DE3300986A1 - Mehrschichtige optische integrierte schaltung - Google Patents

Mehrschichtige optische integrierte schaltung

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DE3300986A1 DE19833300986 DE3300986A DE3300986A1 DE 3300986 A1 DE3300986 A1 DE 3300986A1 DE 19833300986 DE19833300986 DE 19833300986 DE 3300986 A DE3300986 A DE 3300986A DE 3300986 A1 DE3300986 A1 DE 3300986A1
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Description

Beschreibung
Mehrschichtige optische integrierte Schaltung
Schnelle logische Schaltungen werden in immer größeren und komplizierteren Halbleiterchips ausgebildet. Derzeit bestehen diese Halbleiterchips vollständig aus elektronischen Bauelementen. Wenn solche Chips weiterhin vollständig aus elektronischen Elementen bestehen, wird die Geschwindigkeit, mit der diese Chips externe Signale verarbeiten können, durch die Zeit begrenzt werden, die man zum Senden elektrischer Signale von einem Teil des Chips zu einem anderen Teil benötigt. Die RC-Zeitkonstante des Treiber-Bauelements und der relativ lange Leiter auf dem Chip sind in erster Linie ausschlaggebend für die Arbeitsgeschwindigkeit des Chips. Ein integrierter Großschaltkreis (LSI-Schaltung) könnte viel schneller arbeiten, wenn die Signale auf dem Chip als optische Signale übertragen würden. Im Prinzip kann der Leiter durch einen optischen Wellenleiter (Lichtleiter) ersetzt werden, wobei an einem Ende des Lichtleiters eine Lichtquelle oder ein Lichtemitter und an dem anderen Ende ein Detektor vorgesehen ist.
Die. Erfindung schafft eine mehrschichtige optische integrierte Schaltung für Hochgeschwindigkeitsbetrieb, bei der wenigstens drei separate Gruppen von Halbleiterschichten auf einem Substrat gebildet werden und jede Gruppe dahingehend optimiert wird, daß sie eine der folgenden drei Punktionen eines optischen Bauelements ausführt: Emission, d. h. Abgabe von Licht, Übertragung oder Erfassung. Jede Gruppe von Schichten besitzt eine Primärschicht sowie darüber und darunter eine oder mehrere Sekundärschichten, mit der möglichen Ausnahme, daß die oberste Primärschicht auf der Oberfläche des Bauelements gelegen sein kann. Die Sekundärschichten besitzen eine größere Bandabstandsenergie und damit einen niedrigeren Brechungsindex als die Primärschichten innerhalb derselben Gruppe. In der beschriebenen Ausführungsform dient eine einzelne Schicht als Sekundärschicht für zwei Gruppen von Schichten und wirkt somit als Sekundärschicht einer Primärschicht oberhalb der gegebenen Schicht und einer Primärschicht unterhalb der gegebenen Schicht.
Die drei Primärschichten, die für die Lichtemission, die Lichtübertragung und die Lichterfassung verwendet werden, besitzen hinsichtlich ihrer Bandabstandenergien eine spezielle Beziehung. Die als
Lichtleiter.oder für die Lichtübertragung verwendete Primärschicht wird derart hergestellt, daß sie die größte Bandabstandenergie E1 aufweist. Die für die Lichtemission vorgesehene Primärschicht wird so eingestellt, daß ihre Bandabstandenergie Eg kleiner ist als E1. Schließlich wird die für die Lichterfassung vorgesehene Primärschicht so hergestellt, daß ihre Bandabstandenergie E* kleiner ist als die Bandabstandenergie der für die Lichtabgabe vorgesehenen Primärschicht. Diese Erfordernisse lassen sich durch die mathematische Beziehung
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Halbleiterchip im InGaAsP-System hergestellt. Zu Beginn werden auf dem Indiumphosphid substrat zwei zusätzliche Schichten aufgewachsen, um die Ausbildung von Feldeffekttransistoren zu ermöglichen, die zum Erregen der Lichtquelle und zum Verstärken der erfaßten optischen Signale dienen. In anderen Ausführungsformen können die elektrischen Bauelemente aus Schichten bestehen, die als Primar- und Sekundärschichten für den optischen Teil des Halbleiterbauelements verwendet werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße mehrschichtige optische integrierte Schaltung,
Figur 2 eine Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen optischen integrierten Schaltung,
Figur 3 eine Draufsicht auf die in Fig. 2 dargestellte Anordnung,
Figur 4 eine schematische Skizze der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Anordnung,
Figur 5 eine Tabelle der in Fig. 2 dargestellten Halble iterschichten, die die Zusammensetzung jeder dieser Schichten angibt, und
Figur 6 eine Querschnittansicht des Wellenleiterabschnitts des in den Figuren 2 und 3 dargestellten Halbleiterchips.
