DE2619269A1 - OPTICAL WAVE CONDUCTOR - Google Patents

Description

S76P33 30. April 1976S76P33 April 30, 1976

SONY CORPORATION Tokio/JapanSONY CORPORATION Tokyo / Japan

Optischer WellenleiterOptical waveguide

Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Wellenleiter und bezieht sich insbesondere auf einen filmartigen optischen Wellenleiter in der Bauart eines integrierten Schaltkreises_f eines Leiters für LASER-Licht oder in der Form einer integrierten op~ tischen Schaltung.The invention relates to the field of optical waveguides and relates in particular to a film-like optical waveguide in the form of an integrated circuit _{f of} a conductor for LASER light or in the form of an integrated optical circuit.

Für optische Übertragungsstrecken werden in weitem Umfang optisch wirksame Fasern (im folgenden "optische Fasern") verwendet. Es gibt auch eine Reihe von Untersuchungen zur Herstellung optisch wirksamer integrierter Schaltkreise unter Verwendung von optischen Fasern, Anordnungen mit auf Trägermaterialien auflaminierten oder gebündelt aufgebrachten optischen Fasern sind bekannt.Optical transmission lines are used to a large extent for optical transmission lines effective fibers (hereinafter "optical fibers") are used. There are also a number of investigations into making it optical more efficient integrated circuits using optical fibers, arrays laminated to substrates or bundled optical fibers are known.

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Bei den auflaminierten Arten solcher Anordnungen wird beispielsweise ein Kernmaterial mit einer hohlen rohrförmigen Beschichtung oder Umhüllung versehen, die aus einem Material besteht, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Kernmaterial·, Bei der gebündelten Art werden die optischen Fasern durch ein Sinterverfahren oder durch ein chemisches Dampfniederschlagsverfahren (CVD-Verfahren) erzeugt, wobei sich der Brechungsindex über den Querschnitt der optischen Fasern gemäß einer nahezu quadratischen Kurve verteilt. Es sind auch optisch wirksame integrierte Schaltkreise oder Schaltkreisanordnungen vorgeschlagen worden, bei denen die optischen Wellenleiter auf oder in einem Substrat ausgebildet sind, etwa durch eines der erwähnten Verfahren oder auch durch Ionenimplantation.In the types of such arrangements that are laminated, for example a core material is provided with a hollow tubular coating or cladding made of a material which has a lower refractive index than the core material · In the bundled type, the optical fibers are passed through a Sintering process or generated by a chemical vapor deposition process (CVD process), whereby the refractive index distributed over the cross section of the optical fibers according to an almost square curve. There are also visually effective built-in Circuits or circuit arrangements have been proposed in which the optical waveguides on or in a Substrate are formed, for example by one of the methods mentioned or by ion implantation.

Als optische Wellenleiter bzw. optische Fasern kommen u.a. SiIiciumdioxide oder verschiedene Arten von Glasmaterialien in Frage, Der Brechnungsindex von SiO- liegt bei etwa 1,4 , während der für die verschiedenen Glasmaterialien im Bereich zwischen 1,4 bis 1,6 liegt. Große Abweichungen des Brechungsindex lassen sich nicht erzielen, obgleich sich durch den Zusatz von B₃O₃ oder ähnlichen Substanzen zu Glasmaterialien der Brechungsindex in gewissem Umfang erniedrigen läßt,.Herkömmliche optische Wellenleiter haben daher noch den beträchtlichen Nachteil eines sehr großen Verlustes im Verlauf der Übertragungsstrecke. Auch sind die zur Herstellung solcher optischer Vorrichtungen erforderlichen Temperaturen vergleichsweise sehr hoch und die Herstellungsverfahren sind kompliziert. Darüber hinaus läßt sich der Brechnungsindex ' nur relativ ungenau einstellen und überwachen,As optical waveguides or optical fibers, among others, silicon dioxide or various types of glass materials come into question. The refractive index of SiO is around 1.4, while that for the various glass materials is in the range between 1.4 and 1.6. Large deviations in the refractive index cannot be achieved, although the refractive index can be _{lowered to a certain extent by adding B 3} O ₃ or similar substances to glass materials. Conventional optical waveguides therefore still have the considerable disadvantage of a very large loss in the course of the transmission path . The temperatures required to manufacture such optical devices are also comparatively very high and the manufacturing processes are complicated. In addition, the refractive index can only be set and monitored relatively imprecisely,

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine als Wellenleiter einsetzbare optisch wirksame Vorrichtung, insbesondere ei- ; ne nach Art einer integrierten Schaltung herstellbare Halbleiterbaueinheit, zu schaffen, die sich hinsichtlich des optisch wirksamen Materials durch einen günstigen Brechnungsindex und vergleichsweise geringe Übertragungsverluste auszeichnet und sich zudem einfach herstellen läßt,The invention is therefore based on the object as a waveguide usable optically effective device, in particular a; ne semiconductor component that can be manufactured in the manner of an integrated circuit, to create, which in terms of the optically effective material by a favorable refractive index and comparatively is characterized by low transmission losses and is also easy to manufacture,

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j Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von i Halbleiterbauelementen, wie es beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 25 13 459.2 beschrieben ist. Dort ist vorge-. schlagen, zur Gewährleistung einer besseren Passivierung von j Halbleiterbauelementen die Oberfläche eines Halbleitersubstratsj The invention is based on a method for the production of i semiconductor components, as it is for example in the German Patent application P 25 13 459.2 is described. There is before. suggest, to ensure better passivation of j semiconductor components the surface of a semiconductor substrate

