SE534346C2 - Integrerat chip innefattande dike - Google Patents

Description

30 534 346 utan skarvar i vågledaren. Chippet innefattar ett antal våg- ledare och komponenter, vilka alla är utbildade genom etsning av denna grundstruktur. Ett sådant chip erbjuder låg till- verkningskostnad i kombination med ett högt tillverkningsut- byte, så kallat yield.

Ett problem vid sändning och mottagning av optiska signaler är risken för optisk och elektrisk överhörning mellan olika komponenter. Detta är i synnerhet sant i det fall laserkompo- nenter och ljusdetektorkomponenter är anordnade i samma in- tegrerade chip. Det kan förekomma problem med oönskade re- flektioner i skarvar eller gränssnitt som inkopplingsporten till den optiska fibern eller från annat störande ströljus.

Dessutom kan det förekomma oönskat sådant ljus från externt anordnade komponenter av typen lasrar, lysdioder och motsva- rande, såväl som spritt (scattered) ljus från imperfektioner i vågledare och gitter samt spontanemission fràn optiskt aktivt material i själva chippet.

Speciellt vid integrationstillämpningar är det fysiska av- ståndet mellan komponenter ofta litet, och risken för både elektrisk och optisk överhörning är därför stor.

Således hänför sig uppfinningen till ett integrerat chip för data- eller telekommunikation eller optisk analys för en, två eller fler våglängder, där chippet har en grundstruktur som är lika från en bärare och uppåt över chippets hela yta, där utbildade vid chippets övre yta, och där chippet innefattar monolitiskt grundstrukturen innefattar uppskjutande vågledare, integrerade komponenter, och utmärks av att att ett dike förefinns nedetsat längs med åtminstone en av sidorna hos en av vågledarna och ned till ett etsdjup som är åtminstone så stort att diket är optiskt isolerande och av att åtminstone 10 15 20 25 534 346 en vägg hos diket som är anordnad närmast en vågledare uppvi- sar åtminstone en av egenskaperna för det första att den är korrugerad, varvid den korrugerade väggen utgör en gitterba- serad optisk komponent, och för det andra att den är vinklad så att ljus som faller in mot vågledaren reflekteras mot dikesväggen och in mot chippets substrat alternativt ut från chippet.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj, med hänvisning till exemplifierande utföringsformer av uppfinningen och de bifogade ritningarna, där: Figur ]. är en perspektivvy över ett monolitiskt integrerat chip för optiska signaler enligt en första föredragen utfö- ringsform av föreliggande uppfinning; Figur 2 är en vy uppifrån av' det integrerade chippet som visas i figur 1; Figur 3 är en perspektivvy över ett monolitiskt integrerat chip för optiska signaler enligt en andra föredragen utfö- ringsform av föreliggande uppfinning; Figur 4 är en vy uppifrån av' det integrerade chippet som visas i figur 3; och Figurerna 5a-5c är tvärsnittsvyer genom A-A i figur 2, som illustrerar den detaljerade utformningen av en dikesvägg i enlighet med föreliggande uppfinning.

I figur 1 visas schematiskt ett monolitiskt integrerat chip 1, före metallisering, med en inkopplingsvågledare 2, en Ett chip med sådana egenskaper är känt från det svenska patentet 0501217- optisk kopplare 6 och två utgångsvågledare 4, 5. 4. En eller båda av vågledarna 4, 5 kan även fungera som ingângsvågledare till kopplaren 6. 10 15 20 25 30 534 345 Enligt uppfinningen är chippet l avsett för data- eller tele- kommunikation eller optisk analys för en, två eller fler våglängder.

