EP4118486A1 - Photodetector, modulator, semiconductor device and semiconductor apparatus - Google Patents

Photodetector, modulator, semiconductor device and semiconductor apparatus

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Publication number
EP4118486A1
EP4118486A1 EP21709626.2A EP21709626A EP4118486A1 EP 4118486 A1 EP4118486 A1 EP 4118486A1 EP 21709626 A EP21709626 A EP 21709626A EP 4118486 A1 EP4118486 A1 EP 4118486A1
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EP
European Patent Office
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waveguide
active element
segments
active
photodetector
Prior art date
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Pending
Application number
EP21709626.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Daniel SCHALL
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Black Semiconductor GmbH
Original Assignee
Amo GmbH
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Filing date
Publication date
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    • H01L31/112Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor

Definitions

  • Photodetector, modulator, semiconductor device and semiconductor device The invention relates to a photodetector and a modulator.
  • the invention relates to a semiconductor device with a chip and at least one photodetector and / or modulator and a semiconductor device with a wafer and at least one photodetector and / or modulator.
  • Electro-optical devices for example photodetectors or electro-optical modulators, are known from the prior art which have a waveguide or longitudinal section of such a waveguide with several waveguide segments extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another and - in the case of a photodetector - one or - in the case of an electro-optical modulator - two films of graph comprise as active elements.
  • Such are disclosed, for example, in US Pat. No. 9,893,219 B2.
  • the known photodetectors and modulators have in principle been proven. However, there is a need for further, alternatively designed photodetectors and modulators, which can be manufactured with reasonable effort and are characterized by an optimal mode of operation.
  • a photodetector which comprises a longitudinal section of a waveguide comprising two waveguide segments extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another, which are spaced apart from one another in particular in the transverse direction to form a gap extending between them or is formed thereby, and an active element which overlaps the longitudinal section of the waveguide and comprises at least one material or consists of at least one material that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption, the two waveguide segments - elements are in each case in contact on at least one side, in particular on the side facing the active element, at least in sections with a gate electrode preferably comprising silicon or consisting of silicon.
  • a method for producing such a detector comprises, for example, that a waveguide material is applied, preferably deposited, in particular to a wafer or a layer provided on or above a wafer, and a gate electrode material, preferably silicon, is applied, in particular deposited, and a structuring takes place in order to obtain the two waveguide segments with the gap between them and the gate electrodes, and the active element is provided.
  • a pn junction can be implemented in the active element during operation by means of the gate electrodes. By arranging the pn junction in the optical mode Be rich, an optimal overlap between the absorbing material and the active area of the photodetector is achieved.
  • the gate electrodes each on their underside with the top side of a waveguide segment and with their top side with the bottom side of a dielectric layer provided between the active element and the waveguide segments, which expediently comprises at least one dielectric material or at least a dielectric material, are in contact.
  • Silicon dioxide (S1O2) and aluminum oxide (AL2O3), for example, have proven to be suitable materials.
  • dielectric material the term dielectric is also used.
  • the dielectric layer can also be referred to as a gate dielectric.
  • the active element can be or will be arranged on the top side of the dielectric layer. It can have been or will be produced on it.
  • the dielectric layer can have a roughness in the range from 1.0 nm RMS to 0.1 nm RMS, in particular 0.6 nm RMS to 0.1 nm RMS, preferably 0.4 nm RMS to 0, on its upper side , 1 nm RMS.
  • the abbreviation RMS stands for root mean squared.
  • the RMS roughness is also referred to as square roughness in German.
  • a top side with a roughness in this area has proven to be particularly suitable in particular in the case that the active element is provided on the top side of the dielectric layer, in particular is produced thereon.
  • the thickness of the dielectric layer can be, for example, in the range from 10 to 20 nm.
  • the gate electrodes preferably comprise or consist of a material that is transparent and / or electrically conductive for electromagnetic radiation of at least one wavelength, preferably at least one wavelength range.
  • the gate electrodes further preferably comprise at least one material that is transparent to electromagnetic radiation with a wavelength of 850 nm and / or 1310 nm and / or 1550 nm or consists of such a material. It is particularly preferred for electromagnetic radiation in the wavelength range from 800 nm to 900 nm and / or from 1260 nm to 1360 nm (so-called original tape or O-band for short) and / or 1360 nm to 1460 nm (so-called extend band or short E-band) and / or 1460 nm to 1530 nm (so-called short band or short S-band) and / or from 1530 nm to 1565 nm (so-called conventional band or short C-band) and / or 1565 nm to 1625 nm (so-called long band or L-band for short) transparent.
  • These tapes are already known from the field of communications engineering.
  • this preferably applies to the gate electrode material that is used in the context of the production method.
  • Sili has proven to be a particularly suitable material for the gate electrodes. It can be polysilicon. Indium tin oxide (ITO) can also be used. The material or the materials from which the gate electrodes consist or are produced can also be doped.
  • ITO Indium tin oxide
  • the respective gate electrode can, for example, be on the side of the respective waveguide segment of the world facing the active element
  • a layer provided in the longitudinal section of the waveguide may be, particularly preferably a layer which is or has been produced on the respective waveguide segment.
  • the gate electrodes are deposited by deposition, in particular chemical vapor deposition (CVD), preferably low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and / or plasma-assisted chemical vapor deposition dung (English: plasma enhanced chemical vapor deposition, short: PECVD), and / or by physical vapor deposition (English: physical vapor deposition, short: PVD) of a coating material have been or are being produced.
  • CVD chemical vapor deposition
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • a purely exemplary example is electron beam evaporation, in which material is melted and vaporized by means of an electron beam, as well as thermal evaporation, in which material is heated to the melting point by means of a heater and evaporated onto a target substrate, and cathode sputtering.
  • ter deposition in which atoms are knocked out of a material carrier by means of a plasma and deposited on a target substrate.
  • atomic layer deposition ALD for short
  • insulating or conductive materials are sequentially deposited atomic layer by atomic layer.
  • a transfer procedure can also be used or may have been used.
  • each of the two gate electrodes is assigned a connecting element that is in contact therewith, and one of the connecting elements preferably extends through one of the waveguide segments.
  • a suitable structuring process can follow or have followed the deposition, which can include lithography and / or etching, for example.
  • the connecting elements are preferably vertical electrical connections, which are also referred to in English as Vertical Interconnect Access, or via or VIA for short.
  • VIAs are generally defined by lithography and, in particular, are dry chemically etched using reactive ion etching (RIE for short). Thereafter, metallization is preferred and the metallized surface is structured by means of CMP (Damascene process) or by means of lithography and RIE.
  • Reactive ion etching is a dry etching process in which, as a rule, specific gaseous chemicals that are excited to form a plasma enable selective and directional etching of a substrate surface.
  • a lacquer mask can protect parts that are not to be etched.
  • the etching chemistry and the parameters of the process usually determine the selectivity of the process, i.e. the etching rates of different materials. This property is crucial in order to limit the depth of an etching process and thus to define layers separately from one another.
  • the connecting elements expediently comprise or consist of at least one electrically conductive material, in particular metal, such as copper and / or aluminum and / or tungsten.
  • the active element overlaps the two waveguide segments and the gap between them at least in sections, in particular in the transverse direction.
  • the transverse direction is expediently to be understood as the direction oriented orthogonally to the longitudinal direction of the longitudinal section of the waveguide.
  • a photodetector which comprises a longitudinal section of a waveguide and an active element which comprises at least one material or consists of at least one material which absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and as a result of the absorption a Generated electrical photo signal, two support elements on opposite sides of the longitudinal section of the waveguide to form two gaps of this are arranged spaced apart, the two gaps are free of material, and the active element the longitudinal section of the waveguide and the two gaps and overlaps at least sections of the two support elements, in particular in the transverse direction.
  • the two support elements are preferably arranged at a distance from the longitudinal section in the transverse direction.
  • a method according to the invention for producing such a detector comprises, for example, that a waveguide material is applied, preferably deposited, in particular to a wafer or a layer provided on or above a wafer, and structuring is carried out in order to create the two gaps and the longitudinal section of the waveguide and the To obtain support elements, and the active element above the longitudinal section of the waveguide and the support elements is provided.
  • gaps that are free of material are given in particular by areas from which material was removed by an etching process and no new material was subsequently provided, for example deposited. They can be filled with air or another gas, or they can be under vacuum. However, there is no solid material in them.
  • a vacuum is preferably to be understood as a space evacuated, for example, by pumping out.
  • the active element rests on the top side of the longitudinal section of the waveguide facing it and / or on the top sides of the support elements facing it.
  • the support elements can consist of the same material as the longitudinal section of the waveguide, this being understood as an example.
  • T1O2 and / or Si have proven to be suitable materials for the support elements. All other materials that are suitable for waveguides can also be used.
  • the active element comprises at least one material or consists of at least one material that can absorb electromagnetic radiation with a wavelength of 850 nm and / or 1310 nm and / or 1550 nm and generate a photo signal as a result of the absorption.
  • electromagnetic radiation in the wavelength range from 800 nm to 900 nm and / or from 1260 nm to 1360 nm (so-called original tape or O-band for short) and / or 1360 nm to 1460 nm (so-called extended band or short E-band) and / or 1460 nm to 1530 nm (so-called short band or short S-band) and / or from 1530 nm to 1565 nm (so-called conventional band or C-band for short) and / or 1565 nm to 1625 nm (so-called long band or L-band for short) and can generate a photo signal as a result of the absorption.
  • the at least one material of the active element that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption is graphene and / or at least one dichalcogenide, in particular two-dimensional Transition metal dichalcogenide and / or heterostructures made from two-dimensional materials and / or germanium and / or at least one electro-optical polymer and / or silicon and / or at least one compound semiconductor, in particular at least one III-V semiconductor and / or at least one II-VI semiconductor is.
  • a photodetector can be used to convert signals back from the optical to the electronic world.
  • an in particular electro-optical modulator which comprises a longitudinal section of a waveguide which comprises or is formed by four waveguide segments extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another, and two active elements, comprise at least one material or consist of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, or comprises such an active element and an electrode, wherein a lower one of the waveguide segments is arranged between the two active elements or between the active element and the electrode, a middle one of the waveguide segments above the two active elements or above of the active element and the electrode is arranged, and the two remaining, upper waveguide segments are arranged above the middle waveguide tersegmentes, the two upper waveguide segments are preferably spaced apart in the transverse direction to form a gap extending between them, includes.
  • a sandwich-like structure which - from bottom to top - an active element or the electrode, then the lower waveguide segment of the longitudinal section of the waveguide, then the second active element or the electrode, then the middle waveguide segment of the longitudinal section of the waveguide and then comprises the two upper segments of the longitudinal section of the waveguide.
  • a method according to the invention for producing such a modulator comprises, for example, that an active element or an electrode is provided in particular on a wafer or on a layer provided on or above a wafer, and a waveguide material is applied, preferably deposited, around the lower waveguide segment and the further active element or an electrode is provided above the lower waveguide segment, and a waveguide material is applied, preferably deposited, in order to obtain the middle waveguide segment, and a waveguide material is applied, preferably deposited, and a subsequent structuring takes place, to get the two upper waveguide segments and the gap between them.
  • That an element or segment or a layer is arranged above or below another element or segment or another layer includes both that it is located directly on or directly below the other element or segment or also the other layer, and with this or this, for example with the top or bottom of the other element or segment or the other layer in There is contact, i.e. touching it, or that at least one further element or segment or at least one further layer (above or below) lies in between. This applies to the photodetectors and modulators according to all aspects of the invention.
  • an in particular electro-optical modulator comprising a longitudinal section of a waveguide which comprises or is formed by four waveguide segments extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another, and two active elements, the least comprise a material or consist of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, or such an active element and an electrode, with two lower ones of the waveguide segments below the active elements or arranged below the active element and the electrode and preferably spaced apart from one another in the transverse direction with the formation of a gap extending between them, and a first middle of the waveguide segments between the two active elements or between the active element and the electr or is arranged, and a second central waveguide segment is arranged above the two active elements or above the active element and the electrode, and an upper waveguide segment is arranged above the second central waveguide segment.
  • the upper waveguide segment preferably has an extension in the transverse direction which corresponds to the extension of the further waveguide segments Transverse direction falls below. It may be that the extension of the two lower and the two middle segments in the transverse direction is a multiple of the extension of the upper segment in this direction.
  • a method for producing such a modulator comprises, for example, that a waveguide material is applied, preferably deposited, in particular to a wafer or on a layer provided on or above a wafer, and structuring takes place in order to obtain the two lower waveguide segments and the gap between them and above this an active element or an electrode is provided, and a waveguide material is applied, preferably deposited, in order to obtain the first central waveguide segment, and the further active element or an electrode is provided above the first central waveguide segment, and a waveguide material applied, is preferably deposited in order to obtain the second middle Wel lenleitersegment, and applied a waveguide material, is preferably deposited and preferably a subsequent structuring is carried out to the upper waveguide segment z u received.
  • an in particular electro-optical modulator comprising a longitudinal section of a waveguide which comprises or is formed by six waveguide segments extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another, and two active elements, the least comprise a material or consist of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, or such an active element and an electrode, two lower ones of the waveguide segments below the active elements or arranged beneath the active element and the electrode and preferably in the transverse direction to form a itself between them extending gap are spaced apart, and a first central waveguide segments between the two active elements or between the active element and the electrode is angeord net, and a second central waveguide segment is arranged above the two active elements or above the active element and the electrode is, and the two remaining, upper waveguide segments are arranged above the second central waveguide segment, where the two upper waveguide segments are preferably spaced apart in the transverse direction with the formation
  • a method according to the invention for producing such a modulator comprises, for example, that a waveguide material is applied, preferably deposited, in particular to a wafer or on a layer provided on or above a wafer, and structuring takes place in order to obtain the two lower waveguide segments and the gap between them and above this an active element or an electrode is provided, and a waveguide material is applied, preferably deposited, in order to obtain the first central waveguide segment, and the further active element or an electrode is provided above the first central waveguide segment, and a waveguide material applied, is preferably deposited in order to obtain the second middle waveguide segment, and a waveguide material is applied, is preferably deposited and a subsequent structuring takes place around the two upper waveguide segments and to keep the gap in between.
  • An electro-optical modulator can be used in particular for optical signal coding.
  • An electro-optical modulator can also be designed as a ring modulator.
  • the two active elements are or will be arranged at a distance from one another and offset from one another in such a way that they lie on top of one another in sections in an overlapping area.
  • a modulator comprises only one active element and one (conventional) electrode, it can analogously apply in a preferred embodiment that the active element and the electrode are or will be spaced apart from one another and offset from one another in such a way that they are partially above one another in an overlapping area lie.
  • a section of the one active element then aligns or overlaps with a section of the other active element or the electrode, expediently without these touching one another.
  • the two active elements or the active element and the electrode or at least sections of these extend at least substantially parallel to one another.
  • the overlap area is particularly preferably above or below the gap or is provided there. He especially curses with this one.
  • the optical mode can then be guided in the slot between the two waveguide segments with a high electric field strength (slot mode). At the edge areas above and below the slot, part of the optical mode is located outside the slot. In these areas, the optical mode can interact particularly efficiently with an active optical material.
  • the overlap area is above one and below the other gap. is seen.
  • the two gaps and the overlap area or a section of this can be aligned, which has proven to be particularly suitable. Due to the two superposed gaps, a particularly high proportion of the optical mode is located in the area between the gaps, in particular in comparison to an arrangement with only one gap, which enables a particularly efficient interaction with an electro-optical material.
  • exactly one gap formed between two spaced-apart waveguide segments is or will be provided above the two active elements or above the active element and the electrode.
  • exactly one gap formed between two spaced-apart waveguide segments can be provided below the two active elements or below the active element and the electrode.
  • the extent of the overlap area in the transverse direction corresponds in a further particularly advantageous embodiment in the range from 0.8 to 1.8 times, preferably 1.0 to 1.5 times the extent of the or at least one of the gaps in the transverse direction.
  • a material changes its refractive index is to be understood in particular to mean that it changes its dispersion (in particular refractive index) and / or its absorption.
  • the dispersion or refractive index is usually given by the real part and the absorption by the imaginary part of the complex refractive index.
  • Materials whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge (s) and / or an electric field are to be understood in the present case in particular as those that result from the Pockels effect and / or the Franz-Keldysh -Effect and / or the Kerr effect.
  • Materials that are characterized by the plasma dispersion effect are also considered as such materials in the present case.
  • the at least one material is at least one of the active elements whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, graphene, optionally chemically modified graphene and / or at least one dichalcogenide, in particular two-dimensional transition metal dichalcogenide, and / or heterostructures made of two-dimensional materials and / or germanium and / or lithium niobate and / or at least one electro-optical polymer and / or Silicon and / or at least one compound semiconductor, in particular at least one III-V semiconductor and / or at least one II-VI semiconductor, is.
  • Graphene has proven to be a particularly suitable material for the active element or elements for all five aspects of the invention.
  • Electro-optical polymers are to be understood in particular as polymers which are distinguished by the fact that they have a strong linear electro-optical coefficient (Pockels effect).
  • a strong linear electro-optical coefficient is preferably to be understood as one which is at least 150 pm / V, preferably at least 250 pm / V. Then the electro-optical coefficient is at least about five times that of lithium niobath.
  • transition metal dichalcogenides in particular have proven to be particularly suitable as two-dimensional materials, such as MoS2 or WSe2.
  • lithium niobate and electro-optical polymers are based on the electro-optical, in particular the Pockels effect, ie the E field changes the refractive index (such as, for example, the Pockels effect is used in the Pockels cell).
  • germanium it is the Franz Keldysh effect, ie the field shifts the valence and conduction band edges against each other, so that the optical properties change.
  • charge carriers In the case of silicon or graphene, it is the charge carrier-based plasma dispersion effect, i.e. charge carriers (electrons or holes) are brought into the range of the optical mode (either there is a capacitor in the arrangement, which is charged, or a diode with a barrier layer, which depletes and is enriched).
  • the refractive index (real part of the index) and the absorption (imaginary part of the index, leads to free carrier absorption) change with the charge carrier concentration.
  • III-V semiconductors or, in a manner known per se, are compound semiconductors that consist of elements from main group III and V best.
  • II-VI semiconductors or, in a manner known per se, are compound semiconductors which consist of elements of main group II or group 12 elements and elements of main group VI.
  • the active element or the active elements comprise at least one electro-optically active material or, in other words, consist of at least one electro-optically active material.
  • the or at least one of the active elements is present or is provided in the form of a film.
  • a film is preferably characterized in a manner known per se by a significantly greater lateral extent than its thickness.
  • the at least one active element can also be characterized by a square or rectangular cross section.
  • the or at least one active element can further comprise one or more layers or layers made of at least one material whose refractive index changes and / or which absorbs, or can be formed from one or more layers or layers of at least one such material.
  • the or at least one active element is designed as a film which comprises a plurality of layers or layers made of one or also different materials. Films made of graphene, possibly chemically modified graphene, or dichalcogenide-graphene heterostructures consisting of at least one layer of graphene and at least one layer of a dichalcogenide or arrangements of at least one layer of boron tride and at least one layer of graphene have proven to be particularly suitable proven.
  • Active elements can, for example, also comprise or be given by one or more silicon layers. In this case, in particular, it can be provided that one or more active elements or sections thereof form a waveguide (section).
  • the active element or elements can furthermore be doped or have doped sections or regions, for example p-doped and / or n-doped or comprise corresponding sections or regions. It can also be that a p-doped and an n-doped region and an undoped region preferably lying in between are present or are provided. This is also known as the pin junction, where the i stands for intrinsic, i.e. undoped. In the context of the production of the respective active element or elements, the same methods can be used or have been used that were explained above in connection with the gate electrodes.
  • a transfer method for graphene is, for example, from the articles “Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils” by Li et al., Science 324, 1312, (2009) and “ Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes ”by Bae et al, Nature Nanotech 5, 574-578 (2010) or for LiNbO from the article“ Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS- compatible voltages ”, Nature volume 562, pages 101104 (2018) or, inter alia, for GaAs from the article“ Transfer print techniques for heterogeneous integration of photonic components ”, Progress in Quantum Electronics Volume 52, March 2017, Pages 1-17.
  • One of these methods can also be used within the scope of the present invention in order to obtain one or more graphene or LiNbO or GaAs layers / films.
  • a transfer method can be followed by structuring.
  • a passivation layer and / or a cladding can also be provided above, possibly on at least one of the active elements.
  • a cladding is particularly suitable or designed to make the index contrast somewhat lower, so that roughness on the side walls does not have such a pronounced effect; Usually the losses in the waveguide (s) are reduced.
  • a passivation layer preferably serves the purpose of protecting the arrangement or circuit from environmental influences, in particular water.
  • a passivation layer can consist of a dielectric material, for example.
  • Aluminum oxide (AL2O3) and silicon dioxide (S1O2) have proven to be particularly suitable.
  • An upper, final passivation layer expediently has openings or interruptions to the underlying contacts in order to enable an electrical connection. Openings or interruptions in a passivation layer can be or have been obtained, for example, by lithography and / or etching, in particular reactive ion etching.
  • the or the respective active element can be connected to a contact or contact element on one side or on opposite sides.
  • the contacts or contact elements can be in contact with connecting elements, in particular VIAs.
  • connecting elements in particular VIAs.
  • a connection to one or more integrated electronic components from the front-end-of-line of a chip or wafer can be achieved via the connecting elements. To be connected is to be understood in an expedient manner in an electrically conductive manner.
  • a detector with only one active element it can be provided that it is in contact with two contacts or contact elements, preferably on opposite sides, and in the case of a modulator with two active elements or one active Element and an electrode, it is true that these are each in contact with a contact or contact element. This is preferably done at those end regions or ends which are turned away from the region in that they lie one above the other or overlap in sections.
  • the or at least one of the active elements is or is expediently arranged relative to the longitudinal section of the waveguide in such a way that it is at least partially exposed to the evanescent field of electromagnetic radiation which is guided by this.
  • at least one active element is or will be arranged at a distance of less than or equal to 50 nm, particularly preferably less than or equal to 30 nm, from the longitudinal section of the waveguide, for example at a distance of 10 nm.
  • the or at least one of the active elements is also preferably characterized by an extension in the longitudinal direction in the range from 5 to 500 micrometers. It can also be that the or at least one of the active elements extends at least in sections on and / or within the longitudinal section of the waveguide, in the latter case for example between two segments of the waveguide.
  • the or at least one of the active elements is arranged on or above the waveguide in a region of the longitudinal section of the waveguide which is at least essentially trapezoidal when viewed in cross section and preferably follows the trapezoidal shape.
  • the or at least one of the active elements is arranged in an at least substantially trapezoidal area of a planarization layer, viewed in cross section, on or above the planarization layer and preferably follows the trapezoidal shape.
  • part of the electromagnetic radiation, especially light is guided evanescent outside the waveguide.
  • the interface of the waveguide is dielectric and accordingly the intensity distribution is described by the boundary conditions according to Maxwell with an exponential decrease.
  • an electro-optically active material for example graphene
  • photons can interact with the material, in particular graphene.
  • there is the bolometric effect according to which the resistance of the graph increases due to the absorbed energy and an applied DC current is reduced. The change in DC current is then the photo signal.
  • Another effect is the photoconductivity.
  • thermoelectric effect according to which a pn junction and a temperature gradient at this junction result in a thermal voltage for the p and n areas due to different lake basin coefficients. The temperature gradient is created by the energy of the absorbed optical signal. This thermal voltage is then the signal.
  • the fourth effect is given by the fact that the excited electron-hole pairs are separated at a pn junction. The resulting photocurrent is the signal.
  • an electrical control electrode and an active element which is expediently insulated for this purpose with or made of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage or charges or an electric field, in particular made of graphene be provided or the electrode be made of a corresponding material, in particular graphene, so that two active elements are then jointly in the evacuating field during operation and perform the electro-optical function.
  • Graphene for example, can change its optical properties through a control voltage.
  • a capacitance is created and the graphs in the films influence one another.
  • the capacitance consisting of the two active elements forming the graphene electrodes is charged by a voltage and the electrons occupy states in the graph. This results in a shift of the Fermi energy (energy of the last occupied state in the crystal) to higher energies (or due to symmetry to lower ones). If the Fermi energy reaches half the energy of the photons, these can no longer be absorbed because the free states required for the absorption process are already occupied at the correct energy are. In this state, the graph is consequently transparent because absorption is prohibited. By changing the voltage, the graph is switched back and forth between absorbing and transparent. A continuously luminous laser beam is modulated in its intensity and can thus be used to transmit information. The real part of the refractive index also changes with the control voltage.
  • phase position of a laser can be modulated via the changing refractive index and thus phase modulation can be achieved.
  • the phase modulation is preferably operated in a range in which all states are occupied up to more than half the photon energy, so that the graph is transparent and the real part of the refractive index shifts significantly and the change in absorption plays a subordinate role.
  • a waveguide and a longitudinal section of such is to be understood in particular as an element or a component that guides an electromagnetic wave, such as light.
  • a wavelength-dependent cross-section of an optically transparent material that is distinguished by a refraction index from an adjacent material that is also transparent for this wavelength is expediently provided. If the refractive index of the surrounding material is lower, the light is guided in the range of the higher refractive index.
  • two regions with a high refractive index are separated from a region with a narrow refractive index with respect to the wavelength, and the light is guided in the region of the low refractive index.
  • a low side wall roughness is advantageous.
  • one or more waveguides will be provided, for example on a chip or a wafer.
  • Part of a photodetector or modulator according to the invention will generally only be a longitudinal section of such, expediently a longitudinal section which extends below an active element of the latter.
  • a waveguide is regarded as a component of a photodetector or modulator according to the invention over its entire longitudinal extent.
  • such a waveguide can also include the rest of the waveguide in addition to the longitudinal section of a waveguide that extends in particular below an active element.
  • the thickness is preferably in the range from 150 nanometers to 10 micrometers.
  • the width and length of the waveguide can move in particular in the range of 100 nanometers and 10 micrometers.
  • a waveguide can be designed, for example, as a strip waveguide, which is characterized, for example, by a rectangular or square cross section, which then also applies to a longitudinal section of such a surface.
  • a waveguide can alternatively or additionally also be designed as a ribbed waveguide with a T-shaped cross section.
  • a waveguide is provided by a slotted waveguide.
  • a waveguide or longitudinal section of such a cross-section can include several sections or segments and be multi-part forms, such as a first, for example lower or left, and a second, for example upper or right segment or comprise them exist. It may be that one or more waveguide segments are characterized by a rectangular or square cross section. It is also possible that one or more segments of a waveguide are characterized at least in sections by a tapering cross section and / or at least in sections by a widening cross section.
  • a waveguide has or consists of two or more segments, these can lie against one another or merge into one another or also be spaced apart from one another - for example with the formation of at least one gap or slot.
  • the longitudinal section of the waveguide comprises - both in the case of the aforementioned photodetectors according to the first and second aspect and the aforementioned modulators according to the third, fourth and fifth aspect of the invention - in a particularly expedient embodiment at least one material that is suitable for electromagnetic radiation of one wavelength of 850 nm and / or 1310 nm and / or 1550 nm is transparent or consists of such.
  • electromagnetic radiation in the wavelength range from 800 nm to 900 nm and / or from 1260 nm to 1360 nm (so-called original tape or O-band for short) and / or 1360 nm to 1460 nm (so-called extend band or E for short -Band) and / or 1460 nm to 1530 nm (so-called short band or S-band for short) and / or from 1530 nm to 1565 nm (so-called conventional band or C-band for short) and / or 1565 nm to 1625 nm ( so-called long band or short L-band) transparent.
  • These tapes are already known from the field of communications engineering.
  • the following materials have proven to be particularly suitable for the longitudinal section of the waveguide: titanium dioxide and / or aluminum nium nitride and / or tantalum pentoxide and / or silicon nitride and / or aluminum oxide and / or silicon oxynitride and / or lithium niobate and / or silicon, in particular polysilicon, and / or indium phosphite and / or gallium arsenide and / or indium gallium arsenide and / or aluminum gallium arsenide and / or at least one dichalcogenide, in particular two-dimensional transition metal dichalcogenide, and / or chalcogenide glass and / or heterostructures made of two-dimensional materials and / or resins or resin-containing materials, in particular SU8, and / or polymers or polymers containing materials, in particular OrmoClad and / or OrmoCore.
  • the longitudinal section of the waveguide can comprise one or more of these materials or also consist of one of these materials or a combination of two or more of these materials. This can only apply to one or more, possibly all, waveguide segments. If the longitudinal section of the waveguide has a plurality of waveguide segments, these can all comprise the same material or materials or consist of the same material or materials. But it is of course also possible that two or more segments differ in terms of their material or their materials. It can be, for example, that at least one waveguide segment is characterized by a refractive index which is greater than the refractive index of at least one further waveguide segment. For example, in the event that several waveguide segments are sandwiched or stacked on top of one another, the outer segments can have a lower refractive index.
  • the light is focused in the center of the waveguide arrangement.
  • an upper and a lower segment made of aluminum oxide with a middle segment made of titanium oxide located between them are mentioned.
  • a higher refractive index than the remaining segments has proven to be advantageous, since the light is then bundled in the area of the active elements.
  • segments of a waveguide can also be advantageous for the reason that they are characterized by different etching rates. This can offer advantages in terms of manufacture, for example for necessary structuring.
  • the production of the longitudinal section of the waveguide can include or have included that a waveguide material is or has been applied, in particular deposited or spun on or transferred, and then preferably structuring of the applied waveguide material, in particular by means of lithography and / or reactive ion etching (RIE) will or was.
  • RIE reactive ion etching
  • the waveguide or longitudinal section of this can be formed in one or more parts. It can - particularly viewed in cross section - be formed from several waveguide segments or comprise several waveguide segments. These can both be spaced apart from one another and also lie directly against one another and be in contact with one another, for example because a segment was produced directly on another segment, for example by applying, for example, depositing material.
  • the longitudinal section of the waveguide furthermore preferably consists of at least one material whose refractive index differs from the refractive index a surrounding material distinguishes it or it comprises at least one such.
  • the waveguide or waveguide longitudinal section is one that comprises two or more segments, of which at least two are spaced apart to form a gap
  • the gap is filled with at least one dielectric material whose refractive index is smaller than the refractive index of the material of the waveguide segments defining the gap.
  • a planarization layer can surround the longitudinal section of the waveguide on one or more sides.
  • refractive indices in such a case, 3.4 (Si) for the longitudinal waveguide section and 1.5 (Si02) for the planarization layer or, in the case of dielectrics, 2.4 (Ti02) for the longitudinal waveguide section and 1.5 (Si02) for the planarization layer or 2 (SiN) for the longitudinal waveguide section and for the 1.47 planarization layer.
  • the refractive index of the longitudinal section of the waveguide is at least 20%, preferably at least 30% greater than the refractive index of the surrounding material.
  • the longitudinal section of the waveguide can furthermore be arranged on or above a planarization layer.
  • the planarization layer is then preferably characterized on the side on which the longitudinal section of the waveguide is arranged on it, at least in sections, by a roughness in the range from 1.0 nm RMS to 0.1 nm RMS, in particular 0.6 nm RMS to 0, 1 nm RMS, preferably 0.4 nm RMS to 0.1 nm RMS.
  • the abbreviation nm stands for nanometer (10 9 m) here and in the following in a well-known way.
  • the longitudinal section of the waveguide can be embedded at least in sections in a planarization layer, and the active element or - in the case of the modulator with two such - one of the active elements is arranged on the planarization layer.
  • the planarization layer on the side on which the active element is arranged on it is at least partially due to a roughness in the range from 1.0 nm RMS to 0.1 nm RMS, in particular 0.6 nm RMS 0.1 nm RMS, preferably 0.4 nm RMS to 0.1 nm RMS.
  • the longitudinal section of the waveguide is both arranged on the upper side of a planarization layer and embedded in a planarization layer, two planarization layers are present.
  • chemical mechanical polishing and / or resist planarization can, for example, be or have been carried out.
  • an object to be polished is usually polished by a rotating movement between grinding pads.
  • the polishing is done chemically on the one hand and physically using a grinding paste on the other.
  • smooth surfaces can be obtained on a sub-nm scale.
  • the resist planarization includes, in particular, a one-time or repeated spin-on-glass spin-on and subsequent etching, preferably reactive ion etching (RIE for short). Intended to a surface, such as a Si0 2 surface, which has height differences, are planarized, this can be done by spin-on glass and etching.
  • the spin-on-glass layer partially compensates for the height differences, ie valleys in the topology have a higher layer thickness after the spin-on-glass coating than neighboring elevations.
  • the etching rate of spin-on-glass and, for example, S1O 2 is similar or the same in an adapted RIE process.
  • the pressure, the gas flow, the composition of the gas mixture and the power are selected accordingly. If the entire spin-on-glass layer is etched by RIE after the spin-on-glass coating, the height difference has been reduced due to the planarizing effect of the spin-on-glass layer. Repetition can further reduce the height difference.
  • the consumed SiO 2 layer thickness must be taken into account when applying the S1O 2 layer so that the desired S1O 2 layer thickness is achieved after the last etching step. It should be emphasized that the resist planarization is not limited to S1O 2 , but can also be used for other materials.
  • an etching rate of the material can be achieved which is similar to that of spin-on glass or at least essentially corresponds to it. This condition is met for S1O 2 and spin-on-glass. It should be noted that, for example, materials whose etching rate differs from that of spin-on-glass by a factor of 2 are also possible, in which case several passes are usually necessary.
  • Applied as a liquid material in particular spun on who can, for example, hydrogen silsesquioxane and / or a polymer. This vitrifies when it is subsequently baked out, which is why it is also known as spin-on glass.
  • Hydrogen silsesquioxane (English: hydrogen silsesquioxane, HSQ for short) is a class of inorganic compounds with the formula [HSi03 / 2] n.
  • the chemical-mechanical polishing and / or the resist planarization can in particular be carried out or have been carried out in such a way that a roughness in the range from 1.0 nm RMS to 0.1 nm RMS, in particular 0.6 nm RMS to 0.1 nm RMS, preferably 0.4 nm RMS to 0.1 nm RMS is or has been obtained.
  • the dielectric layer which in the photodetector according to the first aspect of the invention can be provided in particular between the gate electrodes and the active element, is characterized on its upper side by a roughness in the aforementioned range , this can be achieved or can have been achieved in the same way, for example by CMP and / or resist planarization.
  • the atomic force microscopy can be used as a measuring method for determining the roughness, in particular as described in the EN ISO 25178 standard.
  • Atomic force microscopy is mainly discussed in Part 6 (EN ISO 25178-6: 2010-01) of this standard, which deals with measuring methods for determining roughness.
  • planarization layer and / or any further planarization layer which may be present include one or more cover layers, which are preferably on a planarization treatment Treatment subjected surface are or are provided and which can be, for example, dichalcogenide layers or dichalcogenide heterostructures or also boron nitride layers. These materials are preferably deposited or transferred without the need for further chemical-mechanical polishing or further resist planarization, although it is not excluded that this is done again.
  • the respective planarization layer or layers is obtained by deposition or is a layer obtained by deposition.
  • the same methods can be used or have come to be used for the planarization layer that were mentioned above in connection with the gate electrodes (for example CVD, PVD, atomic layer deposition, transfer). This and the following explained for the planarization layer can also apply to the dielectric layer which may be present.
