DE3485863T2 - Halbleitervorrichtung mit einem lichtwellenleiter und verfahren zur herstellung einer solchen vorrichtung. - Google Patents

Halbleitervorrichtung mit einem lichtwellenleiter und verfahren zur herstellung einer solchen vorrichtung.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem integrierten Lichtwellenleiter, wobei diese Anordnung ein monokristallines Halbleitersubstrat mit einer entsprechend einer kristallographischen Ebene orientierten Fläche aufweist, die mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist, die eine Öffnung in Form einer Rille parallel zur kristallographischen Richtung des Substrats aufweist, wobei die Öffnung in dem Substrat durch einen Kanal fortgesetzt wird, wobei wenigstens eine Wand dieses Kanals durch eine kristallographische Fläche gebildet wird und wobei diese Anordnung außerdem zur Bildung des Lichtleiters ein monokristallines epitaxiales Halbleiterband aufweist, das durch Aufwachsen ausgehend von der kristallographischen Fläche des Kanals gebildet wird und wobei das Band eine prismatische Form mit einer Achse parallel zur Richtung des Kanals und mit Flächen hat, die natürliche kristallographische Wachstumsflächen des epitaxialen Bands sind.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wellenleiters.
  • Diese Erfindung findet Anwendung einerseits in der Ausbildung einer Kopplung von üblichen Lichtleitfasern und integrierten Schaltkreisen zur Erfassung oder Aussendung von Licht und andererseits in der Mikro-Optoelektronik als optischer Verbinder.
  • Aus dem Stand der Technik ist eine optoelektronische integrierte Halbleitervorrichtung vom Lasertyp aufgrund einer Veröffentlichung mit dem Titel "Embedded heterostructure epitaxy: A technique for two-dimensional thin film definition" von I. Samid u. a., Applied Physics Letters, Vol. 27, Nº 7, vom 1. Oktober 1975, Seiten 405-407 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt eine integrierte Laservorrichtung bestehend aus einer Mehrschichtenstruktur aus GaAs und GaAlAs in einer rillenförmigen Öffnung einer auf die Oberseite eines Substrats aus orientiertem monokristallinen Ga-As aufgebrachten Schicht aus Al&sub2;O&sub3;. Diese Rille ist gemäß einer kristallographischen Achse des Substrats ausgerichtet und die Oberfläche des Substrats, die in der Rille zutagetritt, wird vor der Herstellung der Mehrschichtenstruktur leicht angeätzt. Die Mehrschichtenstruktur wird durch epitaxiales Wachstum in flüssiger Phase gebildet und führt zu einem flachen Band, d. h. einem Band von geringer Abmessung senkrecht zum Substrat. Das Band erstreckt sich länglich und in prismatischer Form auf der Oberseite des Substrats in der rillenförmigen Öffnung. Die Seiten des Prismas bestehen aus den kristallographischen Wachstumsflächen der epitaxialen Schichten und hängen von der kristallographischen Ausrichtung der Rille ab. Diese Druckschrift lehrt, daß diese Seiten stark reflektieren und geeignet sind, den Lasereffekt zu verbessern.
  • Es ist weiter aus dem Aufsatz mit dem Titel "Etude de l' pitaxie localis du GaAs", veröffentlicht im Journal of Crystal Growth 13/14, 1972, Seiten 325-330 bekannt, Schichten durch die Epitaxialmethode in der Dampfphase in einer Öffnung einer Maske und nach dem Beizen oder anisotropen Ätzen durch diese Öffnung herzustellen. Diese Methode ergibt vollständig anisotrope Schichten, die natürliche kristallographische Wachstumsflächen besitzen, welche stark von der Tiefe des anisotropen Ätzens vor dem Aufwachsen abhängen.
  • Diese Druckschrift zeigt, daß man durch das epitaxiale Aufwachsen in der Dampfphase prismatische Bänder in Rillen herstellen kann, die Querabmessungen hinunter bis zu 3 um besitzen können.
  • Weiter ist aus dem Aufsatz "Optically pumped GaAs mesa surface laser" von F.A. Blum u. a., veröffentlicht in Applied Physics Letters, Vol. 24, Nº 9, 1. Mai 1974, Seiten 430-432 eine integrierte Halbleiterlaservorrichtung bekannt. Diese Vorrichtung enthält Mesastrukturen in Rhombusform, die senkrechte Seiten senkrecht zum Substrat besitzen. Diese Vorrichtung ist etwa 16 um hoch und hat Abmessungen von 300 umx700 um für die Diagonalen des Rhombus. Diese Vorrichtung wird durch epitaxiales Wachstum in der Dampfphase auf einem gerichteten Substrat hergestellt. Eine Maske aus SiO&sub2; wird auf dem Substrat hergestellt und eine rhombusförmige Öffnung wird so eingeätzt, daß die Flanken parallel zu den kristallographischen Ebenen (111) verlaufen. Die Laserstruktur wird auf der Oberfläche des Substrats in dieser Öffnung durch Aufwachsen in der Dampfphase erstellt.
