DE112008002059T5

DE112008002059T5 - Mikroresonatorsysteme und Verfahren zum Herstellen derselben

Info

Publication number: DE112008002059T5
Application number: DE112008002059T
Authority: DE
Inventors: Michael Palo Alto Tan; Shih-Yuan Palo Alto Wang; Duncan Palo Alto Stewart; David Palo Alto Fattal
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: US7764852B2; WO2009017770A3; CN101772867B; WO2009017770A2; CN101772867A; DE112008002059B4; KR101516690B1; KR20100051833A; US20090034905A1; JP2010535356A

Abstract

Ein Mikroresonatorsystem (200), das folgende Merkmale aufweist:
ein Substrat (206) mit einer oberen Oberflächenschicht (204);
zumindest einen Wellenleiter (214, 216), der in das Substrat (206) eingebettet und benachbart zu der oberen Oberflächenschicht des Substrats positioniert ist; und
einen Mikroresonator mit einer oberen Schicht (218), einer Zwischenschicht (222), einer unteren Schicht (220), einer Peripherieregion und einer Peripheriebeschichtung (224), wobei die untere Schicht des Mikroresonators an der oberen Oberflächenschicht des Substrats angebracht ist und in elektrischer Kommunikation mit derselben steht, wobei der Mikroresonator so positioniert ist, dass zumindest ein Abschnitt der Peripherieregion oberhalb des zumindest einen Wellenleiters angeordnet ist, und die Peripheriebeschichtung zumindest einen Abschnitt der Peripherieoberfläche bedeckt und einen relativ niedrigeren Brechungsindex aufweist als die obere, die Zwischen- und die untere Schicht des Mikroresonators.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung richten sich auf Mikroresonatorsysteme und insbesondere auf Mikroresonatorsysteme, die als Laser, Modulatoren und Photodetektoren verwendet werden können, und auf die Verfahren zum Herstellen dieser Systeme.
Hintergrund
In den letzten Jahren hat die zunehmende Dichte mikroelektronischer Bauelemente auf integrierten Schaltungen zu einem technologischen Flaschenhals bei der Dichte metallischer Signalleitungen, die zur Verbindung dieser Bauelemente verwenden werden können, geführt. Zusätzlich ergibt die Verwendung metallischer Signalleitungen einen wesentlichen Anstieg des Leistungsverbrauchs und Schwierigkeiten bei einem Synchronisieren der längsten Verbindungen, die sich auf den meisten Schaltungen befinden. Anstelle eines Übertragens von Informationen als elektrische Signale über Signalleitungen können die gleichen Informationen in elektromagnetische Strahlung („ES”) codiert und über Wellenleiter, wie z. B. optische Fasern, Steghohlleiter und Photonenkristallwellenleiter, übertragen werden. Ein Übertragen von in ES codierten Informationen über Wellenleiter hat eine Anzahl von Vorteilen gegenüber einem Übertragen elektrischer Signale über Signalleitungen. Erstens ist eine Verschlechterung oder ein Verlust für über Wellenleiter übertragene ES viel kleiner als für über Signalleitungen übertragene elektrische Signale. Zweitens können Wellenleiter hergestellt werden, um eine viel höhere Bandbreite zu unterstützen als Signalleitungen. Ein einzelner Cu- oder Al-Draht z. B. kann nur ein einzelnes elektrisches Signal übertragen, während eine einzelne optische Faser konfiguriert sein kann, um etwa 100 oder mehr unterschiedlich codierte ES zu übertragen.
In jüngster Zeit haben Fortschritte in Materialwissenschaft und Halbleiterherstellungstechniken es möglich gemacht, photonische (optoelektronische) Bauelemente zu entwickeln, die in elektronische Bauelemente, wie z. B. CMOS-Schaltungen, integriert werden können, um integrierte photonische Schaltungen („PICs”; PIC = photonic integrated circuit) zu bilden. Der Ausdruck „photonisch” bezieht sich auf Bauelemente, die mit entweder klassisch charakterisierter ES oder quantisierter ES mit Frequenzen. die das elektromagne tische Spektrum überspannen, arbeiten können. PICs sind das Photonenäquivalent elektronischer integrierter Schaltungen und können auf einem Wafer aus einem Halbleitermaterial implementiert sein. Um PICs wirksam zu implementieren, werden passive und aktive photonische Komponenten benötigt. Wellenleiter und Dämpfer sind Beispiele passiver photonischer Komponenten, die typischerweise unter Verwendung herkömmlicher Epitaxie- und Lithographieverfahren hergestellt werden können, und könnten eingesetzt werden, um die Ausbreitung von ES zwischen mikroelektronischen Bauelementen zu richten. Diese Herstellungsverfahren jedoch erzeugen oft Defekte an den photonischen Komponenten, die zu einem wesentlichen Kanalverlust führen können. Eine häufige Verlustquelle ist Streuung aufgrund von Oberflächenrauheit.