  • a layer can only comprise one or more layers. It can consist of just one material or several materials. For example, a layer can have two or more layers made of two or more different materials. It can of course also be the case that a layer has several layers, which, however, all consist of the same material.
  • a layer with more than one layer can in particular be obtained or present because several layers, for example several atomic layers, are provided for their production, for example are or have been deposited.
  • the or the respective planarization layer can furthermore comprise spin-on-glass and / or at least one polymer and / or at least one oxide, in particular silicon dioxide, and / or at least one nitride exist.
  • Spin-on-Glass is usually a liquid substance with which wafers can be coated by spin coating. After spinning, a layer results on the wafer, the thickness of which depends on the surface topology. In this way, depressions are partially evened out and the spin-on-glass coating has a planarizing effect.
  • Spin-on-Glass is usually heated after it has been applied and thus becomes a glass-like layer.
  • a modulator in particular, it can furthermore be provided that it comprises a diode or capacitance.
  • it can be an integrated III-V semiconductor modulator, as described in the article "Heterogeneously integrated III-V / Si MOS capacitor Mach-Zehnder modulator” by Hiaki, Nature Photonics volume 11, pages 482-485 (2017 ) is described.
  • a diode can, for example, comprise a plurality of layers of different compositions of, for example, InGaAsP, in particular in order to generate a pn junction and two contact areas.
  • the invention also relates to a semiconductor device comprising a chip and at least one, preferably a plurality of photodetectors and / or modulators according to the present invention, the photodetector or photodetectors and / or modulators preferably on the chip or on one on the chip or above the chip arranged layer are arranged.
  • the invention relates to a semiconductor device comprising a wafer and at least one, preferably a plurality of photodetectors and / or modulators according to the present invention, wherein the photodetector or photodetectors Death detectors and / or modulators are preferably arranged on the wafer or on a layer arranged on the wafer or above the wafer.
  • the photodetector or photodetectors and / or modulators can, for example, be part of a photonic platform produced on the chip or wafer or bonded to the chip or wafer.
  • Bonded is to be understood in particular as meaning that the photodetector or photodetectors and / or modulators are or were not produced on or above the chip or wafer but rather separately from it and after their production - possibly also as part of a larger unit - are or have been connected to the chip or wafer, for example using a suitable intermediate layer.
  • a chip or wafer is viewed in cross section, its vertical structure can be divided into different sub-areas.
  • the lowest part is the front-end-of-line or FEOL for short, which usually comprises one or more integrated electronic components.
  • the integrated electronic component (s) can be, for example, transistors and / or capacitors and / or resistors.
  • the back-end-of-line, or BEOL for short, in which there are usually various metal levels by means of which the integrated electronic components of the FEOL are interconnected.
  • a wafer comprises a plurality of areas which, following the dicing / comminuting / dicing, each form a chip or die. These areas are also referred to here as chip or die areas.
  • Each chip area of the wafer preferably comprises a section or partial area of the in particular one-piece semiconductor substrate of the wafer. Preferred furthermore, each chip area has one or more integrated electronic components that extend in and / or on the corresponding area of the semiconductor substrate - viewed in cross section, in particular in the FEOL. It should be emphasized that the chip areas do not represent individual chips, that is to say that the wafer does not include any individual chips.
  • FIG. 1 shows a partial section through a semiconductor device with an exemplary embodiment of a photodetector according to the first aspect of the invention
  • FIG. 2 shows a plan view of the photodetector from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a partial section through a semiconductor device with a further exemplary embodiment of a photodetector according to the first aspect of the invention
  • FIG. 4 shows a partial section through a semiconductor device with an exemplary embodiment of a photodetector according to the second aspect of the invention
  • FIG. 5 shows a partial section through a semiconductor device with an exemplary embodiment of an electro-optical modulator according to the third aspect of the invention
  • FIG. 6 shows a partial section through a semiconductor device with an exemplary embodiment of an electro-optical modulator according to the fourth aspect of the invention
  • FIG. 7 shows a partial section through a semiconductor device with an exemplary embodiment of an electro-optical modulator according to the fifth aspect of the invention.
  • FIG. 8 shows the steps of the method for producing the device according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a partial section through an exemplary embodiment of a semiconductor device according to the invention.
  • the wafer 1 in the present case comprises a one-piece silicon substrate 4 and a plurality of integrated electronic components 5 which, in the example shown, extend in the semiconductor substrate 4.
  • the integrated electronic components 5, which can in particular be transistors and / or resistors and / or capacitors, are indicated in the schematic FIG. 1 only in a simplified manner by a line with hatching provided with the reference number 5. At a corresponding point in the substrate 4 there is a large number of integrated electronic components 5 in a well-known manner.
  • the wafer 1 has a front-end-of-line (short FEOL) 6, in which the plurality of integrated electronic components 5 are arranged and a back-end-of-line (short BEOL) 7, in which or via which the integrated electronic components 5 of the front-end-of-lines 6 are interconnected by means of various metal levels.
  • the integrated electronic components 5 in the FEOL 6 and the associated interconnection in the BEOL 7 form integrated circuits of the wafer 1 in a well-known manner.
  • a FEOL 6 is sometimes also referred to as a transistor front end and a BEOL 7 as a metal back end.
  • the metal levels comprise a plurality of connection elements 8, which in the present case are given by so-called VIAs, which is the abbreviation for Vertical Interconnect Access.
  • the VIAs 8 are made of metal, for example copper, aluminum or tungsten.
  • the planarization layer 2 is produced on the top 9 of the wafer 1 facing away from the front-end-of-line 6 and consists of an electrical material.
  • the planarization layer 2 consists of Silicon dioxide (S1O2), whereby this is to be understood as an example and other materials can also be used.
  • the planarization layer 2 is produced by deposition of the corresponding coating material, here S1O2, on the top side 9 of the wafer 1 facing away from the front-end-of-line 6 and subsequent planarization processing of the deposited material on the top side facing away from the wafer 1 10 obtained layer.
  • the planarization layer 2 is characterized in the present case by a roughness of 0.2 nm RMS due to the processing on its upper side 10 facing away from the wafer 1, this being understood as an example.
  • the planarization layer 2 extends over the entire top side 9 of the wafer 1.
  • the material of the planarization layer 2 was deposited over the entire surface area 9 of the wafer 1. This is therefore characterized by a diameter which at least essentially corresponds to that of the wafer 1.
  • the photodetectors 3 produced on the planarization layer 2 are exemplary embodiments of a photodetector 3 according to the invention in accordance with the first aspect of the invention. In the exemplary embodiment, these are all structurally identical, although this is not to be understood as restrictive.
  • the (respective) photodetector 3 comprises a longitudinal section 12 of one of the waveguides 11, specifically that longitudinal section over which an active element 13 of the photodetector 3 overlaps.
  • FIG. 2 which shows the active element 13 and the underlying waveguide 11 in a purely schematic plan view, the longitudinal section 12 of the waveguide covered here by the active element 13 is shown with dashed lines.
  • waveguide materials are dielectrics, preferably titanium dioxide, which was also used in the exemplary embodiment shown.
  • the longitudinal section 12 of the waveguide 11 is here by two in the longitudinal direction and at least substantially parallel to each other extending waveguide segments 12a, 12b, which in the transverse direction (in the figure from left to right or vice versa) with the formation of a gap between them 14 spaced apart from each other is formed. It is therefore a slotted waveguide.
  • the optical mode is guided in the gap 14 during operation.
  • the two waveguide segments are characterized by a rectangular cross section.
  • the gap 14 can, for example, be filled with S1O2.
  • the two waveguide segments 12a, 12b each stand on at least one side, in the present case on their side facing the active element 13 a gate electrode 15a, 15b made of silicon in contact.
  • the gate electrodes 15a, 15b are presently formed by a silicon layer or silicon coating produced on the respective waveguide segment 12a, 12b.
  • the active element 13 comprises at least one material or consists of at least one material that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption.
  • it is given by a graphene film 13.
  • Graphene can also change its refractive index (refractive index and / or absorption) as a function of a voltage and / or of charge and / or an electric field.
  • the active element 13 may be provided by a film with or made of at least one other or further electro-optically active material, for example a film with or made of a dichalcogenide-graphene fletero structure consisting of at least one layer of graphene and at least one layer of a dichalcogenide, or by a film that comprises at least one layer of boron nitride and at least one layer of graphene.
  • a film with or made of at least one other or further electro-optically active material for example a film with or made of a dichalcogenide-graphene fletero structure consisting of at least one layer of graphene and at least one layer of a dichalcogenide, or by a film that comprises at least one layer of boron nitride and at least one layer of graphene.
  • the graphene film 13 is arranged on the upper side 16, facing away from the wafer 1, of a further planarization layer 17 in which the waveguide 11 and thus its longitudinal section 12 is embedded.
  • the further planarization layer 17 consists of the same material as the planarization layer 2 and is characterized on its upper side 16 by the same roughness as the upper side 10 of the layer 2.
  • this is only an example and is not intended to be limiting.
  • thermoelectric effect can also be used in graphs, whereby Seebeck coefficients with opposite signs arise in the p and n regions, which result in a thermal voltage when heated by the absorbed energy (the photons).
  • connection (not shown) of the gate electrodes 15a, 15b for the voltage supply can be, for example, laterally next to the VIAs 8.
  • the photodetector 3, specifically its graphene film 13, is electrically conductively connected to at least one of the integrated electronic components 5 of the front end of lines 6 of the wafer 1.
  • the connection is via the VIAs 8 of the back-end-of-lines 7 of the wafer 1 and further VIAs 8, which extend through the planarization layer 2 and any other existing thereon Layers or elements, in the present case extending the further planarization layer 17, are realized.
  • graphene film 13 is electrically conductively connected at opposite end areas via contacts or contact elements 18 with the upper end of VIAs 8, which extend through further planarization layer 17 and planarization layer 2 to the back-end-of-line 7 of wafer 1 the.
  • a passivation layer 19 is provided on the graphene films 13, which comprises or consists of aluminum oxide (AL2O3) and / or silicon dioxide (SiO2).
  • a photodetector 3 as shown in FIG. 1 and FIGS. 3 and 4, which are explained below, can in particular be used in a manner known per se for signal conversion back from the optical to the electronic world.
  • a first step S1 the wafer 1 with the integrated circuits comprising the integrated electronic components 5 and the metallization including the VIAs 8 is provided.
  • the wafer 1 can be any desired wafer 1 of a conventional type, which has been obtained by a previously known production method.
  • the planarization layer 2 is produced on the back-end-of-line 7 of the wafer 1.
  • a coating material in this case silicon dioxide (Si0 2 ), is applied, which can be done, for example, by chemical vapor deposition, such as low-pressure chemical vapor deposition or plasma-assisted chemical vapor deposition, or physical vapor deposition or by spin-on spin-on glass.
  • PECVD PECVD is used here.
  • the upper side of the coating obtained is subjected to a planarization treatment (step S3), in this case a resist planarization, as a result of which an upper side 10 with a roughness of 0.2 nm RMS is obtained.
  • the resist planarization includes a single or repeated spin-on-glass spin-on and subsequent etching, in the present case reactive ion etching (RIE).
  • RIE reactive ion etching
  • the spin-on-glass layer partially compensates for the height differences, ie valleys in the topology have a higher layer thickness after the spin-on-glass coating than neighboring elevations.
  • the height difference has been reduced due to the planarizing effect of the spin-on-glass layer.
  • the height difference can be further reduced by repetition until the desired roughness is obtained.
  • an upper side 10 of the planarization layer 2 with correspondingly low roughness can alternatively also be obtained, for example, via chemical-mechanical polishing (CMP).
  • a next step S4 which in the present case represents the first step in the manufacture of the detector 3, the (respective) waveguide 11 with the gate electrodes 15a, 15b is manufactured.
  • waveguide material in front of titanium dioxide (T1O2), is deposited, in particular over the entire top surface 10 of the planarization layer 2 obtained.
  • Atomic layer deposition (ALD) or a transfer printing process can also be carried out.
  • LPCVD is used.
  • the coating material for the gate electrodes 15a, 15b, gate electrode material, in this case silicon, is deposited, for example by means of PVD or CVD processes and preferably also flat.
  • Lithography and structuring, in particular by means of reactive ion etching (RIE), are carried out in order to obtain the individual waveguides 11 with the individual waveguide segments 12a, 12b with the gap 14 in between and the individual gate electrodes 15a, 15b.
  • RIE reactive ion etching
  • the further planarization layer 17 is produced on the waveguides 11 with gate electrodes 15a, 15b provided thereon and the top side 10 of the planarization layer 2.
  • this is obtained completely analogously to the planarization layer 2 by deposition by means of PECVD and resist planarization.
  • the gap 14 is also filled with S1O2.
  • the section of the further planarization layer 17, which is trapezoidal in cross section, results above the waveguide 11 (see FIG. 1).
  • planarization layer 17 it is also true that, as an alternative to LPCVD and CMP, other of the aforementioned methods can be used and a different planarization treatment, such as CMP, and / or further planarization is possible, as described above for the planarization layer 2.
  • the planarization layer 2 and further planarization layer 17 can comprise one or more cover layers which are or will preferably be provided on the surface subjected to the planarization treatment and which can be dichalcogenide layers or dichalcogenide heterostructures or boron nitride layers, for example. These materials are preferably deposited or transferred without the need for further chemical-mechanical polishing or further resist planarization, and it is not excluded that this is done again. For the sake of completeness, it should be noted that in the event that a semiconductor device according to the invention should also have areas without a further planarization layer 17, for example also areas in which the structure corresponds to that according to FIGS any layers thereon) is then partially removed again, in particular by lithography and etching.
  • step S6 the VIAs 8 are produced through the planarization layer 2 and the further planarization layer 17.
  • this can be done in any manner previously known from the prior art.
  • first of all the areas in which they should extend are preferably defined by lithography and dry-chemically etched by means of RIE.
  • RIE dry-chemically etched by means of RIE.
  • the VIAs 8 are produced after the completion of the further planarization layer 17 through both planarization layers 2, 17 or after completion of the first layer 2 sections of this through the first planarization layer 10 and after completion of the second 17 sections of this through the second layer 17.
  • step S7 the active element of the (respective) detector 3 given by a graphene film 13 is provided on the upper side 16 of the further planarization layer 17, for example deposited on the upper side 17.
  • the graphene film 13 of the (respective) detector 3 can be deposited using a transfer method, for example, as described in more detail above. Then in particular one on a separate substrate or a separate metal foil or a separate Germani The graphene film produced around the wafer is transferred to the further planarization layer 17. It is also possible for the (respective) graphene film 13 to be produced directly on the further planarization layer 17. This can include material deposition, for example.
  • a transfer method it is possible that the passivation layer is already provided on the upper side of the respective graphene film 14, this has been deposited or deposited thereon, and is then transferred with it.
  • a passivation layer can also be deposited or deposited after the transfer or production of the graphene film 13 or the graphene films 13.
  • a full-area graphene film and / or a full-area passivation layer may be produced on the further planarization layer 17, which extend over the entire surface of the further planarization layer 17.
  • a structuring in particular by lithography and RIE, in order to keep the individual graphene films 13 as active elements of a plurality of detectors 3.
  • the contact elements 18 are then produced (step S8), preferably by metal being deposited over the entire surface and then again structuring by means of lithography and RIE to obtain the individual elements 18.
  • the upper passivation layer 19 is deposited preferably from Al2O3 and / or S1O2.
  • openings, in particular for contact elements, are then expediently finally produced by means of lithography and RIE (step S10).
  • openings to contact elements which serve to connect the photonics and / or electronics to the outside.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a photodetector 3 according to the first aspect of the invention.
  • the two waveguide segments 12a, 12b of the longitudinal section 12 of the waveguide 11 do not have a rectangular cross-section and there is no further planarization layer 17, but the active element, which here too - for example - through a graphene film 13 is provided on one of the gate electrodes 15a, 15b in which a dielectric layer which cannot be recognized is disposed.
  • the dielectric layer represents a gate dielectric. In the present case, it is distinguished on its upper side by a roughness of 0.2 nm RMS. In the present case, their thickness is 15 nm, these two values being understood to be purely exemplary.
  • each of the two waveguide segments 12a, 12b has an end region facing the gap 14 located between the two segments 12a, 12b, the cross section of which widens in sections in the direction of the gap 14.
  • the two end regions and the gap 14 result in a central, trapezoidal region.
  • the sections or areas of the segments 12a, 12b adjoining this trapezoidal area on both sides are distinguished, as can be seen, by a constant thickness.
  • the two gate electrodes 15a, 15b each extend in the transverse direction only over a section of the upper side of the respective segment 12a, 12b.
  • the VIAs 8 assigned to the gate electrodes 15a, 15b and each in contact with a gate electrode 15a, 15b can be seen in FIG. This is used to establish a connection to at least one integrated electronic component 5 from the FEOL 6, but this cannot be seen in the figure for reasons of simplified representation.
  • these VIAs 8 each extend through the planarization layer 2 and that waveguide segment 12a, 12b on which the respective Ga teel electrode 15a, 15b is arranged. The supply of voltage to the gate electrodes 15a, 15b is ensured via the VIAs 8. In the example from FIG.
  • a pn junction in the graphene film 13 can also be made via the gate electrodes 15a, 15b during operation, namely also here in the region extending above the gap 14 in which the optical mode is guided during operation , are obtained.
  • steps S1 to S3 can be identical to those for the lowering position of the arrangement from FIG.
  • an adapted etching in particular RIE, is used for the fixing of the waveguide 11 and gate electrodes 15, 15b after waveguide material has also been flatly deposited here, for example in the same way as described above in connection with FIG -Process carried out to get the trapezoidal area with the beveled edges.
  • An isotropic etching behavior of the RIE process can be obtained, for example, by an increased process pressure and an adapted gas mixture compared to the anisotropic etching process. Due to the increased process pressure, for example 20 mTorr compared to 10 mTorr, the etching process has a non-directional component, which causes a higher level of removal on the upper edge due to the longer etching time.
  • Step S5 for the arrangement from FIG. 1 is omitted here, since no further planarization layer 17 has to be produced here.
  • the VIAs 8 for the graphene film 13 are produced in step S5
  • step S6 the dielectric layer is first produced on the upper side of the gate electrodes 15a, 15b and preferably resist-planarized on its upper side in order to achieve the aforementioned roughness, and then the graphene film 13 is provided thereon.
  • the trapezoidal shape favors that the active element, in the present case the graphene film 13, conforms to the gate electrodes 15a, 15b or the dielectric layer, in particular also the beveled edges.
  • the graph always lies on the dielectric layer on the electrodes 15a, 15b and can be particularly well controlled electrostatically. A particularly homogeneous electric field can also be achieved.
  • the steps following the provision of the (respective) graphene film 13 can correspond to those for the arrangement from FIG. 1 (in particular production of the contact elements 18, production of the passivation layer 19 and provision of openings in this).
  • FIG. 4 shows an embodiment of a photodetector 3 according to the second aspect of the invention.
  • This also comprises a longitudinal section 12 of a waveguide 11 and an active element 13 which comprises at least one material or consists of at least one material that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption.
  • the active element is provided, for example, by a graphene film 13.
  • the waveguide 11 and its longitudinal section 12 belonging to the detector 3 are formed in one piece here. Specifically, it is a strip waveguide with a rectangular cross-section.
  • the support elements 20 can consist of the same material as the longitudinal section 12 of the waveguide 11, this being understood as an example. As can be seen, the active element 13 overlaps in the transverse direction the longitudinal section 12 of the waveguide 11 and the two gaps 21 and, from sections on, the two support elements 20.
  • the graphene film 13 is also flat.
  • the arrangement from FIG. 4 corresponds to that from FIG. As can be seen, this also has no further planarization layer 17.
  • this detector 3 does not include any gate electrodes.
  • steps S1 to S3 can again be identical to those that were described in connection with FIG.
  • a step S4 the waveguides 11 and support elements 20 are then produced.
  • waveguide material for example the same as in the previous examples, is deposited over a large area and the column 21 is then obtained by lithography and etching.
  • the VIAs 8 are produced, which here extend through the one planarization layer 2 and one of the support elements 20 each (step S5).
  • the active elements are provided, for example in the form of Gra phenfilmen 13, which is expediently done by a transfer process, as described in more detail above.
  • FIG. 5 shows an embodiment of an electro-optical modulator 22 according to the third aspect of the invention.
  • This also comprises a longitudinal section 12 of a waveguide 11, which however comprises four waveguide segments 12a, 12b, 12c, 12d extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another.
  • the modulator 22 Since it is a modulator 22, it also has two active elements 13a, 13b which comprise at least one material or consist of at least one material whose refractive index depends on a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field changes.
  • the two active elements are given by two graphene films 13a, 13b.
  • the lower one 13a is arranged on the upper side 10 of the planarization layer 2.
  • a lower one of the waveguide segments 12a is arranged between the two active elements 13a, 13b and a middle one of the waveguide segments 12b is arranged above the two active elements 13a, 13b, specifically on the upper active element 13b is.
  • the upper active element 13 extends within the longitudinal section 12 of the waveguide.
  • the waveguide segments 12a-12d can all be made of the same material.
  • the lower and the middle waveguide segment 12a, 12b serve at the same time as passivation and etch protection.
  • the segment 12a is part of the waveguide and at the same time also protection for the element 13a when the element 13b is etched.
  • 12a serves as an etch stop layer and as a passivation layer to protect the graphene 13a.
  • the segment 12b is in particular also an etch stop layer for structuring the parts 12c and 12d during the production of the region 14.
  • the two remaining, upper waveguide segments 12c, 12d are arranged above half of the middle waveguide segment 12b, in the present case on its upper side.
  • the two upper waveguide segments 12c, 12d are spaced from one another in the transverse direction, forming a gap 14 extending between them.
  • the two upper waveguide segments 12c, 12d thus lie next to one another on the middle segment 12b and the gap 14 lies between them. It applies that exactly one gap 14 is provided above the two active elements 13.
  • the gap 14 is filled with the material of the layer 19.
  • the extent of the lower and middle waveguide segments 12a, 12b in the transverse direction exceeds, as can be seen, the extent of the two upper segments 12c, 12d in this direction by a multiple.
  • the cross-section of the segments 12a-12d is rectangular.
  • the two active elements 13a, 13b are spaced apart from one another - by the lower waveguide segment 12a - and are furthermore arranged offset from one another in the transverse direction in such a way that they lie on top of one another in sections in an overlap region 23. It aligns or overlaps your portion of the one active element 13 with a portion of the other active element 13. Specifically, the facing end areas are one above the other or are aligned, whereby the overlapping area 23 is formed. As can be seen from FIG. 5, the overlapping area 23 lies below the gap 14 formed between the two segments 12c, 12d, and is in alignment therewith.
  • the extent of the overlap area 23 and the extent of the gap 14 in the transverse direction are adapted to one another.
  • the extent of the overlap region 23 in the transverse direction is approximately 1.3 times the extent of the gap 14 in this direction.
  • it can also correspond to 1.0 times or 0.8 times, that is to say it can have the same or a lesser extent in this direction.
  • the smaller the overlap the lower the capacitance and the faster the modulator.
  • each active element 13 is connected to a VIA 8 via a contact element 18 assigned to it and in contact therewith, which extends through the planarization layer 2 (VIA 8 for the active element 13 on the left in FIG. 5) or the planarization layer 2 and the Waveguide segment 12a (VIA 8 for the active element 13 on the right in FIG. 5) and, together with further VIAs 8 in BEOL 7, ensures the connection.
  • An electro-optical modulator 22 as shown in FIG. 5 and also FIGS. 6 and 7, which will be explained below, can be used in a manner known per se, in particular for optical signal coding. To obtain the arrangement from FIG. 5, steps S1 to S3 can again be identical.
  • the first, lower graphene film 13a can be provided as the lower active element.
  • This can take place exactly as described above for the one active element 13 of the detectors 3.
  • This can accordingly include, for example, a full-area separation of material and subsequent structuring.
  • the contact element 18 belonging to this can then be produced, again in exactly the same way as the contact elements 18 from FIGS. 1, 3 and 4.
  • step S6 the lower waveguide segment 12a is then produced, which can preferably - in analogy to the segments 12a, 12b from the preceding figures - comprise a material deposition and subsequent structuring.
  • the same materia lien come into question as waveguide material that were mentioned for the previous examples.
  • step S7 the second, upper graphene film 13b is provided on the upper side of the segment 12a, preferably in the same way as the first, lower 13a.
  • step S8 the contact element 18 is produced for this.
  • step S9 the middle segment 12b is produced - preferably like the lower 12a - and in step S10 the two upper segments 12c, 12d are produced on the upper side of the middle segment 12c.
  • a waveguide material is deposited in the manner described above and then a structuring to obtain the two adjacent segments 12c, 12d enclosing the gap 14 between them can be done.
  • the material deposition for the middle segment 12b and the upper two segments 12c, 12d takes place with an interruption or separately, for example if different waveguide materials are used.
  • the material required for the middle segment 12b and the material required for the upper segments 12c, 12d are applied in a deposition process without interruption and the segments 12b, 12c, 12d are obtained by the subsequent structuring
  • the gap 14 fills with or due to the material deposition for the layer 19 with its material.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a modulator 22 according to the fourth aspect of the invention. This differs from that according to FIG. 5 essentially in that there is a gap 14 not above, but below the active elements 13, which are also provided here - for example - by graphene films 13, and the longitudinal section 12 of the waveguide 11 is not four, but five segments 12a, 12b, 12c, 12d, 12e.
  • two lower ones of the waveguide segments 12a, 12b are arranged below the active elements 13 and are spaced apart from one another in the transverse direction to form a gap 14 extending between them, and a first middle one of the waveguide segments 12c is arranged between the two active elements 13, and one second middle waveguide tersegment 12d is arranged above the two active elements 13, specifically on the top of the upper active element 13, and an upper waveguide segment 12e is arranged above the second middle waveguide segment 12d, specifically on its top.
  • both active elements 13 extend within the longitudinal section 12 of the waveguide 11.
  • the two lower waveguide segments 12a, 12b and the first middle waveguide segment 12c also serve here at the same time as passivation and etch protection.
  • steps S1 to S3 can again be identical.
  • a step S4 the two waveguide segments 12a, 12b are first produced on the top 10 of the planarization layer 2, with waveguide material being deposited for this purpose, preferably in the same way as in the previous examples, which initially results in a continuous layer, and then by structuring , which preferably includes lithography and etching, in particular RIE, the gap 14 is produced, filled with a dielectric material, for example S1O2, and the surface is preferably planarized, for example by CMP and / or resist planarization.
  • the VIA 8 assigned to the graphene film 13 on the left in FIG. 5 can then be produced (step S5), which extends through the planarization layer 2 and the lower segments 12a on the left in FIG. 5, which can be done as described above.
  • the first, lower graphene film 13 is provided (step S6), which can also be done as in the previous examples.
  • the lower graphene film 13 is preferably arranged in such a way that it completely overlaps the gap 14 - as can be seen in FIG. 5 - in the transverse direction.
  • the associated contact element 18 can then be produced as described above (step S6) and then the first middle waveguide segment 12c, then the VIA 8 for the second, upper graphene film 13 (step S7), then the second, upper graphene film 13 ( S8), like the first, then the second middle segment 12d (S9) and the upper segment 12e (S10).
  • the lowering position of the segments 12c, 12d and 12e can, for example, be analogous to the lowering position of the segments 12a to 12d from FIG .
  • FIG. 7 an embodiment of a modulator 22 is shown according to the fifth aspect of the invention.
  • a second gap 14 is additionally provided above the active elements, again given by way of example by graphene films 13.
  • two adjacent segments 12e and 12f spaced from one another to form the second gap 14 are also provided above the graphene films 13 on the upper side of the second middle segment 12d.
  • the second, upper gap 14 is also filled with its material during or due to the material deposition for the layer 19
  • the two lower waveguide segments 12a, 12b and the first middle waveguide segment 12c also serve here at the same time as passivation and etch protection.
  • the overlap area 23, which the two active elements 13 form due to the offset, is above the one gap 14, specifically that between the lower segments 12a and 12b, and below the other gap 14, specifically that between the two between the upper segments 12e and 12f.
  • the lower gap 14, the overlap area 23 and the upper gap 14 are aligned. It also applies here that the extent of the overlap region 23 and the extent of both gaps 14 in the transverse direction are adapted to one another. Specifically, the extent of the overlap region 23 in the transverse direction is approximately 1.3 times the extent of the upper gap 14 and the lower gap 14 in this direction. For example, it can also be 1.0 or 0.8 times.
  • the examples of semiconductor devices according to the invention each comprise a plurality of photodetectors 3 or modulators 22, of which the partial sections only show one by way of example.
  • all photodetectors 3 or modulators 22 can each be structurally identical. The correspondence then enables a particularly simple, rapid provision.
  • a semiconductor device according to the invention to include various of the examples of photodetectors 3 and / or modulators 22 shown in FIGS. 1 and 3 to 6, for example both detectors 3 according to FIG FIG. 5.
  • the arrangements provided on the wafer 1, which include the layers 2, possibly 17 and 19 as well as photodetectors 3 and / or modulators 22, can also each be regarded and referred to as a photonic platform. It should also be noted that, as an alternative to the fact that the photonic platform is produced on the BEOL 7 of the wafer 1 as in the exemplary embodiment described, it is in principle also possible for it to be produced separately and bonded to the wafer 1.
  • a plurality of semiconductor devices can be produced from this in a simple and fast manner, specifically by means of mere dicing, in other words comminuting, each of which is provided by a chip with integrated photonics built on it with one or more photodetectors 3 and / or Modulators 22 formed in accordance with the present invention can be obtained.
  • the “bare chips” with photodetectors 3 and / or modulators 22 obtained by dicing can then, as is also known from conventional bare chips, be inserted into housings (English: packages) and put to further use.
  • a chip with one or more such chips obtained by dicing the semiconductor device with the wafer 1 and the photo detectors 3 and / or modulators 22 is an exemplary embodiment of a semiconductor device according to the invention.
  • all of the partial sectional views show only a comparatively very small section, specifically a section that shows only a small part of the wafer 1 or a chip obtained after dicing. All partial sections thus represent both sections by an embodiment of a semiconductor device according to the invention as well as by an embodiment of a semiconductor device according to the invention. It should also be noted that a plurality of photodetectors 3 and / or modulators 22 can already be provided above a single chip, for example several tens, several hundred or even several thousand, depending on the application.

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Abstract

The present invention relates to a photodetector (3) comprising: a longitudinal portion (12) of a waveguide (11) which comprises or is formed by two waveguide segments (12a, 12b), which extend at least substantially parallel to one another in the longitudinal direction and are preferably distanced from one another in the transverse direction, forming a gap (14) between them; and an active element (13), which overlies the longitudinal portion (12) of the waveguide and comprises at least one material or consists of at least one material that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electric photosignal as a result of the absorption, the two waveguide segments (12a, 12b) each being in contact, at least in some portions, on at least one side, in particular on the side facing the active element (14), with a gate electrode (15a, 15b) which preferably comprises silicon or consists of silicon.

Description

Beschreibung description
Photodetektor, Modulator, Halbleitereinrichtung und Halbleitervorrichtung Die Erfindung betrifft einen Photodetektor und einen Modulator. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Halbleitereinrichtung mit einem Chip und wenigstens einem Photodetektor und/oder Modulator sowie eine Halbleiter vorrichtung mit einem Wafer und wenigstens einem Photodetektor und/oder Modulator. Photodetector, modulator, semiconductor device and semiconductor device The invention relates to a photodetector and a modulator. In addition, the invention relates to a semiconductor device with a chip and at least one photodetector and / or modulator and a semiconductor device with a wafer and at least one photodetector and / or modulator.
Es sind elektro-optische Einrichtungen, beispielsweise Photodetektoren oder elektro-optische Modulatoren aus dem Stand der Technik vorbekannt, die einen Wellenleiter bzw. Längsabschnitt eines solchen mit mehreren sich in Längsrichtung und zumindest im Wesentlichen parallel zueinander erstre- ckende Wellenleitersegmenten und - im Falle eines Photodetektors - einen bzw. - im Falle eines elektro-optischen Modulators - zwei Filme aus Gra phen als aktive Elemente umfassen. Solche sind beispielsweise in der US 9,893,219 B2 offenbart. Die bekannten Photodetektoren und Modulatoren haben sich prinzipiell be währt. Es besteht jedoch Bedarf an weiteren, alternativ gestalteten Photode tektoren und Modulatoren, die sich mit vertretbarem Aufwand fertigen lassen und sich durch eine optimale Funktionsweise auszeichnen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, alternativ gestaltete Photodetektoren und Modulatoren anzugeben, welche diese Anforderungen erfüllen. Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Photodetektors mit den in den An sprüchen 1 und 6 genannten Maßnahmen sowie hinsichtlich eines Modulator mit den in den Ansprüchen 9, 10 und 11 genannten Maßnahmen gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Photodetektor bereitge stellt, der einen Längsabschnitt eines Wellenleiters, der zwei sich in Längs richtung und zumindest im Wesentlichen parallel zueinander erstreckende Wellenleitersegmente, die insbesondere in Querrichtung unter Bildung eines sich zwischen ihnen erstreckenden Spaltes voneinander beabstandet sind, umfasst oder dadurch gebildet wird, und ein aktives Element, welches den Längsabschnitt des Wellenleiters übergreift und wenigsten ein Material um fasst oder aus wenigstens einem Material besteht, das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorpti on ein elektrisches Photosignal erzeugt, wobei die beiden Wellenleiterseg- mente jeweils an wenigstens einer Seite, insbesondere an der dem aktiven Element zugewandten Seite zumindest abschnittsweise mit einer bevorzugt Silizium umfassenden oder aus Silizium bestehenden Gateelektrode in Kon takt stehen, umfasst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines solchen Detektors umfasst beispielsweise, dass ein Wellenleitermaterial insbesondere auf einen Wafer oder auf eine auf oder oberhalb eines Wafers vorgesehene Schicht aufgebracht, bevorzugt abgeschieden wird, und ein Gateelektrodenmaterial, bevorzugt Silizium, aufgebracht, insbesondere abgeschieden wird, und eine Strukturierung erfolgt, um die beiden Wellenleitersegmente mit dem dazwi schenliegenden Spalt und die Gateelektroden zu erhalten, und das aktive Element vorgesehen wird. Mittels der Gateelektroden kann im Betrieb ein pn-Übergang in dem aktiven Element realisiert werden. Durch die Anordnung des pn-Übergangs im Be reich der optischen Mode wird ein optimaler Überlapp zwischen dem absor bierenden Material und dem aktiven Bereich des Photodetektors erreicht. In vorteilhafter Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass die Gateelektroden jeweils an ihrer Unterseite mit der Oberseite eines Wellenleitersegmentes und mit ihrer Oberseite mit der Unterseite einer zwischen dem aktiven Ele ment und den Wellenleitersegmenten vorgesehenen dielektrischen Schicht, die zweckmäßiger Weise wenigstens ein dielektrisches Material umfasst oder aus wenigstens einem dielektrischen Material besteht, in Kontakt stehen. Als geeignete Materialien haben sich beispielsweise Siliziumdioxid (S1O2) sowie Aluminiumoxid (AL2O3) erwiesen. Alternativ zu dem Ausdruck dielektrisches Material wird auch der Begriff Dielektrikum verwendet. Die dielektrische Schicht kann auch als Gatedielektrikum bezeichnet werden. Electro-optical devices, for example photodetectors or electro-optical modulators, are known from the prior art which have a waveguide or longitudinal section of such a waveguide with several waveguide segments extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another and - in the case of a photodetector - one or - in the case of an electro-optical modulator - two films of graph comprise as active elements. Such are disclosed, for example, in US Pat. No. 9,893,219 B2. The known photodetectors and modulators have in principle been proven. However, there is a need for further, alternatively designed photodetectors and modulators, which can be manufactured with reasonable effort and are characterized by an optimal mode of operation. It is therefore an object of the present invention to specify alternatively designed photodetectors and modulators which meet these requirements. This object is achieved with respect to a photodetector with the measures mentioned in claims 1 and 6 and with respect to a modulator with the measures mentioned in claims 9, 10 and 11. According to a first aspect of the invention, a photodetector is provided which comprises a longitudinal section of a waveguide comprising two waveguide segments extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another, which are spaced apart from one another in particular in the transverse direction to form a gap extending between them or is formed thereby, and an active element which overlaps the longitudinal section of the waveguide and comprises at least one material or consists of at least one material that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption, the two waveguide segments - elements are in each case in contact on at least one side, in particular on the side facing the active element, at least in sections with a gate electrode preferably comprising silicon or consisting of silicon. A method according to the invention for producing such a detector comprises, for example, that a waveguide material is applied, preferably deposited, in particular to a wafer or a layer provided on or above a wafer, and a gate electrode material, preferably silicon, is applied, in particular deposited, and a structuring takes place in order to obtain the two waveguide segments with the gap between them and the gate electrodes, and the active element is provided. A pn junction can be implemented in the active element during operation by means of the gate electrodes. By arranging the pn junction in the optical mode Be rich, an optimal overlap between the absorbing material and the active area of the photodetector is achieved. In an advantageous embodiment, it is provided that the gate electrodes each on their underside with the top side of a waveguide segment and with their top side with the bottom side of a dielectric layer provided between the active element and the waveguide segments, which expediently comprises at least one dielectric material or at least a dielectric material, are in contact. Silicon dioxide (S1O2) and aluminum oxide (AL2O3), for example, have proven to be suitable materials. As an alternative to the term dielectric material, the term dielectric is also used. The dielectric layer can also be referred to as a gate dielectric.
