-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrooptische Wellenleitervorrichtungen
und insbesondere auf elektrooptische Modulatoren, auf ein Verfahren
zum Herstellen elektrooptischer Wanderwellen-HF-Modulatoren und auf die Vorrichtungen, die
damit erzeugt werden.
-
Herkömmliche
auf einem Wafer basierende Wellenleiter schaffen zweckmäßige Mittel,
die Licht in einem Halbleiter-Wafer leiten. In solchen Wellenleitern
wird Licht in einer Kernschicht durch über und unter der Kernschicht
angeordnete Mantelschichten, die einen niedrigeren Brechungsindex
als das Kernmaterial zeigen, begrenzt. Das Licht wird an den Rändern des
Wellenleiters durch die Kern/Luft-Grenzfläche begrenzt.
-
Solche
Wellenleiter können
z. B. aus III-V-Halbleitern wie etwa gitterangepasstem GaAs/AlGaAs
hergestellt werden. In diesem Beispiel hängt der Brechungsindex des
Hauptmaterials AlxGa1–xAs
von dem Aluminium-Stoffmengenanteil (x) ab. Die Lichtausbreitung
kann primär
auf die Ebene des Halbleiter-Wafers begrenzt werden, indem ein Aufwachsen
epitaktischer AlxGa(1–x)As-Schichten
mit verschiedenen Werten des Aluminium-Stoffmengenanteils (x) zugelassen
wird. Die Lichtausbreitung kann ferner auf einen schmalen Wellenleiter
begrenzt werden, indem die erforderlichen Wellenleitermuster in
die AlxGa1–xAs-Schichten
geätzt
werden.
-
Es
ist wohl bekannt, dass die optischen Eigenschaften des Wellenleiters
durch Anlegen eines elektrischen Feldes über den Wellenleiter geändert werden
können.
Beispielsweise kann der Brechungsindex des Wellenleiterkerns (und
der oberen Mantelschicht) über
den linearen elektrooptischen Effekt (Pockels-Effekt) geändert werden,
was wiederum verwendet werden kann, um die Phase des Lichts, das durch
den Wellenleiter läuft,
zu ändern.
-
In
der Praxis sind der Kern und die oberen Mantelschichten nicht dotiert
und verhalten sich praktisch wie Isolatoren. Die unteren Mantelschichten sind
normalerweise dotiert, um eine leitende Schicht unter dem Wellenleiter
zu schaffen. Das Substrat ist normalerweise nicht dotiert und verhält sich
praktisch ebenso wie ein Isolator. Indem eine Elektrode auf der Oberseite
des Wellenleiters und eine zweite Elektrode in Kontakt mit der dotierten
unteren Mantelschicht angeordnet werden, kann durch Anlegen einer
Spannung zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode
ein elektrisches Feld über
den Leiterbereich angelegt werden. Dementsprechend kann der Brechungsindex
des Wellenleiterkerns und infolgedessen die Phase des Lichts, das
durch den Wellenleiter läuft,
elektrisch modelliert werden.
-
Dieser
Effekt schafft die Grundlage für
elektrooptische Wellenleiter-Interferometer,
in denen Licht durch Anlegen eines elektrischen Feldes über den
Wellenleiter von einem Ausgang zum anderen geschaltet werden kann.
-
Der
lineare elektrooptische Effekt ist ein sehr schneller Effekt, wobei
die Schaltgeschwindigkeit des Wellenleiter-Interferometers hauptsächlich davon
abhängt,
wie schnell die Spannung an die Elektroden angelegt werden kann.
Bei einem einfachen elektrooptischen Wellenleiter-Interferometer
wird die Schaltgeschwindigkeit durch die Kapazität der Elektrode oder in der
Praxis durch die Kapazität
der Kontaktieranschlussfläche,
die verwendet wird, um einen Draht mit der Elektrode zu verbinden,
begrenzt.
