DE10341030A1

DE10341030A1 - Verfahren zur Herstellung von integrierten Wellenleitern

Info

Publication number: DE10341030A1
Application number: DE2003141030
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof. Dr. Föll; Jürgen Dr. Carstensen; Stefan Thierry Dipl.-Phys. Lölkes; Sergiu Dipl.-Ing. Langa
Original assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Current assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-04-07

Abstract

Verfahren zur Herstellung von integrierten Wellenleitern in III-V-Halbleitern, bei dem durch elektrochemische Ätzung von Gebieten Stromlinien folgender Poren um Gebiete kristallographisch verlaufender Poren herum lichtleitende Strukturen erzeugt werden, indem ausgehend von vorbestimmt verlaufenden Kernbereichen mit kristallographischen Poren durch Änderung der Stromdichte beim Ätzen das Porenwachstum wenigstens einmal auf eine andere Porenwachstumsrichtung senkrecht zu den Äquipotentialflächen verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von integrierten Wellenleitern. Integrierte Wellenleiter können durch geätzte Poren bisher in Silizium-Halbleitern erstellt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Poren in porösem Silizium ist in der DE 100 47 664 A1 dargelegt. Dabei wird durch eine Spitze oder Kante ein Feldkonzentrationseffekt genutzt, der die Herstellung von Strukturen in hoher Auflösung in porösem Silizium erlaubt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das auch Wellenleiter in Indium-Phosphid Substraten oder in Gallium-Phosphid-Substraten erreichen kann.
Dabei sollen die Ausbreitungsverluste durch eine homogene radialsymmetrische Porenätzung entlang des Wellenleiters mit einem gleichförmigen Brechungskoeffizienten verringert werden, und nach Möglichkeit zwischen Kern und/oder Mantel des Wellenleiters unterschieden werden. Es soll ein einfacheres Verfahren als die bisher verwendete Epitaxie nach Möglichkeit vorgeschlagen werden.
Weiter soll im Dreidimensionalen einfacher als in der eingangs genannten Schrift vorgegangen werden, indem man noch wechselnde Schichten unterschiedlicher Porosität durch entsprechende Modulation der spezifischen Stromdichte während der Anodisation herstellt.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst, bei dem Stromlinien-folgende Poren (SLP) zur Erzeugung lichtleitender Strukturen durch Anlegen einer Spannung an das zu ätzende Werkstück erzeugt werden, wobei ausgehend von den kristallographischen Poren (KP) im Kernbereich durch Änderung der Stromdichte SLP senkrecht zu den Äquipotentialflächen geätzt werden. Im Folgenden werden zum Bezeichnen von Poren folgende Begriffe genutzt:

• Kristallogrophische Poren (KP), deren Wachstumsrichtung immer in <111>B Richtungen verzweigt, und die einen Durchmesser im Bereich 20–50 nm (abhängig von Stromdichte und Dotierung von Substraten) besitzen. Damit sind Porositäten im Bereich 20–30% herstellbar. Entstehung und stabiles Wachstum finden bei kleinen Stromdichten in Abhängigkeit der Parameter statt.

Die andere Porensorte wird bezeichnet als:

• Stromlinienporen (SLP) deren Wachstumsrichtung immer in Stromflussrichtung, d.h. senkrecht zu den Äquipotentialflächen, liegt. Ihr Durchmesser liegt im Bereich 50 nm – 2 μm, und starke Tendenz zur Selbstorganisation in einen hexagonalen Einkristall sind vorhanden. Porositäten im Bereich 60–70% sind erzielbar.

