DE2419030A1

DE2419030A1 - Integrierte optische vorrichtung mit lichtwellenleiter und photodetektor, sowie verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2419030A1
Application number: DE2419030A
Authority: DE
Inventors: Daniel Ostrowsky; Raymond Poirier; Louis Marcel Reiber
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-04-20
Filing date: 1974-04-19
Publication date: 1974-11-07
Also published as: US3896305A; FR2226754B1; FR2226754A1; JPS5014360A; GB1463159A

Description

Integrierte optische Vorrichtung mit Lichtwellenleiter und Photodetektor, sowie Verfahren zu ihrer

Herstellung

Die Erfindung betrifft eine integrierte optische Vorrichtung. Sie nutzt die in der Mikroelektronik angewendete Technologie der integrierten Schaltungen dazu aus,ausgehend von einem Halbleitersubstrat eine Struktur zu schaffen, in der ein Lichtwellenleiter mit einem Photodetektor, vereinigt ist.

Die Verwendung von Fasern für den Transport von Informationen, die durch elektromagnetische Strahlungen mit optischen Fre .-quenzen übermittelt werden, ergibt schwierige Probleme beim Empfang dieser Information: Es handelt sich dann darum, mit großer Präzision einzeln jede optische Faser mit dem Lichtdetektor unter möglichster Begrenzung der Lichtverluste an der Grenzfläche zu koppeln.

Die Erfindung schafft eine Lösung dieses Problems, die darauf beruht, daß die bei der Herstellung von integrierten elektronischen Schaltungen angewendeten Verfahren zur Bildung von

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Übergängen und dünnen Schichten, der Maskierung und der Gravierung dazu benutzt werden, auf dem gleichen Substrat alle Lichtleiterelemente und Photodetektorelemente anzuordnen. Eine Struktur dieser Art ergibt somit den doppelten Vorteil, da sie zugleich die Verarbeitung des Lichtsignals ■ durch die Technik der integrierten Optik (Kopplung und Filterung) und die Verarbeitung des elektrischen Signals nach der Demodulation durch die klassischen Elemente der Mikroelektronik (Verstärker usw.) ermöglicht.

Die Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile werden nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben. In der Zeichnung.zeigen:

Fig.1 eine integrierte optische Vorrichtung nach der Erfindung mit einer besonderen Kopplungsstruktur zwischen dem Lichtleiter und dem Photodetektor,

Fig.2, 3 und 4 die Vorrichtung nach der Erfindung mit anderen Arten von Kopplungsstrukturen zwischen dem Lichtleiter und dem Photodetektor, und

Fig.5 eine Darstellung zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für die erfindung^emäße Vorrichtung.

Die in den Figuren 1,2,3 und 4 dargestellte Vorrichtung enthält im wesentlichen j

- ein Substrat 1 aus einem Halbleitermaterial mit einem gegebenen Leitungstyp (n oder p)j

- einen in der Oberflächenzone des Substrats 1 angeordneten Bereich 10 mit einem Leitungstyp (p oder n)j der

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von demjenigen des Substrats verschieden ist, wobei der Übergang 101 zwischen den Bereichen 10 und 1 den Photodetektor darstellt;

- eine dielektrische Schicht 2, welche die Oberfläche des Substrats gleichförmig bedeckt, gegebenenfalls abgesehen von der Stelle des Übergangs, wobei der Brechungsindex dieser Schicht gegenüber der vom Photodetektor empfangenen und von dem Lichtwellenleiter der Struktur geführten Strahlung den Wert n~ hat, während die kleinste Dicke dieser Schicht von der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der betreffenden Strahlung ist;

- einen Lichtwellenleiter 3, der auf der Oberfläche der Schicht 2 in Form eines den Übergang wenigstens teilweise bedeckenden Bandes angeordnet' ist, wobei die Dicke des

. Bandes in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der geführten Strahlung liegt, während die Breite des Bandes ein Mehrfaches dieser Wellenlänge betragen kann, und wobei das den Lichtwellenleiter bildende Material so gewählt ist, daß es eine möglichst große Durchlässigkeit für die betreffende Strahlung aufweist, und sein Brechungsindex ή, größer als der Brechungsindex n~ des die Schicht bildenden Materials ist;

- zwei metallische Elektroden 41 und 42, welche die ohmschen Kontakte mit dem η-Bereich bzw. dem p-Bereich des Übergangs herstellen, wobei die Elektrode 41 die freie Fläche des . Substrats gleichförmig bedeckt, während die Elektrode 42 die Form eines Metallstreifens hat, der auf die Oberfläche der dielektrischen Schicht 2 aufgebracht ist und den Kontakt mit dem Bereich 10 herstellt.