■ mit einer polykristallinen Siliciumschicht zu überdecken, die■ to cover with a polycrystalline silicon layer that

j Sauerstoff enthält. Auch Stickstoff kommt als Dotierungsmaterial in Frage, überraschenderweise hat sich gezeigt, daß der in der genannten deutschen Patentanmeldung enthaltene Vorschlag zur Erzeugung von Oberflächenpassivierungsschichten für Halbleiter-j Contains oxygen. Nitrogen also comes as a doping material in question, surprisingly, it has been shown that the mentioned German patent application proposal for the production of surface passivation layers for semiconductor

: bauelemente sich auch unter bestimmten Voraussetzungen vorteil- ! haft für optische Wellenleiter auf Halbleiterbasis einsetzen i läßt.: construction elements are also advantageous under certain conditions ! used for optical waveguides based on semiconductors i lets.

i
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die im Patentanspruch 1i
The invention is characterized by that in claim 1

; angegebenen Maßnahmen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in der nachfolgenden Beschreibung und in Unteransprüchen angegeben.; specified measures. Advantageous further developments are given in the following description and in the subclaims.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, ein Substrat mit einer poly-According to the invention it is provided that a substrate with a poly-

kristallinen-Siliciumschicht in bestimmter Musteranordnung zucrystalline silicon layer in a specific pattern arrangement

■ überdecken und diese Schicht jeweils einzeln oder auch gemein- '■ sam mit Sauerstoff und/oder Stickstoff in einer solchen Atomkonzentration zu dotieren, daß der Brechnungsindex dieser poly-■ cover and this layer either individually or Community '■ sam to dope with oxygen and / or nitrogen atom in such a concentration that the refraction index of the poly-

j kristallinen Siliciumschicht mindestens in der Nähe der Kontakt- '· fläche größer wird als der Brechnungs index des Substrats. Bei j einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die äußere I Oberfläche dieser polykristallinen Siliciumschicht konkav oder ! konvex.j crystalline silicon layer surface at least in the vicinity of the contact '* is greater than the refractive index of the substrate-drying. In a preferred embodiment of the invention, the outer surface of this polycrystalline silicon layer is concave or! convex.

j Bei dem erwähnten Vorschlag gemäß der genannten deutschen Paj tentanmeldung werden bestimmte Grenzbereiche für die Korngröße j des polykristallinen Siliciums angegeben, nämlich 50 bis 1000 A. Beim Gegenstand der Erfindung dagegen ergibt sich in dieser Hinsicht keine prinzipielle Grenze; entsprechende gilt für die Sauerstoffkonzentration. Beispielsweise kann Sauerstoff in der polykristallinen Siliciumschicht in gleicher Konzentration vorliegen wie bei Siliciumdioxid. Es wurden auch verschiedene Ver-In the aforementioned proposal according to the aforementioned German patent application, certain limit ranges for the grain size j of polycrystalline silicon, namely 50 to 1000 A. With the subject matter of the invention, however, there is no fundamental limit in this regard; corresponding applies to the Oxygen concentration. For example, oxygen can be present in the same concentration in the polycrystalline silicon layer as with silicon dioxide. There were also various

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j suche im Hinblick auf eine geeignete Formgebung der polykristalli-r nen Siliciumschicht unternommen. Bestimmte Vorteile wurden dabei
mit konkaven oder konvexen Kanten erzielt.A search has been undertaken with a view to suitable shaping of the polycrystalline silicon layer. Certain benefits were given
achieved with concave or convex edges.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend ! unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsfor- > men näher erläutert. Es zeigen: :The invention and advantageous details are described below! with reference to the drawing in exemplary embodiments > explained in more detail. Show it: :

i " ΐi "ΐ

Fig. 1 die Perspektivdarstellung eines Teilstücks eines optischenFig. 1 is a perspective view of a portion of an optical

Wellenleiters;
¹ Fig. 2 die graphische Darstellung des Zusammenhangs der Abhängig--·Waveguide;
¹ Fig. 2 the graphical representation of the relationship between the

j keit des Brechnungsindex eines polykristallinen Silicium-ί materials von dem Sauerstoffgehalt bzw. dem Anteilsver-
! hältnis N-O/SiH,; _: the refractive index of a polycrystalline silicon material depends on the oxygen content or the proportion
! ratio NO / SiH ,; _:

j Fig. 3 die graphische Darstellung des Durchlässigkeitsprozent-
; satzes in Abhängigkeit von der Wellenlänge;j Fig. 3 shows the graph of the percentage of permeability
; rate as a function of the wavelength;

: Fig. 4 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit des Sauer-: Fig. 4 graphically shows the dependence of the acid

i :i:

stoffgehalts und des Brechnungsindex relativ zur Höhe '· oder Stärke einer Schicht;solid content, and the refractive index relative to the height '· or thickness of a layer;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen optischen Wellenleiter; ; ; Fig. 6 die graphische Darstellung der Abhängigkeit von Sauer-Fig. 5 is a section through an optical waveguide; ; ; 6 shows the graphical representation of the dependence on acid

