DE2347802A1 - Optische wellenleiter - Google Patents

Optische wellenleiter

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Description

In Bell System Technical Journal, Vol. 48, (1969) Seiten 2059 und folgende, wurde von S. E. Miller vorgeschlagen, oplische Signale zu verarbeiten unter Verwendung einer Form einer integrierten Schaltungsanordnung, die der in der Mikrowel'cntechnologie verwendeten ähnlich ist. Eine solche Schaltungsanordnung würde wichtige Anwendungen in opitschen Nachrichtenanlagen hoher Kapazität und optischen Computern finden. Die Schaltungen könnten schmale dielektrische Licht-(Wellen-)leiter enthalten, die als Grundlage sowohl für aktive Komponenten (z. B. Modulatoren, Detektoren und Lichtquellen), als auch für passive Komponenten (z.B. Koppler, Filter und Zwischen-
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verbindungen) dienten.
Ein typischer dielektrischer optischer Wellenleiter v/eist einen langgestreckten Kern dielektrischen Materials auf, der von einem Medium niedrigeren Brechungsindexes umgeben ist, beispielsweise einen von AIGaAs umgebenen GaAs-Kern. Wenn man einen Querschnitt senkrecht zur optischen Achse (d.h. zur z-Richhmg) eines solchen Wellenleiters betrachtet, so kann man sehen, daß eine solche Struktur nicht in zv/ei Dimensionen (d.h. in der x- und der y-Richtung) begrenzt. Im folgenden wird dieser Strukturtyp als zv/eidimensionaler Welienleiter bezeichnet. Der Begrenzungsgrad ist eine Funktion der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und dem diesen umgebenden Medium, und der optische Verlust pro Längeneinheit ist eine Firktion der Qualität der dazwischenliegenden Grenzfläche. Bezüglich der Grenzflächen haben J.E. Goel I und andere in Applied Physics Letters, 1972, Vol. 21, Seiten 72 und folgende, daraufhingewiesen, daß die Glätte der Well en I eiterwände ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Herstellung eines dielektrischen Wellenleiters ist. Übermäßige Streuungsverlusfe
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treten oof, wenn der Wellenleiter rauhe Wände hat. So besteht beispielsweise bei einem Wellenleiter rechteckiger Parallelepipedform eins der schwierigeren Problerne, das beim Stand der Technik eine Plage bedeutete, in der Unmöglichkeit, die Glattheit der Leiterwände innerhalb einer Toleranz eines Bruchteils einer optischen Wellenlänge über eine Dimension von etwa fünf Wellenlängen zu steuern (siehe D. Marcuse, Bell System Technical Journal, Vol.48 (1969) Seiten 3187 und folgende). In einem dielektrischen GaAs-Weiienleiter beispielsweise ist eine wichtige Wellenlänge-In dem HaÜafelrer }\ = 0,25 pm· Demzufolge sollten die Glättedimensionen der dielektrischen Wellenleiterwände vorzugsweise auf eine Toleranz von weniger als etwa 0,1 λ oder 250 Angström über eine Abmessung von etwa 1,25 jjm gesteuert werden.
Das Aufkommen des Doppelheterostrukturlesers (DH) erweckte Hoffnungen, daß ein praktischer zweidimensionaler dielektrischer Wellenleiter Wirklichkeit werden würde. Die Doppelheterostruktur, wie sie von M.B. Panish und anderen In Scientific American, VoL 224 (1971), Seite 32 und fol. beschrieben worden ist, weist typischerweise eine 1/0 pm dicke GaAs-Schicht auf, die zwischen relativ dickeren AIGaAs-Schichten eingebettet ist. An den
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Grenzflächen mit der GaAs-Schichr erzeugte h'eteroübergänge bilden einen dielektrischen Wellenleiier, der licht senkrecht zur Ebene der Schichten leitet, d.h. zur Züchtungsebene im Falle des epitaktischen Wachstums aus flüssiger Phase (LPE = Liquid Phase Epitaxy) oder des Molekularstrahlepitaxy-Verfahrens (MBE = Molecular Beam Epilaxy). Da Jedoch senkrecht zur Züchtungsebene keine Heteroübergänge gebildet werden, wird in der parallel zur Züchtungsebene verlaufenden Richtung kein Licht geleitet, d.h., der dielektrische Weilenleiter nach Panish u.a. ist eindimensional.
Obv/ohl das Werk von Panish u.a. von der technischen Weit mit beträchtlichem Enthusiasmus begrüßt wurde, hat niemand aus dieser Lehre einen praktischen Weg entwickelt, um Doppelheterostrukturkonzepte zur Herstellung eines zweidimensionalen dielektrischen Wellenleiters zu verwenden, in welchem beispielsweise ein praktisch rechteckiger Parallelepipedkern aus GaAs auf vier Seiten durch AIGaAs umgeben ist und in welchem die Abmessungen des Leiters auf wenige hundert Angström genau gesteuert werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines dielektri- ■ sehen optischen Wellenleiters verfügbar gemacht, bei dem 409821/0730
eine GaAs-AIGaAs-Heterostruktur epitcikfisch gezüchtet wird, innerhalb welcher Licht geleitet werden soll, eine Oxidschicht auf einer Hauptfläche der Heterostruktur gebildet wird,
zum Erhalt einer Maske vorgegebener Form entsprechende Ckidschichtteile entfernt werden,
aus der HeteroStruktur ein Mesaprofil gebildet wird, indem diese mit einer 0,05 bis 0,1 Volumen Prozent Brom enthaltenden methanolischen Bromlösung in Berührung gebracht wird, um nicht von der Maske abgedeckte Teile der HeteroStruktur wegzuätzen,
und optisch ebene Flächen an sich gegenüberliegenden Mesaseitenwänden gebildet werden.