Das aktive Element kann in Weiterbildung auf der Oberseite der dielektri schen Schicht angeordnet sein bzw. werden. Es kann darauf hergestellt worden sein bzw. werden. Die dielektrische Schicht kann sich in bevorzugter Ausgestaltung an ihrer Oberseite durch eine Rauheit im Bereich von 1,0 nm RMS bis 0,1 nm RMS, insbesondere 0,6 nm RMS bis 0,1 nm RMS, bevorzugt 0,4 nm RMS bis 0,1 nm RMS aus zeichnen. Die Abkürzung RMS steht für root mean squared. Die RMS-Rauheit wird im Deutschen auch als quadratische Rauheit be- zeichnet. Eine Oberseite mit einer Rauheit in diesem Bereich hat sich insbe sondere in demjenigen Falle als besonders geeignet erwiesen, dass das ak tive Element auf der Oberseite der dielektrischen Schicht vorgesehen, ins besondere darauf hergestellt wird. Die Dicke der dielektrischen Schicht kann beispielsweise im Bereich von 10 bis 20 nm liegen. In a further development, the active element can be or will be arranged on the top side of the dielectric layer. It can have been or will be produced on it. In a preferred embodiment, the dielectric layer can have a roughness in the range from 1.0 nm RMS to 0.1 nm RMS, in particular 0.6 nm RMS to 0.1 nm RMS, preferably 0.4 nm RMS to 0, on its upper side , 1 nm RMS. The abbreviation RMS stands for root mean squared. The RMS roughness is also referred to as square roughness in German. A top side with a roughness in this area has proven to be particularly suitable in particular in the case that the active element is provided on the top side of the dielectric layer, in particular is produced thereon. The thickness of the dielectric layer can be, for example, in the range from 10 to 20 nm.
Die Gateelektroden umfassen bevorzugt ein für elektromagnetische Strah lung wenigstens einer Wellenlänge, bevorzugt wenigstens eines Wellenlän genbereichs, transparentes und/oder elektrisch leitfähiges Material oder be stehen daraus. The gate electrodes preferably comprise or consist of a material that is transparent and / or electrically conductive for electromagnetic radiation of at least one wavelength, preferably at least one wavelength range.
Weiter bevorzugt umfassen die Gateelektroden wenigstens ein Material, das für elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge von 850 nm und/oder 1310 nm und/oder 1550 nm transparent ist oder besteht aus einem solchen. Besonders bevorzugt ist es für elektromagnetische Strahlung im Wellenlän genbereich von 800 nm bis 900 nm und/oder von 1260 nm bis 1360 nm (so genanntes Original Band bzw. kurz O-Band) und/oder 1360 nm bis 1460 nm (sogenanntes Extend Band oder kurz E-Band) und/oder 1460 nm bis 1530 nm (sogenanntes Short Band oder kurz S-Band) und/oder von 1530 nm bis 1565 nm (sogenanntes Conventional Band bzw. kurz C-Band) und/oder 1565 nm bis 1625 nm (sogenanntes Long Band bzw. kurz L-Band) transparent. Diese Bänder sind aus dem Bereich der Nachrichtentechnik vorbekannt. The gate electrodes further preferably comprise at least one material that is transparent to electromagnetic radiation with a wavelength of 850 nm and / or 1310 nm and / or 1550 nm or consists of such a material. It is particularly preferred for electromagnetic radiation in the wavelength range from 800 nm to 900 nm and / or from 1260 nm to 1360 nm (so-called original tape or O-band for short) and / or 1360 nm to 1460 nm (so-called extend band or short E-band) and / or 1460 nm to 1530 nm (so-called short band or short S-band) and / or from 1530 nm to 1565 nm (so-called conventional band or short C-band) and / or 1565 nm to 1625 nm (so-called long band or L-band for short) transparent. These tapes are already known from the field of communications engineering.
Dies gilt entsprechend bevorzugt für das Gateelektrodenmaterial, das im Rahmen des Herstellungsverfahrens verwendet wird. Accordingly, this preferably applies to the gate electrode material that is used in the context of the production method.
Als ganz besonders geeignetes Material für die Gateelektroden hat sich Sili zium erwiesen. Es kann sich um Polysilizium. Indiumzinnoxid (ITO) kommt auch in Frage. Das Material bzw. die Materialien, aus denen die Gateelekt roden bestehen bzw. hergestellt werden kann ferner dotiert sein. Sili has proven to be a particularly suitable material for the gate electrodes. It can be polysilicon. Indium tin oxide (ITO) can also be used. The material or the materials from which the gate electrodes consist or are produced can also be doped.
Die jeweilige Gateelektrode kann beispielsweise eine auf der dem aktiven Element zugewandten Seite des jeweiligen Wellenleitersegmentes des Wel- lenleiterlängsabschnitts vorgesehene Schicht sein, besonders bevorzugt eine Schicht, die auf dem jeweiligen Wellenleitersegment hergestellt wird bzw. wurde. The respective gate electrode can, for example, be on the side of the respective waveguide segment of the world facing the active element A layer provided in the longitudinal section of the waveguide may be, particularly preferably a layer which is or has been produced on the respective waveguide segment.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Gateelektroden durch Ab scheidung, insbesondere chemische Gasphasenabscheidung (englisch: Chemical vapor deposition, kurz CVD), bevorzugt Niederdruck chemische Gasphasenabscheidung (englisch: low pressure Chemical vapor deposition, kurz: LPCVD) und/oder plasmaunterstütze chemische Gasphasenabschei dung (englisch plasma enhanced Chemical vapor deposition, kurz: PECVD), und/ oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (englisch: physical vapor deposition, kurz: PVD) eines Beschichtungsmaterials hergestellt wor den sind bzw. hergestellt werden. In addition, it can be provided that the gate electrodes are deposited by deposition, in particular chemical vapor deposition (CVD), preferably low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) and / or plasma-assisted chemical vapor deposition dung (English: plasma enhanced chemical vapor deposition, short: PECVD), and / or by physical vapor deposition (English: physical vapor deposition, short: PVD) of a coating material have been or are being produced.
Es gibt unterschiedliche aus dem Stand der Technik vorbekannte Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung, die allesamt im Rahmen der vor liegenden Erfindung zum Einsatz gekommen sein bzw. kommen können. Allen gemein ist in der Regel eine chemische Reaktion von eingeleiteten Gasen, die zu einer Abscheidung des gewünschten Materials führen. There are different methods of chemical vapor deposition known from the prior art, all of which have been or can be used within the scope of the present invention. What they all have in common is, as a rule, a chemical reaction between the gases introduced, which leads to the deposition of the desired material.
Auch bezüglich der physikalischen Gasphasenabscheidung gilt, dass alle aus dem Stand der Technik vorbekannten Varianten zum Einsatz gekommen sein bzw. kommen können. Rein beispielhaft sei das Elektronenstrahlver dampfen genannt, bei dem mittels eines Elektronenstrahls Material ge schmolzen und verdampft wird, sowie das thermische Verdampfen, bei dem Material mittels einer Heizung bis zum Schmelzpunkt erwärmt und auf ein Zielsubstrat gedampft wird, sowie die Kathodenzerstäubung (englisch: sput- ter deposition), bei der mittels eines Plasmas Atome aus einem Materialträ ger herausgeschlagen und auf einem Zielsubstrat abgeschieden werden. Alternativ oder zusätzlich zu den vorgenannten Abscheidungsverfahren kommt auch die Atomlagenabscheidung (englisch: atomic layer deposoition, kurz: ALD) in Frage, um die bzw. die jeweilige Gateelektrode zu erhalten. Im Rahmen dieser werden isolierende oder leitende Materialien (Dielektrika, Halbleiter oder Metalle) Atomlage für Atomlage sequenziell abgeschieden. Auch ein Transferverfahren kann zur Anwendung kommen bzw. gekommen sein. With regard to the physical vapor deposition, it is also true that all variants known from the prior art have been or can be used. A purely exemplary example is electron beam evaporation, in which material is melted and vaporized by means of an electron beam, as well as thermal evaporation, in which material is heated to the melting point by means of a heater and evaporated onto a target substrate, and cathode sputtering. ter deposition), in which atoms are knocked out of a material carrier by means of a plasma and deposited on a target substrate. As an alternative or in addition to the aforementioned deposition methods, atomic layer deposition (ALD for short) can also be used in order to obtain the respective gate electrode. As part of this, insulating or conductive materials (dielectrics, semiconductors or metals) are sequentially deposited atomic layer by atomic layer. A transfer procedure can also be used or may have been used.
In Weiterbildung kann ferner vorgesehen sein, dass jeder der beiden Ga- teelektroden ein mit dieser in Kontakt stehendes Verbindungselement zuge ordnet ist und sich bevorzugt jeweils eines der Verbindungselemente durch eines der Wellenleitersegmente erstreckt. An die Abscheidung kann sich ein geeignetes Strukturierungsverfahren schließen bzw. angeschlossen haben, das beispielsweise Lithografie und/oder Ätzen einschließen kann. Bei den Verbindungselementen handelt es sich bevorzugt um vertikale elektrische Verbindungen, die im Englischen auch als Vertical Interconnect Access, kurz Via bzw. VIA, bezeichnet werden. VIAs werden in der Regel durch Lithografie definiert und insbesondere mittels reaktivem lonenätzen (kurz: RIE) trocken chemisch geätzt. Danach wird bevorzugt metallisiert und die metallisierte Oberfläche mittels CMP (Damascene-Prozess) oder mittels Lithografie und RIE strukturiert. In a further development, it can also be provided that each of the two gate electrodes is assigned a connecting element that is in contact therewith, and one of the connecting elements preferably extends through one of the waveguide segments. A suitable structuring process can follow or have followed the deposition, which can include lithography and / or etching, for example. The connecting elements are preferably vertical electrical connections, which are also referred to in English as Vertical Interconnect Access, or via or VIA for short. VIAs are generally defined by lithography and, in particular, are dry chemically etched using reactive ion etching (RIE for short). Thereafter, metallization is preferred and the metallized surface is structured by means of CMP (Damascene process) or by means of lithography and RIE.
Das reaktive lonenätzen ist ein Trockenätzverfahren, bei dem in der Regel mittels spezieller gasförmiger Chemikalien, die zu einem Plasma angeregt werden, ein selektives und gerichtetes Ätzen einer Substratoberfläche er möglicht wird. Eine Lackmaske kann dabei nicht zu ätzende Teile schützen. Die Ätzchemie und die Parameter des Prozesses entscheiden in der Regel über die Selektivität des Prozesses, also die Ätzraten unterschiedlicher Ma terialien. Diese Eigenschaft ist entscheidend, um einen Ätzvorgang in der Tiefe zu begrenzen und damit Schichten voneinander getrennt zu definieren. Die Verbindungselemente umfassen bzw. bestehen zweckmäßiger Weise aus wenigstens einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Metall, wie etwa Kupfer und/oder Aluminium und/oder Wolfram. Reactive ion etching is a dry etching process in which, as a rule, specific gaseous chemicals that are excited to form a plasma enable selective and directional etching of a substrate surface. A lacquer mask can protect parts that are not to be etched. The etching chemistry and the parameters of the process usually determine the selectivity of the process, i.e. the etching rates of different materials. This property is crucial in order to limit the depth of an etching process and thus to define layers separately from one another. The connecting elements expediently comprise or consist of at least one electrically conductive material, in particular metal, such as copper and / or aluminum and / or tungsten.
In weiterer vorteilhafter Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass das aktive Element die beiden Wellenleitersegmente und den dazwischenliegen den Spalt zumindest abschnittsweise übergreift, dies insbesondere in Quer richtung. Unter Querrichtung ist zweckmäßiger Weise die orthogonal zur Längsrichtung des Längsabschnitts des Wellenleiters orientierte Richtung zu verstehen. In a further advantageous embodiment it is also provided that the active element overlaps the two waveguide segments and the gap between them at least in sections, in particular in the transverse direction. The transverse direction is expediently to be understood as the direction oriented orthogonally to the longitudinal direction of the longitudinal section of the waveguide.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Photodetektor bereit gestellt, der einen Längsabschnitt eines Wellenleiters, und ein aktives Ele- ment umfasst, welches wenigsten ein Material umfasst oder aus wenigstens einem Material besteht, das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektrisches Photo signal erzeugt, wobei zwei Trageelemente an gegenüberliegenden Seiten des Längsabschnitts des Wellenleiters unter Bildung zweier Spalte von die- sem beabstandet angeordnet sind, wobei die beiden Spalte frei von Material sind, und wobei das aktive Element den Längsabschnitt des Wellenleiters und die beiden Spalte und zumindest Abschnitte der beiden Tragelemente insbesondere in Querrichtung übergreift. Die beiden Trageelemente sind bevorzugt in Querrichtung beabstandet von dem Längsabschnitt angeordnet. According to a second aspect of the invention, a photodetector is provided which comprises a longitudinal section of a waveguide and an active element which comprises at least one material or consists of at least one material which absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and as a result of the absorption a Generated electrical photo signal, two support elements on opposite sides of the longitudinal section of the waveguide to form two gaps of this are arranged spaced apart, the two gaps are free of material, and the active element the longitudinal section of the waveguide and the two gaps and overlaps at least sections of the two support elements, in particular in the transverse direction. The two support elements are preferably arranged at a distance from the longitudinal section in the transverse direction.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines solchen Detektors umfasst beispielsweise, dass ein Wellenleitermaterial insbesondere auf einen Wafer oder auf eine auf oder oberhalb eines Wafers vorgesehene Schicht aufgebracht, bevorzugt abgeschieden wird und eine Strukturierung erfolgt, um die beiden Spalte und den Längsabschnitt des Wellenleiters und die Tragelemente zu erhalten, und das aktive Element oberhalb des Längsab schnitts des Wellenleiters und der Tragelemente vorgesehen wird. A method according to the invention for producing such a detector comprises, for example, that a waveguide material is applied, preferably deposited, in particular to a wafer or a layer provided on or above a wafer, and structuring is carried out in order to create the two gaps and the longitudinal section of the waveguide and the To obtain support elements, and the active element above the longitudinal section of the waveguide and the support elements is provided.
Die Spalte, die frei von Material sind, sind insbesondere durch Bereiche ge- geben, aus denen durch einen Ätzprozess Material entfernt und anschlie ßend kein neues Material vorgesehen, etwa abgeschieden wurde. Sie kön nen mit Luft oder auch einem anderen Gas gefüllt sein oder unter Vakuum stehen. Es befindet sich jedoch kein festes Material in diesen. Unter Vakuum ist bevorzugt ein beispielsweise durch Abpumpen evakuierter Raum zu ver- stehen. The gaps that are free of material are given in particular by areas from which material was removed by an etching process and no new material was subsequently provided, for example deposited. They can be filled with air or another gas, or they can be under vacuum. However, there is no solid material in them. A vacuum is preferably to be understood as a space evacuated, for example, by pumping out.
In bevorzugter Ausgestaltung gilt, dass das aktive Element auf der diesem zugewandten Oberseite des Längsabschnitts des Wellenleiters und/oder auf den diesem zugewandten Oberseiten der Tragelemente aufliegt. In a preferred embodiment, the active element rests on the top side of the longitudinal section of the waveguide facing it and / or on the top sides of the support elements facing it.
Die Tragelemente können aus dem gleichen Material bestehen, wie der Längsabschnitt des Wellenleiters, wobei dies beispielhaft zu verstehen ist. Als geeignete Materialien für die Tragelemente haben sich beispielsweise T1O2 und/oder Si erwiesen. Es kommen auch alle anderen Materialien in Frage, die für Wellenleiter geeignet sind. The support elements can consist of the same material as the longitudinal section of the waveguide, this being understood as an example. For example, T1O2 and / or Si have proven to be suitable materials for the support elements. All other materials that are suitable for waveguides can also be used.
Es kann sein, dass das aktive Element wenigstens ein Material umfasst oder aus wenigstens einem Material besteht, das elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge von 850 nm und/oder 1310 nm und/oder 1550 nm absor- bieren und infolge der Absorption ein Photosignal erzeugen kann. Besonders bevorzugt gilt, dass es elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbe reich von 800 nm bis 900 nm und/oder von 1260 nm bis 1360 nm (soge nanntes Original Band bzw. kurz O-Band) und/oder 1360 nm bis 1460 nm (sogenanntes Extended Band oder kurz E-Band) und/oder 1460 nm bis 1530 nm (sogenanntes Short Band oder kurz S-Band) und/oder von 1530 nm bis 1565 nm (sogenanntes Conventional Band bzw. kurz C-Band) und/oder 1565 nm bis 1625 nm (sogenanntes Long Band bzw. kurz L-Band) absorbieren und infolge der Absorption ein Photosignal erzeugen kann. Es hat sich als ganz besonders geeignet erwiesen, wenn es sich bei dem wenigstens einen Material des aktiven Elementes, das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorpti on ein elektrisches Photosignal erzeugt, um Graphen, und/oder wenigstens ein Dichalkogenid, insbesondere zweidimensionales Übergangsme- tall-Dichalkogenid, und/oder Heterostrukturen aus zweidimensionalen Mate rialien und/oder Germanium und/oder wenigstens ein elektro-optisches Po lymer und/oder Silizium und/oder wenigstens einen Verbindungshalbleiter, insbesondere wenigsten einen Ill-V-Halbleiter und/oder wenigstens einen Il-Vl-Halbleiter, handelt. It may be that the active element comprises at least one material or consists of at least one material that can absorb electromagnetic radiation with a wavelength of 850 nm and / or 1310 nm and / or 1550 nm and generate a photo signal as a result of the absorption. It is particularly preferred that there is electromagnetic radiation in the wavelength range from 800 nm to 900 nm and / or from 1260 nm to 1360 nm (so-called original tape or O-band for short) and / or 1360 nm to 1460 nm (so-called extended band or short E-band) and / or 1460 nm to 1530 nm (so-called short band or short S-band) and / or from 1530 nm to 1565 nm (so-called conventional band or C-band for short) and / or 1565 nm to 1625 nm (so-called long band or L-band for short) and can generate a photo signal as a result of the absorption. It has proven to be particularly suitable if the at least one material of the active element that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption is graphene and / or at least one dichalcogenide, in particular two-dimensional Transition metal dichalcogenide and / or heterostructures made from two-dimensional materials and / or germanium and / or at least one electro-optical polymer and / or silicon and / or at least one compound semiconductor, in particular at least one III-V semiconductor and / or at least one II-VI semiconductor is.
Ein Photodetektor kann insbesondere der Signalwandlung zurück von der optischen in die elektronische Welt dienen. In particular, a photodetector can be used to convert signals back from the optical to the electronic world.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein insbesondere elekt- ro-optischer Modulator bereitgestellt, der einen Längsabschnitt eines Wel lenleiters, der vier sich in Längsrichtung und zumindest im Wesentlichen pa rallel zueinander erstreckende Wellenleitersegmente umfasst oder durch diese gebildet wird, und zwei aktive Elemente, die wenigsten ein Material umfassen oder aus wenigstens einem Material bestehen, dessen Bre- chungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhan densein von Ladung und/oder einem elektrischen Feld ändert, oder ein sol ches aktives Element und eine Elektrode, umfasst, wobei ein unteres der Wellenleitersegmente zwischen den beiden aktiven Elemente oder zwischen dem aktiven Element und der Elektrode angeordnet ist, ein mittleres der Wellenleitersegmente oberhalb der beiden aktiven Elemente oder oberhalb des aktiven Elementes und der Elektrode angeordnet ist, und die beiden ver bleibenden, oberen Wellenleitersegmente oberhalb des mittleren Wellenlei tersegmentes angeordnet sind, wobei die beiden oberen Wellenleiterseg mente bevorzugt in Querrichtung unter Bildung eines sich zwischen ihnen erstreckenden Spaltes voneinander beabstandet sind, umfasst. According to a third aspect of the invention, an in particular electro-optical modulator is provided which comprises a longitudinal section of a waveguide which comprises or is formed by four waveguide segments extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another, and two active elements, comprise at least one material or consist of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, or comprises such an active element and an electrode, wherein a lower one of the waveguide segments is arranged between the two active elements or between the active element and the electrode, a middle one of the waveguide segments above the two active elements or above of the active element and the electrode is arranged, and the two remaining, upper waveguide segments are arranged above the middle waveguide tersegmentes, the two upper waveguide segments are preferably spaced apart in the transverse direction to form a gap extending between them, includes.
Dann kann insbesondere ein sandwichartiger Aufbau vorliegen, der - von unten nach oben - ein aktives Element oder die Elektrode, dann das unterer Wellenleitersegment des Längsabschnitts des Wellenleiters, dann das zweite aktive Element oder die Elektrode, dann das mittlere Wellenleitersegment des Längsabschnitts des Wellenleiters und dann die beiden oberen Seg mente des Längsabschnitts des Wellenleiters umfasst. Then in particular a sandwich-like structure can be present, which - from bottom to top - an active element or the electrode, then the lower waveguide segment of the longitudinal section of the waveguide, then the second active element or the electrode, then the middle waveguide segment of the longitudinal section of the waveguide and then comprises the two upper segments of the longitudinal section of the waveguide.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines solchen Modulators umfasst beispielsweise, dass ein aktives Element oder eine Elektrode ins besondere auf einem Wafer oder auf einer auf oder oberhalb eines Wafers vorgesehenen Schicht vorgesehen wird, und ein Wellenleitermaterial aufge bracht, bevorzugt abgeschieden wird, um das untere Wellenleitersegment zu erhalten, und das weitere aktive Element oder eine Elektrode oberhalb des unteren Wellenleitersegmentes vorgesehen wird, und ein Wellenleitermateri al aufgebracht, bevorzugt abgeschieden wird, um das mittlere Wellenleiter segment zu erhalten, und ein Wellenleitermaterial aufgebracht, bevorzugt abgeschieden wird und eine anschließende Strukturierung erfolgt, um die beiden oberen Wellenleitersegmente und den dazwischenliegenden Spalt zu erhalten. A method according to the invention for producing such a modulator comprises, for example, that an active element or an electrode is provided in particular on a wafer or on a layer provided on or above a wafer, and a waveguide material is applied, preferably deposited, around the lower waveguide segment and the further active element or an electrode is provided above the lower waveguide segment, and a waveguide material is applied, preferably deposited, in order to obtain the middle waveguide segment, and a waveguide material is applied, preferably deposited, and a subsequent structuring takes place, to get the two upper waveguide segments and the gap between them.
Dass ein Element bzw. Segment oder auch eine Schicht oberhalb oder un terhalb eines anderen Elementes oder Segmentes oder einer anderen Schicht angeordnet ist (dass es mit anderen Worten über oder unter einem anderen Element oder Segment oder einer anderen Schicht angeordnet ist) umfasst sowohl, dass es sich direkt auf bzw. direkt unter dem anderen Ele ment bzw. Segment oder auch der anderen Schicht befindet, und mit diesem bzw. dieser, etwa mit der Ober- oder Unterseite des anderen Elementes oder Segmentes oder der anderen Schicht in Kontakt steht, diese also berührt, oder auch, dass noch wenigstens ein weiteres Element oder Segment oder wenigstens eine weitere Schicht (ober- oder auch unterseitig) dazwischen liegt. Dies gilt für die Photodetektoren und Modulatoren nach allen Aspekten der Erfindung. Nach einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein insbesondere elekt- ro-optischer Modulator umfassend einen Längsabschnitt eines Wellenleiters, der vier sich in Längsrichtung und zumindest im Wesentlichen parallel zuei nander erstreckende Wellenleitersegmente umfasst oder durch diese gebil det wird, und zwei aktive Elemente, die wenigsten ein Material umfassen o- der aus wenigstens einem Material bestehen, dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung und/oder einem elektrischen Feld ändert, oder ein solches aktives Element und eine Elektrode, wobei zwei untere der Wellenleitersegmente unterhalb der aktiven Elemente oder unterhalb des aktiven Elementes und der Elekt- rode angeordnet und bevorzugt in Querrichtung unter Bildung eines sich zwischen ihnen erstreckenden Spaltes voneinander beabstandet sind, und ein erstes mittleres der Wellenleitersegmente zwischen den beiden aktiven Elementen oder zwischen dem aktiven Element und der Elektrode angeord net ist, und ein zweites mittleres Wellenleitersegment oberhalb der beiden aktiven Elemente oder oberhalb des aktiven Elementes und der Elektrode angeordnet ist, und ein oberes Wellenleitersegment oberhalb des zweiten mittleren Wellenleitersegments angeordnet ist, bereitgestellt. That an element or segment or a layer is arranged above or below another element or segment or another layer (in other words that it is arranged above or below another element or segment or another layer) includes both that it is located directly on or directly below the other element or segment or also the other layer, and with this or this, for example with the top or bottom of the other element or segment or the other layer in There is contact, i.e. touching it, or that at least one further element or segment or at least one further layer (above or below) lies in between. This applies to the photodetectors and modulators according to all aspects of the invention. According to a fourth aspect of the invention, an in particular electro-optical modulator is provided comprising a longitudinal section of a waveguide which comprises or is formed by four waveguide segments extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another, and two active elements, the least comprise a material or consist of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, or such an active element and an electrode, with two lower ones of the waveguide segments below the active elements or arranged below the active element and the electrode and preferably spaced apart from one another in the transverse direction with the formation of a gap extending between them, and a first middle of the waveguide segments between the two active elements or between the active element and the electr or is arranged, and a second central waveguide segment is arranged above the two active elements or above the active element and the electrode, and an upper waveguide segment is arranged above the second central waveguide segment.
Das obere Wellenleitersegment hat bevorzugter Weise eine Ausdehnung in Querrichtung, welche die Ausdehnung der weiteren Wellenleitersegmente ein Querrichtung unterschreitet. Es kann sein, dass die Ausdehnung des beiden unteren und der beiden mittleren Segmente in Querrichtung ein Mehrfaches von der Ausdehnung des oberen Segmentes in dieser Richtung beträgt. The upper waveguide segment preferably has an extension in the transverse direction which corresponds to the extension of the further waveguide segments Transverse direction falls below. It may be that the extension of the two lower and the two middle segments in the transverse direction is a multiple of the extension of the upper segment in this direction.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines solchen Modulators umfasst beispielsweise, dass ein Wellenleitermaterial insbesondere auf einen Wafer oder auf eine auf oder oberhalb eines Wafers vorgesehene Schicht aufgebracht, bevorzugt abgeschieden wird und eine Strukturierung erfolgt, um die beiden unteren Wellenleitersegmente und den dazwischen liegenden Spalt zu erhalten und oberhalb dieser ein aktives Element oder eine Elektro de vorgesehen wird, und ein Wellenleitermaterial aufgebracht, bevorzugt abgeschieden wird, um das erste mittlere Wellenleitersegment zu erhalten, und das weitere aktive Element oder eine Elektrode oberhalb des ersten mittleren Wellenleitersegmentes vorgesehen wird, und ein Wellenleitermate rial aufgebracht, bevorzugt abgeschieden wird, um das zweite mittlere Wel lenleitersegment zu erhalten, und ein Wellenleitermaterial aufgebracht, be vorzugt abgeschieden wird und bevorzugt eine anschließende Strukturierung erfolgt, um das obere Wellenleitersegment zu erhalten. A method according to the invention for producing such a modulator comprises, for example, that a waveguide material is applied, preferably deposited, in particular to a wafer or on a layer provided on or above a wafer, and structuring takes place in order to obtain the two lower waveguide segments and the gap between them and above this an active element or an electrode is provided, and a waveguide material is applied, preferably deposited, in order to obtain the first central waveguide segment, and the further active element or an electrode is provided above the first central waveguide segment, and a waveguide material applied, is preferably deposited in order to obtain the second middle Wel lenleitersegment, and applied a waveguide material, is preferably deposited and preferably a subsequent structuring is carried out to the upper waveguide segment z u received.
Nach einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein insbesondere elekt- ro-optischer Modulator umfassend einen Längsabschnitt eines Wellenleiters, der sechs sich in Längsrichtung und zumindest im Wesentlichen parallel zu einander erstreckende Wellenleitersegmente umfasst oder durch diese ge bildet wird, und zwei aktive Elemente, die wenigsten ein Material umfassen oder aus wenigstens einem Material bestehen, dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung und/oder einem elektrischen Feld ändert, oder ein solches aktives Element und eine Elektrode, wobei zwei untere der Wellenleitersegmente unterhalb der aktiven Elemente oder unterhalb des aktiven Elementes und der Elekt rode angeordnet und bevorzugt in Querrichtung unter Bildung eines sich zwischen ihnen erstreckenden Spaltes voneinander beabstandet sind, und ein erstes mittleres der Wellenleitersegmente zwischen den beiden aktiven Elementen oder zwischen dem aktiven Element und der Elektrode angeord net ist, und ein zweites mittleres Wellenleitersegment oberhalb der beiden aktiven Elemente oder oberhalb des aktiven Elementes und der Elektrode angeordnet ist, und die beiden verbleibenden, oberen Wellenleitersegmente oberhalb des zweiten mittleren Wellenleitersegmentes angeordnet sind, wo bei die beiden oberen Wellenleitersegmente bevorzugt in Querrichtung unter Bildung eines sich zwischen ihnen erstreckenden Spaltes voneinander beab- standet sind, bereitgestellt. According to a fifth aspect of the invention, an in particular electro-optical modulator is provided comprising a longitudinal section of a waveguide which comprises or is formed by six waveguide segments extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another, and two active elements, the least comprise a material or consist of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, or such an active element and an electrode, two lower ones of the waveguide segments below the active elements or arranged beneath the active element and the electrode and preferably in the transverse direction to form a itself between them extending gap are spaced apart, and a first central waveguide segments between the two active elements or between the active element and the electrode is angeord net, and a second central waveguide segment is arranged above the two active elements or above the active element and the electrode is, and the two remaining, upper waveguide segments are arranged above the second central waveguide segment, where the two upper waveguide segments are preferably spaced apart in the transverse direction with the formation of a gap extending between them.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines solchen Modulators umfasst beispielsweise, dass ein Wellenleitermaterial insbesondere auf einen Wafer oder auf eine auf oder oberhalb eines Wafers vorgesehene Schicht aufgebracht, bevorzugt abgeschieden wird und eine Strukturierung erfolgt, um die beiden unteren Wellenleitersegmente und den dazwischen liegenden Spalt zu erhalten und oberhalb dieser ein aktives Element oder eine Elektro de vorgesehen wird, und ein Wellenleitermaterial aufgebracht, bevorzugt abgeschieden wird, um das erste mittlere Wellenleitersegment zu erhalten, und das weitere aktive Element oder eine Elektrode oberhalb des ersten mittleren Wellenleitersegmentes vorgesehen wird, und ein Wellenleitermate rial aufgebracht, bevorzugt abgeschieden wird, um das zweite mittlere Wel lenleitersegment zu erhalten, und ein Wellenleitermaterial aufgebracht, be vorzugt abgeschieden wird und eine anschließende Strukturierung erfolgt, um die beiden obere Wellenleitersegmente und den dazwischenliegenden Spalt zu erhalten. A method according to the invention for producing such a modulator comprises, for example, that a waveguide material is applied, preferably deposited, in particular to a wafer or on a layer provided on or above a wafer, and structuring takes place in order to obtain the two lower waveguide segments and the gap between them and above this an active element or an electrode is provided, and a waveguide material is applied, preferably deposited, in order to obtain the first central waveguide segment, and the further active element or an electrode is provided above the first central waveguide segment, and a waveguide material applied, is preferably deposited in order to obtain the second middle waveguide segment, and a waveguide material is applied, is preferably deposited and a subsequent structuring takes place around the two upper waveguide segments and to keep the gap in between.
Ein elektro-optischer Modulator kann insbesondere zur optischen Signalco dierung verwendet werden. Ein elektro-optischer Modulator kann auch als Ringmodulator ausgebildet sein. Im Falle eines Modulators, der zwei aktive Elemente umfasst gilt weiter be vorzugt, dass die beiden aktiven Elemente voneinander beabstandet und derart versetzt zueinander angeordnet sind bzw. werden, dass sie in einem Überlappungsbereich abschnittsweise übereinander liegen. Umfasst ein Modulator nur ein aktives Element und eine (konventionelle) Elektrode, kann analog in bevorzugter Ausgestaltung gelten, dass das aktive Element und die Elektrode voneinander beabstandet und derart versetzt zueinander ange ordnet sind bzw. werden, dass sie in einem Überlappungsbereich ab- schnittsweise übereinander liegen. An electro-optical modulator can be used in particular for optical signal coding. An electro-optical modulator can also be designed as a ring modulator. In the case of a modulator that comprises two active elements, it is also preferred that the two active elements are or will be arranged at a distance from one another and offset from one another in such a way that they lie on top of one another in sections in an overlapping area. If a modulator comprises only one active element and one (conventional) electrode, it can analogously apply in a preferred embodiment that the active element and the electrode are or will be spaced apart from one another and offset from one another in such a way that they are partially above one another in an overlapping area lie.
