WO1994015231A1 - Verfahren zur herstellung optischer modenformadapter - Google Patents

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WO1994015231A1
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Definitions

  • fiber-optic communication data is transmitted with optical signals through glass fibers [2], which allow high bit rates (GHz) to be transmitted.
  • GHz bit rates
  • the wavelength range relevant for fiber optic communication extends from 0.8 to 1.6 micrometers and is determined by III - N
  • the optical signals are processed on these III - N semiconductor chips in integrated opto - electronic circuits in active and passive electro - optical waveguide components [3].
  • thin semiconductor layers are usually applied epitaxially to semiconductor crystal substrates (e.g. InP, GaAs) and then structured.
  • the light guidance in optical waveguides [3] is based on the principle that a medium with a higher refractive index (the so-called waveguide core) is surrounded by a medium with a lower refractive index (the waveguide cladding). Only those modes that meet the Maxwell equations can propagate. Waveguides can have no (cut-off - waveguide), one (monomode - waveguide) or several (multimode - waveguide) modes. Monomode waveguides are primarily used in fiber optic communication.
  • chip waveguides The propagation of light in optical waveguides on semiconductor chips, so-called chip waveguides, takes place in the longitudinal direction, the z direction. The wave fronts are then perpendicular to it
  • the wave fronts are curved.
  • the x direction is perpendicular to the waveguide layer and is defined as a vertical or transverse direction.
  • the y direction is parallel to the waveguide layer and is defined as a horizontal or lateral direction.
  • Mode forms of the optical modes that propagate in waveguides are determined by the following parameters: wavelength, polarization, geometry of the waveguides and refractive index differences of the waveguide core and waveguide cladding.
  • the waveguide dimensions and mode sizes decrease towards shorter wavelengths.
  • the mode shapes are calculated by solving the Maxwell equations with finite element or similar programs [4] on fast computers.
  • the monomode or multimode fibers (glass fibers) used in fiber optic communication have larger and symmetrical modes [2].
  • Monomode fibers even have rotationally symmetrical modes with diameters of typically 8-10 micrometers
  • Fibers and chip waveguides become drastically worse with decreasing light spot size.
  • the waveguide layers are to be deformed in such a way that the chip waveguide modes are adapted to the fiber modes in the direction of propagation of the light (so-called mode adaptation).
  • This invention solves the last-mentioned optical mode adaptation on semiconductor chips to optical systems, in particular to optical fibers.
  • An adiabatic mode adaptation means slow variations in the mode shape as a result of a change in the waveguide in the direction of propagation, usually due to a change in the geometry [7]. With ideal adiabatic mode adjustments, no light is emitted. Optical components that fulfill this task are called mode shape adapters.
  • Fiber lenses are completely eliminated or at least moderately focusing fiber lenses are sufficient.
  • Chip waveguide dimensions can either be widened or pointed in the direction of propagation, which can be done both laterally and transversely, or both simultaneously.
  • the optical modes of the core layer adapt and also become larger, they are guided more and more.
  • the production of lateral adiabatically widened chip waveguides presents no difficulties, since this can be accomplished using conventional photolithography.
  • the creation of vertically adiabatically expanded chip waveguides is possible but unattractive because the waveguide layer thickness would correspond to the vertical extent of the mode because of the strong optical guidance. Adapted to monomode fibers, this would require 8-10 Micrometer-thick waveguide core - layers grow epitaxially.
  • the optical modes follow an adiabatic tapering of the waveguide core until they reach a minimal extent. As the dimensions of the waveguide core continue to decrease, the modes become larger because the guidance becomes weaker. At zero layer thickness, there are only unaffected radiation modes (cut-off - waveguide). To produce laterally tapered waveguides, high-energy light sources (UN X-Ray) or even electron beam systems are required, since only then can the required sub-micron resolution be achieved [8]. For a vertically adiabatic waveguide adaptation, the waveguide layer, which is a few 0.1 micrometers thick, has to be tapered over a length of a few 100 micrometers.
  • Quasi-adiabatic vertically tapered waveguide cores [9] can be produced in the waveguide cores with the aid of very thin Aetz-Stop layers (number ⁇ 5 to 10). With material-selective etching agents, the white core cores are sharpened in many (corresponding to the number of Aetz-Stop layers) photolithography and etching steps.
  • Adiabatic, vertically sharpened waveguide cores can be produced with the so-called "shadow mask technique" [10]. After the epitaxial growth of the waveguide cores, a mask is evaporated, the semiconductor chip being partially covered with a disk attached at a small distance. The shadow effect of this disc creates a vertically tapered mask. This can then be transferred to the waveguide core using a conventional etching process.
  • a similar technique for producing adiabatic, vertically tapered waveguide cores is based on the fact that the photoresist mask is exposed by multiple exposures in a so-called stepper mask aligner, a device which allows the mask to be shifted and exposed step by step. The structure is then cut into the conventional etching process
  • Adiabatically vertically tapered waveguide cores can also be produced by immersing the semiconductor chip from its facets at a defined rate in a wet chemical acid [11].
  • reaction the terms “reaction”, “diffusion” and “migration” will be briefly explained here. If a (semiconductor crystal) surface reacts with a gas or a liquid, the speed of the processes running is limited - either by the reaction itself, which means that more educts will be available at all times than are actually required for the process to run. In this case one speaks of "reaction-limited” processes [12], - or the speed of the processes is limited by supplying the starting materials or removing the products, ie the migration of the particles involved in the process.
  • the processes are so-called “migration-limited” or “diffusion-limited” processes [12], [13].
  • Boundary conditions such as the type of reaction (s), surface quality, concentration of the particles, currents, temperature, incidence of light, etc. determine their course.
  • optical mode shape adapters on semiconductor chips which, by means of lateral and vertical adiabatic adaptations of the optical modes which emerge from integrated optoelectronic circuits, can be adapted to the modes of optical systems or light-guiding fibers with high efficiencies, or vice versa, adapt the modes emerging from the optical systems or fibers to those of the integrated optoelectronic circuits.
