DE19650133C1 - Optischer Empfänger und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Optischer Empfänger und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauelement, insbe­ sondere einen optischen Empfänger, gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfin­ dung ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Die Integration von Wellenleitern mit pin-Photodetekto­ ren ist als Stand der Technik beispielsweise aus W. Metzger et al., Optical and Quantum Electronics 28, 51, (1996) bekannt. Außerdem sind MSM-Detektoren und ihre Vorteile gegenüber pin-Detektoren bekannt (J.B.D. Soole and H. Schumacher, IEEE Trans. Electron Devices 37, 2285, (1990)).
Eine Möglichkeit zum Einkoppeln von Licht in einen Halbleiter-Photodetektor besteht in der Integration ei­ nes Wellenleiters mit dem Detektor. Zu diesem Zweck wird üblicherweise die pin-Diode als Detektorbauelement verwendet. Ein weiteres Photodetektorbauelement ist die MSM-Diode (Metal-Semiconductor-Metal), welche gegenüber der pin-Diode eine wesentlich kleinere Kapazität hat. Deshalb ermöglicht ein MSM-Photodetektor eine höhere Grenzfrequenz als ein pin-Detektor (J.B.D. Soole and H. Schumacher, IEEE Trans. Electron Devices 37, 2285, (1990)).
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein optisches Bau­ element, insbesondere einen optischen Empfänger, zu schaffen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bereitzustellen, bei dem eine verbesserte Inte­ gration eines Wellenleiters und eines MSM-Detektors er­ reicht wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauelement gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren gemäß der Ge­ samtheit der Merkmale nach Anspruch 5. Weitere zweckmä­ ßige oder vorteilhafte Ausführungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.
Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 erfindungsgemäßer Photoempfänger mit Wellen­ leiter und integrierter MSM-Diode;
Fig. 2 erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren zur Erzielung einer Wellenleiter-Detektor-Inte­ gration;
Fig. 3 erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren zur Erzielung einer Wellenleiter-Detektor-Inte­ gration.
Ausführungsbeispiel
Es wurde zur Lösung der gestellten Aufgabe erkannt, auf ein Halbleitersubstrat ein Bauelement durch Abscheidung und Bildung einer Schicht oder Schichtenfolge mit Wel­ lenleiterfunktion zu erhalten, wobei anschließend die wellenleitende Schicht so strukturiert ist bzw. wird, daß ein Ende abgeschrägt ausgebildet wird.
Das Abschrägen kann dabei zum Beispiel mit Hilfe spezi­ eller Ätzlösungen erfolgen, bei welchen eine kristallo­ graphische Fläche als Oberfläche entsteht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, als Ätzmaske ein Material mit abnehmende Dicke einzusetzen wie zum Beispiel ein unterschiedlich stark belichteter Photolack, welcher sodann ebenfalls weggeätzt wird.
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Abschrägung durch eine Strukturie­ rung des Substrats bereits vor der Epitaxie erfolgen. Alternativ oder kummulativ kann es vorteilhaft sein, die wellenleitende Struktur mittels selektiver Epitaxie herzustellen und dabei die Wachstumsparameter so einzu­ stellen, daß der Rand dieser Struktur während der Her­ stellung abgeschrägt wächst.
Der Wert der Bandlücke des Wellenleitermaterials soll größer als den Wert der Photonenenergie des Lichtes ge­ wählt werden. Auf die Abschrägung des Wellenleiters kann deshalb eine Absorptionsschicht aus Halbleiterma­ terial aufgebracht sein, welche für das zu detektieren­ de Licht empfindlich ist. Auf diese Absorptionsschicht werden Schottkykontakte in Form einer MSM-Struktur als Photodetektor aufgebracht (Fig. 1). Um die dafür benötigte Lithographie auf der Abschrägung mit möglichst hoher Auflösung zu erreichen und auf diese Weise eine möglichst hohe Tiefenschärfe, kann vor­ teilhafterweise die holographische Lithographie oder Elektronenstrahllithographie zum Einsatz kommen.
Auf die Absorptionsschicht kann gegebenenfalls verzich­ tet werden, wenn der äußere Photoeffekt beim Schottky­ kontakt ausgenutzt wird. In diesem Fall wird der Schottkykontakt direkt auf das auf der Abschrägung be­ findliche Wellenleitermaterial hergestellt. Auftref­ fende Photonen schlagen sodann Elektronen aus dem Schottkymetall (äußerer Photoeffekt). Sofern die Elek­ tronenenergie höher als die Schottkybarriere ist, kann ein optisch angeregter, elektrischer Strom fließen.