Vorzugsweise wird die HeteroStruktur hergestellt durch eine epitaktische Züchtungsmethode aus flüssiger Phase (LPE), wie sie von M.B. Panish u.a. in Metallurgical Transactions, Vol. 2 (1971), Seiten 795-801, angegeben ist oderdurch eine Züchtung im Molekularstrahlepitaxie- Verfahren (MBE), wie es in der US-Patentschrift 3.615.931 und des weiteren in der US-Patentanmeldung 127.926 angegeben ist. Von diesen beiden Methoden mag MBE bevorzugt werden, da eine
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präzisere Steuerung der Schichtdicken erhältlich ist. Eine Schicht aus Eigenoxid (= in Oxid umgesetztes Material der Halbleiteroberfläche) wird auf einer Hauptfiäche der Heterostruktur durch Anodisierung in H 0_ gemäß US-Patentanmeldung 292.127 gebildet. Die Verwendung von Eigenoxid wird gegenüber einem üblichen Oxid wie SiO0 bevorzugt. Letzteres ist relativ schwieriger herzustellen, macht eine Aufdampfanlage erforderlich und bringt zusätzlich einige Schwierigkeiten bezüglich des Haftens auf den GaAs-AIGaAs-Schichten mit sich. Das Eigenoxid, das ein Teil der oberen Schicht selbst ist, ergibt natürlich keine Haftungsprobleme und ist zudem relativ einfach herzustellen. Ein Teil der Eigenoxidschicht wird mittels fotolitographischer Standard-Methoden entfernt, um aus der restlichen Oxidschicht eine Maske vorgegebener Form, beispielsweise eines Streifens, festzulegen. Es wird dann eine Mesa-förmige Struktur gebildet, indem die Heterostruktur in Berührung mit einer Br«-CH^OH-Lösung gebracht wird, welche die nicht durch die Eigenoxidmaske geschützten Teile der GaAs-AIGaAs-Schichten langsam wegätzt. Es ist wichtig, daß die Bromkonzentration sorgfältig gesteuert wird, so daß die Atzrate relativ langsam ist, beispielsweise 1-3 μιη/hr. In diesem Bereich werden nicht nur die Sei-
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tenwönde des Mesaprofils (d.h. des Wellenleiters) über eine ausgedehnte Lenge optisch flach gemacht, sondern die Querschnittsform des Mesaprofils bleibt praktisch entlang der ausgedehnten Länge konstant (d.h. die Atzung ist entlang der Länge gleichförmig).
Die Ausdrücke Mesa und mesaartige Struktur werden im folgenden abwechselnd verwendet, um einen Welienieiter zu bezeichnen, in dem der senkrecht zur Lichtüberiragungsrichtung genommene Querschnitt näherungsweise die Form eines abgeflachten Dreiecks hat.
An dieser Stelle kann man einer von zwei a-Jternativen Methoden folgen. Eine Methode umfaßt folgende Schritte: Auf der Mescstruktur wird mittels MBE doer LPE eine AlGaAs-Schicht epitaktisch gezüchtet, wodurch ein anderes Paar HeteroÜbergänge an der Grenzfläche mit den Kanten der GaAs-Schicht gebildet wird. Dann wird die GaAs-Schicht (d.h. der Kern) auf allen vier Seifen mit dem einen kleineren Brechungsindex aufweisenden Material AIGaAs umgeben. Soli die Struktur als aktives Bauelement (beispielsweise als Übergangslaser) verwendet werden, dann werden unter Verwendung einer geeigneten
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Maskierungsmethode elektrische Kontakte auf dem Bauelement hergestellt. Es sei jedoch auf folgendes hingewiesen: Da ein aktives Bauelement eine aktive Zone wie einen pn-Übergang umfaßt, muß die vorher gezüchtete AIGaAs-Schicht wenigstens halb isolierend sein, damit der aktive Bereich nicht kurzgeschlossen wird.
Um das Erfordernis der Züchtung einer halbisolierenden Schicht zu vermeiden und die Maskenausrichtungsschritte zu eliminieren, die naturgemäß bei der Herstellung elektrischer Kontakte für ein solches Bauelement auftreten, wird die Verwendung einer alternativen Methode vorgeschlagen, die einen selbstmaskierenden dielektrischen Wellenleiter ergibt. Genauer ausgedrückt: Es sei angenommen,
daß anfänglich eine Doppelheterostruktur hergestellt worden war,
mit einer AI Ga. As-Mittelschicht, die zwischen Außenschich- Y W.