  • Keine dieser Druckschriften gibt aber eine Lehre, wie Bänder einer geeigneten Form und Abmessung hergestellt werden können, um Lichtleiter zu bilden und die weiter Einschließungsmittel enthalten.
  • Insbesondere betreffen diese Druckschriften alle Vorrichtungen, deren Querabmessungen im wesentlichen denen der in der dielektrischen Schicht vorgesehenen Öffnung entsprechen.
  • Weiter ist aus dem Stand der Technik bekannt, daß Lichtleiter aus den Materialien III-V durch epitaxiales Aufwachsen ausgehend von Kanälen hergestellt werden können. Hierzu wird auf den Aufsatz "Growth characteristics of GaAs- Ga1-xAlxAs structures fabricated by liquid-phase epitaxy over preferentially etched channels" verwiesen, der in Applied Physics Letters, Vol., 28 Nº 4, 15. Februar 1976, Seiten 234-237 veröffentlicht wurde. Diese Druckschrift betrifft die Herstellung von epitaxialen Schichten aus GaAs und GaAlAs durch die Methode des epitaxialen Wachstums in der flüssigen Phase in Kanälen, die durch anisotropes Ätzen in einem Substrat aus GaAs ausgebildet wurden. Diese Druckschrift lehrt, daß "das Füllen der Kanäle mehr durch die Oberflächenspannung des Bads als durch das bevorzugte Wachstum ausgehend von den kristallographischen Ebenen diktiert wird, die die Flanken der ursprünglichen Rille bilden. Aufgrund dieser Wachstumseigenschaften hängt das Profil der gebildeten epitaxialen Schichten wenig vom ursprünglichen Profil der ausgeätzten Rille ab".
  • Die in der zitierten Druckschrift gezeigten Lichtbilder beweisen, daß der Boden des Kanals vollständig abgerundet ist und daß der obere Bereich der Schichten keine Kristallflächen aufweist.
  • Für die in Betracht gezogenen Anwendungen liegt also das technische Problem in einer Vorrichtung, die sowohl die Herstellung von sehr schnellen integrierten elektronischen Schaltkreisen als auch die Fortpflanzung von Licht mit geringer Dämpfung erlaubt. Untersuchungen haben gezeigt, daß die ideale Dämpfung nicht 1 dB/cm für eine Wellenlänge von 1,06 um übersteigen sollte.
  • Um die Verluste entlang der Außenwände des Lichtleiters aufgrund eines schlechten Oberflächenzustand zu verringern, der Verluste durch Diffusion erzeugt, besteht ein Ziel der Erfindung darin, eine Halbleitervorrichtung mit einem Lichtleiter zu liefern, dessen Außenwände von kristallographischen Wachstumsflächen gebildet werden, damit man eine vollständige Reflexion des Lichts an diesen Flächen erhält und so die seitliche Einschließung verbessert.
  • Nach der oben zitierten Druckschrift liegt die Querabmessung der geätzten Kanäle und damit der erhaltenen Lichtleiter in der Größenordnung von 30 bis 100 um, was mit der erfindungsgemäß in Betracht gezogenen Anwendung der Kopplung der mit Lichtleitern versehenen Halbleitervorrichtung mit üblichen Lichtleitfasern nicht vereinbar ist, denn letztere besitzen deutlich geringere Abmessungen.
  • Eines der Ziele der Erfindung ist es also, eine einen Lichtleiter aufweisende Halbleitervorrichtung zu liefern, die besser für die Kopplung geeignet ist, also geringe Abmessungen vergleichbar denen der Fasern besitzt, sowie eine Form, die der der Fasern angenähert ist.
  • Es sei jedoch erwähnt, daß es aus dem Aufsatz "Etched buried heterostructure GaAs/GaAlAs injection lasers", veröffentlicht in Applied Physics Letters Vol. 27, Nº 9, Seiten 510-511 bekannt ist, epitaxiale Schichten in flüssiger Phase in Kanälen kleiner Abmessungen von der Größenordnung von 3 um herzustellen. Diese Druckschrift lehrt aber auch, daß trotz der während des Aufwachsens getroffenen Vorkehrungen, insbesondere indem eine sehr geringe Aufwachsgeschwindigkeit gewählt wird, die erste aufgebrachte Schicht Fehler aufgrund einer schlechten Benetzung der Flanken des Kanals besitzt. Die in dieser Druckschrift abgedruckten Lichtbilder zeigen, daß aufgrund des Aufwachsens LPE die Flanken des Kanals, die ursprünglich kristallographische Flächen waren, abgerundet wurden; weiter wird dort ausgeführt, daß neben den Schwierigkeiten des Wachstums aufgrund der schlechten Benetzung und der Enge der Kanäle die endgültige Oberfläche der Schichten eben wurde.
