DE3300132A1

DE3300132A1 - Verfahren zum herstellen optischer wellenleiter in halbleitern

Info

Publication number: DE3300132A1
Application number: DE19833300132
Authority: DE
Inventors: Rodney Clifford Alferness; Ivan Paul 07733 Holmdel N.J. Kaminow
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-01-04
Filing date: 1983-01-04
Publication date: 1983-07-21
Also published as: JPS58120208A; US4376138A; CA1204369A; GB2113006B; GB2113006A

Description

Verfahren zum Herstellen optischer Wellenleiter in

Halbleitern

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte optische Bauelemente, insbesondere auf ein Verfahren zum Bilden optischer Streifen-Wellenleiter in Halbleitern.

Forscher auf dem Gebiet integrierter optischer Bauelemente haben lange Zeit nach Verfahren zum Herstellen aktiver Bauelemente wie z. B. Laser oder Leuchtdioden (LED) sowie passiver Bauelemente wie z. B. Wellenleiter, Koppler, Schalter, Modulatoren und dgl. auf demselben Substrat gesucht. Da die geeigneten aktiven Bauelemente nur in Halbleitermaterialien hergestellt werden können, müßten auch die oben angesprochenen passiven Bauelemente in oder an einem Halbleitersubstrat hergestellt werden.

Es wurden sowohl aktive Bauelemente als auch passive Bauteile wie z. B. Wellenleiter in GaAs hergestellt. GaAs-Laser oder LEDs emittieren jedoch Licht mit einer relativ kurzen Wellenlänge, die kürzer ist als die Wellenlängen von Infrarotstrahlen, die derzeit als

die vielversprechensten Wellenlängen für die Lichtleiter-Nachrichtentechnik angesehen werden. Diese Wellenlängen, denen das derzeitige Interesse für die optische Nachrichtentechnik gilt, liegen im Bereich von etwa 1 pm bis etwa 1,6 pm. In diesem Wellenlängenbereich wurden InP- und InGaAsP-LEDs und -Laser entwickelt. Folglich gilt die Aufmerksamkeit InP und InGaAsP als Halbleitermaterialien für die zugehörige integrierte Optik. Insbesondere wurden Verfahren zum Herstellen optischer Streifen-Wellenleiter in InP und InGaAsP gesucht.

Zum Herstellen eines Streifen-Wellenleiters ist es notwendig, den Brechungsindex eines bestimmten Materialvolumens derart zu ändern, daß der effektive Brechungsindex des die Wellenleiterzone umgebenden Materials kleiner ist als der effektive Brechungsindex der Wellenleiterzone. Eine solche Struktur kann elektromagnetische Strahlung der geeigneten Wellenlänge durch innere Totalreflexion leiten.

In der Vergangenheit wurden verschiedene Versuche unternommen, um den oben angesprochenen Unterschied im effektiven Brechungsindex zu erreichen. Bei Halbleitern wie z. B. LiNbCU oder LiTaCK stellt die

Metall-Eindlffusion ein übliches Verfahren dar (vgl. hierzu beispielsweise die US-PS 4 284 663). Die Eindiffusion von Metallionen, z. B, von Ti in LiNbO, oder LiTaO, wird bei ziemlich hohen Temperaturen, typischerweise bei mehr als 800 ⁰C durchgeführt.

Die Oberflächen von InP- und InGaAsP-Proben werden typischerweise bei höheren Temperaturen abträglich beeinflußt. Diese Beeinträchtigung ist hauptsächlich zurückzuführen auf einen Verlust von Phosphor aus der Probe. Dieser Verlust ist beträchtlich bei den hohen Temperaturen, die üblicherweise zum Erreichen annehmbar kurzer Diffusionszeiten als notwendig angesehen werden, d. h. bei Temperaturen, die mit den z. B. in LiNbO₇ verwendeten Temperaturen vergleichbar sind. Aus diesem und anderen Gründen galt es bisher als undurchführbar, Wellenleiter in InP und InGaAsP mittels Metall-Eindiffusion herzustellen. Daher wurden für diese und andere Verbindungshalbleiter weitere Versuche zur Herstellung von Wellenleitern unternommen.

