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Hintergrund
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In einigen photonischen integrierten Schaltkreisen werden Wellenleiter in der Form einer Rippen- oder Kanalstruktur hergestellt. Silizium-Wellenleiter mit Submikron-Abmessungen können Infrarotlicht begrenzen, wie es bei der Datenübertragung oder in der Telekommunikation verwendet wird. Wellenleiter, die Teile mit einer p- und n-Dotierung haben, die einen pn-Übergang oder einen pin-Übergang bilden, können als ein Phasenverschiebungsteil funktionieren. Durch Anlegen eines elektrischen Felds an den pn- oder pin-Übergang können Verarmungs- und Anreicherungs-/Injektionsbereiche entstehen. Die optische Brechzahl dieses Phasenverschiebungsteils ändert sich in Abhängigkeit von der Trägerkonzentration, z. B. einer Verarmung oder Anreicherung, was eine Phasenverschiebung des Lichts bewirkt, das sich durch den Phasenverschiebungsteil in dem Wellenleiter ausbreitet. Ein solcher Phasenverschieber kann zum Modulieren der Lichtübertragung durch Verstärkung und Auslöschung des phasenverschobenen Lichts verwendet werden.
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Optische Phasenmodulatoren mit einem Wellenleiterteil mit einem pn-Übergang sind beispielsweise aus der
US 10,025,120 B2 und der
EP 1 779 161 B1 bekannt.
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Figurenliste
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Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Übersichtlichkeit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein. Außerdem sind die Zeichnungen als Beispiele für Ausführungsformen der Erfindung erläuternd, und sie sollen nicht beschränkend sein.
- 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Wellenleiterstruktur eines photonischen integrierten Schaltkreises gemäß einigen Ausführungsformen.
- 2 ist eine Schnittansicht einer Wellenleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen.
- 3 ist eine Schnittansicht einer weiteren Wellenleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen.
- 4 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Wellenleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen.
- 5 ist eine Fortsetzung des Ablaufdiagramms des Verfahrens zum Herstellen einer Wellenleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 6A bis 6C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 402, 404 bzw. 406, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 7A bis 7C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 408, 410 bzw. 412, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 8A bis 8C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 414, 416 bzw. 418, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 9A bis 9C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 420, 422 bzw. 424, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 10A bis 10C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 426, 428 bzw. 430, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 11A bis 11C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 432, 434 bzw. 436, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 12A bis 12C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 438, 440 bzw. 442, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 13A bis 13C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 444, 446 bzw. 448, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 14A bis 14C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 450, 452 bzw. 454, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 15A bis 15C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 456, 458 bzw. 460, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 16A bis 16C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 462, 464 bzw. 466, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
- Die 17A bis 17C sind Schnittansichten einer teilweise hergestellten Wellenleiterstruktur in den Prozessschritten 468, 470 bzw. 472, die in den 4 und 5 beschrieben sind, gemäß einigen Ausführungsformen.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung stellt Phasenverschiebungsvorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 11 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Phasenverschiebungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 17 bereit. Beispielhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element hergestellt werden können, sodass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
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Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
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In einigen photonischen integrierten Schaltkreisen werden Wellenleiter in der Form einer Rippen- oder Kanalstruktur hergestellt. Silizium-Wellenleiter mit Submikron-Abmessungen können auf Grund eines starken Kontrasts der Brechzahlen (n) zwischen dem Kernmaterial, z. B. Silizium mit n von etwa 3,47, und den Mantelschichten, z. B. Siliziumdioxid mit n von etwa 1,45, Infrarotlicht, z. B. Licht mit Wellenlängen von mehr als etwa 700 nm, begrenzen. Silizium-Wellenleiter können für die Datenübertragung (λ ~1310 nm) und in der Telekommunikation (λ ~1550 nm) verwendet werden. Silizium-Wellenleiter können Submikron-Abmessungen, zum Beispiel eine Höhe von etwa 200 nm bis 300 nm und eine Breite von etwa 370 nm bis 470 nm für die Einmoden-Lichtübertragung, haben.
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Wellenleiter, die Teile mit einer p- und n-Dotierung haben, die einen pn-Übergang oder einen pin-Übergang bilden, können als ein Phasenverschieber funktionieren. Durch Anlegen eines elektrischen Felds an den pn- oder pin-Übergang können Verarmungs- und Anreicherungs-/Injektionsbereiche erzeugt werden. Eine Trägerverarmung oder -anreicherung kann entstehen, wenn ein pn- oder pin-Übergang eines Silizium-Wellenleiters verarmt oder angereichert wird. Die optische Brechzahl dieses Phasenverschiebungsteils ändert sich in Abhängigkeit von der Trägerkonzentration, z. B. einer Verarmung oder Anreicherung, was eine Phasenverschiebung des Lichts bewirkt, das sich durch den Phasenverschiebungsteil in dem Wellenleiter ausbreitet. Ein solcher Phasenverschieber kann zum Modulieren der Lichtübertragung durch Verstärkung und Auslöschung des phasenverschobenen Lichts verwendet werden.