  • Die Herstellung von Lichtleitern auf epitaxiale Weise ist auch aus dem Aufsatz "Growth of GaAs-Ga1-xAlxAs over preferentially etched channels by molecular beam epitaxy: A technique for two-dimensional thin-film definition" bekannt, der in Applied Physics Letters, Vol. 30, Nº 6, 15. März 1977, Seiten 293 bis 296 veröffentlicht wurde. Gemäß dieser Druckschrift könnte man durch eine Wachstumsmethode mittels Molekularstrahl (MBE) einen "Lichtleiter erhalten, der von Schichten gebildet ist, die in einem anisotropisch ausgeätzten Kanal liegen, wobei diese Schichten kristallographische polierte und hochreflektierende Flächen bilden".
  • Die in dieser Druckschrift abgedruckten Lichtbilder zeigen jedoch, daß der Umriß der Schichten abgerundet und unregelmäßig ist. Der Fachmann weiß auch, daß die Methode MBE kein örtlich begrenztes Wachstum und kein anisotropes Wachstum erlaubt. In dieser Druckschrift sind die Kanäle auch breit, mit einer Breite von ungefähr 20 um.
  • Der Fachmann kann also aus dieser Druckschrift keine Lehre entnehmen, um die oben erwähnten technischen Probleme zu lösen.
  • Weiter ist es im Stand der Technik bekannt, Lichtleiter durch epitaxiales Wachstum herzustellen, das durch eine in einer dielektrischen Schicht vorgesehene Rille begrenzt wird. Eine solche Vorrichtung ist insbesondere in dem US-Patent 3 984 173 beschrieben. Diese Druckschrift betrifft eine Lichtleiterstruktur, die durch epitaxiales Aufwachsen in der Dampfphase ausgehend von einem orientierten monokristallinen Substrat in einer Öffnung einer Maske erhalten wird, die entlang einer kristallographischen Richtung orientiert ist, wobei die Öffnung genau dieselben Abmessungen in Höhe des Substrats wie der Lichtleiter besitzt. In gewissen Ausführungsformen besitzt das Substrat im Vergleich zum Material des Lichtleiters eine Differenz im Brechungsindex, durch die sich eine gewisse Einschließung ergibt.
  • Eines der Zeile der Erfindung ist es, eine bessere optische Trennung zwischen dem Lichtleiter und dem Substrat oder zwischen dem Lichtleiter und der Umgebung herzustellen.
  • Eine andere Vorrichtung mit einem Lichtleiter ist weiter durch den Aufsatz "Low-loss GaAs optical waveguides formed by lateral epitaxial growth over oxide" von F.J. Leonberger u. a. bekanntgeworden, der in Applied Physics Letters 38 (5) vom 1. März 1981, Seiten 313-315 veröffentlicht wurde. Diese Druckschrift beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitern auf einem monokristallinen Substrat aus Galliumarsenid, das mit einer Schicht aus Siliziumoxid SiO&sub2; bedeckt ist. Durch Ätzen werden Fenster in diese Schicht geöffnet, in denen durch epitaxiales Wachstum in der Dampfphase eine Schicht aus monokristallinem Galliumarsenid mit n&supmin;-Dotierung gebildet wird. Zu Beginn des Wachsvorgangs geht die Schicht aus GaAs-n&supmin; von dem Keim aus, der durch das Substrat in der Öffnung der Fenster gebildet wird, während sie dann, wenn die epitaxiale Schicht dicker wird, über die Seiten der Fenster hinausragt, um schließlich oberhalb der gesamten Schicht aus SiO&sub2; eine gleichmäßige Schicht aus monokristallinem GaAs-n&supmin; zu bilden. Nach der Herstellung dieser Schicht aus GaAs werden die Lichtleiter durch Ätzen dieser Schicht erzeugt und bilden ein vorstehendes Band mit Rechteckquerschnitt. Aufgrund der Unterschicht aus Siliziumoxid SiO&sub2; sind die Verluste entlang eines Lichtleiters dieses Typs verhältnismäßig gering und die Dämpfung entlang eines solchen Lichtleiters liegt bei etwa 2,3 dB/cm bei einer Wellenlänge von 1,06 um.
  • Das in einem solchen Lichtleiter geführte Licht wird jedoch durch die Seitenwände schlecht eingeschlossen. Da nämlich diese Lichtleiter in die Schicht aus Galliumarsenid eingraviert sind und nicht bis zur Siliziumoxidschicht reichen, gibt es keine Grenzfläche zwischen Luft und Galliumarsenid (GaAs) über die ganze Höhe der senkrechten Seitenflächen, sondern nur über einen Teil davon. Wenn zwar die Grenzfläche zwischen Luft und Galliumarsenid (GaAs) auf der Oberseite des Lichtleiters aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindex zwischen Luft und Galliumarsenid Δn 2,5 eine sehr gute Totalreflexion ergibt, so führt aber die Tatsache, daß es keine Grenzfläche zwischen dem Lichtleiter und der eigentlichen durchgehenden Galliumarsenidschicht (GaAs) gibt, zu Verlusten entlang der Längsseitenwände des Lichtleiters. Andererseits sind die Oberflächen der Seitenwände und der Oberseite, die durch die chemische Ätzbehandlung erhalten wurden, unpoliert. Dieser Oberflächenzustand führt ebenfalls zu Verlusten.