In der Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements schema­ tisch dargestellt. Dazu können folgende Verfahrens­ schritte vorgesehen sein:
Zunächst wird eine Schicht oder Schichtfolge mit Wel­ lenleitereigenschaften durch epitaktische Abscheidung von Material auf einem Substrat gebildet (Fig. 2a); danach wird mittels selektivem Ätzen der wellenleiten­ den Schichten das Ende des Wellenleiters abgeschrägt (Fig. 2b1-2).
Auf dem abgeschrägten Ende des Wellenleiters wird so­ dann eine Absorptionsschicht epitaktisch gebildet. Dies kann zum Beispiel durch selektive Epitaxie oder alter­ nativ mit Hilfe ganzflächiger Epitaxie mit anschließen­ dem selektivem Ätzen erfolgen (Fig. 2c). Schließlich werden Schottkykontakte gebildet (Fig. 2d).
Eine alternative Verfahrensweise zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements kann gemäß Fig. 3 fol­ gende Verfahrensschritte umfassen:
Zunächst wird ein Substrat in einer solchen Form struk­ turiert, daß eine epitaktisch abgeschiedene Wellenlei­ terschichtfolge mit abgeschrägtem Ende aufgewachsen werden kann. Dies kann durch das Ätzen eines Loches mit abgeschrägten Seitenflächen in das Substrat erfolgen (Fig. 3a1). Alternativ kann die Maske für eine nach­ folgende, selektive Epitaxie aufgebracht sein (Fig. 3a2). Die Wachstumsparameter der selektiven Epitaxie werden dabei so gewählt, daß der Rand des Wellenleiters abgeschrägt wächst.
Sodann werden nacheinander eine Schicht mit wellenlei­ tenden Eigenschaften und eine Absorptionsschicht epi­ taktisch aufgebracht (Fig. 3b1-2). Der Wellenleiter wird mittels Ätzung strukturiert und anschließend wird der außerhalb der Abschrägung befindliche Teil der Ab­ sorptionsschicht weggeätzt(Fig. 3c1-2). Alternativ kann die Absorptionsschicht in einer zweiten, selekti­ ven Epitaxie aufgebracht sein. Schließlich werden Schottkykontakte gebildet (Fig. 3d1-2).
Bei den beschriebenen erfindungsgemäßen Herstellungs­ verfahren kann die Bildung einer Absorptionsschicht entfallen, wenn bei den Schottkykontakten der äußere Photoeffekt genutzt wird.

Claims (11)

1. Optisches Bauelement mit als Schicht gebildetem Lichtwellenleiter, integriert auf einem für Halblei­ termaterial geeigneten Substrat, wobei der Wellen­ leiter an wenigstens einem Ende abgeschrägt ausge­ bildet ist und dieses abgeschrägte Ende einen Photo­ detektor aufweist.
2. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, mit einem sich zumindest teilweise auf dem abgeschrägten Ende des Wellenleiters befindlichen Schottkykon­ takt zur Bildung des Detektors.
3. Optisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, mit einer MSM-Diode zur Bildung des Detektors.
4. Optisches Bauelement, insbesondere Empfänger, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer zwischen dem Wellenleitermaterial und dem Schottkymetall liegenden Schicht aus Absorptionsmaterial auf dem abgeschrägten Ende des Wellenleiters.
5. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauele­ ments, insbesondere eines optischen Empfängers, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Abschrägung des Wellenleiter-Endes mittels Ätzen erfolgt und eine Ätzmaske eingesetzt wird, die aus abgeschrägtem Material gebildet ist und beim Ätz­ vorgang selbst weggeätzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Ab­ schrägung des Wellenleiter-Endes unter Einsatz ei­ ner kristallorientierungsabhängigen Ätze erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei welchem die Abschrägung des Wellenleiter-Endes durch selektive Epitaxie erhalten wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem zur Ausbildung der Abschrägung des Wellenlei­ ter-Endes ein geeignet vorstrukturiertes Substrat zum Einsatz kommt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei welchem in einem zweiten Epitaxieschritt durch ganzflächige Epitaxie mit anschließender Struktu­ rierung oder durch selektive Epitaxie eine Absorp­ tionsschicht auf der Abschrägung des Wellenleiter-Endes gebildet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei welchem auf der Abschrägung des Wellenleiter-Endes im zur Bildung der Wellenleiterschichtfolge vorge­ sehenen gleichen Epitaxieschritt eine Absorptions­ schicht durch Wachstum gebildet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei welchem der oder die Schottkykontakte mittels ho­ lographischer Lithographie oder Elektronenstrahl­ lithographie strukturiert werden.
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