozesstechnologie zu nutzen, sondern eröffnet viel- established silicon process technology, but also enables
mehr die Möglichkeit Hybridstrukturen zu realisieren, die die the realization of hybrid structures that can exploit the
Vorteile beider Materialien aus Gruppe IV des Periodensystems advantages of both group IV materials.
kombinieren.
Major efforts beyond national boarders will be needed to
Um Graphen aus dem Labor in die Anwendung zu überführen, push graphene towards real applications. On a European
sind signifikante Anstrengungen auch über nationale Gren zen level this will happen within the upcoming Flagship
hinweg erforderlich. Auf europäischer Ebene wird dies in ner - Project GRAPHENE, where AMO has been involved in
halb des kommenden Flaggschiff-Projektes GRAPHENE ge- the realization from the very beginning. This one billion
sche hen, bei dem die AMO maßgeblich an der Realisierung Euro, ten year project brings together not only leading
beteiligt war. Dieses eine Milliarde Euro schwere, zehn Jahre European groups, but is already attracting scientists from
dauernde Projekt bringt nicht nur die führenden europäischen outside Europe as well. œ
Gruppen zusammen, sondern zieht durch seine hohe inter-
nationale Sicht barkeit auch verstärkt außereuropäische
^ Elektrooptische Hochfrequenzmessung
an einem graphenbasierten Modulator | Wissenschaftler an. œ
Electro-optical high-frequency measure-
ment on a graphene based modulator
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