Chippet l innefattar en vågledare 2 med en första port 3, där porten 3 är anordnad att leda ljus in i eller ut ur vägleda- ren 2. Vàgledaren 2 är expanderad, i en expanderad del i form av en optisk kopplare 6, från den första porten 3 i riktning mot en andra vågledare 4 och en tredje vågledare 5. Chippets l olika komponenter är monolitiskt integrerade. Med andra ord har chippet en grundstruktur som är lika från en bärare och uppåt över chippets hela yta, och vågledarna 2, 4, 5 är ut- bildade vid chippets övre yta genom att grundstrukturen et- sats ned så att uppskjutande vågledare bildats.

Figur 2 visar ett integrerat chip som liknar det i figur 1.

Motsvarande delar har samma hänvisningssiffror i samtliga figurer.

De i chippet 1 ingående monolitiskt integrerade komponenterna delar ett gemensamt jordplan, nämligen substratet i chippet 1, som utgör strukturens n-sida. Däröver förefinns material- lager som utgör en p-sida hos chippet 1, varvid en pn- övergång uppkommer.

Längs med àtminstone en av sidorna hos en av vågledarna före- finns ett dike 7. Diket 7 är framställt genom etsning av den monolitiskt integrerade materialstrukturen i chippet 1 från chippets l ovansida och ned till ett etsdjup som är åtminsto- ne så stort att ett dike åstadkoms som är optiskt och före- trädesvis även elektriskt isolerande. Enligt en föredragen utföringsform etsar man åtminstone ned till ett n-lager hos chippet 1. Enligt en annan föredragen utföringsform etsar man 10 15 20 25 534 346 till åtminstone ett djup där alla p-lager i strukturen ovan- för själva pn-övergången har etsats igenom, eller åtminstone till ett djup som når ned till själva pn-övergången eller ned till själva pn-övergången sånär som på endast ett fåtal, företrädesvis maximalt 3, nmteriallager, alternativt åtmin- stone ned till det först förekommande, i etsriktningen ned genonx materialet, n-lagret sånär soul på endast ett fåtal, företrädesvis maximalt 3, materiallager, alternativt till ett djup som åtminstone passerar själva pn-övergången.

Speciellt föredraget är att diket 7 når ned till ett djup av mellan 50 och 5000 nm, företrädesvis mellan 200 och 2000 nm.

Sådana etsdjup medför goda isoleringsegenskaper optiskt såväl som elektriskt (se nedan).

Det i figurerna illustrerade diket 7 löper på båda sidor om chippets l samtliga vågledare 2, 4, 5. Emellertid kan diket 7 löpa antingen längs med endast delar av en eller flera vågle- dare, omge en eller flera vågledare alternativt omge en eller flera komponenter på chipet l. Detta framgår av det nedanstå- ende.

Med hjälp av diket 7 uppnås en effektiv optisk isolering av den berörda vågledaren beträffande ströljus som faller in mot vågledaren från riktningar som avskärmas med hjälp av diket 7. Sådant ströljus kan härstamma från närliggande komponenter eller delkomponenter såsom från en integrerad laser, men kan även utgöras av exempelvis spontanemitterat ljus från koppla- ren 6 själv eller ljus som faller in mot chippet l utifrån.

Figur 5a illustrerar i tvärsnitt en föredragen utföringsform av ett dike 7 enligt föreliggande uppfinning. En vågledare, i detta fall den tredje vågledaren 5, är försedd med ett dike 10 15 20 25 30 534 346 7. Figuren är av förtydligande skäl inte skalenlig. Enligt en föredragen utföringsform är åtminstone en vägg 55 hos diket 7 som är anordnad närmast vågledaren 5 vertikal.

I detta fall utformas chippet 1 med fördel i absorberande material 8 på den sida om diket 7 på vilken vågledaren 5 inte finns.

Eftersom infallande, oönskat ströljus L på grund av den vertikala väggen 55 återreflekteras in i det absorberande materialet 8, kan sådant ströljus L hindras att sprida sig vidare. Det är föredraget att mängden absorberande material 8 mellan från varandra isolerade komponenter eller delkomponen- ter i chippet l är tillräckligt för att utsläcka väsentligen allt sådant återreflekterat ströljus L. Enligt en föredragen utföringsform är således det minsta avståndet mellan två närliggande, parallella diken, som vardera är anordnade för att isolera varsin vågledare, åtminstone 25 pm. Det är även föredraget att jordade alternativt backspända kontaktytor används med chippet l för att förbättra absorptionen av oöns- kat ljus L i det absorberande materialet 8.