1 zeigt eine Draufsicht einer exemplarischen Mikroplatte 102. Allgemein werden, da eine Mikroplatte einen größeren Brechungsindex aufweist als ihre Umgebung, Kanäle als eine Folge einer inneren Totalreflexion nahe an dem Umfang der Mikroplatte eingefangen und könnten innerhalb der Mikroplatte eingefangen sein. Moden von ES, die nahe an dem Umfang der Mikroplatte eingefangen sind, werden „flüsternde Galeriemoden („WGMs”; WGM = whispering gallery mode)” genannt. Ein Richtungspfeil 104, der sich nahe an dem Umfang der Mikroplatte 102 befindet, stellt eine hypothetische WGM dar, die sich nahe an dem Umfang der Mikroplatte 102 ausbreitet. Ein Intensitätsdiagramm 106 zeigt eine Intensität der WGM gegenüber einer Entfernung entlang einer Linie A-A der Mikroplatte 102. Die gestrichelten Intensitätskurven 108 und 110 zeigen, dass die WGM im Wesentlichen auf eine Peripherieregion der Mikroplatte 102 begrenzt ist. Abschnitte der Kurven 108 und 110, die sich über den Durchmesser der Mikroplatte 102 hinaus erstrecken, stellen ein Abklingen der WGM entlang des Umfangs der Mikroplatte 102 dar. Eine Vergrößerung 112 eines Rands der Mikroplatte 102 zeigt jedoch eine Oberflächenrauheit, die durch einen Ätzvorgang bewirkt werden kann, der zur Erzeugung der Mikroplatte 102 verwendet wird. Diese Oberflächenrauheit erzeugt Streuverlust und reduziert den Q-Faktor der Mikroplatte 102. Physiker und Ingenieure haben einen Bedarf nach Entwürfen für photonische Komponenten und Herstellungsverfahren erkannt, die Streuverluste reduzieren und Q-Faktoren, die photonischen Komponenten zugeordnet sind, erhöhen.
Zusammenfassung
Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Mikroresonatorsysteme und auf Verfahren zum Herstellen der Mikroresonatorsysteme. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ein Mikroresonatorsystem ein Substrat mit einer oberen Oberflächenschicht und zumindest einen Wellenleiter, der in das Substrat eingebettet und benachbart zu der oberen Oberflächenschicht des Substrats positioniert ist, auf. Das Mikroresonatorsystem umfasst außerdem einen Mikroresonator mit einer oberen Schicht, einer Zwischenschicht, einer unteren Schicht, einer Peripherieregion und einer Peripheriebeschichtung. Die untere Schicht des Mikroresonators ist an der oberen Oberflächenschicht des Substrats angebracht und steht in elektrischer Kommunikation mit derselben. Der Mikroresonator ist so positioniert, dass zumindest ein Abschnitt der Peripherieregion sich über dem zumindest einen Wellenleiter befindet. Die Peripheriebeschichtung bedeckt zumindest einen Abschnitt der Peripherieoberfläche und weist einen relativ niedrigeren Brechungsindex auf als die obere, die Zwischen- und die untere Schicht des Mikroresonators.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Draufsicht einer exemplarischen Mikroplatte.
2A zeigt eine isometrische Ansicht eines ersten Mikroresonatorsystems gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
2B zeigt eine Querschnittsansicht des ersten Mikroresonatorsystems entlang einer Linie 2B-2B, die in 2A gezeigt ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
3A zeigt eine Querschnittsansicht von Schichten, die eine exemplarische Mikroplatte aufweisen, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
3B zeigt eine Querschnittsansicht einer Flüstergaleriemode, die sich in einer Peripherieregion einer Mikroplatte befindet, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
4A zeigt eine isometrische Ansicht eines zweiten Mikroresonatorsystems gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
4B zeigt eine Querschnittsansicht des zweiten Mikroresonatorsystems entlang einer Linie 4B-4B, die in 4A gezeigt ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
5A bis 5J zeigen Ansichten, die einem Verfahren zum Herstellen des Mikroresonatorsystems, das in 2 gezeigt ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zugeordnet sind.
6A zeigt ein Energiepegeldiagramm, das elektronischen Zuständen eines Quantenmuldengewinnmediums zugeordnet ist.
6B zeigt eine schematische Darstellung des Mikroresonatorsystems, das in 2 gezeigt ist, das als ein Laser betrieben wird, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
7A zeigt eine schematische Darstellung des Mikroresonatorsystems, das in 2 gezeigt ist, das als ein Modulator betrieben wird, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
7B zeigt ein Diagramm von Intensität gegenüber Zeit von elektromagnetischer Strahlung, die aus einer Quelle emittiert wird, die in photonischer Kommunikation mit dem in 7A gezeigten Mikroresonatorsystem steht.
7C zeigt Intensität gegenüber Zeit von modulierter elektromagnetischer Strahlung, die durch das in 2 gezeigte Mikroresonatorsystem erzeugt wird.
8 zeigt eine schematische Darstellung des Mikroresonatorsystems, das in 2 gezeigt ist, das als ein Photodetektor betrieben wird, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung richten sich auf Mikrogröße-Resonator-(„Mikroresonator”-)Systeme und auf Verfahren zum Herstellen der Mikroresonatorsysteme. Die Mikroresonatorsysteme könnten als Laser, Modulatoren und Photodetektoren verwendet werden und können in einem CMOS-Schaltungsaufbau beinhaltet sein. Bei den verschiedenen unten beschriebenen Mikroresonator- und Herstellungsausführungsbeispielen wurde einer Anzahl strukturmäßig ähnlicher Komponenten, die die gleichen Materialien aufweisen, die gleichen Bezugszeichen gegeben und im Interesse einer Kürze wird eine Erläuterung deren Struktur und Funktion nicht wiederholt.
