DE102014119717A1

DE102014119717A1 - Integrierte optoelektronische Vorrichtung und System mit Wellenleiter und Herstellungsverfahren derselben

Info

Publication number: DE102014119717A1
Application number: DE102014119717.8A
Authority: DE
Inventors: Alberto Pagani; Alessandro Motta; Sara Loi; Guido Chiaretti
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics International NV Switzerland
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2034-12-31
Also published as: CN204613453U; CN104749718B; DE102014119717B4; CN104749718A

Abstract

Eine integrierte optoelektronische Vorrichtung, die von einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche begrenzt ist und Folgendes aufweist: einen Körper aus Halbleitermaterial, in dessen Innerem mindestens eine optoelektronische Komponente gebildet ist, die aus einem Detektor und einem Emitter ausgewählt ist; sowie einen optischen Pfad, der zumindest teilweise vom geführten Typ ist und sich zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche erstreckt, wobei der optische Pfad den Körper durchläuft. Die optoelektronische Komponente ist durch den optischen Pfad mit einem ersten Bereich eines freien Raums und einem zweiten Bereich eines freien Raums optisch gekoppelt, die über bzw. unter der ersten und der zweiten Oberfläche angeordnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte optoelektronische Vorrichtung mit Wellenleiter und ein Herstellungsverfahren derselben.
KURZBESCHREIBUNG
Wie bekannt ist, stehen heute zahlreiche Vorrichtungen zur Verfügung, die zur Kommunikation mit anderen Vorrichtungen mittels elektromagnetischer Strahlung ausgebildet sind, die hier allgemein als ”optoelektronische Vorrichtungen” bezeichnet werden.
Beispielsweise beschreibt das Patent US7352066 , das durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit zu einem Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht wird, eine Struktur, die einen optoelektronischen Emitter, eine Schicht ohne elektronische Schaltungen (als ”Interposer” bzw. Zwischenelement bekannt) und einen horizontalen Wellenleiter aufweist. Im Spezielleren ist der Interposer zwischen dem optoelektronischen Emitter und dem horizontalen Wellenleiter angeordnet; ferner ist im Inneren des Interposers eine Durchgangsöffnung gebildet, die auch als Durchkontaktierung bekannt ist und die als vertikaler Wellenleiter fungiert. Im Einsatz stellt die elektromagnetische Strahlung, die von dem optoelektronischen Emitter emittiert wird, zu Beginn eine Kopplung mit dem vertikalen Wellenleiter und anschließend eine Kopplung mit dem horizontalen Wellenleiter her. Die elektromagnetische Strahlung am Ausgang von dem horizontalen Wellenleiter kann dann beispielsweise von einer weiteren Vorrichtung empfangen werden, die mit einem Fotodetektor ausgestattet ist, um auf diese Weise eine optische Schaltung zu erhalten, durch die eine optische Übertragung von Daten möglich ist. Die in der US7352066 beschriebene Struktur ermöglicht folglich eine Kopplung des optoelektronischen Emitters mit einem Wellenleiter, der in der Richtung rechtwinklig zu der Emissionsrichtung des optoelektronischen Emitters ausgerichtet ist. Sie ermöglicht jedoch nicht die Erzielung von dreidimensionalen (3D) Systemen, bei denen zwei oder mehrere integrierte elektronische Vorrichtungen übereinander angeordnet sind und optisch miteinander kommunizieren.
Das Patent US6090636 , das durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit zu einem Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht wird, beschreibt dagegen eine Vorrichtung, die ein erstes Substrat aus Halbleitermaterial beinhaltet, in dem zwei funktionale elektronische Schaltungen gebildet sind; außerdem ist innerhalb des ersten Substrats eine optische Durchkontaktierung vorhanden, die sich vollständig durch das erste Substrat hindurch erstreckt. Auf die Oberseite des ersten Substrats ist ein optischer Sender gebondet, der in einem zweiten Substrat gebildet ist, wobei dieses zweite Substrat aus einem anderen Halbleitermaterial als das erste Substrat hergestellt ist. Unterhalb des ersten Substrats ist ein optischer Empfänger durch Bonden angebracht, der in einem dritten Substrat gebildet ist, wobei dieses dritte Substrat aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, das sich von dem des ersten Substrats unterscheidet. Folglich sind die beiden funktionalen elektronischen Schaltungen weder in den optischen Sender noch in den optischen Emitter integriert.
Die in der US6090636 beschriebene Vorrichtung bildet somit ein dreidimensionales System, das durch nicht mehr als zwei optoelektronische Vorrichtungen und durch nicht mehr als drei Substrate gebildet ist; somit ermöglicht die in der US6090636 beschriebene Vorrichtung keine Bildung von dreidimensionalen Systemen, die auf einer optischen Kommunikation basieren und eine größere Anzahl von Vorrichtungen beinhalten.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung schaffen eine optoelektronische Vorrichtung, die die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden bevorzugte Ausführungsformen derselben lediglich anhand von nicht einschränkenden Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
1, 2, 4, 6–10, 13–16, 18 und 21–24, 29, 30, 31a, 34, 35 schematische Darstellungen von Querschnitten von Ausführungsformen der vorliegenden optoelektronischen Vorrichtung;
3 einen Querschnitt der in 2 dargestellten Ausführungsform entlang einer in 2 dargestellten Schnittlinie III-III;
5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Bereichs der in 4 dargestellten Ausführungsform;
11 eine schematische Darstellung einer Draufsicht von oben auf einen Bereich einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden optoelektronischen Vorrichtung;
12, 32 und 33 schematische Darstellungen von Querschnitten von Bereichen von Ausführungsformen der vorliegenden optoelektronischen Vorrichtung;
17 eine Perspektivansicht eines Bereichs einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden optoelektronischen Vorrichtung;
19a–19c schematische Darstellungen von Querschnitten von Bereichen von Ausführungsformen der vorliegenden optoelektronischen Vorrichtung;
20 eine Draufsicht von oben auf den in 19a dargestellten Bereich entlang einer Schnittlinie XX-XX in 19a;
25 ein auf der prinzipiellen Ebene dargestelltes Blockschaltbild eines optoelektronischen Systems, das zwei optoelektronische Vorrichtungen beinhaltet;
26a–26h Schnittdarstellungen von ein und derselben Ausführungsform während aufeinander folgender Schritte eines Herstellungsvorgangs;
27a–27l Schnittdarstellungen von ein und derselben Ausführungsform während aufeinander folgender Schritte eines Herstellungsvorgangs;
28a–28h Schnittdarstellungen von ein und derselben Ausführungsform während aufeinander folgender Schritte eines Herstellungsvorgangs;
31b eine schematische Darstellung einer Draufsicht von oben, wobei Teile eines Bereichs der in 31a dargestellten Ausführungsform entfernt sind; und
36 eine schematische Darstellung einer Draufsicht von oben, wobei Teile eines Bereichs einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden optoelektronischen Vorrichtung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine erste optoelektronische Vorrichtung 1, die an der Oberseite und der Unterseite durch eine obere Oberfläche bzw. eine untere Oberfläche begrenzt ist.
Die erste optoelektronische Vorrichtung 1 weist einen Körper aus Halbleitermaterial 2 auf, der die untere Oberfläche bildet, und weist eine obere Region 4 auf, die oben auf dem Halbleiterkörper 2 angeordnet ist und die obere Oberfläche bildet. In an sich bekannten Weise besitzt der Halbleiterkörper 2 ein Substrat 40 (2) aus Halbleitermaterial und möglicherweise eine oder mehrere Epitaxieschichten (nicht gezeigt); weiterhin besitzt die obere Region 4 eine oder mehrere Metallisierungen (nicht gezeigt), die gegebenenfalls auf einer Anzahl von Ebenen angeordnet sind und durch Durchkontaktierungen bzw. Durchgangsöffnungen verbunden sind, sowie eine oder mehrere dielektrische Schichten (nicht gezeigt).
Im Spezielleren ist der Halbleiterkörper 2 oben durch eine zwischengeordnete Fläche bzw. Zwischenfläche begrenzt; ferner ist der Halbleiterkörper 2 unten durch die untere Oberfläche begrenzt.
Die erste optoelektronische Vorrichtung 1 weist eine durchgehende optische Durchkontaktierung 8, d. h. eine durchgehende Öffnung, auf, in der eine geführte Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung stattfinden kann. Die optische Durchgangsöffnung 8 erstreckt sich zwischen der oberen Oberfläche S₁ und der unteren Oberfläche S₂ und erstreckt sich somit sowohl durch die obere Region 4 als auch durch den Halbleiterkörper 2. Die optische Durchgangsöffnung 8 ist von einem Kern 10 vollständig gefüllt, der aus einem Material gebildet ist, das für eine Betriebslängenwelle λ transparent ist. Lediglich anhand eines Beispiels sei erwähnt, dass die optische Durchgangsöffnung 8 in der Draufsicht kreisförmig ausgebildet sein kann.
Derjenige Bereich der optischen Durchgangsöffnung 8, der sich durch die obere Region 4 erstreckt, ist mit einer ersten Überzugsschicht 12 beschichtet, die somit einen entsprechenden oberen Bereich 11a des Kerns 10 beschichtet, mit dem sie in direktem Kontakt steht. Die erste Überzugsschicht 12 steht ferner in direktem Kontakt mit der oberen Region 4. Wie in 1 dargestellt, kann sich die erste Überzugsschicht 12 zwischen der oberen Oberfläche S₁ und der Zwischenfläche S₃ erstrecken.
Derjenige Bereich der optischen Durchgangsöffnung 8, der sich durch den Halbleiterkörper 2 hindurch erstreckt, ist zum Teil mit einer zweiten Überzugsschicht 14 beschichtet, die somit einen entsprechenden unteren Bereich 11b des Kerns 10 beschichtet, mit dem sie in direktem Kontakt steht. Die zweite Überzugsschicht 14 steht ferner in direktem Kontakt mit dem Halbleiterkörper 2, ist jedoch von der ersten Überzugsschicht 12 körperlich getrennt, so dass der Kern 10 einen Bereich aufweist, der weder mit der ersten Überzugsschicht 12 noch mit der zweiten Überzugsschicht 14 beschichtet ist und der zwischen dem oberen Bereich 11a und dem unteren Bereich 11b angeordnet ist und im Folgenden als ”nicht beschichteter Bereich” 11c (2) bezeichnet wird.
Die erste und die zweite Überzugsschicht 12, 14 sind z. B. durch ein und dasselbe Material gebildet, welches einen derartigen Brechungsindex hat, dass die erste und die zweite Überzugsschicht 12, 14 zusammen mit dem oberen Bereich 11a bzw. mit dem unteren Bereich 11b des Kerns 10 einen ersten vertikalen Wellenleiter 22 und einen zweiten vertikalen Wellenleiter 24 bilden, in denen eine geführte Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung bei der Betriebswellenlänge λ stattfinden kann. Mit anderen Worten erfolgt unter der Annahme einer Kopplung von Strahlung bei der Betriebswellenlänge λ mit dem ersten vertikalen Wellenleiter 22 und mit dem zweiten vertikalen Wellenleiter 24 eine Ausbreitung dieser Strahlung, die im Folgenden als ”optisches Signal” bezeichnet wird, innerhalb des ersten und des zweiten vertikalen Wellenleiters 22, 24 in einer sogenannten geführten Weise, bei der das Phänomen der Totalreflexion auftritt. Wenn zu diesem Zweck der Brechungsindex des Materials, aus dem der Kern 10 gebildet ist, mit n₁ bezeichnet wird und der Brechungsindex des Materials, aus dem die erste und die zweite Überzugsschicht 12, 14 gebildet sind, mit n₂ bezeichnet wird, erhält man n₁ > n₂.
Lediglich als Beispiel kann der Halbleiterkörper 2 aus monokristallinem Silizium gebildet sein, das für Wellenlängen im Infrarotbereich (d. h., die in etwa zwischen 1,1 μm und 1,6 μm liegen) einen Brechungsindex von etwa gleich 3,5 aufweist und Leckagen in der Größenordnung von etwa 0,1 dB/cm zeigt. Es ist in jedem Fall möglich, andere Halbleitermaterialien einzusetzen. Insbesondere erfolgt die Auswahl des Materials, aus dem der Kern 10 gebildet wird, in Abhängigkeit von der Betriebswellenlänge λ.
Wiederum lediglich als Beispiel sei erwähnt, dass für Wellenlängen im Infrarotbereich der Kern 10 nicht nur aus monokristallinem Silizium, sondern auch aus polykristallinem Silizium oder aus amorphem Silizium gebildet sein kann oder ansonsten durch ein Polymer gebildet sein kann, wie z. B. das sogenannte SU-8. Wiederum lediglich als Beispiel sei erwähnt, dass im Fall von Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts und im Infrarotbereich der Kern 10 aus Aluminiumoxid Al₂O₃ oder Siliziumoxynitrid SiON oder aber wiederum aus einem Polymer, wie dem sogenannten SU-8, gebildet sein kann.
Lediglich als Beispiel sei erwähnt, dass für Wellenlängen im Infrarotbereich die erste und die zweite Überzugsschicht 12, 14 aus Siliziumdioxid SiO₂ oder ansonsten aus Aluminiumoxid Al₂O₃ oder auch aus Siliziumoxynitrid SiON hergestellt sein können. Wiederum nur als Beispiel sei erwähnt, dass für Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts und im Infrarotbereich die erste und die zweite Überzugsschicht 12, 14 aus Siliziumdioxid SiO₂ hergestellt sein können.
Innerhalb des Halbleiterkörpers 2 ist ein optoelektronisches Bauelement gebildet. Insbesondere ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform eine erste Fotodiode 30 gebildet, die derart angeordnet ist, dass sie das optische Signal empfängt. Obwohl es in 1 nicht dargestellt ist, ist die erste Fotodiode 30 mit einer elektronischen Schaltung eines an sich bekannten Typs verbunden, die im Inneren des Halbleiterkörpers 2 gebildet ist und zum Verarbeiten des von der ersten Fotodiode 30 erzeugten elektrischen Signals ausgebildet ist.
Genauer gesagt ist bei einer in 2 veranschaulichten Ausführungsform die erste Fotodiode 30 durch eine erste Wanne 32 gebildet, die durch einen entsprechenden Bereich des Halbleiterkörpers 2 gebildet ist, beispielsweise p-leitend dotiert ist und in der Draufsicht beispielsweise ringförmig ausgebildet ist. Ferner ist die erste Fotodiode 30 durch eine zweite Wanne 34 gebildet, die durch einen entsprechenden Bereich des Halbleiterkörpers 2 gebildet ist, beispielsweise n-leitend dotiert ist und in der Draufsicht im Wesentlichen die Form eines Rings aufweist.