ten aus Al Ga, As und Al Ga1 As mit y < χ und ζ eingebet-
Xl-X' Zl-Z ' °
tet ist. Nachdem die oben erwähnte mesaartige Struktur gebildet worden ist, wird dann die Doppelheterostruktur mesa mit einer neutralen H«0„-Lösung in Berührung gebracht/die während der Berührung mit der HeteroStruktur vorzugsweise bewegt wird, wie in der US-Patentanmeldung 291.941 angegeben ist. Diese Lösung Aätzt differenziell die Mittelschicht mit einer schnelleren Rate als
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die benachbarten Af Ga, As und A( Ga, As-Schichfen der Heterostruktur/ solange y *£ x und ζ ist. Als Folge davon wird die Mittelschicht von ihren Kanten nach innen hin geätzt, was zu einem zentralen Al Ga. As-Kem führt, dessen Kanten durch Luft und dessen Ober^ und Unterteil durch AlGaAs-Außenschichfen begrenzt wird, weiche Über die Mittelschicht hinausragen. Die resultierende sockelartige Struktur hat den bedeufendenVcrteil, daß sie selbstmaskrerend ist, d.h., wenn die Mittelschicht ein aktiver Bereich eines aktiven Bauelementes ist, erfordert die Herstellung elektrischer Kontakte lediglich den zusätzlichen Schritt, daß ein geeigneter Leiter (beispielsweise Metall) über der gesamten oberen Fläche der Mesa niedergeschlagen wird. Da die äußeren AfGaAs-Schichten über die Mittelschicht hinausragen und einen Luftspalt zwischen sich bilden, ist der niedergeschlagene Leiter am Luftspalt gegabelt und Schließt den aktiven Bereich nicht kurz. Phofolitographische Methoden, die von Maskenausrichtungsproblemen begleitet werden, sind nicht erforderlich.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1-3 strukturelle Änderungen Im Verlauf
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verschiedener Schritte der Herstellung einer Doppelheterostruktur mesa,
Fig. 4A ein Ausführungsbeispiel eines dielektri
schen Wellenleiters, der durch Züchten einer epitakfischen AIGaAs-Schichf auf der Mesa der Fig. 3 gebildet ist,
Fig. 4ß ein Austührungsbei spiel eines anderen
dielektrischen Wellenleiters, der sich ergibt, wenn man bei der Herstellung am Anfang von einer Einfach-Heterosfruktur anstatt einer Doppel-HeteroStruktur ausgeht,
Fig. 5A ein Ausfuhrungsbeispiel eines dielektri
schen Wellenleiters gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, i η welcher die Mesa der Fig. 3 einem Atzmittel ausgesetzt worden ist, das die AIGa As-Schichten unterschiedlich ätzt, und
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Fig. 5B zeigt das- Selbstmaskierungsrnerkmal der
Struktur nach Fig. 4B.
Es soll nun ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die schematischen Strukturen der Fig. 1-5 beschrieben v/erden. Es sei darauf hingewiesen, daß die Fig. 1-5 zur Vereinfachung und Verdeutlichung der Erklärung nicht notwendigerweise maßstabsgsrecht dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt ein Mehrschichtbauelement mit einem GaAs-Substrat 10/ auf welchem folgende Schichten in der aufgeführten Reihenfolge epitaktisch aufgewachsen sind: eine Al Ga. As-Schicht
12 mit χ > 0# eine Al Ga, As-Schicht 14 mit 0 < y < x,
und eine Al Ga. As-Schicht 16 mit ζ >y. Die Grenzflächen ζ 1-z '
13 und 15 zwischen einer Schicht 14 und Schichten 12 und 16 bilden ein Paar HeteroÜbergänge, das am Ende dazu dient. Licht in der y-Richtung, d.h. senkrecht zur Züchtungsebene, zu begrenzen. Für eine symetrische WeUenIeiterstrufctur seilte der atomische Prozentsatz von Al in den Schichten 12 und 16 gleich sein, d.h. χ = z. Typischerweise ist das Substrat 1Ö n-leitendes GaAs, wobei die Endfläche 11 eine (011)-Spaltfläche und die
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obere Fläche 17 eine (lOO)-Aufwachsebene ist.
Die Doppelheterostruktur der Fig. 1 kann am Ende entweder ein aktives oder ein passives Bauelement bilden, was von den Trägerkonzentrationen in den verschiedenen Schichten und von der Betriebsumgebung, in welcher das Bauelement verwendet wird, abhängt. Bet der Verwendung als Halbleiterinjektionslaser (Junction laser), haben die Schichten 12, 14 und 16 typischerweise in dieser Reihenfolge n-p-p-Leitfähigkeit, wodurch ein pn-Heteroübergang an der Grenzfläche 13 und ein pp-Heteroübergang an der Grenzfläche 15 gebildet wird. Unter Vorwärtsvorspannung und bei einer Montage auf eine geeignete Wärmesenke und in einen optischen Resonator ist dieser Lasertyp erfolgreich bei Raumtemperatur auf Dauer-Basis betrieben worden, wie von M.B.Panish -u.a. in Scientific American (wie oben angeführt) erörtert ist. Andererseits kann das Bauelement als Phasen- oder Amplitudenmodulator arbeiten, wenn die Schiebt 14 als kompensierte Schicht mit hohem spezifischen Widerstand hergestellt ist, wie ίη der Britischen Patentanmeldung 49184/72 diskutiert fst. Als passives Bauelement andererseits kann diese Struktur einfach als Übertragungsleitung, d.h. als dielektrischer Wellenleiter, verwendet werden, in welchem das Licht in der Schicht 14 geleitet wird.
