DE112022002473T5

DE112022002473T5 - Optisches Modul

Info

Publication number: DE112022002473T5
Application number: DE112022002473.9T
Authority: DE
Inventors: Victor Sidorov; Jesus Castano Fernando; Anderson Singulani; Diana Hohl; Luca Lucera
Original assignee: Ams Osram AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2022-04-13
Publication date: 2024-02-15
Also published as: CN117242380A; WO2022233556A1

Abstract

Optisches Modul, das einen Emitter und eine Halbleitervorrichtung umfasst, wobei der Emitter an der Halbleitervorrichtung angebracht und von der Halbleitervorrichtung durch einen Spalt getrennt ist, wobei die Halbleitervorrichtung einen Wellenleiter und ein Beugungsgitter umfasst, das sich innerhalb des Halbleiters der Halbleitervorrichtung befindet, wobei das Beugungsgitter ein koppelndes Beugungsgitter ist, das so konfiguriert ist, dass es von dem Emitter emittiertes Licht in den Wellenleiter koppelt, und wobei die Halbleitervorrichtung ferner ein zusätzliches Beugungsgitter umfasst, das auf einer Oberfläche der Halbleitervorrichtung vorgesehen ist, die dem Emitter gegenüberliegt.

Description

Technischer Bereich der Offenlegung
Die Offenbarung bezieht sich auf ein optisches Modul und auf ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Moduls.
Hintergrund der Offenlegung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein optisches Modul, das einen an einer Halbleitervorrichtung angebrachten Emitter umfasst, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen optischen Moduls.
Bekannte optische Module umfassen einen Emitter, der an einem Halbleiterbauelement angebracht, aber von diesem beabstandet ist. Bei dem Emitter kann es sich beispielsweise um einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) handeln. Das Halbleiterbauelement umfasst einen Wellenleiter, der so konfiguriert ist, dass er das vom Emitter emittierte Licht leitet, und ein optisches Element, das dazu dient, das Licht vom Emitter in den Wellenleiter einzukoppeln. Das optische Element kann zum Beispiel ein Beugungsgitter sein. Das optische Element kann ferner einen oder mehrere Sensoren oder andere elektrische Elemente umfassen, die Licht erfassen oder nutzen. Ein solches optisches Modul kann als photonische integrierte Schaltung (PIC) bezeichnet werden, weil es Licht in einem Halbleiterbauelement leitet oder manipuliert, das auch integrierte elektrooptische und/oder elektrische Komponenten enthalten kann.
Ein Problem bei den bekannten optischen Modulen ist, dass das Licht des Senders instabil sein kann (z. B. Schwankungen der Intensität). In einigen Fällen kann der Emitter mit der Zeit beschädigt werden, so dass das optische Modul nicht mehr richtig funktioniert.
Ein Ziel der vorliegenden Offenlegung ist es, eines oder mehrere der oben genannten Probleme zu lösen.
Zusammenfassung
Im Allgemeinen schlägt diese Offenbarung vor, die oben genannten Probleme zu überwinden, indem ein Beugungsgitter auf einer Oberfläche des Halbleiterbauelements bereitgestellt wird, die dem Emitter gegenüberliegt. Das Beugungsgitter kann oberhalb eines Beugungsgitters im Inneren des Halbleiterbauelements angeordnet sein und den gleichen Abstand wie dieses haben. Das Beugungsgitter auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements kann als Oberflächengitter bezeichnet werden, und das Beugungsgitter innerhalb des Halbleiterbauelements kann als Kopplungsgitter bezeichnet werden (es kann so konfiguriert sein, dass es Licht z. B. in einen Wellenleiter koppelt). Das Oberflächengitter kann eine Projektion des Kopplungsgitters sein und kann durch Abscheidung von Halbleitermaterial auf das Kopplungsgitter gebildet werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Modul bereitgestellt, das einen Emitter und eine Halbleitervorrichtung umfasst, wobei der Emitter an der Halbleitervorrichtung angebracht ist und von der Halbleitervorrichtung durch einen Spalt getrennt ist, wobei die Halbleitervorrichtung einen Wellenleiter und ein Beugungsgitter umfasst, das sich innerhalb des Halbleiters der Halbleitervorrichtung befindet, wobei das Beugungsgitter ein Kopplungsbeugungsgitter ist, das so konfiguriert ist, dass es Licht, das von dem Emitter emittiert wird, in den Wellenleiter koppelt, und wobei die Halbleitervorrichtung ferner ein zusätzliches Beugungsgitter umfasst, das auf einer Oberfläche der Halbleitervorrichtung bereitgestellt wird, die dem Emitter gegenüberliegt.
Vorteilhafterweise reduziert oder verhindert das Beugungsgitter auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements die Rückreflexion von Licht in den Emitter.
Das Beugungsgitter auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements kann die gleiche Teilung wie das Kopplungsbeugungsgitter haben.
Das Beugungsgitter auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements kann wie das Kopplungsbeugungsgitter ausgerichtet sein.
Das Beugungsgitter auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements kann eine Projektion des Kopplungsbeugungsgitters auf die Oberfläche des Halbleiterbauelements sein.
Erhöhte Teile des Beugungsgitters auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements können schräge Seiten haben.
Die Linien des Kopplungsbeugungsgitters können im Wesentlichen vertikale Seiten haben.
Der Emitter kann ein Laser sein.
Der Emitter kann ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) sein.
Der Emitter kann so konfiguriert sein, dass er Infrarotlicht aussendet.
Das Halbleiterbauelement kann ein erstes Halbleitermaterial und ein zweites Halbleitermaterial umfassen, wobei das erste Halbleitermaterial einen höheren Brechungsindex als das zweite Halbleitermaterial aufweist. Das Kopplungsbeugungsgitter und der Wellenleiter können aus dem ersten Halbleitermaterial gebildet werden, das in dem zweiten Halbleitermaterial eingeschlossen ist. Das Beugungsgitter auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements kann aus dem zweiten Halbleitermaterial hergestellt werden.
