DE3300986C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrooptisches integriertes Bauelement mit einem Substrat, auf dem mehrere Epitaxial­ schichten aufgewachsen sind.

Schnelle logische Schaltungen werden in immer größeren und komplizierteren Halbleiterchips ausgebildet. Üblicherweise enthalten solche Halbleiterchips ausschließlich elektroni­ sche Bauelemente. Dadurch ist die Signalverarbeitungsge­ schwindigkeit beschränkt durch die Zeit, die man zum Senden elektrischer Signale von einem Teil des Chips zu einem an­ deren Teil benötigt. Die RC-Zeitkonstante des Treiber-Bau­ elements und die relativ langen Leiterbahnen auf dem Chip sind in erster Linie ausschlaggebend für die Arbeitsgeschwin­ digkeit.

Aus "IEEE Journal of Solid-State Circuits", Bd. SC-12, Nr. 1, Februar 1977, Seiten 10 bis 13, ist eine Hybridschaltung mit einem Photodetektorfeld, einem Lichtleiter und einem akusto-optischen Modulator bekannt, wobei die genannten Teile auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind. Durch die Verwendung nicht nur elektronischer Schaltungselemente, sondern auch optischer Schaltungselemente, läßt sich eine Verkürzung der Gesamt-Signalverarbei­ tung auf einem Halbleiterchip erreichen. Aus "IBM Technical Disclosure Bulletin", Bd. 23, Nr. 11, April 1981, Seiten 5145 bis 5146, ist ein Zwischenverstärker bekannt, der einen Mehrschichtaufbau aufweist, wobei in mehreren übereinander angeordneten Schichten Photodioden und Laserdioden ausgebil­ det sind. Dieser Verstärker dient als Signalverstärker für optische Fasern. Die eigentliche Lichtübertragung erfolgt bei diesem System also durch die Faser, wobei abschnitts­ weise eine Verstärkung der Lichtsignale erfolgt.

Aus "Applied Physics Letters", Bd. 25, Nr. 1, 1. Juli 1974, Seiten 36 bis 38, ist es bekannt, auf einem Halbleitersub­ strat einen Photodetektor mit einem Lichtwellenleiter mono­ lithisch auszubilden. Bei dem Lichtleiter handelt es sich dabei um eine Schicht auf dem Substrat, und in die Schicht und in das Substrat ist das Bauelement eingelassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrooptisches integrier­ tes Bauelement der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem in lokalisierten Bereichen des Bauelements durch eine raschere, optische Signalverarbeitung die Gesamt-Signalver­ arbeitungszeit herabgesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebe­ nen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfin­ dung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung schafft eine mehrschichtige optische integrierte Schaltung für Hochgeschwindigkeits­ betrieb, bei der wenigstens drei separate Gruppen von Halbleiterschichten auf einem Substrat gebildet werden und jede Gruppe dahingehend optimiert wird, daß sie eine der folgenden drei Funktionen eines optischen Bauelements ausführt: Emission, d. h. Ab­ gabe von Licht, Übertragung oder Erfassung. Jede Gruppe von Schichten besitzt eine Primärschicht so­ wie darüber und darunter eine oder mehrere Sekundär­ schichten, mit der möglichen Ausnahme, daß die oberste Primärschicht auf der Oberfläche des Bauelements ge­ legen sein kann. Die Sekundärschichten besitzen eine größere Bandabstandsenergie und damit einen niedri­ geren Brechungsindex als die Primärschichten inner­ halb derselben Gruppe. In der beschriebenen Ausfüh­ rungsform dient eine einzelne Schicht als Sekundär­ schicht für zwei Gruppen von Schichten und wirkt somit als Sekundärschicht einer Primärschicht ober­ halb der gegebenen Schicht und einer Primärschicht unterhalb der gegebenen Schicht.