Aus Gründen der Vereinfachung sind zwar in den Figuren 1, 2, 3 und 4 nur jeweils ein einziger Photodetektor und ein einziger Lichtwellenleiter dargestellt, doch versteht es

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eich von selbst, daß die erfindungsgemäßen Strukturen im allgemeinen eine große Anzahl von Photodetektoren und Lichtwellenleitern enthalten.

Äußer den Photodetektoren kann die Oberflächenzone des Substrats noch die verschiedenen Schaltungselemente, wie Dioden, Transistoren, Widerstände, Kapazitäten, enthalten, welche die klassfehen Schaltungen der integrierten Mikroelektronik bilden. Hinsichtlich der Lichtwellenleiter ist zu bemerken, daß ihre Form nicht notwendigerweise geradlinig ist, und daß diese auf Grund ihrer Form die klassischen Funktionen der integrierten Optik, beispielsweise Filterung und Kopplung, durchführen können.

Beispielsweise kann für das Substrat 1 ein einkristallines Siliziumplättchen des Leitungstyps η verwendet werden, in welchem die Photodetektor-Übergänge dadurch gebildet werden, daß durch Eindiffundieren von Bor ein Bereich 10 des Leitungstyps ρ erzeugt wird. Die dielektrische Schicht 2 kann dann nach einem klassischen Verfahren eine Siliziumdioxidschicht SiOp von etwa 1 um Dicke sein, die durch Oberflächen-Oxydation des Substrats erhalten wird;der Brechungsindex dieses Materials im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes beträgt n₂=1,46. Zur Bildung des Lichtwelienleiters 3 kann man ein Borsilikatglas (beispielsweise B 6956) mit dem Brechungsindex η-,= 1,55 wählen, das durch Katödenzerstäubung in einer Dicke von 0,5 bis 1yum aufgebracht wird. Im Vakuum aufgedampftes Aluminium bildet die Elektroden 41 und

Die Figuren 1, 2 und 3 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche im allgemeinen Rahmen der zuvor beschriebenen Struktur die Kopplung des Lichtwelv lenleiters mit dem Photodetektor ermöglichen.

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Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig.1 erfolgt die Kopplung durch Verformung des Lichtleiters. In der dielektrischen Schicht 2 ist über dem Bereich 10 eine öffnung oder ein Fenster 20 angebracht, so daß die Oberfläche dieses Bereichs unbedeckt bleibt; der Lichtleiter 3 biegt sich über dem Fenster 20 ab, so daß er in das Fenster eindringt und in Berührung mit dem Bereich 10 kommt. Wie die Zeichnung zeigt, erteilt der auf diese Weise im Lichtleiter erhaltene Krümmungsbereich 30 einem sich ausbreitenden Lichtstrahl 5 eine Folge von Totalreflexionen an den Wänden, so daß er unter nahezu senkrechtem Einfallswinkel in den Bereich 10 eintritt.

In dem zuvor beschriebenen Fall,.daß das Substrat ein Siliziumplättchen und die dielektrische Schicht eine SiOp-Schicht sind, kann die Struktur von Fig.1 in folgender Weise hergestellt werden:

a) ein Siliziumplättchen des Leitungstyps η wird an ainer Fläche mit einer gleichförmigen Siliziumdioxidschicht von etwa 1 um Dicke durch thermische Oxydation in einem Wasserdampfstrom bei etwa 1000⁰C bedeckt.

b) Eine gleichförmige Photolackschicht wird auf die Oberfläche der Siliziumdioxidschicht aufgebracht und dann durch eine photographische Maske so beleuchtet, daß die ganze Oberfläche des Photolacks, mit Ausnahme der den Fenstern 20 entsprechenden Stellen,belichtet wird;die Emulsion wird dann entwickelt, und die nicht belichteten Bereichewerden durch Eintauchen in ein Lösungsmittel entfernt; das in diesen Bereichen liegende Siliziumdioxid wird durch Eintauchen in eine Fluorwasserstoffsäurelösung entfernt, und dann wird das Plättchen von der Photolackschicht befreit; man erhält dadurch die Fenster 20 in der SiO₂-Schicht 2.