Figur 5b illustrerar, på motsvarande sätt som figur Sa, en andra föredragen utformning av väggen 55. Åtminstone en vägg hos diket 7 som är anordnad närmast vågledaren 5 är således vinklad så att ljus L som faller in mot vågledaren 5 reflek- teras mot dikesväggen 55 ut från chippet l.

På motsvarande sätt illustrerar figur 5c en tredje föredragen utföringsform av väggen 55, vari åtminstone en vägg hos diket 7 som är anordnad närmast vàgledaren 5 är vinklad så att ljus L som faller in mot vågledaren 5 reflekteras mot dikesväggen 55 ned mot chippets l substrat, som i allmänhet inte är ab- sorberande. Detta kan i många fall leda till att det oönskade ströljuset fördelas över en större materialvolym, vilket är 10 15 20 25 30 534 346 önskvärt. Å andra sidan riskerar ljuset att återreflekteras till känsliga områden i chippet. att Dessutom finns det en risk störande interferensmönster uppstår mellan chipets l väggar. Därför är det i vissa tillämpningar föredraget att använda antingen den första eller den andra föredragna ut- formningen hos väggen 55 såsom beskrivits ovan.

Såsom framgår av det svenska patentet 0501217-4 kan material- systemet i ett monolitiskt integrerat chip 1 enligt förelig- gande uppfinning utformas med olika material. Materialstruk- turen består dock vanligen av ett antal lager av olika halv- ledande material, huvudsakligen bestående av As, P, Ga, In och/eller Al. Det finns flera lämpliga sätt att tillverka ett monolitiskt integrerat gitter som kan användas som laserkavi- tet eller filter i enlighet med föreliggande uppfinning. Det aktiva materialet kan vidare bestå av ett bulklager, en MQW- struktur (Multiple Quantum Well) eller en kombination av QD (Quantum Dots).

För att uppnå en god isolering av en viss vâgledare är det föredraget att ett respektive dike löper längs med båda si- dorna av åtminstone en vâgledare. isoleras Med andra ord vågledaren ifråga optiskt med hjälp av ett dike i enlighet med uppfinningen längs med sina båda sidor, varför påverkan från infallande ströljus i vågledaren och på komponenter som är anordnade längs med vågledaren minskar betydligt.

Enligt en speciellt föredragen utföringsform, vilken även illustreras i figurerna l-4, är diket 7 anordnat att löpa längs med och runt samtliga i en komponent anordnade vâgleda- re 2, 4, 5, så att alla dessa vâgledare 2, 4, 5 är omgivna av diket 7. 10 15 25 30 534 346 I själva verket beskriver diket 7 såsom det illustreras i figurerna l och 2 inte en sluten kurva. Anledningen till detta är att ljus leds in och ut ur den första vågledaren 2 genom porten 3, varför en öppning i diket 7 måste anordnas framför porten 3. Att diket 7 ”omger” samtliga vågledare 2, 4, 5 är häri ämnat att även omfatta utformningar där diket 7 har sådana öppningar där anslutningar till en eller flera vågledare förefinns. Såsom nämnts ovan kan även vågledarna 4, 5 innefatta portar för att leda in och ut ljus, i vilket fall diket 7 är anordnat med öppningar framför sådana portar.

Ifall flera komponenter är anordnade bredvid varandra med transportvågledare anordnade för att leda ljus mellan kompo- nenter är det föredraget att ett dike är anordnat att omge samtliga dessa komponenter inklusive transportvågledare, emellertid med öppningar för eventuella externa portar. I det fall ett chip skall klyvas är det föredraget att inget dike är anordnat längs med en vågledare vid stället för klyvning, eftersom ett sådant dike kan orsaka klyvfel.