Das erste Halbleitermaterial kann SiN sein. Das zweite Halbleitermaterial kann SiO₂ sein.
Das Halbleiterbauelement kann ferner integrierte Schaltungen und mindestens ein elektrooptisches Bauelement umfassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines optischen Moduls bereitgestellt, welches umfasst die Bereitstellung einer Schicht eines zweiten Halbleitermaterials auf einer Schicht eines ersten Halbleitermaterials, die Verwendung von Lithographie zum Ätzen eines Musters in das zweite Halbleitermaterial, wobei das Muster ein Kopplungsbeugungsgitter und einen Wellenleiter umfasst, das Verwenden eines Abscheidungsprozesses, um mehr von dem ersten Halbleitermaterial auf dem Beugungsgitter und dem Wellenleiter bereitzustellen, wobei ein zusätzliches Beugungsgitter auf einer oberen Oberfläche der ersten Halbleiteroberfläche gebildet wird, wobei dieses Oberflächenbeugungsgitter eine Projektion des Kopplungsbeugungsgitters ist, und das Anbringen eines Emitters an der Halbleitervorrichtung, wobei der Emitter von der Halbleitervorrichtung durch einen Spalt getrennt ist.
Das Ätzen kann das zweite Halbleitermaterial durchdringen und in das erste Halbleitermaterial ätzen.
Das Oberflächenbeugungsgitter kann die gleiche Teilung wie das Kopplungsbeugungsgitter haben.
Das Oberflächenbeugungsgitter kann mit dem Kopplungsbeugungsgitter ausgerichtet sein.
Erhöhte Teile des Oberflächenbeugungsgitters können schräge Seiten haben.
Die Linien des Kopplungsbeugungsgitters können im Wesentlichen vertikale Seiten haben.
Das erste Halbleitermaterial kann SiN sein. Das zweite Halbleitermaterial kann SiO₂ sein.
Merkmale verschiedener Aspekte der Erfindung können miteinander kombiniert werden.
Schließlich verwendet das hier vorgestellte Anzeigesystem einen neuartigen Ansatz, der zumindest darin besteht, dass ein Oberflächengitter über einem Kopplungsgitter eines Halbleiterbauelements vorgesehen ist und die Rückreflexion des vom Halbleiterbauelement emittierten Lichts in den Emitter verhindert oder verringert.
Kurzbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Einige Ausführungsformen der Offenbarung werden jetzt nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 schematisch im Querschnitt ein optisches Modul gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung zeigt;
2 schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements des in 1 dargestellten Moduls zeigt;
3 schematisch ein alternatives Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements des in 1 dargestellten Moduls zeigt; und
4 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Teils eines Halbleiterbauelements gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Allgemeinen stellt die Offenbarung ein optisches Modul und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Moduls bereit. Auf der Oberfläche eines Halbleiterbauelements des optischen Moduls ist ein Gitter ausgebildet. Das Gitter verhindert oder reduziert die Rückreflexion von Licht in einen Emitter des optischen Moduls.
Einige Beispiele für die Lösung sind in den beigefügten Figuren dargestellt.
1 zeigt schematisch im Querschnitt ein optisches Modul 2, das einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) 4 umfasst, der an einem Halbleiterbauelement 6 (nur teilweise dargestellt) befestigt ist. Das Halbleiterbauelement 6 umfasst ein Gitter 8 und einen Wellenleiter 10 und kann auch andere Elemente enthalten (wie weiter unten erläutert). Das Gitter 8 hat eine Teilung, die so konfiguriert ist, dass es vom VCSEL 4 emittiertes Licht empfängt und dieses Licht in den Wellenleiter 10 einkoppelt. Die Teilung des Gitters 8 wird weiter unten beschrieben. Der VCSEL 4 ist mit dem Halbleiterbauelement 6 verbunden. In dem dargestellten optischen Modul erfolgt die Befestigung über Verbindungen 12, die beispielsweise aus Lötmittel oder einem anderen Leiter bestehen können. Die Halbleitervorrichtung 6 kann einen Treiber enthalten, der so konfiguriert ist, dass er den VCSEL mit Strom versorgt. Eine Stromquelle kann sich außerhalb der Halbleitervorrichtung 6 befinden und beispielsweise mit der Halbleitervorrichtung verbunden sein, um eine Hybridbaugruppe zu bilden. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind in 1 und anderen Figuren kartesische Koordinaten angegeben.
Dies soll nicht bedeuten, dass das optische Modul 2 eine bestimmte Ausrichtung haben muss.
Das Halbleiterbauelement 6 kann sich weiter in x-Richtung erstrecken, wie durch gestrichelte Linien angezeigt. Der Wellenleiter 10 kann so konfiguriert sein, dass er Licht zu anderen Elementen der Halbleitervorrichtung 6 (nicht abgebildet) leitet. Bei den anderen Elementen kann es sich zum Beispiel um einen oder mehrere Sensoren, Detektoren, Interferometer, optische Schalter, räumliche Lichtmodulatoren und/oder optische Logikgatter usw. handeln. Das Halbleiterbauelement 6 kann beispielsweise für den Einsatz in der Telekommunikation konfiguriert sein (z. B. für den Betrieb bei einer in der Telekommunikation verwendeten Wellenlänge wie beispielsweise 1,5 µm). Das Halbleiterbauelement kann zum Beispiel für die Verwendung in der optischen Datenverarbeitung konfiguriert sein (z. B. einschließlich optischer Logikgatter). Das optische Modul 2 kann als photonische integrierte Schaltung (PIC) bezeichnet werden, da es Licht in einer Struktur leitet oder manipuliert, die auch integrierte elektrische Schaltungen und mindestens eine elektrooptische Vorrichtung enthalten kann.