Die drei Primärschichten, die für die Lichtemission, die Lichtübertragung und die Lichterfassung ver­ wendet werden, besitzen hinsichtlich ihrer Bandab­ standenergien eine spezielle Beziehung. Die als Lichtleiter oder für die Lichtübertragung verwen­ dete Primärschicht wird derart hergestellt, daß sie die größte Bandabstandenergie E₁ aufweist. Die für die Lichtemission vorgesehene Primärschicht wird so eingestellt, daß ihre Bandabstandenergie E₂ kleiner ist als E₁. Schließlich wird die für die Lichterfassung vorgesehene Primärschicht so hergestellt, daß ihre Bandabstandenergie E₃ kleiner ist als die Bandabstandenergie der für die Licht­ abgabe vorgesehenen Primärschicht. Diese Erforder­ nisse lassen sich durch die mathematische Beziehung E₁<E₂<E₃ ausdrücken.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Er­ findung wird ein Halbleiterchip im InGaAsP-System hergestellt. Zu Beginn werden auf dem Indiumphosphid­ substrat zwei zusätzliche Schichten aufgewachsen, um die Ausbildung von Feldeffekttransistoren zu er­ möglichen, die zum Erregen der Lichtquelle und zum Verstärken der erfaßten optischen Signale dienen. In anderen Ausführungsformen können die elektrischen Bauelemente aus Schichten bestehen, die als Primär- und Sekundärschichten für den optischen Teil des Halbleiterbauelements verwendet werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Er­ findung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Beispiel einer er­ findungsgemäßen mehrschichtigen optischen integrierten Schaltung,

Fig. 2 eine Querschnittansicht eines Beispiels einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen opti­ schen integrierten Schaltung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die in Fig. 2 dargestellte Anordnung,

Fig. 4 eine schematische Skizze der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Anordnung,

Fig. 5 eine Tabelle über die in Fig. 2 dargestellten Halbleiterschichten, die die Zusammensetzung jeder dieser Schichten angibt, und

Fig. 6 eine Querschnittansicht des Wellenleiterabschnitts des in den Fig. 2 und 3 dargestellten Halb­ leiterchips.

Fig. 1 zeigt ein Halbleiterchip 10, auf dem ein integrierter Großschaltkreis (eine LSI-Schaltung) 11 ausgebildet ist. Wie in Fig. 1 angedeutet ist, kann ein Feldeffekttransistor 15 dazu verwendet werden, ein Signal des Chips an ein lichtemittierendes Bauelement 16 zu koppeln, welches seinerseits dieses elektrische Signal in ein optisches Signal umwandelt. Das optische Signal wird über einen optischen Wellenleiter (Lichtleiter) 17 auf einen Fotodetektor 18 gegeben. Dieser wiederum liefert ein elektrisches Signal an das Gate eines Feldeffekt­ transistors 19. Auf diese Weise kann ein elektrisches Signal von dem linken unteren Abschnitt des Halb­ leiterchips 10 rasch zu dem rechten unteren Abschnitt des Halbleiterchips übertragen werden. Die Kombination von optischen und elektronischen Bauelementen auf einem einzigen Halbleiterbauelement hat im Fachjargon die Bezeichnung "Photonic" erhalten. Ähnliche elektro­ optische Kopplungen eines Chipteils mit einem anderen Chipteil können durch weitere Quellen, Lichtleiter und Detektoren 12, 13, 14 in anderen Bereichen des Halbleiter­ chips 10 vorgesehen sein.

Fig. 4 zeigt eine schematische Skizze der durch die Elemente 15-19 in Fig. 1 geschaffenen Art von Schaltung. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird ein elek­ trisches Signal auf das Gate des Feldeffekttransistors gegeben, dessen Source vorgespannt und dessen Drain mittels eines Leiters an eine Leuchtdiode 16 ange­ schlossen ist. Das von der Diode 16 erzeugte Licht wird über den Wellenleiter 17 zu einem Fotodetek­ tor 18 übertragen, der ein elektrisches Signal an das Gate eines zweiten Feldeffekttransistors 19 legt. Der Drain des FET 19 ist vorgespannt, während seine Source das Ausgangssignal abgibt, das in dem zweiten Bereich des Halbleiterchips verarbeitet werden kann.