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c) Das Plättchen wird in einen Ofen eingebracht, der auf eine Temperatur von etwa 100O⁰C gebracht ist, und der Einwirkung eines borhältigen StickstoffStroms ausgesetzt; das Bor dringt durch die Fenster 20 ein, diffundiert in das Silizium und erzeugt darin die Bereiche 10 des Leitungstyps p.

d) Eine gleichförmige Metallschicht (beispielsweise Aluminium) wird anschliessend durch Vakuumaufdampfung auf die Oberfläche des Plättchens aufgebracht und dann mit einer Photolackschicht bedeckt} durch eine Behandlung gemM3-Verfahrensschritt b) wird dann erreicht, daß nur die den Elektroden 42 entsprechenden Oberflächenstellen durch den Photolack geschützt sind;die nicht geschützten Teile der Metallschicht werden durch Eintauchen des Plättchens in ein Säurebad aufgelöst, und dann wird die Hiotolackschicht entfernt; man erhält dadurch die Elektroden

Wie in Fig.5 dargestellt ist, wird ein rechteckiges Silizlumdioxidplättchen 200 von etwa 1 mm Dicke über jedem Fenster 20 so angebracht, daß es dieses Fenster teilweise bedeckt; die Kante 201 dieses Siliziumdioxidplättchens wird senkrecht zu der Achse des zu erhaltenden Lichtleiters 3 angeordnet; dann wird eine gleichförmige Borsilikatglasschicht durch Katodenzerstäubung auf die bereits mit Siliziumdioxid bedeckte Oberfläche des Siliziumplättchens aufgebracht. Eine von dem Siliziumplättchen 20 verursachte Abschattungserscheinung ermöglicht es dann, in dem Fenster 20 den in Fig.1 bei 30 dargestelltenKrümmungsbereich zu erhalten.

f) Durch ein Verfahren, das dem Verfahrensschritt d) analog ist, wird eine metallische Schutzschicht (aus Chrom, Aluminium oder Mangan), welche an den Umriß des

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zu erhaltenden Lichtleiters angepaßt ist, auf die Oberfläche der Borsilikatglasschicht aufgebracht.

g) Die Borsilikatglasschicht wird in den nicht durch die metallische Schutzschieht bedeckten Teilen durch lonengravierung abgetragen, bis die darunterliegende Siliziumdioxidschicht erreicht ist; man erhält dadurch die Lichtleiter 3.

Die Verfahrensmaßnahmen a), b) und c) sind auf dem Gebiet der integrierten Schaltungen allgemein gebräuchlich. Sie können vervielfacht werden, wenn in dem Siliziumsubstrat weitere elektronische Schaltungselemente integriert werden sollen, die komplizierter als die Photodetektoren sind. Es ist jedoch zu bemerken, daß der Vorteil des Verfahrens darin besteht, daß die Siliziumdioxidschicht, die in herkömmlicher Weise als Maske bei den Diffusionsvorgängen dient, anschliessend als dielektrische Schicht mit niedrigem Brechungsindex verwendet wird, .die es ermöglicht, die Lichtleiter von dem Siliziumsubstrat zu isolieren.

Fig.2 zeigt eine andere Kopplungsstruktur zwischen dem Lichtleiter und dem Photodetektor; diese Struktur ist so beschaffen, daß nur ein Teil der von dem Lichtleiter geführten Strahlungsenergie durch den Photodetektor abgenommen wird. In Fig.2 ist zu erkennen, daß der Lichtleiter in das Fenster eintritt und dann wieder aus dem Fens ter austritt, so daß der ganze im Innern des Fensters liegende Teil 31 in Berührung mit dem Photodetektor steht. Es ist auch au erkennen, daß der Lichtstrahl 5, der sich durch "Totalreflexion an den Wänden des Lichtleiters 3 ausbreitet, die entweder in Berührung mit dem Dielektrikum 2 mit dem

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Brechungsindex ^«fn, oder mit Luft stehen, in dem Bereich allmählich absorbiert wird, wo die Reflexion an der Grenzfläche zwischen Glas und Substrat mr partiell ist, da der Brechungsindex des Substrats größer als derjenige des den Lichtleiter bildenden Materials istj somit gelangt schließlich nur ein kleiner Bruchteil der aus dem linken Teil des Lichtleiters kommenden Strahlung in den rechten Teil, wo er sich weiter ausbreitet.