ι 'ι '

stoffgehalt und Brechungsindex als Funktion der Dicke : oder Höhe einer Schicht; :material content and refractive index as a function of thickness: or height of a layer; :

j Ij I

! Fig. 7A die Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der Er- j! 7A shows the plan view of another embodiment of FIG

findung; jfinding; j

Fig. 7B_% eine Schnittdarstellung gesehen in Richtung der Pfeile
VIIB-VIIB an der angegebenen Schnittlinie in Fig. 7A;7B _{% is} a sectional view seen in the direction of the arrows
VIIB-VIIB on the section line indicated in FIG. 7A;

Fig. 8 eine angewandelte Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 9 eine andere Ausführungsform der Erfindung;8 shows a modified embodiment of the invention;
9 shows another embodiment of the invention;

Fig.1OA die Draufsicht auf eine noch andere Ausführungsform der
Erfindung undFig.10A is a top view of yet another embodiment of the
Invention and

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_ 5 —_ 5 -

Fig. 1OB einen Schnitt gesehen in Richtung der Pfeile XB-XB an der angegebenen Schnittlinie in Fig. 10A.10B shows a section seen in the direction of the arrows XB-XB on the section line indicated in FIG. 10A.

Unter Bezug auf die Fig. 1 bis 3 wird zunächst eine erste Ausführungsform eines optischen Wellenleiters mit erfindungsgemäßen Merkmalen beschrieben:Referring to FIGS. 1 to 3, a first embodiment is first described of an optical waveguide with features according to the invention described:

Der Teil des in Fig. 1 dargestellten optischen Wellenleiters zeigt eine polykristalline Siliciumschicht 2, die auf einer bestimmten ausgewählten Oberfläche einer SiO2~Schicht 1 aufge- I bracht ist, die die oberste Schicht eines Substrats darstellt. ; Die SiO₂-Schicht 1 wird beispielsweise durch thermische Oxida- \ tion eines Siliciumsubstrats erzeugt. Zur Ausbildung der poly- j kristallinen Siliciumschicht 2 wird das Siliciumsubstrat ein- j schließlich der oben liegenen SiO-^Schicht 1 in einem Reaktions-■ ofen auf eine Temperatur im Bereich zwischen 600 und 65O°C auf- ' geheizt, während Monosilan (SiH₄), Distickstoffmonoxid (N2⁰) ' und ein Trägergas in bestimmten Strömungsanteilsmengen in den ', Reaktionsofen eingeleitet werden, SiH- und N-O zersetzen sich thermisch auf der Oberfläche der SiO₀-Schicht 1 der aufgeheiz-The part of the optical waveguide shown in FIG. 1 shows a polycrystalline silicon layer 2 which is applied to a certain selected surface of an SiO2 layer 1, which is the top layer of a substrate. ; The SiO ₂ layer 1, for example by thermal oxidation \ tion of a silicon substrate produced. To form the poly-crystalline silicon layer j 2, the silicon substrate is switched j Finally, the above liegenen ^ SiO layer 1 in a reaction furnace ■ 'heated while monosilane (SiH to a temperature in the range between 600 and 65O ° C Open ₄ ), nitrous oxide (N2 ⁰ ) 'and a carrier gas in certain flow proportions are introduced into the' reaction furnace, SiH and NO decompose thermally on the surface of the SiO ₀ layer 1 of the heated

Z IZ I

! ten Siliciumsubstrats, wodurch sich eine polykristalline SiIi- !! th silicon substrate, whereby a polycrystalline SiIi-!

j ciumschicht 2 auf der SiO2~Schicht 1 ausbildet. Die polykristalline Siliciumschicht 2 kann auch durch andere als das eben be- ! schriebene CVD-Verfahren erzeugt werden,j ciumschicht 2 on the SiO2 ~ layer 1 forms. The polycrystalline Silicon layer 2 can also be loaded by other than that! written CVD processes are generated,

Sowohl die Sauerstoffkonzentration in der polykristallinen SiIi- , ciumschicht 2 als auch der Brechungsindex dieser polykristalli- ι nen Siliciumschicht ändern sich mit dem Gasströmungsverhältnis j N₉0/SiH..Die Fig.2 verdeutlicht die Beziehung zwischen dem Gas-Strömungsverhältnis von N₀O zu SiH., der Sauerstoffkonzentration jBoth the oxygen concentration in the polycrystalline SiIi-, ciumschicht 2 and the refractive index of this polycrystalline silicon layer ι NEN vary with the gas flow ratio j N ₉ 0 / SiH..Die Figure 2 illustrates the relationship between the gas flow ratio of N ₀ O to SiH., the oxygen concentration j

I (dem Sauerstoffgehalt) und dem Brechnungsmdex, \ I (the oxygen content) and the refraction index, \

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 liegt der Wert des BrechungsT index der SiO₂-Schicht 1 bei etwa 1,4 und das Gasströmungsverhältnis N₂O/SiH₄ wird so^ewählt, daß der Sauerstoffgehalt der polykristallinen Siliciumschicht 2 bei etwa 30 Gewichtsprozent liegt, so daß sich ein Brechnungsindex für die polykristallineIn the embodiment according to FIG. 1, the value of the refractive index of the SiO ₂ layer 1 is approximately 1.4 and the gas flow _{ratio N 2} O / SiH ₄ is selected so that the oxygen content of the polycrystalline silicon layer 2 is approximately 30 percent by weight so that there is a refractive index for the polycrystalline