  • Diese Verluste werden noch vergrößert, wenn der Lichtleiter einen Kurvenverlauf nehmen soll, um das Licht in einer Kurve zu führen.
  • Eines der Ziele der Erfindung ist es auch, eine Lichtleiterstruktur vorzuschlagen, die es erlaubt, Lichtleiter mit starker Krümmung, d. h. einen kleinen Krümmungsradius herzustellen.
  • Daher schlägt die vorliegende Erfindung vor, diese Probleme mit Hilfe einer Vorrichtung zu lösen, wie sie im Oberbegriff beschrieben ist und die weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß die in der dielektrischen Schicht gebildete Rille eine Querabmessung in der Größenordnung von 1 um aufweist, was im Vergleich zur Querabmessung des Lichtleiters gering ist, und zwar derart, daß Teile der Seitenwand des prismatischen Bands Teile der dielektrischen Schicht berühren, und daß diese Teile der dielektrischen Schicht mittels ihrer Oberfläche, die im Vergleich zu der Rille groß ist, zusammen mit dem kristallographischen Flächen, welche die Seitenflächen des prismatischen Bands bilden, zur Einschließung des Lichts beitragen.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist es, daß aufgrund der verwendeten Methode des anisotropen Wachstums unmittelbar die gewünschte Form für den Lichtleiter erhalten wird. Unter diesen Bedingungen ist es nicht notwendig, zusätzlich die epitaxiale Schicht zu ätzen.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Strahlen entweder auf die kristallographischen Flächen auftreffen, welche eine vollständige Reflexion bewirken, oder hauptsächlich zu beiden Seiten der Rille auf die dielektrische Schicht auftreffen, die glatt ist und einen geringen Brechungsindex im Vergleich zum Halbleitermaterial des Lichtleiters besitzt. Diese Strahlen "sehen" wenig die Rille aufgrund des gewählten Verhältnisses der Abmessungen und werden daher in dem Lichtleiter gut eingeschlossen.
  • Gemäß einer Variante der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch ausgezeichnet, daß der sich bis in das monokristalline Substrat verlängernde Kanal sich auch seitlich unterhalb der dielektrischen Schicht auf beiden Seiten der geätzten Rille in die dielektrische Schicht erstreckt, wodurch auf diese Weise ein sogenannter untergeätzter Kanal entsteht.
  • Gemäß einer zweiten Variante der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung dadurch bemerkenswert, daß eine zweite dielektrische Schicht den Boden des untergeätzten Kanals bedeckt, nicht aber die kristallinen Flächen, welche dessen Flanken bilden, und daß der Lichtleiter von diesen Flanken gebildet wird.
  • In diesen verschiedenen Vorrichtungen besitzen die Lichtleiter analoge physikalische Kennwerte. Die Herstellung der Vorrichtung gemäß der zweiten Variante enthält jedoch einen zusätzlichen Verfahrensschritt, der in dem Aufbringen der zweiten Schicht aus Siliziumoxid besteht. Aufgrund dieser Schicht wird das Licht besser in dem Lichtleiter eingeschlossen und die Verluste werden verringert.
  • Eine Verringerung des Einflusses des Bodens des Kanals oder der Rauhheit der Seiten und Oberflächen des Lichtleiters kann noch durch eine andere Variante der Vorrichtung erzielt werden, die dafür bemerkenswert ist, daß das Substrat vom n- Typ ist, daß eine Epitaxialschicht mit einer stärkeren n-Dotierung als das Substrat die Seiten und den Boden des Kanals bedeckt und daß ausgehend von dieser Schicht der Lichtleiter mit einer epitaxialen Schicht mit einer geringeren n-Dotierung gebildet wird.
  • Für die in Betracht gezogenen Anwendungsfälle des Koppelns von Lichtleitfasern mit integrierten Schaltkreisen sind das monokristalline orientierte Halbleitersubstrat und die epitaxiale Schicht aus Stoffen der Gruppe III-V und insbesondere aus Galliumarsenid, das das bevorzugte Material für die Herstellung von sehr schnellen integrierten Schaltkreisen ist. Die dielektrische Schutzschicht kann beispielsweise aus Siliziumoxid SiO&sub2; oder auch Siliziumnitrid Si&sub3;N&sub4; sein.
  • Andererseits besitzen derartige Lichtleiter auf ihren seitlichen Bereichen und in ihrem oberen Bereich ebene kristallographische Flächen, die aufgrund des Brechungsindexunterschieds Δn von ungefähr 2,5 zwischen Luft und Galliumarsenid eine praktisch ideale vollständige Reflexion der Lichtstrahlen ermöglichen. Daraus folgt, daß die Dämpfung den Idealwert von 1 dB/cm für die Wellenlänge von 1,06 um erreichen kann.
  • Daher schlägt die vorliegende Erfindung weiter ein Verfahren zur Herstellung vor, bei dem die erhaltenen Kristalle eine kontrollierte Größe und Form besitzen und perfekt reproduzierbar sind.