Insbesondere sei angenommen, dass der Kern 10 eine zylindrische Form mit einem Radius r₁ aufweist und dass die erste und die zweite Überzugsschicht 12, 14 in der Draufsicht von oben ein und dieselbe Form eines Rings mit einem Radius r₂ = r₁ und einem Radius r₃ > r₂ aufweisen, und der durch die erste Wanne 32 gebildete Ring einen Radius r₄ und einen Radius r₅ aufweist, wobei r₅ > r₄ ist, während der durch die zweite Wanne 34 gebildete Ring einen Radius r₆ und einen Radius r₇ aufweist, wobei r₇ > r₆ ist. Weiterhin rein beispielhaft ist es bei der in 2 dargestellten Ausführungsform so, dass r₄ ≈ r₃ und r₄ < r₆ < r₇ < r₅ sind; hierbei kann r₁ beispielsweise zwischen 10 μm und 50 μm liegen, und die Gesamtdicke der ersten optoelektronischen Vorrichtung 1 kann z. B. zwischen 50 μm und 200 μm liegen. Ferner erneut rein beispielhaft hat das Substrat 40 eine p-leitende Dotierung, wobei ein Dotierungsniveau höher ist als das Dotierungsniveau der ersten Wanne 32. Wiederum rein beispielhaft, wie auch in 2 dargestellt, sind eine erste leitfähige Verbindung 42 und eine zweite leitfähige Verbindung 44, die in der oberen Region 4 angeordnet sind und in an sich bekannter Weise die Funktion haben, einen Betrieb in Sperrrichtung des durch die erste und die zweite Wanne 32, 34 definierten Übergangs G zu ermöglichen.
Gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die erste Wanne 32 ausgehend von der Zwischenfläche in den Halbleiterkörper 2 hinein; die zweite Wanne 34 erstreckt sich ebenfalls ausgehend von der Zwischenfläche S₃ in den Halbleiterkörper 2 hinein und ist an der Unterseite und seitlich von der ersten Wanne 32 umgeben. Die erste und die zweite Wanne 32, 34 umschließen den Kern 10, von dem sie körperlich getrennt sind.
Ausführlicher und unter der Annahme eines kartesischen Bezugssystems xyz, so dass sich die optische Durchgangsöffnung 8 parallel zu der Achse z erstreckt und sich die obere Oberfläche S₁ und die untere Oberfläche S₂ in zu den Achsen x und y parallelen Ebenen erstrecken, hat die erste Wanne 32 eine Dicke h, gemessen entlang der Achse z. Ferner befindet sich die zweite Überzugsschicht 14 in einer Distanz gleich der Dicke h von der Zwischenfläche S₃; in äquivalenter Weise hat der nicht beschichtete Bereich 11c eine Dicke gleich h. Bei Bezeichnung der Seitenfläche des Kerns 10 mit S_c steht somit die erste Wanne 32 nicht in direktem Kontakt mit der Seitenfläche. Tatsächlich bildet der Halbleiterkörper 2 zwischen der ersten Wanne 32 und der Seitenfläche S_c einen Entkopplungsbereich 46, der eine Dicke gleich h aufweist und exakt zwischen der ersten Wanne 32 und der Seitenfläche S_c angeordnet ist. Der Entkopplungsbereich 46 umgibt den nicht beschichteten Bereich 11c seitlich. Diese Ausführungsform kann somit ohne die Ätzvorgänge (nachfolgend beschrieben) hergestellt werden, die zum Bilden der optischen Durchgangsöffnung 8 ausgelegt sind, die die erste Fotodiode 30 aufweist. Folglich ist jede mögliche Verunreinigung der ersten Fotodiode 30 verhindert.
Wie in 4 dargestellt, ist es in jedem Fall möglich, dass der Entkopplungsbereich 46 nicht vorhanden ist und somit die erste Wanne 32 in Berührung mit der Seitenfläche S_c angeordnet ist, um mögliche Kopplungsverluste zwischen der ersten Fotodiode 30 und dem Kern 10 zu reduzieren. Im Spezielleren ist bei dieser Ausführungsform auch die zweite Wanne 34 in direktem Kontakt mit der Seitenfläche S_c des Kerns angeordnet. Obwohl es in 4 nicht dargestellt ist, kann eine Schutzschicht, die für die Betriebswellenlänge λ transparent ist, in jedem Fall zwischen der ersten Fotodiode 30 und dem Kern 10 vorhanden sein.
Wie in 5 detaillierter dargestellt, ist wiederum unter Bezugnahme auf die in 4 dargestellte Ausführungsform und auf der Hypothese eines optischen Signals, das sich in dem Kern 10 ausgehend von der oberen Oberfläche sowie in Richtung auf die Bodenfläche fortpflanzt, das Verhältnis zwischen dem Anteil des optischen Signals, der von der ersten Fotodiode 30 absorbiert wird, und dem Anteil des optischen Signals, der die Bodenfläche S₂ erreicht, proportional zu einer ersten Annäherung an das Verhältnis h/T, wobei T die Ausbreitungsperiode des optischen Signals ist. Insbesondere beträgt T = 2π·n₁·sinθ/λ, wobei θ (1) der Winkel ist, in dem das optische Signal auf die obere Oberfläche S auftrifft, wobei dieser Einfallswinkel größer ist als der kritische Winkel, der durch die Materialien definiert ist, aus denen der Kern 10 sowie die erste und die zweite Überzugsschicht 12, 14 gebildet sind. Insbesondere ist in 5 auch ein Verarmungsbereich 50 dargestellt, der an der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Wanne 32, 34 gebildet ist und sich teilweise durch diese Wannen hindurch erstreckt. Der Verarmungsbereich 50 als Ganzes hat eine Dicke gleich w, wobei w < h ist. Zum Optimieren der Kopplung zwischen der optischen Durchgangsöffnung 8 und der ersten Fotodiode 30 ist es möglich, die erste und die zweite Wanne 32, 34 derart auszubilden, dass der Verarmungsbereich 50 einen Brechungsindex aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex n₁ des Kerns 10 ist, um dadurch Reflexionseffekte an der Grenzfläche zwischen dem Verarmungsbereich 50 und dem Kern 10 zu verhindern. Ferner ist es auch möglich, an der Grenzfläche zwischen dem Verarmungsbereich 50 und dem Kern 10 eine Schicht aus Antireflexionsmaterial (nicht gezeigt) vorzusehen.
Bei einer anderen Ausführungsform (in 6 dargestellt) blockiert die erste Fotodiode 30 die optische Durchgangsöffnung 8, so dass der obere Bereich 11a und der untere Bereich 11b des Kerns 10 voneinander getrennt sind. In der Praxis bilden der vorstehend genannte erste und zweite vertikale Wellenleiter 22, 24 jeweils ein erstes optisches Blindloch und ein zweites optisches Blindloch, die voneinander getrennt sind.
Unter der Annahme, dass sich das optische Signal wiederum ausgehend von der oberen Oberfläche sowie in Richtung auf die untere Oberfläche fortpflanzt, wird im Gebrauch ein Teil des optischen Signals von der ersten Fotodiode 30 absorbiert, die ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, während ein Teil die erste Fotodiode 30 ohne Wechselwirkung mit dieser durchläuft. In diesem Zusammenhang ist der Anteil des optischen Signals, der von der ersten Fotodiode 30 absorbiert wird, proportional zu 1^–e–αw, wobei α der Absorptionskoeffizient ist, der von der Betriebswellenlänge λ sowie von dem Halbleitermaterial abhängig ist, aus dem die erste Fotodiode 30 gebildet ist.
Wie in 7 dargestellt, ist es ferner möglich, dass die erste Fotodiode 30 hohl ist, d. h., dass diese einen durchgehenden Hohlraum 60 bildet, der z. B. eine zylindrische Formgebung mit einem Radius r_c < r₁ aufweist und z. B. in Ausrichtung mit dem oberen Bereich 11a und dem unteren Bereich 11b des Kerns 10 angeordnet ist.
Der durchgehende Hohlraum 60 kann mit dem gleichen Material gefüllt sein, aus dem auch der Kern 10 besteht. Der Anteil des optischen Signals, der durch den durchgehenden Hohlraum 60 hindurchgeht, erfährt im Wesentlichen Null Dämpfung. Obwohl es nicht dargestellt ist, ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, dass der untere Bereich 11b des Kerns 10 aus dem gleichen Halbleitermaterial wie das Substrat 40 des Halbleiterkörpers 2 hergestellt ist, mit einer sich daraus ergebenden Vereinfachung des Herstellungsvorgangs, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
Wie in 8 veranschaulicht, ist es ebenso möglich, dass ein erster zwischengeordneter Bereich bzw. Zwischenbereich 62 zwischen dem ersten vertikalen Wellenleiter 22 und der ersten Fotodiode 30 vorhanden ist, der sich auf der Zwischenfläche S₃ erstreckt.
Ferner kann zwischen der ersten Fotodiode 30 und dem zweiten vertikalen Wellenleiter 24 ein zweiter Zwischenbereich 64 gebildet sein, der die Funktion hat, eine mögliche Beschädigung der kristallinen Struktur der ersten Fotodiode 30 während der Herstellungsschritte zu verhindern.
Der obere Bereich 11a und der untere Bereich 11b des Kerns 10, der erste und der zweite Zwischenbereich 62, 64 sowie die erste Fotodiode 30 bilden einen optischen Pfad OP, bei dem es sich teilweise um einen geführten Typ handelt und der sich zwischen der oberen Oberfläche S₁ und der unteren Oberfläche S₂ der ersten optoelektronischen Vorrichtung 1 erstreckt und durch den Halbleiterkörper 2 hindurchgeht. Der optische Pfad OP schafft eine optische Kopplung der ersten Fotodiode 30 mit einem ersten Bereich eines freien Raums und einem zweiten Bereich eines freien Raums, die oben auf der oberen Oberfläche S₁ bzw. unterhalb der Bodenfläche S₂ angeordnet sind, d. h. er ermöglicht der ersten Fotodiode 30 den Empfang von möglichen Lichtsignalen, die von diesem ersten und zweiten Bereich des freien Raums kommen. Zu diesem Zweck koppelt der optische Pfad OP die erste Fotodiode 30 sowohl mit dem ersten Bereich des freien Raums als auch mit dem zweiten Bereich des freien Raums, und bringt jeweils eine erste Dämpfung und eine zweite Dämpfung ein (bei der Betriebswellenlänge λ), die im Fall des aus Silizium hergestellten Kerns 10 sowie für Wellenlängen im Infrarotbereich bis zu einer ersten Annäherung vernachlässigbar sind, d. h. geringer als 0,1 dB sind. Ferner ist bei der in 8 dargestellten Ausführungsform der optische Pfad OP entlang der Achse z gerichtet; d. h. die jeweiligen geführten Bereiche (im vorliegenden Fall der erste vertikale Wellenleiter 22 und der zweite vertikalen Wellenleiter 24) besitzen Achsen parallel zu der Achse z.
Wie in 9 dargestellt, sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen die erste Fotodiode 30 einen ersten Flächenbereich 31a und einen zweiten Flächenbereich 31b aufweist, die entgegengesetzte Dotierungsarten aufweisen und in direktem Kontakt nebeneinander angeordnet sind. Insbesondere erstrecken sich sowohl der erste Flächenbereich 31a als auch der zweite Flächenbereich 31b ausgehend von der Zwischenfläche S₃. Noch spezieller sind der erste und der zweite Flächenbereich 31a, 31b spiegelbildlich zueinander in Bezug auf eine Achse H angeordnet, die parallel zu der Achse z ist und durch die (miteinander ausgerichteten) Längsachsen des oberen Bereichs 11a und des unteren Bereichs 11b des Kerns 10 definiert ist. Ferner ist eine erste Antireflexionsschicht 66 zwischen dem oberen Bereich 11a des Kerns 10 und der ersten Fotodiode 30 angeordnet. Im Spezielleren ist die erste Antireflexionsschicht 66 sowohl dem ersten Flächenbereich 31a als auch dem zweiten Flächenbereich 31b überlagert. Weiterhin ist zwischen der ersten Fotodiode 30 und dem zweiten Bereich 11b des Kerns 10 eine zweite Antireflexionsschicht 68 angeordnet, über der sowohl der erste Flächenbereich 31a als auch der zweite Flächenbereich 31b angeordnet sind. Die erste und die zweite Antireflexionsschicht 66, 68 sind von der ersten bzw. der zweiten Überzugsschicht 12, 14 umgeben. In diesem Zusammenhang weist die erste Überzugsschicht 12 eine entlang der Achse x gemessene Abmessung auf, die größer ist als die entsprechende Abmessung der zweiten Überzugsschicht 14, und in der ersten Überzugsschicht 12 sind Metallisierungen 70 untergebracht, die zum Ermöglichen einer Vorspannung des ersten und des zweiten Flächenbereichs 31a, 31b ausgebildet sind. Außerdem erstreckt sich die zweite Überzugsschicht 14 derart, dass sie auch den ersten und den zweiten Flächenbereich 31a, 31b der ersten Fotodiode 30 umgibt, um diese elektrisch zu isolieren. In an sich bekannter Weise besitzen die erste und die zweite Antireflexionsschicht 66, 68 jeweils eine Dicke, bei der es sich um ein Vielfaches von λ/4 handelt, um mögliche Schwankungen bei dem Brechungsindex der ersten Fotodiode 30 in Bezug auf den Kern 10, beispielsweise aufgrund der Dotierung des ersten und des zweiten Flächenbereichs 31a, 31b zu kompensieren. Zum Reduzieren dieser Schwankungen beim Brechungsindex ist es beispielsweise möglich, wie vorstehend erwähnt, dass der untere Bereich 11b des Kerns 10 aus Halbleitermaterial hergestellt ist, wie z. B. aus monokristallinem Silizium. In diesem Fall kann die zweite Antireflexionsschicht 68 z. B. durch die vergrabene Oxidschicht einer Struktur gebildet sein, die als ”Silizium auf Isolator” (SOI) bekannt ist. Der obere Bereich 11a des Kerns 10 kann ferner aus Halbleitermaterial hergestellt sein, wie z. B. aus amorphem Silizium.
Wie in 10 dargestellt, besitzt bei weiteren Ausführungsformen die erste optoelektronische Vorrichtung 1 einen ersten Querkanal 72 und einen zweiten Querkanal 74, die z. B. die Formgebung eines Quaders mit einer quadratischen oder rechteckigen Basis aufweisen, wobei diese Quader gleiche Basisbereiche aufweisen, die miteinander ausgerichtet sind und z. B. parallel zu der Achse x angeordnet sind. Der erste und der zweite Querkanal 72, 74 sind aus einem derartigen Material hergestellt, dass sie jeweils zusammen mit einer oberen Region 4 und einem Halbleiterkörper 2, mit denen sie in direktem Kontakt stehen, einen ersten quer verlaufenden Wellenleiter 83 und einen zweiten quer verlaufenden Wellenleiter 85 bilden.
Beispielsweise können der erste und der zweite Querkanal 72, 74 aus dem gleichen Material wie der Kern 10 gebildet sein, um die optische Kopplung zwischen dem Kern 10 selbst und dem ersten und dem zweiten quer verlaufenden Wellenleiter 83, 85 zu optimieren.