Erfindungsgemäß werden die in Fig. 4 veranschau­ lichten Funktionen mittels einer in Fig. 2 darge­ stellten mehrschichtigen, optischen integrierten Schaltung erreicht. Die Herstellung des in Fig. 2 gezeigten Bauelements erfolgt nach Maßgabe der in Fig. 5 enthaltenen Tabelle, wobei von den nachstehend beschriebenen Verfahrensschritten Gebrauch gemacht wird. In wenigen Worten: die zweite Primärschicht 207 wird mit einem Bandabstand hergestellt, der für die Er­ zeugung optischer Energie geeignet ist. Aufgrund der sich verjüngenden Form der dritten Primärschicht 210 und der darüber befindlichen Mantelschicht 211 des in Fig. 2 dargestellten Bauelements wird ein Teil der optischen Energie von der ersten Primärschicht 207 in die dritte Primärschicht 210 eingekoppelt, die ihrerseits als Wellen­ leiter zwischen zwei Abschnitten der mehrschichtigen optischen integrierten Schaltung dient. Auf der entfernt gelegenen Seite der dritten Primärschicht 210 wird eine ähnliche Verjüngung in der Schicht 210 und der Mantelschicht 211 dazu verwendet, die ge­ leitete optische Energie durch die Schichten des in Fig. 2 gezeigten Bauelements nach unten auf eine erste Primärschicht 205 abzulenken, die so ausge­ bildet ist, daß ihr Bandabstand niedriger ist als die beiden anderen Bandabstände, und somit als De­ tektor für die optische Energie dienen kann. Wie in Fig. 5 angegeben ist, sind die Primärschichten, die für die Lichtabgabe, die Lichterfassung und die Licht­ leitung vorgesehen sind, von Sekundärschichten um­ geben, die höhere Bandabstandenergien und daher nied­ rigere Brechungsindizes besitzen.

Die Herstellung des Bauelements beginnt mit dem Aufwachsen der in Fig. 2 gezeigten und in Fig. 5 spezifizierten Epitaxialschichten 202-211 auf einem Indiumphosphid-Substrat 201. Die Dotierung, die Dicke und die Zusammensetzung sind in Fig. 5 angegeben. Dieses Aufwachsen kann unter Verwendung üblicher Halbleiter- Wachstumsmethoden unter Einsatz der Flüssigphasen­ epitaxie durchgeführt werden. Wie in Fig. 5 angegeben ist, besteht der sich ergebende Wafer aus abwechseln­ den p-leitenden und n-leitenden Schichten und Schicht­ gruppen mit variierender Dicke und variierender chemischer Zusammensetzung, um die unterschiedlichen Bandabstandenergien zu erzielen.

Bei der dargestellten Ausführungsform werden die­ jenigen Zonen des Bauelements, die für die Licht­ abgabe und -erfassung verwendet werden, dann dadurch getrennt, daß durch eine Maske Zink diffundiert wird, um Zonen von n-leitenden Schichten zu schaffen, die vollständig von p-leitendem Material umgeben sind. Diese Zonen aus n-leitendem Material sind vollständig von p-leitendem, wulstförmigem Material umgeben, wie es bei den Diffusionszonen 220 und 221 in Fig. 2 dargestellt ist. Die Struktur dieser Zonen ist außerdem in Fig. 3 dargestellt, die eine Draufsicht auf das in Fig. 2 dargestellte Bauelement ist. Wie aus Fig. 3 hervor­ geht, haben die zinkdotierten Zonen im wesentlichen Wulstform und sind bis auf die Tiefe der als Pufferschicht wirkende Epitaxialschicht 203 eindiffundiert, wie aus Fig. 2 hervorgeht.

Ein besonderes Ver­ fahren zum Leiten von Lichtwellen von einem Chipbe­ reich zu einem anderen Chipbereich sieht eine Steghohlleiter- Struktur der in Fig. 6 gezeigten Art vor. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, hat die Schicht 210 im Vergleich zur Schicht 209 endliche Breite, und das Licht wird in der Schicht 210 nur unterhalb desjenigen Bereichs 232 der Schicht 210 geleitet, die von der oberen Mantelschicht 211 bedeckt ist. Um das geleitete Licht auf einen einzelnen Moden zu beschränken, wird als Dicke t der Schicht 210 in der vorliegenden Ausführungsform 0,5 µm gewählt. Bei der vorliegenden Ausführungsform, bei der die Schichten 209 und 211 aus Indiumphosphid gebildet werden, beträgt der Brechungsindex dieser Schichten etwa 1,35. Verwendet man die Gleichungen aus der Plattentyptheorie der Wellenleiter-Fortpflanzung, so kann man den Brechungsindex der Schicht 210 be­ rechnen, und dieser Index bestimmt die Zusammen­ setzung der Schicht 210 gemäß Fig. 5. Nach bekannten Theorien läßt sich der Minimalwert der Dicke berechnen, die zu einer Einzelmodenübertragung dieser Art von Wellen­ leiter führt. Im vorliegenden Fall, in dem die Schich­ ten die in Fig. 5 angegebenen Zusammensetzungen auf­ weisen, beträgt dieser minimale Dickenwert etwa 0,3 µm. Der Wert für die Breite w der Steg- Mantelschicht 211, die die Ausbreitung auf einen einzelnen Moden beschränkt, läßt sich am besten durch Versuche bestimmen, theoretisch läßt sich jedoch vorhersagen, daß die Breite in den Bereich von 2-5 µm fällt.