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Ein Wellenleiter mit einem pn- oder pin-Übergang, der vorstehend beschrieben worden ist, kann eine Rippenstruktur haben, die auf einem isolierenden Substrat hergestellt ist und sich in der Nennrichtung des geleiteten Lichts erstreckt. Die Rippenstruktur kann zwischen einem Paar Kanäle hergestellt werden, die in einer Halbleiterschicht (z. B. Silizium) über einer Isolierschicht erzeugt (z. B. geätzt) werden. Die Kanäle sind in einer Richtung voneinander getrennt, die nominell senkrecht zu ihrer Länge, z. B. senkrecht zu der Nennrichtung der Lichtausbreitung in dem Wellenleiter, oder der „Querschnitt“-Richtung, ist. Die Rippenstruktur hat eine bestimmte Höhe oder Dicke über der Isolierschicht, wie etwa einem vergrabenen Isolator, der in bestimmten Beispielen eine vergrabene Oxidschicht ist, die gelegentlich als eine BOX-Schicht bezeichnet wird. Halbleiterbereiche unter den Kanälen werden gelegentlich als „Platten“ bezeichnet und haben eine Höhe oder Dicke über der Isolierschicht, wobei die Dicke gelegentlich als eine „Plattendicke“ bezeichnet wird, die in bestimmten Fällen kleiner als die Dicke des Rippenteils ist. Außerhalb der Kanäle in der Querschnittsrichtung kann die Halbleiterhöhe oder -dicke gleich der der Rippe sein. In einigen Beispielen werden Teile des Halbleitermaterials des Phasenverschiebers außerhalb der Kanäle in der Querschnittsrichtung stark dotiert, wobei eine Seite p-dotiert wird und die andere Seite n-dotiert wird. Die Plattenteile der Kanäle werden mit einer reduzierten oder einer mittleren Konzentration dotiert, und zwar mit einem n-Dotanden für den Kanal, der zu dem stark n-dotierten Teil benachbart ist, und mit einem p-Dotanden für den Kanal, der zu dem stark p-dotierten Teil benachbart ist. Normalerweise wird eine Hälfte der Rippe, die zu dem n-dotierten Kanal in der Querschnittsrichtung benachbart ist, mit einer noch weiter reduzierten Konzentration oder mit einem niedrigen Dotierungsniveau oder -konzentration n-dotiert. Die andere Hälfte der Rippe in der Querschnittsrichtung wird mit einer niedrigen Dotierungskonzentration p-dotiert, und die Rippe bildet den pn-Übergang. In einigen Fällen wird weniger als die Hälfte der Rippe n-dotiert, und weniger als die Hälfte der Rippe wird p-dotiert, aber beide sind zu dem Kanal benachbart, sodass ein eigenleitender, d. h. undotierter, Teil der Rippe zwischen den niedrig dotierten n- und p-Teilen in der Querschnittsrichtung entsteht, sodass ein pin-Übergang entsteht.
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Beim Entwerfen und Herstellen von Halbleiter-Wellenleitern muss häufig ein Gleichgewicht zwischen bestimmten Leistungsparametern hergestellt werden oder ein Kompromiss zwischen ihnen gefunden werden. Um zum Beispiel eine signifikante oder akzeptable Lichtbegrenzung mit einem geringen Lichtübertragungsverlust bei einem kleineren Biegungsradius zu erzielen, sollten die Plattenteile der Wellenleiterkanäle ausreichend dünn sein. Gleichzeitig nimmt der Widerstand des pn- oder pin-Übergangs eines Phasenverschiebungsteils eines Wellenleiters mit abnehmender Dicke zu, wodurch die Geschwindigkeit des Phasenverschiebers begrenzt wird. Die Dicke der Platten ist daher ein Aspekt des Wellenleiter-Entwurfs zum Erhöhen der Geschwindigkeit des Phasenverschiebers bei gleichzeitiger Minimierung des Übertragungsverlusts (und zum Reduzieren des Biegungsradius und somit der Vorrichtungsgröße).