Im Detail erstrecken sich der erste und der zweite Querkanal 72, 74 oben auf dem Halbleiterkörper 2, mit dem sie in direktem Kontakt stehen, sowie unterhalb der oberen Region 4, mit der sie in direktem Kontakt stehen, obwohl in jedem Fall auch Ausführungsformen möglich sind, bei denen sich der erste und der zweite Querkanal 72, 74 vollständig innerhalb des Halbleiterkörpers 2 erstrecken. Ferner stehen der erste und der zweite Querkanal 72, 74 in direktem Kontakt mit dem Kern 10, zu dessen Seitenfläche S_c sie tangential sind. Als Ergebnis hiervon ist beiden von dem ersten und dem zweiten Querkanal 72, 74 die erste Überzugsschicht 12 überlagert, und ferner sind sie teilweise der zweiten Überzugsschicht 14 überlagert. Auf diese Weise kann ein Teil des optischen Signals sowohl eine Kopplung mit dem ersten quer verlaufenden Wellenleiter 83 als auch mit dem zweiten quer verlaufenden Wellenleiter 85 herstellen, nachdem zuvor eine Fortpflanzung des Signals entlang des ersten vertikalen Wellenleiters 22 oder des zweiten vertikalen Wellenleiters 24 stattgefunden hat. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die erste Fotodiode 30 (in 10 nicht dargestellt) somit derart angeordnet sein, dass sie das optische Signal von dem Kern 10 und/oder von dem ersten und dem zweiten Querkanal 72, 74 empfängt.
In weiter detaillierter Weise kann demonstriert werden, dass bei Bezeichnung der Dicke des ersten und des zweiten Querkanals 72, 74 entlang der Achse z mit d der Anteil des optischen Signals, der seine eigene Fortpflanzungsrichtung ändert und eine Kopplung mit dem ersten und dem zweiten Querkanal 72, 74 eingeht, mit zunehmender Dicke d ansteigt und ungefähr gleich 50% beträgt, wenn d ≈ T/2 beträgt. Weiterhin ist es bei dieser Ausführungsform bevorzugt, dass der erste und der zweite vertikale Wellenleiter 22, 24, bei denen es sich im Allgemeinen entweder um den sogenannten multimodalen Typ oder um den sogenannten monomodalen Typ handeln kann, vom multimodalen Typ sind, so dass die Fortpflanzungsperiode T mit der körperlich erreichbaren Dicke d vergleichbar ist, wobei Letztere in der Größenordnung von einigen wenigen Mikrometern liegt.
Wie in 11 dargestellt, sind ferner Ausführungsformen möglich, bei denen mehr als zwei Querkanäle vorhanden sind (wobei diese insgesamt mit 80 bezeichnet sind), die lediglich als Beispiel radial um die Achse H herum angeordnet sind und in gleichen Winkelabständen voneinander beabstandet sind.
Wie in 12 dargestellt, sind gemäß einer möglichen Ausführungsform der erste und der zweite Querkanal 72, 74 sowie der untere Bereich 11b des Kerns 10 unter Verwendung einer SOI-Struktur gebildet, bei der die vergrabene Oxidschicht (mit 84 bezeichnet) derart ausgebildet ist, dass diese von der Oberseite des unteren Bereichs 11b entfernt ist. In diesem Fall bilden der erste und der zweite Querkanal 72, 74 einen Gesamtkanal 82. Ferner ist die vergrabene Oxidschicht 84 über der zweiten Überzugsschicht 14 angeordnet, mit der sie in direktem Kontakt steht. Bei dieser Ausführungsform sind der Gesamtkanal 82 und der untere Bereich 11b des Kerns 10 aus ein und demselben Material hergestellt, wie z. B. aus monokristallinem Silizium. Der Gesamtkanal 82 ist in seitlicher Richtung in nicht dargestellter Weise begrenzt, und zwar durch Vertiefungen oder Gräben, die mit dielektrischem Material gefüllt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform (in 13 dargestellt), sind der erste und der zweite Querkanal 72, 74 zumindest teilweise konisch ausgebildet, und zwar in Richtung von der Achse H weg, um die elektromagnetische Kopplung zwischen dem optischen Signal, das sich entlang des Kerns 10 fortpflanzt, sowie dem ersten und dem zweiten Querkanal 72, 74 zu optimieren. Die erste Fotodiode 30 kann somit an den Enden des ersten und des zweiten Querkanals 72, 74 angeordnet sein. Ferner kann anstelle der oberen Region 4 eine Beschichtungsregion 75 vorhanden sein, die die obere Oberfläche S₁ der ersten optoelektronischen Vorrichtung 1 bildet und die eine Art Beschichtung des oberen Bereichs 11a des Kerns 10 sowie des ersten und des zweiten Querkanals 72 und 74 bildet.
Im Detail ist die erste Überzugsschicht 12 nicht vorhanden. Somit befindet sich der obere Bereich 11a des Kerns 10 in direktem Kontakt mit der Beschichtungsregion 75, die zusätzlich dazu, dass sie den oberen Bereich 11a des Kerns 10 umgibt, sowohl über dem ersten Querkanal 72 als auch über dem zweiten Querkanal 74 angeordnet ist, mit denen sie in direktem Kontakt steht. Lediglich als Beispiel kann der untere Bereich 11b des Kerns 10 in Abhängigkeit von dem zum Bilden des unteren Bereichs 11b des Kerns 10 verwendeten Herstellungsvorgang geringfügig konisch nach unten verjüngt ausgebildet sein.
Genauer gesagt ist die Beschichtungsregion 75 aus einem Material gebildet, das einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der Brechungsindex des Materials, aus dem der erste und der zweite Querkanal 72, 74 gebildet sind. Beispielsweise kann die Beschichtungsregion 75 einen Brechungsindex von gleich n₂ aufweisen, und der erste und der zweite Querkanal 72, 74 können einen Brechungsindex von gleich n₁ aufweisen. Z. B. kann die Beschichtungsregion 75 aus einem der vorstehend in Verbindung mit der ersten Überzugsschicht 12 genannten Materialien hergestellt sein.
Die zweite Überzugsschicht 14 erstreckt sich zumindest teilweise oben auf der Zwischenfläche S₃ und begrenzt den zweiten Querkanal 74, mit dem sie in direktem Kontakt steht, an der Unterseite. Die zweite Überzugsschicht 14 erstreckt sich ferner unterhalb des ersten Querkanals 72, der jedoch an der Unterseite durch eine dritte Überzugsschicht 88 begrenzt ist, die zwischen der zweiten Überzugsschicht 14 und dem ersten Querkanal 72 angeordnet ist und in direktem Kontakt mit diesen steht. Die dritte Überzugsschicht 88 ist aus einem Material mit einem Brechungsindex hergestellt, der niedriger ist als der Brechungsindex des Materials, aus dem der erste und der zweite Querkanal 72, 74 und der Kern 10 gebildet sind. Im Spezielleren kann die dritte Überzugsschicht 88 aus einem Material hergestellt sein, das aus den vorstehend in Verbindung mit der ersten Überzugsschicht 12 genannten Materialien ausgewählt ist. Lediglich als Beispiel sei erwähnt, dass die Beschichtungsregion 75 und die erste und die dritte Überzugsschicht 14, 18 aus ein und demselben Material hergestellt sein können. Bei einer Variante kann die dritte Überzugsschicht 88 fehlen.
Nochmals detaillierter weist die erste optoelektronische Vorrichtung 1 einen ersten optischen Strahlteiler 90 auf, d. h. eine Vorrichtung, die zum Empfangen eines optischen Strahls und zum Übertragen eines ersten Teils von diesem und zum Reflektieren eines zweiten Teils von diesem in verschiedenen Richtungen ausgebildet ist. Der erste optische Strahlteiler 90 ist durch ein erstes Element 92 vom Schicht-Typ gebildet. Das erste Element 92 ist in Bezug auf die Achse H geneigt angeordnet, wobei das geometrische Zentrum des ersten Elements 92 entlang der Achse H angeordnet ist. Im Detail ist das erste Element 92 in Bezug auf die Achse H in einem Winkel geneigt, der zwischen 10° und 80° und im Spezielleren zwischen 30° und 60° liegt. Beispielsweise kann dieser Winkel gleich 45° sein.
Das erste Element 92 ist in Kontakt sowohl mit der Beschichtungsregion 75 als auch mit der dritten Überzugsschicht 88 angeordnet. Insbesondere ist das erste Element 92 innerhalb des Kerns 10 derart angeordnet, dass es den Kern 10 selbst vollständig verschließt; d. h. es besitzt derartige Abmessungen und eine derartige Anordnung, dass es den oberen Bereich 11a und den unteren Bereich 11b des Kerns 10 sowie den ersten und den zweiten Querkanal 72, 74 voneinander trennt, die stattdessen in direktem Kontakt mit dem oberen Bereich 11a bzw. dem unteren Bereich 11b des Kerns 10 stehen. Das erste Element 92 ist somit derart angeordnet, dass unabhängig davon, ob sich das optische Signal von oben nach unten, d. h. beginnend von der oberen Oberfläche S₁ sowie in Richtung auf die untere Oberfläche S₂, oder umgekehrt von unten nach oben, entlang der optischen Durchgangsöffnung 8 fortpflanzt, das eigentliche optische Signal auf das erste Element 92 auftrifft.
Das erste Element 92 ist z. B. aus demselben Material wie die dritte Überzugsschicht 88 hergestellt, so dass es aus einem anderen Material hergestellt ist als der Kern 10, und insbesondere ist es aus einem Material mit einem Brechungsindex hergestellt, der niedriger ist als der Brechungsindex des Materials, aus dem der Kern 10 sowie der erste und der zweite Querkanal 72, 74 gebildet sind. Beispielsweise kann das erste Element 92 aus Siliziumoxid hergestellt sein. In diesem Fall können der Kern 10 und der erste und der zweite Querkanal 72, 74 z. B. aus amorphem Silizium hergestellt sein, wobei die zweite und die dritte Überzugsschicht 14, 88 aus Siliziumoxid gebildet sind. Gemäß dieser Ausführungsform ist der kritische Winkel ungefähr gleich 23°.
Im Gebrauch pflanzt sich beim Auftreffen des optischen Signals auf das erste Element 92 mit einem größeren Einfallswinkel als dem kritischen Winkel ein erster Teil des optischen Signals weiterhin entlang der optischen Durchgangsöffnung 8 fort und durchläuft somit das erste Element 92, während ein zweiter Teil des optischen Signals von dem ersten Element 92 reflektiert wird und alternativ mit dem ersten Querkanal 72 oder dem zweiten Querkanal 74 gekoppelt wird. Lediglich als Beispiel sei erwähnt, dass bei der in 13 veranschaulichten Ausführungsform in dem Fall, in dem sich das optische Signal von oben nach unten in der optischen Durchgangsöffnung 8 fortpflanzt, der vorstehend genannte zweite Teil durch das erste Element 92 in den ersten Querkanal 72 reflektiert wird, während dann, wenn sich das optische Signal von unten nach oben fortpflanzt, der vorstehend genannte zweite Teil in den zweiten Querkanal 74 reflektiert wird.
Es ist darauf hinzuweisen, dass trotz der Tatsache, dass das optische Signal mit einem größeren Einfallswinkel als dem kritischen Winkel auf das erste Element 92 auftrifft, das erste Element 92 in jedem Fall die Passage des vorstehend genannten ersten Teils des optischen Signals zulässt, und zwar aufgrund des sogenannten Phänomens der optischen Tunnelung, wobei dieses Phänomen darin besteht, das evaneszente Feld stromabwärts von dem ersten Element 92 mit der bzw. den geführten Moden des stromabwärts von dem ersten Element 92 angeordneten Wellenleiters zu koppeln. Das Phänomen der optischen Tunnelung und somit der Betrag des vorstehend genannten ersten Teils des optischen Signals nimmt mit abnehmender Dicke des ersten Elements 92 zu und ist für Dicken des ersten Elements in der Größenordnung von λ/10 beachtlich. Beispielsweise kann im Fall von λ = 1,5 μm die Dicke des ersten Elements in dem Intervall [0,05–0,15] μm liegen. Dagegen nimmt der Betrag des vorstehend genannten zweiten Teils des optischen Signals, der von dem ersten Element 92 reflektiert wird, bei gleichem Einfallswinkel mit abnehmender Dicke des ersten Elements 92 ab. Vorteilhafterweise lässt sich das erste Element 92 durch einen Abscheidungsvorgang erzielen, und dieses kann somit eine sehr begrenzte und gut gesteuerte Dicke (sogar weniger als 50 nm) aufweisen.
Zur Optimierung der Arbeitsweise der in 13 dargestellten Ausführungsform ist es möglich, den Kern 10 derart zu dimensionieren, dass es sich bei dem ersten und dem zweiten vertikalen Wellenleiter 22, 24 um einen monomodalen Typ handelt; ansonsten können sie auch vom multimodalen Typ sein.
Ausführungsformen der in 14 dargestellten Art sind in jedem Fall dann möglich, wenn der erste optische Strahlteiler 90 ein zweites Element 94 und ein drittes Element 96 aufweist, die ebenfalls vom geschichteten Typ bzw. Schicht-Typ sind und z. B. aus demselben Material wie das erste Element 92 gebildet sind. Ferner können das erste, zweite und dritte Element 92–96 die gleiche Dicke aufweisen. Bei dieser Ausführungsform sind das erste und das zweite Element 92, 94 in Bezug auf die Achse H spiegelbildlich zueinander angeordnet, und beide stehen mit dem dritten Element 96 in Kontakt, das seitlich zwischen ihnen angeordnet ist. Mit anderen Worten, das erste und das zweite Element 92, 94 sind derart angeordnet, dass sie mit der Achse z gleiche Winkel, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen bilden (z. B. +45° und –45°). Ferner sind das erste und das zweite Element 92, 94 seitlich in einem Abstand von der ersten Achse H angeordnet, während das geometrische Zentrum des dritten Elements 96 entlang der Achse H angeordnet ist, wobei das betreffende dritte Element 96 rechtwinklig zu der Achse H angeordnet ist.
Im Spezielleren sind das erste, zweite und dritte Element 92–96 in einem seitlichen Abstand von der ersten und der zweiten Überzugsschicht 12, 14 und von dem Halbleiterkörper 2 angeordnet, so dass der erste optische Strahlteiler 90 den Kern 10 nicht vollständig verschließt, d. h. in der Draufsicht schneidet die von dem ersten optischen Strahlteiler 90 gebildete geometrische Form nicht die von dem Kern 10 gebildete geometrische Form (Kreis), noch ist sie tangential zu Letzterem. Der auf diese Weise gebildete optische Strahlteiler 90 macht somit die geometrischen Abmessungen des Kerns 10 sowie des ersten und des zweiten Querkanals 72, 74 voneinander unabhängig.