Die Herstellung einer solchen Struktur, ausgehend von einem Siliziumsubstrat, unterscheidet sich von der zuvor ■erläuterteiHersteilung der in Fig.1 dargestellten Struktur nur dadurch, daß die Verfahrensstufe e)fortgelassen wird, in welcher das Schut^plättchen 200 aus Siliziumdioxid über dem Fenster 20 angeordnet wird.

Die in Fig.3 dargestellte Struktur ist eine Variante der Struktur von Fig.2, die dazu bestimmt ist, eine bessere Einstellung der partiellen Kopplung zwischen dem Lichtleiter und dem Photodetektor zu erzielen. Zwischen dem im Fenster liegenden Teil 31 des Lichtleiters 3 und dem Substrat ist eine dielektrische Schicht 21 eingefügt, die aus dem gleichen Material wie die Schicht 2, jedoch von wesentlich geringerer Dicke gebildet ist; die Dicke dieser Schicht 21 ist also wesentlich kleiner als die Wellenlänge der vom Lichtleiter geführten Strahlung. Die Kopplung zwischen dem Lichtleiter und dem Photodetektor erfolgt durch die Schräge der verschwindenden Welle, die sich in der dünnen Schicht 21 ausbreitet; sie ist also umso größer, je kleiner die Dicke dieser Schicht gegen die Wellenlänge ist. Man kann somit je nach der Dicke der Schicht die Kopplung an den gewünschten Wert anpassen.

Um diese Struktur aus einem Siliziumsubstrat zu erhalten, verfährt man nach den Verfahrensschritten a), b), c),d) die zuvor in Verbindung mit der Herstellung der Struktur von

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Fig.1 beschrieben worden sind. Nach Durchführung der Diffusion und Aufbringung der Elektroden wird ein zweiter Oxydationvorgang vorgenommen, dessen Dauer so kurz ist, daß die im Fenster aufgebrachteOxidschicht 21 ausreichend dünn ist. Dann wird die Glasschicht auf die ganze Oberfläche aufgebracht, ohne daß ein Schutz der Fenster erfolgt. Anschließend werden die Verfahrensschritte f) und g) durchgeführt.

Fig.4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Struktur, die eine partielle Kopplung· zwischen dem Lichtleiter und dem Photodetektor ermöglicht.Es ist zu erkennen, daß über dem Bereich 10 des Substrats an der Stelle, die bei den anderen Ausführungen von dem Fenster 20 eingenommen wird, eine dielektrische Schicht 22 von gleicher Dicke wie die Schicht 2 vorhanden ist; das diese Schicht 22 bildende Dielektrikum ist für die vomLichtleiter 3 geführte Strahlung durchlässig und weist einen Brechungsindex ^? auf, der größer als der Brechungsindex η, des Lichtleiters, aber kleiner als der Brechungsindex des Substrats ist. Bei dieser Struktur weist der Lichtleiter 3, zum Unterschied zu den zuvor in Fig.1,' 2 und 3 dargestellten Strukturen, keine Verformung über dem dem Photodetektor entsprechenden Bereich 10 auf. Wenn die vom Lichtleiter geführten Lichtstrahlen, beispielsweise der Strahl 5, an der Grenzfläche zwischen dem Lichtleiter und der Schicht ankommen, erfahren sie keine Totalreflexion mehr, da nun gilt n₂2>ⁿ3» sondern eine partielle Reflexion und ein Teil der Lichtenergie dringt in die Schicht 22 und von da in den Photodetektor ein. Die Kopplung zwischen dem Lichtleiter und dem Photodetektor ist umso größer, je größer das Verhältnis η ₉p^:n3 ^der t>^ei(ien Brechungs indices ist. .