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Bei einigen Ausführungsformen weist die Phasenverschiebungsvorrichtung oder der Phasenverschieber ein Substrat, eine Isolierschicht über dem Substrat und eine Halbleiter-Wellenleiterschicht über der Isolierschicht auf. In einigen Beispielen ist das Substrat ein Halbleitersubstrat, wie etwa ein Siliziumsubstrat. In einigen Beispielen ist die Isolierschicht eine Halbleiter-Oxidschicht, wie etwa eine Siliziumoxidschicht, z. B. eine vergrabene Oxidschicht (BOX-Schicht). Die Halbleiter-Wellenleiterschicht weist in einigen Beispielen einen pn- oder pin-Übergangsteil (die gemeinsam als ein „Wellenleiterteil“ bezeichnet werden) auf, in dem Licht begrenzt wird. Der Wellenleiterteil kann eine Rippenstruktur sein, die sich in einer Längsrichtung erstreckt und eine Breite und eine Höhe hat, wobei ein pn- oder pin-Übergang quer über die Breite der Rippenstruktur entsteht.
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Die Halbleiter-Wellenleiterschicht weist in einigen Beispielen weiterhin Plattenteile auf, die jeweils zu einer Seite des Wellenleiterteils benachbart sind, wobei ein Kanal zwischen jeder Seite des Wellenleiterteils und dem entsprechenden benachbarten Plattenteil entsteht. Jeder Wellenleiterteil hat eine Dicke von der Oberseite der BOX-Schicht bis zu der Oberfläche des Plattenteils, wobei sich die Dicke mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil ändert. Anders ausgedrückt, eine Tiefe jedes Kanals ändert sich mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil. Bei einigen Ausführungsformen nimmt die Dicke jedes Plattenteils monoton mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil zu, und die Tiefe des Kanals nimmt monoton mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil ab. Bei einigen Ausführungsformen nimmt die Dicke jedes Plattenteils linear mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil zu, und die Tiefe des Kanals nimmt linear mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil ab. Die Änderung der Dicke (oder Tiefe) kann auch andere Formen annehmen, wie etwa eine schrittweise Änderung der Dicke. Die maximale Dicke jedes Plattenteils kann bei einigen Ausführungsformen kleiner als die Höhe des Wellenleiterteils sein.
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Bei einigen Ausführungsformen sind Kontaktteile benachbart zu jeweiligen Plattenteilen angeordnet, wobei jeder Kontaktteil auf der dem Wellenleiterteil gegenüberliegenden Seite des jeweiligen Plattenteils angeordnet ist. Jeder Kontaktteil kann eine Dicke haben, die sich mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil ändert. Bei einigen Ausführungsformen nimmt die Dicke jedes Kontaktteils monoton mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil zu. Bei einigen Ausführungsformen nimmt die Dicke jedes Kontaktteils linear mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil zu. Die Änderung der Dicke kann auch andere Formen annehmen, wie etwa eine schrittweise Änderung der Dicke. Die maximale Dicke jedes Kontaktteils kann bei einigen Ausführungsformen im Wesentlichen gleich der Höhe des Wellenleiterteils sein.
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Der Wellenleiterteil umfasst, nacheinander in der Richtung der Breite des Wellenleiterteils oder in der Richtung der Kanaltrennung, einen ersten dotierten Halbleiterteil, wie etwa einen p-dotierten Halbleiterteil, und einen zweiten dotierten Halbleiterteil, wie etwa einen n-dotierten Halbleiterteil, sodass ein pn-Übergang entsteht. Bei bestimmten weiteren Ausführungsformen umfasst der Wellenleiterteil, nacheinander in seiner Breitenrichtung, einen ersten dotierten Halbleiterteil, wie etwa einen p-dotierten Halbleiterteil, einen undotierten Halbleiterteil und einen zweiten dotierten Halbleiterteil, wie etwa einen n-dotierten Halbleiterteil, sodass ein pin-Übergang entsteht.
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Bei einigen Ausführungsformen sind der Plattenteil und der Kontaktteil auf jeder Seite des Wellenleiterteils dotierte Halbleiterteile mit der gleichen Dotierungsart (p oder n) wie der dotierte Halbleiterteil in dem Wellenleiterteil, der zu dem Plattenteil benachbart ist, unabhängig davon, ob die Wellenleiterstruktur einen pn- oder pin-Übergang aufweist. Auf jeder Seite der Wellenleiterstruktur kann der Kontaktteil ein höheres Dotierungsniveau als der dotierte Halbleiterteil in der Wellenleiterstruktur haben, und der Plattenteil kann ein Dotierungsniveau haben, das zwischen dem des Kontaktteils und dem des dotierten Halbleiterteils liegt.