  • a method is specified as to how such mode shape adapters can be produced inexpensively using simple means.
  • the object is achieved according to the method described in the characterizing part of the main claim.
  • mode shape adapters which ensure efficient optical couplings between integrated optoelectronic circuits and optical systems or light-conducting fibers, are well known. Also exist
  • the essence of the described invention is based on the combination of one vertically tapered waveguide core with additionally vertically and preferably laterally widened superordinate waveguide.
  • the invention includes an extremely simple manufacturing process for such highly efficient mode shape adapters.
  • the improvement over the existing methods is achieved in that with the help of only one mask (ie with only one photolithography step) and subsequent diffusion - limited etching process and diffusion - limited growth process, using the same mask, very simply mode mold adapters can be produced on entire wafers. It is therefore possible to produce, with simple means, both waveguide cores pointed towards the fibers and superordinate, vertically and laterally widening waveguides. Because of its large process tolerances, the process is very well suited for the production of integrated optoelectronic circuits on semiconductor chips on entire wafers.
  • FIG. 1 shows an overview sketch of an integrated optoelectronic circuit on a semiconductor chip, coupled to four (as an example) fiber inputs and outputs.
  • the mode shape adapters are also shown, with which efficient fiber-chip waveguide couplings can be achieved.
  • Fig. 2 shows the layer package after the first epitaxy step.
  • Fig. 3 shows top view and longitudinal section through the mode adapter.
  • Time development of etching, in arbitrary time units, for tapered waveguides is drawn with lines in longitudinal section.
  • Fig. 4 shows top view, longitudinal section and cross sections of the mode adapter after etching.
  • the vertically tapered waveguide core produces a fiber-adapted optical mode.
  • Fig. 5 shows top view, longitudinal section and cross sections of the mode adapter after overgrown with the upper waveguide jacket.
  • the waveguide jacket which becomes thicker towards the tip of the waveguide core, promotes this
  • FIG. 6 shows top view, longitudinal section and cross sections of the mode shape adapter after the waveguide etching.
  • the top view and cross sections show the lateral expansion of the waveguide.
  • the vertical expansion of the fashion is shown schematically in longitudinal section.
  • Fig. 1 shows a semiconductor chip (100), coupled to four input fibers
  • the integrated optoelectronic circuit (200) is drawn as a "black box” on the semiconductor chip (100). It contains electronic, optical and electro - optical components, which the optical signals (wavelength
  • the chip waveguide (400) connects the integrated optoelectronic circuit (200) with fibers (900) & (900 ').
  • the mode adaptations of the fiber modes to the chip waveguide modes of the integrated electro-optical components are achieved by means of optical mode shape adapters (300) on the semiconductor chip.
  • the optical fibers (900) & (900 ') are either straight, broken or, as indicated in FIG. 1, provided with fiber lenses.
  • the fiber lenses focus the fiber modes on the chip waveguide facets.
  • FIG. 2 shows a possible variant of a layer package (500) in the material system InP / InGaAsP.
  • An InP wafer (510) doped with donors ( ⁇ 2 E18) serves as the substrate.
  • the layer package described here represents only one of many possibilities.
  • Fig. 3 described process for producing the vertically tapered waveguide cores of the mode adapter is sufficient. It can be designed in such a way that it can be used as optical and / or electronic components in the field of integrated optoelectronic circuits
  • 25th 3 shows top view (one period) and longitudinal section through a mode adapter.
  • the manufacture of the mode adapter is to be explained on the basis of these drawings:
  • a special mask (310) with a sensibly periodic structure for example a sawtooth (FIG. 1), is defined for the production of the mode shape adapter. Only one period is shown in the supervision.
  • the mode shape adapters are then etched in a diffusion - limited dry or wet process [12].
  • the special mask geometry (310) generates a concentration gradient of the reactants or etching products in a longitudinal (propagation) z -
  • the geometric shape of the mask (310) determines the shape of the waveguide core - tip. Essentially, the contour shape of the
  • the mask material (310) must be resistant to the etching and growth processes required to produce the mode adapter.
  • the process tolerances for the etching step described here are very large, approximately ⁇ 10%, and can be achieved with a correspondingly higher covering layer
  • Mode shape adapters light is emitted.
  • FIG. 4 shows top view, longitudinal section and cross sections at the beginning (A) in the
  • the waveguide core (550) tapering to a point in the mode shape adapter is referred to below as (555).
  • etching depth over a large area, for example the area of the integrated optoelectronic circuit (200)
  • This transition between two material compositions can be used to stop the etching process with material-selective etching agents.
  • a transition between two layers with different material compositions or dopants can be grown at the desired locations, if the integrated optoelectronic components permit this.
  • Aetz - Stop layers can be explained using the three cross sections (A), (B) and (C). After etching, an area that is not exactly defined in the area of the integrated optoelectronic circuit (200) 0 nated remainder (process tolerance) of the top layer (580) over the second
  • Aetz - stop layer (570) still present. This remainder is removed in a controlled manner using material - selective etching agents. At the same time, the lower intermediate layer (540) is removed except for the first Aetz-Stop layer (530).
  • FIG. 5 shows top view, longitudinal section and cross sections at the beginning (A), in the
  • the growth rate is influenced with a mask that is not a growth surface [13].
  • a gradient of the epitaxy educts from the mask to the mask openings arises, which results in an increase in the growth rate.
  • the growth rate of the waveguide cladding (590) is increased towards the ends of the mode shape adapters, ie the facets.
  • Fig. 6 shows top view, longitudinal section and cross sections of the finished
  • Mode shape adapter after etching the strip waveguide.
  • the waveguide strips are produced in a "conventional" etching step.
  • a "conventional" etching step In order to achieve an adiabatic deep etching of the strips in the mode shape adapters, use is made, for example, of material-selective etching agents which etch up to the pointed waveguide core (555) or the first etching stop layer.
  • chip facets are split between the waveguide core tip and the end of the first Aetz stop layer (530).
  • the vertical expansion of the fashion is drawn schematically in longitudinal section.