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Für alle diese obigen aktiven und passiven Bauelemente ist es jedoch erwünscht, das Licht nicht nur in der y-RichJung senkrecht zur Züchtungsebene, sondern auch in der x-Richtung parallel zur Züchtungsebene zu begrenzen, wobei angenommen ist, dcS das Licht in z-Richtung überlragen wird.
An dieser Stelle werden die aufeinanderfolgenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer Streifengeornetriestruktur beschrieben, obwohl selbstverständlich kompliziertere geometrische Formen des dielektrischen Wellenleiters !eicht durch geeignete photoIitographisehe Maskierungsmethoden erreicht werden können. Um einen solchen Streifen festzulegen, besteht der nächste Schritt des vorliegenden Verfahrens darin, eine Eigenoxidschicht 18 (Fig. 1) zu erzeugen, beispielsweise durch Photolitographie auf der oberen AIGaAs-Schicht 16. Der Ausdruck "Eigenoxid", wie er hier verwendet wird, bedeutet ein Oxid, das aus den die darunterliegende Schicht bildenden Elementen gebildet ist, und nicht von einem fremden Element, das in der molekularen Zusammensetzung der darunterliegenden Schicht nicht enthalten ist. D.h., Eigenoxid ist im Oxid umgesetztes Material der Halbleiteroberfläche. So verwendet man bei-
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spielsweise nicht so gerne eine SiCL-Schicht, die relativ komplizierter herzusteilen ist und welche die Tendenz zei>jt, nicht auf der oberen AIGaAs-Schicht 16 zu haften. Unter Berücksichtigung dieser Probleme hat man gefunden, daß ein Eigenoxid, das
durch die in der Britischen Patentanmeldung 56975/72 beschriebene Anodisierungsmethode gebildet wird,, zu bevorzugen ist. Um es kurz zu erläutern, wird bei dieser Methode die Doppelheterostruktur der Fig. 1 in ein Elektrolytbad gebracht, das beispielsweise H2O (30 Prozent) und Η_Ο (70 Prozent) enthält. Die Doppelheterostruktur bildet die Anode, während ein Edelmetall wie Platin als Kathode verwendet wird. Das Elektrolytbad ist typischerweise mit Phosphorsäure auf einen pH-Wert 2,0 gebuffert, und eins Gleichstromquelle von etwa 100 Volt ist zwischen Anode und Kathode geschaltet. Nach etwa 10 Minuten hat sich eine Eigenoxidschicht mit einer Dicke von etwa 1,850 Angström gebildet. Als nächstes wird die Doppelheterostruktur der Fig. 1 aus dem Bad genommen und an der Luft getrocknet durch Erwärmen beispielsweise eine Stunde lang auf 100 Grad Celsius und darauf zwei Stunden lang auf 250 Grad Celsius. Im allgemeinen ist ein pH-Bereich von etwa 1 bis 6 und ein Spannungsbereich von etwa 5 bis 175 Voft geeignet.
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Nach vollständiger Trocknung werden Teile der Eigenoxidschicht 18 durch photolitpgraphische Standard-Methoden entfernt, um beispielsweise einen langgestreckten Qxidstreifen 20 festzulegen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Wie im Anschluß beschrieben wird, wird dieser Streifen verwendet, um eine Mesastnjktur und letzten Endes einen zweidimensionalen Wellenleiter zu erzeugen. Es sei darauf hingewiesen, daß der Oxidstreifen 20 bezüglich optischer Glätte höchst unregelmäßig ist. Genauer gesagt, wurde gefunden, daß der Oxidstreifen 20 längs "seiner Kanten 22 und Spitze-zu -Spitze-Änderungen von Ziffer 1 pm in seiner breiten Abmessung (w) aufweist, die mit einer Periodlzität von 1 pm längs des Streifens in z-Rieh tu ng auftreten. Man wü rde nicht erwarten", daß ein solcher unregelmäßiger Streifen die fiSr einen dielektrischen optischen Wellenleiter guter Qualität erforderliche Glätte erzeugen würde, beispielsweise in GaAs eine Glätte von etwa 0,1 λ oder 250 Angström Über eine Lange von etwa 1 ,25 /jm. · Vielmehr würde man, wie von E.F.Spencer u.a. In J, Vacuum Sc. &Tech., Vol. 8 (1971), Seiten S52-70bei 563, diskutiert ist, nicht erwarten, daß es mit Üblicher Ätztechnologie möglich ist, diese Unregelmäßigkeiten auf die erforderliche optische Glätte zu reduzieren.
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Es wurde Jedoch gefunden, daß ein Br9-CH ,OH-Ätzmittel genügender Verdünnung, um eine relativ geringe Ätzrate zu erzeugen, die nicht durch den Oxidstreifen 20 geschützten GaAs-AIGaAs-Schichten wegätzt und, was wichtig ist, zwei Dinge tut:
(1) Es erzeugt optisch ebene Mesaseitenwände und
(2) es ätzt gleichmaßig, so daß. die Querschnittsform der Mesa über deren Länge praktisch konstant ist. Spezieller gesagt, erzeugt eine Br-CH OH-Lösung, die etwa 0,5 bis 1,0 Teile Brom pro 1.000 Volumenteile enthält, eine Ätzrate von etwa 1 - 3^>m pro Stunde. Bei dieser Ätzrate wirkt das Ätzmittel als Poliermittel, so daß längs der Oberkanten 26 und 28 (Fig. 3) der Mesa die Amplitude der Unregelmäßigkeiten um einen Faktor von wenigstens 10 reduziert und deren Periodizität um einen Faktor von wenigstens 100 erhöht wird. So erzeugt dieses relativ langsame BrX)H .OH-Ätzmittel auf wirksame Weise Mesaseitenwände mit einem hohen Grad optischer Glätte, wie es für dielektrische optische Wellenleiter erforderlich ist.