Mit anderen Worten fluchtet bzw. überlappt dann ein Abschnitt des einen ak tiven Elementes mit einem Abschnitt des anderen aktiven Elementes bzw. der Elektrode, dies zweckmäßigerWeise ohne, dass sich diese berühren. Bevorzugt gilt zumindest im Bereich des Übereinanderliegens, mit anderen Worten im Überlappungsbereich, dass sich die beiden aktiven Elemente bzw. das aktive Element und die Elektrode bzw. zumindest Abschnitte dieser zu mindest im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken. Der Überlappungsbereich liegt besonders bevorzugt oberhalb oder unterhalb des Spaltes bzw. wird dort vorgesehen. Er fluchtet insbesondere mit diesem. Die optische Mode kann dann im Schlitz zwischen den beiden Wellenleiter segmenten mit hoher elektrischer Feldstärke geführt werden (Schlitzmode, engl slot mode). An den Randbereichen oberhalb und unterhalb des Schlit- zes befindet sich ein Teil der optischen Mode außerhalb des Schlitzes. In diesen Bereichen kann die optische Mode besonders effizient mit einem ak tiven optischen Material wechselwirken. In other words, a section of the one active element then aligns or overlaps with a section of the other active element or the electrode, expediently without these touching one another. Preferably, at least in the area of superposition, in other words in the overlapping area, the two active elements or the active element and the electrode or at least sections of these extend at least substantially parallel to one another. The overlap area is particularly preferably above or below the gap or is provided there. He especially curses with this one. The optical mode can then be guided in the slot between the two waveguide segments with a high electric field strength (slot mode). At the edge areas above and below the slot, part of the optical mode is located outside the slot. In these areas, the optical mode can interact particularly efficiently with an active optical material.
Sind zwei Spalte vorhanden gilt insbesondere, dass der Überlappungsbe- reich oberhalb des einen und unterhalb des anderen Spaltes liegt bzw. vor- gesehen wird. Die beiden Spalte und der Überlappungsbereich bzw. ein Ab schnitt von diesem können fluchten, was sich als besonders geeignet erwie sen hat. Durch die beiden übereinander angeordneten Spalte befindet sich im Bereich zwischen den Spalten ein besonders hoher Anteil der optischen Mode, insbesondere im Vergleich zu einer Anordnung mit nur einem Spalt, wodurch eine besonders effiziente Wechselwirkung mit einem elektroopti schen Material ermöglicht wird. If there are two gaps, it is particularly important that the overlap area is above one and below the other gap. is seen. The two gaps and the overlap area or a section of this can be aligned, which has proven to be particularly suitable. Due to the two superposed gaps, a particularly high proportion of the optical mode is located in the area between the gaps, in particular in comparison to an arrangement with only one gap, which enables a particularly efficient interaction with an electro-optical material.
In Weiterbildung ist bzw. wird oberhalb der beiden aktiven Elemente oder oberhalb des aktiven Elementes und der Elektrode genau ein zwischen zwei beabstandet Wellenleitersegmenten gebildeter Spalt vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann unterhalb der beiden aktiven Elemente oder unterhalb des aktiven Elementes und der Elektrode genau ein zwischen zwei beab- standeten Wellenleitersegmenten gebildeter Spalt vorgesehen sein bzw. werden. In a further development, exactly one gap formed between two spaced-apart waveguide segments is or will be provided above the two active elements or above the active element and the electrode. As an alternative or in addition, exactly one gap formed between two spaced-apart waveguide segments can be provided below the two active elements or below the active element and the electrode.
Die Ausdehnung des Überlappungsbereiches in Querrichtung entspricht in weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung im Bereich vom 0,8-fachen bis 1,8-fachen, bevorzugt 1,0-fachen bis 1,5-fachen der Ausdehnung des oder wenigstens eines der Spalte in Querrichtung. The extent of the overlap area in the transverse direction corresponds in a further particularly advantageous embodiment in the range from 0.8 to 1.8 times, preferably 1.0 to 1.5 times the extent of the or at least one of the gaps in the transverse direction.
Darunter, dass ein Material seinen Brechungsindex ändert ist insbesondere zu verstehen, dass es seine Dispersion (insbesondere Brechzahl) und/oder seine Absorption ändert. Die Dispersion bzw. Brechzahl ist in der Regel durch den Realteil und die Absorption durch den Imaginärteil des komplexen Brechungsindexes gegeben. Unter Materialien, deren Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung(en) und/oder einem elektrischen Feld ändert, sind vorliegend insbesondere sol che zu verstehen, die sich durch den Pockels-Effekt und/oder den Franz-Keldysh-Effekt und/oder den Kerr-Effekt auszeichnen. Darüber hinaus werden auch Materialien, die sich durch den Plasmadispersions-Effekt aus zeichnen vorliegend als solche Materialien erachtet. The fact that a material changes its refractive index is to be understood in particular to mean that it changes its dispersion (in particular refractive index) and / or its absorption. The dispersion or refractive index is usually given by the real part and the absorption by the imaginary part of the complex refractive index. Materials whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge (s) and / or an electric field are to be understood in the present case in particular as those that result from the Pockels effect and / or the Franz-Keldysh -Effect and / or the Kerr effect. Furthermore Materials that are characterized by the plasma dispersion effect are also considered as such materials in the present case.
Es hat sich als besonders geeignet erwiesen, wenn es sich bei dem wenigs tens einen Material wenigstens eines der aktiven Elemente, dessen Bre chungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhan densein von Ladung und/oder einem elektrischen Feld ändert, um Graphen, ggf. chemisch modifiziertes Graphen, und/oder wenigstens ein Dichalko- genid, insbesondere zweidimensionales Übergangsmetall-Dichalkogenid, und/oder Heterostrukturen aus zweidimensionalen Materialien und/oder Germanium und/oder Lithiumniobat und/oder wenigstens ein elekt- ro-optisches Polymer und/oder Silizium und/oder wenigstens einen Verbin dungshalbleiter, insbesondere wenigsten einen Ill-V-Halbleiter und/oder we nigstens einen Il-Vl-Halbleiter, handelt. It has proven to be particularly suitable if the at least one material is at least one of the active elements whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, graphene, optionally chemically modified graphene and / or at least one dichalcogenide, in particular two-dimensional transition metal dichalcogenide, and / or heterostructures made of two-dimensional materials and / or germanium and / or lithium niobate and / or at least one electro-optical polymer and / or Silicon and / or at least one compound semiconductor, in particular at least one III-V semiconductor and / or at least one II-VI semiconductor, is.
Als ganz besonders geeignetes Material für das bzw. die aktiven Elemente hat sich - für alle fünf Aspekte der Erfindung - Graphen erwiesen. Graphene has proven to be a particularly suitable material for the active element or elements for all five aspects of the invention.
Unter elektro-optischen Polymeren sind insbesondere Polymere zu verste hen, die sich dadurch auszeichnen, dass sie einen starken linearen elekt ro-optischen Koeffizienten (Pockels-Effekt) haben. Unter einem starken line aren elektro-optischen Koeffizienten ist bevorzugt ein solcher zu verstehen, der mindestens 150 pm/V, bevorzugt mindestens 250 pm/V beträgt. Dann ist der elektro-optische Koeffizient mindestens etwa fünfmal so groß wie derje nige von Lithiumniobad. Electro-optical polymers are to be understood in particular as polymers which are distinguished by the fact that they have a strong linear electro-optical coefficient (Pockels effect). A strong linear electro-optical coefficient is preferably to be understood as one which is at least 150 pm / V, preferably at least 250 pm / V. Then the electro-optical coefficient is at least about five times that of lithium niobath.
Es gibt unterschiedliche Chalkogenide. Im Rahmen der vorliegenden Erfin dung haben sich insbesondere Übergangsmetall-Dichalkogenide als zweidi mensionale Materialien, wie MoS2 oder WSe2, als besonders geeignet er wiesen. Es sei angemerkt, dass Lithiumniobat und elektro-optische Polymere auf dem elektro-optischen, insbesondere dem Pockels-Effekt basieren, d.h. das E-Feld ändert den Brechungsindex (wie z.B. der Pockels-Effekt in der Po- ckelszelle genutzt wird). Bei Germanium ist es der Franz-Keldysh-Effekt, d.h. das Feld verschiebt die Valenz und Leitungsbandkanten gegeneinander, so dass sich die optischen Eigenschaften ändern. Diese Effekte sind feldba sierte Effekte. Bei Silizium oder Graphen ist es der ladungsträgerbasierte Plasmadispersions-Effekt, d.h. Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) werden in den Bereich der optischen Mode gebracht (entweder befindet sich in der Anordnung ein Kondensator, der aufgeladen wird, oder eine Diode mit einer Sperrschicht, die verarmt und angereichert wird). Der Brechungsindex (Realteil vom Index) und die Absorption (Imaginärteil des Indexes, führt zu free carrier absorption) ändern sich mit der Ladungsträgerkonzentration. There are different chalcogenides. In the context of the present invention, transition metal dichalcogenides in particular have proven to be particularly suitable as two-dimensional materials, such as MoS2 or WSe2. It should be noted that lithium niobate and electro-optical polymers are based on the electro-optical, in particular the Pockels effect, ie the E field changes the refractive index (such as, for example, the Pockels effect is used in the Pockels cell). In the case of germanium, it is the Franz Keldysh effect, ie the field shifts the valence and conduction band edges against each other, so that the optical properties change. These effects are field-based effects. In the case of silicon or graphene, it is the charge carrier-based plasma dispersion effect, i.e. charge carriers (electrons or holes) are brought into the range of the optical mode (either there is a capacitor in the arrangement, which is charged, or a diode with a barrier layer, which depletes and is enriched). The refractive index (real part of the index) and the absorption (imaginary part of the index, leads to free carrier absorption) change with the charge carrier concentration.
Bei Ill-V-Halbleitern bzw. handelt es sich in an sich bekannter Weise um Verbindungshalbleiter, die aus Elementen der Hauptgruppe III und V beste hen. Bei Il-Vl-Halbleitern bzw. handelt es sich in an sich bekannterWeise um Verbindungshalbleiter, die aus Elementen der Hauptgruppe II bzw. Grup- pe-12-Elementen und Elementen der Hauptgruppe VI bestehen. III-V semiconductors or, in a manner known per se, are compound semiconductors that consist of elements from main group III and V best. II-VI semiconductors or, in a manner known per se, are compound semiconductors which consist of elements of main group II or group 12 elements and elements of main group VI.
Viele Materialien zeichnen sich sowohl dadurch aus, dass sich ihr Bre chungsindex in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung und/odereinem elektrischen Feld ändert, als auch dadurch, dass sie elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbieren und infolge der Absorption ein elektrisches Photosignal erzeugen. Für Gra phen beispielsweise ist dies der Fall. Graphen ist entsprechend sowohl für die aktiven Elemente von Photodetektoren als auch Modulatoren geeignet. Dies gilt ebenfalls für Dichalkogenide, etwa zweidimensionale Übergangs- metall-Dichalkogenide, Heterostrukturen aus zweidimensionalen Materialien, Germanium, Silizium sowie Verbindungshalbleiter, insbesondere Ill-V-Halbleiter und/oder Il-Vl-Halbleiter. Lithiumniobad beispielsweise ist in der Regel nur für Modulatoren geeignet. Da es transparent ist, erfüllt es nicht die absorbierende Eigenschaft und kommt daher für Photodetektoren nicht in Frage. Many materials are characterized both by the fact that their refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, as well as by the fact that they absorb electromagnetic radiation of at least one wavelength and, as a result of the absorption, an electrical photo signal produce. This is the case for graphs, for example. Accordingly, graphene is suitable for both the active elements of photodetectors and modulators. This also applies to dichalcogenides, such as two-dimensional transition metal dichalcogenides, heterostructures made from two-dimensional materials, Germanium, silicon and compound semiconductors, in particular III-V semiconductors and / or II-VI semiconductors. Lithium niobath, for example, is usually only suitable for modulators. Since it is transparent, it does not have the absorbing property and is therefore out of the question for photodetectors.
Bei einem Material, das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektrisches Photo signal erzeugt und/oder dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung und/oder einem elektrischen Feld ändert kann man auch von einem elektro-optisch aktiven Material sprechen. Das aktive Element bzw. die aktiven Elemente umfassen mit anderen Worten wenigstens ein elektro-optisch aktives Material bzw. be stehen mit anderen Worten aus wenigstens einem elektro-optisch aktiven Material. In the case of a material that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption and / or whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, one can also use an electro - speak optically active material. In other words, the active element or the active elements comprise at least one electro-optically active material or, in other words, consist of at least one electro-optically active material.
Es kann sein, dass das oder wenigstens eines der aktiven Elemente in Form eines Films vorliegt bzw. vorgesehen wird. Ein Film zeichnet sich bevorzugt in an sich bekannter Weise durch eine deutlich größere laterale Ausdehnung als Dicke aus. Das wenigstens ein aktives Element kann sich ferner durch einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auszeichnen. It may be that the or at least one of the active elements is present or is provided in the form of a film. A film is preferably characterized in a manner known per se by a significantly greater lateral extent than its thickness. The at least one active element can also be characterized by a square or rectangular cross section.
Das oder wenigstens ein aktives Element kann ferner eine oder mehrere Lagen bzw. Schichten aus wenigstens einem Material, dessen Brechungsin- dex sich ändert und/oder das absorbiert, umfassen oder aus einer oder mehreren Lagen bzw. Schichten wenigstens eines solchen gebildet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das oder wenigstens ein aktives Element als Film ausgebildet ist, der mehrere Lagen bzw. Schichten aus ei nem oder auch verschiedenen Materialien umfasst. Als besonders geeignet haben sich Filme aus Graphen, ggf. chemisch modi fiziertem Graphen, oder auch Dichalkogenid-Graphen-Heterostrukturen be stehend aus mindestens einer Lage Graphen und mindestens einer Lage eines Dichalkogenids oder Anordnungen aus mindestens einer Lage Borni- trid und mindestens einer Lage Graphen erwiesen. The or at least one active element can further comprise one or more layers or layers made of at least one material whose refractive index changes and / or which absorbs, or can be formed from one or more layers or layers of at least one such material. In particular, it can be provided that the or at least one active element is designed as a film which comprises a plurality of layers or layers made of one or also different materials. Films made of graphene, possibly chemically modified graphene, or dichalcogenide-graphene heterostructures consisting of at least one layer of graphene and at least one layer of a dichalcogenide or arrangements of at least one layer of boron tride and at least one layer of graphene have proven to be particularly suitable proven.
Aktive Elemente können beispielsweise auch eine oder mehrere Silizium schichten umfassen bzw. dadurch gegeben sein. Insbesondere in diesem Fall kann vorgesehen sein, das eines oder mehrere aktive Elemente bzw. Abschnitte dieser einen Wellenleiter(abschnitt) bilden. Active elements can, for example, also comprise or be given by one or more silicon layers. In this case, in particular, it can be provided that one or more active elements or sections thereof form a waveguide (section).
Das oder die aktiven Elemente können ferner dotiert sein bzw. dotierte Ab schnitte bzw. Regionen aufweisen, beispielsweise p-dotiert und/oder n-dotiert sein bzw. entsprechende Abschnitte bzw. Regionen umfassen. Es kann auch sein, dass ein p- und ein n-dotierte Bereich und ein bevorzugt dazwischen liegender undotierter Bereich vorliegen bzw. vorgesehen werden. Dies wird auch als pin-Übergang bezeichnet, wobei das i für intrinsisch, also undotiert steht. Im Rahmen der Herstellung des oder des jeweiligen aktiven Elementes kön nen die gleichen Verfahren zum Einsatz kommen oder gekommen sein, die vorstehend im Zusammenhang mit den Gateelektroden erläutert wurden. The active element or elements can furthermore be doped or have doped sections or regions, for example p-doped and / or n-doped or comprise corresponding sections or regions. It can also be that a p-doped and an n-doped region and an undoped region preferably lying in between are present or are provided. This is also known as the pin junction, where the i stands for intrinsic, i.e. undoped. In the context of the production of the respective active element or elements, the same methods can be used or have been used that were explained above in connection with the gate electrodes.
Diese schließen auch Transferverfahren ein. Dies bedeutet dann insbeson- dere, dass das bzw. das jeweilige Element nicht monolithisch etwa auf einer Schicht hergestellt wird/werden bzw. wurde/wurden, sondern separat herge stellt und dann transferiert, mit anderen Worten übertragen wird/werden bzw. wurde/wurden. Ein Transferverfahren für Graphen ist beispielsweise aus den Aufsätzen “Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils” von Li et al., Science 324, 1312, (2009) und “ Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes” von Bae et al, Nature Nanotech 5, 574-578 (2010) bzw. für LiNbO aus dem Aufsatz “Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages”, Nature volume 562, pages 101104 (2018) bzw. U.a. für GaAs aus dem Aufsatz “Transfer print techniques for heterogeneous Integration of photonic components”, Progress in Quantum Electronics Volume 52, March 2017, Pages 1-17 bekannt. Eines dieser Verfahren kann auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung angewendet werden, um eine oder mehrere Graphen- bzw. LiNbO- bzw. GaAs-Schichten/-Filme zu erhal- ten. An ein Transferverfahren kann sich eine Strukturierung anschließen. These also include transfer procedures. This then means in particular that the element or the respective element is / are or was / were not produced monolithically, for example, on one layer, but produced separately and then transferred, in other words, is / are / was / was / were transferred . A transfer method for graphene is, for example, from the articles “Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils” by Li et al., Science 324, 1312, (2009) and “ Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes ”by Bae et al, Nature Nanotech 5, 574-578 (2010) or for LiNbO from the article“ Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS- compatible voltages ”, Nature volume 562, pages 101104 (2018) or, inter alia, for GaAs from the article“ Transfer print techniques for heterogeneous integration of photonic components ”, Progress in Quantum Electronics Volume 52, March 2017, Pages 1-17. One of these methods can also be used within the scope of the present invention in order to obtain one or more graphene or LiNbO or GaAs layers / films. A transfer method can be followed by structuring.
Oberhalb, ggf. auf wenigstens einem der aktiven Elemente kann ferner eine Passivierungsschicht und/oder ein Cladding vorgesehen sein. Ein Cladding ist insbesondere dazu geeignet bzw. ausgebildet, den Indexkontrast etwas geringer zu machen, so dass sich Rauheiten an den Seitenwänden nicht ganz so stark auswirken; üblicherweise gehen die Verluste in den bzw. die Wellenleiter zurück. Eine Passivierungsschicht dient bevorzugt dem Zweck, die Anordnung bzw. Schaltung vor Umwelteinflüssen, insbesondere Wasser, zu schützen. Eine Passivierungsschicht kann beispielsweise aus einem die- lektrischen Material bestehen. Als besonders geeignet haben sich Alumini umoxid (AL2O3) und Siliziumdioxid (S1O2) erwiesen. A passivation layer and / or a cladding can also be provided above, possibly on at least one of the active elements. A cladding is particularly suitable or designed to make the index contrast somewhat lower, so that roughness on the side walls does not have such a pronounced effect; Usually the losses in the waveguide (s) are reduced. A passivation layer preferably serves the purpose of protecting the arrangement or circuit from environmental influences, in particular water. A passivation layer can consist of a dielectric material, for example. Aluminum oxide (AL2O3) and silicon dioxide (S1O2) have proven to be particularly suitable.
Eine obere, abschließende Passivierungsschicht weist zweckmäßiger Weise Öffnungen bzw. Unterbrechungen zu darunterliegenden Kontakten auf, um einen elektrischen Anschluss zu ermöglichen. Öffnungen bzw. Unterbre chungen in einer Passivierungsschicht können beispielsweise durch Litho graphie und/oder Ätzen, insbesondere reaktives lonenätzen, erhalten werden bzw. worden sein. Das bzw. das jeweilige aktive Element kann an einer Seite oder auch jeweils an gegenüberliegenden Seiten mit einem Kontakt bzw. Kontaktelement ver bunden sein. Die Kontakte bzw. Kontaktelemente können mit Verbindungs elemente, insbesondere VIAs, in Kontakt stehen. Über die Verbindungsele- mente kann beispielsweise ein Anschluss an eines oder mehrere integrierte elektronische Bauteile aus dem Front-End-of-Line eines Chips oder Wafers erzielt werden. Unter verbunden sein ist zweckmäßiger Weise elektrisch leit fähig verbunden zu verstehen. Es sei angemerkt, dass insbesondere im Falle eines Detektors mit nur einem aktiven Element vorgesehen sein kann, dass dieses mit zwei Kontakten bzw. Kontaktelementen in Kontakt steht, bevorzugt an gegenüberliegenden Sei ten, und im Falle eines Modulators mit zwei aktiven Elementen bzw. einem aktiven Element und einer Elektrode gilt, dass diese jeweils mit einem Kon- takt bzw. Kontaktelement in Kontakt stehen. Dies bevorzugt an denjenigen Endbereichen bzw. Enden, die von dem Bereich abgewandt sind, indem sie abschnittsweise Übereinanderliegen bzw. überlappen. An upper, final passivation layer expediently has openings or interruptions to the underlying contacts in order to enable an electrical connection. Openings or interruptions in a passivation layer can be or have been obtained, for example, by lithography and / or etching, in particular reactive ion etching. The or the respective active element can be connected to a contact or contact element on one side or on opposite sides. The contacts or contact elements can be in contact with connecting elements, in particular VIAs. For example, a connection to one or more integrated electronic components from the front-end-of-line of a chip or wafer can be achieved via the connecting elements. To be connected is to be understood in an expedient manner in an electrically conductive manner. It should be noted that, in particular in the case of a detector with only one active element, it can be provided that it is in contact with two contacts or contact elements, preferably on opposite sides, and in the case of a modulator with two active elements or one active Element and an electrode, it is true that these are each in contact with a contact or contact element. This is preferably done at those end regions or ends which are turned away from the region in that they lie one above the other or overlap in sections.
Das oder wenigstens eines der aktiven Elemente ist bzw. wird zweckmäßiger Weise derart relativ zu dem Längsabschnitt des Wellenleiters angeordnet, dass es zumindest abschnittsweise dem evaneszenten Feld von elektro magnetischer Strahlung, diesem geführt wird, ausgesetzt ist. Bevorzugt ist oder wird wenigstens ein aktives Element in einem Abstand kleiner gleich 50 nm, besonders bevorzugt kleiner gleich 30 nm zu dem Längsabschnitt des Wellenleiters angeordnet, beispielsweise in einem Abstand von 10 nm. The or at least one of the active elements is or is expediently arranged relative to the longitudinal section of the waveguide in such a way that it is at least partially exposed to the evanescent field of electromagnetic radiation which is guided by this. Preferably, at least one active element is or will be arranged at a distance of less than or equal to 50 nm, particularly preferably less than or equal to 30 nm, from the longitudinal section of the waveguide, for example at a distance of 10 nm.
Das oder wenigstens eines der aktiven Element zeichnet sich weiterhin be vorzugt durch eine Ausdehnung in Längsrichtung im Bereich von 5 bis 500 Mikrometern aus. Es kann auch sein, dass sich das oder wenigstens eines der aktiven Ele mente zumindest abschnittsweise auf dem und/oder innerhalb des Längsab schnitts des Wellenleiters erstreckt, im letztgenannten Falle beispielsweise zwischen zwei Segmenten dieses. The or at least one of the active elements is also preferably characterized by an extension in the longitudinal direction in the range from 5 to 500 micrometers. It can also be that the or at least one of the active elements extends at least in sections on and / or within the longitudinal section of the waveguide, in the latter case for example between two segments of the waveguide.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das oder we nigstens eines der aktiven Elemente in einem im Querschnitt betrachtet zu mindest im Wesentlichen Trapez-förmigen Bereich des Längsabschnitts des Wellenleiters auf oder oberhalb des Wellenleiters angeordnet ist und bevor- zugt der Trapezform folgt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das oder wenigstens eines der aktiven Elemente in einem im Quer schnitt betrachtet zumindest im Wesentlichen Trapez-förmigen Bereich einer Planarisierungsschicht auf oder oberhalb der Planarisierungsschicht ange ordnet ist und bevorzugt der Trapezform folgt. In a further advantageous embodiment it is provided that the or at least one of the active elements is arranged on or above the waveguide in a region of the longitudinal section of the waveguide which is at least essentially trapezoidal when viewed in cross section and preferably follows the trapezoidal shape. Alternatively or additionally, it can be provided that the or at least one of the active elements is arranged in an at least substantially trapezoidal area of a planarization layer, viewed in cross section, on or above the planarization layer and preferably follows the trapezoidal shape.
Bei Wellenleitern gilt, dass ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, ins besondere des Lichts, evaneszent außerhalb des Wellenleiters geführt wird. Die Grenzfläche des Wellenleiters ist dielektrisch und entsprechend wird die Intensitätsverteilung durch die Randbedingungen gemäß Maxwell mit einem exponentiellen Abfall beschrieben. Wird ein elektro-optisch aktives Material, beispielsweise Graphen auf den bzw. in die Nähe des Wellenleiters in das evaneszente Feld gebracht, können Photonen mit dem Material, insbeson dere Graphen, in Wechselwirkung treten. Es existieren vier Effekte in Graphen, die zu einem Photosignal führen. Ei nerseits der bolometrischer Effekt, gemäß dem durch die absorbierte Energie der Widerstand des Graphens steigt und sich ein angelegter DC Strom redu ziert. Die Änderung des DC Stroms ist dann das Photosignal. Ein weiterer Effekt ist die Photoleitfähigkeit. Dabei führen absorbierte Photonen zu einer Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration und die zusätzlichen Ladungsträ- ger reduzieren den Widerstand des Graphens wegen der Proportionalität des Widerstands zur Ladungsträgerkonzentration. Ein angelegter DC Strom er höht sich und die Änderung ist das Photosignal. Es existiert auch ein ther moelektrischer Effekt, gemäß dem sich durch einen pn Übergang und einen Temperaturgradienten an diesem Übergang wegen unterschiedlicher See beckkoeffizienten für das p und n Gebiet eine Thermospannung ergibt. Der Temperaturgradient entsteht durch die Energie des absorbierten optischen Signals. Diese Thermospannung ist dann das Signal. Der vierte Effekt ist dadurch gegeben, dass an einem pn Übergang die angeregten Elekt- ron-Lochpaare getrennt werden. Der resultierende Photostrom ist das Signal. In the case of waveguides, part of the electromagnetic radiation, especially light, is guided evanescent outside the waveguide. The interface of the waveguide is dielectric and accordingly the intensity distribution is described by the boundary conditions according to Maxwell with an exponential decrease. If an electro-optically active material, for example graphene, is brought into the evanescent field on or near the waveguide, photons can interact with the material, in particular graphene. There are four effects in graphs that lead to a photo signal. On the one hand, there is the bolometric effect, according to which the resistance of the graph increases due to the absorbed energy and an applied DC current is reduced. The change in DC current is then the photo signal. Another effect is the photoconductivity. Absorbed photons lead to an increase in the charge carrier concentration and the additional charge carriers ger reduce the resistance of the graph because of the proportionality of the resistance to the charge carrier concentration. An applied DC current increases and the change is the photo signal. There is also a thermoelectric effect, according to which a pn junction and a temperature gradient at this junction result in a thermal voltage for the p and n areas due to different lake basin coefficients. The temperature gradient is created by the energy of the absorbed optical signal. This thermal voltage is then the signal. The fourth effect is given by the fact that the excited electron-hole pairs are separated at a pn junction. The resulting photocurrent is the signal.
Im Falle eines Modulators kann, wie vorstehend dargelegt, eine elektrische Steuerelektrode und ein dazu zweckmäßiger Weise isoliertes aktives Ele ment mit oder aus wenigstens einem Material, dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung bzw. von Ladungen bzw. einem elektrischen Feld ändert, insbesondere aus Graphen vorgesehen sein bzw. auch die Elektrode aus einem entsprechenden Material, insbesondere Graphen, be stehen, so dass im Betrieb dann zwei aktive Elemente gemeinsam im eva- neszenten Feld sind und die elektro-optische Funktion ausführen. Graphen beispielsweise kann durch eine Steuerspannung seine optischen Eigen schaften ändern. Im besonders vorteilhaften Fall einer Gra- phen-Dielektrikum-Graphen-Anordnung entsteht eine Kapazität und die bei den Filme Graphen beeinflussen sich gegenseitig. Durch eine Spannung wird die Kapazität bestehend aus den Graphen-Elektroden bildenden beiden ak- tiven Elementen geladen und die Elektronen besetzen Zustände im Graphen. Daraus ergibt sich eine Verschiebung der Fermi-Energie (Energie des letzten besetzten Zustands im Kristall) zu höheren Energien (oder wegen Symmetrie zu niedrigeren). Erreicht die Fermi-Energie die halbe Energie der Photonen, können diese nicht mehr absorbiert werden, weil die für den Absorptionsvor- gang erforderlichen freien Zustände bei der richtigen Energie bereits besetzt sind. In diesem Zustand ist das Graphen folglich transparent, weil die Ab sorption verboten ist. Durch Wechsel der Spannung wird das Graphen zwi schen absorbierend und transparent hin und her geschaltet. Ein kontinuier lich leuchtender Laserstahl wird in seiner Intensität moduliert und kann so zur Informationsübertragung eingesetzt werden. Ebenfalls ändert sich der Real teil des Brechungsindexes mit der Steuerspannung. Durch Wechsel der Spannung kann über den sich ändernden Brechungsindex die Phasenlage eines Lasers moduliert und so Phasenmodulation erreicht werden. Bevorzugt wird die Phasenmodulation in einem Bereich betrieben, in dem alle Zustände bis über der halben Photonenenergie besetzt sind, so dass das Graphen transparent ist und sich maßgeblich der Realteil des Brechungsindexes ver schiebt und die Änderung der Absorption eine untergeordnete Rolle spielt. In the case of a modulator, as explained above, an electrical control electrode and an active element which is expediently insulated for this purpose with or made of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage or charges or an electric field, in particular made of graphene be provided or the electrode be made of a corresponding material, in particular graphene, so that two active elements are then jointly in the evacuating field during operation and perform the electro-optical function. Graphene, for example, can change its optical properties through a control voltage. In the particularly advantageous case of a graphene-dielectric-graphene arrangement, a capacitance is created and the graphs in the films influence one another. The capacitance consisting of the two active elements forming the graphene electrodes is charged by a voltage and the electrons occupy states in the graph. This results in a shift of the Fermi energy (energy of the last occupied state in the crystal) to higher energies (or due to symmetry to lower ones). If the Fermi energy reaches half the energy of the photons, these can no longer be absorbed because the free states required for the absorption process are already occupied at the correct energy are. In this state, the graph is consequently transparent because absorption is prohibited. By changing the voltage, the graph is switched back and forth between absorbing and transparent. A continuously luminous laser beam is modulated in its intensity and can thus be used to transmit information. The real part of the refractive index also changes with the control voltage. By changing the voltage, the phase position of a laser can be modulated via the changing refractive index and thus phase modulation can be achieved. The phase modulation is preferably operated in a range in which all states are occupied up to more than half the photon energy, so that the graph is transparent and the real part of the refractive index shifts significantly and the change in absorption plays a subordinate role.
Ebenfalls im Zusammenhang sowohl mit den Photodetektoren gemäß dem ersten und zweiten Aspekt als auch den Modulatoren gemäß dem dritten, vierten und fünften Aspekt der Erfindung kann ferner das Folgende gelten. Also in connection with both the photodetectors according to the first and second aspects and the modulators according to the third, fourth and fifth aspects of the invention, the following can also apply.
Unter einem Wellenleiter und einem Längsabschnitt eines solchen ist insbe sondere ein Element bzw. eine Komponente zu verstehen, die eine elektro- magnetische Welle, etwa Licht, leitet. Um die Welle zu leiten wird zweckmä ßiger Weise ein von der Wellenlänge abhängiger Querschnitt eines optisch transparenten Materials, das sich von einem benachbarten Material, das ebenfalls für diese Wellenlänge transparent ist, durch einen Brechungsin dexkontrast auszeichnet, vorgesehen. Ist der Brechungsindex des umge- benden Materials niedriger, wird das Licht im Bereich des höheren Bre chungsindexes geführt. Für den besonderen Fall einer Schlitzmode sind zwei Bereiche hohen Brechungsindexes von einem bezüglich der Wellenlänge schmalen Bereich niedrigen Brechungsindexes getrennt und das Licht wird im Bereich des niedrigen Brechungsindexes geführt. Um niedrige Verluste durch Streuung zu erreichen, ist eine geringe Seitenwandrauheit vorteilhaft. In der Regel wird bzw. werden - beispielsweise auf einem Chip oder einem Wafer - einer oder mehrere Wellenleiter vorgesehen sein. Teil eines erfin dungsgemäßen Photodetektors bzw. Modulators wird in der Regel nur ein Längsabschnitt eines solchen sein, zweckmäßiger Weise ein Längsabschnitt, der sich unterhalb eines aktiven Elementes dieses erstreckt. Selbstverständ lich ist aber auch nicht ausgeschlossen, dass ein Wellenleiter über seinen gesamte Längsausdehnung als Bestandteil eines erfindungsgemäßen Pho todetektors bzw. Modulators erachtet wird. Mit anderen Worten kann ein solcher zusätzlich zu dem sich insbesondere unterhalb eines aktiven Ele mentes erstreckenden Längsabschnitt eines Wellenleiters auch den Rest dieses umfassen. A waveguide and a longitudinal section of such is to be understood in particular as an element or a component that guides an electromagnetic wave, such as light. In order to guide the wave, a wavelength-dependent cross-section of an optically transparent material that is distinguished by a refraction index from an adjacent material that is also transparent for this wavelength is expediently provided. If the refractive index of the surrounding material is lower, the light is guided in the range of the higher refractive index. For the special case of a slit mode, two regions with a high refractive index are separated from a region with a narrow refractive index with respect to the wavelength, and the light is guided in the region of the low refractive index. In order to achieve low losses through scattering, a low side wall roughness is advantageous. As a rule, one or more waveguides will be provided, for example on a chip or a wafer. Part of a photodetector or modulator according to the invention will generally only be a longitudinal section of such, expediently a longitudinal section which extends below an active element of the latter. Of course, however, it is also not ruled out that a waveguide is regarded as a component of a photodetector or modulator according to the invention over its entire longitudinal extent. In other words, such a waveguide can also include the rest of the waveguide in addition to the longitudinal section of a waveguide that extends in particular below an active element.
Was die Abmessungen von Wellenleitern angeht, kann beispielsweise das Folgende gelten. Die Dicke liegt bevorzugt im Bereich von 150 Nanometern bis 10 Mikrometer. Die Breite und Länge der Wellenleiter kann sich insbe sondere im Bereich von 100 Nanometer und 10 Mikrometer bewegen. As for the dimensions of waveguides, the following may apply, for example. The thickness is preferably in the range from 150 nanometers to 10 micrometers. The width and length of the waveguide can move in particular in the range of 100 nanometers and 10 micrometers.