Einer dieser alternativen Versuche bestand in der Verwendung von Rippen-Wellenleitern in Materialien wie z. B. GaAs und InP. Hierzu sei beispielsweise auf den Artikel von Reinhart u. a. mit dem Titel

"Transmission Properties of Rib Waveguides Formed by Anodization of Epitaxial GaAs on Al Ga₁ As Layers", Applied Physics Letters, 24, Seiten 270-272, 15. März 1974 verwiesen. Rippen-Wellenleiter können durch geeignetes Formen der Oberfläche eines Planar-Wellenleiters gebildet werden. Hierzu sei zum Beispiel auf die US-PS 4 093 345 verwiesen. Außerdem wurden zur Schaffung von Streifen-Wellenleitern in InP spannungsbedingte Änderungen des Brechungsindex verwendet (vgl. z. B. T. H. Benson u. a. "Photoeleastic Optical Waveguiding in InP Epitaxial Layers", 7th European Conference on Optical Communications, 8.- 11. September 1981). Nach der letztgenannten Literaturstelle werden Streifen-Wellenleiter in InP-Proben dadurch gebildet, daß entweder ein Positiv- oder ein Negativmuster einer dicken (etwa 1 jum starken) Metallschicht auf dem Substrat niedergeschlagen wird. Unter einem Positivmuster oder einer Positivmaske soll hier ein Metallmuster verstanden werden, welches direkt über der in einen Wellenleiter umzuwandelnden Zone liegt, während unter einem Negativmuster oder einer Negativmaske ein Metallmuster verstanden werden soll, das über denjenigen Bereichen des Substrats liegt, die an die in einen Wellenleiter umzuwandelnde Zone angrenzen. Das gemäß obiger Druckschrift verwendete Metall ist Gold, während das Muster typischerweise

durch herkömmliche Fotolithographie- und Ätztechniken geschaffen wird. Durch Bilden einer n-leitenden InP-Epitaxialschicht auf einem .(n+)-leitenden InP-Substrat wurde eine Planar-Wellenleiterschicht geschaffen. Die seitliche Eingrenzung der Strahlung erreicht man durch die mechanische Beanspruchung, die der Epitaxialschicht durch die dicke Metallschicht beim Abkühlen nach dem Verdampfen des Metalls vermittelt wurde.

Das Vorhandensein einer leitenden Schicht, z. B. einer Metallschicht, auf der Oberfläche eines Halbleiters führt bekanntlich zu einer Änderung des Brechungsindex des nahe an der Oberfläche befindlichen Halbleitermaterials. Dieser Effekt wurde auch dazu ausgenutzt, die Strukturen eines Wellenleiters zu definieren (vgl. z. B. den Artikel "GaAs Electro-Optic Directional Coupler Switch", von J. C. Campbell u. a., Applied Physics Letters 27, Seiten 202-205, - August 1975).

Der Stand der Technik kennt also mehrere Verfahren zum Herstellen optischer Streifen-Wellenleiter in InP und InGaAsP. Jedoch weisen diese Verfahren Nachteile auf: so beispielsweise besitzen Rippen-Wellenleiter typischerweise relativ starke Streuverluste an den Rippenkanten. Mit mechanischer Spannung aus-

gestattete Wellenleiter sind zwar grundsätzlich einfach herzustellen, in der Praxis jedoch bereitet die Reproduzierbarkeit Schwierigkeiten, und die Bauelementkennlinien ändern sich mit der Zeit. Metallbeschichtete Wellenleiter dämpfen den TM-Typ der elektromagnetischen Strahlung und finden daher nur beschränkt Anwendung; außerdem grenzen sie die Strahlung nur relativ schwach ein. Aus diesen und weiteren Gründen wäre es daher wünschenswert, ein Verfahren zum Herstellen optischer Streifen-Wellenleiter in InGaAsP und InP sowie weitere Hablleiter zur Verfügung zu haben, welches mit üblichen Verfahrenstechniken kompatibel ist, das sich durch Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit auszeichnet, und das Leiter liefert, die sowohl elektrische Transversalwellen (TE-Typ) als auch magnetische Transversalwellen (TM-Typ) mit relativ geringem Verlust zu leiten vermag.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß Streifen-Wellenleiter dadurch hergestellt werden können, daß eine Muster-Bearbeitungsschicht auf der Probenoberfläche niedergeschlagen wird, um dadurch die Wellenleiterzone zu definieren, die Probe wenigstens etwa 1 Stunde lang auf einer Temperatur