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Siliciumschicht 2 von etwa 2,1 ergibt. Die untere Oberfläche der polykristallinen Siliciumschicht 2 steht in Kontakt mit der
oberen Oberfläche der SiO₂-Schicht 1, deren Brechnungsindex dem Wert 1,4 entspricht und die obere Oberfläche der polykristallinen Siliciumschicht 2 steht mit der umgebenden Luft in Berührung, die einen Brechungsindex von 1 aufweist. Eine lichtemittierende Diode oder ein LASER (nicht gezeigt) sind an einer geeigneten
Anschlußstelle (nicht gezeigt) mit der polykristallinen Siliciumschicht 2 verkoppelt, über den Lichteinlaß wird also Licht von
der lichtemittierenden Diode oder dem LASER in die polykristalline Siliciumschicht 2 eingestrahlt. Dieses Licht wird an den Kontaktoberflächen zwischen der polykristallinen Siliciumschicht 2 und der SiO„ -Schicht 1 und zwischen der polykristallinen Siliciumschicht 2 und Luft total reflektiert, da der Brechnungsindex dieser polykristallinen Siliciumschicht 2 größer ist als die
Brechungsindices der SiO₂-Schicht 1 bzw. von Luft. Dieses total reflektierte Licht wird zu einem nicht gezeigten Lichtauslaß an der polykristallinen Siliciumschicht 2 übertragen. Die Anordnung aus SiO₂-Schicht 1 und polykristalliner Siliciumschicht 2 bildet also einen optischen Wellenleiter. Durch Anschluß einer Photodiode an den Lichtauslaß der polykristallinen Siliciumschicht 2 läßt sich ein Photokoppler oder ein photoelektrisches Koppleroder Wandlerelement herstellen.Silicon layer 2 of about 2.1. The lower surface of the polycrystalline silicon layer 2 is in contact with the
The upper surface of the SiO ₂ layer 1, the refractive index of which corresponds to 1.4, and the upper surface of the polycrystalline silicon layer 2 is in contact with the surrounding air, which has a refractive index of 1. A light emitting diode or a LASER (not shown) is attached to a suitable one
Connection point (not shown) coupled to the polycrystalline silicon layer 2, so light is emitted via the light inlet
the light-emitting diode or the LASER is radiated into the polycrystalline silicon layer 2. This light is totally reflected on the contact surfaces between the polycrystalline silicon layer 2 and the SiO "layer 1 and between the polycrystalline silicon layer 2 and air, since the refractive index of this polycrystalline silicon layer 2 is greater than that
Refractive indices of the SiO ₂ layer 1 or of air. This totally reflected light is transmitted to a light outlet (not shown) on the polycrystalline silicon layer 2. The arrangement of SiO ₂ layer 1 and polycrystalline silicon layer 2 thus forms an optical waveguide. By connecting a photodiode to the light outlet of the polycrystalline silicon layer 2, a photocoupler or a photoelectric coupler or transducer element can be produced.

Wird die polykristalline Siliciumschicht 2 auf einer anderen
Materialschicht als SiO₂ hergestellt, so sollte der Sauerstoffgehalt der polykristallinen Siliciumschicht 2 so überwacht werden, daß der Brechnungsindex der Schicht 2 mindestens in der
Nähe der Kontaktfläche mit der Schicht aus anderem Material größer ist als der Brechnungsindex der anderen Materialschicht.
Wird diese Bedingung eingehalten, so läßt sich auch in diesem
Fall die beschriebene Totalreflexion erreichen.Will the polycrystalline silicon layer 2 on another
Material layer produced as SiO ₂ , the oxygen content of the polycrystalline silicon layer 2 should be monitored so that the refractive index of the layer 2 is at least in the
Proximity of the contact area with the layer of other material is greater than the refractive index of the other material layer.
If this condition is met, it can also be used in this
Case achieve the total reflection described.

Wie die Fig. 3 zeigt, hängt die Lichtdurchlässigkeit oder das
Lichtdurchgangsvermögen für die polykristalline Siliciumschicht vom Sauerstoffgehalt dieser Schicht ab. Aus den Fig. 2 und 3
läßt sich entnehmen, daß sich Licht kürzerer Wellenlänge nichtAs shown in Fig. 3, the light transmittance or that depends
Light transmission capacity for the polycrystalline silicon layer depends on the oxygen content of this layer. From FIGS. 2 and 3
it can be seen that light of shorter wavelengths cannot

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in jedem Fall für den gesamten Bereich der möglichen Brechungsindices von 1,4 bis 4 eignet. Jedoch läßt sich selbst Licht kürzerer Wellenlängen für einen Bereich der Brechungsindices von 1,4 bis 2,2 verwenden. Die polykristalline Siliciumschicht bildet dabei den besonderen Vorteil, daß sie sich leicht bei relativ niedrigen Temperaturen mittels des CVD-Verfahrens herstellen läßt. ·in any case for the entire range of possible refractive indices from 1.4 to 4 is suitable. However, even light of shorter wavelengths can be used for a range of the refractive indices use from 1.4 to 2.2. The polycrystalline silicon layer has the particular advantage that it is easy to move Can produce relatively low temperatures by means of the CVD process. ·