Durch Eingriffe von außen – insbesondere durch Änderung der Stromdichte – kann während der Erzeugung zwischen KP und SLP umgeschaltet werden; die Grenzfläche ist dabei sehr scharf. Wachstum der Poren beginnt dabei insbesondere in InP immer mit KP; und nach einer gewissen, durch äußere Parameter in weiten Grenzen einstellbaren Tiefe, erfolgt ggf. ein selbstorganisierter Umschlag in SLP.
In GaP ist die generelle Lage ähnlich; KP und SLP können ebenfalls erzeugt werden; die Eigenschaften, obwohl im Einzelnen unterschiedlich, sind grundsätzlich ähnlich.
Diese Eigenschaften der Porenätzung in InP können zur Herstellung von integrierten Wellenleitern genutzt werden. Dazu müssen lediglich alle Bereiche des InP Substrats mit Ausnahme der gewünschten Kernregion des Wellenleiters mit einem handelsüblichen Photoresist abgedeckt und strukturiert werden.
Danach erfolgt eine Porenätzung, bei der im einfachsten Fall die Ätzbedingungen konstant so gewählt werden, dass der Umschlag von KP zu SLP in der gewünschten Tiefe erfolgt. Da Stromfluß nur radialsymmetrisch bezüglich der nicht abgedeckten Fläche erfolgen kann, werden sich die SLP zwangsweise ebenfalls radialsymmetrisch anordnen. Damit ist zwangsweise ein Sprung im Brechungsindex von groß nach klein an der Grenzfläche KP – SLP verbunden, sowie eine stetige Abnahme des Brechungsindexes mit der SLP Tiefe, wenn die Ätzstromdichte konstant gehalten wird.
Dabei entsteht eine komplett neue Morphologie. Der Indexsprung entsteht im Wesentlichen dadurch, dass die SLP-Poren deutlich größere Durchmesser als die KP-Poren aufweisen, wodurch die Dichte und somit der Brechungsindex deutlich verringert wird.
Durch die generelle starke Tendenz zur Selbstorganisation in einen Porenkristall mit sehr regelmäßiger Anordnung der SLP sind die Poren in Richtung des Wellenleiters sehr regelmäßig angeordnet.
Die Geometrie kann dabei durch folgende Einflussmöglichkeiten gestaltet werden:

– Porendurchmesseroptimierung durch Dotierung, Elektrolyt, Stromdichte.
– Nur Schaffung eines Indexgradienten ohne KP,
– KP Schicht tiefer legen,
– Erzeugung eines Bragg-Reflektors um den Kern eines Wellenleiters
– Schaffung seitlicher Begrenzungen durch tiefe KP Schichten in einem extra

Arbeitsprozeß
Weitere Möglichkeiten bestehen durch zusätzliche Füllung der Poren, nämlich z.B.:

– Globale Änderung des Brechungsindexes durch Füllung mit Dielektrika.
– Steuerbare Änderung des Brechungsindexes durch Füllung mit Flüssigkristallen.