De oönskade strömmar som orsakar elektrisk överhörning mellan olika komponenter i chippet 1 sker till stor del i p- materialet alternativt via pn-övergången. I det fall diket 7, när det omger gruppen vågledare 2, 4, 5, skär av p-sidan och pn-övergången i chippet 1 runt hela gruppen, kommer således gruppen att vara väsentligen elektriskt isolerad från störan- de elektrisk överhörning från andra delar av chippet 1. Ett sådant arrangemang medför således att en mycket god optisk såväl som elektrisk isolering kan åstadkommas av en grupp vågledare 2, 4, 5 på chippet l.

Enligt en speciellt föredragen utföringsform anordnas en array av komponenter på ett och samma chip l. Ett sådant chip kan exempelvis innefatta ett antal komponenter av den typ som 15 20 25 30 534 346 illustreras i figurerna 1 och 2, vari varje komponent inne- fattar en första vågledare 2, en andra vàgledare 4 och en tredje vågledare 5. Den andra vågledaren 4 innefattar en laser för att sända ut ljus. Den tredje vågledaren 5 innefat- tar en ljusdetektor för att detektera ljus. Delkomponenterna kan i detta fall med fördel vara monolitiskt integrerade.

Genom en expanderad del i form av en optisk kopplare 6 leds ljus från lasern till den första vàgledaren 4 och vidare ut genom porten 3, samt leds ljus från porten 3, via den första vàgledaren 2 och fram till ljusdetektorn i den tredje vågle- daren. Olika komponenter är anordnade med respektive lasrar och ljusdetektorer för att utsända och ta emot ljus med olika respektive våglängd.

Varje komponent är i detta fall företrädesvis isolerad från övriga komponenter med hjälp av ett respektive omgivande dike i enlighet med det ovan beskrivna, vilket medför att en mängd sådana komponenter kan framställas på ett och samma chip l och kan drivas där utan väsentlig överhörning mellan kompo- nenter. Sådan tillverkning av ett flertal komponenter vägle- dare på ett och samma chip medför låga tillverkningskostna- der, exempelvis för tillämpningar i vilka ljus med ett fler- tal olika våglängder skall hanteras parallellt.

Fackmannen inser att ett flertal komponenter kan anordnas på ett och samma monolitiskt integrerat chip 1 på flera olika sätt. Exempelvis kan ett flertal lasrar och/eller ljusdetek- torer för olika våglängder anordnas i separata från varandra isolerade vàgledare på ett och samma chip 1. Vissa komponen- ter på chipet l kan även vara kaskadkopplade efter varandra, med hjälp av optiska kopplare, där varje respektive komponent är optiskt och elektriskt isolerad från övriga komponenter på det sätt som beskrivits ovan, med öppningar i diket för transportvågledare och så vidare. På detta sätt kan exempel- 10 15 20 25 534 346 10 vis triplexrar byggas upp, med två lasrar och en fotodekektor som är verksamma på varsin separat våglängd.

De individuella komponenterna på chipet kan sedan kapslas in var och en för sig utan att själva materialet delas. Ett chip med arrayer av komponenter kan sedan paketeras (upplinjeras optiskt) mot en fiber-ribbon, eller en bandkabel av parallel- la optiska fibrer, vilket gör att alla komponenter i arrayen kan anslutas till en gemensam flerkanalig styrelektronik- krets, vilket är kostnadsbesparande och dessutom sparar fy- siskt utrymme. Detta medför i sin tur att mindre lokaler krävs och innebär därför en energibesparing.

I många tillämpningar används optiska filter som komponenter i monolitiskt integrerade chip 1 av föreliggande typ. Enligt en föredragen utföringsform åstadkoms åtminstone ett sådant optiskt filter i chippet 1 genom modifiering av ett dike som löper längs med den vågledare i vilken filtret skall anord- nas.

