DE4113355A1

DE4113355A1 - Optical waveguide in silicon@ layer between boundary regions - which may be constituted by differential doping of semiconductor, or imposition of dielectric material alongside it

Info

Publication number: DE4113355A1
Application number: DE19914113355
Authority: DE
Inventors: Karl-Ulrich Dr Stein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1991-04-24
Publication date: 1992-10-29

Abstract

The waveguiding region (W) is formed in a layer (2) of Si on the Si substrate (1) between significantly less heavily doped boundary regions (3) formed, e.g. by simultaneous diffusion through the surface and substrate. Alternatively, the boundaries are lateral regions of dielectric such as SiO2 extending into or through the layer (2). Further layers and metallisation may be added for modulation purposes. USE/ADVANTAGE - In integrated optical switches, modulators and variable elements, stepless smooth surface is easily produced by diffusion, oxide isolation or passivation and comparatively easily coupled to cpd. semiconductor or glass waveguides.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenleiter in Silizium für den Wellenlängenbereich von 1,3 bis 1,5 µm.The present invention relates to a waveguide in Silicon for the wavelength range from 1.3 to 1.5 µm.

Für eine Reihe von Aufgaben der integrierten Optik stellt Silizium eine attraktive Alternative zu Verbindungshalbleitern dar. Für optische Schalter, Modulatoren und veränderbare Elemente der integrierten Optik sind jedoch die elektro optischen Effekte des Siliziums selbst erforderlich. Es ist daher vorteilhaft, wenn Wellenleiter und Wellenleiter-Bau elemente vollkommen in Siliziumtechnik hergestellt werden können. Eine besondere Schwierigkeit besteht dabei darin, daß die optischen Effekte in Silizium im Vergleich z. B. zu InP sehr gering sind. Schichtwellenleiter und Streifenwellenleiter in Silizium sind bereits in der Literatur beschrieben (R. A. Soref and J. P. Lorenzo, IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. QE-22, 873-879 (1986)). Ebenso sind Modulatoranordnungen in Silizium bereits beschrieben (R. A. Soref and B. R. Bennet, IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. QE-23, Nov. 1, Jan. 1987, pp. 123-129).For a number of tasks the integrated optics poses Silicon an attractive alternative to compound semiconductors For optical switches, modulators and changeable However, elements of the integrated optics are the electro optical effects of the silicon itself required. It is therefore advantageous if waveguide and waveguide construction elements are manufactured entirely in silicon technology can. A particular difficulty is that the optical effects in silicon in comparison z. B. to InP are very low. Layered waveguide and strip waveguide in silicon have already been described in the literature (R. A. Soref and J.P. Lorenzo, IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. QE-22, 873-879 (1986)). Modulator arrangements are likewise already described in silicon (R. A. Soref and B. R. Bennet, IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. QE-23, Nov. 1, Jan. 1987, pp. 123-129).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Aufbau eines Wellenleiters in Silizium und zugehöriger Modulatoren anzugeben.The object of the present invention is to provide an improved Structure of a waveguide in silicon and associated Specify modulators.

Diese Aufgabe wird mit dem Wellenleiter mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This task is accomplished with the waveguide with the characteristics of Claim 1 solved. Further configurations result from the subclaims.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind eine ebene Oberfläche ohne Stufen, die Möglichkeit einer einfachen Her stellung mit gängigen Prozessen wie Diffusion, Isolation mit Oxid und Aufbringen von Passivierungsschichten, die Möglichkeit, pn-Übergänge an der Oberfläche zu passivieren, eine mögliche Modulation des Wellenleiters und eine vergleichsweise einfache Ankopplung an Wellenleiter auf Verbindungshalbleitern einer seits und Glas-Wellenleiter auf Silizium andererseits.The advantages of the arrangement according to the invention are flat Surface without steps, the possibility of a simple fro with common processes such as diffusion, isolation with Oxide and application of passivation layers, the possibility of passivating pn junctions on the surface, one possible Modulation of the waveguide and a comparatively simple one Coupling to waveguides on compound semiconductors on the one hand and glass waveguides on silicon on the other.