zwischen etwa 400 ⁰C und etwa 600 ⁰C in einer gesteuerten Atmosphäre, wie z. B. einer evakuierten, abgedichteten Ampulle, gehalten wird und die betreffenden Teile der Probenoberfläche während der Wärmebehandlung mit geeigneten Metallatomen in Berührung gebracht werden, um eine Änderung des Brechungsindex zu veranlassen. In einer bevorzugten Ausführungsform dienen die Streifen-Wellenleiter für Infrarot-(IR-)Strahlung bei einer Wellenlänge von z. B-. 1,3 pm in für Infrarotstrahlung durchlässigen InP- oder InGaAsP-Proben. Werden geeignete Vorsichtsmaßnahmen getroffen, führt die Wärmebehandlung nicht zu einer nennenswerten Beeinträchtigung der Probenoberfläche. Metalle, die sich für das erfindungsgemäße Verfahren eignen, sind Si, Ge, Sn, Te, Se, As, P, Sb, Cd, Zn, In, Ga, Al, Fe, Cr, Cu, Ag und Au, wobei Ge, Au, Fe und Cr bevorzugte Metalle sind. Einige Metalle, z. B. Au und Ge können auf dem Probenkörper niedergeschlagen werden, um die Wellenleiterzone mittels eines Negativmusters zu definieren, d. h. die Metalle werden auf denjenigen Oberflächenbereichen niedergeschlagen, die der vorgesehenen Wellenleiterzone benachbart sind. Andere Metalle können auf der Probe mittels eines Positivmusters niedergeschlagen werden, d. h., sie werden direkt über der vorgesehenen Wellenleiter-

zone niedergeschlagen. Werden Elemente der erstgenannten, für Negativrauster geeigneten Gruppe von Metallen zur Herstellung der Streifen-Wellenleiter verwendet, so ist es notwendig, zuerst eine Planar-Wellenleiterschicht zu bilden, indem, auf dem Substrat eine Epitaxialschicht gebildet wird, wobei die Epitaxialschicht einen höheren Brechungsindex aufweist, beispielsweise deshalb, weil sie eine wesentlich niedrigere Konzentration freier Ladungsträger aufweist oder sie eine andere Zusammensetzung besitzt als das Substratmaterial. Wird ein Element der letztgenannten, für ein Positivrauster vorgesehenen Gruppe von Metallen zur Bildung eines Wellenleiters verwendet, ist die Bildung einer Planar-Wellenleiterschicht typischerweise nicht notwendig .

Es ist auch möglich, die Wellenleiterzonen durch eine nicht-metallische Bearbeitungsschicht, eine Maske zu definieren, und die nicht-maskierten Oberflächenzonen bei erhöhter Temperatur mit einer Atmosphäre in Berührung zu bringen, die eine geeignete Metallverbindung enthält, welche Metallatome abgibt, die in die unmaskierten Probenbereiche eindiffundieren können.

Diffusionsstoffe, die zu tief gelegenen Fangstellen in InP und InGaAsP führen, z. B. Fe und Cr, können außerdem zur Schaffung von Zonen mit hohem spezifischen V/iderstand verwendet werden, die die Bildung von von einem elektrischen Feld abhängigen passiven Bauelementen ermöglichen, z. B. von elektrooptischen Schaltern oder Modulatoren oder halbisolierender Halbleitersubstrate. Außerdem können diese Diffusionsstoffe zur Bildung von Wellenleitern in stark dotierten Substraten durch Verringern der Trägerkonzentration mittels tiefgelegener Fangstellen verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum herstellen von optischen Bauelementen mit optischen Streifen-Wellenleitern in InR-und InGaAsP-Probekörpern. Derartige Bauelemente enthalten typischerweise zusätzlich zu den aktiven Bauelementen, wie z. B. Lichtquellen, auch passive Bauelemente/Wie z. B. Koppler, Schalter und Modulatoren außer den Mitteln zum Einkoppeln von Strahlung in den Wellenleiter sowie Mitteln zum Auskoppeln der Strahlung aus dem Wellenleiter.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht einer in einer Negativ-Metallmusterschicht definierten Wellenleiterzone,

Figur 2 eine Schnittansicht eines mittels einer Negativ-Musterschicht gebildeten Wellenleiters,

Figur 3 eine Schnittansicht einer durch eine Positiv-Metallmusterschicht definierten Wellenleiterzone, und

Figur 4 eine Schnittansicht eines mittels einer Positiv-Musterschicht gebildeten V/ellenleiters.

