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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung,
und spezieller auf eine optische Vorrichtung, welche einen Lichtwellenleiter
zur Führung
des Lichts integral mit einem optischen Detektor zur Detektion des
Lichtes und ein Verfahren zur Herstellung derselben umfasst.
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In
letzter Zeit wurde von vielen Instituten aktiv an einem optischen
Kommunikationsnetz geforscht, welches optische Glasfasern mit den
Teilnehmer-Endstellen verbindet, um auf diese Weise ein optisches
Hochgeschwindigkeits-Netzwerk zu realisieren. Zusätzlich wurden
optische Teilnehmer-Kommunikations-Testnetzwerke eingerichtet und
diese arbeiten in einigen Gebieten, um die optische Kommunikation
weit zu verbreiten.
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Ein
optischer Sendeempfänger
ist ein wesentlicher Bestandteil zur Errichtung eines solchen optischen
Kommunikationsnetzwerks. Der optische Sendeempfänger wandelt ein digitalisiertes
elektrisches Signal in ein optisches Signal innerhalb eines vorgegebenen
Wellenlängen-Bandes
um, überträgt das Signal über eine
optische Glasfaser, detektiert das optische Signal innerhalb des
willkürlichen
Wellenlängen-Bandes,
welches über
die Glasfaser empfangen wurde und wandelt das optische Signal wieder
zurück
in ein digitales elektrisches Signal.
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1 ist
eine Schnittzeichnung einer herkömmlichen
optischen Vorrichtung, welche integral einen Lichtwellenleiter und
einen optischen Detektor, als Teile von einem Empfängerabschnitt
des optischen Sendeempfängers
einschließt.
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Bezugnehmend
auf 1 enthält
die konventionelle optische Vorrichtung 10 mit dem Lichtwellenleiter
und dem optischen Detektor, ein Siliziumsubstrat 12, einen
Lichtwellenleiter 15 und einen optischen Detektor 20 aus
InGaAs. Der Lichtwellenleiter 15 enthält eine erste Ummantelungsschicht 14 aus
SiO2, eine Kernschicht 16 aus SiO2:Ge und eine zweite Ummantelungsschicht 18 aus
SiO2. Die erste Ummantelungsschicht 14,
die Kernschicht 16 und die zweite Ummantelungsschicht 18 werden
nacheinander auf einem vorgegebenen Bereich des Silizium-Substrates 12 gebildet.
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Die
herkömmliche
optische Vorrichtung 10 wird durch ein hybrides Integrationsverfahren
hergestellt, bei dem der optische Detektor 20 präzise an
einer vorgegebenen Position eines Silizium-Substrates 12,
auf dem sich der Lichtwellenleiter 15 befindet unter Verwendung
der Flip Chip-Bonding-Technik aufgebracht wird.
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Das
hybride Integrationsverfahren gestaltet den gesamten Herstellungsprozess
jedoch kompliziert und reduziert die Produktionsausbeute als Folge von
ungenauer Ausrichtung der Kernschichten von Lichtwellenleiter und
optischem Detektor.
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Als
eine Folge ist es, da viel Zeit und Mühe für eine genaue Ausrichtung notwendig
ist, um die obigen Probleme zu lösen
und hierfür
auch eine kostspielige Ausrüstung
benötigt
wird, kaum möglich
die Kosten zu senken.
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Ferner
wird der getrennt hergestellte optische Detektor unter Verwendung
eines Verbindungshalbleiters produziert, der für die hauptsächlich verwendeten
Wellenlängen-Bänder geeignet ist. Das für diesen
optischen Detektor verwendete Substrat ist nicht nur teuer, sondern
es ist auch unmöglich,
seine Produktionskosten zu senken auf Grund der Begrenzung der Massenproduktion
basierend auf einem großen
Durchmesser von Wafern.
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US 5,193,131 legt eine optoelektronische Vorrichtung
mit einem integrierten Lichtleiter und einem Photodetektor offen.
Diese Vorrichtung umfasst eine teilreflektierende Schicht, welche
zwischen der unteren Confinement-Schicht und der Führungsschicht
eingefügt
ist. Bei der integrierten Vorrichtung nach
US 5,193 ist das Lichtabsorptionsvermögen nicht
optimiert.