-
Der
lineare elektrooptische Effekt ist allerdings ein schwacher Effekt,
der lange Elektroden (mit einer Länge in der Größenordnung
von einigen zehn Millimetern) in der Vorrichtung erfordert, um die
Ansteuerspannung auf annehmbaren Pegeln zu halten. Die Länge der
Elektrode kann Komplikationen verursachen, falls die Vorrichtung
bei sehr hohen Schaltgeschwindigkeiten betrieben werden soll (z.
B. wo das Interferometer mit Hochfrequenzen (HF) in der Größenordnung
von 50 GHz geschaltet wird), da die Länge der Elektrode im Vergleich
zu der Wellenlänge des
HF-Ansteuersignals lang ist (z. B. besitzt ein 50-GHz-Ansteuersignal
in Luft eine Wellenlänge
von 6 mm). Dies bedeutet, dass die Durchgangszeit des Lichts unter
der Elektrode einigen HF-Zyklusdauern entspricht. Das Licht wird
durch die positiven Halbzyklen des HF-Ansteuersignals in eine Richtung
phasenverschoben, während
es daraufhin durch die negativen Halbzyklen in die entgegengesetzte
Richtung phasenverschoben wird, bevor es Zeit gehabt hat, unter
der ganzen Länge
der Elektrode durchzulaufen. Die Gesamtphasenverschiebung ist klein,
falls sie nicht null ist, wodurch die Vorrichtung nicht sehr effizient
ist.
-
Um
diesen Effekt zu überwinden,
muss die HF-Welle so erzeugt werden, dass sie sich längs der Vorrichtung
in derselben Richtung und mit derselben Geschwindigkeit wie das
Licht in den Wellenleitern fortpflanzt. Auf diese Weise wirkt immer
derselbe Teil der HF-Welle auf denselben Teil des Lichtstrahls,
wobei die erforderliche optische Phasenverschiebung kontinuierlich
wächst,
während
sich das Licht längs der
Vorrichtung ausbreitet. Dieser Vorrichtungstyp wird als ein elektrooptischer "Wanderwellen"-Wellenleitermodulator
bezeichnet.
-
Eine
der Hauptschwierigkeiten bei der Herstellung dieses elektrooptischen
Wanderwellenmodulator-Typs besteht darin, dass die Epitaxie, die
benötigt
wird, um das HF-Ansteuersignal an den Wellenleiter anzulegen, leitende
untere Mantelschichten aufweisen muss, so dass das angelegte Feld
einzig auf den Kern und die oberen Mantelschichten stark begrenzt
wird.
-
Wegen
der hohen Frequenz des Ansteuersignals wird eine koplanare Streifenleitung
verwendet um das HF-Ansteuersignal zu den Modulatorelektroden zu
lenken. Falls die koplanare Streifenleitung (CPS) auf der Oberseite
der leitenden Epitaxieschichten (die dotierte untere Mantelschicht
des Wellenleiters) angeordnet würde,
wäre die
CPS-Leitung sehr
verlustbehaftet, wobei sich das HF-Ansteuersignal nur höchstens
einige Millimeter ausbreiten würde,
bevor es von den leitenden Schichten völlig gedämpft wird. Die CPS-Leitung
sollte Idealerweise auf einem isolierenden (oder in Halbleiterausdrücken, einem
halbisolierenden) Substrat angeordnet werden, um große Verluste
zu vermeiden. Allerdings wird daraufhin eine Weiterverarbeitung
erforderlich, die eine leitende epitaktische Schicht unter dem Wellenleiter
schafft, um das angelegte Feld in dem Wellenleiterkern und in den
oberen Mantelschichten zu begrenzen.
-
Ein
alternatives Verfahren zur Verringerung einer unerwünschten
Dämpfung
des HF-Ansteuersignals besteht darin, die Vorrichtung auf einem
halbisolierenden Substrat herzustellen und einen tiefen Graben zwischen
den primären
Elektroden der koplanaren Streifenleitung und irgendeiner leitenden unter
dem Wellenleiterkern verwendeten Epitaxie zu ätzen, wodurch die beiden Strukturen
wirksam getrennt werden. Bei dieser Konfiguration werden Überbrückungselektroden
verwendet, die den Graben zwischen der koplanaren Streifenleitung
und dem Wellenleiter überspannen
[siehe z. B. "Highspeed III-V
semiconductor intensity modulators", Walker R. G., IEEE Journal of Quantum
Electronics, 27: (3) 654–667,
März 1991].