Beiläufig unterschneidet das Ätzmittel den Oxidstreifen 2O7 wie in Fig. 3 gezeigt ist, und läßt einen Teil des Streifens 20 zurück,
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der über die Mesakanten 26 und 28 hinausragt. Man hat jedoch gefunden, daß dieses Hinausragen keine Schwierigkeiten bei den nachfolgenden Herste I lungsschritten ergibt.
Zusätzlich hat das Ätzmittel die wünschenswerte Eigenschaft, daß es den Eigenoxidstreifen 20 nicht angreift, d.h. löst. Dies ist ein wesentliches Erfordernis, wenn die obere Fläche der Mesa, und somit deren Form, während des Ätzschrittes erhalten werden muß.
Wenn die Aufwachsebene der Epitaxieschichten eine (100)- und die Spaltebene eine (Oll)-Ebene ist, so hat man gefunden, daß zu dem die schrägen Seitenwände der Mesa (lll)-Ebenen sind. Die Schrägheit der Seitenwände ist ein wichtiges Merkmal, wenn ein Molekularstrahlepitaxieverfahren verwendet wird, um anschließend eine AlGaAs-Schicht über der Mesa zu züchten, wie ausführlicher unten beschrieben wird.
An dieser Stelle kann man mit zwei alternativen Methoden fortfahren, je nachdem, welche Struktur letzten Endes gewünscht ist. Bei einem Strukturtyp, der in Fig. 4A gezeigt ist, wird eine Al Ga1 As-Schicht 30 mit q > y über der Mesastruktur der
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Io
Fig. 3 epitaktisch gezüchtet, und zwar durch Molekularstrahlepitaxie (MBE)7 Epitaxie aus flüssiger Phase (LPE), oder einer anderen geeigneten Methode. Eine Schicht 30 bildet an den Grenzschichten und 34 mit der Schicht 14 ein anderes Paar HeteroÜbergänge und dient dadurch zur Begrenzung des Lichtes in der x-Richtung. Somit begrenzen die vier HeteroÜbergänge an den Grenzflächen 13, 15, 32 und 34 den Lichtleiterkem (Schicht 14) und begrenzen das Licht sowohl in der x- als auch in der y-Richtung. Dadurch wird ein zweidimensionaler Wellenleiter gebilder.
Es sei auch bemerkt, daß die Schicht 13 zur Passivierung der Seiten der Wellenleiterstrukfur dient, und zwar dadurch, daß sie einen Eintritt von Verunreinigungen entweder von oben oder von den Seitenflächen verhindert.
Wenn das Aufwachsen der Schicht 30 mittels LPE durchgeführt wird, kann es wünschenswert sein, den Oxidstreifen 20 (Fig.3) auf der oberen Schicht 16 während des Aufwachsprozesses zu belassen, so daß die zur Züchtung der Schicht 30 verwendete Lösung die obere Fläche der Schicht 16 nicht benetzt und löst und dadurch die optische Qualität des dielektrischen Wellenleiters beeinträchtigt. In diesem Fall würde die Schicht 30 nicht auf
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der Oxidmaske, sondern lediglich auf den Seitenwänden der Mesa wachsen. Wenn andererseits die Schicht 30 durch MBE gezüchtet wird, kann der Oxidstreifen 20 zuerst entfernt werden. Die meisten Mineralischen Säuren und gewöhnlichen Basen dienen zu diesem Zweck, beispielsweise HCI in einer Lösung von einem Teil konzentrierter HCI und einem Teil H9O. Unter Verwendung dieser Methode sind glatte Schichten 30 besonders guter Qualität durch MBE auf den Seitenwänden und oben auf der Mesa gezüchtet worden.
Während einige Atzmitte! vertikale Seitenwände an der Mesa zu erzeugen suchen, haben wir vielmehr gefunden, oaß Br^-CH ,OH in der oben spezifizierten Konzentration bevorzugt die (lll)-Ebenen ätzt, vorausgesetzt, daß die epitaktische Aufwachsebene eine (lOO)-Ebene ist. Die (lll)-Ebenen bilden einen Winkel von etwa 53 Grad mit der horizontalen Richtung, d.h. mit der x-Richtung. Wenn eine MBE-Methode zur Züchtung der Schicht 30 verwendet wird, ist das Vorhandensein solcher Schrägenseitenwände besonders vorteilhaft, um zu verhindern, daß die Seitenwände gegenüber dem Molekularstrahl im Schatten liegen, was auftreten kann, wenn die Seitenwände mehr vertikal sind. Eine solche Schatten-
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wirkung könnie natürlich zu einer unvollständigen Bedeckung der Seitenwände und somit zu einem teilweisen oder vollständigen Ausfall der Struktur zur Lichtleitung in x-Richtung führen.
Das Schattenproblem kann weiterhin durch einen wahlweisen Schritt vermindert werden, bei welchem nach Entfernung des Eigenoxids die Kanten der Schicht 16 durch Ätzen in methanolischem Brom abgerundet werden können. Eine Bromkonzentration wie oben beschrieben, ätzt anfänglich die Kanten mit schnellerer Ätzrate als die zentraleren Teile der Schicht.