EP 0 281 989 legt
eine Kanal-Wellenleiter-Schottky-Photodiode
offen, welche ein Substrat aus Galliumarsenid, welches mit Siliziumdioxid
beschichtet ist, einen Dünnfilm-Wellenleiter
aus Zinkoxid mit einem verdickten Steg, um den Wellenleiter-Pfad
abzugrenzen und eine Öffnung
oder einen dünnen
Teilbereich umfasst, der auf dem Siliziumdioxid vor dem Aufbringen
des Zinkoxids vorgesehen ist, so dass der gerippte Bereich des Zinkoxids
einen direkten Kontakt zum Galliumarsenid herstellt. Auf beiden
Seiten des direkten Kontaktes steht eine Metallelektrode in Kontakt
mit dem Galliumarsenid und bildet eine knapp bemessene Schottky-Diode.
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Daher
ist es Ziel der vorliegenden Erfindung eine optische Vorrichtung
mit besseren Lichtabsorptionseigenschaften zu liefern.
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Dieses
Ziel wird erreicht durch die optische Vorrichtung nach Anspruch
1 und das Verfahren nach Anspruch 12. Bevorzugte Ausführungen
stimmen mit den abhängigen
Patentansprüchen überein.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine optische Vorrichtung, welche
integral einen Lichtwellenleiter und einen optischen Detektor, sowie
ein Verfahren zu deren Herstellung einschließt.
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In Übereinstimmung
mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, wird eine optische Vorrichtung
geliefert, welche Folgendes einschließt: ein Substrat; eine erste
auf dem Substrat aufgewachsene Einkristall-Wachstumsschicht; ein
Lichtwellenleiter, der aus einer Ummantelungsschicht und einer Kernschicht,
die auf der ersten aufgewachsenen Einkristall-Wachstumsschicht ausgebildet
wurde besteht; eine undotierte Schicht, welche auf einem vorgegebenen
Teilbereich der Kernschicht gebildet wurde, auf der ein Teil der
Ummantelungsschicht entfernt wurde, so dass das Licht, welches sich
entlang des Lichtwellenleiters bewegt und in einem vorgegebenen
Wellenlängen-Band
liegt, absorbiert wird; eine zweite aufgewachsene Einkristall-Wachstumsschicht,
welche auf der undotierten Schicht gebildet wurde; eine n-leitende
Elektrode, die auf einer Seite des Substrats gebildet wurde; und
eine p-leitende Elektrode, welche elektrisch mit der zweiten aufgewachsenen
Einkristall-Wachstumsschicht verbunden ist.
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In Übereinstimmung
mit einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird
eine optische Vorrichtung zur Detektion eines optischen Signals
innerhalb eines vorgegebenen Wellenlängen-Bandes bereitgestellt,
welche umfasst: Einen Lichtwellenleiter, der mit einer Ummantelungsschicht und
einer Kernschicht gebildet wurde, um das optische Signal zu führen; und
einen optischen Detektor einschließlich eines lichtabsorbierenden
Gebiets, um das optische Signal zu detektieren, wobei das lichtabsorbierende
Gebiet des optischen Detektors an die Kernschicht des Lichtwellenleiters
angrenzt.
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In Übereinstimmung
mit einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, wird
ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung zur Erfassung
eines optischen Signals bereitgestellt, das einschließt: Das
Züchten
einer ersten Einkristall-Wachstumsschicht
auf dem Substrat; das Bilden einer ersten Ummantelungsschicht auf
der ersten Einkristall-Wachstumsschicht; das Strukturieren der ersten
Ummantelungsschicht in der Weise, dass die erste Ummantelungsschicht
abgeschrägt
wird; das Bilden einer Kernschicht auf der strukturierten ersten Ummantelungsschicht
und der offengelegten Einkristall-Wachstumsschicht; das Bilden einer
zweiten Ummantelungsschicht auf der Kernschicht; das Freilegen eines
vorgegebenen Gebietes der Kernschicht durch Strukturierung der zweiten
Ummantelungsschicht mit einer vorgegebenen Form; und das Bilden einer
zweiten Einkristall-Wachstumsschicht auf der offengelegten Kernschicht.
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Falls
das Substrat aus Silizium hergestellt ist, können die erste Einkristall-Wachstumsschicht
und die zweite Einkristall-Wachstumsschicht als Silizium-Germanium-Schichten
ausgeführt
sein.
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Die
Silizium-Germanium-Schicht kann aus einer Silizium-Germanium-Verbindung
(SixGe1-x) hergestellt
sein, wobei x mit zunehmender Entfernung vom Substrat allmählich von
1 nach 0 läuft,
so dass ein Abschnitt nahe der offengelegten Kernschicht des Lichtwellenleiters
ein Element einschließt,
das aus der Gruppe ausgewählt
wird, welche aus einer Silizium-Germanium-Verbindung mit hohem Germanium-Anteil
(0 ≤ x ≤ 0,4) und
reinem Germanium (x = 0) besteht.