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Bei einigen Ausführungsformen weist ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Vorrichtung die folgenden Schritte auf: (a) Herstellen eines Paars von im Wesentlichen parallelen Kanälen in einem Halbleiterschicht-Substrat mit einer Oberfläche und einer Dicke über einer Isolierschicht, wobei das Paar Kanäle sich im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung erstreckt, die parallel zu der Oberfläche der Halbleiterschicht ist, und in einer Kanaltrennungsrichtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung ist, durch einen Rippenteil, der eine Breite in der Kanaltrennungsrichtung hat, getrennt ist, wobei jeder Kanal des Paars von Kanälen eine sich ändernde Tiefe entlang der Kanaltrennungsrichtung hat, wobei jeder Kanal des Paars von Kanälen den Rippenteil von einem zu dem Kanal benachbarten Halbleiterteil trennt; (b) Erzeugen eines pn- oder pin-Übergangs quer über den Rippenteil in der Kanaltrennungsrichtung, wobei der pn- oder pin-Übergang einen p-dotierten Teil mit einer ersten p-Dotierungskonzentration und einen n-dotierten Teil mit einer ersten n-Dotierungskonzentration hat, Herstellen, zumindest in einem Teil der Halbleiterschicht unter dem Kanal, der zu dem p-dotierten Teil des Rippenteils benachbart ist, eines p-dotierten Plattenteils, der eine höhere p-Dotierungskonzentration als in dem Rippenteil hat, und Herstellen, in zumindest einem Teil der Halbleiterschicht unter dem Kanal, der zu dem n-dotierten Teil des Rippenteils benachbart ist, eines n-dotierten Plattenteils, der eine höhere n-Dotierungskonzentration als in dem Rippenteil hat; und (c) Herstellen eines p-dotierten Kontaktteils, der zu dem p-dotierten Plattenteil benachbart ist und eine höhere p-Dotierungskonzentration als der p-dotierte Plattenteil hat, und Herstellen eines n-dotierten Kontaktteils, der zu dem n-dotierten Plattenteil benachbart ist und eine höhere n-Dotierungskonzentration als der n-dotierte Plattenteil hat.
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Kommen wir nun zu spezielleren Beispielen der vorliegenden Erfindung, in denen eine in 1 gezeigte Wellenleiterstruktur 100 gemäß einem Aspekt der Erfindung Folgendes aufweist: eine Substratschicht 102; eine Isolierschicht 104, die auf der Substratschicht 102 angeordnet ist; und einen auf der Isolierschicht 104 angeordneten Wellenleiterteil 106, in dem geleitetes Licht erheblich begrenzt wird. In diesem Beispiel erstreckt sich der Wellenleiterteil 106 nominell in einer Längsrichtung z, und er hat eine nominelle Querschnittshöhe h in einer Richtung y, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung und der Isolierschicht 104 ist, und eine nominelle Querschnittsbreite w in einer Richtung x, die im Wesentlichen senkrecht zu den Richtungen y und z ist. Die Wellenleiterstruktur 100 weist weiterhin Plattenteile mit unterschiedlichen Dicken sowie Kontaktteile (die in 1 nicht dargestellt sind, aber in den später erörterten 2 und 3 näher dargestellt sind) auf beiden Seiten des Wellenleiterteils 106 auf.
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Alle vorgenannten Teile der Wellenleiterstruktur 100 werden bei einigen Ausführungsformen aus einem einzigen Halbleiterstück, wie etwa einkristallinem Silizium, oder insbesondere aus einem Einkristallwafer hergestellt. In einem Beispiel ist das Kristallgitter so orientiert, dass die Längsrichtung z nominell die Richtung <0 1 -1> für Silizium ist, die Ebene, in der die Isolierschicht 104 liegt, nominell in der y-Richtung <1 0 0 > orientiert ist und die Richtung x entlang der Breite des Wellenleiterteils 106 nominell die Richtung <0 1 1> ist. Die Isolierschicht 104 ist in diesem Beispiel eine BOX-Schicht, die zum Beispiel durch Sauerstoff-Ionenimplantation hergestellt wird. Der Wellenleiterteil 106 wird in diesem Beispiel durch Ätzen eines Paars von Kanälen in die Oberfläche des Siliziumwafers hergestellt. Das Silizium, das die Kanäle trennt, wird zu der Rippenstruktur, die nach entsprechender Dotierung zu dem Wellenleiterteil 106 wird. Zumindest ein Teil des Siliziums unter jedem Kanal wird nach entsprechender Dotierung zu einem Plattenteil. Und zumindest ein Teil des Siliziums, der durch jeden Plattenteil von dem Wellenleiterteil 106 getrennt ist, wird nach entsprechender Dotierung zu einem Kontaktteil.