Betriebsmäßig ist es bei der in 14 dargestellten Ausführungsform nur dann möglich, das optische Signal in den ersten und zweiten Querkanal 72, 74 abzulenken, wenn sich das eigentliche optische Signal von unten nach oben fortpflanzt.
Es sind in jedem Fall Ausführungsformen möglich, bei denen das dritte Element 96 nicht vorhanden ist, um den Anteil des optischen Signals zu erhöhen, der von dem ersten optischen Strahlteiler 90 übertragen wird. Ferner sind Ausführungsformen des in 15 veranschaulichten Typs möglich, bei denen der erste optische Strahlteiler 90 ein viertes Element 98, ein fünftes Element 100 und ein sechstes Element 102 aufweist, bei denen es sich um einen Schicht-Typ handelt und die derart angeordnet sind, dass sich eine Achse O parallel zu der Achse x und rechtwinklig zu der Achse H definieren lässt, so dass das vierte, fünfte und sechste Element 98, 100, 102 in Bezug auf die Achse O zu dem ersten, zweiten und dritten Element 92–96 spiegelbildlich sind. Somit sind das vierte Element 98 und das fünfte Element 100 in Bezug auf die Achse H spiegelbildlich zueinander angeordnet. Ferner ist das vierte Element 98 nicht nur mit dem sechsten Element 102 in Kontakt, sondern auch mit dem ersten Element 92, mit dem es einen Winkel von beispielsweise 90° bildet. Das fünfte Element 100 ist nicht nur mit dem sechsten Element 102 in Kontakt angeordnet, sondern auch mit dem zweiten Element 94, mit dem es einen Winkel von beispielsweise 90° bildet. Das sechste Element 102 ist somit in seitlicher Richtung zwischen dem vierten und dem fünften Element 98, 100 angeordnet und besitzt ein jeweiliges geometrisches Zentrum, das entlang der Achse H angeordnet ist. Auch das vierte, fünfte und sechste Element 98–102 sind in einem seitlichen Abstand von der ersten und der zweiten Überzugsschicht 12, 14 und von dem Halbleiterkörper 2 angeordnet, so dass der erste optische Strahlteiler 90 den Kern 10 nicht vollständig verschließt.
Betriebsmäßig ermöglicht die in 15 dargestellte Ausführungsform eine Umlenkung des optischen Signals in den ersten und den zweiten Querkanal 72, 74, sowohl wenn es sich von unten nach oben fortpflanzt, als auch wenn es sich von oben nach unten fortpflanzt.
Darüber hinaus sind Ausführungsformen (nicht gezeigt) ähnlich der in 15 veranschaulichten Ausführungsformen möglich, bei denen jedoch das dritte und das sechste Element 96, 102 des ersten optischen Strahlteilers 90 nicht vorhanden sind, sowie auch Ausführungsformen, bei denen gemäß der Darstellung in 16 der erste optische Strahlteiler 90 durch einen ersten Reflexionsbereich 104 und durch einen zweiten Reflexionsbereich 106 gebildet ist. Im Spezielleren ist jeder von dem ersten und dem zweiten Reflexionsbereich 104, 106 aus einem Wirtsmaterial, wie z. B. einer Polymermatrix gebildet, in der reflektierende Partikel verteilt sind, wie z. B. Metallpartikel, die die Funktion haben, das optische Signal in den verschiedenen Richtungen zu streuen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass bei den in den 14 bis 16 veranschaulichten Ausführungsformen der erste und der zweite Querkanal 72, 74 lediglich als Beispiel innerhalb der oberen Region 4 ausgebildet sind, anstatt dass sie von der Beschichtungsregion 75 umgeben sind.
Wie in 17 veranschaulicht, sind Ausführungsformen möglich, bei denen der erste und der zweite Querkanal 72, 74 orthogonal zueinander angeordnet sind, wobei in diesem Fall der erste optische Strahlteiler 90 das erste und das zweite Element 92, 94 beinhaltet. Insbesondere wird in 17 zur Vereinfachung der Darstellung davon ausgegangen, dass das erste und das zweite Element eine vernachlässigbare Dicke aufweisen und dass der Kern 10 einen quadratischen Querschnitt hat. Aufgrund dieser Annahme ist zu erkennen, in welcher Weise das erste und das zweite Element 92, 94 die Form von zwei rechtwinkligen Dreiecken haben, die in zwei zueinander orthogonalen Ebenen liegen und deren Hypotenusen miteinander in Berührung sind. Ferner liegt das erste Element 92 in einer Ebene, deren Senkrechte an dem Schnittpunkt mit der Achse des ersten Querkanals 72 mit Letzterem einen Winkel von 45° bildet. Gleichermaßen liegt das zweite Element 94 in einer Ebene, deren Senkrechte an dem Schnittpunkt mit der Achse des zweiten Querkanals 74 mit Letzterem einen Winkel von 45° bildet.
Wie in 18 veranschaulicht, sind ferner Ausführungsformen möglich, bei denen der erste und der zweite Querkanal 72, 74 nicht vorhanden sind. In diesem Fall sind die erste Fotodiode 30 und somit die erste und die zweite Wanne 32, 34 in Kontakt mit dem Kern 10. Ferner ist der erste optische Strahlteiler 90 derart angeordnet, dass er einen Teil des optischen Signals in der Richtung der ersten Fotodiode 30 reflektiert. Lediglich als Beispiel verwendet die in 18 gezeigte Ausführungsform einen ersten optischen Strahlteiler 90, bei dem es sich um denselben handelt, wie den in 14 gezeigten ersten optischen Strahlteiler; es ist jedoch möglich, einen beliebigen der optischen Strahlteiler verwenden, die vorab dargestellt oder beschrieben worden sind.
Zum Steigern der Kopplung zwischen der ersten Fotodiode 30 und den Querkanälen ist es ferner möglich, die in den 19a–19c und 20 veranschaulichten Ausführungsformen aufzugreifen.
Im Detail und lediglich als Beispiel unter Bezugnahme nur auf den ersten Querkanal 72 definiert dieser einen Kontaktbereich 110, der eine durch den Halbleiterkörper 2 gebildete Vertiefung 112 einnimmt. Ferner befindet sich der Kontaktbereich 110 in direktem Kontakt mit der ersten Fotodiode 30, und befindet sich insbesondere in Kontakt mit dem durch die erste und die zweite Wanne 32, 34 definierten Übergang G. Mit anderen Worten, der Kontaktbereich 110 steht in Kontakt mit der ersten und der zweiten Wanne 32, 34 sowie somit mit dem Verarmungsbereich 50.
In detaillierterer Weise ist die Vertiefung 112 seitlich durch eine erste geneigte Wand S_i1 und eine zweite geneigte Wand S_i2 begrenzt, auf die der Übergang G hinausgeht.
Die erste und die zweite geneigte Wand S_i1, S_i2 sind planar ausgebildet und quer zu der Zwischenfläche S₃ angeordnet, die eine Art Hauptfläche bildet, die den Halbleiterkörper 2 an der Oberseite begrenzt. Ferner sind die erste und die zweite geneigte Wand S_i1, S_i2 in Bezug auf eine zu der Ebene yz parallele Ebene spiegelbildlich zueinander angeordnet. Somit bilden die erste und die zweite geneigte Wand S_i1, S_i2 einen Winkel φ, der zwischen 10° und 170° beträgt und insbesondere zwischen 70° und 110° beträgt; beispielsweise ist der Winkel φ gleich 90°.
Insbesondere sind bei einer Ausführungsform (19a) die erste und die zweite geneigte Wand S_i1, S_i2 beide dem Verarmungsbereich 50 überlagert angeordnet sowie miteinander in Kontakt, um eine Scheitelform zu bilden; insbesondere besitzen die erste und die zweite geneigte Wand S_i1, S_i2 beide die Form eines Rechtecks, wobei diese beiden Rechtecke zwei Basen (oder Höhen) aufweisen, die miteinander übereinstimmen und eine Kontaktlinie L (in 20 dargestellt) bilden, die innerhalb der ersten Wanne 32 angeordnet ist. Ferner sind sowohl die erste als auch die zweite geneigte Wand S_i1, S_i2 in Kontakt mit der ersten und der zweiten Wanne 32, 34; insbesondere befindet sich jede von der ersten und der zweiten geneigten Wand S_i1, S_i2 in Kontakt mit der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Wanne 32, 34 (in 19a mit I bezeichnet), wobei Letztere somit durch diese erste und zweite geneigte Wand S_i1, S_i2 zum Teil seitlich begrenzt sind.
Wie ferner wiederum in 19a gezeigt ist, besitzt der Kontaktbereich 110 eine konstante Dicke entlang der Achsen x und y. Zusätzlich zu der Begrenzung am Boden durch die erste und die zweite geneigte Wand S_i1, S_i2 ist der Kontaktbereich 110 somit an der Oberseite durch eine dritte geneigte Wand S_i3 und eine vierte geneigte Wand S_i4 begrenzt, die parallel zu der ersten bzw. zweiten geneigten Wand S_i1, S_i2 sind. Ferner sind die dritte und die vierte geneigte Wand S_i3, S_i4 in ein und demselben Abstand (gleich der Dicke des ersten Querkanals 72) von der ersten bzw. der zweiten geneigten Wand S_i1, S_i2 angeordnet. Der erste Kanal 72 ist ferner an seinem einen Ende 120 durch eine fünfte geneigte Wand S_i5 begrenzt, die ebenfalls planar ausgebildet ist. Im Spezielleren ist die fünfte geneigte Wand S_i5 in Bezug auf die erste und die zweite geneigte Wand S_i1, S_i2 seitlich versetzt angeordnet sowie auch dem Verarmungsbereich 50 überlagert; außerdem ist die fünfte geneigte Wand S_i5 der Zwischenfläche S₃ überlagert, wobei sie in Bezug auf diese in einem Winkel von beispielsweise gleich 45° geneigt ist.
Im Gebrauch pflanzt sich das optische Signal entlang des ersten Querkanals 72 fort, bis es den Kontaktbereich 110 erreicht, wo es aufgrund von Reflexionen an der ersten und der dritten geneigten Wand S_i1, S_i3 zum Teil in den Verarmungsbereich 50 geleitet wird und dadurch ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt wird. Ein Teil des optischen Signals durchläuft jedoch den Kontaktbereich 110, bis es das Ende 120 erreicht, wo es durch die fünfte geneigte Wand S_i5 wiederum in Richtung des Verarmungsbereichs 50 reflektiert wird. Auf diese Weise wird die Effizienz der Kopplung zwischen der ersten Fotodiode 30, die selbst vom planaren Typ ist, und dem ersten Querkanal 72 gesteigert. Ferner kommt es in den Regionen des Verarmungsbereichs 50, die in Kontakt mit der ersten und der zweiten geneigten Wand S_i1, S_i2 angeordnet sind, zu einem Anstieg bei der Intensität des elektrischen Feldes, und zwar genau aufgrund der Neigung der ersten und der zweiten geneigten Wand S_i1, S_i2 in Bezug auf die Grenzfläche I, deren mit der ersten und der zweiten geneigten Wand S_i1, S_i2 in Kontakt stehenden Bereiche im Wesentlichen parallel zu der Zwischenfläche S₃ sind. Zu einem allgemeinen Zeitpunkt, an dem das optische Signal in den Verarmungsbereich 50 eindringt, gibt es somit eine Reduzierung der Verzögerung des entsprechenden Moments, an dem die erste Fotodiode 30 das entsprechende elektrische Signal erzeugt; genauer gesagt steigt die sogenannte Schnelligkeit des Ansprechens bzw. Ansprechgeschwindigkeit der ersten Fotodiode 30 an.
Bei einer Variante (nicht gezeigt) kann auf der Oberseite der Zwischenfläche S₃ und in einem der ersten und der zweiten Wanne 32 und 34 entsprechenden Bereich eine Überzugsschicht vorhanden sein, die z. B. aus dem gleichen Material wie die zweite Überzugsschicht 14 gebildet ist und auf der ein Bereich des ersten Querkanals 72 vorhanden ist.
Bei einer weiteren Variante (nicht gezeigt) kann eine Antireflexionsschicht oben auf der ersten und der zweiten geneigten Wand S_i1, S_i2 angeordnet sein, d. h. zwischen der zweiten Wanne 34 und dem Kontaktbereich 110, um die Kupplung des optischen Signals mit der ersten Fotodiode 30 zu verbessern.
Wie in 19b dargestellt ist, ist es ferner für nur eine von der ersten und der zweiten geneigten Wand S_i1, S_i2 möglich, mit dem Verarmungsbereich 50 in Kontakt zu stehen. Wie ferner in 19c dargestellt ist, können die erste und die zweite geneigte Wand S_i1, S_i2 seitlich in einem Abstand voneinander angeordnet sein, wobei in diesem Fall der Kontaktbereich 110 am Boden nicht nur durch die erste und die zweite geneigte Wand S_i1, S_i2, sondern auch durch eine in einer unteren Ebene liegende Wand S_Pi begrenzt ist, die zwischen der ersten und der zweiten geneigten Wand S_i1, S_i2 angeordnet ist, mit denen sie in direktem Kontakt steht, und die parallel zu der Achse x verläuft. Das Ende 120 kann wiederum fehlen, wobei sich in diesem Fall der erste Querkanal 72 in seitlicher Richtung bis zum Erreichen einer Seitenwand P₁ der ersten optoelektronischen Vorrichtung 1 erstreckt.
In einer Variante (nicht gezeigt) kann oben auf der ersten und der zweiten geneigten Wand S_i1, S_i2 eine Schicht vorhanden sein, die z. B. aus Siliziumoxid besteht und die Funktion hat, den Anteil des optischen Signals zu modifizieren, der effektiv zu der ersten Fotodiode 30 übermittelt wird.
Ferner sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen die Vertiefung 112 eine derartige Formgebung hat, dass sie, wenn sie von zwei verschiedenen Ebenen parallel zu der Ebene xz geschnitten wird, eine Formgebung des in 19a gezeigten Typs (ohne die in der unteren Ebene liegende Wand S_pi) und eine Formgebung des in 19c gezeigten Typs (mit der in der unteren Ebene liegenden Wand S_pi) aufweist, um dadurch die Kontaktfläche des ersten Querkanals 72 mit dem Verarmungsbereich 50 zu maximieren.