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Der
Abschnitt, der aus irgendeinem Element hergestellt wird, das aus
der Gruppe ausgewählt wird,
welche aus einer Silizium-Germanium-Verbindung mit hohem Germanium-Anteil (0 ≤ x ≤ 0,4) und reinem
Germanium (x = 0) besteht, kann die lichtabsorbierende Region sein.
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Falls
das Substrat aus InP gefertigt ist, kann die Einkristall-Wachstumsschicht
aus InxGa1-xAs hergestellt
sein, um das lichtabsorbierende Gebiet zu bilden.
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Die
Differenz der Brechungsindizes zwischen Kernschicht und Ummantelungsschicht
kann so groß sein,
dass die Querschnittsfläche
eines Kerns klein werden kann.
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Die
Kernschicht wird aus Siliziumnitrid hergestellt und die Ummantelungsschicht
wird aus Siliziumdioxid hergestellt.
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Eine
n-leitende Elektrode kann auf einer Seite des Substrates gebildet
werden und eine p-leitende Elektrode kann auf der zweiten Einkristall-Wachstumsschicht
ausgebildet sein.
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Die
optische Vorrichtung enthält
ferner eine Isolationsschicht unter einem Teil, unter dem der optische
Detektor in der Nähe
der offengelegten Kernschicht der ersten Einkristall-Wachstumsschicht
gebildet wurde.
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Die
oben genannten und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden deutlicher durch eine detaillierte Beschreibung
von beispielhaften Ausführungen
von ihr, die sich auf die beigefügten
Zeichnungen beziehen, bei welchen:
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1 eine
Schnittzeichnung einer Vorrichtung ist, welche einen Lichtwellenleiter
und einen optischen Detektor enthält, der durch ein hybrides
Integrationsverfahren in Übereinstimmung
mit der verwandten Technik dargestellt ist;
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2 eine
Schnittzeichnung einer optischen Vorrichtung ist, welche einen Lichtwellenleiter
und einen optischen Detektor enthält, die integral dargestellt
sind, in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
Schnittzeichnung einer optischen Vorrichtung entlang der Linie A-A' aus 2 ist;
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4A bis 4H Schnittzeichnungen
sind, um ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung
darzustellen, welche einen Lichtwellenleiter und einen optischen
Detektor enthält,
die integral dargestellt sind, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Schnittzeichnung einer optischen Vorrichtung ist, welche einen Lichtwellenleiter
und einen optischen Detektor enthält, die integral dargestellt
sind, in Übereinstimmung
mit einem Beispiel, welches nicht der vorliegenden Erfindung entspricht;
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6 eine
Schnittzeichnung einer optischen Vorrichtung entlang der Linie B-B' aus 5 ist;
und
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7A und 7B sind
Kurven, die ein Simulationsergebnis zeigen, das die Lichtmenge darstellt,
die von dem optischen Detektor absorbiert wurde, kommend von dem
Lichtwellenleiter in der optischen Vorrichtung, welche den Lichtwellenleiter
und den optischen Detektor integral einschließt.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung im Detail dadurch beschrieben,
dass bevorzugte Ausführungen
einer optischen Vorrichtung, die einen Lichtwellenleiter und einem
optischen Detektor integral einschließen, sowie ein Verfahren zu
deren Herstellung erklärt
werden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Gleiche Referenzzahlzeichen in den Zeichnungen kennzeichnen gleiche
Elemente.
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2 stellt
eine Schnittzeichnung einer optischen Vorrichtung dar, welche einen
Lichtwellenleiter und einen optischen Detektor enthält, die
integral ausgebildet sind, in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung. 3 ist eine
Schnittzeichnung einer optischen Vorrichtung entlang der Linie A-A' aus 2.
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Bezogen
auf die 2 und 3 enthält eine
optische Vorrichtung 100 in Übereinstimmung mit einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung einen Lichtwellenleiter 140, der
mit einer ersten und einer zweiten Ummantelungsschicht 108 und 112 sowie
einer Kernschicht 110 versehen ist und einen optischen
Detektor 150, der mit einer ersten Silizium-Germanium-Schicht 104 (erste
Kristall-Wachstumsschicht), einer ersten undotierten Schicht 106 (zusätzliche
undotierte Schicht), einer zweiten undotierten Schicht 120 und
einer zweiten Silizium-Germanium-Schicht 122 (zweite Kristall-Wachstumsschicht)
ausgestattet ist.