Ein zusätzliches Gitter 14 befindet sich auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements (oberhalb des Gitters 8, das das Licht in den Wellenleiter 10 einkoppelt). Um zwischen den beiden Gittern des optischen Moduls 2 zu unterscheiden, wird das Gitter 14 auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements als Oberflächengitter 14 und das Gitter 8, das Licht in den Wellenleiter 10 einkoppelt, als Kopplungsgitter 8 bezeichnet. Das Oberflächengitter 14 ist dem VCSEL 4 zugewandt. Das Oberflächengitter 14 kann so ausgerichtet sein, dass das vom VCSEL 4 emittierte Licht normalerweise (oder im Wesentlichen normalerweise) auf das Oberflächengitter fällt.
Zwischen dem VCSEL 4 und dem Halbleiterbauelement 6 befindet sich ein Spalt 16. Der Spalt 16 kann z. B. zwischen 5 und 50 µm betragen (d. h. der Abstand zwischen dem VCSEL und dem Halbleiterbauelement 6 kann zwischen 5 und 50 µm liegen). Der Spalt kann z. B. Luft (oder ein anderes Gas) enthalten. Der Halbleiter der Halbleitervorrichtung 6 hat einen wesentlich höheren Brechungsindex als Luft (oder ein anderes Gas). Der VCSEL 4 ist so konfiguriert, dass er Laserlicht (z. B. Infrarotlicht) von seiner Unterseite aus, d. h. in Richtung der Halbleitervorrichtung 6 (in -z-Richtung), aussendet. Mit anderen Worten: Der VCSEL 4 ist einer Oberfläche des Halbleiterbauelements 6 zugewandt. Das vom VCSEL 4 emittierte Licht ist schematisch durch den Pfeil 15 dargestellt. Da sich der Brechungsindex zwischen dem Spalt 16 und dem Halbleiterbauelement 6 stufenweise ändert, wird ein Teil des vom VCSEL 4 ausgestrahlten Lichts von der Oberfläche des Halbleiterbauelements reflektiert.
Wäre das Oberflächengitter 14 nicht vorhanden, würde das reflektierte Licht senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterbauelements zurück in den VCSEL 4 reflektiert. Dies ist unerwünscht, weil die Rückreflexion des Laserlichts in den VCSEL 4, insbesondere in einen Laserresonator des VCSEL, das Licht im Laserresonator des VCSEL stören und einen suboptimalen Betrieb des VCSEL verursachen würde. Die optische Leistung des VCSEL würde beeinträchtigt, und mit der Zeit würde der VCSEL beschädigt werden. Diese Beschädigung könnte so schwerwiegend sein, dass der photonische integrierte Schaltkreis (PIC) nicht mehr richtig funktioniert.
Vorteilhafterweise beugt das Oberflächengitter 14 das auf das Halbleiterbauelement 6 auftreffende Licht aus dem VCSEL 4. Dies hat zur Folge, dass Licht, das von der Oberfläche des Halbleiterbauelements 6 reflektiert wird, nicht zurück in den VCSEL 4 gelangt, sondern in einem Winkel gebeugt wird, der außerhalb einer Eintrittsöffnung des VCSEL (insbesondere der Laserkavität des VCSEL) liegt, und somit nicht in den VCSEL zurück gelangt. Dies hat den Vorteil, dass Instabilitäten im Betrieb des VCSEL durch rückreflektiertes Licht und eine Beeinträchtigung der Leistung des VCSEL durch rückreflektiertes Licht vermieden werden. Darüber hinaus wird die Möglichkeit vermieden, dass zurückgestrahltes Licht schwere Schäden verursacht, die das ordnungsgemäße Funktionieren der photonischen integrierten Schaltung (PIC) verhindern. Beugungsreflektiertes Licht wird durch einen Pfeil 17 schematisch dargestellt.
Licht, das durch die Oberfläche des Halbleiterbauelements 6 durchgelassen wird, wird auch durch das Oberflächengitter 14 gebeugt. Dieses durchgelassene gebeugte Licht ist schematisch durch einen Pfeil 18 dargestellt. Das transmittierte, gebeugte Licht fällt auf das Kopplungsgitter 8. Das Kopplungsgitter koppelt das Licht in den Wellenleiter 10 ein. Dieses Licht wird dann durch das Kopplungsgitter 8 in den Hohlleiter 10 eingekoppelt. Das sich im Wellenleiter 10 ausbreitende Licht ist schematisch durch einen Pfeil 19 dargestellt.
Das Oberflächengitter 14 und das Kopplungsgitter 8 haben die gleiche Teilung. Das durchgelassene gebeugte Licht, schematisch dargestellt durch Pfeil 18, kann gebeugtes Licht erster Ordnung sein. Das Kopplungsgitter 8 empfängt dieses gebeugte Licht erster Ordnung und koppelt das Licht in den Wellenleiter 10 ein.
Vorteilhafterweise wird das Oberflächengitter 14 durch Abscheidung von Halbleitermaterial auf dem Kopplungsgitter 8 gebildet.
Das Kupplungsgitter 8 ist eine Struktur, die aus einer Reihe erhabener Teile besteht, die durch Zwischenräume (die als untere Teile bezeichnet werden können) getrennt sind. Die erhöhten Abschnitte und die unteren Abschnitte können als Linien und Zwischenräume bezeichnet werden. Die Höhe der erhöhten Abschnitte im Verhältnis zu den unteren Abschnitten kann beispielsweise mindestens 200 nm betragen (und kann beispielsweise bis zu 500 nm betragen). Die Teilung des Kopplungsgitters 8 kann beispielsweise zwischen 0,5 µm und 1 µm liegen. Das Verhältnis zwischen den erhöhten und unteren Abschnitten (das als Verhältnis zwischen den Zeilen und dem Raum bezeichnet werden kann) kann beispielsweise zwischen 0,4 und 0,6 liegen. Diese Werte können in Abhängigkeit von der Wellenlänge des vom VCSEL emittierten Lichts und anderen Parametern des Lichts variiert werden. Das Kopplungsgitter 8 kann z. B. eine Fläche (von oben gesehen) von etwa 50 × 50 µm haben. Im Allgemeinen kann das Kopplungsgitter 8 eine Fläche von mindestens 1000 µm² haben.
Das Halbleitermaterial wird auf der Oberseite der Kopplungsgitterstruktur abgeschieden. Wenn das aufgebrachte Halbleitermaterial gleichmäßig verteilt ist, kann die Dicke des auf einem erhöhten Teil der Kopplungsgitterstruktur aufgebrachten Materials im Wesentlichen die gleiche sein wie die Dicke des auf einem unteren Teil der Gitterstruktur aufgebrachten Materials. Das bedeutet, dass selbst wenn die Kopplungsgitterstruktur vollständig mit Halbleitermaterial bedeckt ist, eine obere Fläche der Halbleiterbedeckung immer noch eine Gitterstruktur aufweist. Dieses Gitter kann als ein Vorsprung des Kopplungsgitters angesehen werden und kann selbst dann vorhanden sein, wenn eine beträchtliche Dicke der Halbleitermaterialabdeckung vorhanden ist (z. B. eine Dicke, die größer ist als eine Höhe des Kopplungsgitters). Der Vorsprung des Kopplungsgitters kann vorhanden sein, wenn eine Dicke des Halbleitermaterials von 1 µm oder mehr (z. B. bis zu 5 µm) auf dem Kopplungsgitter 8 vorhanden ist.
