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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein Halbleiter-Beugungsgitter und insbesondere
eine Halbleiterstruktur, die ein Gitter aus epitaktischen Halbleiterschichten
umfasst, welche aneinander angepasst sind und ein Beugungsgitter
dazwischen umfassen, wobei die Halbleiterschichten und das Beugungsgittermaterial
größer Unterschiede
in ihren Brechungsindizes aufweisen als der Unterschied in den Brechungsindizes
der Halbleiterschichten.
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2. Diskussion des verwandten
Standes der Technik
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Es
besteht in der Technik ein Bedarf nach optischen Halbleiter-Beugungsgittern
in bestimmten optischen Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise in
optischen Distributed-Feedback-(DFB-)Filtern, optischen Kopplern
usw. Ein herkömmliches
optisches Halbleiter-Beugungsgitter wird typischerweise eine Halbleiter-Wellenleiterschicht
umfassen, die sich zwischen äußeren Mantelschichten
befindet, wobei die Wellenleiterschicht einen höheren Brechungsindex aufweist
als die Mantelschichten, so dass Licht sich die Wellenleiterschicht
hinunter ausbreitet, und zwar mittels Wegreflektierens von den Mantel/Wellenleiter-Grenzflächen, und
darin eingefangen wird. Das Beugungsgitter ist an der Grenzfläche zwischen
einer der Mantelschichten und der Wellenleiterschicht ausgebildet,
und zwar mittels Erzeugens einer gewellten oder geriffelten Struktur
an der Wellenleiteroberfläche
oder der Mantelschichtoberfläche,
so dass das Licht, wenn es von der Grenzfläche wegreflektiert wird, mit
dem Gitter zusammenwirkt. Somit ist die Beugungsschicht der periodische
Longitudinalindexunterschied zwischen den Spitzen und Tiefen, die zwischen
den Halbleiterschichten, die einen Gitterbereich bilden, definiert
sind. Wenn sich das Licht die Wellenleiterschicht hinunter ausbreitet,
wird die Wellenlänge
von Licht betreffend die periodische Indexveränderung oder die räumliche
Periode der Spitzen in der Beugungsschicht rückwärts reflektiert oder auf solche
Weise durch den Wellenleiter übertragen, dass
sie von den anderen Wellenlängen
des Lichts getrennt wird, um beispielsweise ein optisches Filtern zu
gewährleisten.
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Verarbeitungstechniken
zum Herstellen der herkömmlichen
Gittergrenzflächen
in Halbleitervorrichtungen sind gut bekannt. Das Gitter kann an
der Wellenleiterschicht- oder
Mantelschichtoberfläche ausgebildet
werden, und zwar mittels direkten Elektronenstrahlschreibens oder
Holographiebemusterns, die beide dem Fachmann gut bekannt sind.
Um die Grenzflächen
zwischen der Wellenleiterschicht und den Mantelschichten mit einer
hohen optischen Qualität
mit minimalen Defekten und Fehlern herzustellen, ist es erwünscht, einen
epitaktischen Halbleiterwachstumsprozess zu verwenden, wie beispielsweise
metallorganische chemische Gasphasenabscheidung ("metal-organic chemical
vapor deposition";
MOCVD) oder Molekularstrahlepitaxie ("molecular beam epitaxy"; MBE), um eine Kristallkeimbildung und
ein Kristallwachstum und eine Gitteranpassung zwischen diesen Schichten
bereitzustellen. Da die Wellenleiterschicht einen höheren Brechungsindex als
die Mantelschichten aufweisen muss, muss die Wellenleiterschicht
aus einem anderen Halbleitermaterial oder -materialzusammensetzung
als die Mantelschichten hergestellt sein. Jedoch müssen die Wellenleiterschicht
und die Mantelschichten kompatibel sein, um die nötige Kristallstruktur
und Gitteranpassung während
des Halbleiterherstellungsprozesses bereitzustellen, um es dem Kristallwachstumsprozess
zu ermöglichen,
stattzufinden.