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Die
erste Silizium-Germanium-Schicht 104 wird gebildet auf
einem vorgegebenen Gebiet der ersten Seite des Siliziumsubstrates 102.
Die erste undotierte Schicht 106 wird auf der ersten Silizium-Germanium-Schicht 104 gebildet.
Der Lichtwellenleiter 140 mit einer Kernschicht 110,
umgeben von der ersten und der zweiten Ummantelungsschicht 108 und 112 wird
auf der ersten undotierten Schicht 106 gebildet. Der optische
Detektor 150 wird hergestellt durch das anschließende Bilden
der zweiten undotierten Schicht 120 und der zweiten Silizium-Germanium-Schicht 122 auf
einem vorgegebenen Gebiet der offengelegten Kernschicht 110 des
Lichtwellenleiters 140.
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Zusätzlich enthält die optische
Vorrichtung 100 eine n-leitende Elektrode 116 und
eine p-leitende Elektrode 118. Die n-leitende Elektrode 116 wird
auf einem vorgegebenen Gebiet auf einer zweiten Seite des Silizium-Substrates 102 in
einer Weise gebildet, dass die n-leitende Elektrode 116 elektrisch
mit dem optischen Detektor 150 verbunden sein kann. Die p-leitende
Elektrode 118 wird auf einem vorgegebenen Gebiet der zweiten
Silizium-Germanium-Schicht 122 in einer Weise gebildet,
dass die p-leitende Elektrode 118 elektrisch mit dem optischen
Detektor 150 verbunden sein kann.
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In Übereinstimmung
mit einer ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung empfängt
die optische Vorrichtung 100 ein optisches Signal von außen und überträgt das empfangene
optische Signal zu der zweiten undotierten Schicht 120 des
optischen Detektors 150 über die Kernschicht 110 des
Lichtwellenleiters 140. Die zweite undotierte Schicht absorbiert
das übertragene
optische Signal und konvertiert das absorbierte optische Signal
in Elektron-Loch-Paare, um das konvertierte Signal über die Elektroden 116 und 118 als
ein elektrisches Signal auszugeben.
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In Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung enthält
der Lichtwellenleiter 140 eine Kernschicht 110 und
eine erste und zweite Ummantelungsschicht 108 und 112. Die
Kernschicht 110 befindet sich in der Mitte des Lichtwellenleiters 140 und
besitzt einen relativ großen
Brechungsindex. Die erste und zweite Ummantelungsschicht 108 und 112 umgeben
die Kernschicht 110 und haben einen relativ kleinen Brechungsindex.
Dementsprechend wird das Licht in der Kernschicht 110 entsprechend
dem Phänomen
der Totalreflexion weitergeleitet. Dabei kann aus den verschiedenen
verwendeten Lichtwellenlängen
nur Licht, welches eine spezifische Bedin gung erfüllt, weitergeleitet
werden. Das spezielle Licht, welches die Bedingung erfüllt, wird
Mode genannt.
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Im
Allgemeinen ist es, da auch zur Übertragung
des Signals von außen
optische Monomode-Fasern verwendet werden vorzuziehen, dass der Lichtwellenleiter 140 ebenfalls
so ausgelegt ist, dass er eine Monomode-Übertragung ermöglicht.
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Nun
ist es erwünscht,
dass der Lichtwellenleiter 140 so ausgeführt ist,
dass er eine hohe Differenz der Brechungsindizes zwischen Kernschicht 110 und
der ersten und zweiten Ummantelungsschicht 108 und 112 besitzt.
Der Grund hierfür
wird im Folgenden beschrieben. Da mit zunehmender Differenz der
Brechungsindizes zwischen Kernschicht 110 und der ersten
und zweiten Ummantelungsschicht 108 und 112, die
Ausdehnung eines Mode verringert wird, ist es möglich, die Kernschicht 110 so zu
auszulegen, dass sie eine kleine Querschnittsfläche aufweist. Da die Austrittsverluste
in einem gekrümmten
Gebiet sehr gering sind, kann auch der Krümmungsradius klein gemacht
werden. Somit kann die Vorrichtung auch mit geringer Baugröße hergestellt
werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung besteht die Kernschicht 110 aus Siliziumnitrid
(Si3N4) mit einem
Brechungsindex von etwa 2 und die erste und zweite Ummantelungsschicht 108 und 112 aus
Siliziumdioxid (SiO2) mit einem Brechungsindex
von etwa 1,5. In diesem Fall, bei dem die Differenz der Brechungsindizes
bei 30% und mehr liegt, ist es möglich,
die Kernschicht 110 mit einer Größe zu fertigen, die unter wenigen
Mikrometern liegt.