  • the tapered waveguide core (555) has been drawn transparently for better understanding.
  • the three schematic mode profiles show waveguide modes in the integrated optoelectronic circuit, shortly before the end of the mode shape adapter and just before the facet.
  • the modes are performed in the last part of the mode shape adapter, for example with an n / n + structure.
  • the semiconductor substrate doped relatively higher with donors (smaller refractive index) is responsible for the vertical guidance.
  • the n / n + waveguide thus consists of 0 n + - InP substrate (lower shell), n - InP grown (core), "air"
  • the lateral mode adaptation (y direction) is achieved with waveguides (400), which are widened from the width of the constant shape at the beginning of the mode shape adapter towards the ends of the mode shape adapter.
  • strip waveguides discussed here are only one of many options for lateral mode control. Buried waveguides, 15 for example, are another variant. Their structuring could then already take place before the overgrowth with the upper waveguide sheath (590).

Abstract

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der faseroptischen Kommunikation mit optischen Netzwerken. In diesen sind integriert opto-elektronische Schaltungen auf Halbleiterchips durch optische Fasern verbunden. Mittels sogenannter integriert-optischer Modenformadapter werden die kleinen exzentrischen Chipwellenleiter-Moden, der integriert opto-elektronischen Schaltungen, an die größeren und symmetrischen Fasermoden angepaßt, um effiziente Chipwellenleiter-Faser Lichtkopplungen zu erzielen. Die Erfindung bit ein Verfahren zur Herstellung solcher Modenformadapter auf Halbleiterchips an: mit einer Maske spezieller Geometrie und unter Ausnutzung diffusions-limitierter Aetz- und Epitaxieprozesse werden zuerst vertikal spitz zulaufende Wellenleiterkerne und anschließend übergeordnete Wellenleiter erzeugt. Dieses Verfahren ist geeignet für die Massenproduktion mit ganzen Wafern (engl. 'full wafer processing').

Description

Verfahren zur Herstellung optischer Modenformadapter
Stand der Technik
In der faseroptischen Kommunikation [1] erfolgt die Datenübertragung mit optischen Signalen durch Glasfasern [2], welche erlauben, hohe Bitraten (GHz) zu übermitteln. Der für die faseroptische Kommunikation relevante Wellenlän- genbereich erstreckt sich von 0.8 - bis 1.6 Mikrometer und wird durch III - N
Halbleitermaterialien abgedeckt. Die optischen Signale werden auf diesen III - N Halbleiterchips in integriert opto - elektronischen Schaltungen in aktiven und passiven elektro - optischen Wellenleiter - Komponenten [3] verarbeitet. Zu ihrer Herstellung werden meist dünne Halbleiterschichten epitaktisch auf Halbleiterkristall - Substrate (z.B. InP, GaAs) aufgebracht und anschließend strukturiert.
Die Lichtführung in optischen Wellenleitern [3] beruht, abgesehen von Hohlraumwellenleitern, auf dem Prinzip, dass ein Medium von höherem Brechungsindex (der sogenannte Wellenleiterkern) von einem Medium mit kleinerem Brechungsindex (dem Wellenleitermantel) umgeben ist. Es können nur jene Moden propagieren, welche die Maxwellgleichungen erfüllen. Wellen¬ leiter können keinen (cut-off - Wellenleiter), einen (Monomode - Wellenleiter), oder mehrere (Multimode - Wellenleiter) Moden führen. In der faseroptischen Kommunikation finden vor allem Monomode - Wellenleiter Anwendung.
Die Lichtpropagation in optischen Wellenleitern auf Halbleiterchips, sogenannten Chipwellenleitern, erfolge in longitudinaler Richtung, der z - Richtung. Die Wellenfronten liegen dann in der dazu senkrechten
- l - (x, y) - Ebene. Bei absorbierenden oder verstärkenden Medien sind die Wellen¬ fronten gekrümmt.
Die x - Richtung ist senkrecht zur Wellenleiterschicht und wird als vertikale - oder transversale Richtung definiert. Analog ist die y - Richtung parallel zur Wellenleiterschicht und ist als horizontale - oder laterale Richtung definiert.
Modenformen der optischen Moden, die in Wellenleitern propagieren, werden durch folgende Parameter bestimmt: Wellenlänge, Polarisation, Geometrie der Wellenleiter sowie Brechungsindexunterschiede von Wellenleiterkern und Wellenleitermantel. Insbesondere nehmen die Wellenleiterdimensionen und Modengrößen, zu kleineren Wellenlängen hin, ab.
Die Berechnung der Modenformen erfolgt durch Lösen der Maxwellglei¬ chungen mit Finite Element -, oder ähnlichen Programmen [4], auf schnellen Computern. Die Chipwellenleiter - Moden sind, für Wellenlängen zwischen etwa 0.8 - und 1.6 Mikrometer, meist exzentrisch (Exzentrizität = 1 bis 5) und haben Modendurchmesser (große Achsen) von 1 bis 5 Mikrometern. Man unter¬ scheidet im Wesentlichen zwei Typen von Chipwellenleitern: a) die sogenannten "Vergrabenen Wellenleiter" (auf englisch: "buried waveguides"), bei welchen die eigentliche Wellenleiterschicht lateral mit Materialien von tieferem Brechungsindex begrenzt ist, b) die "Streifen - Wellenleiter" (auf englisch: "rib - loaded waveguides", "ridge waveguides", "stripe - loaded waveguides" o.a.), bei welchen die Wellenleiter¬ schicht lateral durchgehend ist und die Führung mit geätzten Streifen erfolgt. Niele Nariationen dieser zwei Grundtypen sind bekannt. Diese kleinen exzentrischen Chipwellenleiter - Moden koppeln schlecht an optische Systeme. Dieses Phänomen verstärkt sich sogar mit zunehmend kürzer werdenden Wellenlängen (z.B. in II - VI Halbleitermaterialien). Insbesondere haben, im Gegensatz zu den kleinen exzentrischen Moden der Chipwellenleiter - Komponenten, die in der faseroptischen Kommunikation verwendeten Monomode - oder Multimode Fasern (Glasfasern) größere sowie symmetrische Moden [2]. Monomode Fasern haben sogar rotationssymme¬ trische Moden mit Durchmessern von typisch erweise 8 - 10 Mikrometer
~ (gemessen bei Intensität 1/e ).