Es wurde herausgefunden, daß es möglich ist, Streifen-Wellenleiter für Infrarotstrahlung, die typischerweise in dem Wellenlängenbereich zwischen etwa 1 ym und etwa 1,6_/um liegt, in kristallinem InP oder InGaAsP durch ein Verfahren herzustellen, welches eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 400 ⁰C und etwa 600 ⁰C vorsieht. Die Wärmebehandlung erfolgt langer als etwa 1 Stunde innerhalb einer gesteuerten Umgebung wie z. B. einer abgedichteten Ampulle, die evakuiert oder mit einem inerten Gas gefüllt ist, damit Metallatome in das Halbleitermaterial eindiffundieren und den Brechungsindex des Halbleiters ändern, um so die Wellenleitung zu erhalten.

Wenngleich die Erfindung anhand von in InP und InGaAsP hergestellten Wellenleitern beschrieben wird, so kann das Verfahren auch bei anderen Halbleitern verwendet werden.

In Halbleitern leisten Fremdatome im allgemeinen zusätzlich zu dem Beitrag des Gitters keinen Beitrag zur Polarisierbarkeit, d. h., das Vorhandensein von Fremdatomen anrieh führt nicht typischerweise zu einer Änderung des Brechungsindex der innerlichen Elementarzelle. Statt dessen ändern Fremdatome in Halbleitern typischerweise die Anzahl freier Ladungsträger und beeinflussen durch diesen Mechanismus die Änderung des Brechungsindex. Beispielsweise führt ein Ansteigen der Anzahl nicht-kompensierter freier Ladungsträger in einem Halbleitermaterial typischerweise zu einer negativen Brechungsindexänderung. Das Ändern der Anzahl von Ladungsträger in einem geeignet geformten Volumen eines Halbleiters stellt daher ein mögliches Verfahren zum Herstellen eines Wellenleiters in einer Halbleiterprobe dar. Trotzdem kann der Fremdstoff in manchen Fällen so betrachtet werden, als legiere er mit dem Halbleiter, um eine neue Verbindung mit einem anderen Brechungsindex zu bilden. Bei der folgenden Beschreibung soll der Mechanismus der freien Ladungsträger angenommen werden, obschon der Legierungsmechanismus in einigen Fällen anschaulicher sein mag.

Im folgenden sollen einige Wege zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden. Figur 1 zeigt schematisch eine Negativ-Musterschicht, die die vorgesehene Wellenleiterzone definiert. Auf einem kristallinen Substrat 10 wird - typischerweise durch Flüssigphasenepitaxie - eine Epitaxialschicht 11 gebildet, und auf der Epitaxialschicht wird eine Musterschicht 12 niedergeschlagen, bei der es sich typischerweise um eine Metallschicht handelt, die durch ein Fenster in der Musterschicht die vorgesehene Wellenleiterzone 13 definiert, die in der Schicht 11 durch das Fenster in der Schicht 12 freiliegt. In der beschriebenen Ausführungsform besteht das Substrat typischerweise im wesentlichen aus monokristallinem InP, welches vorzugsweise derart orientiert ist, daß die Epitaxialschicht auf einer (10O)-Oberflache aufwächst. Die Epitaxialschicht kann InP oder InGaAsP sein. In der Praxis hat die Epitaxialschicht 11 typischerweise eine Dicke zwischen etwa 0,5 pm und etwa 3 ;um, wobei die Dicke so gewählt ist, daß ein Leiter mit den gewünschten optischen Eigenschaften entsteht, d. h. ein Monomoden- oder Multimodenleiter für die Strahlen der vorgesehenen Wellenlänge. Der Brechungsindex der Epitaxialschicht wird derart gewählt, daß er den Brechungsindex des Substrats übersteigt. In einer Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Anordnung liegt zwischen dem Substrat und der Epitaxial

schicht eine Pufferschicht. Diese Pufferschicht besteht typischerweise aus undotiortem InP und hat in der Praxis vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa und etwa 3 «um.