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Die in Fig.4 dargestellte Struktur kann dadurch erhalten werden, daß, wie zuvor von einem Siliziumsubstrat ausgegangen wird, wobei die im Zusammenhang mit Fig.1 beschriebenen Verfahrens schritte wie folgt abgeändert v/erden:

Man führt die Verfahrensschritte a), b) und c) durch, welche die Integration der Photodetektoren und gegebenenfalls weiterer elektronischer Schaltungselemente in dem Substrat ermöglichen.

Die SiOp-Schicht wird anschließend durch Eintauchen in ein Fluorwasserstoffsäurebad vollständig aufgelöst. Man führt dann den Verfahrensschritt d durch,

der das Aufbringen der Metallelektroden ermöglicht, und wiederholt dann den Verfahrensschritt a) , so daß auf der Oberfläche des Substrats,einschließlich der Bereiche 10, eine neue Siliziumdioxidschicht der gewünschten Dicke erzeugt wird. Durch Anwendung der klassischen Maskierungsverfahren schützt man die Oberfläche dieser neuen Schicht, welche die Bereiche 2 von Fig.4 bildet, mit Ausnahme der Stellen, die über den Bereichen"10'liegen. Man läßt dann in die nicht geschützten Bereiche der Silizlziumdi-oxidschicht entweder durch Diffusion oder durch Ionen-Implantat! αϊ einen Störstoff, beispielsweise Lithium, eindringen, der den Brechungsindex von Siliziumdioxid erhöht, so daß die Bereiche 22 erzeugt werden. Schließlich werden die Lichtleiter auf die Oberfläche der Schichten 2 und 22 dadurch aufgebracht, daß die Verfahrensschritte e), f) und g) durchgeführt werden, wobei jedoch natürlich die Schutzplättchen nicht verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

f 1.j Integrierte optische Vorrichtung mit wenigstens einem ,Lichtwellenleiterund wenigstens einem Photodetektor, gekennzeichnet durch ein ebenes Substrat aus einem Halbleitermaterial eines gegebenen Leitungstyps, das an einer Fläche wenigstens einen Bereich des entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, wobei der Übergang zwischen dem Bereich und dem Substrat den Photodetektor bildet, eine erste dielektrische Schicht, die auf der gleichen Fläche wie der Bereich liegt, deren Dicke wenigstens gleich der Yfellenlänge der Lichtwelle ist und die ein über dem Bereich liegendes Fenster hat, und eine den Lichtwellenleiter bildende zweite dielektrische Schicht, die auf der Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist und in dem Fenster den Bereich wenigstens teilweise bedeckt, deren Dicke in der Nähe der Wellenlänge der Licht-' welle liegt, die für die Lichtwelle durchlässig ist und deren Brechungsindex größer als derjenige der ersten dielektrischen Schicht ist.
2. Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter in dem Fenster in direkter Berührung mit dem Bereich steht.
3. Ingetrierteoptische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter unter allmählicher Verringerung seiner Dicke in dem Bereich endet.
4. Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter quer durch das Fenster geht.
5. Integrierte optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fenster eine für die Lichtwelle durchlässige dielektrische Kopplungsschicht,

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deren Dicke höchstens gleich derjenigen der ersten dielektrischen Schicht ist, zwischen den Bereich und die den Lichtwellenleiter "bildende zweite dielektrische Schicht eingefügt ist.
6. Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsschicht aus dem gleichen Material wie die erste dielektrische Schicht gebildet ist und eine Dicke hat, die kleiner als diejenige der ersten dielektrischen Schicht ist.
7. Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsschicht die gleiche Dicke wie die erste dielektrische Schicht hat und einen Brechungs- j index aufweist, der größer als derjenige der zweiten di- \

elektrischen Schicht ist. j
8. Integrierte optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche his 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus Silizium bestehenden Substrat die zweite dielektrische Schicht aus I Siliziumdioxid besteht.
9. Verfahren zum Herstellen einer integrierten optischen Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, diß beim Aufbringen der zweiten dielektrischen Schicht durch Katodenzerstäubung das Fenster teilweise durch ein Plättchen mit geradliniger Kante abgedeckt wird.

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