Mit den oben angegebenen Parametern für die Schichten 209, 210 und 211 kann das Licht aus dem Wellenleiter heraus auf ein niedriger liegenden Bereich des Halb­ leiterchips abgelenkt werden, indem durch die Schich­ ten 210 und 211 hindurch eine Verjüngung nach unten geätzt wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Wenn die Verjüngung die Schicht 210 vollständig durch­ schneidet, wird das Licht durch innere Totalreflexion reflektiert. Es sei jedoch bemerkt, daß die Ver­ jüngung nur durch die Schicht 211 und in die Schicht 210 wenigstens soweit geschnitten zu werden braucht, daß der Einschnitt in die Schicht 210 etwa der Hälfte derjenigen Dicke entspricht, die für eine Einzel­ modenfortpflanzung notwendig ist. Die Schicht 210 braucht nur breit genug zu sein, um auf jeder Seite der Schicht 211 eine Zone zu schaffen, die etwa der Breite der Schicht 211 entspricht.

Nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichten gemäß Fig. 2 und Implantieren der zinkdotierten Zonen 220 und 221 kann das Halbleiterchip weiterver­ arbeitet werden, um die Schichten 210 und 211 mit stegförmigen Strukturen zu versehen, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind. Diese Stegwellenleiter- Streifen für die Schichten 210 und 211 werden da­ durch hergestellt, daß mittels Fotolithographie die Streifenbereiche maskiert und die Schichten 210 und 211 dann unter Verwendung einer Kombination aus reaktivem Ionenplasmaätzen oder chemischem Ätzen geätzt werden. Dann wird mit einer weiteren foto­ lithographischen Behandlung der gesamte Wafer mit Ausnahme der in der Nähe der Spitzen der Licht­ leiterstreifen gelegenen Bereiche maskiert. Durch chemisches Ätzen wird dann ein sich verjüngendes Ende der Schichten 210 und 211 und damit eine optische Kopplung zwischen den Spitzen des Lichtleiters und der darunterliegenden Quellen- und Detektorschichten geschaffen.

Aufgrund der Bandabstanddifferenz der verschiedenen Schichten ist es möglich, selektive Ätzmittel zu verwenden, die durch einen Typ von Schichten schnell hindurchätzen und bei Erreichen der nächsten Schicht beträchtlich langsamer ätzen. Es gibt mehrere Literaturstellen, derer sich der Bauelementhersteller bei der Durchführung dieser Verfahrensschritte be­ dienen kann. Man vergleiche beispielsweise J. Electrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology, Vol. 126, No. 2, Februar 1979, "Material-Selective Chemical Etching in the System InGaAsP/InP" von S. B. Phatak u. a., Seiten 287-292; Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 19, No. 1, Januar 1980, "Chemical Etching of InP and GaInAsP For Fabricating Laser Diodes and Integrated Optical Circuits," von T. Kambayas u. a., Seiten 79-85; J. Electrochem. Soc.: Solid State Science, Vol. 118, No. 5, Mai 1971, "Selective Etching of Gallium Arsenide Crystals in H₂SO₄-H₂O₂-H₂O System," von S. Lida, Seiten 768-771.

Dann werden mittels einer fotolithographischen Maske sämtliche Bereiche mit Ausnahme derjenigen Bereiche abgedeckt, wo die nächste Schicht 209 in Fig. 2 ent­ fernt werden soll. Die Schichten 209, 210 und 211 werden dann dort entfernt, wo sie belichtet sind.

Dann wird eine neue fotolithographische Maske dazu verwendet, sämtliche Bereiche abzudecken, mit Aus­ nahme derjenigen Bereiche, wo die nächste Schicht, 208 in Fig. 2, entfernt werden soll. Anschließend wird die Schicht 208 dort fortgeätzt, wo sie be­ lichtet wurde.

Dieser Vorgang wird für die übrigen Schichten 207 bis 202 in Fig. 2 wiederholt.