In optischen Netzwerken ist eine effiziente optische Kopplung zwischen Fasern und Chipwellenleitern von eminenter Wichtigkeit [5], [6]. Diese Kopplung war bis anhin mit hohen optischen Verlusten verbunden, da einerseits die Modenformen von Chipwellenleitern und Fasern schlecht überein- stimmten und andererseits ihre exakte Justierung im Sub - Mikrometerbereich extrem schwierig war.
Um hohe optische Kopplungseffizienzen [5], [6] zwischen Chipwellenleitern und optischen Fasern zu erzielen, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein:
(i) Die Reflexionen an den Uebergängen müssen minimiert werden. Diese Forderung wird erfüllt durch Anti - Reflexionsschichten, oder durch Brechungsindexanpassung mittels Fülltropfen zwischen Chip - Facetten und Faserenden. (ii) Anpassung der kleinen exzentrischen Chipwellenleiter - Moden an die größeren und symmetrischen Fasermoden, wofür folgende Möglichkeiten bestehen:
- Anpassung der Moden nur mit Hilfe optischer Systeme (Mikrolinsen). Das ist jedoch schwierig, da die Fasermoden symmetrisch, und die Chipwellenleiter - Moden exzentrisch sind. Ferner wird eine exakte und zeitlich stabile Justierung aller Komponenten (drei zusätzliche Freiheitsgrade pro Komponente) gefordert. Ein weiterer Nachteil ist der erhöhte Platzbedarf.
- Anpassung der Moden mit Hilfe von Faserlinsen, welche Fasermoden auf die halbe Grosse oder sogar kleinere Durchmesser fokussieren. Es ist jedoch nicht sinnvoll die Fasermoden zu stark zu fokussieren, da Justiertoleranzen zwischen
Fasern und Chipwellenleitern mit abnehmender Lichtpunktgröße drastisch schlechter werden.
- Anpassung der Moden mit Hilfe integrierter optischer Komponenten auf den Halbleiterchips. Dazu sind die Wellenleiterschichten so zu verformen dass die Chipwellenleiter - Moden in Propagationsrichtung des Lichtes an die Faser¬ moden angepaßt werden (sogenannte Modenanpassung).
Diese Erfindung löst die zuletzt besprochene optische Modenanpassung auf Halbleiterchips an optische Systeme, insbesondere an optische Fasern.
Definition: Unter einer adiabatischen Modenanpassung versteht man langsame Variationen der Modenform als Folge einer Aenderungen des Wellenleiters in Propagationsrichtung, meist durch Aenderung der Geometrie [7]. Bei ideal adiabatischen Modenanpassungen wird kein Licht abgestrahlt. Optische Komponenten welche diese Aufgabe erfüllen werden Modenformadapter genannt.
Ihre Vorteile liegen auf der Hand: - Möglichkeit der Integration auf den Halbleiter chips mit integriert opto - elektronischen Schaltungen und somit geeignet zur Massenproduktion.
- Mikrolinsen zwischen den Chips und Fasern entfallen vollständig oder ihre Anforderungen werden gesenkt.
- Faserlinsen entfallen vollständig oder zumindest genügen mäßig fokussierende Faserlinsen.
- Verbesserung der Justiertoleranzen mit zunehmenden Modengössen, was Zeit - und Kostenersparnisse bei der Montage bringt.
Chipwellenleiter - Dimensionen können in Propagationsrichtung entweder aufgeweitet, oder zugespitzt werden, was sowohl lateral als auch transversal geschehen kann, oder beides gleichzeitig. Bei einer adiabatischen Aufweitung des Wellenleiterkernes passen sich die optische Moden der Kernschicht an und werden ebenfalls größer, sie werden immer stärker geführt. Die Herstellung von laterale adiabatisch aufgeweiteten Chipwellenleitern bietet keine Schwierig- keiten, da diese mit konventioneller Photolithographie bewerkstelligt werden kann. Die Schaffung von vertikal adiabatisch aufgeweiteten Chipwellenleitern ist zwar möglich aber unattraktiv, da die Wellenleiterschichtdicke wegen der starken optischen Führung, der vertikalen Ausdehnung des Modes entsprechen würde. Angepaßt an Monomode - Fasern würde dies bedingen, 8 - 10 Mikrometer dicke Wellenleiterkern - Schichten epitaktisch zu wachsen.
Einer adiabatischen Zuspitzung des Wellenleiterkernes folgen die optischen Moden solange, bis sie eine minimale Ausdehnung erreichen. Bei weiterer Abnahme der Dimensionen des Wellenleiterkernes werden die Moden größer, da die Führung schwächer wird. Bei Schichtdicke null sind schließlich nur noch ungerührte Strahlungsmoden vorhanden (cut-off - Wellenleiter). Zur Herstellung lateral zugespitzter Wellenleiter sind Hochenergetische Licht¬ quellen (UN X-Ray), oder sogar Elektronenstrahl - Anlagen erforderlich, da nur dann die verlangte Sub-Mikrometer Auflösung erreicht werden kann [8]. Für eine vertikal adiabatische Wellenleiteranpassung muß die einige 0.1 Mikrometer dicke Wellenleiterschicht über eine Länge von einigen 100 Mikrometern zugespitzt werden.
Die Schwierigkeit bei der Herstellung von Modenformadaptern liegt somit darin, vertikal zugespitzte Wellenleiterkerne im Verhältnis von 1 / 100
(Höhe / Länge), oder sogar weniger, herzustellen.