  • Die Einzelheiten und Ausführungsformen gemäß der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren hervor.
  • Fig. 1a und Fig. 1b zeigen im Schnitt einen Lichtleiter aus Galliumarsenid, der nach dem Atzen der amorphen Schicht durch Aufwachsen in der Ebene (1 0 0) des Substrats und parallel zur Richtung (1, , 0) dieser Ebene erhalten wird.
  • Die Fig. 2a und 2b zeigen im Schnitt unter den Bedingungen der Fig. 1 einen Lichtleiter parallel zur Richtung (1, 1, 0).
  • Die Fig. 3a und 3b zeigen unter denselben Bedingungen einen Lichtleiter, der parallel zur Richtung (1, 0, 0) orientiert ist.
  • Fig. 4 zeigt im Schnitt einen Lichtleiter, der aufgrund einer Unterätzung und eines Aufbringens einer amorphen Schicht auf den Boden des Kanals erhalten wurde.
  • Fig. 5 zeigt schematisch im Schnitt einen Lichtleiter parallel zur Richtung (1, 1, 0), der ausgehend von einer Unterätzung in einem Substrat vom n-Typ erhalten wurde.
  • Fig. 6 zeigt von oben einen Lichtleiter mit einem Krümmungsradius.
  • In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, wie sie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, wird das Substrat 10 aus monokristallinem GaAs, dessen Basisebene 2 gemäß der Fläche (1 0 0) der kristallographischen Struktur ausgerichtet ist, einer mechanisch-chemischen Polierung unterworfen und wird dann gebeizt. Eine Schicht 4 aus SiO&sub2; einer Dicke von 100 nm wird dann auf die Oberfläche 2 durch Pyrolyse von SiH&sub4; in einer Sauerstoffatmosphäre aufgebracht und dann bis auf das Substrat geätzt, so daß sich eine Rille ergibt. Die Geometrie der Rille folgt dem für den Lichtleiter vorgesehenen Verlauf und besitzt typisch eine Breite von 1 um. Das Aufwachsen des Lichtleiters 3 durch die Rille erfolgt nach der Methode der Chlorid-Dampfphase ausgehend vom Substrat 10, das als Keim verwendet wird. Die Vorgehensweise ist von der in der klassischen Epitaxie abgeleitet. Ein Beizen geht in aller Regel dem Aufwachsen voraus, wodurch sich in der Verlängerung der Rille ein mehr oder weniger tiefer Kanal 1 im Substrat ergibt.
  • Verschiedene Ausrichtungen der Basisebene 2 des Substrats 10 aus GaAs sind möglich und ergeben ein anisotropes kristallines Aufwachsen von der oben beschriebenen Art. Die Ebene (1 0 0) wurde gewählt, da sie die interessantesten Ergebnisse verspricht.
  • Es sei bemerkt, daß die Form der erhaltenen Lichtleiter von der Orientierung des Kanals in der Ebene (1 0 0) abhängt. Die Fig. 1 bis 3 zeigen diese Erscheinung deutlich. Je nach der kristallographischen Richtung, zu der der Kanal parallel verläuft, erzeugt das Aufwachsen Lichtleiter unterschiedlicher Formen mit charakteristischen Flächen gemäß der Aufwachsrichtung. Die unterschiedliche Erscheinung der Aufwachsbilder beruht auf dem Einfluß der Polarität der Ebene auf die Wachsgeschwindigkeit.
  • In den Fig. 1a und 1b, in denen die Kanäle 1 parallel zur Richtung (1, , 0) verlaufen, ist der Lichtleiter 3 durch die seitlichen geneigten Flächen ( , , ) und ( , , 1) begrenzt, die die Bezugszeichen 11 und 12 tragen und zwischen sich einen Winkel α von 70º53' einschließen, sowie ggf. durch die senkrechten Seitenflächen (1 1 0), die die Bezugszeichen 13 und 14 tragen und schließlich durch eine waagrechte Oberseite (1 0 0), die zur Basisebene 2 parallel verläuft und das Bezugszeichen 15 trägt. Die allgemeine Querschnittsform des Lichtleiters ist ein gleichschenkliges Dreieck, dessen Spitze nach unten zeigt.
  • In den Fig. 2a und 2b, in denen der Kanal 1 parallel zur Richtung (1, 1, 0) verläuft, ist der Lichtleiter durch die (eventuellen) seitlichen Flächen (1 1 0) mit den Bezugszeichen 13 und 14 sowie durch die seitlichen geneigten Flächen (1 1 ) und (1 1 1), die die Bezugszeichen 11 und 12 tragen und zwischen sich einen Winkel α von 70º53' einschließen, und schließlich durch die waagrechte Unterseite (1 0 0) mit dem Bezugszeichen 18 begrenzt. Die allgemeine Form des Querschnitts des Lichtleiters ist ein gleichschenkliges Dreieck, dessen Spitze nach oben zeigt.
