DE4002098C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitersubstrat mit einem auf der Oberfläche des Substrats aufgebrachten Lichtwellenleiter, der mit in dem Halbleitersubstrat vorgesehenen optoelektrischen Bauelementen gekoppelt ist.

Ein derartiges Halbleitersubstrat ist beispielsweise aus der EP-A-01 71 615 bekannt. Das aus dieser Druckschrift bekannte gattungsgemäße Halbleitersubstrat weist ver­ gleichsweise komplizierte Elemente auf, die auf der Ober­ fläche des Halbleitersubstrats aufgebracht sind. Insbeson­ dere die zur Herstellung dieser Elemente erforderliche Strukturierung ist sehr aufwendig und führt damit zu be­ trächtlichen Herstellkosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleitersubstrat mit einem oder mehreren auf der Oberfläche des Substrats aufgebrachten Lichtwellenleitern anzugeben, das einfach und damit kostengünstig hergestellt werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird auf dem Teil der Oberfläche des Halbleitersubstrats, auf dem keine optische Verbindung zwischen dem bzw. den aufgebrachten Lichtwellenleitern und den in der Oberfläche des Halbleitersubstrats vorgesehenen Bauelementen bestehen soll, eine dielektrische Schicht aufgebracht. Auf dieser Schicht wird dann direkt der Lichtwellenleiter aufgebracht.

Aufgabe dieser dielektrischen Schicht ist es, aufgrund eines niedrigen Brechungsindex eine optische Entkopplung zwischen Wellenleiter und Halbleitersubstrat zu bewirken.

Das Aufbringen einer dielektrischen Schicht kann leicht mit den in der Halbleitertechnik üblichen Mitteln, bei­ spielsweise mit einer Maske und lithographischen Verfahren erfolgen und ist damit vergleichsweise kostengünstig zu realisieren.

Die erfindungsgemäß vorgesehene dielektrische Schicht besteht aus SiO₂ (n = 1,46). Eine solche Schicht hat den Vorteil, daß Sie leicht auf einem Silizium-Substrat erzeugt werden kann.

Zudem verbilligt die Verbindung zwischen Glassubstrat und Halbleitersubstrat die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements weiter.

Im Anspruch 2 ist eine weitere Möglichkeit angegeben, einen Lichtwellenleiter nach Aufbringen eines "einfachen" Glassubstrats auf das Halbleitersubstrat zu "definieren" Die geometrische Definition des Wellenleiters erfolgt durch einen nachfolgenden Lithografieschnitt, der bei­ spielsweise mit einem Ätzvorgang verbunden sein kann.

Erfindungsgemäß wird auf dem Glassubstrat eine weitere dielektrische Schicht aufgebracht, die den Licht­ wellenleiter begrenzt.

Ferner ist es gemäß Anspruch 2 möglich, zur Begrenzung des Lichtwellenleiters entsprechende Brechungsindex-Änderun­ gen, z. B. durch Ionen-Austauschverfahren im Glassubstrat zu erzeugen.

Diese im Anspruch 2 angegebene Möglichkeit hat den Zusätz­ lichen Vorteil, daß in dem Glassubstrat mehrere Lichtwel­ lenleiter "definiert" werden können, so daß das erfin­ dungsgemäße Bauelement auch komplexe Verbindungen zwischen den einzelnen optoelektrischen bzw. optoelektronischen Bauelementen bereitstellen kann.

Im Anspruch 4 ist eine Möglichkeit angegeben, mit dem erfindungsgemäßen Bauelement auch "sich kreuzende" Verbindungen zu realisieren:

Hierzu werden als "zweite Verbindungsebene" in das Substrat ein oder mehrere Lichtleitfasern eingebracht, die an den jeweils gewünschten Lichtwellenleiter mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen angekoppelt sind.

Diese Weiterbildung ermöglicht es beispielsweise, ein optoelektronisches Bauelement an einen von dem Bauelement beabstandeten Lichtwellenleiter, d. h. einen Lichtwellen­ leiter in dem Glassubstrat, der nicht über das Bauelement verläuft, anzukoppeln.