2A zeigt eine isometrische Ansicht eines Mikroresonatorsystems 200 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das Mikroresonatorsystem 200 weist eine Mikroplatte 202, die an einer oberen Oberflächenschicht 204 eines Substrats 206 angebracht ist, eine erste Elektrode 208 benachbart zu einer oberen Oberfläche 210 der Mikroplatte 202 und eine zweite Elektrode 212, die an der oberen Oberflächenschicht 204 angebracht und benachbart zu der Mikroplatte 202 positioniert ist, auf. Die Mikroplatte 202 ist ein Mikroresonator des Mikroresonatorsystems 200 und kann konfiguriert sein, um bestimmte WGMs zu unterstützen. Das Substrat 206 umfasst zwei Wellenleiter 214 und 216, die sich durch das Substrat 206 erstrecken und benachbart zu der oberen Oberflächenschicht 204 positioniert sind. Die Wellenleiter 214 und 216 befinden sich unterhalb von Peripherieregionen der Mikroplatte 202. Die Mikroplatte 202 weist eine obere Schicht 218, eine untere Schicht 220 und eine Zwischenschicht 222, die sandwichartig zwischen der oberen Schicht 218 und der unteren Schicht 220 angeordnet ist, auf. Die untere Schicht 220 kann aus dem gleichen Material bestehen wie die obere Oberflächenschicht 204, wie unten unter Bezugnahme auf 2B beschrieben ist. Die Schichten 218, 220 und 222 der Mikroplatte 202 sind unten unter Bezugnahme auf 3 detaillierter beschrieben. Das Mikroresonatorsystem 200 umfasst eine relativ dünne Peripheriebeschichtung 224, die zumindest einen Abschnitt der Peripherieoberfläche der Mikroplatte 202 bedeckt.
2B zeigt eine Querschnittsansicht des Mikroresonatorsystems 200 entlang einer Linie 2B-2B, die in 2A gezeigt ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Wie in 2B gezeigt ist, befinden sich die Wellenleiter 214 und 216 unterhalb von Abschnitten von Peripherieregionen der Mikroplatte 202. Die zweite Elektrode 212 steht über die obere Oberflächenschicht 204 in elektrischer Kommunikation mit der unteren Schicht 220. Obwohl nur eine einzelne zweite Elektrode 212 auf der oberen Oberflächenschicht 204 positioniert ist, können bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zwei oder mehr Elektroden auf der oberen Oberflächenschicht 204 positioniert sein.
Die obere Schicht 218 kann ein III-V-Halbleiter sein, der mit Elektronendonatorenverunreinigungen dotiert ist, die eine größere Elektronen- als Lochkonzentration erzeugen. Diese Halbleiter werden als „n-Typ-Halbleiter” bezeichnet. Die untere Schicht 220 kann ein III-V-Halbleiter sein, der mit Elementakzeptorverunreinigungen dotiert ist, die eine größere Loch- als Elektronenkonzentration erzeugen. Die Halbleiter werden als „p-Typ-Halbleiter” bezeichnet. Es wird angemerkt, dass die römischen Zahlen III und V sich auf Elemente in der dritten und fünften Spalte des Periodensystems der Elemente beziehen. Die Zwischenschicht 222 umfasst eine oder mehrere Quantenmulden. Jede Quantenmulde kann eine relativ dünne III-V-Halbleiterschicht sein, die sandwichartig zwischen zwei Schichten eines unterschiedlichen Typs eines III-V-Halbleiters angeordnet ist. 3A zeigt eine Querschnittsansicht von Schichten, die eine exemplarischen Mikroplatte 202 aufweisen, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. In 3A kann die obere Schicht 218 p-Typ-InP sein, wobei Zn als das Dotiermittel verwendet werden kann, und die untere Schicht 220 kann n-Typ-InP sein, wobei Si als Dotiermittel verwendet werden kann. Die Zwischenschicht 222 umfasst drei Quantenmulden 301–303 aus In_xGa_1-xAs_yP_1-y, wobei x und y zwischen 0 und 1 variieren. Die Zwischenschicht 222 umfasst außerdem Barriereschichten 305–308 aus In_xGa_1-xAs_yP_1-y, wobei x und y zwischen 0 und 1 variieren. Die Auswahl der Zusammensetzungen x und y ist in der Technik gut bekannt. Für Schichten z. B., die gitterangepasst an InP-Schichten 218 und 220 sind, wird als x-Wert 0,47 ausgewählt. Die Auswahl von y bestimmt die Bandlückenenergie der Quantenmulde. Die Funktionsweise einer Quantenmulde ist unten unter Bezugnahme auf 6A beschrieben. Die Quantenmulden 301–303 können konfiguriert sein, um ES mit einer erwünschten Wellenlänge λ zu emittieren, während die Barriereschichten 305–308 konfiguriert sein können, um eine relativ größere Bandlücke zu besitzen, um Träger (d. h. Elektronen und Löcher), die in die Quantenmulde injiziert werden, zu begrenzen. Die Schichten 306 und 307 trennen die Quantenmulden 301–303 und die Schichten 305 und 308 sind zwei relativ dickere Schichten, die die Quantenmulden 301 und 303 von den Schichten 218 bzw. 220 trennen. Die Peripheriebeschichtung 224 kann ein nichtdotierter Halbleiter auf Phosphorbasis, wie z. B. InP, sein. Das Substrat 206 kann SiO₂, Si₃N₄ oder ein anderes geeignetes dielektrisches isolierendes Material umfassen. Die Wellenleiter 214 und 216 können ein Element der Spalte IV, wie z. B. Si und Ge, umfassen. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung könnte ein weiterer geeigneter III-V-Halbleiter, wie z. B. GaAs, GaP oder GaN, verwendet werden.