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Das
Zusammenwirken der optischen Moden in der Wellenleiterschicht ist
eine Funktion der Unterschiede in den Brechungsindizes in der Beugungsschicht,
die mittels der Halbleiterschichten ausgebildet wird, was durch
einen Gitterkopplungskoeffizienten gekennzeichnet ist. Die Halbleitermaterialien,
die kompatibel sind und die Kristallwachstumsanforderung erfüllen, weisen
nahezu dieselben Brechungsindizes auf, und somit ist die Fähigkeit
zur Optowellenlägentrennung,
die durch die Beugungsgitterschicht bereitgestellt wird, in diesen
Vorrichtungen begrenzt. Mit anderen Worten ist die Fähigkeit
zum optischen Filtern oder einem anderen Trennungsprozess von optischen
Wellenleitern begrenzt, da der Kristallwachstumsprozess es erfordert,
dass die Wellenleiter- und Mantelmaterialien nahezu denselben Brechungsindex
aufweisen. Typische Halbleiterbrechungsindizes betragen ungefähr 3, und
der Unterschied zwischen kompatiblen Halbleitermaterialien liegt
für gewöhnlich bei
maximal 0,5.
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Der
geringe Unterschied in den Brechungsindizes zwischen der Wellenleiterschicht
und den Mantelschichten ist für
viele Anwendungen geeignet, wie beispielsweise zum Pumpen von optischen
Moden in einem Laser, aber für
andere Anwendungen, wie beispielsweise optisches Filtern, ist ein
größerer Unterschied
zwischen diesen Brechungsindizes erstrebenswert. In vielen Anwendungen
würde eine deutliche
Verbesserung in der Leistung der Vorrichtung erreicht, falls es
möglich
wäre, Gitter
mit viel höheren
Kopplungskoeffizienten herzustellen.
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Um
Halbleiter-Beugungsgitter des oben besprochenen Typs bereitzustellen,
die einen viel größeren Unterschied
zwischen den Brechungsindizes in der Gitterschicht aufweisen, ist
es vordem bekannt gewesen, eine Wafer-zu-Wafer-Bondingtechnik zu verwenden,
um die Wellenleiterschicht und die Mantelschichten zusammenzubonden,
was einen Teil der den Halbleiterwachstumsherstellungsprozessen
auferlegten Beschränkungen
beseitigt. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Wafer-to-Wafer-Bondingtechniken
bekannt, bei denen separate Halbleiterstrukturen in einem Nicht-Kristallwachstumsprozess
zusammengehaftet werden. Mittels Bondens einer Halbleiterstruktur
an eine andere Halbleiterstruktur, welche die Beugungswellen umfasst,
wird eine Grenzfläche
gebildet, wobei Luftlücken
zwischen den Spitzen in der Wellenstruktur definiert sind. Daher sieht
der optische Strahl, wenn er sich den Wellenleiter hinunter ausbreitet
und mit der Beugungsgitterschicht zusammenwirkt, abwechselnde Bereiche
von Luft und Halbleitermaterial. Da der Brechungsindex von Luft
eins ist, gibt es einen deutlichen Unterschied zwischen den Materialien,
die das Gitter definieren, was erhöhte Filterfähigkeiten bereitstellt. Wafer-zu-Wafer-Bonding
hat jedoch eine Reihe von Nachteilen, die diese Technik etwas unterwünscht zum
Herstellen von optischen Beugungsgittern macht. Insbesondere bringt
der Wafer-zu-Wafer-Bonding-Prozess
eine Dehnung zwischen der kristallinen Struktur der zwei Halbleiterschichten
ein, welche das optische Zusammenwirken in der Beugungsschicht beeinträchtigt.
Zusätzlich
können
an der Grenzfläche
vorhandene Defekte und Unreinheiten die optische Integrität als ein
Ergebnis des Bondingprozesses beeinträchtigen, die bei einem kristallinen
Wachstumsprozess nicht vorliegen würden. Zusätzlich ist der Wafer-zu-Wafer-Bonding-Prozess
relativ teuer zu implementieren und fügt somit dem typischen Beugungsgitterherstellungsprozess
ein deutliches Mehr an Kosten hinzu.