Detta illustreras i figurerna 3 och 4, i vilka ett op- tiskt filter 52 är anordnat längs med den tredje vågledaren 5.

Således är den del av diket 7 som löper längs med det avsnitt av den tredje vågledaren 5 vid vilket filtret 52 är anordnat beläget på sådant avstånd från vågledaren 5 att den optiska moden i vågledaren 5 påverkas av dikets 7 närmast mot vågle- daren 5 anordnade innervägg 53, samt även möjligen dikets 7 botten. 54, så Dikesväggen 53 och/eller dikets botten är korrugerad att en första ordningens filterfunktion åstadkoms.

Korrugeringen 54 hos dikesväggen 53 eller dikets botten åstadkoms, i likhet med diket 7 självt, företrädesvis med hjälp av etsning, på i sig känt sätt. 10 15 20 25 30 534 346 ll Dikets 7 avstånd från vàgledaren 5 och den fysiska geometrin hos den korrugerade väggen 53 avgör filtrets 52 funktionali- tet beträffande filtreringsstyrka, pass-/spärrband, etc., på i sig konventionellt sätt.

Föreliggande uppfinnare har överraskande upptäckt att storle- ken, i chippets 1 plan 2 och 4), (det plan som illustreras i figurerna hos dikets 7 bortetsade area samt den totalt bort- etsade materialvolymen påverkar kvaliteten hos den korrugera- de sidoväggen 53 eller dikesbotten. En alltför liten area gör det svårt för processgaserna att komma åt etsfronten, vilket resulterar i försämrad fysisk struktur hos den korrugerade väggen. Detta är naturligtvis inte önskvärt, eftersom detta påverkar filtrets 52 egenskaper. En för stor totalt bortetsad materialvolym, å andra sidan, leder till kraftig återväxt under etsningen, vilket också försämrar strukturen hos den korrugerade sidoväggen 53 eller dikesbotten.

Det har visat sig att goda etsresultat kan erhållas beträf- fande korrugeringen hos dikesväggen 53 om diket 7 är minst 0,1 um, helst minst 0,5 um, brett och maximalt 1000 um, helst maximalt 250 pm brett. Dikets 7 bredd är den dimension hos diket 7 som syns i figur 4 vinkelrätt mot den tredje vågleda- rens 5 längdriktning.

Det har även visat sig att speciellt goda etsresultat kan uppnås i det fall tvärsnittsarean för diket 7, vinkelrätt mot dess huvudsakliga utbredningsriktning, är mellan 0,005 och 5000 umf, företrädesvis mellan 0,1 och 500 umz.

För att uppnå god filtreringsförmåga är det föredraget att ett sådant monolitiskt integrerat filter 52 innefattar åtmin- stone cirka 100 gitterperioder, där varje gitterperiod är cirka mellan 50 och 300 nm. 10 15 20 25 30 534 345 12 Avståndet mellan diket 7 och vågledaren 5 är företrädesvis mellan 0 och 10 um vid stället för filtret 52, och på andra ställen företrädesvis mellan O och 500 um.

I enlighet med en föredragen utföringsform kan diket vara exponerat mot luft, vilket ger hög brytningsindexskillnad.

Det kan även täckas in av ett dielektrikum såsom SiO,, SiNm BCB eller motsvarande, vilket ger lägre brytningsindexskill- nad men à andra sidan bättre fysiskt skydd för filtret och/eller diket. Detta val beror till exempel på den kapsling som används för chippet 1.

Det är även möjligt att åstadkomma andra gitterbaserade op- tiska delkomponenter genom att anpassa en vägg hos diket 7 som är närmast en viss vågledare. Exempel innefattar lasrar och diffraktiva kopplare, vilka sistnämnda kan användas för att koppla ur ljus ur vågledaren till en angränsande vågleda- re.