Schließlich können durch Verwendung von Schichtstrukturen einstellbare Indexsprünge durch Dotiersprünge erreicht werden.
Die Bereiche, in denen kristallographische Poren erzeugt werden sollen, können in üblicher Weise durch Aufbringen von Photoresist auf die übrigen nicht zu ätzenden Bereiche definiert werden.
Ein wesentlicher Unterschied zu den nano- und mesoporösen Schichten, die man in Silizium für Wellenleiter nutzt, ist die Ausrichtung der Poren radial vom Kern weg, wodurch man die Quasiperiodizität dieser Porenanordnung nutzen kann, um wie in einem Photonischen Kristall "Bragg-Reflexion" zur Führung des Lichtes im Wellenleiter zu nutzen.
Ebenfalls kann man die Dichte der SLP periodisch modulieren, um einen radialsymmetrischen Bragg-Spiegel um den Kern herum zu erzeugen, der dann eine viel bessere, oder zumindest neuartige frequenzselektive Lichtführung in dem Wellenleiter erlaubt.
Dieser zweite Ansatz läßt sich auch mit Nano(Meso)poren in Silizium realisieren, während der zuvor genannte auch nur mit SLP zu realisieren ist.
Normalerweise funktioniert der Wellenleiter durch seine Materialeigenschaften, unterschiedlich angeordnete DK- (Dielektrizitätskonstanten)-Gebiete, und lenkt das Licht nach den Fresnel-Gleichungen. Wenn man aber gitterartige Strukturen mit geeigneten Gitterkonstanten rings um den Kern einfügt, wird das Licht je nach Wellenlänge und Einstrahlrichtung an einem photonischen Kristall mit Streuzentren Bragg-reflektiert, d.h. die Lichtlenkung erfolgt durch Beugung am Gitter unabhängig vom Wellenleiter-Material.
Diese Art der Lichtführung ist praktisch verlustfrei (bei guten Gittern) und frequenzselektiv.
Die SLP werden dabei von den zuerst geätzten KP ausgehend radialsymmetrisch erzeugt (so daß sie im Querschnitt einen Kranz bilden). Durch Variation der Stromstärke während der SLP-Ätzung wachsen sie mal mit größerem Durchmesser (kleinerer Dichte) und mal mit kleinerem Durchmesser (größerer Dichte), so dass sich beliebige Konfigurationen einstellen lassen.
Somit lassen sich ausgedehnte Hohlräume auf definierten Zylindermantelflächen um den KP-Kern des Wellenleiters herstellen.
Mehrere untereinander liegende Mantelflächen mit Streuzentren lassen sich bei fortgesetzter Stromvariation erzeugen.
Wird der Strom periodisch variiert, haben die Streuebenen denselben radialen Abstand zueinander. Die Gesamtheit dieser gekrümmten Ebenen bildet einen Bragg-Reflektor, der bestimmte Lichtwellenlänge unter bestimmten Winkeln aus dem Kern kommend ohne wesentliche Verluste wieder in den Kern zurücklenkt.
Wichtig ist daß a) eine Ätzung von SLP ausgehend von entlang einer Linie vorhandenen Poren, insbes. KP, im Wesentlichen radialsymmetrisch von dieser Linie weg erfolgen kann und b) eine Variation der Ätzgeschwindigkeit durch Ändern des Stroms, insbesondere periodisches Ändern erfolgt und c) eine Variation des SLP-Durchmessers durch Ändern des Stroms, Bragg-Reflektoren erzeugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels des Erzeugens eines Wellenleiters in Indium-Phosphid erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines integrierten Wellenleiters bestehend aus einem Kern mit kristallographischen Poren und einem Mantel mit Stromlinienporen (SLP),
2 eine Darstellung wie 1 wobei ein Kranz von SLP durch periodisch modulierten Strom geätzt wurden,
3 eine schematische Darstellung für zwei parallel verlaufende, tiefer in den Kristall hinein gelegte Wellenleiter mit Kern und Mantelbereichen wie in 1,
4 ein Beispiel für nur Stromlinienporen, und
5 ein Beispiel für einen Bragg-Reflektor um einen Wellenleiter-Kernbereich herum.
Bei der Erstellung der Wellenleiter wird eine Ätzmaske in einer Dicke von 200 nm – aus positiv Photoresist mit einer 10 μm Streifenbreite verwendet und die Ätzung in (100)-n-InP, Indium Phosphid Halbleitermaterial, vorgenommen. Das Halbleitermaterial ist schwefeldotiert mit 10¹⁸ cm^–3 und als Ätzspannung wird 5 Volt angelegt, die Ätzlösung hat 5 Gewichts%-HCl in Wasser bei einer Temperatur von 20° C und die Ätzzeit beträgt 9 Sekunden.
Dabei kommt eine Doppelzelle mit ohmschem Elektrolytkontakt zum Einsatz, in der der Elektrolyt umgepumpt wird.
Durch Verringern der Dotierung und/oder der Elektrolytkonzentrationen ergeben sich größere Porendurchmesser und Porenwände. Größer ist ebenfalls der Bereich, in dem SLP wachsen.
Durch Erhöhen der Elektrolyt-Konzentrationen und der Stromdichten kann die Schicht kristallographischer Poren so dünn eingestellt werden, dass man sie vernachlässigen kann. Dann liegen im Wesentlichen lediglich SLP vor.
Weiter kann beim Ätzen zunächst mit einer SLP-Schicht begonnen werden, um den Wellenleiter, die KP-Schicht, tiefer in das Substrat hinein zu verlegen. Grundsätzlich wird man für die Dielektrizitätskonstanten-Unterschiede im Wellenleiter Poren der zweiten Porensorte (SLP) nutzen, die KP-Poren zur Nukleation benötigen.
Die Füllung der Porengebiete mit einem Dielektrikum kann mit einem Polymer oder mit SiO₂, Si₃N₄ oder Al₂O₃ realisiert werden. Noch einfacher ist es, durch thermische Oxidation der Porenwände einen In₂O₃-Kanal zu realisieren. Weiter können die Kanäle mit Flüssigkristallen gefüllt werden, deren Brechungsindex durch das Anlegen von elektrischen Feldern geändert werden kann.
In 1 ist eine schematische Darstellung eines integrierten Wellenleiters bestehend aus einem Kern 10 mit kristallographischen Poren und einem Mantel 12 mit Stromlinienporen (SLP) dargestellt. Die typische Porosität im Kern beträgt 30%, im Mantel 70%, wobei der Brechnungsindex des Kerns niedriger als der des InP-Kristalls ist, und der Brechnungsindex des Mantels niedriger als der des Kerns ist und nach außen hin abnimmt, wenn die SLP mit konstantem Strom geätzt werden.
In 2 ist eine Darstellung gewählt, die zeigt ein Kranz von SLP durch Ätzung mit periodisch modulierten Strom entsteht, so daß ein radial im Abstand bevorzugt regelmäßiger Bragg-Reflektor 14 entsteht.
In 3 ist weiter eine schematische Darstellung für zwei parallel verlaufende, tiefer in den Kristall hinein gelegte Wellenleiter mit Kern und Mantelbereichen wie in 1, die jedoch durch längeres Ätzen der kristallographischen Poren allein eine Deckschicht 16 mit dem Brechungsindex des unbehandelten Kristalls belassen.
4 ein Beispiel für real erzeugte Stromlinienporen, und 5 ein Beispiel für einen Bragg-Reflektor um einen Wellenleiter-Kernbereich herum.