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EP 1094345 A1 offenbart
ein Verfahren zum Herstellen von Halbleitermaterialien, um photonische Bandlückenmaterialien
zu erzeugen. Eine epitaktische Schicht eines ersten Halbleitermaterials
wird auf einem Substrat aufgebracht bzw. aufwachsen gelassen. Eine
Maske wird auf ausgewählte
Flächen des
ersten Halbleitermaterials aufgebracht, und die nicht-maskierten
Flächen
des ersten Halbleitermaterials werden weggeätzt, um Aussparungen zu bilden. Eine
epitaktische Schicht eines zweiten Halbleitermaterials wird selektiv
aufwachsen gelassen, um die Vielzahl von Aussparungen zu füllen, die
durch das Ätzen
des ersten Halbleitermaterials gebildet wurden. Eine weitere epitaktische
Schicht des ersten Halbleitermaterials wird über dem ersten Halbleitermaterial
und dem zweiten Halbleitermaterial aufwachsen gelassen. Eine Maske
wird auf ausgewählte
Flächen
der weiteren epitaktischen Schicht des ersten Halbleitermaterials
aufgebracht. Die nicht-maskierten Flächen der weiteren epitaktischen Schicht
des ersten Halbleitermaterials werden weggeätzt, um weitere Aussparungen
zu bilden. Die weiteren Aussparungen sind bezüglich der Aussparungen, die
in der vorhergehenden Schicht des ersten Halbleitermaterials ausgebildet
sind, abwechselnd verschoben. Weitere epitaktische Schichten des zweiten
Halbleitermaterials werden selektiv aufwachsen gelassen, um die
Vielzahl von Aussparungen zu füllen,
die durch das Ätzen
des ersten Halbleitermaterials gebildet wurden. Dieser Vorgang wird
so oft wiederholt, wie es nötig
ist, um ein Halbleiterprodukt zu bilden, das eine Vielzahl von Schichten
aus verschachtelten Bereichen des ersten Halbleitermaterials und
des zweiten Halbleitermaterials aufweist, wobei die Bereiche in
jeder der Schichten bezüglich
der Bereiche in den benachbarten Schichten abwechselnd verschoben
sind.
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US 6023354 offenbart ein
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bragg-Reflektors von kurzer
Länge und
von sehr großer
Indexschrittgröße an gestapelten
Schichten, die nacheinander mittels Epitaxie auf einem Substrat
eines Materials des III-V-Typs abgeschieden werden. Insbesondere
wird eine Stoppschicht aus einem quaternären Material auf einer der
gestapelten Schichten abgeschieden. Eine untere Mantelschicht wird
auf der Stoppschicht abgeschieden. Eine Schicht aus einem ternären Material
wird auf der unteren Mantelschicht abgeschieden. Die Schicht aus
ternärem
Material wird lokal und selektiv bis zu einer bestimmten mit Zinnen
versehenen ("crenelated") Ausgestaltung geätzt. Eine
obere Mantelschicht wird abgeschieden, um die sich ergebenden Lücken zu
füllen
und um ein erstes holographisches Gitter zu bilden. Die obere Mantelschicht, die
Schicht aus ternärem
Material und die untere Mantelschicht werden lateral geätzt, bis
die Stoppschicht erreicht ist, um eine Ridge zu bilden. Das erste
holographische Gitter wird mittels Nassätzens geätzt, um das ternäre Material
selektiv zu entfernen. Somit wird eine weitere Gitterstruktur mit
einer hohen Brechungsindexschrittgröße gebildet. Der sich daraus
ergebende Bragg-Reflektor macht es möglich, ein Reflexionsverhältnis von
30% zu erlangen.
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In
den Verfahren von
EP
1094345 A1 and
US 6023354 erstrecken
sich die Ätzungen
vollständig durch
die entsprechende Schicht, um die Beugungsstreifen bereitzustellen.