Metallmusterschichten, wie z. B. die in Fig. 1 gezeigte Schicht 12, geben während geeigneter Wärmebehandlung des Probekörpers Metallatome ab, die durch die Grenzschicht zwischen der Epitaxialschicht und der darauf niedergeschlagenen Metallschicht in die Epitaxialschicht eintreten und in die Epitaxialschicht eindiffundieren, wie in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, daß Zonen 20 geändert wurden durch die Diffusion wenigstens eines Teils des Metalls der Musterschicht in diejenigen Zonen der Epitaxialschicht 11, die vor der Wärmebehandlung, die zu der Diffusion führte, von der Musterschicht 12 bedeckt waren. Die geeignete Wahl eines Metalls für die Bildung der Musterschicht kann zu einer Verringerung des Brechungsindex der Zone 20 führen. In diesem Fall ist die zwischen den Zonen 20 liegende unbeeinflußte Zone 21 der Schicht 11 von Material umgeben, das einen kleineren Brechungsindex hat als die Zone 21, und somit kann die Zone 21 eine Wellenleiterzone für elektromagnetische Strahlen der geeigneten Wellenlänge bilden.

Figur 3 zeigt schematisch die Situation, in der eine Positiv-Musterschicht, typischerweise eine Metallschicht, die Zone definiert, die zu einem Wellenleiter umgewandelt werden soll. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf einem kristallinen Substrat 10, das typischerweise im wesentlichen aus InP oder InGaAsP besteht, ein Musterstreifen 30 aufgebracht. Besteht der Musterstreifen 30 aus einem geeigneten Metall, führt die geeignete Wärmebehandlung zu dem in Fig. 4 schematisch dargestellten Bauelement, bei dem eine Diffusion von Metall aus dem Metall-Musterstreifen in die darunterliegende Zone 40 des Substrats 10 erfolgt ist. Bei geeigneter Wahl des Metalls, beispielsweise eines p-leitenden Diffusionsstoffs auf einem stark nleitenden Substrat, kann der Brechungsindex der Zone 40 gegenüber dem des Substratmaterials erhöht werden, was zu einem optischen Wellenleiter führt.

Unter gewissen Umständen können auch nicht-metallische inerte Komplementär-Musterschichten, z.B. Siliciumnitridschichten verwendet werden. Eine derartige Schicht oder Maske, die ebenfalls durch die Schichten 12 in Fig. 1 dargestellt wird, kann direkt auf einer geeigneten Oberfläche eines Halbleitersubstrats niedergeschlagen werden, z. B. der (100)-Oberfläche eines stark dotierten, η-leitenden InP-Substrats, während

die Probe einer Behandlungsatmosphäre ausgesetzt wird, die eine Verbindung eines Metalls wie z. B. Zn enthält. Bei erhöhter Temperatur können aus der Verbindung stammende Metallatome in Berührung kommen mit der freiliegenden Substratoberfläche, um in das Substrat einzudiffundieren. Wenn die Behandlung zu einem höheren Brechungsindex in der Diffusionsstoff enthaltenden Zone führt, kann durch diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Wellenleiter geschaffen werden, der dem in Fig. 4 dargestellten Wellenleiter ähnelt. Außerdem kann eine nichtmetallische Positiv-Musterschicht, wie sie durch die in Fig. 3 dargestellte Schicht 30 repräsentiert wird, auf der Oberfläche eines Planar-Leiters niedergeschlagen werden, z. B. eine Epitaxialschicht auf einem InP-Substrat, wobei die Schicht einen größeren Brechungsindex besitzt als das Substrat. Wenn die aus der Behandlungsatmosphäre stammenden Metallatome während der Wärmebehandlung in die nicht-abgedeckten Oberflächenbereiche des Planar-Leiters eindiffundiert werden, kann ein Streifen-Wellenleiter gebildet werden, der dem in Fig. 2 gezeigten Leiter ähnelt. Die oben beschriebenen beispielhaften Varianten der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden nur einen Teil aller möglichen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Metallmusterschichten werden typischerweise nach bekannten Verfahren gebildet, so z. B. durch Verdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, Zerstäuben, Elektroplattieren oder chemisches Dampfniederschlagen. In ähnlicher Weise erfolgt die Musterbildung typischerweise durch ar/sich bekannte Fotolithographie- und Ätzverfahren. Diese Verfahrensmerkmale sind dem Fachmann bekannt und sollen hier nicht im einzelnen beschrieben werden.