Einer Wellenleiter kann beispielsweise als Streifenwellenleiter ausgebildet sein, der sich beispielsweise durch einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auszeichnet, was dann auch für einen Längsabschnitt eines sol chen gilt. Ein Wellenleiter kann alternativ oder zusätzlich auch als Rippen wellenleiter mit T-förmigem Querschnitt ausgebildet sein. Weiter alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass ein Wellenleiter durch einen Schlitzwel- lenleiter gegeben ist. A waveguide can be designed, for example, as a strip waveguide, which is characterized, for example, by a rectangular or square cross section, which then also applies to a longitudinal section of such a surface. A waveguide can alternatively or additionally also be designed as a ribbed waveguide with a T-shaped cross section. As an alternative or in addition, it is also possible that a waveguide is provided by a slotted waveguide.
Ein Wellenleiter bzw. Längsabschnitt eines solchen kann im Querschnitt be trachtet mehrere Abschnitte bzw. Segmente umfassen und mehrteilig ausge bildet sein, etwa ein erstes, beispielsweise unteres oder linkes, und ein zweites, beispielsweise oberes oder rechtes Segment umfassen oder daraus bestehen. Es kann sein, dass eines oder mehrere Wellenleitersegmente sich durch einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auszeichnen. Auch ist es möglich, dass eines oder mehrere Segmente eines Wellenleiters sich zumindest abschnittsweise durch einen sich verjüngenden Querschnitt und/oder zumindest abschnittsweise durch einen sich verbreiternden Quer schnitt auszeichnen. A waveguide or longitudinal section of such a cross-section can include several sections or segments and be multi-part forms, such as a first, for example lower or left, and a second, for example upper or right segment or comprise them exist. It may be that one or more waveguide segments are characterized by a rectangular or square cross section. It is also possible that one or more segments of a waveguide are characterized at least in sections by a tapering cross section and / or at least in sections by a widening cross section.
Weist ein Wellenleiter zwei oder mehr Segmente auf bzw. besteht daraus, können diese aneinander anliegen oder ineinander übergehen oder auch - etwa unter Bildung wenigstens eines Spaltes bzw. Schlitzes (englisch: slot) - zueinander beabstandet sein. If a waveguide has or consists of two or more segments, these can lie against one another or merge into one another or also be spaced apart from one another - for example with the formation of at least one gap or slot.
Der Längsabschnitt des Wellenleiters umfasst - sowohl im Falle der vorge nannten Photodetektoren gemäß dem ersten und zweiten Aspekt als auch der vorgenannten Modulatoren gemäß dem dritten, vierten und fünften As pekt der Erfindung - in besonders zweckmäßiger Ausgestaltung wenigstens ein Material, das für elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge von 850 nm und/oder 1310 nm und/oder 1550 nm transparent ist oder besteht aus einem solchen. Besonders bevorzugt ist es für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 900 nm und/oder von 1260 nm bis 1360 nm (sogenanntes Original Band bzw. kurz O-Band) und/oder 1360 nm bis 1460 nm (sogenanntes Extend Band oder kurz E-Band) und/oder 1460 nm bis 1530 nm (sogenanntes Short Band oder kurz S-Band) und/oder von 1530 nm bis 1565 nm (sogenanntes Conventional Band bzw. kurz C-Band) und/oder 1565 nm bis 1625 nm (sogenanntes Long Band bzw. kurz L-Band) transparent. Diese Bänder sind aus dem Bereich der Nachrichtentechnik vorbekannt. The longitudinal section of the waveguide comprises - both in the case of the aforementioned photodetectors according to the first and second aspect and the aforementioned modulators according to the third, fourth and fifth aspect of the invention - in a particularly expedient embodiment at least one material that is suitable for electromagnetic radiation of one wavelength of 850 nm and / or 1310 nm and / or 1550 nm is transparent or consists of such. It is particularly preferred for electromagnetic radiation in the wavelength range from 800 nm to 900 nm and / or from 1260 nm to 1360 nm (so-called original tape or O-band for short) and / or 1360 nm to 1460 nm (so-called extend band or E for short -Band) and / or 1460 nm to 1530 nm (so-called short band or S-band for short) and / or from 1530 nm to 1565 nm (so-called conventional band or C-band for short) and / or 1565 nm to 1625 nm ( so-called long band or short L-band) transparent. These tapes are already known from the field of communications engineering.
Als Materialien für den Längsabschnitt des Wellenleiters haben sich bei- spielsweise als besonders geeignet erwiesen: Titandioxid und/oder Alumi- niumnitrid und/oder Tantalpentoxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Alumi niumoxid und/oder Siliziumoxynitrid und/oder Lithiumniobat und/oder Silizi um, insbesondere Polysilizium, und/oder Indiumphosphit und/oder Galli- umarsenid und/oder Indiumgalliumarsenid und/oder Aluminiumgalliumarsenid und/oder wenigstens ein Dichalkogenid, insbesondere zweidimensionales Übergangsmetall-Dichalkogenid, und/oder Chalkogenidglas und/oder Hete rostrukturen aus zweidimensionalen Materialien und/oder Harze bzw. Harz enthaltende Materialien, insbesondere SU8, und/oder Polymere bzw. Poly mere enthaltende Materialien, insbesondere OrmoClad und/oder OrmoCore. Dabei kann der Längsabschnitt des Wellenleiters eines oder mehrere dieser Materialien umfassen oder auch aus einem dieser Materialien oder aus einer Kombination von zwei oder mehr dieser Materialien bestehen. Dies kann je weils nur für eines oder mehrere, ggf. alle Wellenleitersegmente gelten. Weist der Längsabschnitt des Wellenleiters mehrere Wellenleitersegmente auf, können diese alle das oder die gleichen Materialien umfassen bzw. aus dem oder den gleichen Materialien bestehen. Es ist aber natürlich auch mög lich, dass sich zwei oder mehr Segmente bezüglich ihres Materials bzw. ihrer Materialien unterscheiden. Es kann zum Beispiel sein, dass wenigstens ein Wellenleitersegment sich durch einen Brechungsindex auszeichnet, der größer ist als der Brechungsindex wenigstens eines weiteren Wellenleiter segmentes. Beispielsweise können für den Fall, dass mehrere Wellenleiter segmente Sandwich- bzw. stapelartig übereinander liegen die äußeren Seg mente einen geringeren Brechungsindex aufweisen. Dann wird das Licht in der Mitte der Wellenleiteranordnung gebündelt. Rein Beispielhaft für zugehö rige Materialien seinen ein oberes und unteres Segment aus Aluminiumoxid mit einem zwischen diesen befindlichen mittleren Segment aus Titanoxid genannt. Auch für ein Wellenleitersegment, das zwischen zwei aktiven Elementen liegt, hat sich ein - im Vergleich zu verbleibenden Segmenten höherer Bre chungsindex als vorteilhaft erwiesen, da das Licht dann im Bereich der akti ven Elemente gebündelt wird. For example, the following materials have proven to be particularly suitable for the longitudinal section of the waveguide: titanium dioxide and / or aluminum nium nitride and / or tantalum pentoxide and / or silicon nitride and / or aluminum oxide and / or silicon oxynitride and / or lithium niobate and / or silicon, in particular polysilicon, and / or indium phosphite and / or gallium arsenide and / or indium gallium arsenide and / or aluminum gallium arsenide and / or at least one dichalcogenide, in particular two-dimensional transition metal dichalcogenide, and / or chalcogenide glass and / or heterostructures made of two-dimensional materials and / or resins or resin-containing materials, in particular SU8, and / or polymers or polymers containing materials, in particular OrmoClad and / or OrmoCore. The longitudinal section of the waveguide can comprise one or more of these materials or also consist of one of these materials or a combination of two or more of these materials. This can only apply to one or more, possibly all, waveguide segments. If the longitudinal section of the waveguide has a plurality of waveguide segments, these can all comprise the same material or materials or consist of the same material or materials. But it is of course also possible that two or more segments differ in terms of their material or their materials. It can be, for example, that at least one waveguide segment is characterized by a refractive index which is greater than the refractive index of at least one further waveguide segment. For example, in the event that several waveguide segments are sandwiched or stacked on top of one another, the outer segments can have a lower refractive index. Then the light is focused in the center of the waveguide arrangement. Purely by way of example for associated materials, an upper and a lower segment made of aluminum oxide with a middle segment made of titanium oxide located between them are mentioned. For a waveguide segment that lies between two active elements, a higher refractive index than the remaining segments has proven to be advantageous, since the light is then bundled in the area of the active elements.
Unterschiedliche Materialien der Segmente eines Wellenleiter(abschnitt)s können auch aus dem Grunde vorteilhaft sein, dass sich diese durch ver schiedene Ätzraten auszeichnen. Dies kann Vorteile im Rahmen der Her stellung bieten, etwa für erforderliche Strukturierungen. Different materials of the segments of a waveguide (section) can also be advantageous for the reason that they are characterized by different etching rates. This can offer advantages in terms of manufacture, for example for necessary structuring.
Die Herstellung des Längsabschnitts des Wellenleiters kann einschließen bzw. eingeschlossen haben, dass ein Wellenleitermaterial aufgebracht, ins besondere abgeschieden bzw. aufgeschleudert oder transferiert wird oder wurde, und anschließend bevorzugt eine Strukturierung des aufgebrachten Wellenleitermaterials insbesondere mittels Lithografie und/oder reaktivem lonenätzen (RIE) durchgeführt wird oder wurde. Es können beispielsweise die gleichen Abscheidungsverfahren zum Einsatz kommen, die vorstehend im Zusammenhang mit den Gateelektroden genannt wurden. Der Wellenleiter bzw. Längsabschnitt dieses kann ein- oder mehrteilig aus gebildet sein. Er kann - insbesondere im Querschnitt betrachtet - aus mehreren Wellenleitersegmenten gebildet sein bzw. mehrere Wellenleiter segmente umfassen. Diese können sowohl voneinander beabstandet sein als auch direkt aneinander liegen und in Kontakt miteinander stehen, bei- spielsweise, weil ein Segment unmittelbar auf einem anderen Segment her gestellt wurde, etwa durch Aufbringung, beispielsweise Abscheidung von Material. The production of the longitudinal section of the waveguide can include or have included that a waveguide material is or has been applied, in particular deposited or spun on or transferred, and then preferably structuring of the applied waveguide material, in particular by means of lithography and / or reactive ion etching (RIE) will or was. For example, the same deposition methods can be used that were mentioned above in connection with the gate electrodes. The waveguide or longitudinal section of this can be formed in one or more parts. It can - particularly viewed in cross section - be formed from several waveguide segments or comprise several waveguide segments. These can both be spaced apart from one another and also lie directly against one another and be in contact with one another, for example because a segment was produced directly on another segment, for example by applying, for example, depositing material.
Der Längsabschnitt des Wellenleiters besteht weiter bevorzugt aus wenigs- tens einem Material, dessen Brechungsindex sich von dem Brechungsindex eines ihn umgebenden Materials unterscheidet bzw. er umfasst wenigstens ein solches. The longitudinal section of the waveguide furthermore preferably consists of at least one material whose refractive index differs from the refractive index a surrounding material distinguishes it or it comprises at least one such.
Handelt es sich bei dem Wellenleiter bzw. Wellenleiterlängsabschnitt um ei- nen solchen, der zwei oder mehr Segmente umfasst, von denen wenigstens zwei unter Bildung eines Spaltes voneinander beabstandet sind, kann in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Spalt mit wenigstens einem dielektrischen Material gefüllt ist bzw. wird, dessen Brechungsindex kleiner als der Brechungsindex des Materials der den Spalt definierenden Wellenleitersegmenten ist. If the waveguide or waveguide longitudinal section is one that comprises two or more segments, of which at least two are spaced apart to form a gap, it can be provided in an advantageous embodiment that the gap is filled with at least one dielectric material whose refractive index is smaller than the refractive index of the material of the waveguide segments defining the gap.
Den Längsabschnitt des Wellenleiters an einer oder mehreren Seiten umge ben kann beispielsweise eine Planarisierungsschicht. Als rein beispielhafte Paare von Brechungsindices in einem solchen Falle seien genannt 3,4 (Si) für den Wellenleiterlängsabschnitt und 1,5 (Si02) für die Planarisierungs schicht oder, im Falle von Dielektrika, 2,4 (Ti02) für den Wellenleiterlängs abschnitt und 1 ,5 (Si02) für die Planarisierungsschicht oder 2 (SiN) für den Wellenleiterlängsabschnitt und für die 1 ,47 Planarisierungsschicht. Besonders bevorzugt gilt, dass der Brechungsindex des Längsabschnitts des Wellenleiters um mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 30 % größer ist als der Brechungsindex des umgebenden Material. For example, a planarization layer can surround the longitudinal section of the waveguide on one or more sides. As purely exemplary pairs of refractive indices in such a case, 3.4 (Si) for the longitudinal waveguide section and 1.5 (Si02) for the planarization layer or, in the case of dielectrics, 2.4 (Ti02) for the longitudinal waveguide section and 1.5 (Si02) for the planarization layer or 2 (SiN) for the longitudinal waveguide section and for the 1.47 planarization layer. It is particularly preferred that the refractive index of the longitudinal section of the waveguide is at least 20%, preferably at least 30% greater than the refractive index of the surrounding material.
Der Längsabschnitt des Wellenleiters kann ferner auf oder oberhalb einer Planarisierungsschicht angeordnet sein. The longitudinal section of the waveguide can furthermore be arranged on or above a planarization layer.
Bevorzugt zeichnet sich die Planarisierungsschicht dann an derjenigen Seite, an welcher der Längsabschnitt des Wellenleiters auf dieser angerordnet ist, zumindest abschnittsweise durch eine Rauheit im Bereich von 1 ,0 nm RMS bis 0,1 nm RMS, insbesondere 0,6 nm RMS bis 0,1 nm RMS, bevorzugt 0,4 nm RMS bis 0,1 nm RMS aus. Die Abkürzung nm steht hier und im Folgen den in an sich bekannter Weis für Nanometer (109 m). The planarization layer is then preferably characterized on the side on which the longitudinal section of the waveguide is arranged on it, at least in sections, by a roughness in the range from 1.0 nm RMS to 0.1 nm RMS, in particular 0.6 nm RMS to 0, 1 nm RMS, preferably 0.4 nm RMS to 0.1 nm RMS. The abbreviation nm stands for nanometer (10 9 m) here and in the following in a well-known way.
Alternativ oder zusätzlich kann der Längsabschnitt des Wellenleiters zumin dest abschnittsweise in eine Planarisierungsschicht eingebettet sein, und das aktive Element oder - im Falle des Modulators mit zwei solchen - eines der aktiven Elemente auf der Planarisierungsschicht angeordnet ist. Hier kann dann bevorzugt gelten, dass sich die Planarisierungsschicht an derjenigen Seite, an welcher das aktive Element auf dieser angerordnet ist zumindest abschnittsweise durch eine Rauheit im Bereich von 1 ,0 nm RMS bis 0,1 nm RMS, insbesondere 0,6 nm RMS bis 0,1 nm RMS, bevorzugt 0,4 nm RMS bis 0,1 nm RMS auszeichnet. Alternatively or additionally, the longitudinal section of the waveguide can be embedded at least in sections in a planarization layer, and the active element or - in the case of the modulator with two such - one of the active elements is arranged on the planarization layer. Here it can then preferably apply that the planarization layer on the side on which the active element is arranged on it is at least partially due to a roughness in the range from 1.0 nm RMS to 0.1 nm RMS, in particular 0.6 nm RMS 0.1 nm RMS, preferably 0.4 nm RMS to 0.1 nm RMS.
Ist der Längsabschnitt des Wellenleiters sowohl auf der Oberseite einer Planarisierungsschicht angeordnet als auch in eine Planarisierungsschicht eingebettet, sind zwei Planarisierungsschichten vorhanden. If the longitudinal section of the waveguide is both arranged on the upper side of a planarization layer and embedded in a planarization layer, two planarization layers are present.
Zum Erzielen geeigneter Rauheit kann beispielsweise ein che misch-mechanisches Polieren und/oder eine Resist-Planarisierung durchge führt werden oder worden sein. To achieve a suitable roughness, chemical mechanical polishing and / or resist planarization can, for example, be or have been carried out.
Beim chemisch-mechanischen Polieren wird ein zu polierendes Objekt in der Regel durch eine rotierende Bewegung zwischen Schleifpads poliert. Die Politur erfolgt zum einen chemisch und zum anderen physikalisch mittels ei ner Schleifpaste. Durch die Kombination der chemischen und physikalischen Wirkung können auf sub-nm-Skala glatte Oberflächen erhalten werden. With chemical-mechanical polishing, an object to be polished is usually polished by a rotating movement between grinding pads. The polishing is done chemically on the one hand and physically using a grinding paste on the other. By combining the chemical and physical effects, smooth surfaces can be obtained on a sub-nm scale.
Die Resistplanarisierung schließt insbesondere ein einmaliges oder wieder holtes Spin-on-Glass-Aufschleudern und anschließendes Ätzen, bevorzugt reaktives lonenätzen (englisch: reactive ion etching, kurz: RIE), mit ein. Soll eine Oberfläche, etwa eine Si02-0berfläche, die Höhenunterschiede auf weist, planarisiert werden, kann das mittels Spin-On-Glass aufschleudern und Ätzen erfolgen. Die Spin-on-Glass-Schicht gleicht teilweise die Höhen unterschiede aus, d.h. Täler der Topologie weisen nach der Spin-on-Glass-Beschichtung eine höhere Schichtdicke auf als benachbarte Erhöhungen. Die Ätzrate von Spin-on-Glass und beispielsweise S1O2 ist in einem angepassten RIE-Prozess ähnlich oder gleich. Unter angepasst ist hier insbesondere zu verstehen, dass der Druck, der Gasfluss, die Zusam mensetzung des Gasgemisches und die Leistung entsprechend gewählt werden. Wird nach der Spin-on-Glass-Beschichtung die gesamte Spin-on-Glass-Schicht per RIE geätzt, hat sich der Höhenunterschied wegen der planarisierenden Wirkung der Spin-on-Glass-Schicht reduziert. Durch Wiederholung kann der Höhenunterschied weiter reduziert werden. Die kon sumierte Si02-Schichtdicke muss beim Aufbringen der S1O2 Schicht berück sichtigt werden, so dass nach Abschluss des letzten Ätzschritts die ge wünschte S1O2 Schichtdicke erreicht wird. Es sei betont, dass die Resist planarisierung nicht auf S1O2 beschränkt ist, sondern auch für andere Materi alien in Frage kommt. Zweckmäßig ist, wenn eine Ätzrate des Materials erzielt werden kann, die derjenigen von Spin-On-Glass ähnelt bzw. zumin dest im Wesentlichen mit dieser übereinstimmt. Für S1O2 und Spin-On-Glass ist diese Bedingung erfüllt. Es sei angemerkt, dass beispielsweise auch Ma terialien, deren Ätzrate von derjenigen von Spin-On-Glass um einen Faktor 2 abweicht, möglich sind, wobei dann in der Regel mehrere Durchgänge nötig sind. Als flüssiges Material aufgebracht, insbesondere aufgeschleudert wer den kann beispielsweise Wasserstoff-Silsesquioxan und/oder ein Polymer. Dieses verglast bei einem anschließenden Ausheizen, weshalb es auch als Spin-on-Glas bezeichnet wird. Bei Wasserstoff-Silsesquioxan (englisch: hydrogen silsesquioxane, kurz: HSQ) handelt es sich um eine Klasse anor ganischer Verbindungen mit der Formel [HSi03/2]n. Das chemisch-mechanische Polieren und/oder die Resistplanarisierung können insbesondere derart durchgeführt werden oder worden sein, dass eine Rauheit im Bereich von 1,0 nm RMS bis 0,1 nm RMS, insbesondere 0,6 nm RMS bis 0,1 nm RMS, bevorzugt 0,4 nm RMS bis 0,1 nm RMS erhalten wird oder wurde. The resist planarization includes, in particular, a one-time or repeated spin-on-glass spin-on and subsequent etching, preferably reactive ion etching (RIE for short). Intended to a surface, such as a Si0 2 surface, which has height differences, are planarized, this can be done by spin-on glass and etching. The spin-on-glass layer partially compensates for the height differences, ie valleys in the topology have a higher layer thickness after the spin-on-glass coating than neighboring elevations. The etching rate of spin-on-glass and, for example, S1O 2 is similar or the same in an adapted RIE process. Adapted here is to be understood in particular to mean that the pressure, the gas flow, the composition of the gas mixture and the power are selected accordingly. If the entire spin-on-glass layer is etched by RIE after the spin-on-glass coating, the height difference has been reduced due to the planarizing effect of the spin-on-glass layer. Repetition can further reduce the height difference. The consumed SiO 2 layer thickness must be taken into account when applying the S1O 2 layer so that the desired S1O 2 layer thickness is achieved after the last etching step. It should be emphasized that the resist planarization is not limited to S1O 2 , but can also be used for other materials. It is expedient if an etching rate of the material can be achieved which is similar to that of spin-on glass or at least essentially corresponds to it. This condition is met for S1O 2 and spin-on-glass. It should be noted that, for example, materials whose etching rate differs from that of spin-on-glass by a factor of 2 are also possible, in which case several passes are usually necessary. Applied as a liquid material, in particular spun on who can, for example, hydrogen silsesquioxane and / or a polymer. This vitrifies when it is subsequently baked out, which is why it is also known as spin-on glass. Hydrogen silsesquioxane (English: hydrogen silsesquioxane, HSQ for short) is a class of inorganic compounds with the formula [HSi03 / 2] n. The chemical-mechanical polishing and / or the resist planarization can in particular be carried out or have been carried out in such a way that a roughness in the range from 1.0 nm RMS to 0.1 nm RMS, in particular 0.6 nm RMS to 0.1 nm RMS, preferably 0.4 nm RMS to 0.1 nm RMS is or has been obtained.
Rauheiten in den genannten Bereichen haben sich als besonders geeignet erwiesen. Sie sind insbesondere vorteilhaft, um Stress und Verspannungen in darüber liegenden Schichten zu vermeiden. In diesem Zusammenhang sei auch auf den Aufsatz „ Identifying suitable Substrates for high-quality gra- phene-based heterostructures“ von L. Banszerus et al, 2D Mater., Vol. 4, No. 2, 025030, 2017 verwiesen. Roughness in the areas mentioned has proven to be particularly suitable. They are particularly beneficial to avoid stress and tension in the layers above. In this context, reference should also be made to the article “Identifying suitable Substrates for high-quality graphene-based heterostructures” by L. Banszerus et al, 2D Mater., Vol. 4, No. 2, 025030, 2017 referenced.
Es sei angemerkt, dass für den Fall, dass sich die dielektrischen Schicht, die bei dem Photodetektor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung insbeson dere zwischen den Gateelektroden und dem aktiven Element vorgesehen sein kann, an ihrer Oberseite durch eine Rauheit in dem vorgenannten Be reich auszeichnet, diese auf die gleiche Weise erzielt werden bzw. worden sein kann, also beispielsweise durch CMP und/oder Resistplanarisierung. It should be noted that in the event that the dielectric layer, which in the photodetector according to the first aspect of the invention can be provided in particular between the gate electrodes and the active element, is characterized on its upper side by a roughness in the aforementioned range , this can be achieved or can have been achieved in the same way, for example by CMP and / or resist planarization.
Als Messverfahren zur Bestimmung der Rauheit kann die Rasterkraftmikro skopie (englisch: atomic force microscopy, kurz: AFM) zum Einsatz kommen, insbesondere, wie in der Norm EN ISO 25178 beschrieben. Die Rasterkraft mikroskopie ist vor allem in dem sich mit Messmethoden zur Rauheitsbe stimmung beschäftigten Teil 6 (EN ISO 25178-6:2010-01) dieser Norm erör tert. The atomic force microscopy (AFM) can be used as a measuring method for determining the roughness, in particular as described in the EN ISO 25178 standard. Atomic force microscopy is mainly discussed in Part 6 (EN ISO 25178-6: 2010-01) of this standard, which deals with measuring methods for determining roughness.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Planarisierungsschicht und/oder eine ggf. vorhandene weitere Planarisierungsschicht eine oder mehrere Decklagen umfassen, die bevorzugt auf einer einer Planarisierungsbehand- lung unterzogenen Oberfläche vorgesehen sind bzw. werden und bei denen es sich beispielsweise um Dichalkogenidlagen oder Dichalko- genid-Heterostrukturen oder auch Bornitridlagen handeln kann. Diese Mate rialen werden bevorzugt abgeschieden oder transferiert ohne das es eines weiteren chemisch-mechanischen Polierens bzw. weiteren Resistplanarisie- rens bedarf, wobei auch nicht ausgeschlossen ist, dass dies nochmals er folgt. Furthermore, it can be provided that the planarization layer and / or any further planarization layer which may be present include one or more cover layers, which are preferably on a planarization treatment Treatment subjected surface are or are provided and which can be, for example, dichalcogenide layers or dichalcogenide heterostructures or also boron nitride layers. These materials are preferably deposited or transferred without the need for further chemical-mechanical polishing or further resist planarization, although it is not excluded that this is done again.
Auch kann vorgesehen sein, dass die oder die jeweilige Planarisierungs schicht durch Abscheidung erhalten wird bzw. eine durch Abscheidung er haltene Schicht ist. Prinzipiell können für die Planarisierungsschicht die glei chen Verfahren zur Anwendung kommen bzw. gekommen sein, die vorste hend im Zusammenhang mit den Gateelektroden genannt wurden (bei spielsweise CVD, PVD, Atomlagenabscheidung, Transfer). Dies und das Folgende für die Planarisierungsschicht erläuterte kann auch für die gege benenfalls vorhandene dielektrische Schicht gelten. It can also be provided that the respective planarization layer or layers is obtained by deposition or is a layer obtained by deposition. In principle, the same methods can be used or have come to be used for the planarization layer that were mentioned above in connection with the gate electrodes (for example CVD, PVD, atomic layer deposition, transfer). This and the following explained for the planarization layer can also apply to the dielectric layer which may be present.
Eine Schicht kann nur genau eine oder auch mehrere Lagen umfassen. Sie kann aus nur einem Material bestehen oder auch mehrere Materialien um fassen. Beispielsweise kann eine Schicht zwei oder mehr Lagen aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien aufweisen. Es kann natürlich auch sein, dass eine Schicht mehrere Lagen aufweist, die jedoch alle aus dem selben Material bestehen. Eine Schicht mit mehr als einer Lage kann insbe sondere erhalten werden bzw. vorliegen, weil für deren Herstellung mehrere Lagen, beispielsweise mehrere Atomlagen, vorgesehen, beispielsweise ab geschieden werden bzw. wurden. A layer can only comprise one or more layers. It can consist of just one material or several materials. For example, a layer can have two or more layers made of two or more different materials. It can of course also be the case that a layer has several layers, which, however, all consist of the same material. A layer with more than one layer can in particular be obtained or present because several layers, for example several atomic layers, are provided for their production, for example are or have been deposited.
Die oder die jeweilige Planarisierungsschicht kann weiterhin Spin-on-Glass und/oder wenigstens ein Polymer und/oder wenigstens ein Oxid, insbeson dere Siliziumdioxid, und/oder wenigstens ein Nitrid umfassen oder daraus bestehen. Bei Spin-on-Glass handelt es sich in der Regel um einen flüssigen Stoff, mit dem Wafer durch aufschleudern beschichtet werden können. Nach dem Schleudern ergibt sich eine Schicht auf dem Wafer, deren Dicke von der Oberflächentopologie abhängt. Vertiefungen werden so zum Teil ausgegli- chen und die Spin-on-Glass-Beschichtung hat eine planarisierende Wirkung. Spin-on-Glass wird in der Regel nach dem Aufbringen erhitzt und wird dadurch eine glasartige Schicht. The or the respective planarization layer can furthermore comprise spin-on-glass and / or at least one polymer and / or at least one oxide, in particular silicon dioxide, and / or at least one nitride exist. Spin-on-Glass is usually a liquid substance with which wafers can be coated by spin coating. After spinning, a layer results on the wafer, the thickness of which depends on the surface topology. In this way, depressions are partially evened out and the spin-on-glass coating has a planarizing effect. Spin-on-Glass is usually heated after it has been applied and thus becomes a glass-like layer.
Insbesondere bei einem Modulator kann weiterhin vorgesehen sein, dass er eine Diode oder Kapazität umfasst. Es kann sich beispielsweise um einen integrierten lll-V Halbleiter Modulator handeln, wie er in dem Aufsatz „ Heterogeneously integrated III- V/Si MOS capacitor Mach- Zehnder modu- lator „ von Hiaki, Nature Photonics volume 11 , pages 482- 485 (2017) beschrieben ist. In the case of a modulator in particular, it can furthermore be provided that it comprises a diode or capacitance. For example, it can be an integrated III-V semiconductor modulator, as described in the article "Heterogeneously integrated III-V / Si MOS capacitor Mach-Zehnder modulator" by Hiaki, Nature Photonics volume 11, pages 482-485 (2017 ) is described.
Ist bzw. wird eine Diode vorgesehen, kann diese beispielsweise eine Mehr zahl von Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung von beispielsweise InGaAsP umfassen, insbesondere, um einen pn-Übergang und zwei Kon taktgebiete zu erzeugen. If a diode is or is provided, it can, for example, comprise a plurality of layers of different compositions of, for example, InGaAsP, in particular in order to generate a pn junction and two contact areas.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Halbleitereinrichtung umfassend ei nen Chip und wenigstens einen, bevorzugt mehrere Photodetektoren und/oder Modulatoren gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der oder die Photodetektoren und/oder Modulatoren bevorzugt auf dem Chip oder auf einer auf dem Chip oder oberhalb des Chips angeordneten Schicht ange ordnet sind. The invention also relates to a semiconductor device comprising a chip and at least one, preferably a plurality of photodetectors and / or modulators according to the present invention, the photodetector or photodetectors and / or modulators preferably on the chip or on one on the chip or above the chip arranged layer are arranged.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Halbleitervorrichtung umfassend einen Wafer und wenigstens einen, bevorzugt mehrere Photodetektoren und/oder Modulatoren gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der oder die Pho- todetektoren und/oder Modulatoren bevorzugt auf dem Wafer oder auf einer auf dem Wafer oder oberhalb des Wafers angeordneten Schicht angeordnet sind. Der bzw. die Photodetektoren und/oder Modulatoren können beispielsweise Bestandteil einer auf dem Chip oder Wafer hergestellten oder mit dem Chip oder Wafer gebondeten photonischen Plattform sein. Finally, the invention relates to a semiconductor device comprising a wafer and at least one, preferably a plurality of photodetectors and / or modulators according to the present invention, wherein the photodetector or photodetectors Death detectors and / or modulators are preferably arranged on the wafer or on a layer arranged on the wafer or above the wafer. The photodetector or photodetectors and / or modulators can, for example, be part of a photonic platform produced on the chip or wafer or bonded to the chip or wafer.
Unter gebondet ist dabei insbesondere zu verstehen, dass der bzw. die Photodetektoren und/oder Modulatoren nicht auf oder oberhalb des Chips bzw. Wafers sondern separat von diesem hergestellt werden bzw. wurden und nach ihrer Herstellung - ggf. auch Als Bestandteil einer größeren Ein heit - mit dem Chip bzw. Wafer verbunden werden bzw. wurden, etwa unter Verwendung einer geeigneten Zwischenschicht. Bonded is to be understood in particular as meaning that the photodetector or photodetectors and / or modulators are or were not produced on or above the chip or wafer but rather separately from it and after their production - possibly also as part of a larger unit - are or have been connected to the chip or wafer, for example using a suitable intermediate layer.
Wird ein Chip oder Wafer im Querschnitt betrachtet, lässt sich sein vertikaler Aufbau in unterschiedliche Teilbereiche einteilen. Der unterste Teil ist das Front-End-of-Line oder kurz FEOL, das in der Regel eines oder mehrere in tegrierte elektronische Bauteile umfasst. Bei dem bzw. den integrieren elekt- ronischen Bauteilen kann es sich beispielsweise um Transistoren und/oder Kondensatoren und/oder Widerstände handeln. Über dem Front-End-of-Line befindet sich das Back-End-of-Line oder kurz BEOL, in dem in der Regel verschiedene Metallebenen liegen, mittels derer die integrierten elektroni schen Bauteile des FEOL verschaltet werden. If a chip or wafer is viewed in cross section, its vertical structure can be divided into different sub-areas. The lowest part is the front-end-of-line or FEOL for short, which usually comprises one or more integrated electronic components. The integrated electronic component (s) can be, for example, transistors and / or capacitors and / or resistors. Above the front-end-of-line is the back-end-of-line, or BEOL for short, in which there are usually various metal levels by means of which the integrated electronic components of the FEOL are interconnected.
Ein Wafer umfasst eine Mehrzahl von Bereichen, die im Anschluss an das Dicen/Zerkleinern/Vereinzeln jeweils einen Chip bzw. Die bilden. Diese Be reiche werden vorliegend auch als Chip- bzw. Die-Bereiche bezeichnet. Je der Chipbereich des Wafers umfasst bevorzugt einen Abschnitt bzw. Teilbe- reich des insbesondere einteiligen Halbleitersubstrats des Wafers. Bevorzugt weist ferner jeder Chipbereich einen oder mehrere integrierte elektronische Bauteile auf, die sich in und/oder auf dem entsprechenden Bereich des Halbleitersubstrats - im Querschnitt betrachtet insbesondere im FEOL - er strecken. Es sei betont, dass die Chipbereiche keine vereinzelten Chips dar- stellen, der Wafer also keine vereinzelten Chips umfasst. A wafer comprises a plurality of areas which, following the dicing / comminuting / dicing, each form a chip or die. These areas are also referred to here as chip or die areas. Each chip area of the wafer preferably comprises a section or partial area of the in particular one-piece semiconductor substrate of the wafer. Preferred furthermore, each chip area has one or more integrated electronic components that extend in and / or on the corresponding area of the semiconductor substrate - viewed in cross section, in particular in the FEOL. It should be emphasized that the chip areas do not represent individual chips, that is to say that the wafer does not include any individual chips.
Sowohl für eine erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung als auch für eine erfindungsgemäße Halbelitervorrichtung kann gelten, dass diese mehrere baugleiche erfindungsgemäße Photodetektoren und/oder mehrere bauglei- che erfindungsgemäße Modulatoren umfasst oder auch mehrere verschieden gestaltete erfindungsgemäße Photodetektoren und/oder mehrere verschie den gestaltete erfindungsgemäße Modulatoren. Es können auch einige glei che und zusätzlich einer oder mehrere davon verschiedene Photodetektoren und/oder Modulatoren vorhanden sein. Both for a semiconductor device according to the invention and for a semiconductor device according to the invention it can apply that this comprises several structurally identical photodetectors according to the invention and / or several structurally identical modulators according to the invention or also several differently designed photodetectors according to the invention and / or several differently designed modulators according to the invention. It is also possible for some identical and additionally one or more different photodetectors and / or modulators to be present.