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WO 01/69735 A offenbart
einen verstärkungsgekoppelten
Halbleiterlaser vom Distributed-Feedback-Typ, welcher eine Distributed
Feedback mittels einer Verstärkungskopplung
verwendet, und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Insbesondere
offenbart sie einen verstärkungsgekoppelten
Halbleiterlaser vom Distributed-Feed back-Typ, der einen vorgeschriebenen
Brechungsindex und eine vorgeschriebene Bandlücke aufweist. Die Vorrichtung
weist eine erste Schicht mit einer periodischen Struktur und eine
zweite Schicht mit einem Brechungsindex auf, der gleich einem Brechungsindex
der ersten Schicht ist, sowie eine Bandlücke, die breiter ist als eine
Bandlücke
der ersten Schicht. Die periodische Struktur der ersten Schicht
ist in der zweiten Schicht flach vergraben. Die periodische Struktur
ist in der ersten Schicht ausgebildet, die eine schmalere Bandlücke als
die zweite Schicht aufweist. Die Verstärkungskopplung wird bereitgestellt,
wenn die erste Schicht dazu gebracht wird, als lichtemittierende
Schicht oder als eine absorbierende Schicht zu wirken. Die erste
Schicht und die zweite Schicht weisen gleiche Brechungsindizes auf.
Somit gibt es keine Brechungsindexkopplungskomponente. Eine vorliegende
Vorrichtung weist eine untere Mantelschicht, eine Führungsschicht,
eine untere Sperrschicht, eine Topfschicht, eine obere Sperrschicht, eine
vergrabene Schicht und eine obere Mantelschicht auf. Die Schichten
bis zur Führungsschicht werden
mittels Kristallwachstums auf ein Substrat aufgeschichtet. Danach
wird eine dielektrische Maske in Form eines periodischen Beugungsgitters
auf seiner Oberfläche
gebildet. Dann wird eine periodische Struktur in die Führungsschicht
nassgeätzt. Dann
werden die untere Sperrschicht, die Topfschicht und die obere Sperrschicht
selektiv in dem Aussparungsteil der periodischen Struktur aufwachsen
gelassen, wobei die dielektrische Maske durch das Kristallwachstum übrig geblieben
ist. Schließlich wird
die dielektrische Maske entfernt, und die Schichten darüber, einschließlich der
vergrabenen Schicht, werden wieder durch Kristallwachstum aufwachsen gelassen.
Der Ätzprozess
der periodischen Struktur teilweise durch die Führungsschicht führt zu einer sich
verjüngenden
Ausgestaltung der Struktur. Die geätzten Bereiche der Struktur
werden mit einer Vielzahl von aufwachsen gelassenen Schichten bedeckt, umfassend
die untere Sperrschicht, die Topfschicht und die obere Sperrschicht.