Wenn die Struktur nach Fig. 4AaIs aktives Bauelement verwendet wird, wie als Halbleiter-Injektionslaser oder Phasenmodulator, ist es notwendig, daß die letztgezüchtete AlGaAs-Schicht 30 wenigstens halb! solierend ist, damit der aktive Bereich (beispielsweise der pn-Übergang) des Bauelementes nicht kurzgeschlossen wird. Für ein aktives Bauelement bestände der nächste Herstellungsschritt deshalb in der Bildung elektrischer Kontakte auf dem Substrat 10 und auf der AIGaAs-Schicht 16, beispielsweise durch Aufdampfen. Bevor ein Kontakt zur Schicht 16 geschaffen werden kann, müßte natürlich eine geeignete
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photolitographischen Maskier- und Ätzmethode angewendet werden, um einen vorbestimmten Teil der oberen Fläche der Schicht 16 freizulegen. Beim letzteren Verfahrensschritt könnten einfach die Eigenoxidmaskierungs- und Atzmethoden mit methanolischem Brom angewendet werden, wie oben beschrieben.
Von der obigen Beschreibung der aufeinanderfolgenden Schritte bei der Herstellung eines dielektrischen Doppe I -H eterostrukf urWellenleiters (Fig. 4A) ist es einem Fachmann ohne weiteres ersichtlich, daß man das Verfahren mit der Herstellung einer Einzel-Heferostruktur hätte beginnen können, in welchem Fall lediglich die AlGaAs-Schicht 16 der Fig. 1 nicht hergestellt worden wäre. In allen restlichen Punkten würde die Herstellungsmethode jedoch den oben beschriebenen Schritten folgen, und es ergäbe sich die in Fig. 4B gezeigte Struktur. Sowohl Jm Fall der Fig. 4A als auch der Fig. 4B bildet die Al Ga. As-
y W
Schicht 14 einen langgestreckten dielektrischen Kern, der duf vier Seifen durch AlGaAs-Schichten 30 und 12 (Fig. 4B) und Schichten 30, 12 und 16 (Fig. 4A) umgeben ist. Der Aluminiumanteil im Kern ist kleiner als in den umgebenden Schichten, so daß der Kern einen höheren Brechungsindex aufweist. Somit
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wird eine Lichtübertragung in z-Richtung in der Schicht 14 durch zwei Paar Heferoübergänge begrenzt, die einen zweidimensionalen dielektrischen Wellenleiter bilden.
Wenn die Aufbauten nach Fig. 4Aund 4B aktive Bauelemente sind, können Schwierigkeiten dabei auftreten, die letzt gezüchtete AIGaAS-Schicht 30 halbisolierend zu machen und/oder die phofolitographischen Masken zur Herstellung elektrischer Kontakte fluchtend zu justieren. Unter solchen Umständen besteht eine bevorzugte Methode nach einer erfindungsgemäßen anderen Ausführungsform darin, mit der Mesastruktur der Fig. 3 zu beginnen und die äußeren Teile der Schicht 14 differenziell wegzuätzen, um die Sockai-arfige Struktur zu erzeugen, wie sie in Fig. 5Agezeigt ist. Um dieses Ergebnis sicherzustellen, muß der Aluminiumanteil in der Schicht 14 kleiner als in den Schichten 12 bis 16 sein - genau der Fall, wie er in einer Doppel-Heferostruktur auftritt, d.h. y < x und z. Das Erfordernis eines geringeren Aluminiumgehalts in Schicht 14 kommt daher, daß eine praktisch neutrale f-LCL-Lösung als differenziell es Ätzmittel wirkt, d.h., es ätzt Al Ga, As mit abnehmendem y
y 1-y .
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mit höherer Ätzgeschwindigkeit. Dieses Phänomen ist in
^ der WZ-
Patentanmeldung 291,941 angegeben. In Fig. 2 dieser Anmeldung ist die Ätzrate in Abhängigkeit vom prozentualen Aluminiumanteil in AIGaAs für eine 30-prozentige H O -Lösung in Wasser, die mit NH-OH auf einen pH-Wert von 7,05 gebuffert ist, aufgetragen. Ist beispielsweise in Al Ga. As y = 0, (deh, GaAs), dann beträgt die Ätzrate etwa 6 pm pro Stunde, während bei
y = 0,1 die Rate rasch auf 0,6 jjm pro Stunde abfällt. Bei einem DH (Doppelheterostrukturlaser) mit einer zwischen AL ,Ga As-
U, I \)f j
Schichten eingebetteten GaAs-MiIreischichi wird die Mittelschicht etwa zehnmal so schnell geätzt wie die AlGaAs-Schichten.
Während des Ätzvorgangs werden auf den geätzten Oberflächen Oxldplättchen gebildet. Deshalb ist es vorzuziehen, die Läsung und/oder die Struktur·während des Ätzvorgangs zu bewegen. Bei einer brauchbaren Methode, die angewendet worden ist, wurden die Strukturen mit apiezon-w-wax auf einer Quarzscheibe mit
einem Durchmesser von 51 mm aufgeklebt, die auf dem Boden
eines das Ätzbad enthaltenden Bechers angeordnet war.