Der Wellenleiter nach Anspruch 2 hat den besonderen Vorteil, daß für die Funktion als Wellenleiter nur die Unterschiede in der Brechzahl zwischen Bereichen hoher und niedriger Dotierung, d. h. zwischen dem Bereich des Wellenleiters und den Be grenzungsbereichen, nicht aber die Art der Dotierung und das Vorzeichen wesentlich sind. Daher kann die Dotierung so ge wählt werden, wie es die mit dem Wellenleiter realisierten Aufbauten erfordern (insbesondere im Hinblick auf eine Aus bildung als Modulator).The waveguide according to claim 2 has the particular advantage that for the function as a waveguide only the differences in the refractive index between areas of high and low doping, d. H. between the area of the waveguide and the Be boundary areas, but not the type of funding and that Signs are essential. Therefore, the doping can be so be selected as it is realized with the waveguide Superstructures require (especially with regard to an off education as a modulator).

Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau läßt sich die Funktion des Wellenleiters in einfacher Weise stabilisieren, indem für eine Passivierung von Oberflächen- und Grenzflächenladungen die in der IC-Technik bekannten Verfahren wie Passivieren und Dotieren der Halbleiteroberfläche angewandt werden können und Raumladungszonen zwischen verschieden dotierten Bereichen durch Verwendung von Feldelektroden und definierten Vorspannungen an pn-Übergängen konstant gehalten werden.In the structure according to the invention, the function of Stabilize waveguide in a simple way by for a Passivation of surface and interfacial charges in the IC technology known processes such as passivation and Doping the semiconductor surface can be applied and Space charge zones between differently doped areas Use of field electrodes and defined bias voltages be kept constant at pn junctions.

Es folgt eine Beschreibung der erfindungsgemäßen Wellenleiter anhand der Fig. 1 bis 5.The waveguides according to the invention are described with reference to FIGS. 1 to 5.

Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils erfindungsgemäße Wellenleiter im Querschnitt. Figs. 1 to 3 each waveguide according to the invention show, in cross-section.

Fig. 4 und 5 zeigen modulierbar ausgebildete Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wellenleiters im Querschnitt. FIGS. 4 and 5 show modulated trained embodiments of the waveguide according to the invention in cross section.

Fig. 1 zeigt auf einem Substrat 1 aus Silizium eine Wellen leiterschicht 2 ebenfalls aus Silizium mit einem darin für Wellenleitung vorgesehenen Bereich W. Seitlich dieses Bereiches W befinden sich die Begrenzungsbereiche 3, die durch eine ein gebrachte Dotierung, die sich wesentlich von der Dotierungs höhe des Bereiches W unterscheidet, gebildet sind. Diese Begrenzungsbereiche 3 können die durch eine gestrichelte Linie bezeichnete Begrenzung aufweisen, was z. B. durch Einbringen der Dotierung von der Oberfläche her erreicht wird. Statt dessen kann die Dotierung bis zum Substrat 1 hin reichen, so daß die Begrenzungsbereiche 3 die gesamte Dicke der Wellenleiter schicht 2 einnehmen (strichpunktierte Linie in Fig. 1). Bei einer gleichzeitigen Diffusion von der Oberfläche der Wellen leiterschicht 2 und aus dem Substrat 1 heraus ergibt sich für die Begrenzungsbereiche 3 näherungsweise die durch die punktierte Linie dargestellte Begrenzung. Fig. 1 shows on a substrate 1 made of silicon, a waveguide layer 2 also made of silicon with an area W provided therein for waveguiding. To the side of this area W are the delimitation areas 3 , which are caused by a doping that is significantly higher than the doping of the area W, are formed. These delimitation areas 3 can have the delimitation denoted by a dashed line. B. is achieved by introducing the doping from the surface. Instead, the doping can extend as far as the substrate 1 , so that the delimitation regions 3 occupy the entire thickness of the waveguide layer 2 (dash-dotted line in FIG. 1). In the case of simultaneous diffusion from the surface of the waveguide layer 2 and out of the substrate 1 , the limitation represented by the dotted line approximately results for the limitation regions 3 .