Claims

Verfahren zur Herstellung von integrierten Wellenleitern in III-V-Halbleitern, gekennzeichnet durch elektrochemische Ätzung von Gebieten Stromlinien folgender Poren um Gebiete kristallographisch verlaufender Poren herum zur Erzeugung lichtleitender Strukturen, indem ausgehend von vorbestimmt verlaufenden Kernbereichen mit kristallographischen Poren durch Änderung der Stromdichte beim Ätzen das Porenwachstum wenigstens einmal auf eine andere Porenwachstumsrichtung senkrecht zu den Äquipotentialflächen verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche, in denen kristallographische Poren erzeugt werden sollen, durch Aufbringen von photo resist auf die übrigen Bereiche definiert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Einbringen von Substanzen mit schaltbarer Dielektrizitätskonstante in poröse Gebiete der Halbleiter.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ätzen von SLP ausgehend von entlang einer Linie vorgegebenen Nukleationspunkten, im wesentlichen radialsymmetrisch von dieser Linie weg bei periodischer Variation der Ätzgeschwindigkeit durch Ändern des Stroms, und periodischer Variation des SLP-Durchmessers durch Ändern des Stroms zur Erzeugung von Bragg-Reflektoren.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Einbringen von Flüssigkristallen in poröse Gebiete der Halbleiter und Anordnen von einer die Flüssigkristalle mit Spannung beaufschlagenden schaltbaren Einrichtungen.
III-V-Halbleiter mit integriertem Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter durch eine Struktur mit porösem Kern (10) aus einem Bereich kristallographischer Poren (KP) mit einem ebenfalls porösen Mantel (12), der durch einen Bereich aus Stromlinienporen (SLP) gebildet wird, besteht.
Halbleiterwellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat InP ist.
Halbleiterwellenleiter nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch periodisch in der Ausdehnung entlang einer Linie kristallographischen Porengebiets variierte Stromlinienporen (SLP).
Halbleiterwellenleiter nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch ein periodisch in der Dichte moduliertes Gebiet von Stromlinienporen, zur Erzeugung eines wenigstens einen Teilumfang eines Kerngebietes umgebenden, radialsymmetrischen Bragg-Spiegels zur frequenzselektiven Lichtführung in dem Wellenleiter.