Da der Phosphorverlust möglichst klein gehalten werden muß, werden die Proben vorzugsweise in einem relativ kleinen, geschlossenen Volumen wärmebehandelt, beispielsweise in einer zuvor evakuierten Ampulle. Die Erfinder haben herausgefunden, daß diese Maßnahme zusammen mit dem durch die Musterschicht geschaffenen Schutz eine Beeinträchtigung der Probenoberfläche aufgrund von Phosphorverlusten aus dem der Oberfläche nahegelegenen Volumen während der Wärmebehandlung ausreichend verringert. Die Wärmebehandlung der Proben erfolgt bei Temperaturen zwischen etwa 400 ⁰C und etwa 600 ⁰C, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen etwa 450 ⁰C und etwa 550 ⁰C, wobei die Behandlungszeit wenigstens eine Stunde beträgt. Die Temperaturen in dem bevorzugten Bereich

sind hoch genug, um bei einer Behandlungszeit von wenigen Stunden zu einer ausreichenden Diffusionstiefe zu führen, während die Temperaturen in diesem Bereich gering genug sind, um nennenswerte Oberflächenbeeinträchtigungen zu vermeiden, falls die oben diskutierten Vorkehrungen getroffen werden. Die Metallschichten sind im Vergleich zu den mechanische Spannungen hervorrufenden Schichten dünn, und zwar dünner als 200 nm (2000 1). Schichten, die dünner als 5 nm (50 A) sind, sind nicht wünschenswert, da sie möglicherweise nicht genug Metall zum Erzeugen der gewünschten Leiterstruktur enthalten.

Die Metalle, die sich für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen, enthalten Si, Ge, Sn, Te, Se, As, Sb, Cd, Zn, In, Al, Pe, Cr, Cu, Ag und Au, wobei Ge, Au, Fe und Cr bevorzugt werden. Ge und Au verringern den Brechungsindex von im wesentlichen undotiertem InP oder InGaAsP und können somit zur Bildung von Streifen-Wellenleitern in Planar-Wellenleitern verwendet werden, indem z. B. das Metall von einer Negativ-Metallmusterschicht eindiffundiert wird. Andererseits erhöhen Fe und Cr den Brechungsindex von stark dotiertem, n- oder p-leitendem InP oder InGaAsP (INq-NλI hat typischerweise einen größeren Wert als 10 cm ), und können somit zum Herstellen von Streifen-Wellenleitern verwendet werden, indem das Metall z. B. aus einer Positiv-Musterschicht diffundiert wird. In ähnlicher V/eise kann ein p-

Diffusionsstoff wie ζ. B. Cd oder Zn zum Kompensieren eines stark η-dotierten Substrats oder ein η-Diffusionsstoff wie z. B. Ge oder Sn zum Kompensieren eines p-Substrats verwendet werden.

Das optische Bauelement wird im allgemeinen Mittel zum Injizieren von Strahlung in den Wellenleiter enthalten, z. B. einen Laser, eine Leuchtdiode oder sogar ein passives Bauelement. Das optische Bauelement wird im allgemeinen auch Mittel zum Verarbeiten der von dem Wellenleiter kommenden Strahlung enthalten, so z. B. einen Fotodetektor oder ein passives Bauelement wie z. B. einen Schalter, einen Modulator, usw..

BEISPIELE

Auf η-leitenden InP-Substraten wurden durch Flüssigphasen-Epitaxie undotierte InP- oder InGaAsP-Schichten mit einer Dicke von etwa 2 μια erzeugt. Die Epitaxialschichten hatten typischerweise eine Überschuß-Trägerkonzentration I Nj-j—N^I von etwa 10 cm" , und

das Substrat besaß typischerweise eine Überschuß-IQ -3 Trägerkonzentration von etwa 10 cm . Aufgrund ihrer im Vergleich zu dem Substrat geringen Ladungsträgerkonzentration v/aren die InP-Epitaxialschichten Planar-

Leiter, und die InGaAsP-Schichten, die auf undotierten InP-Pufferschichten durch Wachstum erzeugt wurden, waren aufgrund ihrer kleineren Bandabstandenergie Planar-Leiter.

I. Auf der Epitaxialschicht wurde eine Siliciumnitridschicht niedergeschlagen und durch herkömmliche Methoden mit einem Muster versehen und geätzt, um eine Positiv-Nitridmaske zu erhalten. Die Breite der Maskenstreifen reichten von 8 ;um bis etwa 75 ^m. In den Fenstern der Maske wurde zur Bildung eines Negativ-Goldmusters Gold mit einer Dicke von etwa 0,2 ;um aufgalvanisiert. Dann wurde die Probe im Inneren einer evakuierten Quarzampulle 3 Stunden lang bei etwa 500 ⁰C wärmebehandelt, was dazu führte, daß wenigstens ein Teil des niedergeschlagenen Goldes in den darunterliegenden Bereich der Epitaxialschicht einduffindierte. Nach Beendigung der Wärmebehandlung wurden das Siliciumnitrid und das überschüssige Gold rait HF bzw. KI entfernt. Es zeigte sich, daß die Behandlung zur Bildung von Streifen-Wellenleiter geführt hatte, die zwischen den golddiffundierten Zonen sowohl die TE- als auch die TM-Typen einer 1,3 ^Jim-Strahlung eines Nd:YAG-Lasers ohne wesentlichen Unterschied leiteten. Die Dämpfung des Leiters betrug typischerweise weniger als 10 dB/cm, und der