Im Anspruch 5 ist eine Möglichkeit angegeben, wie die Lichtleitfasern in die Oberfläche des Halbleitersubstrats eingebracht werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichung näher beschrie­ ben, in der zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbei­ spiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbei­ spiel der Erfindung, und

Fig. 3a und 3b eine Aufsicht und einen Querschnitt durch eine Anwendungsmöglichkeit der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Halbleitersubstrat 1 ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens ein n-dotiertes Silizium- Wafer ist. Exemplarisch ist dargestellt, daß eine planare p-dotierte Schicht mit dem Grundkörper 1 eine Photodiode 2 bildet.

Auf dem Silizium-Wafer 1 befindet sich eine thermisch abgeschiedene SiO₂-Schicht 3, auf der ein Glassubstrat 4 aufgebracht ist. Auf dem Glassubstrat 4 sowie auf der SiO₂-Schicht 3 befindet sich eine Plasma-abgeschiedene SiO₂-Schicht 5.

Wenn der Brechungsindex des Glassubstrats 4 wenigstens geringfügig größer als der Brechungsindex der dielektri­ schen Schicht 3 ist, ist es möglich, in dem Glassubstrat 4 eine Lichtwelle zu führen.

Im folgenden soll kurz der Herstellvorgang des in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Bauelements erläutert werden:

Es ist bekannt, Glassubstrate mit Halbleitersubstraten durch anodisches Bonden zu verbinden, ohne daß eine kle­ bende Zwischenschicht benötigt wird. Hierzu werden die Substrate auf eine Temperatur von etwa 400°C aufgeheizt und einer Spannungsdifferenz von 400 bis 1000 V ausge­ setzt. Diese Verbindungstechnik funktioniert - wie erkannt worden ist - auch dann, wenn das Halbleitersubstrat mit einer dünnen dielektrischen Schicht, wie z. B. SiO₂, be­ deckt ist.

Die wesentliche Anforderung an die dünne dielektrische Schicht 3 ist damit alleine, daß deren Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex des "aufgebondeten" Glases 4 ist, um in dem Glas eine Lichtwelle führen zu können.

Nach dem Verbinden des Glaskörpers bzw. Glassubstrats 4 mit dem Halbleitersubstrat kann beispielsweise das Glas bis zur gewünschten Dicke des Lichtwellenleiters, die beispielsweise 2 bis 10 µm betragen kann, herabgedünnt werden. Dies kann mechanisch durch einen Läpp- und Polier­ vorgang oder chemisch durch einen Ätzprozeß geschehen.

Wenn - wie in Fig. 1 gezeigt - eine weitere dielektrische Schicht mit einem geringfügig kleineren Brechungsindex als das gebondete Glas 4 auf diesem abgeschieden wird, ist es auch bei beabsichtigter Monomode-Führung der Lichtwelle möglich, die Dicke des Glassubstrats 4 relativ groß zu wählen.

Nach Erreichen der gewünschten Schichtdicken können bei­ spielsweise die Wellenleiterstrukturen lithographisch definiert und naßchemisch oder trocken (beispielsweise Plasma-Ätzen oder RIE) herausgeätzt werden.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die gewünschten Wellenleiterstrukturen nicht selektiv aus dem gebondeten Glas herausgearbeitet worden sind, sondern durch Ionenaustausch-Verfahren in dem Glassubstrat 4 er­ zeugt worden sind. Ansonsten bezeichnen gleiche Bezugszei­ chen wie in Fig. 1 gleiche Elemente.

Durch Ionenaustausch-Verfahren werden in dem Glaskörper 4 Wellenleiter erzeugt, deren Brechungsindex n_G größer als der Brechungsindex N_S des Substrats ist. Die so erzeugten Wellenleiter können sowohl für monomode als auch für mul­ timode Anwendungen verwendet werden.

Ferner ist in Fig. 2 dargestellt, daß zusätzlich in die Oberfläche des Silizium-Wafers 1 Lichtleitfasern 7 bei­ spielsweise in V-förmige Ausnehmungen 8, die durch an­ isotropes Ätzen des Halbleitersubstrats hergestellt sind, eingebracht werden können. Diese zusätzlichen Lichtleit­ fasern 7 erlauben zusätzliche Verbindungsmöglichkeiten, beispielsweise der Photodiode 2 mit einem Wellenleiter 6, der nicht "über die Photodiode" verläuft.