In 1 ist die Projektion des Kopplungsgitters 8 in die Oberfläche der Abdeckung aus Halbleitermaterial das Oberflächengitter 14. Das Oberflächengitter hat eine Teilung, die der Teilung des Kopplungsgitters entspricht. Darüber hinaus ist das Oberflächengitter mit dem Kopplungsgitter ausgerichtet (d. h. direkt über dem Kopplungsgitter angeordnet). Dadurch wird vorteilhafterweise die Notwendigkeit vermieden, die Ausrichtung zwischen separat implementierten Kopplungs- und Oberflächengittern sicherzustellen (was in der Praxis schwierig und teuer sein könnte).
2 zeigt schematisch die Herstellung eines optischen Moduls mit einem Kopplungsgitter und einem Oberflächengitter gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. In 2A wird zunächst ein Siliziumsubstrat 220 bereitgestellt und eine Schicht aus SiO₂ 222 auf das Siliziumsubstrat aufgebracht. Eine Schicht aus SiN 224 wird auf der SiO₂ Schicht 222 abgeschieden. Die SiN-Schicht 224 wird nach Fertigstellung des optischen Moduls ein Kopplungsgitter und einen Wellenleiter bilden (SiN hat einen höheren Brechungsindex als SiO₂).
Auf die SiN-Schicht 224 wird eine Resistschicht 226 aufgebracht. Anschließend wird eine lithografische Belichtung mit einer Maske durchgeführt. Die Maske blockiert den Lichteinfall auf einige Bereiche des Resists 226, lässt aber den Lichteinfall auf andere Bereiche des Resists zu. Dort, wo das Licht auf den Fotolack trifft, kommt es zu einer chemischen Reaktion des Fotolacks (dies kann eine Vernetzung sein, die durch die Belichtung mit lithografischem Licht verursacht wird). Der Resist wird dann entwickelt, um das belichtete Muster im Resist zu fixieren. Anschließend wird der nicht belichtete Resist entfernt. Dieses lithografische Verfahren ist gut bekannt und wird daher hier nicht weiter beschrieben. Es können verschiedene Varianten des lithografischen Verfahrens verwendet werden.
2B zeigt das Ergebnis der lithografischen Belichtung, der Entwicklung des belichteten Resists und der Entfernung des unbelichteten Resists. Wie zu sehen ist, wird in dem Resist 226 eine Gitterstruktur 228 gebildet. Die Linien der Gitterstruktur 228 sind im Allgemeinen rechteckig. Die Linien der Gitterstruktur 228 haben im Wesentlichen vertikale Seiten. Die Gitterstruktur 228 kann sich teilweise über die Oberfläche der SiN-Schicht 224 (d. h. in y-Richtung) erstrecken. Das heißt, die Gitterstruktur 228 kann enden, bevor sie die Seiten der SiN-Schicht 224 erreicht. Zur Bildung des Wellenleiters ist eine Resistlinie 229 vorgesehen, die sich in x-Richtung erstreckt. Auf beiden Seiten der Resistlinie ist kein Resist vorhanden. Der strukturierte entwickelte Resist kann als Ätzmaske bezeichnet werden.
Wie in 2C dargestellt, wird ein Ätzverfahren wie das reaktive lonenätzen (RIE) verwendet. Das Ätzen ist in der Lage, in die SiN-Schicht 224 zu ätzen, nicht aber in den entwickelten Resist 226. Das Ätzen ätzt das SiN 224 an Stellen weg, die nicht durch den entwickelten Resist 226 geschützt sind. Dies ist in einer erweiterten Ansicht eines Teils von 2C dargestellt. In der SiN-Schicht 224 haben sich durch das Ätzen Zwischenräume 228b gebildet. Diese Zwischenräume 228b bilden zusammen mit dem restlichen SiN 228a ein Gitter. Links des Gitters ist eine Linie aus SiN 224 zu sehen. Diese bildet einen Teil des Wellenleiters.
Wie in 2D dargestellt, wird der entwickelte Lack von der SiN-Schicht 224 entfernt. Dies kann als Ablösen der Ätzmaske bezeichnet werden. Zurück bleibt ein SiN-Gitter 208, das auf der SiO₂ -Schicht 222 sitzt. Außerdem wird ein Wellenleiter 210 gebildet, wobei der Wellenleiter eine Linie aus SiN ist, die sich in x-Richtung erstreckt.
Wie in 2E dargestellt, wird auf die SiN-Schicht 224 eine Schicht aus SiO₂ 232 aufgebracht. Die Schicht aus SiO₂ 232 bedeckt das Gitter 208 und den Wellenleiter 210. Das Gitter 208 ist ein Kopplungsgitter, das Licht in den Wellenleiter 210 einkoppelt. Wie weiter oben erläutert, bedeckt die Ablagerung des SiO₂ auf dem Gitter 208 das Gitter, aber ein Vorsprung des Gitters verbleibt in Form eines Oberflächengitters 214. Dies ist in einer erweiterten Ansicht eines Teils von 2E dargestellt. Das Flächengitter 214 umfasst erhöhte Abschnitte 214a, die durch Zwischenräume 214b getrennt sind (die auch als untere Abschnitte 214b bezeichnet werden können). Das Oberflächengitter 214 hat die gleiche Teilung wie das Kopplungsgitter 228 und ist mit dem Kopplungsgitter fluchtend. Die Form der erhöhten Abschnitte 214a des Flächengitters 214 ist nicht rechteckig wie das Kopplungsgitter 228. Dies ist auf die natürlichen Eigenschaften des abgeschiedenen SiO₂ 232 zurückzuführen. Die Eigenschaften des Oberflächengitters 214 können durch die Art und Weise beeinflusst werden, in der die Abscheidung des SiO₂ erfolgt (wie weiter unten erläutert).
Die SiN-Linie, die sich in x-Richtung erstreckt, bildet den Hohlleiter 210. Die SiO₂ - Schichten 222, 232 bilden obere und untere Mantelschichten für den SiN-Kern 224 des Wellenleiters 210 (und stellen auch Mantelschichten auf beiden Seiten des Wellenleiters dar). Der Mantel aus SiO₂ um den SiN-Kern hat einen niedrigeren Brechungsindex als das SiN, so dass der Kern und der Mantel zusammen den Wellenleiter 210 bilden (sie sorgen für die Wellenleitung des Lichts). Der Einfachheit halber kann der Begriff Wellenleiter 210 in Verbindung mit dem SiN-Kern des Wellenleiters verwendet werden.
In einem weiteren Schritt (nicht abgebildet) wird ein VCSEL auf das SiN 232 geklebt, um ein optisches Modul zu bilden (wie in 1 dargestellt).
Die Abscheidung des Materials kann durch chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD) erfolgen, z. B. durch plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase (PECVD). Die Abscheidung von SiO₂ kann nach einem herkömmlichen PECVD-Rezept erfolgen, z. B. nach dem folgenden:

Temperatur 350°C

Halbleitermaterial 10%SiH4/He - 50 sccm

Erstes Gas N₂ O - 710 sccm

Zweites Gas N₂ - 90 sccm

Druck 1000 mTorr

Hochfrequenzleistung 20 W
Es können auch andere Rezepte verwendet werden.
In 3 ist schematisch ein alternatives Herstellungsverfahren dargestellt, das für Ausführungsformen der Offenbarung verwendet werden kann. Einige Schritte dieses Verfahrens entsprechen den Schritten des oben im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Verfahrens und werden daher im Zusammenhang mit 3 nicht noch einmal beschrieben.
In dem Verfahren von 3 werden ein Siliziumsubstrat 320, eine SiO₂ -Schicht 322 und eine SiN-Schicht 324 wie oben beschrieben hergestellt (siehe 3A). Darüber hinaus wird auf der SiN-Schicht 324 wie oben beschrieben ein Resist 326 gebildet, und eine Maske wird auf die gleiche Weise verwendet, um Bereiche des Resists selektiv freizulegen (siehe 3B), wodurch eine Gitterstruktur 328 entsteht. Die Linien der Gitterstruktur 328 sind im Allgemeinen rechteckig. Die Linien der Gitterstruktur 328 haben im Wesentlichen vertikale Seiten.
In 3C ist jedoch zu sehen, dass das Ätzen über einen längeren Zeitraum erfolgt als bei der in 2 dargestellten Methode. Infolgedessen ätzt das Ätzen nicht nur das SiN 324 weg, sondern setzt sich fort und ätzt in das SiO₂ 322 unterhalb des SiN. Dies ist in 3C schematisch dargestellt. In einer erweiterten Ansicht eines Teils von 3C ist zu erkennen, dass Lücken 328b in die SiN-Schicht 324 geätzt und in das darunter liegende SiO₂ 322 geätzt wurden. Diese Zwischenräume 228b bilden zusammen mit dem restlichen SiN 328a und dem restlichen SiO₂ 328c eine Gitterstruktur.
3D entspricht insofern der 2D, als der entwickelte Resist entfernt wird und ein Gitter 308 zurückbleibt.
3E zeigt die Ablagerung der oberen Mantelschicht SiO₂ 332. Dieses abgeschiedene SiO₂ füllt die Zwischenräume 328b zwischen den erhöhten Teilen des Gitters 308. Das abgeschiedene SiO₂ wird auch auf den erhabenen Teilen 328a des Gitters 308 abgeschieden (d. h. auf dem SiN des Gitters). Folglich werden die Zwischenräume aufgefüllt und gleichzeitig die erhöhten Bereiche zwischen den Zwischenräumen angehoben. Somit ist ein Vorsprung des Gitters 308 (der als Kopplungsgitter bezeichnet werden kann) in der Oberfläche der oberen SiO₂ -Schicht vorhanden. Dieser Vorsprung des Gitters ist ein Oberflächengitter 314. Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird auch ein Wellenleiter 310 gebildet.
Die erhöhten Abschnitte 314a des Gitters sind durch tiefere Zwischenräume 314b (oder untere Abschnitte) getrennt als bei der oben beschriebenen Ausführungsform. Dies liegt daran, dass durch das Ätzen von SiO₂ eine tiefere ursprüngliche Gitterstruktur 328 geschaffen wurde. Das Kopplungsgitter 308 hat jedoch die gleiche Tiefe wie die oben beschriebene Ausführungsform. Das liegt daran, dass die Tiefe des Kopplungsgitters 308 ausschließlich von der Dicke der SiN-Schicht 324 abhängt (die sich nicht verändert hat). Das Gleiche gilt für die Höhe des Wellenleiters 310
Wenn das SiO₂ auf das Kopplungsgitter 308 aufgebracht wird, ist der Höhenunterschied zwischen der Ober- und Unterseite des im SiO₂ gebildeten Oberflächengitters größer als bei der weiter oben beschriebenen Ausführungsform. Dies ist schematisch in der vergrößerten Ansicht von 3E dargestellt, in der zu sehen ist, dass die Tiefe des Oberflächengitters 314 deutlich größer ist als die Tiefe des in 2E dargestellten Oberflächengitters 214.
4 ist ein Paar rasterelektronenmikroskopischer Bilder, die einen Teil eines Halbleiterbauelements zeigen, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden SiO₂ und SiN verwendet. Die Abscheidung des Materials erfolgte durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), und das Ätzen erfolgte durch reaktives lonenätzen (RIE). 4A zeigt zunächst einen Querschnitt in der in den 2 und 3 dargestellten Ebene, und das REM-Bild wurde in einem Winkel von 45 Grad zum Querschnitt aufgenommen. Zu erkennen ist ein Kopplungsgitter 408 aus SiN, das von SiO₂ 422, 432 umgeben ist. Außerdem ist ein Oberflächengitter 414 zu erkennen. Das Oberflächengitter 414 hat den gleichen Abstand wie das Kopplungsgitter 408 und ist mit dem Kopplungsgitter fluchtend.
4B zeigt das Flächengitter 414 in einem Winkel von 45 Grad von oben betrachtet. Zu sehen sind die Enden 440 des Flächengitters 414. Diese Enden entsprechen in ihrer Position den Enden des Kopplungsgitters (nicht sichtbar).