Zus.tand der Probenoberfläche war von der Wärmebehandlung praktisch unbeeinflußt geblieben.

II. Durch herkömmliche Methoden wurde auf der Oberfläche einer undotierten, 3,5 pm dicken Epitaxialschicht von InGaAsP mit einem Bandabstand von 1,15 ;um eine Positiv-Fotoresistmaske erzeugt. Das Substrat war (n+)-IriP, auf dem eine undotierte, 3,5 pm dicke InP-Pufferschicht durch Wachstum erzeugt worden war. Durch Elektronenstrahlverdampfung wurde über der maskierten Oberfläche der Epitaxialschicht eine 0,1 um dicke Ge-Schicht aufgedampft. Das Fotoresistmaterial und das über diesem befindliche Ge wurden mit einer Fotoresistlösung entfernt, so daß ein Negativ-Ge-Muster stehen blieb. Die Probe wurde in einer evakuierten Quarzampulle eingeschlossen und 24 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 500 ⁰C behandelt. Die Wärmebehandlung führte zu der Bildung von Wellenleitern, die sowohl TE- als auch TM-Typen einer 1,3 ;im-Laserstrahlung in den nicht-diffundierten Bereichen leiteten. Die Behandlung führte zu einer

-4 geschätzten Indexänderung von etwa 5 x 10 und ließ die Oberfläche der Probe praktisch unbeeinflußt.

III. Eine Positiv-Siliciumnitridmaske, die wie bei den oben beschriebenen Beispielen hergestellt wurde,

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wurde zum Definieren der Wellenleiterzonen in einer undotierten InGaAsP-Epitaxialschicht verwendet, die auf einer auf einem (n+)-InP-Substrat befindlichen undotierten InP-Pufferschicht niedergeschlagen war. Die Probe wurde zusammen mit einer geringen Menge ZnAs in einer evakuierten Quarzampulle eingeschlossen und drei Stunden lang auf einer Temperatur von etwa 500 ⁰C gehalten. Bei dieser Temperatur liegt das ZnAs innerhalb der Ampulle in Dampfform vor und liefert Zinkatome, die in jene Bereiche der Epitaxialschicht eindiffundieren können, die nicht von einer Maskierschicht bedeckt sind, um ein Negativ-Zn-Muster zu bilden. Nach Beendigung der Wärmebehandlung wurde die Siliciumnitridmaske von der Oberfläche mit HF entfernt. Auch diese Prozedur führte zu der Bildung von Strukturen, die beide Moden von 1,3-um-Laserlicht in den nicht-diffundierten Streifen zu leiten vermochten, wobei die Dämpfung schätzungsweise weniger als 10 dB/cm betrug. Die Behandlung führte nicht zu einer nennenswerten Verschlechterung der Probenoberfläche.

In einer verwandten Anwendung der erfindungsgemäßen Behandlung können in InP- oder InGaAsP-Epitaxialschichten niedrigen spezifischen Widerstands dadurch Zonen hohen spezifischen Widerstands geschaffen

werden, daß Metalle eindiffundiert werden, welche tiefe Fangstellen in diesen Halbleitern bilden, z. B. Fe oder Cr. In vielen optischen Bauelementen, die einen Wellenleiter enthalten, z. B. in Wellenleiter-Modulatoren, ist es notwendig, ein elektrisches Feld anzulegen. Derzeit werden Schottkybarrieren oder PN-Übergänge zum Schaffen einer Verarmungszone in Material mit niedrigem spezifischen Widerstand, wie z. B. in InP oder InGaAsP verwendet, um starke elektrische Felder anzulegen. Das in der oben beschriebenen Weise erfolgende Eindiffundieren von Fe aus einer gleichförmigen oder mit Muster versehenen Fe-Schicht in eine einen niedrigen spezifischen Widerstand auf v/eisende InP- oder InGaAsP-Epitaxialschicht kann zur Bildung von Zonen hohen spezifischen Widerstands in der Schicht führen, und diese Zonen können dazu herangezogen werden, starke elektrische Felder in der gleichen Weise anzulegen wie bei bekannten titandiffundierten LiNb(X-WeIlenleitern. Typischerweise würde die Epitaxialschichten auf halbisolierenden Substraten durch Wachstum gebildet.