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Der Becher wurde gegenüber der Vertikalen um etwa 30 Grad geneigt gehalten und während des Atzvorgangs mit etv/a 60 Umdrehungen pro Minute gedreht.
Als Resultat erhielt man eine höchst gleichförmige, glatte Ätzung der Schicht 14. Zusätzlich löst das Ätzmitiel das Eigenoxid. Die differenzielle Ätzung des AIGaAs erzeugt im Verein mit der Lösung des Eigenoxids die Struktur der Fig, 5A. In Fig. 5A, wo eine (100)-Züchtungscbene verwendet wurde, sind die inneren Kanien 36 und 38 der Schicht 14 je parallel zu den bevorzugten (111)-Ätzebenen 40 und 42, welche die Seitenwände der Mesa bilden.
Wenn auch eine H-G -Lösung mit einem pH-Wert 7,05 zu bevorzugen ist, wurde bestimmt, daß ein pH-Bereich von etwa 6 bis 8 verwendbar ist. Unierhaltung eines pH-Wertes von etwa 6 wirkt die Lösung mehr als O*id- als als Ätzmittel. Im Gegensatz dazu verläuft oberhalb eines pH-Wertes von etwa 8 die Ätzung so rasch, daß unerwünschte Narbenbildung in den geätzten Oberflächen auftreten kann.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wurde auf einem GaAs-Substrat eine Doppelheterostruktur hergestellt mit einer 1 pm dicken GaAs-Mittelschicht, die zwischen relativ dicken (beispielsweise 3-6 um) AL oGan _As-Schichten eingebettet war. Der DH war anfänglieh etwa 8 mm breit, 12 mm lang und 0,4 mm dick (das Substrat eingeschlossen). Nach einer Atzung mit methanol ischern Brom wurde eine 12 pm breite Mesa längs dessen Oberfläche gebildet. Nach differenziellerrt Ätzen in bewegter [-LO^-Lösung (pH-Wert 7,05) war die Breite der Mittelschicht von etwa 12 pm auf etwa 1 pm reduziert, während die Breite der angrenzenden AIGaAs-Schichten praktisch unbeeinflußt war. Die Wellenleitersfrukiur der Fig. 5A hat gewisse nützliche Merkmale. Erstens dient bei einem DH-Injektionslaser die verschmälerte Mittelschicht 14 nicht nur zur Verbesserung der Stromeingrenzung, sondern auch zur Quermodensteuerung. Zweitens, und recht wich Hg , ist die Struktur selbstmaskierend. D.h., selbst wenn die Schicht 14 die aktive Zone eines aktiven Bauelementes (das beispielsweise einen pn-Ubergang einschließt) bildet, ist keine photolitographische Maskierung erforderlich, wenn ein elektrischer Kontakt zur Schicht Io hergestellt wird. Vielmehr wird, wie in Fig. 5B gezeigt ist, die Kontaktschicht 16 einfach
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durch Aufdampfen oder anderweitiges Erzeugen eines Metallkontaktes AA über der gesamten Oberfläche der Mesa-Struktur hergestellt. Da die Schichten 12 und 16 die Schicht 14 überragen (d.h. seitlich über diese hinausreichen) und einen Luftspalt zwischen sich bilden, ist der niedergeschlagene Kontakt AA am Luftspalt gegabelt und schließt die aktive Zone 14 nicht kurz. Beispielsweise ist der Kontakt 44 eine auf eine p-AIGaAs-Schicht 16 aufgedampfte Gold-Chrom-Legierung und der Kontakt 46 eine auf n-GaAs-Substrat 10 aufgedampfte Zinn-Piatin-Legierung. Die Verbindung zu einer äußeren Schalturg wird beispielsweise mittels aufgebondeter Drähte 48 und 50 hergestellt.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Doppel-HeteroStruktur der Figur 1 verschiedene srrukturelle Configurationen einnehmen kann, wie beispielsweise eine Doppel-Doppet-Heterostruktur der in der US-Patentschrift 3,691,476 beschriebenen Art, oder eine modifizierte Doppel-Heterostruktur (die einen pn-Homoübergang zwischen einem Paar Heteroübergänge ohne Leitungstypwechsei umfaßt) wie in der US-Patentanmeldung 203,709 beschrieben ist.
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen optischen Wellenleiters, wobei auf einem GaAs-Substrat eine für Lichtleitung vorgesehene AiGaAs-Heterosiruktur epitakiisch gezüchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Hauptfläche der Hsterostruktur eine Oxidschicht (18) gebildet wird,
    daß zum Erhalt einer Maske (20) vorgegeboner Form entsprechende Oxidschichtteile entfernt werden,
    daß aus der HeteroStruktur ein Mesaprofi! gebildet wird, in dem diese mit einer 0,05 bis 0,1 Volumen Prozent Brom enthaltenden methanolisehen Bromlösung in Berührung gebracht wird, um nicht von der Maske (20) abgedeckte Teile der·HeteroStruktur wegzu ätzen,
    und daß optisch ebene Flächen (26, 28) an sich gegenüberliegenden Mesaseitenwänden gebildet werden.
    2, Verfahren nach Anspruch 1, "
    dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid gebildet wird durch
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    Irv-B&rührungbrincjcn der Heterosirukturhaurifläche mit einem eine Η,-CL-Lösung enthaltenden elektrolytischen Bad, wobei die Heterostruktur als Anode dient und eine Spannung zwischen die Anode und die Kathode im Bad gelegt wird, um auf der Hauptfläche die Oxidschicht (18) aufwachsen zu lassen.