Die Merkmale des Oberbegriffs der unabhängigen Ansprüche sind
durch dieses Dokument offenbart. Allerdings ist diese Trennungstechnik
komplex und wegen der geringen Ausbeute der Verarbeitung kostspielig.
Die Technik führt
außerdem
zu einem nicht ebenen Substrat, das eine Nachbearbeitung der Vorrichtung
erschwert.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung eines elektrooptischen Wellenleitermodulators und
genauer zur Herstellung eines elektrooptischen Wanderwellenmodulators
zu schaffen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer elektrooptischen Wellenleitervorrichtung,
die primäre
Elektroden und wenigstens einen optischen Wellenleiter, der auf
einem Substrat mit einer im Wesentlichen leitenden Oberfläche angeordnet
ist, besitzt, die folgenden Schritte:
Identifizieren wenigstens
eines primären
Bereichs auf dem Wellenleitervorrichtungssubstrat, der die primären Elektroden
aufnehmen soll,
Identifizieren wenigstens eines sekundären Bereichs auf
dem Wellenleitervorrichtungssubstrat, der den wenigstens einen optischen
Wellenleiter aufnehmen soll,
gekennzeichnet durch selektives
Implantieren von Ionen in den wenigstens einen primären Bereich
auf dem Wellenleitervorrichtungssubstrat, der für die Aufnahme der primären Elektroden
identifiziert worden ist, um dadurch den wenigstens einen primären Bereich
im Wesentlichen isolierend zu machen, während der wenigstens eine sekundäre Bereich
im Wesentlichen leitend gelassen wird.
-
Das
Verfahren schafft den Vorteil, dass Teile des Wellenleitervorrichtungssubstrats
wahlweise im Wesentlichen isolierend gemacht werden können, während andere
Teile des Substrats im Wesentlichen leitend gelassen werden, wodurch
ermöglicht
wird, dass sowohl die primären
Elektroden als auch der optische Wellenleiter in der Vorrichtung
effizient arbeiten.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Substrat im Wesentlichen isolierend, wobei das Verfahren
ferner den anfänglichen
Schritt umfasst, bei dem ein Aufwachsen wenigstens einer epitaktischen
Schicht auf dem Substrat zugelassen wird, um ein eine Verbundstruktur
zeigendes Substrat zu bilden, wobei die epitaktische Schicht eine
im Wesentlichen leitende Schicht ist.
-
Vorzugsweise
ist die Oberfläche
des Substrats nach dem Ionenimplantationsprozess im Wesentlichen
eben. Da der Prozess minimal invasiv ist, wird die Nachbearbeitung
des Halbleitersubstrats vereinfacht und die Ausbeute der Verarbeitung
gegenüber
herkömmlichen
Trennverfahren unter Verwendung von Ätzprozessen verbessert.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Verfahren ferner die folgenden Schritte:
Ablagern
epitaktischer Schichten aus Halbleitermaterial, um in der Ebene
des Wellenleitervorrichtungssubstrats eine elektrooptische Schicht
zu bilden,
Ätzen
von Kanälen
durch die elektrooptische epitaktische Schicht, um elektrooptische
Wellenleiter zu bilden, die Licht in wohldefinierten Bereichen auf
dem Wellenleitervorrichtungssubstrat leiten können, wobei die elektrooptischen
Wellenleiter mit dem wenigstens einen sekundären Bereich auf dem Wellenleitervorrichtungssubstrat, der
für die
Aufnahme des wenigstens einen optischen Wellenleiters identifiziert wird,
koinzident sind,
Ablagern elektrooptischer Elektroden wenigstens
auf einem Teil der elektrooptischen Wellenleiter, wodurch ein elektrisches
Feld über
die elektrooptischen Wellenleiter angelegt werden kann,
Ablagern
primärer
Elektroden in der Nähe
der elektrooptischen Elektroden, die mit dem wenigstens einen primären Bereich
auf dem Modulatorsubstrat, der für
die Aufnahme der primären
Elektroden identifiziert wurde, koinzident sind.