Obschon die Erfindung speziell anhand von Wellenleitern in InP und InGaAsP beschrieben wurde,

kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Bildung von Wellenleitern in anderen Halbleitern herangezogen werden. In anderen Halbleitern werden Temperaturen von wenigstens 400 ⁰C zum Eindiffundieren des Metalls eingesetzt. Es versteht sich weiterhin, daß der Ausdruck InGaAsP diejenige Zusammensetzung bedeutet, deren Gitter an das eines InP-Substrats oder einer Pufferschicht angepaßt ist. Der Fachmann erkennt außerdem, daß die Streifen-Wellenleiter Biegungen enthalten können.

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Claims

- BLUMBACH . WESER J;B.ERGEi\!..!KRÄMER ZWIRNER V-HÖFFMATSfN"*** PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsull Radecfcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsull Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsull Western Electric Company ALFERNESS Incorporated New York N. Y. Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauelements mit einem optischen Wellenleiter in einem Verbindungshalbleitermaterial, bei dem auf einer Fläche eines Halbleiters zum Definieren einer Wellenleiterzone eine Muster-Bearbeitungsschicht niedergeschlagen und die Wellenleiterzone durch geeignete Bearbeitung geschaffen wird,
dadurch gekennzeichnet,

daß ein Medium bereitgestellt wird, um Atome wenigstens eines der folgenden Metalle in die durch die Bearbeitungsschicht definierte Wellenleiterzone einzubringen, wobei das Metall aus der Si, Ge, Sn_t Te, Se, As, P, Sb, Cd, Zn, In, Ga, Al, Fe, Cr, Cu, Ag und Au enthaltenden Gruppe ausgewählt wird, und daß das die Bearbeitungsschicht tragende Halbleitermaterial wenigstens etwa eine Stunde lang auf einer

München: R. Kramer Dipl.-lng. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. ter. nai. . E. Hoffmann Dipl.-Ing. 'lesbaden: P. G. Blumbach Dlpl.-Ing. . P. Bergen Prof. Dr. Jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pal.-Anw. bis 1979 . G. Zwirner Dipl.-lng. Dipl.-W.-Ing.

Temperatur von mindestens 400 ⁰C gehalten wird, wodurch die Metallatome in das Material eindiffundieren und dadurch den optischen Wellenleiter bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter im wesentlichen aus InP oder InGaAsP besteht und das Halbleitermaterial auf einer Temperatur zwischen 400 ⁰C und 600 ⁰C gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Muster-Bearbeitungsschicht eine nichtmetallische Schicht ist, und daß die Metallatome aus einer eine Metallverbindung enthaltenden Behandlungsatmosphäre stammen.

4. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Muster-Bearbeitungsschicht eine Metallschicht ist, und daß die Metallatome aus der Metallschicht stammen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallatome aus den Elementen Ge, Au, Fe und Cr ausgewählt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht eine Dicke zwischen 5 und 200 mn (50 und 2000 X) aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial ein im wesentlichen aus InP bestehendes Substrat und eine im wesentlichen aus InGaAsP bestehende Epitaxialschicht aufweist, wobei der Brechungsindex der Epitaxialschicht größer ist als derjenige des Substrats.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial außerdem eine Pufferschicht enthält, die im wesentlichen aus praktisch undotiertem InP besteht und zwischen dem Substrat und der Epitaxialschicht angeordnet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterzone mittels einer Negativmuster-Bearbeitungsschicht definiert wird.

10, Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsschicht im wesentlichen aus Au oder Ge besteht und eine Dicke zwischen 5 und 200 nm (50 und 2000 1) aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterzone durch eine Positivmuster-Bearbeitungsschicht definiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsschicht im wesentlichen aus Fe oder Cr besteht und eine Dicke zwischen 5 und 200 nm (50 und 2000 A.) aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat freie Ladungsträger mit einer

18 -?> Dichte von wenigstens etwa 10 cm aufweist.

14. Optisches Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß es nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.