Sowohl bei lateraler als auch bei vertikaler Zuspitzung des Wellenleiterkernes propagieren die Moden ungeführt weiter, bis sie ins optische System koppeln, oder sie laufen gegen die Spitzen hin in einem "übergeordneten" Wellenleiter, der fähig ist, größere Moden zu führen: Lateral kann diese Forderung mit beispielsweise tief geätzten aufgeweiteten Streifen erfüllt werden; vertikal kommen beispielsweise n/n+ Strukturen oder verdünnte Quantenstrukturen in Frage. Es sind verschiedene Methoden zur Herstellung vertikal zugespitzter Wellenlei¬ terkerne der Modenformadapter bekannt:
(i) Quasiadiabatische vertikal zugespitzte Wellenleiterkerne [9] lassen sich mit Hilfe von sehr dünnen Aetz - Stop Schichten (Anzahl ~ 5 bis 10) in den Wellen¬ leiterkernen herstellen. Mit materialselektiven Aetzmitteln werden die WeUen¬ leiterkeme in vielen (entsprechend der Anzahl der Aetz - Stop Schichten) Photolithographie - und Aetzschritten zugespitzt, (ii) Adiabatische vertikal zugespitzte Wellenleiterkerne lassen sich mit der sogenannten "Schattenmasken Technik" herstellen [10]. Nach dem epitakti¬ schen Wachstum der Wellenleiterkerne wird eine Maske aufgedampft, wobei der Halbleiterchip mit einer in einem kleinen Abstand befestigten Scheibe teilweise abgedeckt ist. Der Schatteneffekt dieser Scheibe erzeugt eine vertikal zugespitzte Maske. Diese kann dann mit einem konventionellen Aetzverfahren in den Wellenleiterkern übertragen werden.
Eine ähnliche Technik zur Herstellung adiabatischer vertikal zugespitzter Wellenleiterkerne beruht darauf, dass die Photolackmaske durch Mehrfachbe¬ lichtungen in einem sogenannten Stepper - Mask - Aligner, einer Vorrichtung, die Schrittweise eine Verschiebung und Belichtung der Maske erlaubt, exponiert wird. Die Struktur wird anschließend mit konventionellen Aetzverfahren in die
Wellenleiterkerne übertragen.
(iii) Adiabatisch vertikal zugespitzte Wellenleiterkerne lassen sich auch herstellen, indem der Halbleiterchip von den Facetten her mit definierter Geschwindigkeit in eine nasschemische Säure getaucht wird [11]. Zum Verständnis der Erfindung sollen an dieser Stelle noch kurz die Begriffe "Reaktion", "Diffusion" und "Migration" erläutert werden. Reagiert eine (Halbleiterkristall-) Oberfläche mit einem Gas oder einer Flüssigkeit, so wird die Geschwindigkeit der ablaufenden Prozeße begrenzt - entweder durch die Reaktion selber, das heißt, zu jedem Zeitpunkt werden mehr Edukte vorhanden sein als effektiv für den Ablauf der Prozeße benötigt werden. In diesem Fall spricht man von "reaktions - limitierten" Prozessen [12], - oder wird die Geschwindigkeit der Prozeße begrenzt durch Zufuhr der Edukte, oder Abfuhr der Produkte, d.h. der Migration der am Prozeß beteiligten Teilchen. In diesem Fall handelt es sich um sogenannte "migrations - limitierte" oder "diffusions - limitierte" Prozeße [12], [13]. Randbedingungen wie Art der Reaktion / en, Oberflächenbeschaffenheit, Konzentration der Teilchen, Strömungen, Temperatur, Lichteinfall etc. bestimmen über deren Ablaufen.
Es ist Aufgaben der Erfindung: optische Modenformadapter auf Halbleiterchips zu schaffen, welche durch laterale und vertikale adiabatische Anpassungen der optischen Moden, die aus integriert opto - elektronischen Schaltungen austreten, mit hohen Effizienzen an die Moden von optischen Systemen oder lichtleitenden Fasern anzupassen, oder umgekehrt, eine Anpassung der aus den optischen Systemen oder Fasern austre¬ tenden Moden an diejenigen der integriert opto - elektronischen Schaltungen vorzunehmen. Es wird ein Verfahren angegeben, wie mit einfachen Mitteln solche Modenformadapter kostengünstig hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst nach dem im kennzeichnenden Teil des Hauptan¬ spruches beschriebenen Verfahren.
Die Vorteile von Modenformadaptern, welche effiziente optische Kopplungen zwischen integriert opto - elektronischen Schaltungen und optischen Systemen oder lichtleitenden Fasern gewährleisten, sind wohlbekannt. Ebenso existieren
Verfahren zur Herstellung solcher Modenformadapter. Wie aber bereits eingehend besprochen, ist deren Herstellung sehr aufwendig. Es sei an Λas Verfahren erinnert, das durch schrittweise Verschiebung der Maske mit jewei¬ liger Belichtung der darunterliegenden Photolackschicht, oder das durch materi- alselektives nass - Aetzen mit Hilfe von Aetz - Stop Schichten quasiadiabatischer vertikal zugespitzte Wellenleiterkerne erzeugt werden können.
Das Wesen der beschriebenen Erfindung beruht auf der Kombination eines vertikal zugespitzten Wellenleiterkernes bei zusätzlich vertikal - und vorzugs¬ weise lateral aufgeweitetem übergeordneten Wellenleiter. Insbesondere beinhaltet die Erfindung ein äußerst einfaches Herstellungsverfahren für solche hoch - effiziente Modenformadapter. Die Verbesserung gegenüber den beste¬ henden Verfahren wird dadurch erreicht, dass mit Hilfe nur einer Maske (das heißt mit nur einem Photolithographie - Schritt) und anschliessendem diffusion - limitiertem Aetzprozess und diffusion - limitiertem Wachstums- prozess, unter Verwendung eben derselben Maske, sehr einfach auf ganzen Wafern (englisch: "füll wafer processing") Modenformadapter hergestellt werden können. Es können also mit einfachen Mitteln sowohl gegen die Fasern hin zugespitzte WeUenleiterkeme, als auch übergeordnete, sich vertikal - und lateral aufweitende Wellenleiter, hergestellt werden. Das Verfahren ist wegen seiner großen Prozesstoleranzen für die Herstellung von integriert opto - elektronischen Schaltung auf Halbleiterchips auf ganzen Wafern (englisch: "füll wafer processing") sehr gut geeignet.