-
Das
Substrat und die wenigstens eine epitaktische Schicht umfassen vorzugsweise
III-V-Halbleiter. Das Substrat und die wenigstens eine epitaktische
Schicht können
Schichten aus Gallium-Arsenid, aus Gallium-Aluminium-Arsenid, aus
Indium-Phosphid und aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid
umfassen.
-
Die
in den wenigstens einen primären
Bereich implantierten Ionen umfassen vorzugsweise Wasserstoffionen
und/oder Heliumionen und/oder Borionen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
besitzen die Ionen Energien im Bereich von 1 MeV bis 1,8 MeV.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst die elektrooptische Wellenleitervorrichtung einen elektrooptischen
Wanderwellenmodulator. Der elektrooptische Wanderwellenmodulator kann
ein Intensitätsmodulator,
ein Phasenmodulator oder ein Schalter sein.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst
eine elektrooptische
Wellenleitervorrichtung ein Substrat,
wenigstens einen optischen
Eingangswellenleiter und wenigstens einen optischen Ausgangswellenleiter,
wenigstens
einen elektrooptischen Wellenleiter,
wenigstens eine primäre Elektrode,
die auf dem Substrat angeordnet ist,
wenigstens einen im Wesentlichen
leitenden sekundären
Bereich, der auf dem Substrat ausgebildet ist,
gekennzeichnet
durch wenigstens einen im Wesentlichen isolierenden primären Bereich,
der auf dem Substrat durch Implantieren von Ionen in den wenigstens
einen primären
Bereich ausgebildet worden ist,
wobei sich die wenigstens eine
primäre
Elektrode auf dem wenigstens einen im Wesentlichen isolierenden primären Bereich
auf dem Substrat befindet und wobei sich der wenigstens eine elektrooptische
Wellenleiter auf dem wenigstens einen im Wesentlichen leitenden
sekundären
Bereich auf dem Substrat befindet.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das elektrooptische Wellenleitervorrichtungssubstrat eine
im Wesentlichen isolierende Basiszwischenschicht und wenigstens
eine auf der Basiszwischenschicht abgelagerte epitaktische Schicht,
wobei die wenigstens eine epitaktische Schicht eine im Wesentlichen
leitende Schicht ist.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst die elektrooptische Wellenleitervorrichtung ferner
elektrooptische
Elektroden, die auf den elektrooptischen Wellenleitern abgelagert
sind, wodurch über den
wenigstens einen elektrooptischen Wellenleiter ein elektrisches
Feld angelegt werden kann.
-
Das
Substrat und die wenigstens eine epitaktische Schicht umfassen vorzugsweise
III-V-Halbleiter. Noch bevorzugter umfassen das Substrat und die wenigstens
eine epitaktische Schicht Schichten aus Gallium-Arsenid, aus Gallium-Aluminium-Arsenid, aus
Indium-Phosphid und aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfassen die in den wenigstens einen primären Bereich implantierten Ionen
Wasserstoffionen und/oder Heliumionen und/oder Borionen.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besitzen die in den wenigstens einen primären Bereich implantierten Ionen
Energien im Bereich von 1 MeV bis 1,8 MeV.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst die elektrooptische Wellenleitervorrichtung einen elektrooptischen
Wanderwellenmodulator. Der elektrooptische Wanderwellenmodulator kann
ein Intensitätsmodulator,
ein Phasenmodulator oder ein Schalter sein.