Hinsichtlich der Ausgestaltungen der Erfindung wird auch auf die Unteran sprüche sowie auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungs beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt: With regard to the embodiments of the invention, reference is also made to the claims below and to the following description of several exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. In the drawing shows:
Figur 1 einen Teilschnitt durch eine Halbleitervorrichtung mit einem Ausführungsbeispiel eines Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung; FIG. 1 shows a partial section through a semiconductor device with an exemplary embodiment of a photodetector according to the first aspect of the invention;
Figur 2 eine Aufsicht auf den Photodetektor aus Figur 1 ; FIG. 2 shows a plan view of the photodetector from FIG. 1;
Figur 3 einen Teilschnitt durch eine Halbleitervorrichtung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Photodetektors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung; Figur 4 einen Teilschnitt durch eine Halbleitervorrichtung mit einem Ausführungsbeispiel eines Photodetektors gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung; FIG. 3 shows a partial section through a semiconductor device with a further exemplary embodiment of a photodetector according to the first aspect of the invention; FIG. 4 shows a partial section through a semiconductor device with an exemplary embodiment of a photodetector according to the second aspect of the invention;
Figur 5 einen Teilschnitt durch eine Halbleitervorrichtung mit einem Ausführungsbeispiel eines elektro-optischen Modulators gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung; Figur 6 einen Teilschnitt durch eine Halbleitervorrichtung mit einem Ausführungsbeispiel eines elektro-optischen Modulators gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung; FIG. 5 shows a partial section through a semiconductor device with an exemplary embodiment of an electro-optical modulator according to the third aspect of the invention; FIG. 6 shows a partial section through a semiconductor device with an exemplary embodiment of an electro-optical modulator according to the fourth aspect of the invention;
Figur 7 einen Teilschnitt durch eine Halbleitervorrichtung mit einem Ausführungsbeispiel eines elektro-optischen Modulators gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung; und FIG. 7 shows a partial section through a semiconductor device with an exemplary embodiment of an electro-optical modulator according to the fifth aspect of the invention; and
Figur 8 die Schritte des Verfahrens zur Herstellung der Vorrichtung gemäß Figur 1. FIG. 8 shows the steps of the method for producing the device according to FIG. 1.
Alle Figuren zeigen rein schematische Darstellungen. In den Figuren sind gleiche Komponenten bzw. Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. All figures show purely schematic representations. In the figures, the same components or elements are provided with the same reference symbols.
Die Figur 1 zeigt einen Teilschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Halbleitervorrichtung. FIG. 1 shows a partial section through an exemplary embodiment of a semiconductor device according to the invention.
Diese umfasst einen Wafer 1 , eine auf dem Wafer 1 hergestellte Planarisie rungsschicht 2 und eine Mehrzahl von auf den Planarisierungsschicht 2 her gestellten Photodetektoren 3. In dem Teilschnitt gemäß Figur 1 ist dabei nur einer der Photodetektoren 3 beispielhaft gezeigt. Der Wafer 1 umfasst vorliegend einteiliges Siliziumsubstrat 4 und eine Mehrzahl von integrierten elektronischen Bauteilen 5, die sich bei dem ge zeigten Beispiel in dem Halbleitersubstrat 4 erstreckten. Die integrierten elektronischen Bauteile 5, bei denen es sich insbesondere um Transistoren und/oder Widerstände und/oder Kondensatoren handeln kann, sind in der schematischen Figur 1 nur vereinfacht durch eine mit dem Bezugszeichen 5 versehene Linie mit Schraffur angedeutet. An entsprechender Stelle in dem Substrat 4 findet sich in hinlänglich vorbekannter Weise eine Vielzahl inte- grierter elektronischer Bauteile 5. Diese können in ebenfalls vorbekannter Weise Bestandteile von Prozessoren, etwa CPUs und/oder GPUs sein bzw. solche bilden. This comprises a wafer 1, a planarization layer 2 produced on the wafer 1 and a plurality of photodetectors 3 produced on the planarization layer 2. In the partial section according to FIG. 1, only one of the photodetectors 3 is shown as an example. The wafer 1 in the present case comprises a one-piece silicon substrate 4 and a plurality of integrated electronic components 5 which, in the example shown, extend in the semiconductor substrate 4. The integrated electronic components 5, which can in particular be transistors and / or resistors and / or capacitors, are indicated in the schematic FIG. 1 only in a simplified manner by a line with hatching provided with the reference number 5. At a corresponding point in the substrate 4 there is a large number of integrated electronic components 5 in a well-known manner.
Der Wafer 1 hat ein Front-End-of-Line (kurz FEOL) 6, in dem die Mehrzahl integrierter elektronischer Bauteile 5 angeordnet ist und ein darüber liegen des Back-End-of-Line (kurz BEOL) 7, in dem bzw. über das die integrierten elektronischen Bauteile 5 des Front-End-of-Lines 6 mittels verschiedener Metallebenen verschaltet sind. Die integrierten elektronischen Bauteile 5 im FEOL 6 und die zugehörige Verschaltung im BEOL 7 bilden in hinlänglich vorbekannter Weise integrierte Schaltkreise des Wafers 1. Ein FEOL 6 wird teilweise auch als Transistor-Frontend und ein BEOL 7 als Metall-Backend bezeichnet. Die Metallebenen umfassen eine Mehrzahl von Verbindungs elementen 8, die vorliegend durch sogenannte VIAs gegeben sind, was die Abkürzung für Vertical Interconnect Access ist. Die VIAs 8 bestehen aus Metall, beispielswiese Kupfer, Aluminium oder Wolfram. The wafer 1 has a front-end-of-line (short FEOL) 6, in which the plurality of integrated electronic components 5 are arranged and a back-end-of-line (short BEOL) 7, in which or via which the integrated electronic components 5 of the front-end-of-lines 6 are interconnected by means of various metal levels. The integrated electronic components 5 in the FEOL 6 and the associated interconnection in the BEOL 7 form integrated circuits of the wafer 1 in a well-known manner. A FEOL 6 is sometimes also referred to as a transistor front end and a BEOL 7 as a metal back end. The metal levels comprise a plurality of connection elements 8, which in the present case are given by so-called VIAs, which is the abbreviation for Vertical Interconnect Access. The VIAs 8 are made of metal, for example copper, aluminum or tungsten.
Die Planarisierungsschicht 2 ist auf der von dem Front-End-of-Line 6 abge wandten Oberseite 9 des Wafers 1 hergestellt und besteht aus einem die lektrischen Material ist. Vorliegend besteht die Planarisierungsschicht 2 aus Siliziumdioxid (S1O2), wobei dies beispielhaft zu verstehen ist und auch an dere Materialien zum Einsatz kommen können. The planarization layer 2 is produced on the top 9 of the wafer 1 facing away from the front-end-of-line 6 and consists of an electrical material. In the present case, the planarization layer 2 consists of Silicon dioxide (S1O2), whereby this is to be understood as an example and other materials can also be used.
Die Planarisierungsschicht 2 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine durch Abscheidung des entsprechenden Beschichtungsmaterials, hier S1O2, auf der vom Front-End-of-Line 6 abgewandten Oberseite 9 des Wafers 1 und anschließende Planarisierungsbearbeitung des abgeschiedenen Mate rials auf der von dem Wafer 1 abgewandten Oberseite 10 erhaltene Schicht. Die Planarisierungsschicht 2 zeichnet sich aufgrund der Bearbeitung an ihrer von dem Wafer 1 abgewandten Oberseite 10 vorliegend durch eine Rauheit von 0,2 nm RMS aus, wobei dies beispielhaft zu verstehen ist. In the exemplary embodiment shown, the planarization layer 2 is produced by deposition of the corresponding coating material, here S1O2, on the top side 9 of the wafer 1 facing away from the front-end-of-line 6 and subsequent planarization processing of the deposited material on the top side facing away from the wafer 1 10 obtained layer. The planarization layer 2 is characterized in the present case by a roughness of 0.2 nm RMS due to the processing on its upper side 10 facing away from the wafer 1, this being understood as an example.
Die Planarisierungsschicht 2 erstreckt sich bei dem dargestellten Beispiel über die gesamte Oberseite 9 des Wafers 1. Das Material der Planarisie- rungsschicht 2 wurde vollflächig auf der gesamten Oberseite 9 des Wafers 1 abgeschieden. Diese zeichnet sich durch daher einen Durchmesser aus, der zumindest im Wesentlichen mit demjenigen des Wafers 1 übereinstimmt. In the example shown, the planarization layer 2 extends over the entire top side 9 of the wafer 1. The material of the planarization layer 2 was deposited over the entire surface area 9 of the wafer 1. This is therefore characterized by a diameter which at least essentially corresponds to that of the wafer 1.
Die auf der Planarisierungsschicht 2 hergestellten Photodetektoren 3 sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Photodetektors 3 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel sind diese alle baugleich, wobei dies nicht einschränkend zu verstehen ist. The photodetectors 3 produced on the planarization layer 2 are exemplary embodiments of a photodetector 3 according to the invention in accordance with the first aspect of the invention. In the exemplary embodiment, these are all structurally identical, although this is not to be understood as restrictive.
Im Folgenden wird der Aufbau der Detektoren 3 und auch deren Fierstellung beispielhaft anhand des eine in Figur 1 dargestellten Detektors 3 beschrie ben. Auch bezüglich der weiter unten beschriebenen Beispiele weiterer De tektoren und Modulatoren (vgl. die Figuren 3 bis 6) gilt, dass der Aufbau und jeweils anhand des einen in den Teilschnitten erkennbaren Beispiels erläutert wird. Der (jeweilige) Photodetektor 3 umfasst einen Längsabschnitt 12 eines der Wellenleiters 11, konkret denjenigen Längsabschnitt, den ein aktives Ele ment 13 des Photodetektors 3 übergreift. In der Figur 2, welche in rein schematischer Aufsicht das aktive Element 13 und den darunterliegenden Wellenleiter 11 zeigt, ist der hier vom aktiven Element 13 verdeckte Längs abschnitt 12 des Wellenleiters mit gestrichelten Linien dargestellt. In the following, the structure of the detectors 3 and also their lowering position are described using the one detector 3 shown in FIG. 1 as an example. Also with regard to the examples of further detectors and modulators described below (cf. FIGS. 3 to 6), the structure is explained in each case with the aid of the one example recognizable in the partial sections. The (respective) photodetector 3 comprises a longitudinal section 12 of one of the waveguides 11, specifically that longitudinal section over which an active element 13 of the photodetector 3 overlaps. In FIG. 2, which shows the active element 13 and the underlying waveguide 11 in a purely schematic plan view, the longitudinal section 12 of the waveguide covered here by the active element 13 is shown with dashed lines.
Als Wellenleitermaterialien kommen insbesondere Dielektrika, vorzugsweise Titandioxid in Frage, welches auch bei dem dargestellten Ausführungsbei- spiel verwendet wurde. Alternativ oder zusätzlich können auch einer oder mehrere Wellenleiter 11 aus Aluminiumnitrid und/oder Tantalpentoxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxinitrid und/oder Lithiumniobat oder auch aus Halbleitern wie Silizium, Indiumphos- phid, Galliumarsenid, Indiumgalliumarsenid, Aluminiumgalliumarsenid oder Dichalkogenide oder Chalkogenidglas oder Polymere wie SU8 oder Ormo- Clad und/oder OrmoCore vorgesehen sein. Particularly suitable waveguide materials are dielectrics, preferably titanium dioxide, which was also used in the exemplary embodiment shown. Alternatively or additionally, one or more waveguides 11 made of aluminum nitride and / or tantalum pentoxide and / or silicon nitride and / or aluminum oxide and / or silicon oxynitride and / or lithium niobate or also made of semiconductors such as silicon, indium phosphide, gallium arsenide, indium gallium arsenide, aluminum gallium arsenide or dichalcogenides can be used or chalcogenide glass or polymers such as SU8 or Ormo-Clad and / or OrmoCore can be provided.
Der Längsabschnitt 12 des Wellenleiters 11 ist hier durch zwei sich in Längs richtung und zumindest im Wesentlichen parallel zueinander erstreckende Wellenleitersegmente 12a, 12b, die in Querrichtung (in der Figur von links nach rechts bzw. umgekehrt) unter Bildung eines sich zwischen ihnen er streckenden Spaltes 14 voneinander beabstandet sind, gebildet. Es handelt sich somit um einen Schlitzwellenleiter. Mittels eines solchen Wellenleiters 11 wird im Betrieb die optische Mode im Spalt 14 geführt. Die beiden Wel- lenleitersegmente zeichnen sich bei dem dargestellten Beispiel durch einen rechteckigen Querschnitt aus. Der Spalt 14 kann beispielsweise mit S1O2 ge füllt sein. The longitudinal section 12 of the waveguide 11 is here by two in the longitudinal direction and at least substantially parallel to each other extending waveguide segments 12a, 12b, which in the transverse direction (in the figure from left to right or vice versa) with the formation of a gap between them 14 spaced apart from each other is formed. It is therefore a slotted waveguide. By means of such a waveguide 11, the optical mode is guided in the gap 14 during operation. In the example shown, the two waveguide segments are characterized by a rectangular cross section. The gap 14 can, for example, be filled with S1O2.
Die beiden Wellenleitersegmente 12a, 12b stehen jeweils an wenigstens ei- ner Seite, vorliegend an ihrer dem aktiven Element 13 zugewandten Seite mit einer aus Silizium bestehenden Gateelektrode 15a, 15b in Kontakt. Die bei den Gateelektroden 15a, 15b werden vorliegend durch eine auf dem jeweili gen Wellenleitersegment 12a, 12b hergestellte Siliziumschicht bzw. Silizi umbeschichtung gebildet. The two waveguide segments 12a, 12b each stand on at least one side, in the present case on their side facing the active element 13 a gate electrode 15a, 15b made of silicon in contact. The gate electrodes 15a, 15b are presently formed by a silicon layer or silicon coating produced on the respective waveguide segment 12a, 12b.
Das aktive Element 13 umfasst wenigsten ein Material oder besteht aus we nigstens einem Material, das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektrisches Photo signal erzeugt. Bei dem gezeigten Beispiel ist es durch einen Graphenfilm 13 gegeben. Graphen kann auch seinen Brechungsindex (Brechzahl und/oder Absorption) in Abhängigkeit einer Spannung und/oder von Ladung und/oder einem elektrischen Feld ändern. Es sei betont, dass es auch möglich ist, dass das aktive Elemente 13 durch einen Film mit oder aus wenigstens ei nem anderen bzw. weiteren elektro-optisch aktiven Material gegeben ist, beispielsweise einen Film mit oder aus einer Dichalko- genid-Graphen-Fleterostruktur bestehend aus mindestens einer Lage Gra phen und mindestens einer Lage eines Dichalkogenids, oder durch einen Film, der mindestens eine Lage Bornitrid und mindestens eine Lage Graphen umfasst. The active element 13 comprises at least one material or consists of at least one material that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption. In the example shown, it is given by a graphene film 13. Graphene can also change its refractive index (refractive index and / or absorption) as a function of a voltage and / or of charge and / or an electric field. It should be emphasized that it is also possible for the active element 13 to be provided by a film with or made of at least one other or further electro-optically active material, for example a film with or made of a dichalcogenide-graphene fletero structure consisting of at least one layer of graphene and at least one layer of a dichalcogenide, or by a film that comprises at least one layer of boron nitride and at least one layer of graphene.
Wie man der Figur 1 entnehmen kann, ist der Graphenfilm 13 auf der von dem Wafer 1 abgewandten Oberseite 16 einer weiteren Planarisierungs schicht 17, in welche der Wellenleiter 11 und somit dessen Längsabschnitt 12 eingebettet ist, angeordnet. Die weitere Planarisierungsschicht 17 besteht aus dem gleichen Material wie die Planarisierungsschicht 2 und zeichnet sich an ihrer Oberseite 16 durch die gleiche Rauheit aus, wie die Oberseite 10 der Schicht 2. Dies ist jedoch nur beispielhaft und nicht einschränkend zu ver stehen. Mittels der auf den Wellenleitersegmenten 12a, 12b vorgesehenen Ga teelektroden 15a, 15b kann in dem Graphenfilm 13 ein pn-Übergang in dem sich oberhalb des Spaltes 14 und somit im Bereich einer im Betrieb in dem Spalt 14 des Wellenleiters 11 geführten optischen Mode realisiert werden. Ein pn-Übergang kann dazu genutzt werden, durch Absorption erzeugte Elektron-Loch-Paare zu separieren und so einen Photostrom zu erzeugen. Ebenfalls kann in Graphen der thermoelektrische Effekt ausgenutzt werden, wobei in den p- und n-Gebieten Seebeckkoeffizienten mit gegensätzlichem Vorzeichen entstehen, die bei Erwärmung durch die absorbierte Energie (die Photonen) eine Thermospannung ergeben. As can be seen from FIG. 1, the graphene film 13 is arranged on the upper side 16, facing away from the wafer 1, of a further planarization layer 17 in which the waveguide 11 and thus its longitudinal section 12 is embedded. The further planarization layer 17 consists of the same material as the planarization layer 2 and is characterized on its upper side 16 by the same roughness as the upper side 10 of the layer 2. However, this is only an example and is not intended to be limiting. By means of the Ga teel electrodes 15a, 15b provided on the waveguide segments 12a, 12b, a pn junction can be realized in the graphene film 13 above the gap 14 and thus in the area of an optical mode guided in the gap 14 of the waveguide 11 during operation. A pn junction can be used to separate electron-hole pairs generated by absorption and thus to generate a photocurrent. The thermoelectric effect can also be used in graphs, whereby Seebeck coefficients with opposite signs arise in the p and n regions, which result in a thermal voltage when heated by the absorbed energy (the photons).
Es sei angemerkt, dass der nicht weiter dargestellte Anschluss der Ga teelektroden 15a, 15b zur Spannungsversorgung beispielsweise seitlich ne ben den VIAs 8 liegen kann. It should be noted that the connection (not shown) of the gate electrodes 15a, 15b for the voltage supply can be, for example, laterally next to the VIAs 8.
Der Photodetektor 3, konkret dessen Graphenfilm 13 ist mit wenigstens ei nem der integrierten elektronischen Bauteile 5 des Front-End-of-Lines 6 des Wafers 1 elektrisch leitend verbunden. Wie man in der schematischen Schnittdarstellungen gemäß den Figur 1 erkennen kann, ist die Verbindung über die VIAs 8 des Back-End-of-Lines 7 des Wafers 1 sowie weitere VIAs 8, die sich durch die Planarisierungsschicht 2 und darauf ggf. vorhandene wei tere Schichten bzw. Elemente, vorliegend die weitere Planarisierungsschicht 17 erstrecken, realisiert. Konkret ist Graphenfilm 13 an gegenüberliegenden Endbereichen über Kon takte bzw. Kontaktelemente 18 mit dem oberen Ende von VIAs 8, die sich durch weitere Planarisierungsschicht 17 und die Planarisierungsschicht 2 bis zum Back-End-of-Line 7 des Wafers 1 erstecken, elektrisch leitfähig verbun den. In der Aufsicht aus Figur 2 sind die mit den Kontaktelementen 18 in Verbindung stehenden VIAs 8, welche unterhalb Ersterer liegen, mit dünner Linie angedeutet. The photodetector 3, specifically its graphene film 13, is electrically conductively connected to at least one of the integrated electronic components 5 of the front end of lines 6 of the wafer 1. As can be seen in the schematic sectional views according to FIG. 1, the connection is via the VIAs 8 of the back-end-of-lines 7 of the wafer 1 and further VIAs 8, which extend through the planarization layer 2 and any other existing thereon Layers or elements, in the present case extending the further planarization layer 17, are realized. Specifically, graphene film 13 is electrically conductively connected at opposite end areas via contacts or contact elements 18 with the upper end of VIAs 8, which extend through further planarization layer 17 and planarization layer 2 to the back-end-of-line 7 of wafer 1 the. In the plan view from FIG. 2, those with the contact elements 18 in Connected VIAs 8, which are below the former, indicated with a thin line.
Auf den Graphenfilmen 13 ist bei dem gezeigten Beispiel noch eine Passi- vierungsschicht 19 vorgesehen, die Aluminiumoxid (AL2O3) und/oder Silizi umdioxid (Si02) umfasst bzw. daraus besteht. In the example shown, a passivation layer 19 is provided on the graphene films 13, which comprises or consists of aluminum oxide (AL2O3) and / or silicon dioxide (SiO2).
Ein Photodetektor 3, wie er in Figur 1 und den im Folgenden noch erläuterten Figuren 3 und 4 gezeigt ist, kann in an sich bekannter Weise insbesondere der Signalwandlung zurück von der optischen in die elektronische Welt die nen. A photodetector 3, as shown in FIG. 1 and FIGS. 3 and 4, which are explained below, can in particular be used in a manner known per se for signal conversion back from the optical to the electronic world.
Zum Erhalt der in Figur 1 dargestellten Halbleitervorrichtung wird in einem ersten Schritt S1 (vgl. Figur 8) der Wafer 1 mit den die integrierten elektroni- sehen Bauteilen 5 und die Metallisierung einschließlich der VIAs 8 umfas senden integrierten Schaltungen bereitgestellt. Bei dem Wafer 1 kann es sich um einen beliebigen Wafer 1 konventioneller Art handeln, der durch ein vor bekanntes Herstellungsverfahren erhalten wurde. In einem zweiten Schritt S2 wird die Planarisierungsschicht 2 auf dem Back-End-of-Line 7 des Wafers 1 hergestellt. Hierfür wird ein Beschich tungsmaterial, vorliegend Siliziumdioxid (Si02), aufgebracht, was beispiels weise durch chemische Gasphasenabscheidung, etwa Niederdruck chemi sche Gasphasenabscheidung oder plasmaunterstütze chemische Gaspha- senabscheidung, oder physikalische Gasphasenabscheidung oder auch durch Aufschleudern von Spin-on-Glas erfolgen kann. Vorliegend kommt PECVD zum Einsatz. Nachdem das Beschichtungsmaterial deponiert wurde, wird die Oberseite der erhaltenen Beschichtung einer Planarisierungsbe handlung unterzogen (Schritt S3), vorliegend einer Resistplanarisierung, wodurch eine Oberseite 10 mit einer Rauheit von 0,2 nm RMS erhalten wird. Die Resistplanarisierung schließt dabei ein einmaliges oder wiederholtes Spin-on-Glass-Aufschleudern und anschließendes Ätzen, vorliegend reakti ves lonenätzen (RIE), ein. Die Spin-on-Glass-Schicht gleicht teilweise die Höhenunterschiede aus, d.h. Täler der Topologie weisen nach der Spin-on-Glass-Beschichtung eine höhere Schichtdicke auf als benachbarte Erhöhungen. Wird nach der Spin-on-Glass-Beschichtung die gesamte Spin-on-Glass-Schicht, etwa per RIE geätzt, hat sich der Höhenunterschied wegen der planarisierenden Wirkung der Spin-on-Glass-Schicht reduziert. Durch Wiederholung kann der Höhenunterschied weiter reduziert werden, bis die gewünschte Rauheit erhalten ist. Es sei angemerkt, dass eine Oberseite 10 der Planarisierungsschicht 2 entsprechend geringer Rauheit alternativ beispielsweise auch über chemisch-mechanisches Polieren (CMP) erhalten werden kann. To obtain the semiconductor device shown in FIG. 1, in a first step S1 (see FIG. 8) the wafer 1 with the integrated circuits comprising the integrated electronic components 5 and the metallization including the VIAs 8 is provided. The wafer 1 can be any desired wafer 1 of a conventional type, which has been obtained by a previously known production method. In a second step S2, the planarization layer 2 is produced on the back-end-of-line 7 of the wafer 1. For this purpose, a coating material, in this case silicon dioxide (Si0 2 ), is applied, which can be done, for example, by chemical vapor deposition, such as low-pressure chemical vapor deposition or plasma-assisted chemical vapor deposition, or physical vapor deposition or by spin-on spin-on glass. PECVD is used here. After the coating material has been deposited, the upper side of the coating obtained is subjected to a planarization treatment (step S3), in this case a resist planarization, as a result of which an upper side 10 with a roughness of 0.2 nm RMS is obtained. The resist planarization includes a single or repeated spin-on-glass spin-on and subsequent etching, in the present case reactive ion etching (RIE). The spin-on-glass layer partially compensates for the height differences, ie valleys in the topology have a higher layer thickness after the spin-on-glass coating than neighboring elevations. If, after the spin-on-glass coating, the entire spin-on-glass layer is etched, for example by RIE, the height difference has been reduced due to the planarizing effect of the spin-on-glass layer. The height difference can be further reduced by repetition until the desired roughness is obtained. It should be noted that an upper side 10 of the planarization layer 2 with correspondingly low roughness can alternatively also be obtained, for example, via chemical-mechanical polishing (CMP).
In einem nächsten Schritt S4, welcher vorliegend den ersten Schritt der Her stellung des Detektors 3 darstellt, wird der (jeweilige) Wellenleiter 11 mit den Gateelektroden 15a, 15b hergestellt. Hierfür wird Wellenleitermaterial, vor liegend Titandioxid (T1O2), abgeschieden, dies insbesondere flächig über die gesamte Oberseite 10 der erhaltenen Planarisierungsschicht 2. Die Aufbrin gung kann genau wie bei der Planarisierungsschicht durch PVD oder CVD, insbesondere PECVD oder LPCVD, oder durch Aufschleudern erfolgen. Es kann auch eine Atomlagenabscheidung (ALD) durchgeführt werden oder ein Transfer-Printverfahren. Vorliegend kommt in Analogie zur Planarisierungs schicht 2 LPCVD zum Einsatz. In a next step S4, which in the present case represents the first step in the manufacture of the detector 3, the (respective) waveguide 11 with the gate electrodes 15a, 15b is manufactured. For this purpose, waveguide material, in front of titanium dioxide (T1O2), is deposited, in particular over the entire top surface 10 of the planarization layer 2 obtained. Atomic layer deposition (ALD) or a transfer printing process can also be carried out. In the present case, in analogy to the planarization layer 2, LPCVD is used.
Anschließend wird das Beschichtungsmaterial für die Gateelektroden 15a, 15b, Gateelektrodenmaterial, vorliegend Silizium, abgeschieden, beispiels weise mittels PVD oder CVD-Verfahren und bevorzugt ebenfalls flächig. Es erfolgt eine Lithographie und eine Strukturierung insbesondere mittels reaktivem lonenätzen (RIE), um die einzelnen Wellenleiter 11 mit den ein zelnen Wellenleitersegmente 12a, 12b mit dem jeweils dazwischenliegenden Spalt 14 und die einzelnen Gateelektroden 15a, 15b zu erhalten. Subsequently, the coating material for the gate electrodes 15a, 15b, gate electrode material, in this case silicon, is deposited, for example by means of PVD or CVD processes and preferably also flat. Lithography and structuring, in particular by means of reactive ion etching (RIE), are carried out in order to obtain the individual waveguides 11 with the individual waveguide segments 12a, 12b with the gap 14 in between and the individual gate electrodes 15a, 15b.
In einem nächsten Schritt S5 wird die weitere Planarisierungsschicht 17 auf den Wellenleitern 11 mit darauf vorgesehenen Gateelektroden 15a, 15b und der Oberseite 10 der Planarisierungsschicht 2 hergestellt. Diese wird vorlie gend völlig analog zu der Planarisierungsschicht 2 durch Abscheidung mittels PECVD und Resistplanarisierung erhalten. Bei bzw. aufgrund der Material- abscheidung wird auch der Spalt 14 mit S1O2 aufgefüllt. Infolge der Resist planarisierung ergibt sich der im Querschnitt Trapez-förmige Abschnitt der weiteren Planarisierungsschicht 17 oberhalb des Wellenleiters 11 (vgl. Figur 1)· In a next step S5, the further planarization layer 17 is produced on the waveguides 11 with gate electrodes 15a, 15b provided thereon and the top side 10 of the planarization layer 2. In the present case, this is obtained completely analogously to the planarization layer 2 by deposition by means of PECVD and resist planarization. During or due to the material separation, the gap 14 is also filled with S1O2. As a result of the resist planarization, the section of the further planarization layer 17, which is trapezoidal in cross section, results above the waveguide 11 (see FIG. 1).
Auch bezüglich der weiteren Planarisierungsschicht 17 gilt, dass alternativ zu LPCVD und CMP andere der vorstehend genannten Verfahren zum Einsatz kommen können und eine andere Planarisierungsbehandlung, etwa CMP, und/oder weitere Planarisierung möglich ist, wie vorstehend für die Planari- sierungsschicht 2 beschrieben. With regard to the further planarization layer 17, it is also true that, as an alternative to LPCVD and CMP, other of the aforementioned methods can be used and a different planarization treatment, such as CMP, and / or further planarization is possible, as described above for the planarization layer 2.
Die Planarisierungsschicht 2 und weitere Planarisierungsschicht 17 können eine oder mehrere Decklagen umfassen, die bevorzugt auf der der Planari sierungsbehandlung unterzogenen Oberfläche vorgesehene sind bzw. wer- den und bei denen es sich beispielsweise um Dichalkogenidlagen oder Dichalkogenid-Heterostrukturen oder auch Bornitridlagen handeln kann. Diese Materialen werden bevorzugt abgeschieden oder transferiert ohne das es eines weiteren chemisch-mechanischen Polierens oder weiteren Resist- planarisierens bedarf, wobei auch nicht ausgeschlossen ist, dass dies nochmals erfolgt. Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass für den Fall, dass eine erfin dungsgemäße Halbleitervorrichtung auch Bereiche ohne weitere Planarisie rungsschicht 17 aufweisen soll, etwa auch Bereiche, in denen der Aufbau demjenigen gemäß den Figuren 3 bis 6 entspricht, die weitere Planarisie rungsschicht 17 (und gegebenenfalls darauf befindliche Schichten) an schließend partiell insbesondere durch Lithographie und ätzen wieder ent fernt wird. In Schritt S6 werden die VIAs 8 durch die Planarisierungsschicht 2 und die weitere Planarisierungsschicht 17 hergestellt. Dies kann prinzipiell auf belie bige aus dem Stand der Technik vorbekannte Weise erfolgen. Insbesondere werden zunächst die Bereiche, in welchen sich diese erstrecken sollen be vorzugt durch Lithographie definiert und mittels RIE trockenchemisch geätzt. Danach wird metallisiert und die metallisierte Oberfläche beispielsweise mit tels CMP (Damascene-Prozess) oder mittels Lithografie und RIE strukturiert. Es ist sowohl möglich, dass die VIAs 8 nach der Fertigstellung der weiteren Planarisierungsschicht 17 durch beide Planarisierungsschichten 2, 17 herge stellt werden oder auch nach Fertigstellung der ersten Schicht 2 Abschnitte dieser durch die erste Planarisierungsschicht 10 und nach Fertigstellung der Zweiten 17 Abschnitte dieser durch die zweite Schicht 17. The planarization layer 2 and further planarization layer 17 can comprise one or more cover layers which are or will preferably be provided on the surface subjected to the planarization treatment and which can be dichalcogenide layers or dichalcogenide heterostructures or boron nitride layers, for example. These materials are preferably deposited or transferred without the need for further chemical-mechanical polishing or further resist planarization, and it is not excluded that this is done again. For the sake of completeness, it should be noted that in the event that a semiconductor device according to the invention should also have areas without a further planarization layer 17, for example also areas in which the structure corresponds to that according to FIGS any layers thereon) is then partially removed again, in particular by lithography and etching. In step S6, the VIAs 8 are produced through the planarization layer 2 and the further planarization layer 17. In principle, this can be done in any manner previously known from the prior art. In particular, first of all the areas in which they should extend are preferably defined by lithography and dry-chemically etched by means of RIE. Then it is metallized and the metallized surface is structured, for example by means of CMP (Damascene process) or by means of lithography and RIE. It is both possible that the VIAs 8 are produced after the completion of the further planarization layer 17 through both planarization layers 2, 17 or after completion of the first layer 2 sections of this through the first planarization layer 10 and after completion of the second 17 sections of this through the second layer 17.
In Schritt S7 wird das durch einen Graphenfilm 13 gegebenen aktive Element des (jeweiligen) Detektors 3 auf der Oberseite 16 der weiteren Planarisie- rungsschicht 17 vorgesehen, beispielsweise auf der Oberseite 17 deponiert. In step S7, the active element of the (respective) detector 3 given by a graphene film 13 is provided on the upper side 16 of the further planarization layer 17, for example deposited on the upper side 17.
Die Deponierung des Graphenfilms 13 des (jeweiligen) Detektors 3 kann beispielsweise über ein Transferverfahren erfolgen, wie es weiter oben näher beschrieben ist. Dann wird insbesondere jeweils ein auf einem separaten Substrat bzw. einer separaten Metallfolie bzw. einem separaten Germani- umwafer hergestellter Graphenfilm auf die weitere Planarisierungsschicht 17 übertragen. Es ist auch möglich, dass der (jeweilige) Graphenfilm 13 direkt auf der weiteren Planarisierungsschicht 17 hergestellt wird. Dies kann bei spielsweise eine Materialabscheidung einschließen. The graphene film 13 of the (respective) detector 3 can be deposited using a transfer method, for example, as described in more detail above. Then in particular one on a separate substrate or a separate metal foil or a separate Germani The graphene film produced around the wafer is transferred to the further planarization layer 17. It is also possible for the (respective) graphene film 13 to be produced directly on the further planarization layer 17. This can include material deposition, for example.
Kommt ein Transferverfahren zum Einsatz, ist es möglich, dass auf der Oberseite des jeweiligen Graphenfilms 14 bereits die Passivierungsschicht vorgesehen ist, diese etwa darauf abgeschieden oder deponiert wurde, und dann mit diesem transferiert wird. Alternativ dazu kann eine Passivierungs- Schicht auch nach dem Transferieren bzw. Herstellen des Graphenfilms 13 bzw. der Graphenfilme 13 abgeschieden bzw. deponiert werden. If a transfer method is used, it is possible that the passivation layer is already provided on the upper side of the respective graphene film 14, this has been deposited or deposited thereon, and is then transferred with it. As an alternative to this, a passivation layer can also be deposited or deposited after the transfer or production of the graphene film 13 or the graphene films 13.
Es auch ist möglich, dass zunächst ein vollflächiger Graphenfilm und/oder eine vollflächige Passivierungsschicht auf der weiteren Planarisierungs- Schicht 17 hergestellt wird, die sich über die gesamte Oberfläche der weite ren Planarisierungsschicht 17 erstrecken. In diesem Fall erfolgt dann noch eine Strukturierung, insbesondere durch Lithographie und RIE, um die ein zelnen Graphenfilme 13 als aktive Elemente mehrerer Detektoren 3 zu er halten. It is also possible for a full-area graphene film and / or a full-area passivation layer to be produced on the further planarization layer 17, which extend over the entire surface of the further planarization layer 17. In this case, there is then a structuring, in particular by lithography and RIE, in order to keep the individual graphene films 13 as active elements of a plurality of detectors 3.
Die Kontaktelemente 18 werden anschließend hergestellt (Schritt S8), be vorzugt, indem Metall vollflächig abgeschieden wird und dann wiederum eine Strukturierung mittels Lithographie und RIE zum Erhalt der einzelnen Ele mente 18 erfolgt. The contact elements 18 are then produced (step S8), preferably by metal being deposited over the entire surface and then again structuring by means of lithography and RIE to obtain the individual elements 18.