Wie sich aus Fig. 4 ergibt, kann der Brechnungsindex in Dicken- j richtung der polykristallinen Siliciumschicht 2 verändert wer- jAs can be seen from FIG. 4, the refractive index can be in thicknesses j direction of the polycrystalline silicon layer 2 can be changed

den. Dazu wird das Gasströmungsverhältnis von N₂O zu SiH. während; der Ausbildung der polykristallinen Siliciumschicht 2 verändert, ' um einen Gradienten des Sauerstoffgehalts und damit einen Gradienten für den Brechungsindex zu erhalten. Die ausgezogene Kur- ! ve in Fig. 4 zeigt die Veränderung des Sauerstoffgehalts und die > punktierte Linie η gibt die Veränderung des Brechungsindex wie- j der, wobei an der Abszisse mit χ der Dickenabstand von der Kon- ■ taktoberflache zwischen der polykristallinen Siliciumschicht 2 : und der SiO^-Schicht 1 aufgetragen ist.the. To do this, the gas flow ratio of N ₂ O to SiH. while; the formation of the polycrystalline silicon layer 2 changed in order to obtain a gradient of the oxygen content and thus a gradient for the refractive index. The undressed cure! . ve in Figure 4 shows the change in the oxygen content and the "dotted line η is the refractive index change How-j of where on the abscissa with χ the thickness distance from the con- ■ clock surface between the polycrystalline silicon layer 2 and the SiO ^ -Layer 1 is applied.

Die Fig. 5 veranschaulicht einen Schnitt durch einen optischen Wellenleiter nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung, ! In diesem Fall ist eine polykristalline Siliciumschicht 4 mit einem Sauerstoffgradienten, also einem veränderlichen Sauerstoffgehalt und entsprechend mit einem veränderlichen Brechungsindex η (vgl. Fig. 6) auf einem Siliciumsubstrat 3 ausgebildet. Der Brechungsindex des Siliciumsubstrats 3 ist etwa gleich groß wie der der Schicht 4, Der Brechungsindex der polykristallinen Siliciumschicht 4 als lichtübertragender Körper nimmt jedoch von der Mittenachse gegen beide Kontaktoberflächen hin ab. Das sich in dem Körper fortpflanzende Licht wird also auf den zentralen oder Mittenabschni-tt des lichtübertragenden Körpers beschränkt oder "zusammengedrängt".Fig. 5 illustrates a section through an optical waveguide according to another embodiment of the invention,! In this case there is a polycrystalline silicon layer 4 with an oxygen gradient, that is to say a variable oxygen content and correspondingly formed on a silicon substrate 3 with a variable refractive index η (see FIG. 6). The refractive index of the silicon substrate 3 is approximately the same as that of the layer 4, the refractive index of the polycrystalline However, silicon layer 4 as the light-transmitting body decreases from the center axis towards both contact surfaces. That Light propagating in the body is therefore restricted to the central or middle section of the light-transmitting body or "huddled".

Da sich der Sauerstoffgehalt in Dickenrichtung der polykristallinen Siliciumschicht etwa in der in Fig. 6 angegebenen Weise ändert, liegen die Eigenschaften des Mittenbereichs der poly-Since the oxygen content is in the direction of the thickness of the polycrystalline Silicon layer changes approximately in the manner indicated in Fig. 6, the properties of the central region of the poly-

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kristallinen Siliciumschicht 4 näher bei jenen von reinem poly- !crystalline silicon layer 4 closer to that of pure poly!

i J krxstallxnem Silxcium; andererseits liegen die Eigenschaften ;i J crystalline silicon; on the other hand are the properties;

j der oberen und unteren Abschnitte oder Bereiche der polykristallip j nen Siliciumschicht 4 näher bei jenen einer SiO^-Schicht, Wird ■ nun die polykristalline Siliciumschicht 4 etwa mit einer Ätzmischr ! lösung von HF und NH₄, die beispielsweise ein Ätzmitter für SiO₀ ': bei herkömmlichen Photoätzprozessen ist zur Ausbildung einer be- i stimmten Musterverteilung der polykristallinen Siliciumschicht
geätzt, so werden die seitlichen Oberflächen der Musterbahnen
konvex, da die Ätzrate oder Ätzgeschwindigkeit für SiO₉ größer i ist als für reines polykristallines Silicium. jj the upper and lower portions or areas of the polycrystalline silicon layer 4 closer to those of a SiO ^ layer, the polycrystalline silicon layer 4 is now made with an etching mixer! Solution of HF and NH ₄ , which, for example, is an etchant for SiO ₀ ': in conventional photo-etching processes it is used to form a specific pattern distribution of the polycrystalline silicon layer
the side surfaces of the pattern tracks are etched
convex, since the etching rate or etching speed for SiO _{9 is} greater than that for pure polycrystalline silicon. j

Die Fig. 7A und 7B veranschaulichen einen optischen Richtungs- ' koppler nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung. In bestimmtem Muster aufgebrachte polykristalline Siliciumschichten
4a und 4b werden in einem Ätzvorgang, wie er etwa für die poly- i kristalline Siliciumschicht 4 gemäß Fig. 5 eben beschrieben wur- ^: de, geformt. Aus den erläuterten Gründen werden die seitlichen | Oberflächen der polykristallinen Siliciumschichten 4a und 4b \ konvex; sie wirken also als konvexe Linsen, Entsprechend kann
die polykristalline Siliciumschicht 4a optisch mindestens teilweise mit der polykristallinen Siliciumschicht 4b verkoppelt j werden, wenn ein Radius der konvexen Oberfläche und der Abstand
zwischen den polykristallinen Siliciumschichten 4a und 4b ge- ' eignet gewählt werden.Figures 7A and 7B illustrate a directional optical coupler according to another embodiment of the invention. Polycrystalline silicon layers applied in a specific pattern
4a and 4b are formed in an etching process, as has just been described for the polycrystalline silicon layer 4 according to FIG. 5 ^: de. For the reasons explained, the side | Surfaces of the polycrystalline silicon layers 4a and 4b \ convex; so they act as convex lenses, accordingly can
the polycrystalline silicon layer 4a are optically at least partially coupled to the polycrystalline silicon layer 4b when a radius of the convex surface and the distance
between the polycrystalline silicon layers 4a and 4b can be appropriately selected.