Wie in 21 gezeigt, in der aus Gründen der vereinfachten Darstellung der erste Querkanal 72 in direktem Kontakt mit dem Halbleiterkörper 2 steht, sind ferner Ausführungsformen möglich, bei denen mehr als eine Fotodiode mit dem ersten Querkanal 72 optisch gekoppelt ist. Im Spezielleren kann die erste optoelektronische Vorrichtung 1 eine zweite Fotodiode 122 aufweisen, die in einem seitlichen Abstand von der ersten Fotodiode 30 angeordnet ist und mit dem ersten Querkanal 72 optisch gekoppelt ist. Wie ferner anhand eines Beispiels wiederum in 21 gezeigt ist, kann die optische Kopplung zwischen dem ersten Querkanal 72 und der ersten Fotodiode 30 unter Verwendung eines zweiten optischen Strahlteilers 124 erzielt werden, der in dem ersten Querkanal 72 gebildet ist und der ersten Fotodiode 30 überlagert ist. Bei der in 21 dargestellten Ausführungsform ist auch die zweite Fotodiode 122 unter Verwendung eines entsprechenden optischen Strahlteilers mit dem ersten Querkanal 72 optisch gekoppelt, wobei es sich hierbei um einen dritten optischen Strahlteiler 126 handelt. Sowohl der zweite optische Strahlteiler 124 als auch der dritte optische Strahlteiler 126 können z. B. gleich dem vorstehend genannten ersten Element 92 sein. Bei der ersten und der zweiten Fotodiode 30 und 122 kann es sich entweder um einen planaren Typ oder um einen vertikalen Typ handeln. Obwohl es in 21 nicht dargestellt ist, ist es ferner auch möglich, dass sich der erste Querkanal 72 in seitlicher Richtung bis zum Erreichen der Seitenwand P_I der ersten optoelektronischen Vorrichtung 1 erstreckt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform (in 22 gezeigt), beinhaltet die erste optoelektronische Vorrichtung 1 einen Emitter 130, wie z. B. einen Festkörperlaser. Ferner sind anstatt der optischen Durchgangsöffnung ein erster vertikaler Bereich 132 und ein zweiter vertikaler Bereich 134 vorhanden, deren Achsen parallel zu der Achse z sind, die jedoch voneinander versetzt sind. Gemäß dieser Ausführungsform ist die obere Oberfläche S₁ der ersten optoelektronischen Vorrichtung 1 durch die Beschichtungsregion 75 gebildet.
Genauer gesagt erstrecken sich der erste und der zweite vertikale Bereich 132, 134 innerhalb der Beschichtungsregion 75 und des Halbleiterkörpers 2 ausgehend von der oberen Oberfläche S₁ bzw. von der Zwischenfläche S₃, wobei der zweite vertikalen Bereich 134 mit der zweiten Überzugsschicht 14 beschichtet ist. Der erste und der zweite vertikale Bereich 132, 134 sind durch einen ersten Bereich 141a des ersten Querkanals (hier mit 140 bezeichnet) verbunden, mit dem der eigentliche Emitter 130 optisch gekoppelt ist.
Im Spezielleren sind der Emitter 130 sowie der erste und der zweite vertikale Bereich 132, 134 in einem seitlichen Abstand voneinander angeordnet, wobei der erste vertikale Bereich 132 zwischen dem zweiten vertikalen Bereich 134 und dem Emitter 130 angeordnet ist. Der Emitter 130 ist mit dem ersten vertikalen Bereich 132 mittels eines zweiten Bereichs 141b des ersten Querkanals 140 optisch gekoppelt, der von dem ersten Bereich 141a durch das erste Element 92 getrennt ist. Auf diese Weise sind beide von dem ersten vertikalen Bereich 132 und dem zweiten vertikalen Bereich 134 durch den ersten Querkanal 140 mit dem Emitter 130 optisch gekoppelt.
In detaillierterer Weise ist der zweite vertikale Bereich 134 mit dem ersten Querkanal 140 optisch gekoppelt, d. h. das optische Signal kann sich nacheinander in dem zweiten vertikalen Bereich 134 und dann in dem ersten Querkanal 140 fortpflanzen, und zwar mithilfe einer ersten Reflexionsfläche S_m, die durch die Beschichtungsregion 75 gebildet ist und an einem ersten Ende des ersten Bereichs 141a des ersten Querkanals 140 derart angeordnet ist, dass sie dem zweiten vertikalen Bereich 134 überlagert ist. Bei der zweiten Reflexionsfläche S_m handelt es sich um einen ebenen Typ, und diese ist z. B. in einem Winkel von 45° in Bezug auf die Achse z, d. h. in Bezug auf die Achse des zweiten vertikalen Bereichs 134, geneigt.
Der erste Querkanal 140 ist aufgrund des ersten Elements 92 wiederum mit dem ersten vertikalen Bereich 132 optisch gekoppelt. Im Spezielleren ist das erste Element 92 in einem Winkel von 45° in Bezug auf die Achse des ersten vertikalen Bereichs 132 geneigt, von dem es überlagert ist; ferner sind die erste Reflexionsfläche S_m und das erste Reflexionselement 92 in einem Winkel von 90° angeordnet. Das erste Element 92 sorgt somit für eine optische Kopplung des ersten vertikalen Bereichs 132 und des Emitters 130, in dem in an sich bekannter Weise auch ein optischer Modulator enthalten sein kann.
Gemäß einer Variante (nicht dargestellt) ist die erste Reflexionsfläche S_m anstatt durch die Beschichtungsregion 75 durch eine Schicht aus Metallmaterial gebildet, wie z. B. eine Aluminiumschicht oder auch durch eine Schicht aus einem polymeren Wirtsmaterial, in dem Metallpartikel verteilt sind.
Gemäß einer Ausführungsform (in 23 gezeigt) ist der erste Querkanal 72 in bidirektionaler Weise mit dem oberen Bereich 11a und dem unteren Bereich 11b des Kerns 10 optisch gekoppelt, und zwar unter Verwendung einer Kopplungsstruktur 142 ähnlich dem in 14 gezeigten optischen Strahlteiler, bei der jedoch anstelle des ersten Elements 92 die erste Reflexionsfläche S_m vorhanden ist, die durch die Beschichtungsregion 75 definiert ist und in Bezug auf die Achse des Kerns 10 spiegelbildlich zu dem zweiten Element 94 angeordnet ist. Der auf diese Weise gebildeten Kopplungsstruktur 142 ist der obere Bereich 11a des Kerns 10 überlagert, und die Kopplungsstruktur 142 ist dem unteren Bereich 11b des Kerns 10 überlagert.
Im Spezielleren ist die erste Reflexionsfläche S_m durch einen Fortsatz 144 der Beschichtungsregion 75 gebildet, der sich seitlich in den Kern 10 hinein erstreckt. Der Fortsatz 144 ist seitlich durch die erste Reflexionsfläche S_m begrenzt. Ferner ist der Fortsatz 144 am Boden durch eine Basisfläche S_b begrenzt, die in einem Winkel von 90° von der Seitenfläche S_c des Kerns 10 abgeht. Sowohl bei der ersten Reflexionsfläche S_m als auch bei der Basisfläche S_b handelt es sich um einen planaren Typ, so dass der Fortsatz 144 die Form eines Prismas mit einer Basis eines rechtwinkligen Dreiecks sowie mit einer Achse parallel zu der Achse y aufweist.
Wie in 24 gezeigt, kann der Fortsatz 144 nicht nur durch die erste Reflexionsfläche S_m sondern auch durch eine zweite Reflexionsfläche S_mb gebildet sein; in diesem Fall sind das zweite und das dritte Element 94, 96 nicht vorhanden.
Im Detail geht die zweite Reflexionsfläche S_mb auch von der Seitenfläche S_c des Kerns 10 ab und bildet mit der ersten Reflexionsfläche S_m einen Winkel von beispielsweise 90°. Im Spezielleren sind die erste und die zweite Reflexionsfläche S_m, S_mb derart angeordnet, dass der Fortsatz 144 die Form eines Prismas mit einer Basis eines gleichschenkeligen Dreiecks aufweist, dessen Höhe hinsichtlich der anderen Seite von der vorstehend genannten ersten und zweiten Reflexionsfläche S_m, S_mb parallel zu der Achse x ist. Im Spezielleren ist diese Höhe im Wesentlichen entlang der Längsachse des ersten Querkanals 72 angeordnet (mit OH bezeichnet).
Es ist darauf hinzuweisen, dass für praktische Zwecke der Fortsatz 144 die Funktion eines optischen Strahlteilers in Bezug auf das optische Signal hat, wenn sich Letzteres ausgehend von der oberen Oberfläche S₁ oder von der Bodenfläche S₂ in Richtung des eigentlichen Fortsatzes 144 fortpflanzt, oder wenn sich das optische Signal ausgehend von der Seitenwand P_I innerhalb des ersten Querkanals 72 fortpflanzt.
Wie in 25 veranschaulicht, kann die erste optoelektronische Vorrichtung 1 mit einer zweiten optoelektronischen Vorrichtung 150 gekoppelt sein, um ein optoelektronisches System 155 zu bilden.
Die erste Vorrichtung 1 weist in diesem Fall einen ersten optischen Empfänger 160 und einen ersten optischen Sender 162 auf, wobei mit ”optischer Empfänger” ein Fotodetektor und eine jeweilige elektrische Steuerschaltung gemeint sind, während mit ”optischer Sender” eine Lichtquelle (z. B. eine Laserquelle) und eine jeweilige elektrische Treiberschaltung gemeint sind, die möglicherweise mit Funktionen eines Modulators ausgestattet ist. Ferner weist die erste optoelektronische Vorrichtung 1 eine erste optische Kopplungs-Durchgangsöffnung 164 und eine zweite optische Kopplungs-Durchgangsöffnung 166 auf, die alternativ jeweils durch eine optische Durchgangsöffnung oder ansonsten durch ein entsprechendes Paar von Blindöffnungen gebildet sind. Der erste optische Empfänger 160 und der erste optische Sender 162 sind mit der ersten bzw. zweiten optischen Kopplungs-Durchgangsöffnung 164, 166 optisch gekoppelt.
Die zweite optoelektronische Vorrichtung 150 weist einen zweiten optischen Empfänger 168 und einen zweiten optischen Sender 170 sowie eine dritte optische Kopplungs-Durchgangsöffnung 172 und eine vierte optische Kopplungs-Durchgangsöffnung 174 auf. Der zweite optische Empfänger 168 und der zweite optische Sender 170 sind mit der dritten bzw. der vierten optischen Kopplungs-Durchgangsöffnung 172, 174 gekoppelt.
Die erste und die zweite optoelektronische Vorrichtung 1, 150 sind übereinander angeordnet, so dass die erste und die dritte optische Kopplungs-Durchgangsöffnung 164, 172 miteinander ausgerichtet und miteinander in Kontakt sind und die zweite und die vierte optische Kopplungs-Durchgangsöffnung 166, 174 miteinander ausgerichtet und miteinander in Kontakt sind. Auf diese Weise werden die von dem ersten optischen Sender 162 erzeugten optischen Signale von dem zweiten optischen Empfänger 168 empfangen, nachdem sich diese zuvor entlang der zweiten und der vierten optischen Kopplungs-Durchgangsöffnung 166, 174 fortgepflanzt haben. Gleichermaßen werden die von dem zweiten optischen Sender 170 erzeugten optischen Signale von dem ersten optischen Empfänger 160 empfangen, nachdem sich diese zuvor entlang der ersten und der dritten optischen Kopplungs-Durchgangsöffnung 164, 172 fortgepflanzt haben. Somit wird eine Kommunikation eines bidirektionalen Typs zwischen der ersten und der zweiten optoelektronischen Vorrichtung 1, 150 geschaffen.
Es sind dagegen auch Ausführungsformen möglich, bei denen der erste optische Empfänger 160 und der erste optische Sender 162 beide mit der ersten optischen Kopplungs-Durchgangsöffnung 164 optisch gekoppelt sind und der zweite optische Empfänger 168 und der zweite optische Sender 170 beide mit der dritten optischen Kopplungs-Durchgangsöffnung 172 optisch gekoppelt sind. In diesem Fall sind die zweite und die vierte optische Kopplungs-Durchgangsöffnung 166, 174 nicht vorhanden. Ferner kann zwischen der ersten und der zweiten optoelektronischen Vorrichtung 1, 150 ein horizontal gerichteter externer Wellenleiter angeordnet sein, wobei in diesem Fall die erste und die dritte optische Kopplungs-Durchgangsöffnung 164, 172 möglicherweise nicht miteinander ausgerichtet sind.
In dem Fall, in dem der erste optische Empfänger 160 und der erste optische Sender 162 beide mit der ersten optischen Kopplungs-Durchgangsöffnung 164 optisch gekoppelt sind, sind diese jeweils mit dem ersten und dem zweiten Querkanal gekoppelt, die derart ausgerichtet sind, dass sie einen Winkel von beispielsweise 90° bilden, so dass die von dem ersten optischen Sender 162 erzeugte elektromagnetische Strahlung mit der ersten Kopplungs-Durchgangsöffnung 164 gekoppelt wird, ohne von dem ersten optischen Empfänger 160 empfangen zu werden.
Bei einer Ausführungsform (nicht gezeigt) können neben der ersten und der zweiten optoelektronischen Vorrichtung 1, 150 eine dritte optoelektronische Vorrichtung und eine vierte optoelektronische Vorrichtung vorhanden sein, die durch jeweilige Querkanäle, die sich in seitlicher Richtung bis zum Erreichen der jeweiligen Seitenwand erstrecken, für eine optische Kopplung in der horizontalen Richtung sorgen.
Im Folgenden werden Verfahren zum Herstellen von einigen der vorab beschriebenen Ausführungsformen lediglich anhand von Beispielen erläutert.
Zum Herstellen der in 2 gezeigten Ausführungsform werden z. B. die in 26a–26h veranschaulichten Vorgänge ausgeführt.
Im Detail (26a) werden der Halbleiterkörper 2, in dessen Inneren die erste Fotodiode 30 vorhanden ist, sowie die obere Region 4 bereitgestellt.
Als nächstes (26b) wird ein erster photolithographischer Prozess ausgeführt unter Anwendung einer ersten Resist-Maske 200 an der oberen Oberfläche S₁, und anschließend erfolgt ein anisotropes Ätzen der oberen Region 4, um einen ersten Graben 202 zu bilden, der sich von der oberen Oberfläche S₁ bis zu der Zwischenfläche S₃ erstreckt und in der Draufsicht ringförmig ausgebildet ist.
Als nächstes (26c) wird die erste Resist-Maske 200 entfernt, und es wird ein erster Prozess einer chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) ausgeführt, um die erste Überzugsschicht 12 innerhalb des ersten Grabens 202 zu bilden.
Anschließend (26d) wird die erste optoelektronische Vorrichtung 1 umgedreht, und es erfolgt ein Vorgang des Zurückschleifens des Halbleiterkörpers 2, um die Dicke von Letzterem in einem Bereich von beispielsweise zwischen 50 μm und 150 μm zu reduzieren.
Als nächstes (26e) wird ein zweiter photolithographischer Prozess unter Anwendung einer zweiten Resist-Maske 204 an der Bodenfläche S₂ ausgeführt, und anschließend erfolgt ein anisotropes Ätzen des Halbleiterkörpers 2, um einen zweiten Graben 206 zu bilden, der in der Draufsicht die gleiche Form wie der erste Graben 202 aufweist und mit dem er vertikal ausgerichtet ist. Der zweite Graben 206 erstreckt sich von der Bodenfläche S₂ bis zum Erreichen einer der Dicke h entsprechenden Distanz von der Zwischenfläche S₃. Im Spezielleren kann der anisotrope Ätzvorgang durch einen sogenannten tiefen reaktiven Ionenätzvorgang (DRIE) erfolgen.