    3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung mit 30 Prozent H5CL und einem pH-Wert von 1-6 verwendet wird.
    4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die HeteroStruktur auf einer (lOO)-Fläche des GaAs-Substrats (10) epitaktisch gezüchtet wird, wobei ihre (011)-Spaltfläche senkrecht zur Richtung des in ihr zu leitenden Lichtes verläuft, und wobei die Ätzung optisch ebene Flächen (26, 28) erzeugt, die vorzugsweise längs der (lll)-Flächen verlaufen.
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    5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4 , dadurch gekennzeichnet, daß eine HeteroStruktur mit einem GaAs-Substrat (10) verwendet wird, auf dem eine AI Ga As-Schicht (14) angeordnet ist, die zwischen einem Paar AIGaAs-Außenschichten (12, 16) und an diese angrenzend verläuft, wobei die Außenschichten
    Al Ga. As bzw; Al Ga1 As enthalten und y <x und ζ ist. χ 1-x ζ 1-z '
    6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Schicht (14) mit einer einen pH-Wert 6 bis 8 aufweisenden t-LO.-Lösung in Berührung gebracht wird, um vorzugsweise die Al Ga1 As-Schicht (14) zu ätzen und ein Mesaprofil zu bilden, in welchem die Breite der Al Ga, As-Schicht (14) kleiner
    y 1-y
    als die der Außenschichten (12, 16) ist, so daß die Außenschichten (12, 16) über die Mittelschicht hinausragen und zwischen sich einen Luftspalt bilden.
    7. Verfahren nach Anspruch 6,
    gekennzeichnet dadurch,
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    daß eine Lösung mit einem pH-Wert 7,05 verwendet wird.
    8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß y = 0 gemacht und für die Mittelschicht (14) GaAs verwendet wird.
    9. Verfahren nach einem oder mehrsren der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die f-LCL-Lösung während ihrer Berührung mit der Heterostruktur bewegt wird.
    10. Verfahren nach "in^m oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Heterosfruktur ein elektrischer Kontakt (44, 46) .niedergeschlagen wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mesa-Oberf!äche mit einer Al Ga, As-Lösung
    q 1-q
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    mit q > y in Berührung gebracht wird, um auf dieser durch epitaktisches Wachstum aus flüssiger Phase eine Al Ga, As-
    q 1-q
    Schicht (30) zu züchten, wobei die Maske (20) auf der Schicht (16) die darunterliegende Fläche vor einer Auflösung durch die Lösung schützt.
    12. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Einfach-Heterostruktur-Bauelement mit einer Al Ca. As-
    x ι-χ
    Schicht (12) mit χ > 0, einer darauf gebildeten Al Ga, As-
    . y i-y
    Schicht (14) und einer auf letzterer gezüchteten Schicht (30) aus Al Ga, As, wobei 0 <" y ζ χ und q > y ist, verwendet wird.
    13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidmaske (20) von der Heterostrukturoberseite entfernt wird, um eine Mesahauptfläche freizulegen, und daß die Al Ga. As-Schicht (30) auf der Oberfläche und
    q l-q
    den Seitenwänden des Mesaprofils durch Züchtung im Molekular-
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    strahlepitaxieverfahren hergestellt wird.
    14. Dielektrischer Wellenleiter, hergestellt im Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-13.
    15. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß als HeteroStruktur ein aktives Bauelement verwendet wird.
    16. Dielektrischer optischer Wellenleiter mit einem GaAs-Substrat,
    auf dem eine erste Schicht aus Al Ga, As, wenigstens eine
    χ 1-x
    Schicht aus Al Ga1 As und eine Schicht aus Al Ga, As γ l~y zl-z
    epitaktisch aufgebracht sind, wobei y ^ χ und ζ ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der AI Ga, As-Schicht in parallel zur Substrats-
    y ]-y
    oberfläche verlaufender Richtung kleiner als die entsprechenden Breiten der ersten und dritten Schicht ist, so daß die erste und · dritte Schicht über die Kanten der zur Lichtleitung vorgesehenen Al Ga1 As-Schicht hinausragen.
    y i-y
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    17. Dielektrischer Wellenleiter mit einem GaAs-Subsiraf, auf dem eine epiiaktische erste Schicht aus Al Ga1 As vorgesehen und darauf wenigstens eine zweite/ zur Lichtleitung geeignete Schicht aus Al Ga As mit 0 <C y < χ gezüchtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter eine Mesastruktur aufweist, deren Seitenwände mit einer 0,05 - 0,1 Volumen Prozent Brom enthaltenden methanol i sehen Brom lösung geötzt sind, um auf diesen optisch ebene Wände zu bilden,
    und daß eine dritte, epitaktische Schicht aus AI Ga1 As mit
    q 1-q
    q >y auf der Heferostruktur vorgesehen ist, so daß die zweite Schicht auf jeder Seite durch eine AIGaAs-Schicht mit höherem Al-Gehalt begrenzt ist.
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DE2347802A 1972-09-25 1973-09-22 Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen optischen Wellenleiters, sowie die hiernach hergestellten optischen Wellenleiter Expired DE2347802C2 (de)

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