Wird die polykristalline Siliciumschicht 4 nach Fig. 5 zur Ausbildung einer bestimmten Musterverteilung dieser Schicht mit ei-*
ner anderen Ätzmischlösung, beispielsweise aus HF, HNO₃ und
CH-COOH geätzt, die ein Ätzmittel für Silicium ist, so werden
die seitlichen Oberflächen der Musterbahnen konkav, da die Ätzgeschwindigkeit für SiO₃ kleiner ist als jene für reines polykristallines Silicium.If the polycrystalline silicon layer 4 according to FIG. 5 is used to form a specific pattern distribution of this layer with a *
Another etching mixture solution, for example from HF, HNO ₃ and
CH-COOH, which is an etchant for silicon, will be so
the lateral surfaces of the pattern tracks are concave, since the etching speed for SiO ₃ is lower than that for pure polycrystalline silicon.

Die Fig. 8 zeigt einen optischen Wellenleiter nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei dem eine konkave Seitenfläche gemäß dem soeben beschriebenen Verfahren in der polykristallinenFig. 8 shows an optical waveguide according to another embodiment of the invention, in which a concave side surface according to the method just described in the polycrystalline

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Siliciumschicht 4 ausgebildet ist. In unmittelbarer Nachbarschaft der polykristallinen Siliciumschicht 4 ist ein Halbleiterlaser-Chip 5 angeordnet. Der optische Wellenleiter umfaßt das Substrat 3 und die darauf angeordnete polykristalline Siliciumschicht 4, die gemeinsam mit dem Halbleiterlaser-Chip 5 und einer Kühlvorrichtung 6 zu einer Einheit kombiniert sind. Das vom Laser-Chip 5 ausgehende Licht läßt sich durch die polykristalline Siliciumi schicht 4 gut übertragen. Im allgemeinen erfolgt die Abstrahlung ι des Lichts von dem Halbleiterlaser-Chip 5 in einem weiten Winkel.Silicon layer 4 is formed. In the immediate vicinity a semiconductor laser chip 5 is arranged on the polycrystalline silicon layer 4. The optical waveguide comprises the substrate 3 and the polycrystalline silicon layer 4 arranged thereon, which together with the semiconductor laser chip 5 and a cooling device 6 are combined into one unit. The light emanating from the laser chip 5 can be passed through the polycrystalline silicon layer 4 transferred well. In general, the light is emitted from the semiconductor laser chip 5 at a wide angle.

i Bei einem herkömmlichen Wellenleiter wird ein großer Anteil des ι
Lichts durch die Oberfläche am Lichteinlaß reflektiert, wenn dasi In a conventional waveguide, a large proportion of the ι
Light is reflected by the surface at the light inlet when that

, Licht in den Wellenleiter übertragen werden soll und es ist bei ; herkömmlichen optischen Wellenleitern besonders schwer, das ge-, Light should be transmitted in the waveguide and it is at ; conventional optical waveguides it is particularly difficult to

■ samte Licht in den Lichteingang zu bringen. Da beim Wellenleiter ' nach Fig. 5 der Lichteinlaß jedoch konkave Form aufweist, trifft■ Bring all the light into the light entrance. Since at the waveguide ' 5, however, the light inlet has a concave shape

' das Licht vom Laser-Chip 5 in wesentlich größerem Umfang auf den Lichteinlaß des Wellenleiters auf, ohne an der Oberfläche dieses ' Einlaßes total reflektiert zu werden. ;'the light from the laser chip 5 to a much greater extent Light inlet of the waveguide without being totally reflected on the surface of this' inlet. ;

1 . Bei herkömmlichen optischen Wellenleitern ist es außerdem nicht j1 . In addition, in conventional optical waveguides, it is not j

empfehlenswert oder nicht möglich, das Halbleiterlaser-Chip in den Mittenabschnitt einer Kühlvorrichtung, beispielsweise einer j ; Kühlplatte mit größerer Fläche zu setzen, da das vom Halbleiter- ; I laser-Chip abgegebene Licht auf der Oberfläche der Kühlvorrichj tung reflektiert wird. Diese Möglichkeit besteht jedoch bei der j i Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 8, d.h. das Halbleiter- ' i irecommended or not possible to insert the semiconductor laser chip in the central portion of a cooling device such as a j; To put a cooling plate with a larger area, since the semiconductor; I laser chip emitted light is reflected on the surface of the cooling device. However, this possibility exists with the j i embodiment of the invention according to Fig. 8, i.e. the semiconductor ' i i

; laser-Chip kann auch in die Mitte eines Wärmeabführelements gesetzt werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß Licht durch die Kühloberfläche reflektiert wird. Ein optischer Wellenleiter ge-I maß dieser Ausführungsform zeichnet sich also auch durch die ^! Möglichkeit einer guten Wärmeverteilung oder Wärmeabführung aus.; The laser chip can also be placed in the center of a heat dissipation element without the risk of light being reflected by the cooling surface. An optical waveguide according to this embodiment is also characterized by the ^! Possibility of good heat distribution or heat dissipation.

j Die Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines optischen jj FIG. 9 shows a further embodiment of an optical j

■ Wellenleiters nach der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist■ Waveguide according to the invention. In this embodiment is

ι der Lichteingang an der polykristallinen Siliciumschicht 4 dreieck- oder trichterförmig ausgebildet. Durch diese Anordnung läßt i sich der Übertragungswirkungsgrad für das Licht verbessern. Dieι the light entrance on the polycrystalline silicon layer 4 triangular or funnel-shaped. With this arrangement, the transmission efficiency for the light can be improved. the

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Einlaßfläche kann flach sein.Inlet surface can be flat.