-
Die
Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, in der:
-
1 eine
schematische Darstellung eines herkömmlichen Zweikanalschalters
für ein
elektrooptisches Wellenleiter-Interferometer zeigt,
-
2 eine
schematische Darstellung (Draufsicht) eines herkömmlichen elektrooptischen Zweikanal-Wanderwellen-Hochfrequenzmodulators
(Zweikanal-Wanderwellen-HF-Modulators) zeigt,
-
3 eine
schematische Darstellung (Draufsicht, nicht maßstabsgerecht) der ionenimplantierten Bereiche
des elektrooptischen Wan derwellenmodulators zeigt,
-
4 Querschnittsansichten
durch die Mitte eines elektrooptischen Wanderwellen-HF-Modulators
während
der Herstellung zeigt, wobei die aufeinander folgenden Schritte
des Ionenimplantations-Trennprozesses schematisch veranschaulicht werden,
-
5 einen
graphischen Vergleich des Verlusts einer koplanaren Streifenleitung
(CPS) auf halbisolierendem GaAs und einer ähnlichen CPS-Leitung auf GaAs
mit einer vollständigen
optischen Wellenleiterepitaxie und einer Ionenimplantation um die optischen
Leiter zeigt,
-
6 sich
auf ein ionenimplantiertes Mach-Zehnder-Interferometer bezieht und
eine graphische Darstellung der aus den Ausgangsanschlüssen des
Interferometers hervortretenden Lichtintensität in Abhängigkeit von der angelegten
Vorspannung zeigt. Die graphische Darstellung zeigt, dass die Leistung
des optischen Wellenleiterteils der Vorrichtung überhaupt nicht durch den Ionenimplantationsprozess
beeinflusst worden ist.
-
In 1 umfasst
ein herkömmlicher
Zweikanalschalter (1) für
ein elektrooptisches Wellenleiter-Mach-Zehnder-Interferometer ein
Substrat (2), auf dem ein Eingangswellenleiter (3),
ein 1×2-Teiler (4),
zwei elektrooptische Wellenleiter (5a, 5b), elektrooptische
Elektroden (6a, 6b), die auf der Oberseite der
elektrooptischen Wellenleiter (5a, 5b) abgelagert sind,
ein 2×2-Rekombinator
(7) und zwei Ausgangswellenleiter (8a, 8b)
hergestellt sind.
-
Für diese
Spezifikation umfasst der elektrooptische Wellenleiter bzw. umfassen
die elektrooptischen Wellenleiter irgendeinen optischen Wellenleiter,
bei dem die optischen Eigenschaften des Wellenleiters in Reaktion
auf ein angelegtes elektrisches Feld aktiv geändert werden können. Beispielsweise kann
der Brechungsindex des elektrooptischen Wellenleiterkerns über den
linearen elektrooptischen Effekt (Pockels-Effekt) veränderbar
sein, was wiederum verwendet werden kann, um die Phase des Lichts,
das durch den elektrooptischen Wellenleiter läuft, zu ändern. Das elektrische Feld
wird über
die elektrooptischen Elektroden an den elektrooptischen Wellenleiter
angelegt.
-
Im
Gebrauch tritt das Licht über
den Eingangswellenleiter (3), in den Schalter des elektrooptischen
Wellenleiter-Mach-Zehnder-Interferometers ein, läuft durch den 1×2-Teiler
(4) in die beiden elektrooptischen Wellenleiterführungen
(5a, 5b), wird in dem 2×2-Rekombinator (7)
neu kombiniert und verlässt
die Vorrichtung durch die beiden Ausgangswellenleiter (8a, 8b).
Durch Anlegen einer Spannung entweder zwischen den beiden oberen
elektrooptischen Elektroden (6a und 6b) oder zwischen
einer oberen elektrooptischen Elektrode (6a, 6b)
und einer elektrooptischen Elektrode auf dem leitenden unteren Mantel
(6c, nicht gezeigt), kann das Licht von einem Ausgangswellenleiter
(8a, 8b) zum anderen geschaltet werden.
-
In 2 enthält ein herkömmlicher
elektrooptischer Zweikanal-Wanderwellen-Hochfrequenzmodulator (10)
(Zweikanal-Wanderwellen-HF-Modulator)
viele der Elemente des grundlegenden Mach-Zehnder-Interferometerschalters
einschließlich
eines Substrats (2) (nicht gezeigt), auf dem die Vorrichtung
hergestellt ist, eines Eingangswellenleiters (3), eines
1×2-Teilers
(4), zweier elektrooptischer Wellenleiter (5a, 5b),
eines 2×2-Rekombinators
(7) und zweier Ausgangswellenleiter (8a, 8b).