In einem vorletzten Schritt S9 wird die obere Passivierungsschicht 19 vor zugsweise aus AI2O3 und/oder S1O2 abgeschieden. In dieser werden dann zweckmäßiger Weise abschließend mittels Lithografie und RIE Öffnungen insbesondere zu Kontaktelementen hergestellt (Schritt S10). Es werden be- vorzugt Öffnungen zu Kontaktelementen hergestellt, die der Verbindung der Photonik und/oder Elektronik nach außen dienen. In a penultimate step S9, the upper passivation layer 19 is deposited preferably from Al2O3 and / or S1O2. In this, openings, in particular for contact elements, are then expediently finally produced by means of lithography and RIE (step S10). There will be preferably made openings to contact elements, which serve to connect the photonics and / or electronics to the outside.
Die Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Photodetektors 3 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a photodetector 3 according to the first aspect of the invention.
Dieser unterscheidet sich von demjenigen gemäß Figur 1 im Wesentlichen dadurch, dass die beiden Wellenleitersegmente 12a, 12b des Längsab schnitts 12 des Wellenleiters 11 keinen rechteckigen Querschnitt aufweisen und es keine weitere Planarisierungsschicht 17 gibt, sondern das aktive Element, welches auch hier - beispielhaft - durch einen Graphenfilm 13 ge geben ist, auf einer auf den Gateelektroden 15a, 15b vorgesehen, in der Fi gur nicht erkennbaren dielektrischen Schicht angeordnet ist. Die dielektrische Schicht stellet ein Gatedielektrikum dar. Sie zeichnet sich an ihrer Oberseite vorliegend durch eine Rauheit von 0,2 nm RMS aus. Ihre Dicke beträgt vor liegend 15 nm, wobei diese beiden Werte rein beispielhaft zu verstehen sind. This differs from that according to FIG. 1 essentially in that the two waveguide segments 12a, 12b of the longitudinal section 12 of the waveguide 11 do not have a rectangular cross-section and there is no further planarization layer 17, but the active element, which here too - for example - through a graphene film 13 is provided on one of the gate electrodes 15a, 15b in which a dielectric layer which cannot be recognized is disposed. The dielectric layer represents a gate dielectric. In the present case, it is distinguished on its upper side by a roughness of 0.2 nm RMS. In the present case, their thickness is 15 nm, these two values being understood to be purely exemplary.
Wie man erkennt, weist jedes der beiden Wellenleitersegmente 12a, 12b ei nen dem zwischen den beiden Segmenten 12a, 12b liegenden Spalt 14 zu- gewandten Endbereich auf, dessen Querschnitt sich in Richtung des Spaltes 14 abschnittsweise verbreitert. Durch die beiden Endbereiche und den Spalt 14 ergibt sich, wie man erkennt, eine zentraler, Trapez-förmiger Bereich. Die sich beidseitig an diesen Trapez-förmigen Bereich anschließenden Ab schnitte bzw. Bereiche der Segmente 12a, 12b zeichnen sich, wie man er- kennt, durch eine gleichbleibende Dicke aus. As can be seen, each of the two waveguide segments 12a, 12b has an end region facing the gap 14 located between the two segments 12a, 12b, the cross section of which widens in sections in the direction of the gap 14. As can be seen, the two end regions and the gap 14 result in a central, trapezoidal region. The sections or areas of the segments 12a, 12b adjoining this trapezoidal area on both sides are distinguished, as can be seen, by a constant thickness.
Die beiden Gateelektroden 15a, 15b erstrecken sich in Querrichtung jeweils nur über einen Abschnitt der Oberseite des jeweiligen Segmentes 12a, 12b. In der Figur 3 sind die den Gateelektroden 15a, 15b zugeordneten, jeweils mit einer Gateelektrode 15a, 15b in Kontakt stehenden VIAs 8 zu erkennen. Über diese wird eine Verbindung zu wenigstens einem integrierten elektroni schen Bauteil 5 aus dem FEOL 6 hergestellt, was in der Figur aus Gründen der vereinfachten Darstellung jedoch nicht erkennbar ist. Diese VIAs 8 er strecken sich, wie man erkennt, jeweils durch die Planarisierungsschicht 2 und dasjenige Wellenleitersegment 12a, 12b, auf dem die jeweilige Ga teelektrode 15a, 15b angeordnet ist. Über die VIAs 8 wird die Spannungs versorgung der Gateelektroden 15a, 15b gewährleistet. Auch bei dem Bei- spiel aus Figur 3 kann über die Gateelektroden 15a, 15b im Betrieb ein pn-Übergang in dem Graphenfilm 13 und zwar auch hier in dem sich ober halb des Spaltes 14 erstreckenden Bereich, in dem im Betrieb die optische Mode geführt wird, erhalten werden. Zum Erhalt der Anordnung gemäß Figur 3 können die Schritte S1 bis S3 identisch zu denjenigen für die Fierstellung der Anordnung aus Figur 1 sein. The two gate electrodes 15a, 15b each extend in the transverse direction only over a section of the upper side of the respective segment 12a, 12b. The VIAs 8 assigned to the gate electrodes 15a, 15b and each in contact with a gate electrode 15a, 15b can be seen in FIG. This is used to establish a connection to at least one integrated electronic component 5 from the FEOL 6, but this cannot be seen in the figure for reasons of simplified representation. As can be seen, these VIAs 8 each extend through the planarization layer 2 and that waveguide segment 12a, 12b on which the respective Ga teel electrode 15a, 15b is arranged. The supply of voltage to the gate electrodes 15a, 15b is ensured via the VIAs 8. In the example from FIG. 3, a pn junction in the graphene film 13 can also be made via the gate electrodes 15a, 15b during operation, namely also here in the region extending above the gap 14 in which the optical mode is guided during operation , are obtained. To obtain the arrangement according to FIG. 3, steps S1 to S3 can be identical to those for the lowering position of the arrangement from FIG.
In Schritt S4 wird dabei für die Fierstellung der Wellenleiter 11 und Gateei elektroden 15, 15b, nachdem auch hier Wellenleitermaterial flächig abge- schieden wurde, beispielsweise auf die gleiche Weise, wie vorstehend im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben, ein angepasster Ätz-, insbesondere RIE-Prozess durchgeführt, um den Trapez-förmigen Bereich mit den abge schrägten Kanten zu erhalten. Ein isotropes Ätzverhalten des RIE Prozesses kann beispielsweise durch einen gegenüber dem anisotropen Ätzprozess erhöhten Prozessdruck und angepasstem Gasgemisch erhalten werden. Durch den erhöhten Prozessdruck, beispielsweise 20 mTorr gegenüber 10 mTorr, erhält der Ätzprozess eine ungerichtete Komponente, die an der obe ren Kante wegen der längeren Ätzzeit einen höheren Abtrag verursacht. An schließend werden zunächst die VIAs 8 für die Gateelektroden 15a, 15b hergestellt und dann wird wiederum Material für die Gateelektroden 15a, 15b, etwa Silizium, abgeschieden. In step S4, an adapted etching, in particular RIE, is used for the fixing of the waveguide 11 and gate electrodes 15, 15b after waveguide material has also been flatly deposited here, for example in the same way as described above in connection with FIG -Process carried out to get the trapezoidal area with the beveled edges. An isotropic etching behavior of the RIE process can be obtained, for example, by an increased process pressure and an adapted gas mixture compared to the anisotropic etching process. Due to the increased process pressure, for example 20 mTorr compared to 10 mTorr, the etching process has a non-directional component, which causes a higher level of removal on the upper edge due to the longer etching time. At first the VIAs 8 for the gate electrodes 15a, 15b and then again material for the gate electrodes 15a, 15b, such as silicon, is deposited.
Dann werden der (jeweilige) Slot 14 und die Gateelektroden 15a, 15b geätzt. Dadurch wird die zunächst ganzflächige Gateelektrodenschicht „ zerteilt“. Then the (respective) slot 14 and the gate electrodes 15a, 15b are etched. As a result, the gate electrode layer, which initially covers the entire surface, is "divided".
Der Schritt S5 für die Anordnung aus Figur 1 entfällt hier, da hier keine wei tere Planarisierungsschicht 17 herzustellen ist. Hier werden daher in Schritt S5 die VIAs 8 für den Graphenfilm 13 hergestellt Step S5 for the arrangement from FIG. 1 is omitted here, since no further planarization layer 17 has to be produced here. Here, therefore, the VIAs 8 for the graphene film 13 are produced in step S5
In Schritt S6 wird zunächst die dielektrische Schicht auf der Oberseite der Gateelektroden 15a, 15b hergestellt und an ihrer Oberseite bevorzugt resist- planarisiert, um die vorgenannte Rauheit zu erzielen, und dann der Graphen film 13 darauf vorgesehen. In step S6, the dielectric layer is first produced on the upper side of the gate electrodes 15a, 15b and preferably resist-planarized on its upper side in order to achieve the aforementioned roughness, and then the graphene film 13 is provided thereon.
Die Trapezform begünstigt dabei, dass das aktive Element, vorliegend der Graphenfilm 13, den Gateelektroden 15a, 15b bzw. der dielektrischen Schicht, insbesondere auch den abgeschrägten Kanten, konform folgt. Dadurch liegt das Graphen immer auf der dielektrischen Schicht auf den Elektroden 15a, 15b an und kann besonders gut elektrostatisch kontrolliert werden. Auch kann ein besonders homogenes elektrisches Feld erreicht werden. The trapezoidal shape favors that the active element, in the present case the graphene film 13, conforms to the gate electrodes 15a, 15b or the dielectric layer, in particular also the beveled edges. As a result, the graph always lies on the dielectric layer on the electrodes 15a, 15b and can be particularly well controlled electrostatically. A particularly homogeneous electric field can also be achieved.
Die sich an das Vorsehen des (jeweiligen) Graphenfilms 13 anschließenden Schritte können denjenigen für die Anordnung aus Figur 1 entsprechen (ins besondere Herstellung der Kontaktelemente 18, Herstellung der Passivie rungsschicht 19 und Vorsehen von Öffnungen in dieser). The steps following the provision of the (respective) graphene film 13 can correspond to those for the arrangement from FIG. 1 (in particular production of the contact elements 18, production of the passivation layer 19 and provision of openings in this).
Die Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Photodetektors 3 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Auch dieser umfasst einen Längsabschnitt 12 eines Wellenleiters 11, und ein aktives Element 13, welches wenigsten ein Material umfasst oder aus we nigstens einem Material besteht, das elektromagnetische Strahlung wenigs- tens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektrisches Photosignal erzeugt. Auch bei dem Detektor gemäß Figur 3 ist das aktive Element - beispielhaft - durch einen Graphenfilm 13 gegeben. FIG. 4 shows an embodiment of a photodetector 3 according to the second aspect of the invention. This also comprises a longitudinal section 12 of a waveguide 11 and an active element 13 which comprises at least one material or consists of at least one material that absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption. In the detector according to FIG. 3, too, the active element is provided, for example, by a graphene film 13.
Im Unterschied zu den Beispielen aus den Figuren 1 und 3 ist der Wellenlei- ter 11 und dessen zum Detektor 3 gehöriger Längsabschnitt 12 hier einteilig ausgebildet. Es handelt sich konkret um einen Streifenwellenleiter mit recht eckigem Querschnitt. In contrast to the examples from FIGS. 1 and 3, the waveguide 11 and its longitudinal section 12 belonging to the detector 3 are formed in one piece here. Specifically, it is a strip waveguide with a rectangular cross-section.
Ein weiterer Unterschied ist dadurch gegeben, dass zwei Trageelemente 20 an gegenüberliegenden Seiten des Längsabschnitts 12 des Wellenleiters 11 unter Bildung zweier Spalte 21 von diesem beabstandet angeordnet sind. Die Tragelemente 20 sind dabei in Querrichtung von dem Längsabschnitt 12 des Wellenleiters 11 beabstandet angeordnet. Die beiden Spalte 21 sind frei von Material. Vorliegend befindet sich in diesen Vakuum. Another difference is given by the fact that two support elements 20 are arranged on opposite sides of the longitudinal section 12 of the waveguide 11, forming two gaps 21 at a distance therefrom. The support elements 20 are arranged at a distance from the longitudinal section 12 of the waveguide 11 in the transverse direction. The two gaps 21 are free of material. The present is in this vacuum.
Die Tragelemente 20 können aus dem gleichen Material bestehen, wie der Längsabschnitt 12 des Wellenleiters 11, wobei dies beispielhaft zu verstehen ist. Das aktive Element 13 übergreift, wie man erkennt, in Querrichtung den Längsabschnitt 12 des Wellenleiters 11 und die beiden Spalte 21 und ab schnittsweise die beiden Tragelemente 20. The support elements 20 can consist of the same material as the longitudinal section 12 of the waveguide 11, this being understood as an example. As can be seen, the active element 13 overlaps in the transverse direction the longitudinal section 12 of the waveguide 11 and the two gaps 21 and, from sections on, the two support elements 20.
Der Graphenfilm 13 ist ferner - im Gegensatz zu den Beispielen aus den Figuren 1 und 3, wo er in einem Trapez-förmigen Bereich aufliegt - plan. Was den Wafer 1, die Planarisierungsschicht 2 und die Passivierung 19 an geht, stimmt die Anordnung aus Figur 4 mit derjenigen aus Figur 2 überein. Wie man erkennt, hat diese auch keine weitere Planarisierungsschicht 17. Darüber hinaus umfasst dieser Detektor 3 keine Gateelektroden. In contrast to the examples from FIGS. 1 and 3, where it rests in a trapezoidal area, the graphene film 13 is also flat. As far as the wafer 1, the planarization layer 2 and the passivation 19 are concerned, the arrangement from FIG. 4 corresponds to that from FIG. As can be seen, this also has no further planarization layer 17. In addition, this detector 3 does not include any gate electrodes.
Zur Fierstellung der Anordnung aus Figur 4 können die Schritte S1 bis S3 wiederum identisch zu denen sein, die im Zusammenhang mit Figur 1 be schrieben wurden. For setting the arrangement from FIG. 4, steps S1 to S3 can again be identical to those that were described in connection with FIG.
In einem Schritt S4 werden dann die Wellenleiter 11 und Trageelemente 20 hergestellt. Hierfür wird Wellenleitermaterial, beispielsweise das gleiche wie bei den vorangegangenen Beispielen, flächig abgeschieden und anschlie ßend die Spalte 21 durch Lithographie und Ätzen erhalten werden. In a step S4, the waveguides 11 and support elements 20 are then produced. For this purpose, waveguide material, for example the same as in the previous examples, is deposited over a large area and the column 21 is then obtained by lithography and etching.
Dann werden die VIAs 8 hergestellt, die sich hier durch die eine Planarisie rungsschicht 2 und jeweils eines der Tragelemente 20 erstrecken (Schritt S5). In einem Schritt S6 werden die aktiven Elemente, etwa in Form von Gra phenfilmen 13 vorgesehen, was zweckmäßiger Weise durch ein Transfer verfahren geschieht, wie es vorstehend näher beschrieben ist. Then the VIAs 8 are produced, which here extend through the one planarization layer 2 and one of the support elements 20 each (step S5). In a step S6, the active elements are provided, for example in the form of Gra phenfilmen 13, which is expediently done by a transfer process, as described in more detail above.
Die verbleibenden Schritte können wieder mit denen übereinstimmen, die sich bei den vorangegangenen Beispielen an das Vorsehen der aktiven Elemente 13 angeschlossen haben (insbesondere Herstellung der Kontakte lemente 18, Herstellung der Passivierungsschicht 19 und Vorsehen von Öff nungen in dieser). Die Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines elektro-optischen Modulators 22 gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung. The remaining steps can again correspond to those that followed the provision of the active elements 13 in the previous examples (in particular production of the contact elements 18, production of the passivation layer 19 and provision of openings in this). FIG. 5 shows an embodiment of an electro-optical modulator 22 according to the third aspect of the invention.
Auch dieser umfasst einen Längsabschnitt 12 eines Wellenleiters 11, der jedoch vier sich in Längsrichtung und zumindest im Wesentlichen parallel zueinander erstreckende Wellenleitersegmente 12a, 12b 12c, 12d umfasst. This also comprises a longitudinal section 12 of a waveguide 11, which however comprises four waveguide segments 12a, 12b, 12c, 12d extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another.
Da es sich um einen Modulator 22 handelt, weist dieser ferner zwei aktive Elemente 13a, 13b auf, die wenigsten ein Material umfassen oder aus we- nigstens einem Material bestehen, dessen Brechungsindex sich in Abhän gigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung und/oder einem elektrischen Feld ändert. Bei dem gezeigten Beispiel sind die beiden aktiven Elemente durch zwei Graphenfilme 13a, 13b gegeben. Von den beiden aktiven Elementen 13a, 13b ist das untere 13a auf der Oberseite 10 der Planarisierungsschicht 2 angeordnet. Since it is a modulator 22, it also has two active elements 13a, 13b which comprise at least one material or consist of at least one material whose refractive index depends on a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field changes. In the example shown, the two active elements are given by two graphene films 13a, 13b. Of the two active elements 13a, 13b, the lower one 13a is arranged on the upper side 10 of the planarization layer 2.
Es sei angemerkt, dass alternativ dazu, dass zwei aktive Elemente 13a, 13b vorgesehen sind, auch nur ein aktives Element und eine konventionelle Elektrode, etwa aus einem Metall, vorgesehen sein und entsprechend zuei nander angeordnet sein können. It should be noted that, as an alternative to the fact that two active elements 13a, 13b are provided, only one active element and one conventional electrode, for example made of a metal, can also be provided and can be arranged correspondingly to one another.
Bezüglich der vier Wellenleitersegmente 12a-12d gilt ferner, dass ein unteres der Wellenleitersegmente 12a zwischen den beiden aktiven Elemente 13a, 13b angeordnet ist und ein mittleres der Wellenleitersegmente 12b oberhalb der beiden aktiven Elemente 13a, 13b, konkret auf dem oberen aktiven Ele ment 13b angeordnet ist. Es liegt mit anderen Worten eine sandwichartige Konfiguration mit bzw. aus (in Figur 5 von unten nach oben) erstem aktivem Element 13a, unterem Wellenleitersegment 12a, zweiten aktiven Element 13b und mittlerem Segment 12b vor. Das obere aktive Element 13 erstreckt sich innerhalb des Längsabschnitts 12 des Wellenleiters. Die Wellenleiter segmente 12a-12d können alle aus dem gleichen Material sein. With regard to the four waveguide segments 12a-12d, a lower one of the waveguide segments 12a is arranged between the two active elements 13a, 13b and a middle one of the waveguide segments 12b is arranged above the two active elements 13a, 13b, specifically on the upper active element 13b is. In other words, there is a sandwich-like configuration with or from (in FIG. 5 from bottom to top) first active element 13a, lower waveguide segment 12a, second active element 13b and middle segment 12b. The upper active element 13 extends within the longitudinal section 12 of the waveguide. The waveguide segments 12a-12d can all be made of the same material.
Das untere und das mittlere Wellenleitersegment 12a, 12b dienen gleichzei- tig als Passivierung und Ätzschutz. Insbesondere ist das Segment 12a Teil des Wellenleiters und gleichzeitig auch Schutz für das Element 13a wenn das Element 13b geätzt wird. Dann dient 12a als Ätzstoppschicht und als Passivierungsschicht um das Graphen 13a zu schützen. Das Segment 12b ist insbesondere auch Ätzstopschicht für die Strukturierung der Teile 12c und 12d bei der Herstellung des Bereichs 14. The lower and the middle waveguide segment 12a, 12b serve at the same time as passivation and etch protection. In particular, the segment 12a is part of the waveguide and at the same time also protection for the element 13a when the element 13b is etched. Then 12a serves as an etch stop layer and as a passivation layer to protect the graphene 13a. The segment 12b is in particular also an etch stop layer for structuring the parts 12c and 12d during the production of the region 14.
Die beiden verbleibenden, oberen Wellenleitersegmente 12c, 12d sind ober halb des mittleren Wellenleitersegmentes 12b, vorliegend auf dessen Ober seite angeordnet. Die beiden oberen Wellenleitersegmente 12c, 12d sind in Querrichtung unter Bildung eines sich zwischen ihnen erstreckenden Spaltes 14 voneinander beabstandet. Die beiden oberen Wellenleitersegmente 12c, 12d liegen somit nebeneinander auf dem mittleren Segment 12b und der Spalt 14 liegt zwischen diesen. Es gilt, dass genau eine Spalt 14 oberhalb der beiden aktiven Elemente 13 vorgesehen ist. Der Spalt 14 ist mit dem Material der Schicht 19 aufgefüllt. The two remaining, upper waveguide segments 12c, 12d are arranged above half of the middle waveguide segment 12b, in the present case on its upper side. The two upper waveguide segments 12c, 12d are spaced from one another in the transverse direction, forming a gap 14 extending between them. The two upper waveguide segments 12c, 12d thus lie next to one another on the middle segment 12b and the gap 14 lies between them. It applies that exactly one gap 14 is provided above the two active elements 13. The gap 14 is filled with the material of the layer 19.
Die Ausdehnung des unteren und mittleren Wellenleitersegmentes 12a, 12b in Querrichtung übersteigt, wie man erkennt, die Ausdehnung der beiden oberen Segmente 12c, 12d in dieser Richtung um ein Vielfaches. Der Quer- schnitt der Segmente 12a-12d ist rechteckig. The extent of the lower and middle waveguide segments 12a, 12b in the transverse direction exceeds, as can be seen, the extent of the two upper segments 12c, 12d in this direction by a multiple. The cross-section of the segments 12a-12d is rectangular.
Die beiden aktiven Elemente 13a, 13b sind - durch das untere Wellenlei tersegment 12a - voneinander beabstandet und darüber hinaus in Querrich tung derart versetzt zueinander angeordnet, dass sie in einem Überlap- pungsbereich 23 abschnittsweise übereinander liegen. Es fluchtet bzw. überlappt dein Abschnitt des einen aktiven Elementes 13 mit einem Abschnitt des anderen aktiven Elementes 13. Konkret liegen die einander zugewand ten Endbereiche übereinander bzw. fluchten, wodurch der Überlappungsbe reich 23 gebildet wird. Der Überlappungsbereich 23 liegt, wie man der Figur 5 entnehmen kann, unterhalb des zwischen den beiden Segmenten 12c, 12d gebildeten Spaltes 14, fluchtet mit diesem. The two active elements 13a, 13b are spaced apart from one another - by the lower waveguide segment 12a - and are furthermore arranged offset from one another in the transverse direction in such a way that they lie on top of one another in sections in an overlap region 23. It aligns or overlaps your portion of the one active element 13 with a portion of the other active element 13. Specifically, the facing end areas are one above the other or are aligned, whereby the overlapping area 23 is formed. As can be seen from FIG. 5, the overlapping area 23 lies below the gap 14 formed between the two segments 12c, 12d, and is in alignment therewith.
Die Ausdehnung des Überlappungsbereiches 23 und die Ausdehnung des Spaltes 14 in Querrichtung sind aneinander angepasst. Konkret beträgt die Ausdehnung des Überlappungsbereiches 23 in Querrichtung in etwa dem 1,3fachen der Ausdehnung des Spaltes 14 in dieser Richtung. Sie kann bei spielsweise auch dem 1,0-fachen oder 0,8-fachen entsprechen, also die gleiche oder eine geringere Ausdehnung in dieser Richtung aufweisen. Es gilt insbesondere, dass, je kleiner die Überlappung, desto geringer ist die Kapazität und desto schneller ist der Modulator. The extent of the overlap area 23 and the extent of the gap 14 in the transverse direction are adapted to one another. Specifically, the extent of the overlap region 23 in the transverse direction is approximately 1.3 times the extent of the gap 14 in this direction. For example, it can also correspond to 1.0 times or 0.8 times, that is to say it can have the same or a lesser extent in this direction. In particular, the smaller the overlap, the lower the capacitance and the faster the modulator.
Auch im Falle des Modulators 22 mit zwei aktiven Elementen 13 gilt, dass dieser, konkret dessen aktiven Elemente 13, mit wenigstens einem integrier ten elektronischen Bauteil 5 aus dem FEOL des Wafers 1 verbunden sind. Dabei ist jedes aktive Element 13 über ein diesem zugeordnetes, mit diesem in Kontakt stehendes Kontaktelement 18 mit einem VIA 8 verbunden, der sich durch die Planarisierungsschicht 2 (VIA 8 für das in Figur 5 linke aktive Element 13) bzw. die Planarisierungsschicht 2 und das Wellenleitersegment 12a (VIA 8 für das in Figur 5 rechte aktive Element 13) erstreckt und zu- sammen mit weitere VIAs 8 im BEOL 7 die Verbindung gewährleistet. In the case of the modulator 22 with two active elements 13, it is also true that this, specifically its active elements 13, are connected to at least one integrated electronic component 5 from the FEOL of the wafer 1. In this case, each active element 13 is connected to a VIA 8 via a contact element 18 assigned to it and in contact therewith, which extends through the planarization layer 2 (VIA 8 for the active element 13 on the left in FIG. 5) or the planarization layer 2 and the Waveguide segment 12a (VIA 8 for the active element 13 on the right in FIG. 5) and, together with further VIAs 8 in BEOL 7, ensures the connection.
Ein elektro-optischer Modulator 22, wie er in Figur 5 und auch den im Weite ren noch erläuterten Figuren 6 und 7 gezeigt ist, kann in an sich bekannter Weise insbesondere zur optischen Signalcodierung verwendet werden. Zum Erhalt der Anordnung aus Figur 5 können die Schritte S1 bis S3 wiede rum identisch sein. An electro-optical modulator 22, as shown in FIG. 5 and also FIGS. 6 and 7, which will be explained below, can be used in a manner known per se, in particular for optical signal coding. To obtain the arrangement from FIG. 5, steps S1 to S3 can again be identical.
Im Anschluss daran kann in einem Schritt S4 der erste, untere Graphenfilm 13a als unteres aktives Element vorgesehen werden. Dies kann genauso erfolgen, wie vorstehend für das eine aktive Element 13 der Detektoren 3 beschrieben. Dies kann entsprechend beispielsweise eine vollflächige Ab scheidung von Material und anschließende Strukturierung umfassen. Dann kann das zu diesem gehörige Kontaktelement 18 hergestellt werden, wiederum genauso, wie die Kontaktelemente 18 aus den Figuren 1 , 3 und 4. Subsequently, in a step S4, the first, lower graphene film 13a can be provided as the lower active element. This can take place exactly as described above for the one active element 13 of the detectors 3. This can accordingly include, for example, a full-area separation of material and subsequent structuring. The contact element 18 belonging to this can then be produced, again in exactly the same way as the contact elements 18 from FIGS. 1, 3 and 4.
In Schritt S6 wird dann das untere Wellenleitersegment 12a hergestellt, was bevorzugt - in Analogie zu den Segmenten 12a, 12b aus den vorangegan- genen Figuren - eine Materialabscheidung und anschließende Strukturie rung umfassen kann. Als Wellenleitermaterial kommen die gleichen Materia lien in Frage, die zu den vorangegangenen Beispielen genannt wurden. In step S6, the lower waveguide segment 12a is then produced, which can preferably - in analogy to the segments 12a, 12b from the preceding figures - comprise a material deposition and subsequent structuring. The same materia lien come into question as waveguide material that were mentioned for the previous examples.
In Schritt S7 wird auf der Oberseite des Segmentes 12a der zweite, obere Graphenfilm 13b vorgesehen, bevorzugt auf die gleiche Weise wie das erste, untere 13a. In step S7, the second, upper graphene film 13b is provided on the upper side of the segment 12a, preferably in the same way as the first, lower 13a.
In Schritt S8 wir das Kontaktelement 18 für diesen hergestellt. In Schritt S9 wird das mittlere Segment 12b - bevorzugt wie das untere 12a - hergestellt und in Schritt S10 die beiden oberen Segmente 12c, 12d auf der Oberseite des mittleren Segments 12c. Auch hier gilt, dass ein Wellen leitermaterial auf die vorstehend beschriebene Weise abgeschieden werden und anschließend eine Strukturierung zum Erhalt der beiden nebeneinander- liegenden, den Spalt 14 zwischen sich einschließenden Segmenten 12c, 12d erfolgen kann. Es sei angemerkt, dass es möglich ist, dass die Materialab- scheidung für das mittlere Segment 12b und die oberen beiden Segmente 12c, 12d mit Unterbrechung bzw. separat erfolgt, dies beispielsweise, wenn verschiedene Wellenleitermaterialien verwendet werden. Es ist aber auch nicht ausgeschlossen, dass das für das mittlere Segment 12b erforderliche Material und das für die oberen Segmente 12c, 12d erforderliche Material in einem Abscheidungsvorgang, ohne Unterbrechung aufgebracht wird und die Segmente 12b, 12c, 12d durch die anschließender Strukturierung erhalten werden In step S8, the contact element 18 is produced for this. In step S9, the middle segment 12b is produced - preferably like the lower 12a - and in step S10 the two upper segments 12c, 12d are produced on the upper side of the middle segment 12c. Here, too, it applies that a waveguide material is deposited in the manner described above and then a structuring to obtain the two adjacent segments 12c, 12d enclosing the gap 14 between them can be done. It should be noted that it is possible that the material deposition for the middle segment 12b and the upper two segments 12c, 12d takes place with an interruption or separately, for example if different waveguide materials are used. However, it is also not excluded that the material required for the middle segment 12b and the material required for the upper segments 12c, 12d are applied in a deposition process without interruption and the segments 12b, 12c, 12d are obtained by the subsequent structuring
Daran schließen sich dann bevorzugt die Schritte zum Erhalt der Passivie rungsschicht 19 (S11) und der Öffnungen in dieser an (S12), wie sie vorste hend im Zusammenhang mit den vorangegangenen Figuren erläutert wur den. Der Spalt 14 füllt sich bei bzw. aufgrund der Materialabscheidung für die Schicht 19 mit deren Material. This is then preferably followed by the steps for obtaining the passivation layer 19 (S11) and the openings therein (S12), as explained above in connection with the preceding figures. The gap 14 fills with or due to the material deposition for the layer 19 with its material.
In der Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Modulators 22 gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung gezeigt. Dieser unterscheidet sich von demjenigen gemäß Figur 5 im Wesentlichen dadurch, dass sich nicht oberhalb, sondern unterhalb der aktiven Elemente 13, die hier ebenfalls - beispielshaft - durch Graphenfilme 13 gegeben sind, ein Spalt 14 befindet und der Längsabschnitt 12 des Wellenleiters 11 nicht vier, sondern fünf Segmente 12a, 12b, 12c, 12d, 12e umfasst. FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a modulator 22 according to the fourth aspect of the invention. This differs from that according to FIG. 5 essentially in that there is a gap 14 not above, but below the active elements 13, which are also provided here - for example - by graphene films 13, and the longitudinal section 12 of the waveguide 11 is not four, but five segments 12a, 12b, 12c, 12d, 12e.
Konkret sind zwei untere der Wellenleitersegmente 12a, 12b unterhalb der aktiven Elemente 13 angeordnet und in Querrichtung unter Bildung eines sich zwischen ihnen erstreckenden Spaltes 14 voneinander beabstandet, und ein erstes mittleres der Wellenleitersegmente 12c ist zwischen den bei- den aktiven Elementen 13 angeordnet, und ein zweites mittleres Wellenlei- tersegment 12d ist oberhalb der beiden aktiven Elemente 13, konkret auf der Oberseite des oberen aktiven Elementes 13 angeordnet, und ein oberes Wellenleitersegment 12e ist oberhalb des zweiten mittleren Wellenleiterseg ments 12d, konkret auf dessen Oberseite angeordnet. Bei diesem Beispiel liegt somit ein sandwichartiger Aufbau vor, der - von unten nach oben - die beiden unteren Wellenleitersegmente 12a, 12b, das untere aktive Ele ment 13a, ein erstes mittleres Wellenleitersegment 12c, das obere aktive Element 13b, ein zweites mittleres Wellenleitersegment 12d und auf dessen Oberseite das obere Wellenleitersegment 12e umfasst. Hier erstrecken sich beide aktiven Elemente 13 innerhalb des Längsabschnitts 12 des Wellenlei ters 11. Specifically, two lower ones of the waveguide segments 12a, 12b are arranged below the active elements 13 and are spaced apart from one another in the transverse direction to form a gap 14 extending between them, and a first middle one of the waveguide segments 12c is arranged between the two active elements 13, and one second middle waveguide tersegment 12d is arranged above the two active elements 13, specifically on the top of the upper active element 13, and an upper waveguide segment 12e is arranged above the second middle waveguide segment 12d, specifically on its top. In this example there is thus a sandwich-like structure, which - from bottom to top - the two lower waveguide segments 12a, 12b, the lower active element 13a, a first central waveguide segment 12c, the upper active element 13b, a second central waveguide segment 12d and comprises on the top of the upper waveguide segment 12e. Here both active elements 13 extend within the longitudinal section 12 of the waveguide 11.
Die beiden unteren Wellenleitersegmente 12a, 12b und das erste mittlere Wellenleitersegment 12c dienen auch hier gleichzeitig als Passivierung und Ätzschutz. The two lower waveguide segments 12a, 12b and the first middle waveguide segment 12c also serve here at the same time as passivation and etch protection.
Für die Ausdehnung des Spaltes 14 in des Überlappungsbereiches 23 in Querrichtung gilt das gleiche wie bezüglich Figur 5. Zum Erhalt der Anordnung aus Figur 5 können die Schritte S1 bis S3 wiede rum identisch sein. The same applies to the extension of the gap 14 in the overlap region 23 in the transverse direction as with regard to FIG. 5. To obtain the arrangement from FIG. 5, steps S1 to S3 can again be identical.
In einem Schritt S4 werden dann auf der Oberseite 10 der Planarisierungs schicht 2 zunächst die beiden Wellenleitersegmente 12a, 12b hergestellt, wobei hierzu Wellenleitermaterial abgeschieden wird, bevorzugt genauso wie bei den vorangegangenen Beispielen, wodurch sich zunächst eine durchge hende Schicht ergibt, und dann durch Strukturierung, die bevorzugt Litho graphie und Ätzen, insbesondere RIE einschließt, der Spalt 14 hergestellt, mit einem dielektrischen Material, etwa S1O2, aufgefüllt und die Oberfläche bevorzugt planarisiert wird, etwa durch CMP und/oder Resistplanarisierung. Dann kann der dem in Figur 5 linken Graphenfilm 13 zugeordnete VIA 8 hergestellt werden (Schritt S5), der sich durch die Planarisierungsschicht 2 und das in Figur 5 linke der unteren Segmente 12a erstreckt, was wie vor- stehend beschrieben erfolgen kann. In a step S4, the two waveguide segments 12a, 12b are first produced on the top 10 of the planarization layer 2, with waveguide material being deposited for this purpose, preferably in the same way as in the previous examples, which initially results in a continuous layer, and then by structuring , which preferably includes lithography and etching, in particular RIE, the gap 14 is produced, filled with a dielectric material, for example S1O2, and the surface is preferably planarized, for example by CMP and / or resist planarization. The VIA 8 assigned to the graphene film 13 on the left in FIG. 5 can then be produced (step S5), which extends through the planarization layer 2 and the lower segments 12a on the left in FIG. 5, which can be done as described above.