Die Kombination der Figuren und 4B zeigt, dass das Kupplungsgitter 408 eine im Allgemeinen rechteckige Struktur hat, das Flächengitter 414 jedoch nicht allgemein rechteckig ist. Das Flächengitter 414 besteht stattdessen aus einer Reihe länglicher erhöhter Abschnitte mit flachen oberen Flächen 414a und schrägen Seitenflächen 414b, die auf flache untere Flächen 414c treffen. Diese Gitterrostkonfigurationen sind vorteilhaft. Insbesondere vertikale (oder im Wesentlichen vertikale) Seitenwände des im Allgemeinen rechteckigen Kopplungsgitters 408 sorgen für die effektivste Einkopplung von Licht in einen benachbarten Wellenleiter (nicht abgebildet). Abgeschrägte Seitenflächen des Oberflächengitters 414b sorgen für eine diffuse Reflexion des Lichts in nicht-normale Richtungen (d. h. nicht in Richtung einer VCSEL-Kavität, die sich oberhalb des Oberflächengitters befindet).
Im Allgemeinen kann das Oberflächengitter einer Ausführungsform der Erfindung mit schrägen Seitenflächen versehen sein. Wie oben erwähnt, kann dies vorteilhaft jede diffuse Lichtreflexion vom Emitter (z. B. VCSEL) wegleiten. Die schrägen Seitenflächen des Oberflächengitters können auf natürliche Weise durch die Art und Weise entstehen, in der sich Material auf einem Kopplungsgitter ansammelt (z. B. bei Verwendung von PECVD). Die schrägen Seitenflächen können z. B. bei Verwendung des weiter oben beschriebenen SiO₂ PECVD-Verfahrens entstehen.
Obwohl in den oben beschriebenen Ausführungsformen der Offenlegung SiN verwendet wurde, können auch andere Materialien wie Si verwendet werden. GaAs kompatible Materialien wie AlGaAs, GaSbAs, etc. können verwendet werden. In einer weiteren Alternative können InP und kompatible Materialien wie InGaAs, InAlGaAs und GaN verwendet werden. Wie weiter oben erwähnt, kann das Substrat aus Si bestehen. Es können jedoch auch andere Materialien wie Glas, Saphir, GaAs usw. zur Herstellung des Substrats verwendet werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Offenlegung haben alle einen VCSEL. Dies ist jedoch nur ein Beispiel für einen Emitter, der verwendet werden kann, und es kann auch ein anderer Emitter verwendet werden. Ein Beispiel für einen alternativen Emitter, der verwendet werden kann, ist ein kantenemittierender Halbleiterlaser. Im Allgemeinen kann jeder geeignete Emitter verwendet werden. Der Emitter kann ein Infrarotsender sein (d. h. er ist so konfiguriert, dass er Infrarotlicht emittiert). Der Emitter kann beispielsweise so konfiguriert sein, dass er bei oder um 850 nm oder bei einer Wellenlänge im Bereich von 1530 nm - 1565 nm (z. B. 1550 nm) emittiert. Der Emitter kann so konfiguriert sein, dass er bei einer nicht-infraroten Wellenlänge emittiert.
Unter einem Wellenleiter kann ein länglicher Materialabschnitt eines ersten Halbleiters verstanden werden, der von einem zweiten Halbleiter umgeben ist, wobei der erste Halbleiter einen höheren Brechungsindex als der zweite Halbleiter hat und einen Querschnitt aufweist, der so gestaltet ist, dass er Licht mit einer bekannten Wellenlänge oder einem bekannten Wellenlängenbereich leitet. Ein Kern des Wellenleiters kann zum Beispiel einen Querschnitt von 0,2 × 0,6 µm oder größer haben. Ein Kern des Wellenleiters kann z. B. einen Querschnitt von 0,5 × 1 µm oder weniger haben.
Unter einem Beugungsgitter versteht man eine Reihe von Linien und Zwischenräumen mit einer regelmäßigen Teilung. Die Teilung des Gitters kann in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts gewählt werden, um einen gewünschten Beugungswinkel zu erhalten.
In Ausführungsformen der Erfindung können die Linien des Kupplungsgitters einen allgemein rechteckigen Querschnitt aufweisen. In Ausführungsformen der Erfindung können die Linien des Kupplungsgitters im Wesentlichen vertikale Seiten haben. In Ausführungsformen der Erfindung können die Linien des Oberflächengitters schräge Seiten haben.
In diesem Dokument ist die Rede davon, dass das Oberflächengitter eine „Projektion“ des Kopplungsgitters ist. Dies kann dahingehend interpretiert werden, dass die Struktur des Gitters durch das SiO₂ (oder ein anderes Halbleitermaterial) projiziert wurde (d. h. auf diesem verbleibt), sodass ein entsprechendes Gitter auf der Oberfläche des Halbleitermaterials vorhanden ist. Das entsprechende Gitter (das Oberflächengitter) hat möglicherweise nicht die gleiche Querschnittsform wie das Kopplungsgitter, hat aber den gleichen Abstand wie das Kopplungsgitter und befindet sich oberhalb des Kopplungsgitters. Das Oberflächengitter kann auf das Kopplungsgitter ausgerichtet sein.
In den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist das Oberflächengitter auf mit dem Kopplungsgitter ausgerichtet. Die Ausrichtung der Gitter kann erreicht werden, wenn bei der Ablagerung von Material auf dem Kopplungsgitter keine gerichtete Ablagerung verwendet wird (d. h. ungerichtete Ablagerung). Bei gerichteter Abscheidung kann es zu einem Versatz des Oberflächengitters gegenüber dem Kopplungsgitter kommen.
In Ausführungsformen der Erfindung ist das Oberflächengitter ein anderes Gitter als das Kopplungsgitter. Das Oberflächengitter kann als Zusatzgitter bezeichnet werden.
Bezugszeichenliste:

2: Optisches Modul
4: oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL)
6: Halbleiterbauelement
8: Kopplungsgitter
10: Wellenleiter
12: Bindungen
14: Oberflächengitter
15: Licht, das von dem VCSEL emittiert wird
16: Lücke
17: gebeugtes reflektiertes Licht
18: gebeugtes durchgelassenes Licht
19: Lichtausbreitung im Wellenleiter
208: Gitter (Kopplungsgitter)
210: Wellenleiter
214: Gitter (Oberflächengitter)
214a: erhöhte Teile der Gitterstruktur
214b: untere Teile der Gitterstruktur
220: Siliziumsubstrat
222: SiO₂ Schicht
224: SiN-Schicht
226: Resist
228: Gitter-Struktur
228a: erhöhte Teile der Gitterstruktur
228b: Räume der Gitterstruktur
229: Linie des Resists
232: Schicht aus SiO₂
308: Gitter (Kopplungsgitter)
310: Wellenleiter
314: Gitter (Oberflächengitter)
314a: erhöhte Teile der Gitterstruktur
314b: untere Teile der Gitterstruktur
320: Silizium-Substrat
322: SiO₂ Schicht
324: SiN-Schicht
326: Widerstand
228: Grating-Struktur
328: aSiN der Gitterstruktur
328b: Räume der Gitterstruktur
328c: SiO₂ der Gitterstruktur
332: Schicht aus SiO₂
414: Gitter (Oberflächengitter)
414a: Oberfläche des Oberflächengitters
414b: Seitenfläche des Oberflächengitters
414c: untere Fläche des Flächengitters
422: SiO₂
432: SiO₂
440: Enden von Oberflächengittern