-
Allerdings
sind in dem elektrooptischen Wanderwellen-HF-Modulator die elektrooptischen
Elektroden (6a, 6b) durch mehrere elektrooptische
Elektroden (11a, 11b) ersetzt, die mit den in
der Nähe
der elektrooptischen Wellenleiter angeordneten primären Elektroden
(12a, 12b) der koplanaren Streifenleitung (CPS)
verbunden sind und sich längs
der Länge
der elektrooptischen Wellenleiter erstrecken. Die primären Elektroden
stellen eine genaue Ausbreitung des elektrischen Signals in der
Vorrichtung sicher, wobei sie das elektrische Signal an mehrere
elektrooptische Elektroden liefern. Im Gebrauch wird das HF-Ansteuersignal
(mit einer typischen Frequenz in der Größenordnung von 50 GHz) in ein
Ende der primären
CPS-Elektroden eingespeist. Die primären CPS-Elektroden stellen
sicher, dass sich die HF-Welle längs
der Vorrichtung in derselben Richtung und mit derselben Geschwindigkeit
wie das Licht fortpflanzt, das bei dem Eingangswellenleiter (3)
in den elektrooptischen HF-Modulator eintritt. Auf diese Weise wirkt
immer derselbe Teil der HF-Welle auf denselben Teil des Lichtstrahls,
wobei die erforderliche optische Phasenverschiebung kontinuierlich wächst, während das
Licht sich längs
der Vorrichtung ausbreitet.
-
Das
HF-Ansteuersignal verlässt
den elektrooptischen HF-Modulator an dem anderen Ende der primären CPS-Elektroden.
-
Die
Verwendung primärer
CPS-Elektroden mit mehreren kurzen elektrooptischen Elektroden (11a, 11b)
hat außerdem
eine vorteilhafte Wirkung der Vermeidung der unerwünschten
kapazitiven Effekte eines einzelnen Paars langer elektrooptischer Elektroden,
die die Schaltgeschwindigkeit des Modulators stark verringern würden ["High-speed III-V
semiconductor intensity modulators", Walker R.G., IEEE Journal of Quantum
Electronics, 27:(3) 654–667,
März 1991].
-
In 3 verwendet
das verbesserte Verfahren zum Herstellen eines elektrooptischen
Wanderwellen-Wellenleitermodulators die selektive Ionenimplantation
des Halbleitersubstrats als Teil der anfänglichen Wafer-Verarbeitung,
um leitende und isolierende Bereiche auf dem Substrat zu bilden.
-
Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst das Identifizieren
primärer
und sekundärer Bereiche
in dem Modulator, auf denen jeweils die primäre Elektrode bzw. die primären Elektroden
und der optische Wellenleiter bzw. die optischen Wellenleiter hergestellt
werden. Das Verfahren enthält
einen selektiven Passivierungsprozess, in dem Ionen in die primären Bereiche
auf dem Modulator, die unter den primären Elektroden der koplanaren
Streifenleitung liegen, implantiert werden, wodurch die primären Breiche
isolierend gemacht werden. Die epitaktischen Schichten, die unter
dem optischen Wellenleiter liegen, werden als leitende Schichten
erhalten.
-
Die
Bereiche (20) des Halbleitersubstrats (2), die
im Wesentlichen die primären
CPS-Elektroden tragen, sind mit Ionen implantiert, um isolierende Gebiete
auf dem Halbleitersubstrat zu bilden. Umgekehrt sind die Bereiche
(21) des Halbleitersubstrats (2), die später den
elektrooptischen Wellenleiter tragen, nicht mit Ionen implantiert,
wodurch leitende Gebiete auf dem Halbleitersubstrat verbleiben.