  • In den Fig. 3a und 3b, in denen der Kanal parallel zur Richtung (1, 0, 0) verläuft, ist der Lichtleiter durch die geneigten seitlichen Flächen (1 1 0) und (1 0) mit den Bezugszeichen 16 und 17, die zueinander senkrecht stehen, und ggf. durch eine waagrechte Oberseite (1 0 0) mit dem Bezugszeichen 15 begrenzt. Die allgemeine Form des Lichtleiters ist ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck, dessen Spitze nach oben zeigt.
  • Fig. 4 zeigt den Querschnitt eines Lichtleiters, der aufgrund einer Unterätzung entstanden ist. Die erste Schicht 4 aus Siliziumoxid SiO&sub2; wird in der Dampfphase aufgebracht und dann geätzt. Die Ätzung erstreckt sich in das Substrat seitlich zu beiden Seiten der geätzten Rille in die dielektrische Schicht. Sie erzeugt dort einen untergeätzten Kanal 9, dessen Flanken 7 und 8 und dessen Boden kristallographische Flächen aufgrund der Tatsache sind, daß das Substrat 10 monokristallin und orientiert ist. Die zweite Schicht 6 aus SiO&sub2; ergibt sich durch Verdampfung im Vakuum. Die Flächen mit den Flanken 7 und 8 des untergeätzten Kanals 9 lenken die Keimbildung der anisotropen Kristallistion, woraus sich der Lichtleiter 3 ergibt. Die endgültige Form dieses Lichtleiters hängt von diesen Flächen 7 und 8 ab, d. h. auch von der kristallographischen Richtung zu der der Kanal parallel verläuft.
  • Fig. 5 zeigt schematisch im Schnitt einen Lichtleiter, der auf einem Substrat 10 aus gerichtetem (1 0 0), monokristallinem Halbleitermaterial mit n-Dotierung ausgebildet ist. Dieses Substrat wird mit einer dielektrischen Schicht 4 aus Siliziumnitrid Si&sub3;N&sub4; bedeckt. Der untergeätzte Kanal 9 besitzt Flächen 7 und 8 der Orientierung (1 1 1) und (1 1 ), die charakteristisch für die Orientierung parallel zur Richtung (1 1 0) und dem Boden (1 0 0) mit dem Bezugszeichen 30 sind. Eine epitaxiale Schicht 21 aus GaAs-n&spplus; wird auf den Boden 30 und die Seiten 7 und 8 des Kanals 9 aufgebracht. Dann wird der eigentliche Lichtleiter 3 durch epitaxiales Aufwachsen von GaAs-n&supmin; ausgehend von den Seiten 37 und 38 und dem Boden 40 der vorhergehenden Schicht gebildet. Der Lichtleiter 3 kann auch mit einer oder mehreren epitaxialen Schichten 31 aus GaAs-n&spplus; abwechselnd mit epitaxialen Schichten aus GaAs-n&supmin; bedeckt sein.
  • In den anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Fällen verlaufen die Lichtstrahlen im wesentlichen im Teil 3 des Lichtleiters, der oberhalb der Schicht 4 von SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; errichtet ist. Die Lichtstrahlen "sehen" kaum die Oberseite des Substrats 10 aus GaAs am Boden des Kanals aufgrund der Oberflächenverhältnisse. Im Fall des untergeätzten Kanals 9 gemäß Fig. 4 sehen die Strahlen anstelle des Bodens des Kanals 9 die Schicht 6 aus SiO&sub2; und nicht die Flanken 7 und 8. Sie werden somit vollständig reflektiert, was die Verluste noch geringfügig weiter verringert, ohne daß die Technologie sehr viel komplexer wird. Im Fall der durch Dotierungsmodulation erhaltenen Lichtleiter gemäß Fig. 5 ergeben die Indexunterschiede zwischen GaAs-n&supmin; und GaAs-n&spplus; eine Einschließung des Lichts im GaAs-n&supmin;. In solchen Lichtleitern wurden innere Verluste von 1,5 dB/cm gemessen.
  • In einer nicht gezeigten Variante des Lichtleiters gemäß Fig. 5 kann der untergeätzte Kanal große Dimensionen aufweisen. Wenn das Substrat ein halbisolierender Stoff ist, dann wird die Einschließungsschicht vom Typ n&spplus; zuerst hergestellt, und dann wird durch epitaxiales Aufwachsen von GaAs-n&supmin; auf die Flächen 37, 38 und den Boden 40 der Einschließungsschicht der eigentliche Lichtleiter erhalten. Das Aufwachsen wird jedoch beendet, wenn der Lichtleiter die Höhe der dielektrischen Schicht 4 erreicht. Die Rille kann also durch Darüberlegen von epitaxialen Schichten aus GaAs mit abwechselnder n&spplus;- und n&supmin;-Dotierung verschlossen werden. Wenn dagegen das Substrat vom Typ n&spplus; ist, kann der Lichtleiter unmittelbar in dem untergeätzten Kanal durch Aufwachsen von GaAs-n&supmin; erhalten werden. Er kann dann wie oben angegeben fertiggestellt werden. Ganz allgemein müssen für eine gute Einschließung des Lichts die Einschließungsschichten vom Typ n&spplus; sein, während der Lichtleiter vom Typ n&supmin; sein soll. In einer solchen Ausführung ist der Lichtleiter also vollständig im Substrat eingeschlossen. Diese Ausführungsform wird als Beispiel dafür beschrieben, wie einfach das erfindungsgemäße Verfahren benutzt werden kann.