Anschließend (26f) wird die zweite Resist-Maske 204 entfernt, und es wird ein zweiter Prozess einer chemischen Abscheidung aus der Dampfphase ausgeführt, um die zweite Überzugsschicht 14 innerhalb des zweiten Grabens 206 zu bilden. Alternativ hierzu kann auch ein thermischer Oxidationsprozess ausgeführt werden.
Anschließend (26g) wird ein dritter photolithographischer Prozess unter Anwendung einer dritten Resist-Maske 208 an der Bodenfläche S₂ ausgeführt, und danach erfolgt ein anisotropes Ätzen des Halbleiterkörpers 2 sowie der oberen Region 4, um eine erste Öffnung 210 zu bilden, die z. B. eine zylindrische Formgebung aufweist und die sich zwischen der Bodenfläche S₂ und der oberen Oberfläche S₁ erstreckt und direkt von der ersten und der zweiten Überzugsschicht 12, 14 umgeben ist. Die erste Öffnung 210 ist somit eine Durchgangsöffnung, und der anisotrope Ätzvorgang, durch den diese Öffnung gebildet wird, kann z. B. ein DRIE-Prozess sein. Ferner ist es auch möglich, dass dieser anisotrope Ätzvorgang unter Anwendung der dritten Resist-Maske 208 an der oberen Oberfläche S₁ anstatt an der Bodenfläche S₂ ausgeführt wird. Alternativ hierzu kann die erste Öffnung 210 durch einen Laser-Bohrvorgang gebildet werden, bei dem keine Verwendung von Masken erforderlich ist.
Anschließend (26h) wird die dritte Resist-Maske 208 entfernt, und es erfolgt ein dritter Prozess einer chemischen Abscheidung aus der Dampfphase, um den Kern 10 innerhalb der ersten Öffnung 210 zu bilden. Alternativ hierzu kann die erste Öffnung 210 mittels eines Spin-Vorgangs mit einem Polymer gefüllt werden, und anschließend kann ein Aushärten des Polymers erfolgen.
Zum Herstellen einer Ausführungsform des in 13 dargestellten Typs, bei der jedoch der erste und der zweite Querkanal 72, 74 nicht verjüngt ausgebildet sind, können die in den 27a–27l veranschaulichten Vorgänge ausgeführt werden.
Wie in 27a gezeigt, wird der zweite Halbleiterkörper 2 vorgesehen, der in seinem Inneren mit der ersten Fotodiode 30 ausgebildet ist (in 27a–27h nicht dargestellt). Ferner erfolgt ein erster anisotroper Ätzvorgang des Halbleiterkörpers 2, beginnend von der Zwischenfläche S₃, um die erste Öffnung zu bilden, die hier mit 220 bezeichnet ist und die sich in den Halbleiterkörper 2 hinein erstreckt; bei der ersten Öffnung 220 handelt es sich um ein Blindloch. Zu diesem Zweck kann ein DRIE-Vorgang ausgeführt werden.
Anschließend (27b) wird eine erste chemische Abscheidung aus der Dampfphase ausgeführt, um eine erste vorläufige Schicht 14bis zu bilden, die die Zwischenfläche S₃ bedeckt und die die Seitenwände und den Boden der ersten Öffnung 220 bedeckt, ohne diese vollständig auszufüllen; alternativ wird ein thermischer Oxidationsprozess ausgeführt.
Danach (27c) erfolgt eine zweite Abscheidung aus der Dampfphase, um einen ersten Prozessbereich 72bis oben auf der ersten vorläufigen Schicht 14bis zu bilden, der somit über der gesamten Zwischenfläche S₃ angeordnet ist und die erste Öffnung 220 vollständig ausfüllt, wo er von der ersten vorläufigen Schicht 14bis umgeben ist.
Danach (27d) wird ein zweiter anisotroper Ätzvorgang ausgeführt, um einen Teil des ersten Prozessbereichs 72bis selektiv zu entfernen, wobei der verbleibende Teil des zweiten Prozessbereichs 72bis den ersten Querkanal 72 sowie den unteren Bereich 11b des Kerns 10 bildet. Dieser anisotrope Ätzvorgang führt ferner zum Bilden einer ersten Prozessfläche S_P1, die sowohl in Bezug auf die Achse des unteren Bereichs 11 des Kerns 10 als auch in Bezug auf die Achse des ersten Querkanals 72 geneigt ist, d. h. in Bezug auf die Achsen z und x geneigt ist (z. B. in einem Winkel von 45°). Die erste Prozessfläche S_P1 ist planar ausgebildet, besitzt eine rechteckige Formgebung und ist durch denselben ersten Querkanal 72 gebildet; ferner ist die erste Prozessfläche S_P1 oben auf dem unteren Bereich 11b des Kerns 10 angeordnet.
Anschließend (27e) wird eine dritte chemische Abscheidung aus der Dampfphase ausgeführt, um eine zweite vorläufige Schicht 88bis zu bilden, die sich über den ersten Querkanal 72 und über einen Teil der ersten vorläufigen Schicht 14bis erstreckt. Somit erstreckt sich die zweite vorläufige Schicht 88bis auch über die erste Prozessfläche S_P1, mit der sie in direktem Kontakt steht.
Danach (27f) wird eine vierte chemische Abscheidung aus der Dampfphase ausgeführt, um einen zweiten Prozessbereich 73 zu bilden, der oben auf der zweiten vorläufigen Schicht 88bis angeordnet ist und der den zweiten Querkanal 74 bilden soll.
Danach (27g) wird ein erster chemisch-mechanischer Poliervorgang (CMP) ausgeführt, um einen oberen Bereich des zweiten Prozessbereichs 73 zu entfernen, bis der erste Querkanal 72 wieder freiliegt. Derjenige Teil des zweiten Prozessbereichs 73, der nach diesem ersten chemisch-mechanischen Poliervorgang verblieben ist, bildet den zweiten Querkanal 74. Während dieses Poliervorgangs wird ferner ein Teil der zweiten vorläufigen Schicht 88bis entfernt, und der verbliebene Teil der zweiten vorläufigen Schicht 88bis bildet die dritte Überzugsschicht 88 und das vorstehend genannte erste Element 92, d. h. den ersten optischen Strahlteiler.
Anschließend (27h) wird ein fünfter chemischer Abscheidungsvorgang aus der Dampfphase ausgeführt, um die Beschichtungsregion 75 oben auf dem ersten und dem zweiten Querkanal 72, 74 zu bilden.
Danach (27i) wird ein dritter anisotroper Ätzvorgang ausgeführt, um eine zweite Öffnung 230 zu bilden. Bei der zweiten Öffnung 230 handelt es sich um ein Blindloch, und diese ist am Boden durch den zweiten Querkanal 74 begrenzt. Ferner ist die zweite Öffnung 230 mit dem unteren Bereich 11b des Kerns 10 vertikal ausgerichtet sowie dem ersten Element 92 überlagert.
Als nächstes (27l) wird eine sechste chemische Abscheidung aus der Dampfphase ausgeführt, um in der zweiten Öffnung 230 den oberen Bereich 11a des Kerns 10 zu bilden. Schließlich erfolgt ein chemisch-mechanischer Poliervorgang an dem Bodenbereich des Halbleiterkörpers 2 (Schritt nicht dargestellt), bis der untere Bereich 11b des Kerns freiliegt und ein entsprechender Bereich der ersten vorläufigen Schicht 14bis entfernt ist; der verbleibende Bereich der ersten vorläufigen Schicht 14bis bildet somit die zweite Überzugsschicht 14.
Unter Bezugnahme auf die in 22 dargestellte Ausführungsform sowie unter der Annahme, dass der Emitter 130 zur Vereinfachung der Beschreibung weggelassen ist, ist es stattdessen möglich, die in 27a–27d dargestellten Vorgänge auszuführen, wobei die vorstehend genannte erste Prozessfläche S_P1 die Funktion der ersten Reflexionsfläche S_m hat. Es werden dann die in FIG. zu 28a–28h veranschaulichten Vorgänge ausgeführt.
Im Detail (28a) wird eine dritte chemische Abscheidung aus der Dampfphase ausgeführt, um oben auf dem ersten Prozessbereich 72bis den zweiten Prozessbereich 73 zu bilden, der ebenfalls der ersten vorläufigen Schicht 14bis überlagert ist, mit der er teilweise in direktem Kontakt steht.
Als nächstes (28b) wird ein erster chemisch-mechanischer Poliervorgang ausgeführt, um einen oberen Bereich des zweiten Prozessbereichs 73 zu entfernen, bis wiederum ein Teil des ersten Prozessbereichs 72bis freiliegt.
Danach (28c) erfolgt ein dritter anisotroper Ätzvorgang, um selektiv einen Teil des ersten Prozessbereichs 72bis zu entfernen, der seitlich sowie in einem Abstand von der ersten Reflexionsfläche S_m angeordnet ist. Im Spezielleren erfolgt das Entfernen derart, dass ein entsprechender Bereich der ersten vorläufigen Schicht 14bis freigelegt wird. Der verbleibende Bereich des ersten Prozessbereichs 72bis bildet den ersten Bereich 141a des ersten Querkanals 140 zusätzlich zu dem zweiten vertikalen Bereich 134.
Im Spezielleren ist der erste Bereich 141a seitlich durch eine zweite Prozessfläche S_P2 begrenzt, die planar ausgebildet ist, eine rechteckige Formgebung aufweist und in einem seitlichen Abstand von der ersten Reflexionsfläche S_m angeordnet ist. Genauer gesagt ist die zweite Prozessfläche S_P2 in Bezug auf die Achse z, in Bezug auf die Achse des ersten Querkanals 140 (parallel zu der Achse x) sowie in Bezug auf die erste Reflexionsfläche S_m geneigt. Z. B. ist die zweite Prozessfläche S_P2 in Bezug auf die Achsen x und z in einem Winkel von 45° geneigt und in Bezug auf die erste Reflexionsfläche S_m einem Winkel von 90° geneigt.
Als nächstes (28d) wird eine vierte chemische Abscheidung aus der Dampfphase ausgeführt, um die zweite vorläufige Schicht 88bis oben auf dem ersten Prozessbereich 73, dem ersten Bereich 141a des ersten Querkanals 140 sowie dem freiliegenden Bereich der ersten vorläufigen Schicht 14bis zu bilden.
Danach (28e) erfolgt eine fünfte chemische Abscheidung aus der Dampfphase, um einen dritten Prozessbereich 141b-bis oben auf der zweiten vorläufigen Schicht 88bis zu bilden.
Als nächstes (28f) wird ein zweiter chemisch-mechanischer Poliervorgang an dem dritten Prozessbereich 141b-bis ausgeführt, bis wiederum der erste Bereich 141a des ersten Querkanals 140 freiliegt. In der Praxis werden während dieses zweiten Poliervorgangs ein Teil des dritten Prozessbereichs 141b-bis und ein Teil der zweiten vorläufigen Schicht 88bis entfernt, wobei letzterer Teil zuvor oben auf dem zweiten Prozessbereich 73 sowie dem ersten Bereich 141a des ersten Querkanals 140 angeordnet war. Der verbleibende Teil des dritten Prozessbereichs 141b-bis bildet den zweiten Bereich 141b des ersten Querkanals 140. Ein erster verbleibender Bereich der zweiten vorläufigen Schicht 88bis, der oben auf der zweiten Prozessfläche S_P2 angeordnet ist, bildet stattdessen das vorstehend genannte erste Element 92; d. h. er hat im Gebrauch die Funktion eines optischen Strahlteilers; ein zweiter verbleibender Bereich der zweiten vorläufigen Schicht 88bis, der in Kontakt mit der ersten vorläufigen Schicht 14bis angeordnet ist, bildet die dritte Überzugsschicht 88.
Danach (28g) wird eine sechste chemische Abscheidung aus der Dampfphase ausgeführt, um einen vierten Prozessbereich 79 zu bilden, der zusammen mit dem zweiten Prozessbereich 73 die Beschichtungsregion 75 bildet.
Als nächstes (28h) wird ein vierter anisotroper Ätzvorgang ausgeführt, um die zweite Öffnung zu bilden, die hier mit 250 bezeichnet ist. Bei der zweiten Öffnung 250 handelt es sich um ein Blindloch, und sie ist mit dem ersten Element 92 vertikal ausgerichtet und am Boden durch den zweiten Bereich 141b des ersten Querkanals 140 begrenzt. Es wird dann eine siebte chemische Abscheidung aus der Dampfphase ausgeführt, um innerhalb der zweiten Öffnung 250 den ersten vertikalen Bereich 132 zu bilden. Schließlich (Schritt nicht dargestellt) erfolgt ein chemisch-mechanischer Poliervorgang der Bodenfläche, bis der zweite vertikale Bereich 134 freiliegt.
29 zeigt eine weitere Ausführungsform, die den ersten, den zweiten und den dritten Strahlteiler aufweist, die mit 302, 324 bzw. 326 bezeichnet sind. Ferner ist der erste Strahlteiler 302 innerhalb des Kerns 10, der den vorstehend genannten ersten und zweiten vertikalen Wellenleiter bildet, derart angeordnet, dass er den ersten Querkanal 72 von dem zweiten Querkanal 74 trennt, die den vorstehend genannten ersten bzw. zweiten quer verlaufenden Wellenleiter bilden. Der zweite und der dritte Strahlteiler 324, 326 sind innerhalb des ersten Querkanals 72 angeordnet; ferner sind der zweite und der dritte Strahlteiler 324, 326 oben auf der ersten bzw. zweiten Fotodiode 30, 122 angeordnet.
