DE602004007231T2 - Optische Vorrichtung zur Erfassung eines optischen Signales und deren Herstellungsverfahren - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Daher ist es Ziel der vorliegenden Erfindung eine optische Vorrichtung mit besseren Lichtabsorptionseigenschaften zu liefern.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung liefert eine optische Vorrichtung, welche integral einen Lichtwellenleiter und einen optischen Detektor, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung einschließt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Falls das Substrat aus Silizium hergestellt ist, können die erste Einkristall-Wachstumsschicht und die zweite Einkristall-Wachstumsschicht als Silizium-Germanium-Schichten ausgeführt sein.
  • 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.
  • 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.
  • Falls das Substrat aus InP gefertigt ist, kann die Einkristall-Wachstumsschicht aus InxGa1-xAs hergestellt sein, um das lichtabsorbierende Gebiet zu bilden.
  • Die Differenz der Brechungsindizes zwischen Kernschicht und Ummantelungsschicht kann so groß sein, dass die Querschnittsfläche eines Kerns klein werden kann.
  • Die Kernschicht wird aus Siliziumnitrid hergestellt und die Ummantelungsschicht wird aus Siliziumdioxid hergestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 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;
  • 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;
  • 3 eine Schnittzeichnung einer optischen Vorrichtung entlang der Linie A-A' aus 2 ist;
  • 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;
  • 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;
  • 6 eine Schnittzeichnung einer optischen Vorrichtung entlang der Linie B-B' aus 5 ist; und
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dann wird die erste Ummantelungsschicht 108 auf der ersten undotierten Schicht 106 mit einer definierten Schichtdicke unter Verwendung eines chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (CVD-Beschichtungsverfahren) gebildet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (19)

  1. Optische Vorrichtung für ein optisches Kommunikationsnetz zum Erfassen eines optischen Signals, die umfasst: ein Substrat (102, 202); einen Lichtwellenleiter (140) zum Leiten des optischen Signals, der mit Ummantelungsschichten (108, 112) und einer umgebenden Kernschicht (110) versehen ist; einen optischen Detektor (150), der einen Lichtabsorptionsbereich zum Erfassen des optischen Signals aufweist; eine n-leitende Elektrode (116), die an einer Seite des Substrats (102) ausgebildet ist; und eine p-leitende Elektrode (118), die elektrisch mit dem optischen Detektor (150) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtabsorptionsbereich des optischen Detektors (150) eine erste und eine zweite Lichtabsorptionsschicht umfasst, die an die Kernschicht (110) eines vorgegebenen Abschnitts des Lichtwellenleiters (140), in dem ein Abschnitt der Ummantelungsschichten entfernt worden ist, angrenzend, auf und unter ihr vorhanden sind.
  2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Absorptionsschicht (106, 120) eine erste und eine zweite undotierte Schicht (106, 120) sind.
  3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, die des Weiteren umfasst: eine erste Einkristall-Wachstumsschicht (104), die auf das Substrat (102) aufgewachsen ist; wobei der Lichtwellenleiter (140) über der ersten Einkristall-Wachstumsschicht (104) ausgebildet ist; und wobei der optische Detektor (150) umfasst: eine zweite Einkristall-Wachstumsschicht (122), die auf die zweite undotierte Schicht (120) aufgewachsen ist.
  4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, die des Weiteren eine isolierende Schicht (114) umfasst, die nahe der freigelegten Kernschicht (110, 210) in der ersten Einkristall-Wachstumsschicht (104) ausgebildet ist.
  5. Optische Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, wobei das Substrat (102) aus Silizium besteht und die erste Einkristall-Wachstumsschicht (104) sowie die zweite Einkristall-Wachstumsschicht (122, 222) Silizium-Germanium-Schichten sind.
  6. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die erste und die zweite undotierte Schicht (106, 120) aus einer Silizium-Germanium-Verbindung (SixGe1-x) bestehen und x mit zunehmender Entfernung zu der Kernschicht (110) allmählich von einem Wert 0 ≤ x ≤ 0,4 auf 1 ansteigt, so dass sich ein Abschnitt nahe der Kernschicht (110) aus einer Silizium-Germanium-Verbindung mit hohem Germanium-Anteil (0 ≤ x ≤ 0,4) oder aus reinem Germanium (x = 0) zusammensetzt.
  7. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat (102) aus InP besteht und die Einkristall-Wachstumsschichten (104, 122) aus InxGa1-xAs bestehen.
  8. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei des Weiteren die erste Einkristall-Wachstumsschicht (104) eine Silizium-Germanium-Pufferschicht ist und die zusätzliche undotierte Schicht (106) eine Silizium-Germanium-Verbindung (SixGe1-x) mit einem hohen Germanium-Zusammensetzungsanteil, d.h. 0 ≤ x ≤ 0,4, oder reines Germanium (x = 0) ist.
  9. Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste Einkristall-Wachstumsschicht (104) aus einer Silizium-Germanium-Verbindung (SixGe1-x) besteht, und von dem Substrat (102) aus sich x allmählich von 1 zu dem x entwickelt, das der Zusammensetzung der zusätzlichen undotierten Schicht (106) entspricht.