  • Unter diesen Bedingungen sehr geringer Verluste und sehr gut eingeschlossenen Lichts kann man für die erfindungsgemäß hergestellten Lichtleiter Strecken vorsehen, die sowohl lang sind als auch enge Kurven aufweisen.
  • Beispielsweise zeigt Fig. 6 von oben einen Lichtleiter mit einem Krümmungsradius. Das Aufwachsen eines solchen Lichtleiters wird ermöglicht durch die ursprüngliche Herstellung von mehreren Kanalabschnitten unterschiedlicher kristalliner Ausrichtung, die aneinander in Form einer gebrochenen Linie anschließen.
  • Die hervorragenden Eigenschaften solcher Lichtleiter und die Flexibilität der technologischen Herstellungsmöglichkeiten lassen es zu, für diese Vorrichtungen einen weiten Anwendungsbereich in Betracht zu ziehen, insbesondere wenn das Substrat aus Galliumarsenid gewählt ist. Dieses Material ermöglicht nämlich die Herstellung von außerordentlich schnellen integrierten Schaltkreisen. Die optoelektronischen monolithisch integrierten Kreise auf Galliumarsenid versprechen also sehr hohe Geschwindigkeiten.
  • Einige bereits realisierte Anwendungen können als Beispiel zitiert werden.
  • Zuerst sei die Kopplung von üblichen Lichtleitfasern mit elektrolumineszenten Dioden erwähnt, die gemeinsam auf einem Substrat aus Galliumarsenid mit erfindungsgemäßen Lichtleitern hergestellt wurden.
  • Dann sei die Modulation des in einem solchen Lichtleiter transportierten Lichts erwähnt, wobei diese Modulation sich mit Hilfe von auf demselben Substrat realisierten Kreisen ergibt.
  • In diesen Anwendungsbeispielen ist der Anwendungsbereich der Erfindung hauptsächlich bei Wellenlängen zwischen 0,9 um und 1,06 um zu sehen, wobei sich das Fenster typisch zwischen 1,03 und 1,55 um befindet.
  • Es sei bemerkt, daß das epitaxiale Aufwachsen auf dem orientierten monokristallinen Substrat, das als Keim verwendet wird, nicht nur unter Verwendung desselben Materials wie das Substrat, sondern auch unter Verwendung irgendeines anderen Materials erfolgen kann, dessen kristallographische Gitterparameter mit den Gitterparametern des Substrats kompatibel sind.
  • Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß bei der Herstellung eines Lichtleiters gemäß irgendeiner der Ausführungsformen der Erfindung am Ende des Lichtleiters prismenförmige Kristallflächen entstehen und daß dieses Prisma verwendet werden kann, um durch Totalreflexion das Einspeisen oder die Entnahme des Lichts im Wellenleiter durch die Rückseite des Substrats zu ermöglichen.

Claims (16)

1. Halbleiteranordnung mit einem integrierten Lichtwellenleiter, wobei diese Anordnung ein monokristallines Halbleitersubstrat (10) mit einer entsprechend einer kristallographischen Ebene orientierten Fläche (2) aufweist und wobei dieses Substrat durch eine dielektrische Schicht (4) bedeckt ist, die eine Öffnung in Form einer Rille parallel zu einer kristallographischen Richtung des Substrats aufweist, wobei diese Öffnung in dem Substrat durch einen Aal (1, 9) fortgesetzt wird, wobei wenigstens eine Wand (7, 8) dieses Kanals durch eine kristallographische Fläche gebildet wird, und wobei diese Anordnung außerdem ein monokristallines epitaxiales Halbleiterband (3) aufweist zum Bilden des Lichtwellenleiters, verwirklicht durch das Anwachsen aus der kristallographischen Fläche des Kanals, wobei dieses Band eine prismatische Form hat mit einer Achse parallel zu der Kanalrichtung und mit Flächen (11-17), die natürliche Wachstumsflächen des epitaxialen Bandes sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in der dielektrischen Schicht gebildete Rille eine Querabmessung aufweist in der Größenordnung von 1 um, was im Vergleich zu der Querabmessung des Wellenleiters gering ist, und zwar derart, daß Teile der Seitenwand des prismatischen Bandes Teile der dielektrischen Schicht berühren und daß diese Teile der dielektrischen Schicht mittels ihrer Oberfläche, die im Vergleich zu der der Rille groß ist, zusammen mit den kristallographischen Flächen, welche die Seitenflächen des prismatischen Bandes bilden, zu der Einschließung des Lichtes beitragen.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich bis an das monokristalline Substrat erstreckende Kanal sich ebenfalls seitlich Unterhalb der dielektrischen Schicht auf beiden Seiten der geätzten Rille in der dielektrischen Schicht erstreckt, wodurch auf diese Weise ein sogenannter untergeätzter Kanal (9) entsteht.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite dielektrische Schicht (6) den Boden des genannten untergeätzten Kanals (9) bedeckt, nicht aber die kristallinen Flächen (7, 8), welche die Flanken derselben bilden, und daß der Lichtwellenleiter ausgehend von den genannten Flanken gebildet wird.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) vom n-Typ ist, daß eine n-leitende Epitaxialschicht, die höher dotiert ist als das Substrat, die Seitenwände und den Boden der Rille (9) bedeckt, und daß der Wellenleiter mit einer weniger dotierten, n-leitenden Epitaxialschicht gebildet wird.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite gegenüber der dielektrischen Schicht abgehoben und durch diejenigen Teile der dielektrischen Schicht, die dem Substrat gegenüberliegen, eingeschlossen ist.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter in der Rille vergraben ist und durch die Teile der Oberfläche der dielektrischen Schicht eingeschlossen ist, die dem Substrat zugewandt sind.