- ιo - Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren beschrieben:
Fig. 1 Zeigt Uebersichtsskizze einer integriert opto - elektronischen Schal¬ tung auf einem Halbleiterchip, angekoppelt an vier (als Beispiel) Faser Ein - und Ausgänge. Eingezeichnet sind ebenfalls die Modenform- adapter mit welchen effiziente Faser - Chipwellenleiter Kopplungen erzielt werden.
Fig. 2 Zeigt das Schichtpaket nach dem ersten Epitaxieschritt.
Fig. 3 Zeigt Aufsicht und Längsschnitt durch den Modenformadapter. Die
Zeitentwicklung des Aetzens, in willkürlichen Zeiteinheiten, für spitz zulaufende Wellenleiter ist mit Linien im Längsschnitt eingezeichnet.
Fig. 4 Zeigt Aufsicht, Längsschnitt und Querschnitte des Modenformadapters nach dem Aetzen. Der vertikal zugespitzte Wellenleiterkern erzeugt ei¬ nen faserangepaßten optischen Mode.
Fig. 5 Zeigt Aufsicht, Längsschnitt und Querschnitte des Modenformadapters nach Ueberwachsen mit dem oberen Wellenleitermantel. Der gegen Wellenleiterkernspitze dicker werdende Wellenleitermantel fördert die
Vergrößerung des Modes und somit eine effiziente Faser / Chipwellenleiter Kopplung. Fig. 6 Zeigt Aufsicht, Längsschnitt und Querschnitte des Modenformadapters nach dem Wellenleiterätzen. In Aufsicht und Querschnitten sieht man die laterale Aufweitung des Wellenleiters. Im Längsschnitt ist schema- tisch die vertikale Aufweitung des Modes gezeichnet.
Fig. 1 Zeigt einen Halbleiterchip (100), angekoppelt an vier Eingangsfasern
(900) und vier Ausgangsfasern (900'). Allgemein koppelt ein Halbleit¬ erchip an M * N Fasern mit M, N = 0, 1, 2, 3... . Auf dem Halbleiterchip (100) ist die integriert opto - elektronische Schaltung (200) als "black - box" gezeichnet. Sie enthält elektronische, optische und elektro - optische Komponenten, welche die optischen Signale (Wellenlänge
1.5 Mikrometer) der Eingangsfasern (900) empfangen und verarbeiten. Anschließend werden sie als optische Signale in die Ausgangsfasern (900'), oder als elektronische Signale mit Hilfe metallischer Zuleitun¬ gen (nicht eingezeichnet), weitergeleitet. Die Chipwellenleiter (400) verbinden die integriert opto - elektronischen Schaltung (200) mit Fa¬ sern (900) &(900').
Die Modenanpassungen der Fasermoden an die Chipwellenleiter - Moden der integriert elektro - optischen Komponenten werden mittels optischer Modenformadapter (300) auf dem Halbleiterchip erzielt.
Die optischen Fasern (900) & (900') sind entweder gerade, gebrochen oder, wie in Fig. 1 angedeutet, mit Faserlinsen versehen. Die Faserlin¬ sen fokussieren die Fasermoden auf die Chipwellenleiter - Facetten.
Fig. 2 Zeigt eine mögliche Variante eines Schichtpaketes (500) im Material¬ system InP / InGaAsP. Als Substrat dient ein mit Donatoren (~2 E18) dotierter InP - Wafer (510). Die mit Gasphasenepitaxie [14] aufge¬ wachsenen Schichten sind alle undotiert. Gewachsen werden nachein¬ ander: eine InP Pufferschicht (520) von 2 Mikrometern Dicke, eine erste InGaAsP (Wellenlänge = 1.25 Mikrometer) Aetz - Stop Schicht
(530) von 3 Nanometern Dicke, die zur Prozeß - Kontrolle dient, aber für die optischen Moden praktisch unsichtbar ist, eine untere InP Zwi¬ schenschicht (540) von 0.1 Mikrometern Dicke, ein InGaAsP (Wellenlänge = 1.25 Mikrometer) Wellenleiterkern (550) von 0.6 Mikrometern Dicke, eine obere InP Zwischenschicht (560) von
0.2 Mikrometern Dicke, eine zweite InGaAsP (Wellenlänge = 1.25 Mikrometer) Aetz - Stop Schicht (570) von 3 Nanometern Dicke und eine InP Deckschicht (580) von 1.5 Mikrometern Dicke.
Das hier beschriebene Schichtpaket stellt nur eine von vielen Möglich¬ keiten dar. Von allgemeiner Gültigkeit für jedes Schichtpaket, das auch in mehreren Epitaxie - und Prozeßschritten hergestellt sein könnte, blei¬ ben: (i) Die Dotierungen des Substrates als auch der epitaktischen Schichten sind den Anforderungen der integriert opto - elektronischen Kompo¬ nenten angepaßt, (ii) Der Wellenleiterkern (550) kann aus mehreren Schichten bestehen. (iii) Die Deckschicht (580) kann ein beliebiges Schichtpaket sein, mit 0 der einzigen Bedingung, dass die Gesamthöhe für den nachfolgend in
Fig. 3 beschriebenen Prozeß zur Herstellung der vertikal zugespitzten Wellenleiterkerne der Modenformadapter genügt. Sie kann so ausge¬ legt sein, dass sie Verwendung als optische oder / und elektronische Komponenten im Gebiet der integriert opto - elektronischen Schaltung
5 (200) oder im Gebiet der Modenformadapter findet.