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Das
Licht, welches vom Lichtwellenleiter 140 übertragen
wurde, wird anschließend
im optischen Detektor von der ersten und zweiten undotierten Schicht 106 und 120 absorbiert.
Dabei sollte zum Erreichen der Lichtabsorption der Bandabstand der ersten
und zweiten undotierten Schicht 106 und 120 kleiner
sein als der Bandabstand der verwendeten Wellenlänge. Entsprechend ist das verwendbare
Material eingeschränkt.
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Detaillierter
beschrieben wird für
die Absorption von Licht in einem Wellenlängen-Band zwischen 1,3 μm bis 1,5 μm, wie es
in einem optischen Kommunikationsband verwendet wird, ein hoher
Germaniumanteil (0 ≤ x ≤ 0,4) einer
Silizium-Germanium-Verbindung (SixGe1-x) oder reines Germanium verwendet. Im
Falle von reinem Germanium, ist bei di rektem Aufwachsen des Germaniums
auf der Silizium-Schicht die Fehlstellen-Dichte zu hoch, um ein Kristallwachstum
hoher Qualität
zu erreichen, da der Gitterversatz zum Silizium mehr als 4% beträgt. Entsprechend
strebt man an, eine Silizium-Germanium-Pufferschicht (104) auf dem
Silizium-Substrat (102) vorzusehen.
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In Übereinstimmung
mit einer Variante sind die erste Silizium-Germanium-Schicht 104 und/oder die
erste undotierte Schicht 106 und/oder die zweite undotierte
Schicht 120 als Silizium-Germanium-Schichten (SixGe1-x) mit einer
Zusammensetzung mit Gradienten-Profil
ausgeführt.
Im Falle, dass die erste Silizium-Germanium-Schicht 104 eine
Zusammensetzung mit Gradienten-Profil aufweist, muss die Zusammensetzung
an der Grenzfläche
zur ersten undotierten Schicht 106 notwendigerweise gleich
der Zusammensetzung der ersten undotierten Schicht 106 sein,
wobei der Gehalt an Ge in Richtung der Kernschicht 110 zunimmt.
Folglich ist der Germanium-Anteil in einem Gebiet nahe der Kernschicht 110 hoch
(0 ≤ x ≤ 0,4) oder
sogar gleich 1 (x = 0). Im Falle eines Gradienten der ersten undotierten
Schicht 106 ist die Zusammensetzung an der Grenzfläche zur ersten
Silizium-Germanium-Schicht 104 im Wesentlichen der Zusammensetzung
dieser gleich.
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Allgemein
ist es das Wichtigste, dass eine hohe Effizienz der optischen Kopplung
durch einen einfachen Aufbau über
eine Integration des Lichtwellenleiters 140 und des optischen
Detektors 150 erreicht werden kann. Mit anderen Worten
sollte der Verlust des Lichtes, welches an den optischen Detektor 150 über den
Lichtwellenleiter 140 übertragen wird
minimiert werden.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung ist es möglich
die Reflexions-Verluste an den Verbindungsstellen zwischen dem Lichtwellenleiter 140 und
dem optischem Detektor 150 dadurch zu vermeiden, dass die
Kernschicht 110 des Lichtwellenleiters 140 im
optischen Detektor 150 verwendet wird. Da weder ein zusätzlicher
Prozess noch eine Vorrichtung erforderlich sind, um die Richtung
des Lichtes vom Lichtwellenleiter 140 zum optischen Detektor 150 zu ändern, kann
auf einfache Weise eine hohe Effizienz der optischen Kopplung erreicht
werden.
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Die 4A bis 4H sind
Schnittzeichnungen, um ein Verfahren zur Herstellung einer optischen
Vorrichtung zu darzustellen, welche einen Lichtwellenleiter und
einen opti schen Detektor enthält,
die integral dargestellt sind, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung.
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Als
erstes wird bezogen auf 4a eine Fremdatom-dotierte
Silizium-Germanium-Schicht 104 auf
dem Silizium-Substrat 102 gezüchtet. In Übereinstimmung mit einer bevorzugten
Ausführung der
vorliegenden Erfindung wird ein n-leitend dotierter Silizium-Wafer als Silizium-Substrat 102 verwendet.