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Bleiben wir bei 2, die eine Schnittansicht einer Wellenleiterstruktur 200 ist, die im Wesentlichen die Gleiche wie die in 1 gezeigte Wellenleiterstruktur 100 ist, aber 2 ist eine detailliertere Darstellung der Komponenten. In diesem Beispiel ist der Wellenleiterteil 106 ein Teil einer Halbleiter-Wellenleiterschicht 206, die auf der Isolierschicht 104 angeordnet ist und einen p-dotierten Teil 218 und einen n-dotierten Teil 228 aufweist, sodass ein pn-Übergang an der Grenzfläche zwischen den zwei Teilen entsteht, der im Wesentlichen in einer yz-Ebene liegt. In diesem speziellen Beispiel ist die Isolierschicht 104 eine BOX-Schicht, aber sie kann jede geeignete Isolierschicht sein. Die Substratschicht 102 ist in diesem Beispiel Silizium, aber es kann jede geeignete Stützstruktur für die Isolierschicht 104 verwendet werden. Der p-dotierte Teil hat eine p-Dotierungskonzentration, und der n-dotierte Teil hat eine n-Dotierungskonzentration.
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Ein p-Seite-Kanal 240 wird (z. B. durch Ätzen) benachbart zu der p-dotierten Seite des Wellenleiterteils 106 definiert, und ein n-Seite-Kanal 250 wird (z. B. durch Ätzen) benachbart zu dem n-dotierten Teil des Wellenleiterteils 106 definiert. Eine p-Seite-Platte 232 wird von dem Silizium unter dem p-Seite-Kanal 240 gebildet, ist p-dotiert und hat eine höhere Konzentration eines p-Dotanden als der p-dotierte Teil des Wellenleiterteils 106. Die p-Seite-Platte 232 kann zum Beispiel p+-dotiert sein (d. h., mit einer mittelhohen p-Dotierungskonzentration). Eine n-Seite-Platte 234 wird von dem Silizium unter dem n-Seite-Kanal 250 gebildet, ist n-dotiert und hat eine höhere Konzentration eines n-Dotanden als der n-dotierte Teil des Wellenleiterteils 106. Die n-Seite-Platte 234 kann zum Beispiel n+-dotiert sein (d. h., mit einer mittelhohen n-Dotierungskonzentration).
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Ein p-Seite-Kontaktteil 236 wird von dem Silizium gebildet, das zu der p-Seite-Platte 232 auf ihrer dem Wellenleiterteil 106 gegenüberliegenden Seite benachbart ist. Der p-Seite-Kontaktteil 236 ist p-dotiert und hat eine höhere Konzentration eines p-Dotanden als die p-Seite-Platte 232. Der p-Seite-Kontaktteil 236 kann zum Beispiel p++-dotiert sein (d. h., mit einer hohen p-Dotierungskonzentration). Ein n-Seite-Kontaktteil 238 wird von dem Silizium gebildet, das zu der n-Seite-Platte 234 auf ihrer dem Wellenleiterteil 106 gegenüberliegenden Seite benachbart ist. Der n-Seite-Kontaktteil 238 ist p-dotiert und hat eine höhere Konzentration eines n-Dotanden als die n-Seite-Platte 234. Der n-Seite-Kontaktteil 238 kann zum Beispiel n++-dotiert sein (d. h., mit einer hohen n-Dotierungskonzentration).
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Die Plattenteile 232 und 234 haben jeweils eine sich ändernde Dicke über der Isolierschicht 104, d. h., in der y-Richtung. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform hat die p-Seite-Platte 232 einen ersten Teil 216, der zu dem p-dotierten Teil des Wellenleiterteils 106 benachbart ist, und einen zweiten Teil 214, der zu dem ersten Teil 216 benachbart ist. Der erste Teil 216 hat eine im Wesentlichen konstante Dicke, während der zweite Teil 214 eine Dicke hat, die im Wesentlichen linear mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil 106 zunimmt. In ähnlicher Weise, und in diesem Beispiel symmetrisch, hat die n-Seite-Platte 234 einen ersten Teil 226, der zu dem n-dotierten Teil des Wellenleiterteils 106 benachbart ist, und einen zweiten Teil 224, der zu dem ersten Teil 226 benachbart ist. Der erste Teil 226 hat eine im Wesentlichen konstante Dicke, während der zweite Teil 224 eine Dicke hat, die im Wesentlichen linear mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil 106 zunimmt. In diesem Beispiel sind die Profile der Oberflächen der Plattenteile 232 und 234 zwar abschnittsweise linear, aber es können auch andere Profile für die Platten mit unterschiedlicher Dicke verwendet werden. Beispiele für die Profile sind durchgehend linear, gewölbt und stufenförmig.