7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter auf der Oberfläche eine Lagenstruktur von Schichten mit abwechselnd niedriger und hoher Brechzahl aufweist, endend mit einer Schicht niedriger Brechzahl.
8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der dielektrischen Schichten Siliziumoxid oder Siliziumnitrid ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat und die epitaxiale(n) Schicht(en) aus einem monokristallinen orientierten Halbleitermaterial der Gruppe III-V bestehen, und daß die orientierte Oberfläche des Substrats sich parallel zu der Ebene (1 0 0) des Kristallgitters erstreckt, damit der Lichtwellenleiter an die Fortpflanzung von Licht im Wellenlängenbereich zwischen 0,9 und 1,06 um angepaßt ist.
10. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist:
- das Niederschlagen einer dielektrischen Schicht (4) auf einer kristallinen Fläche (2) eines monokristallinen Halbleitersubstrats (10),
- das Bilden einer Öffnung in Form einer Rille mit einer Querabmessung in der Größenordnung von 1 um durch Ätzung in der dielektrischen Schicht parallel zu einer kristallographischen Richtung des Substrats,
- Fortsetzung durch anisotrope Ätzung der Rille zum Bilden eines Kanals (1, 9) in dem monokristallinen Substrat, wobei dieser Kanal mindestens eine durch eine kristallographische Fläche gebildete Wand aufweist,
- Bildung einer Epitaxialschicht durch Ätzung im sog. Chloriddampfphase- Verfahren, ausgehend von der kristallographischen Fläche des Kanals, wobei dieses epitaxiale monokristalline Halbleiter-Aufwachsen ein prismatisches Band (3) ergibt, dessen Achse sich parallel zu der Kanalrichtung erstreckt, wobei die Flächen (11-17) natürliche kristallographische Wachstumsflächen sind und mit einem Durchmesser, der zum Bilden eines Lichtwellenleiters geeignet und großer als 1 um ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrope Ätzung des monokristallinen orientierten Substrats sich ebenfalls seitlich unterhalb der dielektrischen Schicht auf beiden Seiten der in der dielektrischen Schicht geätzten Rille erstreckt, wodurch ebenfalls ein untergeätzter Kanal (9) in dem Substrat gebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf diesem Gefüge eine zweite Schicht (6) aus einem dielektrischen Material niedergeschlagen wird, die den Boden, nicht aber die Flanken des untergeätzten Kanals bedeckt, die sich im Schatten der schützenden ersten dielektrischen Schicht liegen, und daß der Lichtwellenleiter durch anisotropes Aufwachsen, ausgehend von den kristallinen Flächen (7, 8), welche die Flanken des untergeätzten Kanals bilden, erhalten wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß erstens das orientierte monokristalline Halbleitersubstrat als n-leitend gewählt worden ist, daß zweitens eine Epitaxialschicht aus einem n-leitenden Halbleitermaterial, das stärker dotiert ist als das Substrat, auf den Seitenflächen und auf dem Boden des Kanals gebildet wird, daß zum Schluß der Wellenleiter gebildet wird, ausgehend von dem auf diese Weise vorbereiteten Kanal, durch epitaxiales Aufwachsen eines n-leitenden Halbleitermaterials, das weniger stark dotiert ist als die vorhergehende Schicht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bilden eines abgehobenen Wellenleiters das prismatische Band in bezug auf die dielektrische Schicht auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite vorgesehen ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufwachsen der Epitaxialschicht zum Bilden eines vergrabenen Wellenleiters auf den untergeätzten Kanal beschränkt ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Wellenleiters eine oder mehrere Epitaxialschichten aus Halbleitermaterial mit niedriger Brechzahl abwechselnd mit Schichten hoher Brechzahl angebracht werden, wobei diese Schichtung mit einer Schicht niedriger Brechzahl endet.
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