Dementsprechend wird der Fall beschrieben, bei dem n-leitende Fremdatome
in eine erste Silizium-Germanium-Schicht 104 dotiert werden,
aber das Grundprinzip des Falles eines p-dotierten Silizium-Substrates
ist entsprechend das Gleiche, mit der Ausnahme, dass p-Dotierung
und n-Dotierung gegeneinander ausgetauscht werden.
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Um
die Silizium-Germanium-Verbindung, die als erste undotierte Schicht 106 verwendet
werden soll leicht zu erzeugen, so dass sie einen hohen Germaniumgehalt
aufweist oder aus reinem Germanium besteht, wird die erste Silizium-Germanium-Schicht (104),
beginnend beim Substrat 102 mit einem allmählich ansteigenden
Germanium-Anteil gezüchtet. Mit
anderen Worten ist es erstrebenswert die Silizium-Germanium-Verbindung
zu züchten,
während
x in SixGe1-x allmählich von
1 zu dem Zusammensetzungs-Wert der ersten undotierten Schicht (106) läuft.
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Darauf
folgend wird die erste undotierte Schicht 106 aus einer
Silizium-Germanium-Verbindung,
weiche einen großen
Teil Germanium enthält (0 ≤ x ≤ 0,4) oder
aus reinem Germanium besteht (x = 0) auf der ersten Silizium-Germanium-Schicht 104 gezüchtet.
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Dann
wird die erste Ummantelungsschicht 108 auf der ersten undotierten
Schicht 106 mit einer definierten Schichtdicke unter Verwendung
eines chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (CVD-Beschichtungsverfahren)
gebildet.
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Obwohl
die erste Silizium-Germanium-Schicht 104 und die erste
undotierte Schicht 106 auf dem Silizium-Substrat gezüchtet werden,
welches zur Bildung des optischen Detektors 150 genutzt
wird, kann bei einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung
der optische Detektor unter Verwendung von Material, weiches mit
dem Einkristall-Wachstumsverfahren
auf einem Substrat aus InP oder GaAs gezogen werden kann ge bildet
werden. Falls das Substrat aus InP hergestellt ist, kann eine Einkristall-Wachstumsschicht
bestehend aus InxGa1-xAs
verwendet werden.
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Dann
wird, mit Bezug auf die 4B und 4C,
eine erste Photolack-Schicht 124, welche abgeschrägt ist und
eine ungleichförmige
Höhe aufweist,
auf der ersten Ummantelungsschicht 108 unter Verwendung
eines Photolithographie-Prozesses, bei welchem eine Graustufenmaske
eingesetzt wird gebildet. Dann wird ein Trockenätzverfahren auf der ersten
Photolack-Schicht 124 durchgeführt, so dass man die schräg verlaufende
erste Ummantelungsschicht 108 erhält.
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Dann
wird das Material, mit Bezug auf die 4D, welches
für die
Kernschicht 110 verwendet werden soll auf der abgeschrägten ersten
Ummantelungsschicht 108 und auf einem Teilbereich der undotierten
Schicht 106 abgeschieden, welcher nicht von der ersten
Ummantelungsschicht 108 bedeckt ist. Dann bleibt nur die
Kernschicht 110 zurück,
welche eine bestimmte Querschnittsfläche aufweist und die anderen
Teilbereiche werden durch Photolithographie und einen Ätzprozess
entfernt. In Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird die Kernschicht 110, welche aus
Si3N4 besteht abgeschieden.
Der Querschnitt der Kernschicht hat eine Breite von etwa 0,3 μm und eine Höhe von etwa
0,3 μm.
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Dann
wird, mit Bezug auf die 4E, nachdem
eine zweite Photolack-Schicht 128 unter Verwendung von
Photolithographie genau in dem Gebiet gebildet wurde, in dem der
optische Detektor entstehen soll, die zweite Ummantelungsschicht 112 mit
einem Verfahren wie zum Beispiel dem Sputtern gebildet. Nachdem
die zweite Photolack-Schicht 128 auf dem Gebiet des optischen
Detektors entfernt wurde, wird die Oberfläche der ersten undotierten
Schicht 106, ausgenommen der Kernschicht 110 des
Lichtwellenleiters 140, über eine chemische Reaktion
so behandelt, dass das nachfolgende Kristallwachstum erleichtert
wird.