Die Dicke der Peripheriebeschichtung 224 kann von etwa 5 bis etwa 25 nm variieren oder von etwa 10 bis etwa 20 nm variieren und einen relativ niedrigeren Brechungsindex als den Brechungsindex, der den Schichten 218, 220 und 222 der Mikroplatte 202 zugeordnet ist, aufweisen. Zusätzlich weist die Peripheriebeschichtung 224 außerdem eine glattere äußere Oberfläche auf als die äußere Oberfläche der Schichten 218, 220 und 222. Folglich dient die Peripheriebeschichtung 224 als eine Umhüllungsschicht, die außerdem die Menge an Verlust aufgrund von Streuung entlang der Peripherie der Mikroplatte 202 reduziert, was wiederum zu einem höheren zugeordneten Q-Faktor führt. 3B zeigt eine Querschnittsansicht einer WGM, die sich in einer Peripherieregion der Mikroplatte 202 befindet, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Wie in 3B gezeigt ist, identifizieren gestrichelte Ellipsen 310 und 312 Abschnitte der Peripherieregion der Mikroplatte 202, die durch eine WGM besetzt sind, und zeigen eine abklingende Kopplung der WGM in die Wellenleiter 214 und 216.
Die Mikroresonatoren der Mikroresonatorsystemausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nicht auf kreisförmige Mikroplatten, wie die Mikroplatte 202, eingeschränkt. Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Mikroresonatoren Mikroringe oder andere geeignete Mikroresonatoren sein und die Mikroresonatoren können kreisförmig, elliptisch sein oder eine beliebige andere Form aufweisen, die geeignet zum Erzeugen resonanter ES ist. 4A zeigt eine isometrische Ansicht eines zweiten Mikroresonatorsystems 400 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das Mikroresonatorsystem 400 weist einen Mikroring 402 auf, der an einer oberen Oberflächenschicht 204 eines Substrats 206 angebracht ist, und ist so positioniert, dass Abschnitte des Mikrorings 402 über Wellenleitern 214 und 216 angeordnet sind. Eine Mikroringelektrode 404 befindet sich an der oberen Oberfläche des Mikrorings 402 und der Mikroring 402 weist eine obere, eine Zwischen- und eine untere Schicht auf, die die gleiche Zusammensetzung aufweisen wie die Schichten 218, 220 und 222 der Mikroplatte 202. Die untere Schicht des Mikrorings 402 könnte das gleiche Material wie die obere Oberflächenschicht 204 umfassen. Das Mikroresonatorsystem 400 umfasst außerdem eine relativ dünne Peripheriebeschichtung 406, die die Peripherieoberfläche des Mikrorings 402 bedeckt.
4B zeigt eine Querschnittsansicht des zweiten Mikroresonatorsystems 400 entlang einer Linie 4B-4B, die in 4A gezeigt ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Wie in 4B gezeigt ist, befinden sich die Wellenleiter 214 und 216 unterhalb von Abschnitten des Mikrorings 402. Eine zweite Elektrode 212 steht über die obere Oberflächenschicht 204 in elektrischer Kommunikation mit der unteren Schicht des Mikrorings 402. Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können zwei oder mehr Elektroden auf der oberen Oberflächenschicht 204 positioniert sein.
Die 5A–5J zeigen isometrische und Querschnittsansichten, die einem Verfahren zum Herstellen des photonischen Systems 200, das in 2 gezeigt ist, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zugeordnet sind. 5A zeigt eine isometrische Ansicht einer ersten Struktur 500, die eine obere Schicht 502, eine Zwischenschicht 504, eine untere Schicht 506 und eine Ätzstoppschicht 508, die durch einen Wafer 510 auf Phosphorbasis getragen wird, aufweist. Die Schichten 502 und 506 können n-Typ- und p-Typ-III-V-Halbleiter, wie z. B. InP oder GaP, die mit Si bzw. Zn dotiert sind, aufweisen. Die Zwischenschicht 504 umfasst zumindest eine Quantenmulde, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde. Die Ätzstoppschicht 508 kann eine Dünnschicht aus gitterangepasstem In_0,53Ga_0,47As sein. Die Schichten 502, 504 und 506 können unter Verwendung von Molekularstrahlepitaxie („MBE”; MBE = molecular beam epitaxy).
Flüssigphasenepitaxie („LPE”; LPE = liquid Phase epitaxy), Hydridgasphasenepitaxie („HVPE”; HVPE = hydride vapor Phase epitaxy), Metallorganik-Gasphasenepitaxie („MOVPE”; MOVPE = metalorganic vapor Phase epitaxy) oder eines weiteren geeigneten Epitaxieverfahrens aufgebracht werden. 5B zeigt eine Querschnittsansicht der Schichten 502, 504, 506, 508 und des Wafers 510.
Als Nächstes kann, wie in der Querschnittsansicht von 5C gezeigt ist, Sputtern verwendet werden, um eine Oxidschicht 512 über der oberen Schicht 502 aufzubringen. Die Oxidschicht 512 kann verwendet werden, um ein Waferkontaktieren der oberen Schicht 502 auf das Substrat 206 zu ermöglichen, wie unten unter Bezugnahme auf 5G beschrieben wird. Die Schicht 512 kann SiO₂, Si₃N₄ oder ein weiteres geeignetes dielektrisches Material sein, das ein Waferkontaktieren an das Substrat 206 wesentlich verbessert.