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Was
erforderlich ist, ist ein Prozess zum Herstellen eines optischen
Beugungsgitter, das Halbleiterkristallwachstumsprozesse verwendet
und einen relativ deutlichen Unterschied zwischen den Brechungsindizes
zwischen der Wellenleiterschicht und den Mantelschichten in einer
Beugungsgitterschicht für
ein erhöhtes
optisches Filtern bereitstellt. Es ist daher ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, solch einen Prozess bereitzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer
optischen Vorrichtung, die ein optisches Beugungsgitter umfasst,
in Anspruch 1 defi niert. Weitere Ausführungsformen sind in den beiliegenden
Ansprüchen
definiert. Erfindungsgemäß wird eine
erste Halbleiterschicht auf einem Substrat aufwachsen gelassen, und
eine dielektrische Schicht wird auf der ersten Halbleiterschicht
abgeschieden und dann bemustert und geätzt, um dielektrische Streifen
zu definieren. Die Halbleiterschicht wird dann einer chemischen Ätzung ausgesetzt,
die Öffnungen
in die Halbleiterschicht zwischen den dielektrischen Streifen ätzt, wobei
das Ätzen
so gesteuert wird, dass die Öffnungen sich
nur teilweise durch die erste Halbleiterschicht erstrecken und so,
dass ihre Böden
abgerundet sind. Ein weiteres Halbleitermaterial wird selektiv in
den Öffnungen
der ersten Halbleiterschicht mittels eines epitaktischen Wachstumsprozesses
aufwachsen gelassen. Dann können
die dielektrischen Streifen weggeätzt werden. Eine weitere Halbleiterschicht
kann auf der ersten Schicht und den Beugungsbereichen aufwachsen
gelassen werden. Das Halbleitermaterial in den Beugungsbereichen
kann ein Opfermaterial sein, das weggeätzt wird, um das Beugungsgitter
mit Luftkanälen
zu bilden. Wie oben können
zusätzliche Halbleiterschichten
bereitgestellt werden, um eine Wellenleiterschicht zwischen Mantelschichten
zu bilden, wobei Licht, das sich die Wellenleiterschicht hinunter
ausbreitet, mit der Beugungsschicht zusammenwirkt, oder der Wellenleiter
kann sich entfernt befinden.
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Zusätzliche
Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus
der nachfolgenden Beschreibung und den unabhängigen Ansprüchen in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1–3 zeigen
Querschnittsansichten verschiedener Herstellungsschritte einer optischen Halbleiter-Beugungsgitterstruktur,
die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, aber nützlich für das Verständnis der
vorliegenden Erfindung ist;
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4 ist
eine Draufsicht auf einen Herstellungsschritt der in 3 gezeigten
optischen Halbleiter-Beugungsgitterstruktur;
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5 ist
eine Querschnittsansicht einer optischen Vorrichtung, die eine optische
Halbleiter-Beugungsgitterstruktur umfasst, die keinen Teil der vorliegenden
Erfindung bildet, aber nützlich
für das
Verständnis
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 ist
eine Querschnittsansicht einer optischen Vorrichtung, die eine weitere
optische Halbleiter-Beugungsgitterstruktur umfasst, die keinen Teil der
vorliegenden Erfindung bildet, aber nützlich für das Verständnis der vorliegenden Erfindung
ist; und
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7–10 zeigen
Querschnittsansichten eines Herstellungsprozesses einer optischen
Halbleiter-Beugungsgitterstruktur gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Diskussion der bevorzugten Ausführungsformen betreffend eine
optische Halbleiter-Beugungsvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen
derselben ist nur beispielhafter Natur und ist keineswegs dazu vorgesehen,
die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Herstellungsschritts für eine optische
Beugungsgitterstruktur 10. Die Gitterstruktur 10 umfasst
eine Halbleiterschicht 12, die mittels eines epitaktischen Wachstumsprozesses,
wie beispielsweise MOCVD oder MBE, auf einem kompatiblen Halbleitersubstrat aufwachsen
gelassen wurde. Nachdem die Halbleiterschicht 12 bis zu
der gewünschten
Dicke für
eine bestimmte optische Anwendung aufwachsen gelassen worden ist,
wird der Wafer aus der Kristallwachstumsvorrichtung entfernt, und
eine dielektrische Schicht, beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid,
wird auf einer oberen Oberfläche
der Halbleiterschicht 12 abgeschieden. Die dielektrische Schicht
wird mittels eines geeigneten Halbleiterbemusterungsprozesses, wie
beispielsweise einer Holographie oder Elektronenstrahlschreibfreilegungstechnik,
bemustert, um ein Muster von dielektrischen Beugungsgitterstreifen 14 zu
definieren. Ein Ätzprozess,
wie jegliche geeignete chemische oder plasmabasierte Ätzung, wird
verwendet, um die ungewünschten
Teile der dielektrischen Schicht zwischen den Streifen 14 wegzuätzen. Die Ätzung wird
selektiv gesteuert, so dass die ungewollten dielektrischen Teile
der dielektrischen Schicht tief genug hinuntergeätzt werden, um die Schicht 12 zwischen
den Streifen 14 freizulegen, wie in 1 gezeigt.