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Die Kontaktteile 236 und 238 haben bei einigen Ausführungsformen jeweils eine sich ändernde Dicke über der Isolierschicht 104, d. h., in der y-Richtung. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform hat der p-Seite-Kontaktteil 236 einen ersten Teil 212, der zu der p-Seite-Platte 232 benachbart ist, und einen zweiten Teil 210, der zu dem ersten Teil 212 benachbart ist. Der erste Teil 212 hat eine Dicke, die im Wesentlichen linear mit dem Abstand von dem Wellenleiterteil 106 zunimmt, während der zweite Teil 210 eine im Wesentlichen konstante Dicke hat. In ähnlicher Weise, und in diesem Beispiel symmetrisch, hat der n-Seite-Kontaktteil 238 einen ersten Teil 222, der zu der n-Seite-Platte 234 benachbart ist, und einen zweiten Teil 220, der zu dem ersten Teil 222 benachbart ist. In diesem Beispiel sind die Profile der Oberflächen der Kontaktteile 236 und 238 zwar abschnittsweise linear, aber es können auch andere Profile verwendet werden. Beispiele für die Profile sind eben (d. h., konstante Dicke), durchgehend linear, gewölbt und stufenförmig.
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Die Querschnittsprofile des Wellenleiterteils 106, der Plattenteile 232 und 234 und der Kontaktteile 236 und 238 definieren gemeinsam die Querschnittsprofile der Kanäle 240 und 250. In diesem Beispiel sind die Querschnittsprofile der Kanäle 240 und 250 trapezförmig, aber es können auch andere Formen, wie etwa dreieckige oder gewölbte Formen, definiert werden.
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Bei einigen Ausführungsformen, wie etwa bei der in 3 gezeigten Ausführungsform, kann ein pin-Übergang erzeugt werden, um den Wellenleiterteil 106 herzustellen. In diesem Beispiel ist der Wellenleiterteil 106 ein Teil einer Halbleiter-Wellenleiterschicht 306, die auf der Isolierschicht 104 angeordnet ist, und der Wellenleiterteil 106 umfasst einen p-dotierten Teil 318, einen n-dotierten Teil 328 und einen undotierten (eigenleitenden) Teil 330 zwischen dem p-dotierten Teil 318 und dem n-dotierten Teil 328, sodass ein pin-Übergang an den Grenzflächen zwischen dem undotierten Teil 330 und den dotierten Teilen 318 bzw. 338 entsteht. Die Grenzflächen sind im Wesentlichen parallel zu einer yz-Ebene. Die Wellenleiterstruktur ist in diesem Beispiel ansonsten im Wesentlichen die Gleiche wie die, die in 2 gezeigt ist.
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Bei einigen Ausführungsformen kann eine Halbleiter-Wellenleiterstruktur mit dem Verfahren, das in den 4 und 5 beschrieben ist und in den 6 bis 17 dargestellt ist, oder mit ähnlichen Verfahren hergestellt werden. Für jeden Schritt, wie etwa Abscheidung eines Fotoresists und dessen Entfernung, Abscheidung eines Pad-Oxids und dessen Entfernung, Abscheidung einer Hartmaske und deren Entfernung, Silizium-Ätzung, wie etwa anisotrope Ätzung, und Silizium-Dotierung, kann jedes geeignete Verfahren, wie etwa bekannte Halbleiterherstellungsverfahren, verwendet werden.
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Zunächst wird in einem Schritt 402 und in 6A eine Fotoresistschicht 630 auf einem Silizium-auf-Oxid-Substrat 610 abgeschieden, das ein Siliziumsubstrat 102, eine Oxid-Isolierschicht (z. B. eine BOX-Schicht) 104 auf dem Siliziumsubstrat 102 und einer obere Siliziumschicht 620 aufweist. Dann wird in einem Schritt 404 und in 6B das Fotoresist 630 strukturiert, um die Teile der Siliziumschicht 620 freizulegen, die geätzt werden soll, um Kanäle (oder Nuten) zu erzeugen. Dann wird in einem Schritt 406 oder in 6C eine Ätzung, wie etwa eine anisotrope Ätzung, durchgeführt, um ein Paar Nuten 640 und 650 mit geneigten Oberflächen, d. h., Nuten mit einem V-förmigen Querschnittsprofil, zu erzeugen. Wie in 6C gezeigt ist, können zum Beispiel Nuten mit Oberflächen mit einer <1 1 1>- und einer <1 -1 -1>-Orientierung durch anisotropes Ätzen einer Silizium-Oberfläche mit einer <1 0 0>-Orientierung erzeugt werden.