5D zeigt einen Silizium-auf-Isolator-Substrat-(„SOI”-)Wafer 514 (SOI = silicon-oninsulator), der eine Si-Schicht 516 auf einer Oxidsubstratschicht 518 aufweist. Siliziumwellenleiter 214 und 216 können in der Si-Schicht 516 wie folgt hergestellt werden. Ein Photoresist kann über der Si-Schicht 516 aufgebracht werden und eine Photoresistmaske der Wellenleiter 214 und 216 kann in dem Photoresist unter Verwendung von UV-Lithographie strukturiert werden. Die Wellenleiter 214 und 216 können dann unter Verwendung eines geeigneten Ätzsystems, wie z. B. eines induktiv gekoppelten Plasmaätzers („ICP”; ICP = inductively coupled Plasma), und eines Ätzsystems mit niedrigem Druck und hoher Dichte mit einer chemischen Zusammensetzung basierend auf Cl₂/HBr/He/O₂ in der Si-Schicht 514 gebildet werden. Nachdem die Wellenleiter 214 und 216 in der Si-Schicht 516 gebildet wurden, kann ein Lösungsmittel verwendet werden, um die Photoresistmaske zu entfernen, was die Wellenleiter 214 und 216 hinterlässt, wie in 5E gezeigt ist. Eine Oxidschicht, die das gleiche Oxidmaterial umfasst wie das Substrat 518, kann unter Verwendung von chemischer Flüssigphasen-Aufdampfung über den Wellenleitern 214 und 216 aufgebracht werden. Chemisch-mechanische Polier-(„CMP”-)Verfahren könnten verwendet werden, um das aufgebrachte Oxid zu planarisieren, um das Substrat 206 mit eingebetteten Wellenleitern 214 und 216 zu bilden, wie in der Querschnittsansicht des Substrats 206 in 5F gezeigt ist.
Als Nächstes wird, wie in 5G gezeigt ist, die erste Struktur 500 umgekehrt und Waferkontaktieren wird verwendet, um die Oxidschicht 512 an der oberen Oberfläche des Substrats 206 anzubringen. Ein selektives Nassätzen kann verwendet werden, um die Schicht 510 zu entfernen, um eine zweite Struktur 520, die in 5H gezeigt ist, zu erhalten. Die Ätzstoppschicht 508 kann beinhaltet sein, um zu verhindern, dass der Ätzvorgang die Schicht 506 erreicht. Salzsäure kann auch verwendet werden, um einen Wafer 510 auf InP-Basis zu entfernen, da eine Ätzselektivität zwischen dem InP und dem InGaAs der Ätzstoppschicht 508 vorliegt.
Als Nächstes kann reaktives Ionenätzen („RIE”; RIE = reactive ion etching), chemisch gestütztes Ionenstrahlätzen („CAIBE”; CAIBE = chemically assisted ion beam etching) oder induktiv gekoppeltes Plasma-(„ICP”-)Ätzen (ICP = inductively coupled plasma) verwendet werden, um die Schichten 502, 504 und 506 in die Form der Mikroplatte 202 zu ätzen, die in 5I gezeigt ist. Es wird angemerkt, dass RIE, CAIBE und ICP auch verwendet werden können, um einen Mikroring, wie er in 4 gezeigt ist, oder eine andere geeignete Mikroresonatorform zu bilden. Ein Abschnitt der Schicht 502 benachbart zu dem Substrat 206 bleibt übrig, um die obere Oberflächenschicht 204 zu bilden. Die Struktur der resultierenden Mikroplatte 202 weist eine raue äußere Oberfläche auf, die aus dem Ätzvorgang resultiert. Der Trockenätzvorgang bewirkt eine dünne beschädigte Region auf der Oberfläche der Mikroplatte 202 aufgrund eines Bombardierens der Oberfläche der Mikroplatte 202 mit reaktiven Elementen. Diese beschädigte und aufgeraute äußere Oberfläche der Schichten 218, 220 und 222 bewirkt, dass ein übermäßiger Verlust und ein niedrigerer Q-Wert der ES auf diese Schichten begrenzt ist. Ein Massentransportverfahren wird verwendet, um diese raue Oberfläche auszuglätten, während die Beschädigung herausgeglüht wird.
Nachdem die Mikroplatte 202 durch Ätzen gebildet ist, werden die Mikroplatte 202 und das Substrat 206 in einer Reaktionskammer platziert, die mit einem geeigneten Partialdruck aus Phosphingas (PH₃) und Wasserstoff H₂ gefüllt ist, und die Kammer wird auf eine Temperatur erwärmt, die von etwa 400°C bis etwa 700°C variiert. Indiumatome in den Schichten 218, 220 und 222 werden dissoziiert und sind durch einen Massentransport in der Lage, mit Phosphor in dem Phosphingas an der äußeren Oberfläche der Mikroplatte 202 zu reagieren, eine relativ dünne Peripheriebeschichtung 224 aus InP bildend, die die äußere Oberfläche der Mikroplatte 202 bedeckt. Massetransport führt zu der Erosion scharfer konvexer Oberflächen und dem Anfüllen konkaver Oberflächen aufgrund von Oberflächenenergieminimierung und Diffusion.