Im Detail handelt es sich bei jedem von dem ersten, zweiten und dritten Strahlteiler 302, 324, 326 um eine frequenzselektive Komponente, d. h. das optische Verhalten desselben ist frequenzabhängig. Noch detaillierter handelt es sich bei jedem von dem ersten, zweiten und dritten Strahlteiler 302, 324, 326 um ein mehrlagiges Interferenzfilter, wobei die Brechungsindizes und die Breiten der Schichten derart sind, dass das Interferenzfilter eine oder mehrere Wellenlängen reflektiert und die anderen Wellenlängen durchlässt. Im Spezielleren kann jede der Schichten durch eines der nachfolgenden Materialien gebildet sein: ein Oxid, einen Halbleiter, ein Polymer, ein so genanntes Metamaterial, eine metallische Dünnschicht oder Luft; ferner kann jede der Schichten einheitlich oder strukturiert oder nanostrukturiert sein. Lediglich anhand eines nicht einschränkenden Beispiels ist in 29 der erste Strahlteiler 302 durch ein entsprechendes Paar von Schichten gebildet, die als erste und zweite Routing-Schicht bzw. Weiterleitungsschicht 303a, 303b bezeichnet werden, während der zweite und der dritte Strahlteiler 324, 326 jeweils durch entsprechende Paare von Schichten gebildet sind, die als dritte und vierte Weiterleitungsschicht 325a, 325b bzw. als fünfte und sechste Weiterleitungsschicht 327a, 327b bezeichnet werden. Immer noch anhand eines nicht einschränkenden Beispiels sind die erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Weiterleitungsschicht 303a, 303b, 325a, 325b, 327a und 327b derart angeordnet, dass sie jeweils einen Winkel gleich z. B. 45° in Bezug auf die Längsachse des ersten Querkanals 72 bilden. Zumindest eine zwischen den vorstehend genannten Weiterleitungsschichten kann ein Fluid, z. B. Luft oder Wasser, sein; in diesem Fall kann die Weiterleitungsschicht beispielsweise durch Ätzen einer Opferschicht, wie z. B. einer vorab gesputterten Oxidschicht, gebildet werden, um dadurch ein leeres Volumen zu erzeugen, das anschließend mit dem Fluid gefüllt wird.
Im Gebrauch wirken der erste, zweite und dritte Strahlteiler 302, 324, 326 jeweils als frequenzselektiver optischer Router. Daher kann es passieren, dass bei einer Anzahl von optischen Feldern, die jeweils Wellenlängen λ₁–λ_N aufweisen und auf den dritten Strahlteiler 326 auftreffen, das optische Feld mit der Wellenlänge λ₁ auf die zweite Fotodiode 122 reflektiert wird, während die optischen Felder mit den Wellenlängen λ₂–λ_N durch den dritten Strahlteiler 326 hindurchgehen und dann auf den zweiten Strahlteiler 324 auftreffen. Beim Auftreffen auf den zweiten Strahlteiler 324 wird das optische Feld mit der Wellenlänge λ₂ auf die erste Fotodiode 30 reflektiert, während die optischen Felder mit den Wellenlängen λ₃–λ_N durch den zweiten Strahlteiler 324 hindurchgehen. Ferner wird beim Auftreffen auf den ersten Strahlteiler 302 das optische Feld mit der Wellenlänge λ₃ reflektiert und dadurch mit dem Kern 10 optisch gekoppelt, während die optischen Felder mit den Wellenlängen λ₄–λ_N durch den ersten Strahlteiler 302 hindurchgehen und mit dem zweiten Querkanal 74 gekoppelt werden. Auf diese Weise wird ein passives frequenselektives Routing erzielt.
Ein weiteres Beispiel für ein frequenzselektives Routing ist in 30 veranschaulicht, wobei sich der erste Strahlteiler 302 zwischen dem oberen und dem unteren Bereich 11a–11b des Kerns 10 und somit zwischen dem ersten und dem zweiten vertikalen Wellenleiter 22, 24 erstreckt. Ferner wirkt der erste Strahlteiler 302 als Interferenzfilter, da er derart ausgebildet ist, dass er ein optisches Feld bei einer Wellenlänge λ_M hindurchlässt und optische Felder bei den Wellenlängen λ₁–λ_N reflektiert.
Als ein weiteres Beispiel, wie es in den 31a–31b veranschaulicht ist, können ein oder mehrere zwischen den vorstehend genannten Strahlteilern zumindest teilweise durch ein Material mit nichtlinearen oder linearen elektrooptischen Eigenschaften gebildet sein, die sich elektrisch oder elektromechanisch oder thermisch steuern lassen, wie z. B. durch Anlegen einer entsprechenden Spannung oder eines entsprechenden Stroms oder elektrischen Feldes oder elektromechanischen Feldes an den Strahlteiler. Im Spezielleren sind lediglich als nicht einschränkendes Beispiel bei der in den 31a–31b gezeigten Ausführungsform der erste, zweite und dritte Strahlteiler, die mit den Bezugszeichen 332, 334 bzw. 336 bezeichnet sind, aus einem elektrisch abstimmbaren elektrooptischen Material gebildet, d. h. ein Material, das z. B. die Amplitude und/oder die Phase und/oder die Polarisierung des darauf auftreffenden Lichts modifizieren kann. Ferner sind lediglich als nicht einschränkendes Beispiel der zweite und der dritte Strahlteiler 334, 336 oben auf der ersten Fotodiode 30 bzw. dem Emitter angeordnet, der mit 340 bezeichnet ist; als ein Beispiel reflektiert der zweite Strahlteiler 334 Strahlung bei der Wellenlänge λ_M, die von der ersten Fotodiode 30 detektiert werden kann, während der dritte Strahlteiler 336 Strahlung bei der Wellenlänge λ_L reflektiert, die von dem Emitter 340 emittiert wird.
Ferner können die von dem zweiten und dem dritten Strahlteiler 334, 336 reflektierten Wellenlängen λ_M, λ_L variiert werden, indem die an den zweiten und den dritten Strahlteiler 334, 336 angelegten Spannungen variiert werden. In dieser Hinsicht, wie in 31b gezeigt, kontaktiert der zweite Strahlteiler 334 eine erste und eine zweite Elektrode 342, 344, die durch eine nicht dargestellte Schaltungseinrichtung auf die jeweiligen Spannungen eingestellt sind; der dritte Strahlteiler 336 kontaktiert eine dritte und eine vierte Elektrode 346, 348, die durch die Schaltungseinrichtung auf die jeweiligen Spannungen eingestellt sind. Die erste, zweite, dritte und vierte Elektrode 342, 344, 346, 248 können jeweils aus leitfähigem Material gebildet sein; jedoch sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen mindestens eine von der ersten, zweiten, dritten und vierten Elektrode 342, 244, 346, 348 aus Halbleitermaterial gebildet ist. Als ein Beispiel veranschaulicht 32 eine Ausführungsform, bei der die erste Elektrode 342 oben auf dem zweiten Strahlteiler 334 angeordnet ist und die zweite Elektrode durch die erste Wanne 32 und/oder durch die zweite Wanne 34 gebildet ist.
Wie immer noch in 32 dargestellt ist, können ferner eine oder mehrere Elektroden (im vorliegenden Fall z. B. die erste Elektrode 342) mit dem zweiten Strahlteiler 334 in elektromagnetischer Weise gekoppelt sein, d. h. die Elektrode steht nicht mit dem zweiten Strahlteiler 334 in Kontakt. Weiterhin als nicht einschränkendes Beispiel können die erste und die zweite Elektrode entsprechende Platten eines Kondensators bilden, wobei der zweite Strahlteiler 334 zwischen diesen Platten angeordnet ist.
Wie in 33 gezeigt, kann der zweite Strahlteiler, der hier mit 364 bezeichnet ist, durch eine erste und eine zweite Halbleiterregion 368, 370 gebildet sein, die als Beispiel N-dotiert bzw. P-dotiert sind, so dass der zweite Strahlteiler 364 einen entsprechenden PN-Übergang bildet, der als Amplitudenmodulator verwendet werden kann. Ferner kann der zweite Strahlteiler 364, wie auch der erste Strahlteiler 302, entweder horizontal oder vertikal beleuchtet werden. Es sind weitere Ausführungsformen (nicht gezeigt) möglich, bei denen der zweite Strahlteiler 364 einen PIN-Übergang bildet.
Alle der vorstehenden Betrachtungen hinsichtlich des zweiten und des dritten Strahlteilers können auch bei dem ersten Strahlteiler Anwendung finden, der somit aus einem Material mit nichtlinearen oder linearen elektrooptischen Eigenschaften gebildet sein kann, die sich elektrisch oder thermisch oder elektromagnetisch steuern lassen. Ferner kann die nichtlineare oder lineare elektrooptische Eigenschaft des ersten Strahlteilers beispielsweise mittels entsprechender Elektroden (nicht gezeigt) gesteuert werden, die den ersten Strahlteiler kontaktieren oder nicht kontaktieren können.
Ferner können ein oder mehrere von dem ersten, zweiten und dritten Strahlteiler weggelassen werden. Lediglich anhand eines nicht einschränkenden Beispiels veranschaulicht 34 eine Ausführungsform, bei der der erste Strahlteiler, der mit 372 bezeichnet ist, aus einem elektrooptischen Material gebildet ist und sich zwischen dem oberen und dem unteren Bereich 11a–11b des Kerns 10 erstreckt. In ähnlicher Weise zeigt 35 eine Ausführungsform, bei der es sich bei dem ersten Strahlteiler 372 um einen geschichteten Typ handelt, der den unteren Bereich 11b des Kerns 10 sowie den ersten Querkanal 72 von dem oberen Bereich 11a des Kerns 10 und dem zweiten Querkanal 74 trennt; auch in diesem Fall ist der erste Strahlteiler 372 aus einem elektrooptischen Material gebildet.
Ferner können Materialien mit nichtlinearen oder linearen elektrooptischen Eigenschaften, die elektrisch oder thermisch oder elektromagnetisch steuerbar sind, auch bei Ausführungsformen mit mehr als zwei Querkanälen verwendet werden, wie dies in 36 gezeigt ist, in der drei Querkanäle mit dem Bezugszeichen 80 bezeichnet sind. Ein entsprechender Strahlteiler, der mit dem Bezugszeichen 380 bezeichnet ist, erstreckt sich in jedem der drei Querkanäle 80 und ist funktionsmäßig mit einem entsprechenden Paar von Elektroden gekoppelt, die mit dem Bezugszeichen 382 bezeichnet sind.
Weiterhin können Materialien mit nichtlinearen oder linearen elektrooptischen Eigenschaften auch während des Herstellungsvorgangs verwendet werden. Als ein Beispiel kann die zweite vorläufige Schicht 88bis aus einem elektrooptischen Material gebildet sein, so dass auch das erste Element 92 aus diesem elektrooptischen Material gebildet ist.
Die Vorteile, die die vorliegende optoelektronische Vorrichtung erzielt, treten aus der vorstehenden Beschreibung klar hervor. Insbesondere ermöglicht die vorliegende optoelektronische Vorrichtung die Schaffung von dreidimensionalen (3D) Systemen, bei denen zwei oder mehr integrierte optoelektronische Vorrichtungen aufeinander angeordnet sind und in der Lage sind, optisch miteinander zu kommunizieren. Durch Verwendung von einer der Ausführungsformen mit mindestens einem Querkanal, der sich bis zu der Seitenwand der optoelektronischen Vorrichtung erstreckt, lässt sich ein System bilden, das zwei oder mehr optoelektronische Vorrichtungen aufweist, die nebeneinander angeordnet sind und mit denen die jeweiligen Querkanäle ausgerichtet sind, um eine Kommunikation zwischen diesen zu ermöglichen.
Da ferner die erste Fotodiode 30 und/oder der Emitter 130 in dem Halbleiterkörper 2 gebildet sind, sind diese exakt aus dem gleichen Halbleiter wie der Halbleiterkörper 2 gebildet, ohne dass Schritte zum Verbinden eines weiteren Körpers aus einem anderen Halbleitermaterial mit dem Halbleiterkörper 2 ins Auge gefasst werden müssen. Es sei nochmals erwähnt, dass es sich bei der vorliegenden optoelektronischen Vorrichtung um eine des integrierten Typs handelt und diese somit hergestellt werden kann, indem lediglich Technologien eines mikroelektronischen Typs eingesetzt werden und somit keinerlei Notwendigkeit zum Zurückgreifen auf solche Vorgänge wie z. B. das Bonden bzw. Bond-Verbinden besteht.
Abschließend ist es klar, dass Modifikationen und Variationen an den hierin beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass man den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verlässt, wie dieser in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
Z. B. kann es sich bei der ersten Fotodiode 30 um den sogenannten PIN-Typ anstatt des PN-Typs handeln; ferner kann anstatt der ersten Fotodiode 30 ein optischer Emitter vorhanden sein, wie z. B. eine LED oder ein Laser. Ferner wird generell auf eine optoelektronische Komponente Bezug genommen, die in den Halbleiterkörper 2 integriert ist, womit eine beliebige optoelektronische Komponente angegeben werden soll, deren aktiver Bereich in dem Halbleiterkörper 2 gebildet ist. Dieser aktive Bereich kann in an sich bekannter Weise einen PN-Übergang beinhalten, oder im Fall eines optischen Emitters den Bereich beinhalten, in dem das Phänomen einer stimulierten Emission oder spontanen Emission auftritt. Ferner kann es sich bei der in den Halbleiterkörper integrierten optoelektronischen Komponente beispielsweise um einen Fotoleiter, einen Fotowiderstand oder einen Fototransistor handeln.
Die erste und die zweite Überzugsschicht 12, 14 können aus voneinander verschiedenen Materialien gebildet sein.
Im Hinblick auf die Querkanäle sind Ausführungsformen möglich, bei denen nur der erste Querkanal 72 vorhanden ist. Ferner werden die geometrischen Formen, die in Bezug auf den ersten und den zweiten Querkanal 72, 74 sowie in Verbindung mit dem Kern 10 beschrieben worden sind, lediglich als Beispiele vorgeschlagen. Es ist z. B. möglich, dass einer oder beide der Bereiche, d. h. der obere Bereich 11a und der untere Bereich 11b des Kerns 10 kegelstumpfförmig oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sind. Ferner können der erste und der zweite Querkanal beide unterschiedliche Formen aufweisen; z. B. können sie streifenförmig sein oder auch die Form eines sogenannten ”Rippen-Wellenleiters” aufweisen.
Ebenso können auch die Formgebungen des ersten und des zweiten vertikalen Bereichs 132, 134 von den beschriebenen Formen verschieden sein.
Weiterhin können auch die erste und die zweite geneigte Wand S_i1, S_i2 andere Formen aufweisen, als diese beschrieben und dargestellt worden sind; beispielsweise können sie eine trapezförmige Form aufweisen.
Bei weiteren Ausführungsformen können optoelektronische Vorrichtungen und Zwischenverbindungs- oder Wellenleiter-Strukturen gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen oder anderen Ausführungsformen in einer integrierten Schaltung enthalten sein, wie z. B. einem Bildsensor oder einer Bildabtastvorrichtung. Ferner kann eine solche integrierte Schaltung in einem elektronischen System enthalten sein, wie z. B. einem Smartphone, einer Digitalkamera, einem Computersystem, einem Drucker oder einem Scanner. Das elektronische System kann z. B. eine erste integrierte Schaltung beinhalten, beispielsweise einen Bildsensor, der mit einer zweiten integrierten Schaltung, beispielsweise einem Prozessor, gekoppelt ist, wobei der Bildsensor und der Prozessor auf demselben Halbleiterchip oder auf verschiedenen Halbleiterchips gebildet sein können. Diese Chips und die darin gebildeten optoelektronischen Komponenten können in planarer und dreidimensionaler Weise miteinander verbunden sein, wie dies vorstehend erläutert wurde, wobei Gleiches auch für Komponenten gilt, die in einem betreffenden Halbleiterchip gebildet sind.