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Dann wird in einem Schritt 408 und in 7A die Fotoresistschicht 630 entfernt, und in Vorbereitung auf eine nachfolgende Abscheidung einer Hartmaskenschicht wird eine Pad-Oxidschicht (oder Puffer-Oxidschicht) 710 über der geätzten Silizium-Oberfläche abgeschieden. Die Pad-Oxidschicht 710 dient zum Reduzieren einer mechanischen Spannung in der Maskenschicht auf Grund der Fehlanpassung zwischen der Kristallstruktur von Silizium und der der Hartmaske. Dann wird in einem Schritt 410 und in 7B eine Hartmaske 720, wie etwa eine SiN-Maske, über der Pad-Oxidschicht 710 abgeschieden. Dann wird in einem Schritt 412 und in 7C eine dicke Fotoresistschicht 730 über der Hartmaske 720 abgeschieden. Anschließend wird in einem Schritt 414 und in 8A die Fotoresistschicht 730 strukturiert, um die Hartmaske 720 freizulegen, die die Hälfte jeder der V-förmigen Nuten 640 und 650 bedeckt, die näher an der jeweils anderen Nut ist. Dann wird in einem Schritt 416 und in 8B die freigelegte Hartmaske 720 entfernt, um das darunter befindliche Pad-Oxid freizulegen. Dann wird in einem Schritt 418 und in 8C das freigelegte Pad-Oxid entfernt, um die darunter befindliche Siliziumschicht 620 freizulegen. Anschließend wird in einem Schritt 420 und in 9A eine anisotrope Ätzung durchgeführt, um Teile der Siliziumschicht 620 zu entfernen, um im Wesentlichen vertikale (d. h., x- oder -x-orientierte) Seitenflächen eines Silizium-Teils 910 herzustellen, der die Nuten 640 und 650 trennt. Dann werden in einem Schritt 422 und in 9B, in einem Schritt 424 und in 9C bzw. in einem Schritt 426 und in 10A nacheinander die dicke Fotoresistschicht 730, die Hartmaskenschicht 720 und die Pad-Oxidschicht 710 entfernt, sodass die gesamte Oberfläche der oberen Siliziumschicht 620, einschließlich der Oberflächen von nun trapezförmigen Kanälen 1040 und 1050, freigelegt wird. Der Silizium-Teil 910, der die Nuten 1040 und 1050 trennt, ist nun ein gerippter Silizium-Teil.
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Dann wird in einem Schritt 428 und in 10B eine dicke Fotoresistschicht 1010 über der gesamten Oberfläche der oberen Siliziumschicht 620 abgeschieden. Anschließend wird in einem Schritt 430 und in 10C die Fotoresistschicht 1010 strukturiert, um die Hälfte des gerippten Silizium-Teils 910 freizulegen. Dann wird in einem Schritt 432 und in 11A eine n-Implantation durchgeführt, um die freigelegte Hälfte des gerippten Silizium-Teils 910 mit einem n-Dotanden zu dotieren. Dadurch entsteht ein n-dotierter Teil 228. Anschließend wird in einem Schritt 434 und in 11B die dicke Fotoresistschicht 1010 entfernt, in einem Schritt 436 und in 11C wird eine neue dicke Fotoresistschicht 1010 über der gesamten Oberfläche abgeschieden, und in einem Schritt 438 und in 12A wird die Fotoresistschicht 1010 strukturiert, um die andere Hälfte des gerippten Silizium-Teils 910 freizulegen. Dann wird in einem Schritt 440 und in 12B eine p-Implantation durchgeführt, um die freigelegte Hälfte des gerippten Silizium-Teils 910 mit einem p-Dotanden zu dotieren. Dadurch entsteht ein p-dotierter Teil 218. Dann wird in einem Schritt 442 und in 12C die Fotoresistschicht 1010 entfernt.
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Dann wird in einem Schritt 444 und in 13A eine dicke Fotoresistschicht 1310 über der gesamten Oberfläche der oberen Siliziumschicht 620 abgeschieden; in einem Schritt 446 und in 13B wird die dicke Fotoresistschicht 1310 strukturiert, um einen Teil der Oberfläche des Kanals 1050, der zu dem n-dotierten Teil des gerippten Silizium-Teils 910 benachbart ist, freizulegen; in einem Schritt 448 und in 13C wird eine n-Implantation durchgeführt, um die freigelegte obere Siliziumschicht 620 mit einem n-Dotanden auf ein höheres Konzentrationsniveau als in dem n-dotierten Wellenleiterteil 228 zu dotieren; und in einem Schritt 450 und in 14A wird anschließend die dicke Fotoresistschicht 1310 entfernt. Dadurch entsteht ein n-Seite-Plattenteil 234.