Der Fachmann wird verstehen, dass in der vorstehenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen Positionsbegriffe wie „oben“, „längs“, „seitlich“, „oben“, „unten“, „oben“, „unten“ usw. unter Bezugnahme auf konzeptionelle Figuren, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, verwendet werden. Diese Begriffe werden der Einfachheit halber verwendet, sind aber nicht als einschränkend zu verstehen. Diese Begriffe sind daher so zu verstehen, dass sie sich auf ein Objekt beziehen, wenn es sich in einer Ausrichtung befindet, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
Obwohl die Offenbarung in Form von bevorzugten Ausführungsformen, wie oben dargelegt, beschrieben wurde, ist es zu verstehen, dass diese Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung dienen und dass die Ansprüche nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt sind. Der Fachmann kann im Hinblick auf die Offenbarung Modifikationen und Alternativen vornehmen, die in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Jedes Merkmal, das in der vorliegenden Beschreibung offenbart oder dargestellt ist, kann in jede beliebige Ausführungsform eingebaut werden, sei es allein oder in geeigneter Kombination mit jedem anderen hier offengelegten oder dargestellten Merkmal.

Claims

Optisches Modul (2) mit einem Emitter und einer Halbleitervorrichtung (6), wobei der Emitter an der Halbleitervorrichtung angebracht ist und von der Halbleitervorrichtung durch einen Spalt (16) getrennt ist, wobei die Halbleitervorrichtung einen Wellenleiter (10, 210, 310) und ein Beugungsgitter aufweist, das innerhalb des Halbleiters der Halbleitervorrichtung angeordnet ist, wobei das Beugungsgitter ein Kopplungsbeugungsgitter (8, 208, 308) ist, das so konfiguriert ist, dass es von dem Emitter emittiertes Licht in den Wellenleiter koppelt, und wobei die Halbleitervorrichtung ferner ein zusätzliches Beugungsgitter (14, 214, 314, 414) umfasst, das auf einer Oberfläche der Halbleitervorrichtung vorgesehen ist, die dem Emitter gegenüberliegt.
Optisches Modul nach Anspruch 1, wobei das Beugungsgitter (14, 214, 314, 414) auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung (6) die gleiche Teilung wie das Kopplungsbeugungsgitter (8, 208, 308) hat.
Optisches Modul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Beugungsgitter (14, 214, 314, 414) auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung (6) mit dem Kopplungsbeugungsgitter (8, 208, 308) ausgerichtet ist.
Das optische Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beugungsgitter (14, 214, 314, 414) auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung (6) eine Projektion des Kopplungsbeugungsgitters (8, 208, 308) auf die Oberfläche der Halbleitervorrichtung ist.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei erhöhte Abschnitte des Beugungsgitters (14, 214, 314, 414) auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung (6) schräge Seiten (414b) aufweisen.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linien des Kopplungsbeugungsgitters (8, 208, 308) im Wesentlichen vertikale Seiten haben.
Das optische Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Emitter ein Laser ist.
Optisches Modul nach Anspruch 7, wobei der Emitter ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) (4) ist.
Das optische Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Emitter so konfiguriert ist, dass er Infrarotlicht emittiert.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement (6) ein erstes Halbleitermaterial und ein zweites Halbleitermaterial umfasst, wobei das erste Halbleitermaterial einen höheren Brechungsindex als das zweite Halbleitermaterial aufweist, wobei das Kopplungsbeugungsgitter (8, 208, 308) und der Wellenleiter (10, 210, 310) aus dem ersten Halbleitermaterial gebildet sind, das in dem zweiten Halbleitermaterial eingeschlossen ist, und wobei das Beugungsgitter (14, 214, 314, 414) auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements aus dem zweiten Halbleitermaterial gebildet ist.
Optisches Modul nach Anspruch 10, wobei das erste Halbleitermaterial SiN und das zweite Halbleitermaterial SiO₂ ist.
Optisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement ferner integrierte Schaltungen und mindestens ein elektrooptisches Bauelement umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Moduls, umfassend: Bereitstellen einer Schicht aus einem zweiten Halbleitermaterial (224, 324) auf einer Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial (222, 322); Verwendung von Lithographie, um ein Muster in das zweite Halbleitermaterial zu ätzen, wobei das Muster ein Kopplungsbeugungsgitter (208, 308, 408) und einen Wellenleiter (210, 310) umfasst; Verwendung eines Abscheidungsprozesses, um mehr von dem ersten Halbleitermaterial auf der Oberseite des Beugungsgitters und des Wellenleiters bereitzustellen, wobei ein zusätzliches Beugungsgitter auf einer oberen Oberfläche der ersten Halbleiteroberfläche gebildet wird, wobei dieses Oberflächenbeugungsgitter (214, 314, 414) eine Projektion des Kopplungsbeugungsgitters ist; und Anbringen eines Emitters an der Halbleitervorrichtung, wobei der Emitter durch einen Spalt (16) von der Halbleitervorrichtung getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Ätzung durch das zweite Halbleitermaterial (224, 324) hindurchgeht und in das erste Halbleitermaterial (222, 322) hinein ätzt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei das Oberflächenbeugungsgitter (214, 314, 414) den gleichen Abstand wie das Kopplungsbeugungsgitter (208, 308, 408) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Oberflächenbeugungsgitter (214, 314, 414) auf das Kopplungsbeugungsgitter (208, 308, 408) ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei erhöhte Teile des Oberflächenbeugungsgitters (214, 314, 414) schräge Seiten (414b) aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Linien des Kopplungsbeugungsgitters (208, 308, 408) im Wesentlichen vertikale Seiten haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei das erste Halbleitermaterial (222, 322) SiN ist und das zweite Halbleitermaterial (224, 324) SiO₂ ist.