Alternativ zu einer verschieden hohen Dotierung können die Be grenzungsbereiche auch durch seitlich der Wellenleiterschicht angebrachtes dielektrisches Material, wie z. B. SiO₂, ge bildet sein. In Fig. 2 umfassen diese aus SiO₂ bestehenden Be grenzungsbereiche nur einen Schichtanteil der Wellenleiter schicht 2. In Fig. 3 sind die Begrenzungsbereiche 3 über die gesamte Dicke der Wellenleiterschicht 2 ausgebildet.As an alternative to a different level of doping, the limiting regions can also be provided by dielectric material attached to the side of the waveguide layer, such as. B. SiO ₂ , ge forms. In FIG. 2, these boundary areas consisting of SiO ₂ comprise only a layer portion of the waveguide layer 2 . In FIG. 3, the delimitation areas 3 are formed over the entire thickness of the waveguide layer 2 .

In Fig. 4 ist der Aufbau nach Fig. 3 so modifiziert, daß eine Modulation des Wellenleiters möglich ist. Auf die Wellen leiterschicht 2 sind dabei weitere Schichten 4, 5 und darauf ein Kontakt 6 aus Metall aufgebracht. Wenn die Schicht 4 weg gelassen ist oder das gleiche Material wie die Wellenleiter schicht 2 aufweist und wenn die Schicht 5 und das Substrat 1 jeweils hoch für einander entgegengesetzte Leitungstypen dotiert sind, ist der Modulator als Diode ausgebildet. Die Wellenleiterschicht 2 ist dann schwach dotiert mit dem Vor zeichen entweder der Schicht 5 oder des Substrates 1. Je nach dem Vorzeichen der Dotierung der Wellenleiterschicht 2 ergibt sich eine Sperrschicht am Substrat 1 oder längs der Schicht 5. Bei Polung in Flußrichtung erfolgt die Modulation durch in jizierte Ladungsträger.In Fig. 4, the structure of Fig. 3 is modified so that modulation of the waveguide is possible. On the waveguide layer 2 further layers 4 , 5 and a contact 6 made of metal are applied. If the layer 4 is omitted or has the same material as the waveguide layer 2 and if the layer 5 and the substrate 1 are each highly doped for opposite conduction types, the modulator is designed as a diode. The waveguide layer 2 is then lightly doped with the sign before either the layer 5 or the substrate. 1 Depending on the sign of the doping of the waveguide layer 2 , a barrier layer results on the substrate 1 or along the layer 5 . In the case of polarity in the direction of flow, the modulation is carried out by injecting charge carriers.

Die Modulation läßt sich auch mittels einer bipolaren Tran sistorstruktur realisieren. Wenn die Schicht 4 entfällt, sind das Substrat 1 und die Schicht 5 hoch für denselben Leit fähigkeitstyp dotiert. Die Wellenleiterschicht 2 ist für Leitfähigkeit des entgegengesetzten Vorzeichens dotiert und getrennt kontaktiert. Wenn beide Schichten 4 und 5 aufgebracht sind, sind das Substrat 1 und die Schicht 5 hoch für Leit fähigkeit desselben Vorzeichens dotiert. Die Wellenleiter schicht 2 ist dann niedrig für denselben Leitfähigkeitstyp wie das Substrat 1 dotiert. Die Schicht 4 hat entgegengesetztes Vorzeichen der Leitfähigkeit und ist gesondert kontaktiert. Die Wellenleiterschicht 2 bildet dann den Kollektor (z. B. n⁻), die Schicht 4 die Basis (p) und die Schicht 5 den Emitter (n⁺). Wenn das Substrat 1 hoch für einen der Schicht 5 ent gegengesetzten Leitfähigkeitstyp (z. B. p⁺), also mit dem selben Vorzeichen wie die Schicht 4 dotiert ist, entspricht die Anordnung der eines Tyristors. Wenn die Schicht 4 kontaktiert ist und eine der Wellenleiterschicht 2 entgegen gesetzte Dotierung aufweist und die Schicht 5 ein Isolator (z. B. SiO₂) ist, liegt eine MOS-Anordnung vor. Ein weiteres Beispiel für eine MOS-Anordnung ist in Fig. 5 im Querschnitt dargestellt.The modulation can also be realized by means of a bipolar transistor structure. If layer 4 is omitted, substrate 1 and layer 5 are highly doped for the same conductivity type. The waveguide layer 2 is doped for conductivity of the opposite sign and contacted separately. If both layers 4 and 5 are applied, the substrate 1 and the layer 5 are highly doped for conductivity of the same sign. The waveguide layer 2 is then low doped for the same conductivity type as the substrate 1 . Layer 4 has the opposite sign of conductivity and is contacted separately. The waveguide layer 2 then forms the collector (eg n⁻), layer 4 the base (p) and layer 5 the emitter (n⁺). If the substrate 1 is highly doped for one of the layer 5 ent opposite conductivity type (z. B. p⁺), ie with the same sign as the layer 4 , the arrangement corresponds to that of a tyristor. If the layer 4 is contacted and has a doping opposite to the waveguide layer 2 and the layer 5 is an insulator (eg SiO ₂ ), there is a MOS arrangement. Another example of a MOS arrangement is shown in cross section in FIG. 5.