Die Fig. 1OA und 10B zeigen einen optischen Wellenleiter nach einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung: In diesem Fall ist eine öffnung in dem Siliciumsubstrat 3 vorgesehen und die polykristalline Siliciumschicht 4 ist auf dem Siliciumsubstrat 3 j mittels eines herkömmlichen Ätzverfahrens hergestellt. An der ! öffnung wird das Halbleiterlaser-Chip 5 in das SiliciumsubstratFigures 10A and 10B show an optical waveguide according to yet another embodiment of the invention: In this case an opening is provided in the silicon substrate 3 and the polycrystalline silicon layer 4 is on the silicon substrate 3 j manufactured using a conventional etching process. At the ! The semiconductor laser chip 5 opens into the silicon substrate

i eingesetzt und fixiert. Die Tiefe der öffnung ist annähernd · gleich dem Pegel oder der Höhe des lichtemittierenden Abschnitts ' des Halbleiterlaser-Chips 5, Der Lichteinlaßbereich der poly- ; kristallinen Siliciumschicht 4 umgibt das Halbleiterlaser-Chip 5,' Die vom Laser-Chip 5 erzeugte Wärme wird durch das Siliciumsubstrat 3 auf die Wärmeabfuhrvorrichtung 6 übertragen. Durch diese Anordnung läßt sich der übertragungswirkungsgrad für Licht im Vergleich zur Ausführungsform nach Fig. 9 noch weiter verbessern,ί Die thermische Leitfähigkeit des Siliciumsubstrats 3 ist höher als die des Materials für das Laser-Chip 5 (eine chemische Ver- ' bindung der Gruppen III-V), und der Bereich des Siliciumssubstrats ist relativ groß. Diese Ausführungsform ist also besonders vorteilhaft hinsichtlich einer guten Wärmeabfuhr.i inserted and fixed. The depth of the opening is approximately equal to the level or height of the light emitting portion ' of the semiconductor laser chip 5, the light inlet area of the poly-; crystalline silicon layer 4 surrounds the semiconductor laser chip 5, ' The heat generated by the laser chip 5 is transmitted through the silicon substrate 3 transferred to the heat dissipation device 6. This arrangement allows the transmission efficiency for light in the Improve even further compared to the embodiment according to FIG. 9, ί The thermal conductivity of the silicon substrate 3 is higher than that of the material for the laser chip 5 (a chemical compound ' bond of groups III-V), and the area of the silicon substrate is relatively large. So this embodiment is special advantageous in terms of good heat dissipation.

Obgleich bei den obigen Ausführungsformen von Sauerstoff enthal- , tenden polykristallinen Siliciumschichten ausgegangen wurde, sei \ erwähnt_f daß auch Stickstoff enthaltende polykristalline SiIi- ! ciumschichten in Frage kommen, Der Brechungsindex einer poly- j kristallinen Siliciumschicht läßt sich auch durch Änderung des Stickstoffgehalts verändern. Bei einem Stickstoffgehalt von 0 liegt der Brechungsindex bei 4, Durch Vergrößern des Stickstoffgehalts läßt sich der Brechungsindex von 4 bis 2_f0 verändern. Eine polykristalline Siliciumschicht, die Stickstoff enthält, läßt sich also für alle beschriebenen Ausführungsformen auch verwenden. In Frage kommt auch eine polykristalline Siliciumschicht, die einen Mischungsanteil aus beiden, also aus Sauerstoff und Stickstoff, enthält.Although contained in the above embodiments of oxygen, Tenden polycrystalline silicon layers was considered, \ _f to be noted that also nitrogen-containing polycrystalline SiIi-! The refractive index of a polycrystalline silicon layer can also be changed by changing the nitrogen content. With a nitrogen content of 0, the refractive index is 4. By increasing the nitrogen content, the refractive index can be changed from 4 to 2 _f 0. A polycrystalline silicon layer containing nitrogen can therefore also be used for all of the embodiments described. A polycrystalline silicon layer that contains a mixture of the two, i.e. of oxygen and nitrogen, is also possible.

Zur Erzeugung einer Stickstoff enthaltenden polykristallinen Sili-pTo produce a nitrogen-containing polycrystalline silicon-p

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ciumschicht läßt sich ebenfalls das oben beschriebene CVD-Verfahren anwenden. Dabei wird NH₃ anstelle von N₂O in den Reaktionsofen eingeleitet. Der Brechungsindex läßt sich durch Verändern der Strömungsmenge des NH₃ steuern.The CVD process described above can also be used with the cium layer. In this case, NH _{3 is} introduced into the reaction furnace instead of N _{2 O.} The refractive index can be controlled by changing the flow rate of the NH _3.