Schließlich sind auch Ausführungsformen möglich, die in Bezug auf die beschriebenen und/oder dargestellten Ausführungsformen ein Hybrid darstellen, bei dem technische Eigenschaften von zwei oder mehr der beschriebenen und/oder veranschaulichten Ausführungsformen vorhanden sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7352066 [0003]
US 6090636 [0004, 0005]

Claims

Integrierte optoelektronische Vorrichtung, die durch eine erste Oberfläche und durch eine zweite Oberfläche begrenzt ist und Folgendes aufweist: – einen Körper aus Halbleitermaterial, in dessen Innerem zumindest eine erste optoelektronische Komponente gebildet ist aus: einem Detektor und einem Emitter; und – einen optischen Pfad, bei dem es sich zumindest teilweise um einen geführten Typ handelt und der sich zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche erstreckt, wobei der optische Pfad den Körper durchläuft; wobei die erste optoelektronische Komponente durch den optischen Pfad mit einem ersten Bereich eines freien Raums und einem zweiten Bereich eines freien Raums optisch gekoppelt ist, die über bzw. unter der ersten und der zweiten Oberfläche angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine obere Region aufweist, die oben auf dem Körper angeordnet ist und die erste Oberfläche bildet, wobei der Körper von der zweiten Oberfläche und von einer Hauptfläche begrenzt ist, wobei die Hauptfläche zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche angeordnet ist; und wobei der optische Pfad durch einen ersten Begrenzungsbereich und einen zweiten Begrenzungsbereich gebildet ist, wobei sich der erste Begrenzungsbereich ausgehend von der ersten Oberfläche innerhalb der oberen Region erstreckt und sich der zweite Begrenzungsbereich ausgehend von der zweiten Oberfläche innerhalb des Körpers erstreckt; und wobei der erste Begrenzungsbereich seitlich von einem ersten seitlichen Bereich umgeben ist, der einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der Brechungsindex des ersten Begrenzungsbereichs, so dass der erste Begrenzungsbereich und der erste seitliche Bereich einen ersten Kopplungs-Wellenleiter bilden; und wobei der zweite Begrenzungsbereich seitlich von einem zweiten seitlichen Bereich umgeben ist, der einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der Brechungsindex des zweiten Begrenzungsbereichs, so dass der zweite Begrenzungsbereich und der zweite seitliche Bereich einen zweiten Kopplungs-Wellenleiter bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin eine erste Überzugsschicht aufweist, die den ersten Begrenzungsbereich seitlich umgibt und den ersten seitlichen Bereich bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, die weiterhin eine zweite Überzugsschicht aufweist, die den zweiten Begrenzungsbereich seitlich umgibt und den zweiten seitlichen Bereich bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei sich der erste und der zweite Begrenzungsbereich zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die weiterhin ein Interferenzfilter aufweist, das zwischen dem ersten und dem zweiten Begrenzungsbereich angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, die weiterhin ein elektrooptisches Filter aufweist, das zwischen dem ersten und dem zweiten Begrenzungsbereich angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, die einen Kern aufweist, der den ersten und den zweiten Begrenzungsbereich bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der erste und der zweite Begrenzungsbereich übereinander angeordnet sind; und wobei der erste und der zweite seitliche Bereich übereinander angeordnet sind sowie voneinander getrennt sind, so dass der Kern einen nicht beschichteten Bereich aufweist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Begrenzungsbereich angeordnet ist; und wobei die erste optoelektronische Komponente mit dem nicht beschichteten Bereich optisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste optoelektronische Komponente durch einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aus Halbleitermaterial gebildet ist, die unterschiedlichen Leitfähigkeits-Typ aufweisen und durch eine Grenzfläche getrennt sind, die mit dem nicht beschichteten Bereich des Kerns in direktem Kontakt steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der erste und der zweite Begrenzungsbereich übereinander angeordnet sind; und wobei die erste optoelektronische Komponente zwischen dem ersten und dem zweiten Begrenzungsbereich angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, die weiterhin einen ersten Querkanal aufweist, der quer zu dem Kern verläuft, mit dem er in direktem Kontakt steht, und der oben und unten von einem dritten seitlichen Bereich umgeben ist, der einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der Brechungsindex des ersten Querkanals, so dass der erste Querkanal und der dritte seitliche Bereich einen ersten quer verlaufenden Wellenleiter bilden, wobei der erste quer verlaufenden Wellenleiter mit dem ersten und dem zweiten Kopplungs-Wellenleiter optisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die weiterhin einen ersten optischen Strahlteiler aufweist, der dazu ausgebildet ist, den ersten quer verlaufenden Wellenleiter mit mindestens einem zwischen dem ersten und dem zweiten Kopplungs-Wellenleiter optisch zu koppeln.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei sich der erste und der zweite Kopplungs-Wellenleiter parallel zu einer ersten Richtung erstrecken, und wobei sich der erste quer verlaufende Wellenleiter parallel zu einer zweiten Richtung erstreckt; und wobei der erste optische Strahlteiler ein erstes Schichtelement aufweist, das innerhalb des Kerns quer zu der ersten und der zweiten Richtung angeordnet ist und einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der Brechungsindex des Kerns.
Vorrichtung nach Anspruch 14, die weiterhin einen zweiten Querkanal aufweist, der sich quer zu dem Kern erstreckt und oben und unten von einem vierten seitlichen Bereich umgeben ist, wobei der Brechungsindex des zweiten Querkanals höher ist als der Brechungsindex des vierten seitlichen Bereichs, so dass der zweite Querkanal und der vierte seitliche Bereich einen zweiten quer verlaufenden Wellenleiter bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das erste Schichtelement den ersten Begrenzungsbereich von dem zweiten Begrenzungsbereich trennt sowie den ersten Querkanal von dem zweiten Querkanal trennt, wobei das erste Schichtelement ferner derart ausgebildet ist, dass es ein optisches Signal abwechselnd mit dem ersten quer verlaufenden Wellenleiter koppelt, wenn sich das optische Signal in dem ersten Kopplungs-Wellenleiter ausgehend von der ersten Oberfläche fortpflanzt, oder ansonsten mit dem zweiten quer verlaufenden Wellenleiter koppelt, wenn sich das optische Signal in dem zweiten Kopplungs-Wellenleiter ausgehend von der zweiten Oberfläche fortpflanzt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das erste Schichtelement aus einem elektrooptischen Material gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei sich der zweite quer verlaufende Wellenleiter parallel zu der zweiten Richtung erstreckt, und wobei der erste optische Strahlteiler ein zweites Schichtelement aufweist, das in Bezug auf eine zu der ersten Richtung parallele Achse spiegelbildlich zu dem ersten Element angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der erste optische Strahlteiler ferner ein drittes Schichtelement und ein viertes Schichtelement aufweist, die in Bezug auf eine zu der zweiten Richtung parallele Achse zu dem ersten bzw. dem zweiten Schichtelement spiegelbildlich angeordnet sind, wobei der erste optische Strahlteiler dazu ausgebildet ist, ein optisches Signal sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten quer verlaufenden Wellenleiter zu koppeln, wenn sich das optische Signal ausgehend von der ersten Oberfläche in dem ersten Kopplungs-Wellenleiter fortpflanzt oder sich ansonsten ausgehend von der zweiten Oberfläche in dem zweiten Kopplungs-Wellenleiter ausbreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die erste und die zweite Richtung zueinander orthogonal sind und wobei das erste Schichtelement einen Winkel von im Wesentlichen gleich 45° sowohl in Bezug auf die erste Richtung als auch in Bezug auf die zweite Richtung bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der erste optische Strahlteiler ein mehrlagiges Interferenzfilter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die weiterhin mindestens einen zweiten Strahlteiler aufweist, der sich innerhalb des ersten Querkanals erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei der zweite optische Strahlteiler ein mehrlagiges Interferenzfilter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, wobei mindestens einer zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler aus einem elektrooptischen Material gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei der zweite Strahlteiler aus einem elektrooptischen Material gebildet ist, wobei die Vorrichtung ferner eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, wobei mindestens eine von der ersten und der zweiten Elektrode durch eine entsprechende Halbleiterregion gebildet ist, die sich außerhalb des ersten Querkanals erstreckt und mit dem zweiten Strahlteiler in Kontakt steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei der zweite Strahlteiler einen entsprechenden PN-Übergang oder PIN-Übergang bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei der zweite Strahlteiler oben auf der ersten optoelektronischen Komponente angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 27, die weiterhin eine zweite optoelektronische Komponente und einen dritten Strahlteiler aufweist, wobei der dritte Strahlteiler innerhalb des ersten quer verlaufenden Wellenleiters oben auf der zweiten optoelektronischen Komponente angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei der dritte Strahlteiler ein mehrlagiges Interferenzfilter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, wobei der dritte Strahlteiler aus einem elektrooptischen Material gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die weiterhin eine Kopplungsstruktur aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein optisches Signal, das sich entlang des ersten quer verlaufenden Wellenleiters sowie in Richtung des Kerns fortpflanzt, mit dem ersten und dem zweiten Kopplungs-Wellenleiter zu koppeln, wobei die Kopplungsstruktur mindestens eine Reflexionsfläche aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 31, wobei sich der erste Querkanal oben auf der Hauptfläche des Körpers sowie unterhalb der ersten Oberfläche erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei der Körper eine Vertiefung bildet, die sich von der Hauptfläche weg erstreckt und zumindest von einer ersten Wand begrenzt ist, die quer zu der Hauptfläche angeordnet ist; und wobei sich der erste Querkanal zumindest teilweise innerhalb der Vertiefung erstreckt; und wobei die erste optoelektronische Komponente durch einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich gebildet ist, die einen Übergang bilden, wobei der Übergang der ersten Wand zugewandt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Vertiefung ferner durch eine zweite Wand begrenzt ist, die in Bezug auf die Hauptfläche und in Bezug auf die erste Wand quer angeordnet ist, wobei der Übergang ferner der zweiten Wand zugewandt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei ein oben auf der ersten Wand angeordneter Bereich des ersten Querkanals an der Oberseite durch eine weitere Wand begrenzt ist, die parallel zu der ersten Wand ist.
Optoelektronisches System mit mindestens einer ersten optoelektronischen Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste optoelektronische Vorrichtung einen optischen Emitter aufweist; wobei das optoelektronische System ferner eine zweite optoelektronische Vorrichtung aufweist, die einen optischen Detektor aufweist, wobei der optische Emitter und der optische Detektor durch den optischen Pfad der ersten optoelektronischen Vorrichtung optisch gekoppelt sind.
Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung, die von einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche begrenzt ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Bilden eines Körpers aus Halbleitermaterial, in dessen Innerem mindestens eine optoelektronische Komponente gebildet wird, die aus einem Detektor und einem Emitter ausgewählt wird; und – Bilden eines optischen Pfads, der zumindest teilweise vom geführten Typ ist und sich zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche erstreckt, wobei der optische Pfad den Körper durchläuft; – und wobei der Schritt des Bildens eines optischen Pfads ein derartiges Bilden des optischen Pfads beinhaltet, dass die optoelektronische Komponente durch den optischen Pfad mit einem ersten Bereich eines freien Raums und einem zweiten Bereich eines freien Raums gekoppelt wird, die über bzw. unter der ersten und der zweiten Oberfläche angeordnet sind.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 37, wobei der Körper durch die zweite Oberfläche und durch eine Hauptfläche begrenzt wird und das ferner den Schritt aufweist, in dem oben auf dem Körper eine obere Region gebildet wird, die die erste Oberfläche bildet, so dass die Hauptfläche zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche angeordnet ist; und wobei der Schritt zum Bilden des optischen Pfads Folgendes beinhaltet: – ausgehend von der ersten Oberfläche erfolgendes Bilden eines ersten Begrenzungsbereichs, der sich in die obere Region hinein erstreckt; – ausgehend von der zweiten Oberfläche erfolgendes Bilden eines zweiten Begrenzungsbereichs, der sich in den Körper hinein erstreckt; – um den ersten Begrenzungsbereich herum erfolgendes Bilden eines ersten seitlichen Bereichs, der einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der Brechungsindex des ersten Begrenzungsbereichs; und – um den zweiten Begrenzungsbereich herum erfolgendes Bilden eines zweiten seitlichen Bereichs, der einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der Brechungsindex des zweiten Begrenzungsbereichs.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Schritte zum Bilden eines ersten Begrenzungsbereichs und eines zweiten Begrenzungsbereichs sowie eines ersten seitlichen Bereichs und eines zweiten seitlichen Bereichs Folgendes beinhalten: – Bilden eines ersten Grabens innerhalb der oberen Region; – Bilden des ersten seitlichen Bereichs innerhalb des ersten Grabens; – Bilden eines zweiten Grabens innerhalb des Körpers; – Bilden des zweiten seitlichen Bereichs innerhalb des zweiten Grabens; – selektives Entfernen von Teilen der oberen Region und des Körpers, die von dem ersten seitlichen Bereich bzw. dem zweiten seitlichen Bereich umgeben sind, um dadurch eine Öffnung zu bilden, die sich zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche erstreckt und durch den ersten und den zweiten seitlichen Bereich begrenzt ist; und – Bilden des ersten und des zweiten Begrenzungsbereichs innerhalb der Öffnung.
Verfahren nach Anspruch 38, das ferner folgende Schritte aufweist: – Bilden einer ersten Öffnung im Inneren des Körpers in einer ersten Richtung; – Bilden einer ersten vorläufigen Schicht, die sich oben auf dem Körper erstreckt, die Wände der ersten Öffnung beschichtet und den zweiten seitlichen Bereich bildet; – Bilden eines ersten vorläufigen Bereichs oben auf der ersten vorläufigen Schicht, wobei sich ein Teil des ersten vorläufigen Bereichs innerhalb der ersten Öffnung erstreckt und den zweiten Begrenzungsbereich bildet; – selektives Entfernen eines Teils des ersten vorläufigen Bereichs, wobei der verbleibende Teil des ersten vorläufigen Bereichs durch eine Prozessfläche begrenzt wird, die oben auf dem zweiten Begrenzungsbereich angeordnet wird und in Bezug auf die erste Richtung quer verläuft; – Bilden einer zweiten vorläufigen Schicht oben auf der Prozessfläche; – Bilden eines zweiten vorläufigen Bereichs oben auf der zweiten vorläufigen Schicht; – Entfernen eines Teils des zweiten vorläufigen Bereichs, bis der verbleibende Teil des ersten vorläufigen Bereichs freiliegt, der von dem verbleibenden Teil des zweiten vorläufigen Bereichs durch einen Teil der zweiten vorläufigen Schicht getrennt ist; – Bilden des ersten seitlichen Bereichs oben auf den verbliebenen Teilen des ersten und des zweiten vorläufigen Bereichs, so dass dieser eine zweite Öffnung bildet; und – Bilden des ersten Begrenzungsbereichs innerhalb der zweiten Öffnung.