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Sobald
die dielektrischen Gitterstreifen 14 auf der Schicht 12 gebildet
worden sind, wird die Struktur 10 in die Halbleiterwachstumsvorrichtung zurückgebracht. 2 zeigt
einen nachfolgenden Herstellungsschritt der Struktur 10,
bei dem eine zweite Halbleiterschicht 16 auf der Schicht 12 mittels eines
epitaktischen Wieder-Wachstumsprozesses aufwachsen gelassen worden
ist. Die Schicht 16 wird an die Schicht 12 gitterangepasst
oder fast-gitterangepasst, die zwischen den Streifen 14 freigelegt ist, um
die Schicht 16 zu definieren. Der Wachstumsprozess wird
fortgeführt,
bis die Streifen 14 vollkommen eingeschlossen sind. Zum
Zweck der vorliegenden Besprechung sind die Schicht 12 und
die Schicht 16 aus dem gleichen Halbleitermaterial hergestellt,
aber, wie aus der nachstehenden Besprechung ersichtlich, kann die
Schicht 16 aus einem anderen Halbleitermaterial bestehen
als die Schicht 12, solange sie für den Wachstumsprozess kompatibel
ist. Die dielektrischen Streifen 14 definieren ein Beugungsgitter
für eine
optische Vorrichtung, wie beispielsweise einen Filter. Das dielektrische
Material der Streifen 14 weist einen Brechungsindex von
1,5 bis 2 auf, was den Unterschied im Brechungsindex zwischen den
Streifen 14 und dem Halbleitermaterial größer als
den Unterschied zwischen den epitaktischen Standardwachstumshalbleiterbeugungsgittern
macht.
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Der
Unterschied im Brechungsindex zwischen den Beugungsstreifen 14 und
dem Halbleitermaterial kann weiter erhöht werden mittels Entfernens
der dielektrischen Streifen 14 nach dem erneuten Wachstumsschritt,
um Luftkanäle 20 zu
definieren, wie in 3 gezeigt. 4 zeigt
eine Draufsicht auf die Struktur 10, die einen Herstellungsprozess zum
selektiven Entfernen der Streifen 14 darstellt, sobald
die Schicht 16 hergestellt worden ist. Ein Optovorrichtungsbereich 22 ist
in der Struktur 10 definiert, der die verwendbare optische
Fläche
für die endgültige optische
Vorrichtung darstellt. Der optische Strahl wird sich den Bereich 22 hinunter
quer zu den Streifen 14 ausbreiten. Durchgangsätzkanäle 24 und 26 werden
bemustert und durch eine obere Oberfläche der Struktur 10 hinunter
geätzt,
und zwar mittels eines geeigneten Maskierungs- und Ätzprozesses,
bis die Enden der Streifen 14 Luft ausgesetzt sind. Ein
geeignetes Ätzmittel
wird dann in die Durchgangskanäle 24 und 26 eingeleitet,
welches die Streifen 14 selektiv entfernt, um die Luftkanäle 20 zu
bilden. Der Ätzprozess
ist abgeschlossen, wenn die gesamte Länge der Streifen 14 entfernt
worden ist, um die Luftkanäle 20 zu
definieren. Falls nötig,
können die
Kanäle 20 mittels
Abscheidens einer passivierenden und dielektrischen Dünnschicht
in die Durchgangskanälen 24 und 26 versiegelt
werden, die ausreichend ist, um die Kanalöffnungen zu verschließen.