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25 Fig. 3 Zeigt Aufsicht (eine Periode) und Längsschnitt durch einen Modenfor¬ madapter. Anhand dieser Zeichnungen soll die Herstellung der Moden¬ formadapter erläutert werden:
Nach dem Wachsen der Epitaxieschichten (500), wird eine spezielle Maske (310) mit sinnvollerweise periodischer Struktur, beispielsweise einem Sägezahn (Fig. 1), zur Herstellung der Modenformadapter defi¬ niert. In der Aufsicht ist nur eine Periode gezeigt. Anschließend werden die Modenformadapter in einem diffusions - limitierten trocken - oder nass - Prozeß geätzt [12]. Die spezielle Mas¬ kengeometrie (310) erzeugt einen Konzentrationsgradienten der Reak- tanten oder Aetzprodukte in longitudinaler (propagations-) z -
Richtung, der genutzt wird, um der Wellenleiterkerne vertikal zuzu¬ spitzen.
Die geometrische Form der Maske (310) bestimmt die Form der Wellenleiterkern - Spitze. Im Wesentlichen wird die Kontur - Form der
Maske in den vertikalen Verlauf des Wellenleiterkernes übertragen. Der hier gezeichnete Sägezahn mit linearen Zacken wird ungefähr lin¬ ear zugespitzte Wellenleiterkerne erzeugen. Computer - Simulationen [7] ergeben dass exponential - oder Polynomialfunktionen, im Ver- gleich zu linearen Formen, Vorteile bringen. Insbesondere lassen sich kürzere Modenformadapter erzeugen.
Um im diffusions - limitierten Aetzen Randeffekte zu vermeiden, wer- den mit Vorteil mehrere gleiche oder ähnliche Modenformadapter ne- 0 beneinander periodisch, und eventuell sogar an der y - Achse gespiegelt, angeordnet.
Die Zeitentwicklung, in willkürlichen Zeiteinheiten des Aetzens ist mit unterbrochenen Linien im Längsschnitt eingezeichnet. 5
Das Maskenmaterial (310) muß gegen die zur Herstellung der Moden¬ formadapter benötigten Aetz - und Wachstumsprozesse beständig sein.
Die Prozeßtoleranzen für den hier beschriebenen Aetzschritt sind sehr 10 groß, etwa ± 10 % und können bei entsprechend höherer Deckschicht
(580) noch vergrößert werden. Variationen in Aetztiefe oder Homoge¬ nität wirken sich nur in den Längen der Modenformadapter (300) aus. In einem "guten" Maskenentwurf wird vorgesehen die Modenform¬ adapter überlang zu gestalten, was keine wesentlichen optischen Verlu- 15 ste zur Folge haben wird, aber verhindert, dass bei zu kurz geratenen
Modenformadaptern Licht abgestrahlt wird.
Größere oder kleinere Flächen innerhalb der integriert opto - elektronischen Schaltung (200) können abgedeckt sein solange dies die 20 optischen Pfade nicht beeinträchtigt. Somit kann die Deckschicht
(580), wie bereits in Fig. 2 erläutert, auch für gewisse integriert opto - elektronische Komponenten genutzt werden.
25 Fig. 4 Zeigt Aufsicht, Längsschnitt und Querschnitte am Anfang (A), in der
Mitte (B) und am Ende (C) des Modenformadapters nach diffusions - limitiertem nass - Aetzen, wie in Zusammenhang mit Fig. 3 beschrie¬ ben worden ist.
Der im Modenformadapter spitz zulaufende Wellenleiterkern (550) wird im Folgenden mit (555) bezeichnet.
Intermezzo:
Da eine exakte und über eine großes Fläche, zum Beispiel die Fläche der integriert opto - elektronischen Schaltung (200), homogene Aetz- tiefe bei der Herstellung der Modenformadapter schwierig zu erreichen ist, behilft man sich beispielsweise mit sehr dünnen Schichten anderer Materialzusammensetzungen, die für die Funktionstüchtigkeit der inte¬ griert opto - elektronischen Komponenten irrelevant sind. Dieser Ue- bergang zweier Materialzusammensetzungen kann benutzt werden, um mit material - selektiven Aetzmitteln den Aetzvorgang zu stoppen. Als Variante kann an den gewünschten Stellen ein Uebergang zweier Schichten mit verschiedenen Materialzusammensetzungen oder Dotie¬ rungen gewachsen werden, falls dies die integriert opto - elektronischen Komponenten zulassen.
Anhand der drei Querschnitte (A), (B) und (C) läßt sich die Funktion der Aetz - Stop Schichten erläutern. Nach dem Aetzen ist im Gebiet der integriert opto - elektronischen Schaltung (200) ein nicht exakt defi- 0 nierter Rest (Prozesstoleranz) der Deckschicht (580) über der zweiten
Aetz - Stop Schicht (570) noch vorhanden. Dieser Rest wird mit material - selektiven Aetzmitteln kontrolliert entfernt. Gleichzeitig wird die untere Zwischenschicht (540) bis auf die erste Aetz - Stop Schicht (530) entfernt.
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25 Fig. 5 Zeigt Aufsicht, Längsschnitt und Querschnitte am Anfang (A), in der
Mitte (B) und am Ende (C) des Modenformadapters nach dem Ueberwachsen mit Gasphasenepitaxie [14] des oberen InP Wellenlei¬ termantels (590) von 1.5 Mikrometern Höhe, zum Beispiel.
Bei der Gasphasenepitaxie wird die Wachstumsrate mit einer Maske, die nicht Anwachsfläche ist, beeinflußt [13]. Es entsteht ein Gradient der Epitaxie - Edukte von der Maske zur Maskenöffnungen hin, der eine Erhöhung der Wachstumsrate zur Folge hat.
Mit der bereits zum diffusions - limitierten Aetzen verwendeten Maske
(310) wird die Wachstumsrate des Wellenleitermantels (590) zu den Enden der Modenformadapter hin, den Facetten also, erhöht.
Der folglich aufgeweitete, obere Wellenleitermantel (590) der dann in den übergeordneten Wellenleiter läuft, fördert die gewünschte adiab¬ atische Vergrößerung des Modes im Modenformadapter und verhin¬ dert, dass die optische Achse nach unten gedrückt wird, was wiederum kürzere Modenformadapter erlaubt.