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Dann wird in einem Schritt 452 und in 14B eine dicke Fotoresistschicht 1410 über der gesamten Oberfläche der oberen Siliziumschicht 620 abgeschieden; in einem Schritt 454 und in 14C wird die dicke Fotoresistschicht 1410 strukturiert, um einen Teil der Oberfläche des Kanals 1040, der zu dem p-dotierten Teil des gerippten Silizium-Teils 910 benachbart ist, freizulegen; in einem Schritt 456 und in 15A wird eine p-Implantation durchgeführt, um die freigelegte obere Siliziumschicht 620 mit einem p-Dotanden auf ein höheres Konzentrationsniveau als in dem n-dotierten Wellenleiterteil 228 zu dotieren; und in einem Schritt 458 und in 15B wird anschließend die dicke Fotoresistschicht 1410 entfernt. Dadurch entsteht ein p-Seite-Plattenteil 232.
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Dann wird in einem Schritt 460 und in 15C eine dicke Fotoresistschicht 1510 über der gesamten Oberfläche der oberen Siliziumschicht 620 abgeschieden; in einem Schritt 462 und in 16A wird die dicke Fotoresistschicht 1510 strukturiert, um einen Teil der Oberfläche des Kanals 1050, der zu der Oberfläche des n-Seite-Plattenteils 234 sowie zu der Oberseite 1660 der oberen Siliziumschicht 620 benachbart ist, freizulegen; in einem Schritt 464 und in 16B wird eine n-Implantation durchgeführt, um die freigelegte obere Siliziumschicht 620 mit einem n-Dotanden auf ein höheres Konzentrationsniveau als in dem n-Seite-Plattenteil 234 zu dotieren; und in einem Schritt 466 und in 16C wird anschließend die dicke Fotoresistschicht 1510 entfernt. Dadurch entsteht ein n-Seite-Kontaktteil 238.
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Dann wird in einem Schritt 468 und in 17A eine dicke Fotoresistschicht 1710 über der gesamten Oberfläche der oberen Siliziumschicht 620 abgeschieden; in einem Schritt 470 und in 17B wird die dicke Fotoresistschicht 1710 strukturiert, um einen Teil der Oberfläche des Kanals 1020, der zu der Oberfläche des p-Seite-Plattenteils 232 sowie zu der Oberseite 1760 der oberen Siliziumschicht 620 benachbart ist, freizulegen; in einem Schritt 472 und in 17C wird eine p-Implantation durchgeführt, um die freigelegte obere Siliziumschicht 620 mit einem p-Dotanden auf ein höheres Konzentrationsniveau als in dem p-Seite-Plattenteil 232 zu dotieren; und in einem Schritt 474 und in 2 wird anschließend die dicke Fotoresistschicht 1710 entfernt. Dadurch entsteht ein p-Seite-Kontaktteil 236, und die Herstellung der in 2 gezeigten Wellenleiterstruktur ist beendet.
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Ein ähnliches Verfahren kann durchgeführt werden, um die in 3 gezeigte Wellenleiterstruktur herzustellen. Der Unterschied ist jedoch, dass in dem Schritt 430 (10C), in dem das Fotoresist 1010 strukturiert wird, um den gerippten Silizium-Teil 910 zur n-Dotierung freizulegen, und in dem Schritt 438 (12A), in dem das Fotoresist 1110 strukturiert wird, um den gerippten Silizium-Teil 910 zur p-Dotierung freizulegen, die Breite der kombinierten Öffnungen in dem Fotoresist 1010, 1110 kleiner als die Breite w des gerippten Silizium-Teils 910 ist, sodass ein Teil des gerippten Silizium-Teils 910 weder n-dotiert, noch p-dotiert wird und somit undotiert bleibt.
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In offenbarten Beispielen wird somit eine Halbleiter-Wellenleiterstruktur, die für Phasenverschiebungs-Operationen mit verbesserter Bandbreite und/oder Geschwindigkeit geeignet ist, dadurch bereitgestellt, dass eine verbesserte Kombination aus reduziertem Kontaktwiderstand und reduziertem Übertragungsverlust gegenüber herkömmlichen optischen Phasenverschiebern bereitgestellt wird. Durch die Verbesserung können kleinere Biegungsradien in Phasenverschiebern erzielt werden, sodass Phasenverschiebungsvorrichtungen, wie etwa schlangenförmige Phasenverschieber, die solche Biegungsradien erfordern, entworfen und hergestellt werden können. In den offenbarten Beispielen werden Verfahren, die ohne Weiteres verfügbar sind, wie etwa bekannte Halbleiterherstellungsverfahren, unter anderem herkömmliche CMOS-Herstellungsverfahren, verwendet, sodass die offenbarten Beispiele problemlos genutzt werden können.
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Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