5J zeigt die Peripheriebeschichtung 224, die die Mikroplatte 202 bedeckt, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die Peripheriebeschichtung 224 könnte eine Dicke aufweisen, die von etwa 5 nm bis etwa 25 nm oder von etwa 10 nm bis etwa 20 nm variiert, und könnte als Umhüllungsschicht dienen, da der Brechungsindex der Peripheriebeschichtung 224 relativ niedriger ist als der Brechungsindex der Schichten, die die Mikroplatte 202 aufweisen. Zusätzlich stellt, wie in einer Vergrößerung 524 der äußeren Oberfläche der Mikroplatte 202 gezeigt ist, die Peripheriebeschichtung 224 eine glattere äußere Oberfläche 526 bereit, die die Streumenge, die durch die raue äußere Oberfläche 528 erzeugt wird, reduziert und den Q-Faktor, der der Mikroplatte 202 zugeordnet ist, erhöht. Das massetransportierte InP in der Peripheriebeschichtung 224 weist eine breitere Bandlücke auf als die Quantenmulden der Quantenmuldenschicht 222 und reduziert einen Verlust aufgrund von Oberflächenrekombination der Träger an den Defekten auf der geätzten Oberfläche der Mikroplatte 202. Diese „Heteroschnittstelle” führt ein eingebautes Feld ein, das verhindert, dass die injizierten Träger die Oberfläche der Mikroplatte 202 erreichen.
Die Mikroplatte 202 kann als ein Laser verwendet werden, der kohärente ES erzeugt, die in den Wellenleitern 214 und 216 übertragen wird. Ein Laser weist drei Basiskomponenten auf: ein Gewinnmedium oder einen Verstärker, eine Pumpe und Rückkopplung der ES im Inneren eines optischen Resonators. Die Quantenmulden der Zwischenschicht 222 weisen das Gewinnmedium auf, ein extern angelegter Strom oder eine derartige Spannung an die Elektroden 208 und 212 ist die Pumpe und Rückkopplung wird durch eine innere Totalreflexion erzeugt, da eine WGM, die durch Pumpen von Quantenmulden der Zwischenschicht 222 erzeugt wird, sich nahe an dem Umfang der Mikroplatte 202 ausbreitet.
Ein Gewinnmedium kann zumindest eine Quantenmulde mit einer geeigneten Bandlücke umfassen. Die Quantenmuldengröße und das Volumenmaterial, das die Quantenmulde umgibt, bestimmen die Energiepegelbeabstandung elektronischer Zustände in der Quantenmulde. Üblicherweise ist die Quantenmulde konfiguriert, um eine relativ kleine Anzahl quantisierter Elektronenenergiepegel in dem Valenzband und einige quantisierte Lochenergiepegel in dem Leitungsband aufzuweisen. Elektronen, die von den niedrigsten Energiepegeln in dem Leitungsband zu Energiepegeln in dem Valenzband übergehen, bestimmen die Emissionswellenlänge λ des Gewinnmediums. 6A zeigt ein Energiepegeldiagramm 600, das quantisierten Elektronenenergiezuständen eines quantenmuldenbasierten Gewinnmediums einer Breite a zugeordnet ist. Eine schmalere Region 602 mit einer Bandlückenenergie E_g entspricht einer Quantenmulde und relativ breitere Regionen 604 und 606 mit einer Bandlückenenergie E entsprechen Volumenmaterial, das die Quantenmulde umgibt. Wie in 7A gezeigt ist, weist die Quantenmulde einen Lochenergiepegel 608 in dem Leitungsband und drei Elektronenenergiepegel 610–612 in dem Valenzband auf. Da das Gewinnmedium ein Halbleitermaterial aufweist, fördert ein geeigneter elektronischer Stimulus, wie z. B. elektrisches Pumpen, Elektronen aus dem Valenzband in die quantisierten Pegel in dem Leitungsband, wie z. B. den Lochenergiepegel 608. Eine spontane Rekombination eines Elektrons in dem Leitungsband mit einem Loch in dem Valenzband führt zu der Emission eines Photons mit einer Energie, die gegeben ist durch hc/λ, wobei h die Planksche Konstante ist und c die Geschwindigkeit von ES in einem Vakuum ist. Eine stimulierte Emission tritt als ein Ergebnis dessen auf, dass Photonen in der WGM das Gewinnmedium stimulieren, um mehr Photonen mit der gleichen Energie oder Wellenlänge zu erzeugen. Bei sowohl spontaner als auch stimulierter Strahlungsemission beträgt die Energie der emittierten ES: E2 – E1 = hcλ wobei E2 der Energiepegel 608 der Elektronen, die in das Leitungsband gepumpt wurden, ist und E₁ der Energiepegel 610 ist, der Löchern in dem Valenzband zugeordnet ist, die sich mit einem Elektron aus dem Leitungsband kombinieren. Solange die elektrische Pumpe an das Gewinnmedium angelegt ist, bewirkt Rückkopplung, die durch innere Totalreflexion innerhalb der Mikroplatte 202 bewirkt wird, einen Anstieg der Intensität der WGM. Eine Laserwirkung tritt auf, wenn der Gewinn gleich dem Verlust im Inneren der Mikroplatte 202 ist. Die Mikroplatte 202 bildet den optischen Resonator mit Gewinn und die Wellenleiter 214 und 216 koppeln die ES aus der Mikroplatte 202 heraus.