Genom att åstadkomma gitterbaserade optiska delkomponenter i väggen i det befintliga diket 7 snarare än som fristående, separat framställda, antingen monolitiskt integrerade eller inte, komponenter, uppnås att framställningen av chippet l blir enklare och därför billigare. Specifikt kan i många fall diket 7 och filtret 52 tillverkas i ett och samma steg.

Ovan har föredragna utföringsformer beskrivits. Emellertid är det uppenbart för fackmannen att många förändringar kan göras av de beskrivna utföringsformerna utan att frångà uppfinning- ens tanke. Sålunda skall uppfinningen inte vara begränsad av de beskrivna utföringsformerna, utan kan varieras inom ramen för de bifogade kraven.

Claims (10)

10 15 20 25 30 534 346 13 P A 1? E N T IC R A V

1. Integrerat chip (1) för data- eller optisk analys för en, eller telekommunikation två eller fler våglängder, där chippet (1) har en grundstruktur som är lika från en bärare och uppåt över chippets hela yta, där grundstrukturen inne- fattar uppskjutande vågledare (2;4;5), utbildade vid chippets (1) övre yta, och där chippet (1) innefattar monolitiskt integrerade komponenter, k ä n n e t e c k n a t a v att ett dike (7) förefinns nedetsat längs med åtminstone en av sidor- na hos en av vågledarna och ned till ett etsdjup som är åt- minstone så stort att diket är optiskt isolerande och av att (53:55) närmast en vågledare uppvisar åtminstone en av egenskaperna åtminstone en vägg hos diket (7) som är anordnad för det första att den är korrugerad, varvid den korrugerade väggen utgör en gitterbaserad optisk komponent, och för det andra att den är vinklad så att ljus som faller in mot vågle- (55) (1) substrat alternativt ut från chippet (1). daren reflekteras mot dikesväggen och in mot chippets

2. Integrerat chip (1) enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att etsdjupet är åtminstone så stort att ett dike åstad- koms som även är elektriskt isolerande.

3. Integrerat chip (1) enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t a v att chippet (1) är anordnat för data- eller telekommunikation eller optisk analys för en, två eller fler våglängder och kan utnyttjas för att utsända ljus och för att kunna detektera ljus, och av att chippet (1) innefat- (3), är expanderad från den första porten tar en första vågledare (2) med en första port där den första vågledaren (2) (3) i riktning mot åtminstone en andra vågledare (4) och en tredje vågledare (5). 10 15 20 25 30 35 534 345 14

4. Integrerat chip (l) enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e - t e c k n a t a v att åtminstone en vägg (55) hos diket (7) som är anordnad närmast en vågledare är vertikal.

5. Integrerat chip (1) enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v att dikets (7) bredd är mellan 0,1 och 1000 pm.

6. Integrerat chip (1) enligt något av föregående krav, k ä. n n e t e c k n a t a v att dikets (7) bredd är mellan 0,5 och 250 pm.

7. Integrerat chip (l) enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v att dikets etsdjup är mellan 50 och 5000 nm.

8. Integrerat chip (1) enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v att diket (7) är anordnat att löpa längs med båda sidorna av åtminstone en vågledare.

9. Integrerat chip (l) k ä n n e t e c k n a t enligt något av föregående att diket (7) krav, a v är anordnat att löpa längs med samtliga vågledare (2;4;5) i en komponent i chippet (1) , på samtliga sidor om alla dessa vågledare (2;4;5), så att vågledarna (2;4;5) är omgivna av diket (7) sånär som på öppningar för portar i komponenten.

10. Integrerat chip (1) enligt något av föregående krav, k a n n e t e c k n a t a v att åtminstone en vägg (53) hos diket (7) som är anordnad närmast en vågledare är korrugerad, varvid den korrugerade väggen (53) och att den gitterbaserade optiska kompo- utgör en gitterbaserad optisk komponent, nenten är ett optiskt filter.