-
In 4 umfasst
das Verfahren zur Herstellung des ionenimplantierten Modulators
typisch mehrere aufeinander folgende Phasen, während denen spezifische Gebiete
auf dem Substrat mit Ionen implantiert werden. Genauer wird in 4a typischerweise
das Auf wachsen der Wellenleiterepitaxie auf einem halbisolierenden
Wafer-Substrat (2),
auf das eine leitende epitaktische Schicht aufgebracht worden ist,
bewirkt. Eine Trennschicht (25) kann auf das Halbleitersubstrat
aufgebracht werden, um das Entfernen der nachfolgenden Photoresistschicht
(27) und einer konformen Goldbeschichtung (26),
die auf der Trennschicht abgelagert ist, zu erleichtern. Eine konforme
Photoresistschicht (27) wird auf den Halbleiter-Wafer aufgebracht
und unter Verwendung der herkömmlichen
Photolithographie strukturiert. Zum Beispiel kann der Wafer durch
eine Maske belichtet werden, um Gebiete zu definieren, die später mit
Ionen implantiert werden. Alternativ kann der Photoresist direkt
unter Verwendung eines Elektronenstrahls strukturiert werden (Elektronenstrahlschreiben).
Der Photoresist wird auf herkömmliche
Weise entwickelt.
-
Genauer
ist in 4b der Wafer mit einer (nominell)
7 μm dicken
Goldschicht (28) beschichtet. Das Gold kann durch Elektroplattieren
des Wafers oder durch irgendeine alternative herkömmliche
Ablagerungstechnik abgelagert werden.
-
In 4c ist
das restliche Photoresistmaterial von dem Wafer entfernt worden,
so dass (nominell 7 μm
dicke) Goldsäulen
aufgedeckt sind, die die Maske für
den Ionenimplantationsprozess bilden. Die Goldmustermaske verdeckt
die darunter liegende Epitaxie während
des Implantationsprozesses, so dass die Bereiche (21) unter
der Goldmaske nicht ionenimplantiert werden. Diese Bereiche (21)
bleiben leitend, wobei die Wellenleiter in der fertigen Vorrichtung
durch diese Bereiche verlaufen. Wenn der Wafer unter Verwendung
von 1,8 MeV-H+-Ionen (29) bis zu
einer Tiefe von etwa 8 μm
(d. h. durch alle epitaktischen Schichten bis zum halbisolierenden
Substrat) ionenimplantiert wird, wird der ganze Bereich (20), der
nicht durch das Gold maskiert ist, isolierend (4d).
Die Ionenimplantation erzeugt Haftstellen, die in den dotierten
Halbleiterschichten die Elektronen aus dem Leitungsband (bzw. die
Löcher
aus dem Valenzband) entfernen.
-
Der
Ionenimplantationsprozess kann außerdem die aktive Steuerung
der Richtung des Ionenstrahls (ein Prozess, der als Ionenstrahlschreiben
bekannt ist) einbeziehen, um die Wirkung der Gold-Ionenimplantationsmaske
zu steigern und dadurch die Wirksamkeit des Ionenimplantationsprozesses
zu verbessern.
-
Der
Ionenimplantationsprozess kann ferner durch Ändern der Ionenimplantationsenergie
oder durch Verwenden verschiedener Ionenarten gesteuert werden.
Praktische Ionenimplantationstiefen liegen in dem Bereich von 8 μm bis einschließlich 30 μm. Außerdem können Ionen
unter Verwendung mehrerer Ionenimplantationsenergien implantiert werden,
um ein bestimmtes Profil implantierter Ionen in verschiedenen Tiefen
in dem Wafer zu erreichen.
-
Zusätzlich zur Änderung
der Ionenimplantationsenergie können
alternative Ionenarten verwendet werden. Zum Beispiel können H2 +-Ionen (einfach
ionisierte H2-Moleküle), Heliumionen, Borionen
oder irgendwelche Ionen mit niedriger Atommasse die H+-Ionen
ersetzen.
-
Die
Verwendung von Ionen mit niedriger Atommasse hat den weiteren Vorteil,
dass niedrigere Beschleunigungsfelder verwendet werden können, um
die Ionen in einer gegebenen Tiefe in dem Wafer zu implantieren.
Im Fall von H+-Ionen sind Ionenenergien
in dem Bereich von 1 MeV bis einschließlich 1,8 MeV ausreichend,
um die H+-Ionen in Schichten aus GaAs (Substrat)/AlGaAs
(Wellenleiter) in Tiefen von bis zu 10 μm zu implantieren.