Als nächstes wird der erste, untere Graphenfilm 13 vorgesehen (Schritt S6), was ebenfalls wie bei den vorangegangenen Beispielen erfolgen kann. Der untere Graphenfilm 13 wird dabei bevorzugt derart angeordnet, dass er den Spalt 14 - wie in Figur 5 erkennbar- in Querrichtung vollständig übergreift. Next, the first, lower graphene film 13 is provided (step S6), which can also be done as in the previous examples. The lower graphene film 13 is preferably arranged in such a way that it completely overlaps the gap 14 - as can be seen in FIG. 5 - in the transverse direction.
Dann kann das zugehörige Kontaktelement 18, wie vorstehend beschrieben, hergestellt werden (Schritt S6) und dann das erste mittlere Wellenleiterseg ment 12c, dann der VIA 8 für den zweiten, oberen Graphenfilm 13 (Schritt S7), dann der zweite, obere Graphenfilm 13 (S8), wie der erste, dann das zweite mittlere Segment 12d (S9) und das obere Segment 12e (S10). Die Fierstellung der Segmente 12c, 12d und 12e kann dabei beispielsweise ana log zur Fierstellung der Segmente 12a bis 12d aus Figur 5 erfolgen, mit dem Unterschied, dass in dem Segment 12e kein Spalt vorgesehen, sondern dieses nur als streifenförmiges Segment mit rechteckigem Querschnitt geätzt wird. The associated contact element 18 can then be produced as described above (step S6) and then the first middle waveguide segment 12c, then the VIA 8 for the second, upper graphene film 13 (step S7), then the second, upper graphene film 13 ( S8), like the first, then the second middle segment 12d (S9) and the upper segment 12e (S10). The lowering position of the segments 12c, 12d and 12e can, for example, be analogous to the lowering position of the segments 12a to 12d from FIG .
Abschließend können auch hier die vorstehend beschriebenen Schritte zum Erhalt der Passivierungsschicht 19 (S11) und der Öffnungen in dieser (S12) durchgeführt werden. Finally, the steps described above for obtaining the passivation layer 19 (S11) and the openings in this (S12) can also be carried out here.
In Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Modulators 22 gemäß dem fünf ten Aspekt der Erfindung gezeigt. Dieser unterscheidet sich von dem Beispiel aus Figur 6 alleine dadurch, dass zusätzlich oberhalb der wiederum beispielhaft durch Graphenfilme 13 gege benen aktiven Elemente ein zweiter Spalt 14 vorgesehen ist. Anstelle des streifenförmigen Wellenleitersegmentes 12e wie in Figur 6 sind hier auch oberhalb der Graphenfilme 13 zwei nebeneinanderliegende, voneinander unter Bildung des zweiten Spaltes 14 beabstandete Segmente 12e und 12f auf der Oberseite des zweiten mittleren Segmentes 12d vorgesehen. Es sei angemerkt, dass sich der zweite, obere Spalt 14 auch hier bei bzw. aufgrund der Materialabscheidung für die Schicht 19 mit deren Material füllt In Figure 7, an embodiment of a modulator 22 is shown according to the fifth aspect of the invention. This differs from the example from FIG. 6 solely in that a second gap 14 is additionally provided above the active elements, again given by way of example by graphene films 13. Instead of the strip-shaped waveguide segment 12e as in FIG. 6, two adjacent segments 12e and 12f spaced from one another to form the second gap 14 are also provided above the graphene films 13 on the upper side of the second middle segment 12d. It should be noted that the second, upper gap 14 is also filled with its material during or due to the material deposition for the layer 19
Bei diesem Beispiel liegt ein sandwichartiger Aufbau vor, der - von unten nach oben - die beiden unteren Wellenleitersegmente 12a, 12b, das untere aktive Element 13a, ein erstes mittleres Wellenleitersegment 12c, das obere aktive Element 13b, ein zweites mittleres Wellenleitersegment 12d und auf dessen Oberseite zwei nebeneinanderliegende, obere Wellenleitersegmente 12e, 12f umfasst. Auch hier erstrecken sich beide aktiven Elemente 13 in nerhalb des Längsabschnitts 12 des Wellenleiters 11. In this example, there is a sandwich-like structure, which - from bottom to top - the two lower waveguide segments 12a, 12b, the lower active element 13a, a first middle waveguide segment 12c, the upper active element 13b, a second middle waveguide segment 12d and on top of it Upper side comprises two adjacent, upper waveguide segments 12e, 12f. Here, too, the two active elements 13 extend within the longitudinal section 12 of the waveguide 11.
Die beiden unteren Wellenleitersegmente 12a, 12b und das erste mittlere Wellenleitersegment 12c dienen auch hier gleichzeitig als Passivierung und Ätzschutz. The two lower waveguide segments 12a, 12b and the first middle waveguide segment 12c also serve here at the same time as passivation and etch protection.
Wie man in der Figur 6 erkennt, liegt der Überlappungsbereich 23, den die beiden aktiven Elemente 13 aufgrund des Versatzes bilden, oberhalb des einen Spaltes 14, konkret desjenigen zwischen den unteren Segmenten 12a und 12b, und unterhalb des anderen Spaltes 14, konkret desjenigen zwi schen den oberen Segmenten 12e und 12f. As can be seen in Figure 6, the overlap area 23, which the two active elements 13 form due to the offset, is above the one gap 14, specifically that between the lower segments 12a and 12b, and below the other gap 14, specifically that between the two between the upper segments 12e and 12f.
Der untere Spalt 14, der Überlappungsbereich 23 und der obere Spalt 14 fluchten. Es gilt ferner auch hier, dass die Ausdehnung des Überlappungsbereiches 23 und die Ausdehnung beider Spalte 14 in Querrichtung aneinander ange passt sind. Konkret beträgt die Ausdehnung des Überlappungsbereiches 23 in Querrichtung in etwa dem 1 ,3fachen der Ausdehnung des oberen Spaltes 14 und des unteren Spaltes 14 in dieser Richtung. Sie kann beispielsweise auch dem 1,0-fachen oder 0,8-fachen entsprechen. The lower gap 14, the overlap area 23 and the upper gap 14 are aligned. It also applies here that the extent of the overlap region 23 and the extent of both gaps 14 in the transverse direction are adapted to one another. Specifically, the extent of the overlap region 23 in the transverse direction is approximately 1.3 times the extent of the upper gap 14 and the lower gap 14 in this direction. For example, it can also be 1.0 or 0.8 times.
Zum Erhalt der Anordnung aus Figur 7 kann genauso vorgegangen werden, wie für die aus Figur 6, mit dem einzigen Unterschied, dass zusätzlich der obere Spalt 14 geätzt werden muss. Dadurch werden dann auf der Oberseite des zweiten mittleren Wellenleitersegmentes 12d anstelle des einen oberen Segmentes 12e die beiden oberen Segmente 12e und 12f mit dem Spalt 14 dazwischen erhalten. The same procedure can be used to obtain the arrangement from FIG. 7 as for that from FIG. 6, with the only difference that the upper gap 14 must also be etched. As a result, the two upper segments 12e and 12f with the gap 14 between them are then obtained on the upper side of the second central waveguide segment 12d instead of the one upper segment 12e.
Wie vorstehend angemerkt umfassen die Beispiele erfindungsgemäßer Flalbleitervorrichtungen jeweils mehrere Photodetektoren 3 bzw. Modulatoren 22, von denen die Teilschnitte nur beispielhaft einen zeigen. Bei den darge stellten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Flalbleitervorrichtungen können jeweils alle Photodetektoren 3 bzw. Modulatoren 22 baugleich sein. Die Übereinstimmung ermöglicht dann eine besonders einfache, zügige Fler- stellung. Es sei jedoch betont, dass es selbstverständlich auch möglich ist, dass eine erfindungsgemäße Flalbleitervorrichtung verschiedene der in den Figuren 1 bzw. 3 bis 6 dargestellten Beispiele von Photodetektoren 3 und/oder Modulatoren 22 umfasst, etwa sowohl Detektoren 3 gemäß Figur 1 als auch Modulatoren gemäß Figur 5. Dabei können auch mehr als zwei verschiedene der Beispiele vorhanden sein, beispielsweise auch von allen gezeigten Photodetektoren 3 und/oder von allen gezeigten Modulatoren 22 jeweils einer oder jeweils mehrere. Es sei angemerkt, dass die jeweils auf dem Wafer 1 vorgesehenen Anord nungen, welche die Schichten 2, ggf. 17 und 19 sowie Photodetektoren 3 und/oder Modulatoren 22 umfassen, auch jeweils als photonische Plattform erachtet und bezeichnet werden können. Weiterhin sein angemerkt, dass alternativ dazu, dass die photonische Plattform wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispielen jeweils auf dem BEOL 7 des Wafers 1 hergestellt wird, es prinzipiell auch möglich ist, dass diese separat gefertigt und mit dem Wafer 1 gebondet wird. Nach der Fertigstellung einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung kann aus dieser auf einfache und schnelle Weise, konkret durch bloßes Dicen, mit anderen Worten Zerkleinern, eine Vielzahl von Halbleitereinrichtungen, die jeweils durch einen Chip mit integrierter, darauf aufgebauter Photonik mit einem oder mehreren Photodetektoren 3 und/oder Modulatoren 22 gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet sind, erhalten werden. As noted above, the examples of semiconductor devices according to the invention each comprise a plurality of photodetectors 3 or modulators 22, of which the partial sections only show one by way of example. In the illustrated exemplary embodiments of semiconductor devices according to the invention, all photodetectors 3 or modulators 22 can each be structurally identical. The correspondence then enables a particularly simple, rapid provision. However, it should be emphasized that it is of course also possible for a semiconductor device according to the invention to include various of the examples of photodetectors 3 and / or modulators 22 shown in FIGS. 1 and 3 to 6, for example both detectors 3 according to FIG FIG. 5. There can also be more than two different examples, for example also one or more of all shown photodetectors 3 and / or of all shown modulators 22. It should be noted that the arrangements provided on the wafer 1, which include the layers 2, possibly 17 and 19 as well as photodetectors 3 and / or modulators 22, can also each be regarded and referred to as a photonic platform. It should also be noted that, as an alternative to the fact that the photonic platform is produced on the BEOL 7 of the wafer 1 as in the exemplary embodiment described, it is in principle also possible for it to be produced separately and bonded to the wafer 1. After a semiconductor device according to the invention has been completed, a plurality of semiconductor devices can be produced from this in a simple and fast manner, specifically by means of mere dicing, in other words comminuting, each of which is provided by a chip with integrated photonics built on it with one or more photodetectors 3 and / or Modulators 22 formed in accordance with the present invention can be obtained.
Die durch das Dicen erhaltenen „ Nacktchips“ mit Photodetektoren 3 und/oder Modulatoren 22 können dann, wie es auch von herkömmlichen Nacktchips vorbekannt ist, in Gehäuse (englisch: Packages) eingesetzt und einerweiteren Nutzung zugeführt werden. The “bare chips” with photodetectors 3 and / or modulators 22 obtained by dicing can then, as is also known from conventional bare chips, be inserted into housings (English: packages) and put to further use.
Ein durch Dicen der Halbleitervorrichtung mit dem Wafer 1 und den Pho todetektoren 3 und/oder Modulatoren 22 erhaltener Chip mit einem oder mehreren solcher ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung. A chip with one or more such chips obtained by dicing the semiconductor device with the wafer 1 and the photo detectors 3 and / or modulators 22 is an exemplary embodiment of a semiconductor device according to the invention.
Es sei angemerkt, dass sämtliche Teilschnittdarstellungen nur einen ver gleichsweise sehr kleinen Ausschnitt zeigen, konkret einen Ausschnitt, der nur einen kleinen Teil des Wafers 1 bzw. eines nach dem Dicen erhaltenen Chips zeigt. Sämtliche Teilschnitte repräsentieren somit Schnitte sowohl durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrich tung als auch durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung. Weiterhin sei angemerkt, dass bereits oberhalb eines einzelnen Chips eine Mehrzahl von Photodetektoren 3 und/oder Modulatoren 22 vorgesehen sein bzw. werden kann, je nach Anwendungsfall beispiels weise mehrere zehn, mehrere hundert oder sogar mehrere tausend. It should be noted that all of the partial sectional views show only a comparatively very small section, specifically a section that shows only a small part of the wafer 1 or a chip obtained after dicing. All partial sections thus represent both sections by an embodiment of a semiconductor device according to the invention as well as by an embodiment of a semiconductor device according to the invention. It should also be noted that a plurality of photodetectors 3 and / or modulators 22 can already be provided above a single chip, for example several tens, several hundred or even several thousand, depending on the application.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Photodetektor (3) umfassend einen Längsabschnitt (12) eines Wel lenleiters (11), der zwei sich in Längsrichtung und zumindest im Wesentli- chen parallel zueinander erstreckende Wellenleitersegmente (12a, 12b), die bevorzugt in Querrichtung unter Bildung eines sich zwischen ihnen erstre ckenden Spaltes (14) voneinander beabstandet sind, umfasst oder dadurch gebildet wird, und ein aktives Element (13), welches den Längsabschnitt (12) des Wellenleiters übergreift und wenigsten ein Material umfasst oder aus wenigstens einem Material besteht, das elektromagnetische Strahlung we nigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektri sches Photosignal erzeugt, wobei die beiden Wellenleitersegmente (12a, 12b) jeweils an wenigstens einer Seite, insbesondere an der dem aktiven Element (14) zugewandten Seite zumindest abschnittsweise mit einer be- vorzugt Silizium umfassenden oder aus Silizium bestehenden Gateelektrode (15a, 15b) in Kontakt stehen. 1. Photodetector (3) comprising a longitudinal section (12) of a waveguide (11), the two in the longitudinal direction and at least substantially parallel to each other extending waveguide segments (12a, 12b), which are preferably in the transverse direction with the formation of a between them extending gap (14) are spaced apart, includes or is formed thereby, and an active element (13) which overlaps the longitudinal section (12) of the waveguide and comprises at least one material or consists of at least one material that at least electromagnetic radiation absorbs a wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption, the two waveguide segments (12a, 12b) each on at least one side, in particular on the side facing the active element (14), at least in sections with a preferably comprising or made of silicon Silicon existing gate electrode (15a, 15b) are in contact.
2. Photodetektor (3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektroden (15a, 15b) jeweils an ihrer Unterseite mit der Oberseite eines Wellenleitersegmentes (12a, 12b) und jeweils mit ihrer Oberseite mit der Unterseite einer zwischen dem aktiven Element (13) und den Wellenleiter segmenten (12a, 12b) vorgesehenen dielektrischen Schicht in Kontakt ste hen. 2. Photodetector (3) according to claim 1, characterized in that the gate electrodes (15a, 15b) each on their underside with the top side of a waveguide segment (12a, 12b) and each with their top side with the underside of one between the active element (13 ) and the waveguide segments (12a, 12b) provided dielectric layer in contact.
3. Photodetektor (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektroden (15a, 15b) ein für elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge transparentes und/oder elektrisch leitfähiges Material umfassen oder daraus bestehen. 3. Photodetector (3) according to claim 1 or 2, characterized in that the gate electrodes (15a, 15b) comprise or consist of a material which is transparent and / or electrically conductive for electromagnetic radiation at least one wavelength.
4. Photodetektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Gateelektroden (15a, 15b) ein mit dieser in Kontakt stehendes Verbindungselement (8) zugeordnet ist und sich jeweils eines der Verbindungselemente (8) durch eines der Wellen- leitersegmente (12a, 12b) erstreckt. 4. The photodetector (3) according to any one of the preceding claims, characterized in that each of the two gate electrodes (15a, 15b) is assigned a connecting element (8) in contact therewith and in each case one of the connecting elements (8) extends through one of the shafts - Conductor segments (12a, 12b) extends.
5. Photodetektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (13) die beiden Wellen leitersegmente (12a, 12b) und den dazwischenliegenden Spalt (14) zumin- dest abschnittsweise übergreift. 5. Photodetector (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the active element (13) overlaps the two waveguide segments (12a, 12b) and the gap (14) in between at least in sections.
6. Photodetektor (3) umfassend einen Längsabschnitt (12) eines Wel lenleiters (11), und ein aktives Element (13), welches wenigsten ein Material umfasst oder aus wenigstens einem Material besteht, das elektromagneti- sehe Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Ab sorption ein elektrisches Photosignal erzeugt, wobei zwei Trageelemente (20) an gegenüberliegenden Seiten des Längsabschnitts (12) des Wellenlei ters (11) unter Bildung zweier Spalte (21) von diesem beabstandet angeord net sind, wobei die beiden Spalte (21) frei von Material sind, und wobei das aktive Element (13) den Längsabschnitt (12) des Wellenleiters (1) und die beiden Spalte (21) und zumindest Abschnitte der beiden Tragelemente (20) bevorzugt in Querrichtung übergreift. 6. Photodetector (3) comprising a longitudinal section (12) of a Wel lenleiters (11), and an active element (13) which comprises at least one material or consists of at least one material that absorbs electromagnetic radiation at least one wavelength and as a result From the absorption generates an electrical photo signal, with two support elements (20) on opposite sides of the longitudinal section (12) of the Wellenlei age (11) to form two columns (21) spaced from this angeord net, the two columns (21) free are made of material, and wherein the active element (13) overlaps the longitudinal section (12) of the waveguide (1) and the two gaps (21) and at least sections of the two support elements (20), preferably in the transverse direction.
7. Photodetektor (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (13) auf der diesem zugewandten Oberseite des Längs abschnitts (12) des Wellenleiters (11) und/oder auf den diesem zugewandten Oberseiten der Tragelemente (20) aufliegt. 7. photodetector (3) according to claim 6, characterized in that the active element (13) rests on the upper side of the longitudinal section (12) of the waveguide (11) facing this and / or on the upper sides of the support elements (20) facing this .
8. Photodetektor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem wenigstens einen Material des aktiven Elementes (13), das elektromagnetische Strahlung wenigstens einer Wellenlänge absorbiert und infolge der Absorption ein elektrisches Photosignal erzeugt, um Graphen, und/oder wenigstens ein Dichalkogenid, insbesondere zweidimensionales Übergangs-Dichalkogenid, und/oder Hete- rostrukturen aus zweidimensionalen Materialien und/oder Germanium und/oder wenigstens ein elektro-optisches Polymer und/oder Silizium und/oder wenigstens einen Verbindungshalbleiter, insbesondere wenigsten einen Ill-V-Halbleiter und/oder wenigstens einen Il-Vl-Halbleiter, handelt. 8. photodetector (3) according to any one of the preceding claims, characterized in that it is the at least one material of the active element (13), which absorbs electromagnetic radiation of at least one wavelength and generates an electrical photo signal as a result of the absorption in order to generate graphene and / or at least one dichalcogenide, in particular two-dimensional transition dichalcogenide, and / or heterostructures made of two-dimensional materials and / or germanium and / or at least one electro-optical polymer and / or silicon and / or at least one compound semiconductor, in particular at least one III-V semiconductor and / or at least one II-VI semiconductor.
9. Modulator (22) umfassend einen Längsabschnitt (12) eines Wellenlei ters (11), der vier sich in Längsrichtung und zumindest im Wesentlichen pa rallel zueinander erstreckende Wellenleitersegmente (12a, 12b, 12c, 12d) umfasst oder durch diese gebildet wird, und zwei aktive Elemente (13), die wenigsten ein Material umfassen oder aus wenigstens einem Material be- stehen, dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung und/oder einem elektrischen Feld ändert, oder ein solches aktives Element (13) und eine Elektrode, wobei ein unteres der Wellenleitersegmente (12a) zwischen den beiden aktiven Ele mente (13) oder zwischen dem aktiven Element (13) und der Elektrode an- geordnet ist, ein mittleres der Wellenleitersegmente (12b) oberhalb der bei den aktiven Elemente (13) oder oberhalb des aktiven Elementes (13) und der Elektrode angeordnet ist, und die beiden verbleibenden, oberen Wellenlei tersegmente (12c, 12d) oberhalb des mittleren Wellenleitersegmentes (12b) angeordnet sind, wobei die beiden oberen Wellenleitersegmente (12c, 12d) bevorzugt in Querrichtung unter Bildung eines sich zwischen ihnen erstre ckenden Spaltes (14) voneinander beabstandet sind. 9. modulator (22) comprising a longitudinal section (12) of a waveguide (11) which comprises or is formed by four waveguide segments (12a, 12b, 12c, 12d) extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another, and two active elements (13) that comprise at least one material or consist of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, or such an active element (13 ) and an electrode, a lower one of the waveguide segments (12a) being arranged between the two active elements (13) or between the active element (13) and the electrode, and a middle one of the waveguide segments (12b) above that of the active ones Elements (13) or above the active element (13) and the electrode is arranged, and the two remaining, upper waveguide tersegmente (12c, 12d) above the central waveguide ersegmentes (12b) are arranged, wherein the two upper waveguide segments (12c, 12d) are preferably spaced from one another in the transverse direction with the formation of a gap (14) extending between them.
10. Modulator (22) umfassend einen Längsabschnitt (12) eines Wellenlei ters (11), der fünf sich in Längsrichtung und zumindest im Wesentlichen pa- rallel zueinander erstreckende Wellenleitersegmente (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) umfasst oder durch diese gebildet wird, und zwei aktive Elemente (13), die wenigsten ein Material umfassen oder aus wenigstens einem Material bestehen, dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung und/oder einem elektrischen Feld ändert, oder ein solches aktives Element (13) und eine Elektrode, wobei zwei untere der Wellenleitersegmente(12a, 12b) unterhalb der aktiven Elemente (13) oder unterhalb des aktiven Elementes (13) und der Elektrode angeord net und bevorzugt in Querrichtung unter Bildung eines sich zwischen ihnen erstreckenden Spaltes (14) voneinander beabstandet sind, und ein erstes mittleres der Wellenleitersegmente (12c) zwischen den beiden aktiven Ele menten (13) oder zwischen dem aktiven Element (13) und der Elektrode an geordnet ist, und ein zweites mittleres Wellenleitersegment (12d) oberhalb der beiden aktiven Elemente (13) oder oberhalb des aktiven Elementes (13) und der Elektrode angeordnet ist, und ein oberes Wellenleitersegment (12e) oberhalb des zweiten mittleren Wellenleitersegments (12d) angeordnet ist. 10. modulator (22) comprising a longitudinal section (12) of a waveguide (11) which has five waveguide segments (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) comprises or is formed by these, and two active elements (13) which comprise at least one material or consist of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field , or such an active element (13) and an electrode, two lower of the waveguide segments (12a, 12b) below the active elements (13) or below the active element (13) and the electrode angeord net and preferably in the transverse direction to form a between them extending gap (14) are spaced apart, and a first middle of the waveguide segments (12c) between the two active elements (13) or between the active element (13) and the electrode is arranged, and a second middle waveguide segment (12d) is arranged above the two active elements (13) or above the active element (13) and the electrode, and an upper We Llenleitersegment (12e) is arranged above the second central waveguide segment (12d).
11. Modulator (22) umfassend einen Längsabschnitt 11. Modulator (22) comprising a longitudinal section
(12) eines Wellenlei ters (11), der sechs sich in Längsrichtung und zumindest im Wesentlichen parallel zueinander erstreckende Wellenleitersegmente (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f) umfasst oder durch diese gebildet wird, und zwei aktive Elemente(12) a waveguide (11) which comprises or is formed by six waveguide segments (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f) extending in the longitudinal direction and at least substantially parallel to one another, and two active elements
(13), die wenigsten ein Material umfassen oder aus wenigstens einem Mate rial bestehen, dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit einer Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung und/oder einem elektrischen Feld ändert, oder ein solches aktives Element (13) und eine Elektrode, wobei zwei untere der Wellenleitersegmente (12a, 12b) unterhalb der aktiven Elemente (13) oder unterhalb des aktiven Elementes (13) und der Elektrode angeord net und bevorzugt in Querrichtung unter Bildung eines sich zwischen ihnen erstreckenden Spaltes (14) voneinander beabstandet sind, und ein erstes mittleres der Wellenleitersegmente (12c) zwischen den beiden aktiven Ele- menten (13) oder zwischen dem aktiven Element (13) und der Elektrode an- geordnet ist, und ein zweites mittleres Wellenleitersegment (12d) oberhalb der beiden aktiven Elemente (13) oder oberhalb des aktiven Elementes (13) und der Elektrode angeordnet ist, und die beiden verbleibenden, oberen Wellenleitersegmente (12e, 12f) oberhalb des zweiten mittleren Wellenlei- tersegmentes (12d) angeordnet sind, wobei die beiden oberen Wellenleiter segmente (12e, 12f) bevorzugt in Querrichtung unter Bildung eines sich zwi schen ihnen erstreckenden Spaltes (14) voneinander beabstandet sind. (13), which comprise at least one material or consist of at least one material whose refractive index changes as a function of a voltage and / or the presence of charge and / or an electric field, or such an active element (13) and an electrode , wherein two lower of the waveguide segments (12a, 12b) are arranged below the active elements (13) or below the active element (13) and the electrode and are preferably spaced from one another in the transverse direction to form a gap (14) extending between them, and a first middle one of the waveguide segments (12c) between the two active elements (13) or between the active element (13) and the electrode. is ordered, and a second central waveguide segment (12d) is arranged above the two active elements (13) or above the active element (13) and the electrode, and the two remaining, upper waveguide segments (12e, 12f) above the second central waveguide - tersegmentes (12d) are arranged, wherein the two upper waveguide segments (12e, 12f) are preferably spaced apart in the transverse direction with the formation of a gap (14) extending between them.
12. Modulator (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass die beiden aktiven Elemente (13) oder das aktive Element (13) und die Elektrode voneinander beabstandet und derart versetzt zuei nander angeordnet sind, dass sie in einem Überlappungsbereich (23) ab schnittsweise übereinander liegen. 13. Modulator (22) nach Anspruch 9 oder 10 und Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlappungsbereich (23) oberhalb oder unterhalb des Spaltes (14) liegt. 12. modulator (22) according to one of claims 9 to 11, characterized in that the two active elements (13) or the active element (13) and the electrode are spaced apart and offset from one another in such a way that they are in an overlap area (23) are from sections on top of each other. 13. Modulator (22) according to claim 9 or 10 and claim 12, characterized in that the overlap region (23) is above or below the gap (14).
14. Modulator (22) nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlappungsbereich (23) oberhalb des einen und unterhalb des anderen Spaltes (14) liegt. 14. modulator (22) according to claim 11 and 12, characterized in that the overlap region (23) is above the one and below the other gap (14).
15. Modulator (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der beiden aktiven Elemente (13) oder oberhalb des aktiven Elementes und der Elektrode genau ein zwischen zwei beabstande- ten Wellenleitersegmenten (12a-12f) gebildeter Spalt (14) vorgesehen ist und/oder dass unterhalb der beiden aktiven Elemente (13) oder unterhalb des aktiven Elementes (13) und der Elektrode genau ein zwischen zwei be- abstandeten Wellenleitersegmenten (12a-12f) gebildeter Spalt (14) vorgese- hen ist. 15. Modulator (22) according to one of claims 9 to 14, characterized in that above the two active elements (13) or above the active element and the electrode exactly one gap (12a-12f) formed between two spaced waveguide segments ( 14) is provided and / or that exactly one gap (14) formed between two spaced waveguide segments (12a-12f) is provided below the two active elements (13) or below the active element (13) and the electrode.
16. Modulator (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des Überlappungsbereiches (23) in Quer richtung im Bereich vom 0,8-fachen bis 1,8-fachen, bevorzugt 1,0-fachen bis 1,5-fachen der Ausdehnung des oder wenigstens eines der Spalte (14) in Querrichtung entspricht. 16. Modulator (22) according to one of claims 9 to 15, characterized in that the extent of the overlap region (23) in the transverse direction in the range from 0.8 times to 1.8 times, preferably 1.0 times to 1.5 times the extension of the or at least one of the gaps (14) in the transverse direction.
17. Modulator (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem wenigstens einen Material wenigstens eines der aktiven Elemente (13), dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit ei ner Spannung und/oder dem Vorhandensein von Ladung und/oder einem elektrischen Feld ändert, um Graphen, und/oder wenigstens ein Dichalko- genid, insbesondere zweidimensionales Übergangs-Dichalkogenid, und/oder Heterostrukturen aus zweidimensionalen Materialien und/oder Germanium und/oder Lithiumniobad und/oder wenigstens ein elektro-optisches Polymer und/oder Silizium und/oder wenigstens einen Verbindungshalbleiter, insbe sondere wenigsten einen Ill-V-Halbleiter und/oder wenigstens einen Il-Vl-Halbleiter, handelt. 17. Modulator (22) according to one of claims 9 to 16, characterized in that the at least one material is at least one of the active elements (13), the refractive index of which is dependent on a voltage and / or the presence of charge and / or an electrical field changes to graphene, and / or at least one dichalcogenide, in particular two-dimensional transition dichalcogenide, and / or heterostructures made of two-dimensional materials and / or germanium and / or lithium niobath and / or at least one electro-optical polymer and / or silicon and / or at least one compound semiconductor, in particular at least one III-V semiconductor and / or at least one II-VI semiconductor.
18. Photodetektor (3) oder Modulator (22) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsabschnitt (12) des Wellenleiters (11) auf oder oberhalb einer Planarisierungsschicht (2, 17) an geordnet ist, wobei bevorzugt sich die Planarisierungsschicht (2, 17) an der jenigen Seite, an welcher der Längsabschnitt (12) des Wellenleiters (11) auf dieser angerordnet ist zumindest abschnittsweise durch eine Rauheit im Be reich von 1,0 nm RMS bis 0,1 nm RMS, insbesondere 0,6 nm RMS bis 0,1 nm RMS, bevorzugt 0,4 nm RMS bis 0,1 nm RMS auszeichnet, und/oder dass der Längsabschnitt (12) des Wellenleiters (11) zumindest abschnitts weise in eine Planarisierungsschicht (2, 17) eingebettet ist, und das aktive Element (13) oder eines der aktiven Elemente (13) auf der Planarisierungs- Schicht (2, 17) angeordnet ist, wobei bevorzugt sich die Planarisierungs schicht (2, 17) an derjenigen Seite, an welcher das aktive Element (13) auf dieser angerordnet ist zumindest abschnittsweise durch eine Rauheit im Be reich von 1,0 nm RMS bis 0,1 nm RMS, insbesondere 0,6 nm RMS bis 0,1 nm RMS, bevorzugt 0,4 nm RMS bis 0,1 nm RMS auszeichnet. 18. Photodetector (3) or modulator (22) according to one of the preceding claims, characterized in that the longitudinal section (12) of the waveguide (11) is arranged on or above a planarization layer (2, 17), the preferred being the Planarization layer (2, 17) on the side on which the longitudinal section (12) of the waveguide (11) is arranged on this, at least in sections, due to a roughness in the range from 1.0 nm RMS to 0.1 nm RMS, in particular 0 , 6 nm RMS to 0.1 nm RMS, preferably 0.4 nm RMS to 0.1 nm RMS, and / or that the longitudinal section (12) of the waveguide (11) at least partially in a planarization layer (2, 17) is embedded, and the active element (13) or one of the active elements (13) on the planarization Layer (2, 17) is arranged, the planarization layer (2, 17) preferably on the side on which the active element (13) is arranged on this, at least in sections by a roughness in the range of 1.0 nm RMS to 0.1 nm RMS, in particular 0.6 nm RMS to 0.1 nm RMS, preferably 0.4 nm RMS to 0.1 nm RMS.
19. Photodetektor (3) oder Modulator (22) nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsabschnitt (12) des Wellenleiters (11) Titandioxid und/oder Aluminiumnitrid und/oder Tantalpen- toxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxy- nitrid und/oder Lithiumniobat und/oder Silizium, insbesondere Polysilizium, und/oder Indiumphosphit und/oder Galliumarsenid und/oder Indiumgalli- umarsenid und/oder Aluminiumgalliumarsenid und/oder wenigstens ein Dichalkogenid, insbesondere zweidimensionales Übergangsme- tall-Dichalkogenid, und/oder Chalkogenidglas und/oder Heterostrukturen aus zweidimensionalen Materialien und/oder Harze bzw. Harz enthaltende Mate rialien, insbesondere SU8, und/oder Polymere bzw. Polymere enthaltende Materialien, insbesondere OrmoClad und/oder OrmoCore, umfasst oder da raus besteht. 19. photodetector (3) or modulator (22) according to one of the preceding claims, characterized in that the longitudinal section (12) of the waveguide (11) titanium dioxide and / or aluminum nitride and / or tantalum toxide and / or silicon nitride and / or Aluminum oxide and / or silicon oxy-nitride and / or lithium niobate and / or silicon, in particular polysilicon, and / or indium phosphite and / or gallium arsenide and / or indium gallium arsenide and / or aluminum gallium arsenide and / or at least one dichalcogenide, in particular two-dimensional transition metal Dichalcogenide and / or chalcogenide glass and / or heterostructures made of two-dimensional materials and / or resins or resin-containing materials, in particular SU8, and / or polymers or materials containing polymers, in particular OrmoClad and / or OrmoCore, or consists of it.
20. Halbleitereinrichtung umfassend einen Chip und wenigstens einen, bevorzugt mehrere Photodetektoren (3) und/oder Modulatoren (22) nach ei nem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der oder die Photodetektoren (3) und/oder Modulatoren (22) bevorzugt auf dem Chip oder auf einer auf dem Chip oder oberhalb des Chips angeordneten Schicht angeordnet sind. 20. A semiconductor device comprising a chip and at least one, preferably a plurality of photodetectors (3) and / or modulators (22) according to one of claims 1 to 19, wherein the photodetector or photodetectors (3) and / or modulators (22) are preferably on the Chip or are arranged on a layer arranged on the chip or above the chip.
21. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor (3) und/oder Modulator (22) Bestandteil einer auf dem Chip hergestellten oder mit dem Chip gebondeten photonischen Platt- form ist. 21. The semiconductor device according to claim 20, characterized in that the photodetector (3) and / or modulator (22) is part of a photonic platform produced on the chip or bonded to the chip.
22. Halbleitervorrichtung umfassend einen Wafer (1) und wenigstens ei nen, bevorzugt mehrere Photodetektoren (3) und/oder Modulatoren (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der oder die Photodetektoren (3) und/oder Modulatoren (22) bevorzugt auf dem Wafer (1) oder auf einer auf dem Wafer (1) oder oberhalb des Wafers (1) angeordneten Schicht (2) an geordnet sind. 22. A semiconductor device comprising a wafer (1) and at least one, preferably a plurality of photodetectors (3) and / or modulators (22) according to one of claims 1 to 19, wherein the photodetector (s) (3) and / or modulators (22) are preferably arranged on the wafer (1) or on a layer (2) arranged on the wafer (1) or above the wafer (1).
23. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor (3) und/oder Modulator (22) Bestandteil einer auf dem Wafer (1) hergestellten oder mit dem Wafer (1) gebondeten photoni- schen Plattform ist. 23. The semiconductor device according to claim 22, characterized in that the photodetector (3) and / or modulator (22) is part of a photonic platform produced on the wafer (1) or bonded to the wafer (1).
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