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Die
Struktur 10, wie mittels des oben beschriebenen Prozesses
hergestellt ist, kann für
verschiedene optische Vorrichtungen verwendet werden. 5 zeigt
eine Querschnittsansicht einer optischen Vorrichtung 30,
die eine untere Halbleiter-Mantelschicht 32, welche die
Schicht 12 darstellt, und eine obere Halbleiter-Mantelschicht 34 aufweist. Für die Vorrichtung 30 ist
die Halbleiterschicht 16 eine Halbleiter-Wellenleiterschicht 36 mit
einem höheren
Brechungsindex als dem der Mantelschichten 32 und 34,
so dass eine optische Welle, die sich den Wellenleiter 36 hinunter
aus breitet, im Wesentlichen darin eingeschlossen ist. In dieser
Ausführungsform ist
die Beugungsgitterschicht 38 an der Grenzfläche zwischen
der Wellenleiterschicht 36 und der Mantelschicht 32 definiert
und umfasst periodisch beabstandete dielektrische Streifen 40,
welche die Streifen 14 darstellen, und zwischen den Streifen 40 aufwachsen gelassene
Halbleiterbereiche 42, die Teil des Kristall-Wieder-Wachstums
sind, das die Wellenleiterschicht 36 bildet. Wenn die Struktur 10 zurück in die Kristallwachstumsvorrichtung
gegeben wird, nachdem die Streifen 14 bemustert worden
sind, wird die Wellenleiterschicht 36 als ein kompatibles
Halbleitermaterial wiederaufwachsen gelassen, das sich von dem Material
unterscheidet, das die Mantelschicht 32 bildet. Die Mantelschicht 34 wird
dann auf der Wellenleiterschicht 36 aufwachsen gelassen
und besteht aus dem gleichen Material wie die Mantelschicht 32.
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Daher
sind alle der Schichten 32, 34 und 36 für den Kristallwachstumsprozess
kompatibel. Die Streifen 40 können entfernt werden, um die
Luftkanäle 20 auf
die oben besprochene Weise zu definieren.
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6 ist
eine Querschnittsansicht einer weiteren optischen Vorrichtung 46,
die eine untere Mantelschicht 48 umfasst, weiche eine Beugungsgitterschicht 50 aufweist,
welche durch Luftkanäle 52 definiert
ist, die durch Halbleiterbereiche 54 getrennt sind. In
dieser Ausgestaltung ist die Wieder-Wachstumsschicht 16 aus
dem gleichen Material wie die Schicht 12 hergestellt, um
die Mantelschicht 48 zu definieren, und die Beugungsschicht 50 ist
eine eingebettete Beugungsschicht. Anstatt eines Entfernens der
Streifen 14, um die Luftkanäle 52 auszubilden, können die
Streifen 14 belassen werden, um eine andere Art von optischer
Vorrichtung bereitzustellen, wie oben besprochen. Sobald die Schicht 16 wiederaufwachsen
gelassen worden ist, um die Schicht 48 zu definieren, wird
eine Wellenleiterschicht 56 mit einem höheren Brechungsindex als dem
der Mantelschicht 48 auf der Mantelschicht 48 aufwachsen
gelassen, und eine obere Mantelschicht 58 wird auf der Wellenleiterschicht 56 aufwachsen
gelassen. Die Welle, die sich die Wellenleiterschicht 56 hinunter ausbreitet,
weist Moden auf, die in die Mantelschicht 48 eindringen
und die Beugungsschicht 50 zu Zwecken eines optischen Filterns
kontaktieren, wie dem Fachmann ersichtlich sein wird. Jegliche Kombination
von Mantelschicht, Beugungsschicht und Wellenleiterschicht kann
im Umfang der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, und
zwar in Übereinstimmung
mit der obigen Besprechung, wobei kompatible Halbleiterschichten
epitaktisch aufeinander aufwachsen gelassen werden.
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Die 7 bis 10 zeigen
Querschnittsansichten, die Herstellungsschritte einer optischen Halbleiter-Beugungsgitterstruktur 62 zeigen,
die in einer optischen Beu gungsvorrichtung zu verwenden ist, und
zwar gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform wird eine Halbleiterschicht 64 auf
einem kompatiblen Halbleitersubstrat (nicht gezeigt) aufwachsen
gelassen, und eine dielektrische Schicht wird dann auf der Halbleiterschicht 64 abgeschieden
und wird mittels eines geeigneten Bemusterungsprozesses bemustert
und geätzt,
um dielektrische Streifen 66 zu definieren. Die Struktur 62 wird
dann einem Ätzmittel ausgesetzt,
welches das Material der Schicht 64 zwischen den Streifen 66 wegätzt, aber
nicht das dielektrische Material wegätzt, um geätzte Löcher 68 zu definieren.