  10. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die erste Einkristall-Wachstumsschicht (104) eine Silizium-Germanium-Pufferschicht ist; und wobei die zusätzliche undotierte Schicht (106) aus einer Silizium-Germanium-Verbindung (SixGe1-x) besteht, sich x mit zunehmender Entfernung zu dem Substrat (102) allmählich von dem x, das der Zusammensetzung der ersten Einkristall-Wachstumsschicht (104) entspricht, zu 0 ≤ x ≤ 0,4 entwickelt, so dass sich der Abschnitt nahe der Kernschicht (110) aus einer Silizium-Germanium-Verbindung mit hohem Germanium-Anteil (0 ≤ x ≤ 0,4) oder reinem Germanium (x = 0) zusammensetzt.
  11. Optische Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, wobei die Kernschicht (110) aus Siliziumnitrid oder Silizium besteht und die Ummantelungsschicht (108, 112) aus Siliziumdioxid besteht.
  12. Verfahren zum Herstellen einer optischen Vorrichtung zum Erfassen eines optischen Signals, das die folgende Schritte umfasst: a) Aufwachsen einer ersten Einkristall-Wachstumsschicht (104) auf einem Substrat (102); a2) Ausbilden einer ersten Lichtabsorptionsschicht (106); b) Ausbilden einer ersten Ummantelungsschicht (108) über der ersten Einkristall-Wachstumsschicht (104); c) Strukturieren der ersten Ummantelungsschicht (108), so dass die erste Ummantelungsschicht (108) abgeschrägt wird und ein Teil der ersten Lichtabsorptionsschicht (106) freigelegt wird; d) Ausbilden einer Kernschicht (110) auf der strukturierten ersten Ummantelungsschicht (108) und der freigelegten ersten Lichtabsorptionsschicht (106); e) Ausbilden einer zweiten einzelnen Ummantelungsschicht (112) auf der Kernschicht (110); f) Freilegen eines vorgegebenen Bereiches der Kernschicht (110) durch Strukturieren der zweiten Ummantelungsschicht (112) in einer vorgegebenen Form; g) Ausbilden einer zweiten Lichtabsorptionsschicht (120) auf der freigelegten Kernschicht (110); und h) Ausbilden einer zweiten Einkristall-Wachstumsschicht (122) über der freigelegten Kernschicht (110); i) Ausbilden einer n-leitenden Elektrode (116) an einer Seite des Substrats (102); und j) Ausbilden einer p-leitenden Elektrode (118) an der zweiten Einkristall-Wachstumsschicht (122).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste und die zweite Absorptionsschicht (106, 120) eine erste bzw. zweite undotierte Schicht (106, 120) sind.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, das des Weiteren umfasst: Ausbilden einer isolierenden Schicht (114) durch Implantieren von Ionen in die erste Einkristall-Wachstumsschicht (104), die unter Randabschnitten der zweiten Einkristall-Wachstumsschicht (122) positioniert ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die zweite undotierte Schicht (120) aus einer Silizium-Germanium-Verbindung (SixGe1-x) besteht, die so ausgebildet wird, dass x mit zunehmender Entfernung zu der Kernschicht (110) allmählich von 0 ≤ x ≤ 0,4 auf 1 ansteigt, so dass sich ein Abschnitt nahe der Kernschicht (110) aus einer Silizium-Germanium-Verbindung mit hohem Germanium-Anteil (0 ≤ x ≤ 0,4) oder aus reinem Germanium (x = 0) zusammensetzt.
  16. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die zweite undotierte Schicht (120) so aufgewachsen wird, dass sie eine Silizium-Germanium-Verbindung mit hohem Germanium-Anteil (0 ≤ x ≤ 0,4) oder reines Germanium (x = 0) ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die erste Einkristall-Wachstumsschicht (104) eine Silizium-Germanium-Pufferschicht ist und die erste undotierte Schicht (106) eine Silizium-Germanium-Verbindung (SixGe1-x) ist, die so ausgebildet wird, dass sich x mit zunehmender Entfernung zu dem Substrat (102) allmählich von dem x, das der Zusammensetzung der ersten Einkristall-Wachstumsschicht (104) entspricht, zu 0 ≤ x ≤ 0,4 entwickelt, so dass sich ein Abschnitt nahe der Kernschicht (110) aus einer Silizium-Germanium-Verbindung mit hohem Germanium-Anteil (0 ≤ x ≤ 0,4) oder reinem Germanium (x = 0) zusammensetzt.
  18. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die erste Einkristall-Wachstumsschicht (104) eine Silizium-Germanium-Pufferschicht ist und die erste undotierte Schicht (106) so aufgewachsen wird, dass sie eine Silizium-Germanium-Verbindung (SixGe1-x) mit hohem Germanium-Anteil (0 ≤ x ≤ 0,4) oder reines Germanium (x = 0) ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die erste Einkristall-Wachstumsschicht (104) aus einer Silizium-Germanium-Verbindung (SixGe1-x) besteht, die so ausgebildet wird, dass sich x allmählich von 1 zu dem x entwickelt, das der Zusammensetzung der Silizium-Germanium-Verbindung der ersten undotierten Schicht (106) entspricht.
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