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Als
nächstes
wird darauf folgend, mit Bezug auf die 4F eine
zweite Silizium-Germanium-Schicht 122 gebildet,
nachdem eine zweite undotierte Schicht 120 auf dem Gebiet
des optischen Detektors gezüchtet
wurde. Bei der bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird die zweite undotierte Schicht 120 aus
dem gleichen Material wie die erste undotierte Schicht 106 hergestellt,
wobei jedoch bei der Variante mit ei nem Gradienten-Profil (SixGe1-x) der Zusammensetzungs-Parameter
x, beginnend von der Kernschicht 110, schrittweise von
0 bis 1 oder bis zur Zusammensetzung der zweiten Silizium-Germanium-Schicht 122 läuft und
die zweite Silizium-Germanium-Schicht 122 wird dabei aus
Silizium-Germanium, welches mit Fremdatomen p-dotiert wurde, hergestellt.
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Dann
wird, mit Bezug auf die 4G eine dritte
Photolack-Schicht 130 als Passivierungsschicht auf der
gesamten Umgebung, ausgenommen der Randbereich um den optischen
Detektor aufgebracht, um eine elektrische Isolation des optischen Detektors 150 sicherzustellen.
Die elektrische Isolationsschicht 114 wird unter Verwendung
von Ionenimplantation erzeugt. Die elektrische Isolationsschicht 114 verhilft
dem optischen Detektor 150 zu einem effizienten Betrieb,
indem sie es der zweiten undotierten Schicht 120 ermöglicht,
das Lichtsignal zu absorbieren, welches durch die Kernschicht 110 des
Lichtwellenleiters 140 übertragen
wird, und das Lichtsignal in Elektron-Loch-Paare zu konvertieren
und weiterhin durch das Begrenzen der Elektron-Loch-Paare auf das
Gebiet des optischen Detektors 150.
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Schließlich wird,
mit Bezug auf die 4H eine p-leitende Elektrode 118 und
eine n-leitende Elektrode 116 gebildet,
nachdem die dritte Photolack-Schicht 130 entfernt wurde.
Die p-leitende Elektrode 118 wird auf einem vorgegebenen
Gebiet der zweiten Silizium-Germanium-Schicht 122 gebildet und
elektrisch nach außen
verbunden. Die n-leitende Elektrode 116 wird
auf einem vorgegebenen Gebiet der zweiten Seite des Silizium-Substrates
gebildet und elektrisch nach außen
verbunden.
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5 ist
eine Schnittzeichnung einer optischen Vorrichtung, welche einen
Lichtwellenleiter und einen optischen Detektor enthält, die
integral dargestellt sind, in Übereinstimmung
mit einem Beispiel, welches nicht der vorliegenden Erfindung entspricht,
aber für
das Verständnis
hilfreich ist. 6 ist eine Schnittzeichnung
einer optischen Vorrichtung entlang der Linie B-B' aus 5.
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Das
Beispiel, welches nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, unterscheidet
sich von der ersten Ausführung
dadurch, dass der optische Detektor nur eine zweite undotierte Schicht 120 verwendet, ohne
eine Schicht wie die erste undotierte Schicht 106 in der
ersten Ausführung.
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Noch
detaillierter beschrieben, befindet sich hier keine undotierte Schicht
zur Absorption des Lichtes unter einer Kernschicht 210 des
Lichtwellenleiters 240 und eine undotierte Schicht 220 ist
nur im Bereich der Umgebung der Kernschicht 210 des Lichtwellenleiters 230 innerhalb
des optischen Detektors 250 gezüchtet worden.
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Bei
dem Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung 200,
in Übereinstimmung
mit einem Beispiel, welches nicht der vorliegenden Erfindung entspricht,
wird eine erste Ummantelungsschicht 208 auf einer ersten
Silizium-Germanium-Schicht 204, welche ein Gradienten-Profil
entsprechend der ersten Ausführung
aufweisen kann, im Lichtwellenleiter 240 ohne einen Prozess-Schritt zum
Züchten
einer ersten undotierten Schicht 106 gebildet. Eine Kernschicht 210 wird
direkt auf einer Silizium-Germanium-Schicht 204 innerhalb
des optischen Detektors 250 gebildet. Die anderen Prozess-Schritte
sind im Wesentlichen die selben, wie sie in der ersten Ausführung der
vorliegenden Erfindung in den 4A bis 4H gezeigt
wurden.