Figur 1 zeigt ein Halbleiterchip 10, auf dem ein integrierter Großschaltkreis (eine LSI-Schaltung) ausgebildet ist. Wie in Fig. 1 angedeutet ist, kann
ein Feldeffekttransistor 15 dazu verwendet werden, ein Signal des Chips an ein lichtemittierendes Bauelement 16 zu koppeln, welches seinerseits dieses elektrische Signal in ein optisches Signal umwandelt. Das optische Signal wird über einen optischen Wellenleiter (Lichtleiter) 17 auf einen Fotodetektor 18 gegeben. Dieser wiederum liefert ein elektrisches Signal an das Gate eines Feldeffekttransistors 19. Auf diese Weise kann ein elektrisches Signal von dem linken unteren Abschnitt des Halbleiterchips 10 rasch zu dem rechten unteren Abschnitt des Halbleiterchips übertragen werden. Die Kombination von optischen und elektronischen Bauelementen auf einem einzigen Halbleiterbauelement hat im Fachjargon die Bezeichnung "Photonic" erhalten. Ähnliche elektrooptische Kopplungen eines Chipteils mit einem anderen Chipteil können durch weitere Quellen, Lichtleiter und Detektoren in anderen Bereichen des Halbleiterchips 10 vorgesehen sein.
Figur 4 zeigt eine schematische Skizze der durch die Elemente 15 - 19 in Fig. 1 geschaffenen Art von Schaltung. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird ein elektrisches Signal auf das Gate des Feldeffekttransistors gegeben, dessen Source vorgespannt und dessen Drain mittels eines Leiters an eine Leuchtdiode 16 ange-
- Io -
schlossen ist. Das von der Diode 16 erzeugte Licht wird über den Wellenleiter 17 zu einem Fotodetektor 18 übertragen, der ein elektrisches Signal an das Gate eines zweiten Feldeffekttransistors 19 legt. Der Drain des FET 19 ist vorgespannt, während seine Source das Ausgangssignal abgibt, das in dem zweiten Bereich des Halbleiterchips verarbeitet werden kann.
Erfindungsgemäß werden die in Fig. 4 veranschaulichten Funktionen mittels einer in Fig. 2 dargestellten mehrschichtigen, optischen integrierten Schaltung erreicht. Die Herstellung des in Fig. 2 gezeigten Bauelements erfolgt nach Maßgabe der in Fig. 5 enthaltenen Tabelle, wobei von den nachstehend beschriebenen Verfahrensschritten Gebrauch gemacht wird. In wenigen Worten: die Primärschicht 207 wird mit einem Bandabstand hergestellt, der für die Erzeugung optischer Energie geeignet ist. Aufgrund der sich verjüngenden Form der Primärschicht 210 und der darüber befindlichen Mantelschicht 211 des in Fig. 2 dargestellten Bauelements wird ein Teil der optischen Energie von der Schicht 207 in die Schicht 210 eingekoppelt, die ihrerseits als Wellenleiter zwischen zwei Abschnitten der mehrschichtigen
. 33M?.86
optischen integrierten Schaltung dient. Auf der entfernt gelegenen Seite der Primärschicht 210 wird eine ähnliche Verjüngung in der Schicht 210 und der Mantelschicht 211 dazu verwendet, die geleitete optische Energie durch die Schichten des in Fig. 2 gezeigten Bauelements nach unten auf eine Primärschicht 205 abzulenken, die so ausgebildet ist, daß ihr Bandabstand niedriger ist als die beiden anderen Bandabstände, und somit als Detektor für die optische Energie dienen kann. Wie in Fig. 5 angegeben ist, sind die Primärschichten, die für die Lichtabgabe, die Lichterfassung und die Lichtleitung vorgesehen sind, von Sekundärschichten umgeben, die höhere Bandabstandenergien und daher niedrigere Brechungsindizes besitzen.