Die Ätzung
wird gesteuert, um die Tiefe und Form der Löcher 68 zu steuern.
Die dielektrischen Streifen 66 dienen als eine Maske für das selektive epitaktische
Wieder-Wachstum eines Opfer-Halbleitermaterials in den Löchern 68.
Die Struktur 62 wird dann in die Wachstumsvorrichtung zurückgebracht, um
Opfer-Halbleiterbereiche 70 in den Löchern 68 aufwachsen
zu lassen, und zwar bis zu einem Niveau, das mit der oberen Oberfläche der
Schicht 64 gleichauf liegt, wie gezeigt. Das Halbleitermaterial
für die
Bereiche 70 ist ein anderes Material als das der Schicht 64,
so dass die Bereiche 70 selektiv weggeätzt werden können, ist
aber kompatibel mit dem Wachstumsprozess.
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Die
Streifen 66 werden dann mittels eines geeigneten Ätzprozesses
entfernt, der das Halbleitermaterial nicht beeinflusst. Wenn die
Streifen 66 entfernt worden sind, wird die Struktur 62 zurück in die
Wachstumsvorrichtung gegeben, und eine weitere Halbleiterschicht 72 wird
auf den Bereichen 70 und der Schicht 64 aufwachsen
gelassen, um die Bereiche 70 einzuschließen, wie
in 9 gezeigt. Die Opferbereiche 70 können dann
mittels des oben besprochenen Ätzprozesses
entfernt werden, und zwar unter Verwendung der Ätzmittelkanäle 24 und 26,
um eine Struktur wie in 10 gezeigt
bereitzustellen, die Luftkanäle 74 umfasst,
welche eine Beugungsgitterschicht 76 definieren. Die Halbleiterschicht 72 kann
aus dem gleichen Halbleitermaterial hergestellt sein wie die Halbleiterschicht 64 oder
kann aus einem anderen Halbleitermaterial bestehen, so dass die
Struktur 62 in Übereinstimmung
mit der obigen Diskussion eine eingebettete Beugungsschicht oder eine
Grenzflächenbeugungsschicht
zwischen einer Wellenleiterschicht und einer Mantelschicht definieren
kann.
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Mittels
Bereitstellens der Luftkanäle 20 und 74 kann
mittels des Beugungsgitters der größtmögliche Kopplungskoeffizient
erlangt werden, der mit Halbleitermaterialien konsistent ist. Die
Genauigkeit und Steuerung von Höhe
und Form der Gitterzähne werden
gegenüber
herkömmlichen
Herstellungsverfahren deutlich verbessert. Der räumliche Abstand zwischen den
Streifen 14 oder den Kanälen 74 würde von
der bestimmten Wellenlänge,
die gefiltert wird, abhängen.
Die Dicke der Streifen 14 würde davon abhängen, wie
stark der Designingenieur das Licht brechen möchte, und wür de in der Größenordnung von
10–7 m
(1000 Å)
liegen. Halbleitermaterialien, die in den oben diskutierten optischen
Vorrichtungen verwendet werden können,
umfassen InP, InGaAs, GaAs und andere Halbleitermaterialien, wie
es dem Fachmann bekannt sein wird. Eine zweidimensionale Gitterstruktur
für andere
Typen von optischen Vorrichtungen kann ebenfalls mittels des oben
diskutierten Prozesses erzeugt werden.
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Die
vorangehende Diskussion offenbart und beschreibt nur beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann wird leicht aus einer solchen
Diskussion, den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen erkennen,
dass verschieden Änderungen,
Abänderungen,
Modifikationen und Variationen darin durchgeführt werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung, so wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert
ist, abzuweichen.