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Bei
der ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung sind die erste und zweite undotierte Schicht 106 und 120 jeweils
auf und unter der Kernschicht 110 des Lichtwellenleiters 140 vorgesehen. Die
erste Ausführung
weist den Vorteil auf, dass der größte Teil des Lichtes, welcher
zu der Kernschicht 110 des Lichtwellenleiters 140 übertragen
wurde absorbiert wird.
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Bei
dem Beispiel, welches nicht der vorliegenden Erfindung entspricht,
wird eine undotierte Schicht 220 auf dem optischen Detektor 250 gezüchtet, nachdem
ein Lichtwellenleiter 240 hergestellt wurde, so dass vermieden
wird, dass ein unnötiger Defekt
auf der undotierten Schicht 220 erzeugt wird. Als ein Ergebnis
gilt, verglichen mit der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung,
bei dem Beispiel, welches nicht der vorliegenden Erfindung entspricht,
dass die optoelektronische Umwandlung des optischen Detektors 250 verbessert
wird, da es durch eine kontinuierliche Züchtung der undotierten Schicht 220 ohne
irgendwelche Defekte möglich
ist, eine ausreichende Lichtmenge zu absorbieren, um ein optisches
Signal zu detektieren.
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7A bis 7B sind
Kurven, die ein Simulationsergebnis zeigen, das die Lichtmenge darstellt,
die von dem optischen Detektor absorbiert wurde, kommend von dem
Lichtwel lenleiter in der optischen Vorrichtung, welche den Lichtwellenleiter
und den optischen Detektor integral einschließt.
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In 7A stellt
die x-Achse die Dicke der undotierten Schicht und die y-Achse den
Ausgangswert dar. ☐ stellt die Lichtmenge dar, die von
der zweiten undotierten Schicht 120 absorbiert wurde, ♢ stellt
die Lichtmenge dar, die von der ersten undotierten Schicht 106 absorbiert
wurde und o stellt die reflektierte Lichtmenge dar. Wie aus den
Kurven ersichtlich ist, kann die erste und zweite undotierte Schicht
jeweils 40% und mehr des Lichtes absorbieren, wenn die Stärke der
ersten und zweiten undotierten Schicht 0,2 μm oder mehr beträgt. Auf
diese Weise ist eine Lichtabsorption von 80% und mehr durchaus möglich.
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In 7B stellt
die x-Achse die Lange der undotierten Schicht und die y-Achse den
Ausgangswert dar. ☐ stellt die Lichtmenge dar, die von
der zweiten undotierten Schicht 120 absorbiert wurde; ♢ stellt
die Lichtmenge dar, die von der ersten undotierten Schicht 106 absorbiert
wurde und o stellt die reflektierte Lichtmenge dar. Wie aus den
Kurven ersichtlich ist, kann die erste und zweite undotierte Schicht
jeweils 40% und mehr des Lichtes absorbieren, wenn die Lange der
ersten und zweiten undotierten Schicht 2 μm oder mehr betragt. Auf diese
Weise ist eine Lichtabsorption von 80% und mehr durchaus möglich.
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In Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung sind der Lichtwellenleiter und der optische
Detektor integral eingeschlossen, so dass zusätzliche Arbeitsschritte, wie
ein Ausrichtungsschritt und ein Flip Chip-Bonden, nicht nötig sind
und Kosten bei der Produktion der optischen Vorrichtung eingespart
werden können.
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In Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung sind der Lichtwellenleiter und der optische
Detektor nicht kurzgeschlossen, aber der Kern des Lichtwellenleiters
ist selbst direkt in den optischen Detektor eingesetzt, so dass
der Herstellungsprozess einfach ist und die Effizienz der optischen
Kopplung erhöht
werden kann.
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In Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung kann der Preis des optischen Sendeempfängers erfindungsgemäß gesenkt
werden, da kostengünstige
reine Werkstoffe der Silizium-Klasse sowie der bestehende Herstellungsprozess
von großen
Silizium-Wafern verwendet werden kann.
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Da
das Verfahren zur Herstellung der vorliegenden Erfindung leicht
erweitert und für
ein zusätzliches
Koppeln der optischen Vorrichtung angepasst werden kann, kann eine
komplexe Schaltung unter Verwendung monolithischer Integration der
optischen Vorrichtung mit geringen Kosten hergestellt werden.
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Auch
wenn die vorliegende Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungen
von ihr speziell gezeigt und beschrieben wurde, wird es den normalen
Fachleuten einsichtig sein, dass verschiedene Änderungen bezüglich der
Form und der Details dabei vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen der
vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Ansprüchen beschrieben wird.