In Fig. 5 sind das Substrat 1 und die Bereiche 8 jeweils für elektrische Leitungen desselben Vorzeichens dotiert. Die Wellenleiterschicht 2 und die Bereiche 9 sind jeweils dazu entgegengesetzt dotiert. Die Schicht 7 ist ein Isolator (z. B. SiO₂). Die Schicht 6 ist z. B. Polysilizium/Metall. Der Modulator ist dann als IGBT (Isolated-gate bipolar Transistor) realisiert. Wenn das Substrat dasselbe Vorzeichen der Dotierung hat wie die Wellenleiterschicht 2, ist der Modulator ein vertikaler MOS-Transistor. Erfindungsgemäß lassen sich da her die von III-V-Halbleitern bekannten Modulatorstrukturen in dem Wellenleiter aus Silizium realisieren.In FIG. 5, the substrate 1 and the regions are doped in each case 8 of the same sign for electrical cables. The waveguide layer 2 and the regions 9 are each doped in opposite directions. Layer 7 is an insulator (e.g. SiO ₂ ). Layer 6 is e.g. B. polysilicon / metal. The modulator is then implemented as an IGBT (isolated-gate bipolar transistor). If the substrate has the same sign of doping as the waveguide layer 2 , the modulator is a vertical MOS transistor. According to the invention, the modulator structures known from III-V semiconductors can be realized in the silicon waveguide.

Claims

1. waveguide having a coating applied to a substrate (1) made Silzium waveguide layer (2) made of silicon and with a laterally into this waveguide layer (2) for shafts circuit region provided formed Begrenzungsbe rich (3).

2. Waveguide according to claim 1, in which the delimitation regions ( 3 ) have a doping which differs substantially in height from the rest of the material of the waveguide layer ( 2 ).

3. Waveguide according to claim 1, wherein the delimitation regions ( 3 ) are dielectric material.

4. The waveguide of claim 3, wherein the dielectric material is SiO ₂ .

5. Waveguide according to one of claims 1 to 4, in which the boundary regions ( 3 ) do not occupy the entire thickness of the waveguide layer ( 2 ).

6. Waveguide according to one of claims 1 to 4, wherein the boundary regions ( 3 ) occupy the entire thickness of the waveguide layer ( 2 ).

7. Waveguide according to one of claims 1 to 6, in which a layer structure ( 4 , 5 ; 7 , 8 , 9 ) and contacts ( 6 ) are present, by means of which the waveguide can be modulated.

8. waveguide according to claim 7, which is modulated as a diode.

9. waveguide according to claim 7, which is modulated as a transistor.

10. waveguide according to claim 7, which is modulated as a tyristor.

11. waveguide according to claim 7, which is modulated as a MOS transistor.