6B zeigt eine schematische Darstellung des Mikroresonatorsystems 200, das in 2 gezeigt ist, das als ein Laser betrieben wird, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Wie in 6B gezeigt ist, sind die erste und die zweite Elektrode 208 und 212 mit einer Stromquelle 614 verbunden. Quantenmulden der Mikroplatte 202 können durch Pumpen der Mikroplatte 202 als ein Gewinnmedium betrieben werden, wie oben unter Bezugnahme auf 6A beschrieben wurde, wobei ein Strom einer geeigneten Größe durch die Stromquelle 614 geliefert wird. Folglich wird eine WGM mit einer Wellenlänge λ innerhalb der Mikroplatte 202 erzeugt und eine innere Totalreflexion bewirkt, dass sich die WGM mit ansteigender Intensität der WGM nahe an dem Umfang der Mikroplatte 202 ausbreitet. Die WGM koppelt abklingend in die Wellenleiter 214 und 216, was ES mit einer Wellenlänge λ ergibt, die sich in den Wellenleitern 214 und 216 ausbreitet.
7A zeigt eine schematische Darstellung des Mikroresonatorsystems 200, das in 2 gezeigt ist, das als ein Modulator betrieben wird, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die Stromquelle 614 ist mit einer Datenquelle 702 verbunden, die eine zentrale Verarbeitungseinheit, ein Speicher oder eine andere Datenerzeugungsvorrichtung sein kann. Eine ES-Quelle 704 ist mit dem Wellenleiter 216 gekoppelt und emittiert ES mit einer im Wesentlichen konstanten Intensität über die Zeit, wie in 7B gezeigt ist. Zurück zu 7A hängt die Menge von ES. die in die Mikroplatte 202 gekoppelt wird, von der Verstimmung, dem Kopplungskoeffizienten und den Verlusten im Inneren der Mikroplatte 202 ab. Wenn die Wellenlänge λ der ES, die durch die Quelle 704 emittiert wird, von der Resonanz der Mikroplatte 202 verstimmt ist, koppelt die ES nicht von dem Wellenleiter 216 in die Mikroplatte 202. Wenn die Wellenlänge λ der ES in Resonanz mit der Mikroplatte 202 ist, wird die Übertragung der ES, die sich in dem Wellenleiter 216 ausbreitet, reduziert, weil die ES abklingend in die Mikroplatte 202 gekoppelt wird, was eine WGM erzeugt. Ein Teil der ES, die in dem Wellenleiter 216 übertragen wird, koppelt abklingend in die Peripherieregion der Mikroplatte 202, die oberhalb des Wellenleiters 216 angeordnet ist, und breitet sich in der Peripherieregion als eine WGM mit einer Wellenlänge λ aus. Die Datenquelle 702 codiert Daten in der WGM durch Modulieren des Betrags des Stroms, der durch die Stromquelle 614 erzeugt wird. Ein Modulieren des Betrags des Stroms, der zwischen den Elektroden 208 und 212 übertragen wird, bewirkt eine entsprechende Veränderung des Brechungsindex der Mikroplatte 202. Wenn der Brechungsindex der Mikroplatte 202 verändert wird, verändert sich die Resonanzwellenlänge der Mikroplatte 202, was eine Verstimmung von der Resonanzwellenlänge von ES, die in dem Wellenleiter 216 übertragen wird, bewirkt. Dies wiederum moduliert die Übertragung der ES aus dem Wellenleiter 216 in die Mikroplatte 202 und moduliert nachfolgend die Intensität der ES, die in dem Wellenleiter 216 übertragen wird. Wenn der Wellenleiter 214 vorhanden ist, kann ES von dem Eingangswellenleiter 216 über die Mikroplatte 202 an den Wellenleiter 214 übertragen werden. Die Menge der ES, die an den Wellenleiter 214 übertragen wird, hängt von der Kopplungsstärke ab. Ein Modulieren des Brechungsindex der Mikroplatte 202 führt zu einer Reduzierung der Intensität der ES, die an den Wellenleiter 214 übertragen wird. Außerdem kann die Intensität der ES in dem Wellenleiter 216 durch Einstellen des Verlusts im Inneren des Mikrorings 202 moduliert werden. Dies wird durch ein Verwenden des quantenbegrenzten Starkeffekts erzielt, der die Bandlücke der Quantenmulde durch das Anlegen einer angelegten Spannung moduliert. Ein Erhöhen des Verlusts in der Mikroplatte 202 moduliert die Intensität, die an der Mikroplatte 202 vorbei in den Wellenleitern 214 und 216 übertragen wird.
7C zeigt Intensität gegenüber Zeit von modulierter ES, wobei Regionen 706 und 708 mit relativ niedrigerer Intensität einem relativ höheren Brechungsindex, der auf die Mikroplatte 202 induziert wird, entsprechen. Die relativen Intensitäten können verwendet werden, um Informationen zu codieren, indem den relativen Intensitäten eine Binärzahl zugewiesen wird. Die Binärzahl „0” z. B. kann in einem Photonensignal durch niedrige Intensitäten, wie z. B. Intensitätsregionen 706 und 708, dargestellt sein und die Binärzahl „1” kann in dem gleichen Photonensignal durch relativ höhere Intensitäten, wie z. B. Intensitätsregionen 710 und 712, dargestellt sein.
8 zeigt eine schematische Darstellung des Mikroresonatorsystems 200, das in 2 gezeigt ist, das als ein Photodetektor betrieben wird, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Modulierte ES-λ-Codierungsinformationen werden in dem Wellenleiter 216 übertragen. Die ES koppelt abklingend in die Peripherieregion der Mikroplatte 202, was eine entsprechende modulierte WGM erzeugt. Fluktuationen bei der Intensität der WGMs induzieren einen entsprechenden fluktuierenden Strom zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 208 und 212. Der fluktuierende Strom ist ein elektrisches Signal, das die gleichen Daten codiert, die in der modulierten ES codiert sind, das durch eine Rechenvorrichtung 802 verarbeitet werden kann.