Die polykristalline Siliciumschicht bewirkt eine gute Passivierung für Halbleiterbauelemente. Wegen des günstigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der polykristallinen Siliciumschicht wird das Substrat außerdem nur durch ganz geringe Spannungen beansprucht. Eine auf einer normalen integrierten Schaltung ausgebildete polykristalline Siliciumschicht läßt sich also in zweifacher Weise verwenden, nämlich einmal als Passivierungsschicht und außerdem als optischer Wellenleiter.The polycrystalline silicon layer causes good passivation for semiconductor components. Because of the favorable thermal expansion coefficient of the polycrystalline silicon layer the substrate is also only subjected to very low stresses. One on a normal integrated circuit The polycrystalline silicon layer formed can therefore be used in two ways, namely once as a passivation layer and also as an optical waveguide.

Wird die polykristalline Siliciumschicht beispielsweise zur Ausbildung der oben beschriebenen Ausführungsformen auf einem Siliciumsubstrat erzeugt, so ändert sich der Sauerstoffgehalt in der polykristallinen Siliciumschicht in Dickenrichtung wie in Fig. 6 durch den mit χ angegebenen Pfeil veranschaulicht. Steht die obere Oberfläche der polykristallinen Siliciumschicht jedoch mit Luft in Berührung, so wird der Brechungsindex nahe der oberen Oberfläche nicht in dem Maße reduziert wie die Fig. angibt. Wird daher über der polykristallinen Siliciumschicht ein Material mit niedrigerem Brechungsindex vorgesehen, so kann es von Vorteil sein, die Stärke der polykristallinen Siliciumschicht zu reduzieren.If the polycrystalline silicon layer is used, for example, to form the above-described embodiments on a When the silicon substrate is generated, the oxygen content changes in the polycrystalline silicon layer in the thickness direction as illustrated in FIG. 6 by the arrow indicated by χ. However, when the upper surface of the polycrystalline silicon layer is in contact with air, the refractive index becomes close the upper surface is not reduced to the same extent as the figure indicates. It is therefore placed over the polycrystalline silicon layer If a material with a lower refractive index is provided, it can be advantageous to reduce the thickness of the polycrystalline silicon layer to reduce.

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Claims (7)

SONY CORPORATION
S76P33SONY CORPORATION
S76P33 PatentansprücheClaims Optischer Wellenleiter mit einem Substrat und einer darauf in bestimmter Musteranordnung aufgebrachten optisch wirksamen Schicht, dadurch gekennzeichn et, daß die optisch wirksame Schicht (2; 4; 4a, b) eine polykristalline Siliciumschicht ist, die Sauerstoff und/oder Stickstoffatome enthält.Optical waveguide with a substrate and an optically effective applied thereon in a specific pattern arrangement Layer, characterized in that the optically effective layer (2; 4; 4a, b) is a polycrystalline Is a silicon layer that contains oxygen and / or nitrogen atoms. 2. Wellenleiter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Sauerstoff und/oder Stick-! stoff in der polykristallinen Siliciumschicht so gewählt ist,| daß der Brechungsindex der polykristallinen Siliciumschicht \ mindestens in der Nähe der Kontaktflache größer ist als der Brechungsindex des Substrats.2. Waveguide according to claim 1, characterized in that the proportion of oxygen and / or stick! substance in the polycrystalline silicon layer is selected so that | that the refractive index of the polycrystalline silicon layer \ at least in the vicinity of the contact surface is greater than the refractive index of the substrate. 3. Wellenleiter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die Konzentration der Atome von Sauerstoff und/oder Stickstoff in der polykristallinen Silicium- ί schicht sich in Dickenrichtung der polykristallinen Siliciumschicht ändert.3. Waveguide according to claim 1, characterized that the concentration of atoms of oxygen and / or nitrogen in the polycrystalline silicon ί layer changes in the thickness direction of the polycrystalline silicon layer. 4. Wellenleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Siliciumschicht eine Konzentration an Sauerstoffatomen aufweist, derart, daß der Brechungsindex der polykristallinen Siliciumschicht zwischen 1,4 und 2,2 liegt.4. Waveguide according to one of the preceding claims, characterized in that the polycrystalline Silicon layer has a concentration of oxygen atoms such that the refractive index of the polycrystalline Silicon layer is between 1.4 and 2.2. 5. Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d adurch gekennzeichnet, daß bei einer Dotierung der polykristallinen Siliciumschicht mit Sau-5. Waveguide according to one of the preceding claims, characterized in that at one Doping of the polycrystalline silicon layer with 609846/0776609846/0776 erstoffatomen, deren Konzentration so gewählt ist, daß sich ein ansteigender Sauerstoffgehalt von einer Mitten- ! achse dieser Schicht gegen deren Peripherie zu ergibt.Erstoffatomen, the concentration of which is chosen so that an increasing oxygen content from a central ! axis of this layer against its periphery results. 6. Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d adurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Seitenfläche der polykristallinen Siliciumschicht konvex ist.6. Waveguide according to one of the preceding claims, characterized in that at least a side surface of the polycrystalline silicon layer is convex. 7. Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, j dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens7. Waveguide according to one of the preceding claims 1 to 6, j characterized in that at least ι eine Seitenfläche der polykristallinen Siliciumschicht kon-ι a side face of the polycrystalline silicon layer con- j kav ist.j is kav. 6098A6/077R6098A6 / 077R