Fig. 6 Zeigt Aufsicht, Längsschnitt und Querschnitte des fertiggestellten
Modenformadapters nach dem Aetzen des Streifen - Wellenleiters.
Die Wellenleiter - Streifen werden in einem "konventionellen" Aetzschritt hergestellt. Um ein adiabatisches Tief - Aetzen der Streifen in den Modenformadaptern zu erreichen, verwendet man beispielswei¬ se material - selektive Aetzmittel, die bis zum zugespitzten Wellenlei¬ terkern (555), oder der ersten Aetz - Stop Schicht ätzen.
Zuletzt werden zwischen der Wellenleiterkern - Spitze und dem Ende der ersten Aetz - Stop Schicht (530), die Chipfacetten gespalten. Die
Abspalttoleranzen sind, wegen der Aetz - Stop Schicht (530), einige 10 bis 100 Mikrometer.
Im Längsschnitt ist schematisch die vertikale Aufweitung des Modes gezeichnet. Zur besseren Verständlichkeit wurde der zugespitzte Wel¬ lenleiterkern (555) transparent gezeichnet. Die drei schematischen Mo¬ denprofile zeigen Wellenleitermoden in der integriert opto - elektronischen Schaltung, kurz vor dem Ende des Modenformadapters und kurz vor der Facette.
Die Moden werden im letzten Teil der Modenformadapter beispiels¬ weise mit einer n/n+ Struktur geführt. Das relativ höher mit Donatoren dotierte Halbleitersubstrat (kleinerer Brechungsindex) ist für die verti- kale Führung verantwortlich. Der n/n+- Wellenleiter besteht somit aus 0 n+- InP Substrat (unterer Mantel), n - InP gewachsen (Kern), "Luft"
(oberer Mantel). Der Uebergang von Wellenleiterkern zur n/n+- Führung geschieht gegen Wellenleiterkern - Spitze hin adiabatisch. Anstatt einer n/n+ -Struktur sind ebenfalls verdünnte Quantenstruktu¬ ren oder ähnliche Strukturen denkbar. Es ist sogar denkbar dass die
5 Facetten bei der Wellenleiterkern - Spitze abgespalten werden, sodass sich der übergeordnete Wellenleiter erübrigt.
Die laterale Modenanpassung (y - Richtung) wird mit Wellenlei- tern(400), die von konstanter Breite am Anfang der Modenformadapt- 10 er, gegen Modenformadapter - Enden aufgeweitet werden erreicht.
Siehe dazu Aufsicht und Querschnitte.
Die hier besprochenen Streifen - Wellenleiter sind nur eine von vielen Möglichkeiten der lateralen Modenführung. Vergrabene Wellenleiter, 15 beispielsweise, sind eine andere Variante. Ihre Strukturierung könnte dann bereits vor dem Ueberwachsen mit dem oberen Wellenleiterman- tel(590) geschehen.
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Press, Inc. 1989 UK, ISBN 0-12-673849-8.
Definitionen
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung optischer Modenformadapter in III - V Halblei¬ termaterialien die optische Chipwellenleiter - Moden von integriert opto - elektronischen Schaltungen auf Halbleiterchips effizient an optische Sy- steme, insbesondere Monomode -oder Multimode Fasern, koppeln, wobei die optische Modenanpassung in den Modenformadaptern dadurch er¬ reicht wird, dass sowohl Grosse als auch Exzentrizität der Chipwellenleiter - Moden an diejenige der optischen Systeme angeglichen werden, indem - die Moden beim Uebergang vom Chip in die optischen Systeme durch ei¬ nen zusehend schwächer führenden Wellenleiterkern und
- gleichzeitig durch einen zusehend stärker führenden übergeordneten Wellenleiter angepaßt werden, oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Wellenleiterkern in einem diffusions - limitierten Aetzverfahren ver¬ tikal gegen die Chip - Facetten hin zugespitzt und
- der übergeordneten Wellenleiter in einem diffusions - limitierten Epita- xieprozess gegen die Chip - Facetten hin aufgeweitet wird und - der Wellenleiter lateral gegen die Chip - Facetten hin, mit lateral führen¬ den Strukturen, aufgeweitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass zum Zuspitzen der Wellenleiterkerne und zum Aufweiten der übergeordneten Wellenleiter Masken spezieller vorgegebener Geometrie verwendet werden mit der Ei¬ genschaft, dass die Verhältnisse offener Chipflächen zu mit Maske bedeck¬ ter Chipfiächen, nach vorgegebenen Funktionen, zu den Facetten hin abnehmen.
3. Verfahren nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass zum Zuspitzen der Wellenleiterkerne und zum Aufweiten der übergeordneten Wellenleiter ein Deckschichtpaket (580) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3., dadurch gekennzeichnet, dass sowohl zum Aetzen als auch zur Epitaxie dieselbe Masken, spezieller vorgegebener
Geometrie (310), verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3., dadurch gekennzeichnet, dass nur zum Aetzen aber nicht zur Epitaxie die Maske (310) verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4. oder 5., dadurch gekennzeichnet, dass ein diffusions - limitiertes nass - Aetzverfahren angewendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4. oder 5., dadurch gekennzeichnet, dass ein diffusions - limitiertes, Brom (Brom - Lösungen, Bromwasserstoff -
Lösungen etc.) enthaltendes, nass - Aetzverfahren angewendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4. oder 5., dadurch gekennzeichnet dass ein diffusions - limitiertes trocken - Aetzverfahren angewendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 4. oder 5., dadurch gekennzeichnet, dass Ueber- gänge epitaktischer Schichten verschiedener Materialzusammensetzungen oder Dotierungen genutzt werden, um mit material - oder dotierungs - selektiven Aetzverfahren den Aetzvorgang zu stoppen.
10. Verfahren nach Anspruch 1. bis 9., dadurch gekennzeichnet, dass die opti¬ schen Modenformadapter in II - VI Halbleiterkristallen hergestellt werden.
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