Dann wird über dem Wafer eine isolierende dielektri­ sche Schicht 231, z. B. eine 300 nm dicke SiO-Schicht niedergeschlagen und mittels einer fotolithographi­ schen Maske mit Ausnahme derjenigen Stellen abge­ deckt, an denen Löcher zur elektrischen Kontaktie­ rung der Halbleiterschichten an den durch die voraus­ gehenden Ätzschritte freigelegten Punkten erwünscht sind. Diese Löcher werden in das Dielektrikum ein­ geätzt, und über dem Wafer werden metallische Leiter­ schichten 212 und 213 aufgedampft (die Leiterschichten 212 und 213 bestehen aus einer Zusammensetzung von 100 nm Chrom und 400 nm Gold). Dann wird eine foto­ lithographische Maske dazu verwendet, die für die elektrische Verbindung verwendeten Metallstreifen abzudecken, und das Metall außerhalb dieser Streifen wird fortgeätzt.

Dann wird der Wafer wärmebehandelt (legiert), um den ohmschen Kontakt zwischen Metall und Halbleiter zu verbessern. Die einzelnen Chips werden schließlich getrennt und in Gehäusen untergebracht.

Claims (8)

1. Elektrooptisches integriertes Bauelement mit einem Substrat, auf dem mehrere Epitaxialschichten aufgewachsen sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei der Epitaxialschichten Primärschichten (205, 207, 210) sind, von denen eine als opto-elektrischer Wandler dienende erste Primärschicht (205) mit einem für optische Er­ fassung geeigneten Bandabstand, eine als elektrooptischer Wand­ ler dienende zweite Primärschicht (207) mit einem für die Er­ zeugung von Licht, das von der ersten Primärschicht erfaßbar ist, geeigneten, größeren Bandabstand und eine als Lichtleiter geeignete dritte Primärschicht (210) mit einem Bandabstand auf­ gewachsen ist, der größer als der Bandabstand der ersten und der zweiten Primärschicht ist, daß zwischen aufeinanderfolgenden Primärschichten wenigstens eine Barriereschicht (206, 209) aus­ gebildet ist, deren Bandabstand größer ist als derjenige jeder der ihr benachbarten Primärschichten, daß diejenigen Bereiche des Bauelements, die für Lichterzeugung und Licht­ erfassung verwendet werden, durch geeignete Diffusionszonen (220, 221) von den anderen Bauelementbereichen elektrisch getrennt sind und daß eine erste Elektrodenanordnung (213) zum Schaffen einer elektrischen Verbindung mit der ersten Primärschicht in dem ersten der elektrisch getrennten Be­ reiche und eine zweite Elektrodenanordnung (212) zum Schaffen einer elektrischen Verbindung mit der zweiten Primärschicht in dem anderen elektrisch getrennten Bereich angeordnet ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Primärschicht (205) die dem Substrat (201) am nächsten gelegene Primärschicht ist, und daß die dritte Primärschicht (210) die von dem Substrat (201) am weitesten entfernte Primärschicht ist.

3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Epitaxialschichten eine als Steg über der dritten Primärschicht (210) ausgebildete Streifenschicht aufweisen, deren Breite (W) derart ausgewählt ist, daß das in der dritten Primärschicht (210) geleitete Licht auf eine vorbestimmte An­ zahl von Moden begrenzt wird.

4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenschicht (211) und die dritte Primärschicht (210) an wenigstens einem Punkt in eine Verjüngung aus­ laufen, die zur Ablenkung des in der dritten Primärschicht (210) geleiteten Lichts in Richtung auf die unteren Epi­ taxialschichten des Bauelements führt.

5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Trennen der Bereiche durch Diffusions­ zonen (220, 221) erfolgt, die in die Epitaxialschichten des Bauelements eindiffundiert sind, und daß die Ver­ jüngung, die die Streifenschicht (211) und die dritte Primärschicht (210) abschließt, innerhalb wenigstens einer der zwei Zonen liegt.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Substrat (201) aus Indium und Phosphor zusammensetzt, und daß sich die Epitaxialschich­ ten aus Elementen zusammensetzen, die aus der Gruppe Indium, Phosphor, Gallium und Arsen aus­ gewählt sind.

7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Substrat (201) aufgewachsenen Epitaxialschich­ ten wenigstens zwei dem Substrat (201) benachbarte Epi­ taxialschichten (202, 203) aufweisen, die mit einem sol­ chen Dotierungsverlauf aufgewachsen sind, daß sie sich für die Herstellung von elektrischen Bauelementen eig­ nen.

8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Substrat (201) benachbarten Epitaxialschichten (202, 203) wenigstens eine Schicht enthalten, die so aufgewachsen ist, daß eine Eigenleitungsdotierung ge­ schaffen wird.