-
In 4e kann
darauf die primäre
CPS-Mikrowellenelektrode (12a, 12b) mit vernachlässigbarem
Mehrverlust über
die isolierenden (ionenimplantierten) Bereiche (20) laufen,
während
die elektrooptischen Wellenleiter mit vernachlässigbarer optischer Dämpfung über die
leitenden Bereiche (21) laufen können.
-
Unter
Verwendung des oben erwähnten
Ionenimplantationsprozesses hergestellte elektrooptische Wellenleitervorrichtungen
sind unter Verwendung von optischen Messungen und von On-Wafer-HF-Messungen
gekennzeichnet worden, um die Wirksamkeit des Prozesses zu bestimmen.
-
In 5 zeigen
On-Wafer-HF-Messungen des CPS-Leitungsverlusts bei 45 GHz Verluste
von etwa 2 dB/cm. Auch wenn der Verlust der ionenimplantierten Leitung
etwas höher
als der Verlust der Leitung auf dem halbisolierenden Substrat ist,
ist er sehr niedrig im Vergleich zu den entsprechenden Verlusten
an ähnlichen
Vorrichtungen, die nicht ionenimplantiert wurden.
-
Sowohl
aus den HF-Messungen (5) als auch aus den optischen
Messungen (6) wird sehr deutlich, dass
die ionenimplantierten Bereiche (20) dem idealen halbisolierenden
Material nahe kommen, das für
HF-Übertragungsleitungen
mit niedrigem Verlust erforderlich ist, während die nicht isolierten
Bereiche (21) der idealen Epitaxie nahe kommen, die für elektrooptische
Wellenleiter mit niedrigem Verlust erforderlich ist.
-
6 bezieht
sich auf optische Ergebnisse von einem ionenimplantierten Mach-Zehnder-Interferometer
und zeigt die Intensität
des Lichts, das bei einer über
einen Bereich von 40 Volt angelegten Vorspannung (44) aus
dem Ausgangsanschluss 1 (40) und dem Ausgangsanschluss 2 (42)
des Interferometers austritt. Das Licht aus dem ionenimplantierten Mach-Zehnder-Interferometer
wechselt sinusförmig vom
Ausgangsleiter 1 zum Ausgangsleiter 2 (und wieder
zurück),
wenn die Vorspannung verändert wird.
Dies ist ein charakteristisches Verhalten eines Mach-Zehnder-Interferometers.
Die Figur bestätigt, dass
die Leistung des optischen Wellenleiterteils der Vorrichtung nicht
durch den Ionenimplantationsprozess beeinflusst worden ist.
-
Dieses
Verfahren der Kombination von HF-Funktionen und optischen Funktionen
auf einem Wafer ist relativ tolerant gegenüber Änderungen in den Ionenimplantationsbedingungen.
-
In 4d besitzt
dieses Verfahren der Kombination von HF-Funktionen und optischen
Funktionen auf einem Wafer außerdem
den sehr klaren Vorteil, dass (im Gegensatz zu herkömmlichen
Verfahren) der Ionenimplantationsprozess die Wafer-Oberfläche (30)
unverändert
lässt (d.
h. eben), was für
die weitere zum Herstellen der Elektroden und der Wellenleiter erforderliche
hochauflösende
Lithographie wesentlich ist.
-
Der
ionenimplantierte Bereich in der Vorrichtung dämpft Licht sehr stark durch
Absorption. Dies bedeutet, dass der Verlust sehr deutlich zunimmt, wenn
ein Wellenleiter durch einen ionenimplantierten Bereich verläuft. Dies
kann bewusst verwendet werden, um unerwünschtes Licht in einer Chipkonstruktion
zu dämpfen,
anstatt es in das Substrat der Vorrichtung zu streuen.
-
Ähnlich dämpfen Bereiche
in der Vorrichtung, die nicht ionenimplantiert wurden, HF-Wellen sehr
stark, wobei solche Bereiche bewusst verwendet werden können, um
HF-Signale zu dämpfen,
anstatt zuzulassen, dass sie in der Vorrichtung gestreut werden.