Fig. 3a und 3b zeigen in einer Aufsicht und einem Quer­ schnitt eine Anwendungsmöglichkeit der Erfindung.

Auf einem Silizium-Substrat 1 sind Lichtleitfaser 7 und 7′ in V-förmige Ausnehmungen in dem Substrat 1 eingelegt und optisch mit einem Wellenleiter 6 gekoppelt. Der Wellenlei­ ter 6 ist so gestaltet, daß er auf der linken Seite einen Anschluß 6 ₄, der mit der Lichtleitfaser 7 gekoppelt ist, und auf der rechten Seite drei Anschlüsse 6 ₁ bis 6 ₃ auf­ weist. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise für einen Leistungsmultiplex verwendet werden.

Bei der gezeigten Anwendungsmöglichkeit ist mit dem An­ schluß 6 ₁ die Lichtleitfaser 7′ verbunden, während der Anschluß 6 ₂ mit einem Detektor, der beispielsweise ent­ sprechend Fig. 2 aufgebaut sein kann, optisch gekoppelt ist. Mit 9 ist ein elektrischer Anschluß für den Detektor 2 bezeichnet.

Mit dem Anschluß 6 ₃ ist beispielsweise eine Sendediode 10 verbunden, die ebenfalls in das Substrat 1 integriert sein kann.

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan­ kens beschrieben worden. Selbstverständlich ist das be­ schriebene integrierte Bauelement nicht nur mit Photodio­ den oder Siliziumsubstraten zu realisieren. Genauso können auch Halbleitersubstrate beispielsweise aus Galliumarsenid oder InP verwendet werden.

Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Substrat zur Herstellung von Kopplern, Interferometern, Sensoren oder dgl. Ferner können zusätzlich in das Substrat die Auswer­ teelektronik oder nachgeschaltete Verarbeitungsschaltungen integriert werden. Auch ist es möglich, in dem Substrat mikromechanische Strukturen, wie Membrane, Biegebalken oder Sensoren mit rein optischer Signalausgabe vorzusehen.

Claims (5)

1. Halbleitersubstrat mit auf der Oberfläche des Substrats aufgebrachten Lichtwellenleiter(n), der (bzw. die) mit in oder auf dem Halbleitersubstrat vorgesehenen optoelektrischen Bauelementen gekoppelt ist (sind), und einer auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats aufge­ brachten dielektrischen Schicht, deren Brechungsindex wenigstens geringfügig kleiner als der der Licht­ wellenleiter ist, auf der der (die) Lichtwellenleiter direkt aufgebracht ist (sind), dadurch gekennzeichnet, daß die aus SiO₂ bestehende dielektrische Schicht (3) nur auf dem Teil der Oberfläche des Halbleitersubstrats (1), auf dem keine optische Ver­ bindung zwischen dem aus einem Glassubstrat bestehenden oder aus diesem Substrat herausgearbeiteten Licht­ wellenleiter (4; 6) und Bauelementen (2) bestehen soll, aufgebracht ist, daß der Lichtwellenleiter mit dem Halbleitersubstrat (1) durch anodisches Bonden verbunden ist, und daß auf dem Glassubstrat eine weitere Schicht aufgebracht ist, die den Lichtwellenleiter begrenzt.

2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Lichtwel­ lenleiters (6) sich der Brechungsindex des Glassubstrats (4) ändert.

3. Substrat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichmet, daß in dem Glassubstrat mehrere Lichtwellenleiter vorgesehen sind.

4. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ankoppeln der optoelektri­ schen Bauelemente (2) an einen oder mehrere in dem Sub­ strat (4) vorgesehene Lichtwellenleiter (6) zusätzlich in die Oberfläche des Halbleitersubstrats Lichtleitfasern (7) eingebracht sind, die an die entsprechenden Lichtwellen­ leiter angekoppelt sind.

5. Substrat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (7) in V- förmige Ausnehmungen eingelegt sind, die durch anisotropes Ätzen des Halbleitersubstrats hergestellt sind.