Die vorstehende Beschreibung hat zu Erläuterungszwecken eine spezifische Nomenklatur verwendet, um für ein gründliches Verständnis der Erfindung zu sorgen. Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet jedoch ersichtlich, dass die spezifischen Details nicht erforderlich sind, um die Erfindung auszuführen. Die vorstehenden Beschreibungen spezifischer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind zu Darstellungs- und Beschreibungszwecken vorgelegt. Sie sollen nicht ausschließlich für die Erfindung sein, noch diese auf die genauen offenbarten Formen einschränken. Offensichtlich sind angesichts der obigen Lehren viele Modifizierungen und Abänderungen möglich. Die Ausführungsbeispiele sind gezeigt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und deren praktische Anwendungen am besten zu erläutern, um es dadurch anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung und verschiedene Ausführungsbeispiele mit verschiedenen Modifizierungen, wie diese für die bestimmte beabsichtigte Verwendung geeignet sind, bestmöglich einzusetzen. Der Schutzbereich der Erfindung soll durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert sein:
Zusammenfassung
Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Mikroresonatorsysteme und auf Verfahren zum Herstellen der Mikroresonatorsysteme. Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Mikroresonatorsystem (200) ein Substrat (206) mit einer oberen Oberflächenschicht (204) und zumindest einen Wellenleiter (214, 216), der in das Substrat eingebettet und benachbart zu der oberen Oberflächenschicht des Substrats positioniert ist, auf. Das Mikroresonatorsystem umfasst außerdem einen Mikroresonator (202, 402) mit einer oberen Schicht (218), einer Zwischenschicht (222), einer unteren Schicht (220), einer Peripherieregion und einer Peripheriebeschichtung (224). Die untere Schicht (220) des Mikroresonators ist an der oberen Oberflächenschicht (204) des Substrats angebracht und steht in elektrischer Kommunikation mit derselben. Der Mikroresonator ist so positioniert, dass zumindest ein Abschnitt der Peripherieregion oberhalb des zumindest einen Wellenleiters (214, 216) angeordnet ist. Die Peripheriebeschichtung (224) bedeckt zumindest einen Abschnitt der Peripherieoberfläche und weist einen relativ niedrigeren Brechungsindex auf als die obere, die Zwischen- und die untere Schicht des Mikroresonators.

Claims

Ein Mikroresonatorsystem (200), das folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (206) mit einer oberen Oberflächenschicht (204); zumindest einen Wellenleiter (214, 216), der in das Substrat (206) eingebettet und benachbart zu der oberen Oberflächenschicht des Substrats positioniert ist; und einen Mikroresonator mit einer oberen Schicht (218), einer Zwischenschicht (222), einer unteren Schicht (220), einer Peripherieregion und einer Peripheriebeschichtung (224), wobei die untere Schicht des Mikroresonators an der oberen Oberflächenschicht des Substrats angebracht ist und in elektrischer Kommunikation mit derselben steht, wobei der Mikroresonator so positioniert ist, dass zumindest ein Abschnitt der Peripherieregion oberhalb des zumindest einen Wellenleiters angeordnet ist, und die Peripheriebeschichtung zumindest einen Abschnitt der Peripherieoberfläche bedeckt und einen relativ niedrigeren Brechungsindex aufweist als die obere, die Zwischen- und die untere Schicht des Mikroresonators.
Das System gemäß Anspruch 1, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine erste Elektrode (208), die auf der oberen Oberflächenschicht des Mikroresonators positioniert ist; und zumindest eine zweite Elektrode (212), die auf der oberen Oberflächenschicht des Substrats benachbart zu dem Mikroresonator positioniert ist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht ferner zumindest eine Quantenmulde (301–303) aufweist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die obere Schicht (218) ferner einen p-Typ-Halbleiter aufweist und die untere Schicht (222) ferner einen n-Typ-Halbleiter aufweist.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem die Peripheriebeschichtung (224) ferner einen Halbleiter auf Phosphorbasis aufweist und als eine Umhüllungsschicht für den Mikroresonator dient.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem der Mikroresonator ferner eines der folgenden Merkmale aufweist: eine Mikroplatte (102); und einen Mikroring (402).
Ein Mikroresonator, der folgende Merkmale aufweist: eine obere Schicht (218); eine untere Schicht (220); eine Zwischenschicht (222) mit einer oder mehreren Quantenmulden (301–303), wobei die Zwischenschicht sandwichartig zwischen der oberen Schicht und der unteren Schicht angeordnet ist; und eine Peripheriebeschichtung (224), die zumindest einen Abschnitt der Peripherieoberflächen der oberen Schicht, der unteren Schicht und der Zwischenschicht bedeckt, wobei die Peripheriebeschichtung einen relativ niedrigeren Brechungsindex aufweist als die obere Schicht, die untere Schicht und die Zwischenschicht.
Der Mikroresonator gemäß Anspruch 7, bei dem die obere Schicht (218) ferner einen p-Typ-Halbleiter aufweist und die untere Schicht (220) ferner einen n-Typ-Halbleiter aufweist.
Der Mikroresonator gemäß Anspruch 7, bei dem die Peripheriebeschichtung (224) ferner einen Halbleiter auf Phosphorbasis aufweist und als eine Umhüllungsschicht dient.
Der Mikroresonator gemäß Anspruch 7, der ferner eines der folgenden Merkmale aufweist: eine Mikroplatte (202); und einen Mikroring (402).