Die Herstellung des Bauelements beginnt mit dem Aufwachsen der in Fig. 2 gezeigten und in Fig. 5 spezifizierten Epitaxialschichten 202 - 211 auf einem Indiumphosphid-Substrat 201. Die Dotierung, die Dicke und die Zusammensetzung sind in Fig. 5 angegeben. Dieses Aufwachsen kann unter Verwendung üblicher Halbleiter-Wachstumsmethoden unter Einsatz der Flüssigphasenepitaxie durchgeführt werden. Wie in Fig. 5 angegeben ist, besteht der sich ergebende Wafer aus abwechselnden p-leitenden und η-leitenden Schichten und Schicht-
gruppen mit variierender Dicke und variierender chemischer Zusammensetzung, um die unterschiedlichen Bandabstandenergien zu erzielen.
Bei der dargestellten Ausführungsform werden diejenigen Zonen des Bauelements, die für die Lichtabgabe und -erfassung verwendet werden, dann dadurch getrennt, daß durch eine Maske Zink diffundiert wird, um Zonen von η-leitenden Schichten zu schaffen, die vollständig von p-leitendem Material umgeben sind. Diese Zonen aus η-leitendem Material sind vollständig von p-leitendem, wulstförmigem Material umgeben, wie es bei den Zonen 220 und 221 in Fig. 2 dargestellt ist. Die Struktur dieser Zonen ist außerdem in Fig. 3 dargestellt, die eine Draufsicht auf das in Fig. 2 dargestellte Bauelement ist. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, haben die zinkdotierten Zonen im wesentlichen Wulstform und sind bis auf die Tiefe der Pufferschicht 203 eindiffundiert, wie aus Fig. 2 hervorgeht.
Um die Notwendigkeit der nächsten Verfahrensschritte zur Herstellung des Halbleiterchips zu verstehen, ist es nützlich, zunächst ein Merkmal der Erfindung zu verstehen, v/elches sich auf ein besonders Verfahren zum Leiten von Lichtwellen von einem Chipbereich zu einem anderen Chipbereich bezieht. Dieses
·♦ · · β
"besondere Verfahren sieht eine Steghohlleiter-Struktur der in Fig. 6 gezeigten Art vor. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, hat die Schicht 210 im Vergleich zur Schicht 209 endliche Breite, und das Licht wird in der Schicht 210 nur unterhalb desjenigen Bereichs der Schicht 210 geleitet, die von der oberen Mantelschicht 211 bedeckt ist. Um das geleitete Licht auf einen einzelnen Moden zu beschränken, wird als Dicke t der Schicht 210 in der vorliegenden Ausführungsform 0,5 ;um gewählt. Bei der vorliegenden Ausführungsform, bei der die Schichten 209 und 211 aus Indiumphosphid gebildet werden, beträgt der Brechungsindex dieser Schichten etwa 1,35. Verwendet man die Gleichungen aus der Plattentyptheorie der Wellenleiter-Fortpflanzung, so kann man den Brechungsindex der Schicht 210 berechnen, und dieser Index bestimmt die Zusammensetzung der Schicht 210 gemäß Fig. 5. Unter Heranziehung der Gleichungen in dem Artikel von H. W. Kogelnik in dem Buch "Integrated Optics" von T. Tamir, Springer-Verlag 1975, Seiten 23 - 24, läßt sich der Minimalwert der Dicke berechnen, die zu einer Einzelmodenübertragung dieser Art von Wellenleiter führt. Im vorliegenden Fall, in dem die Schichten die in Fig. 5 angegebenen Zusammensetzungen auf-
w v/wu
weisen, beträgt dieser minimale Dickenwert etwa 0,3 Aim. Der Viert für die Breite w der Steg-Mantelschicht 211, die die Ausbreitung auf einen einzelnen Moden beschränkt, läßt sich am besten durch Versuche bestimmen, theoretisch läßt sich jedoch vorhersagen, daß die Breite in den Bereich von 2 - 5 aim fällt.
Mit den oben angegebenen Parametern für die Schichten 209, 210 und 211 kann das Licht aus dem Wellenleiter heraus auf ein niedriger liegendes Niveau des Halbleiterchips abgelenkt werden, indem durch die Schichten 210 und 211 hindurch eine Verjüngung nach unten geätzt wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Wenn die Verjüngung die Schicht 210 vollständig durchschneidet, wird das Licht durch innere Totalreflexion reflektiert. Es sei jedoch bemerkt, daß die Verjüngung nur durch die Schicht 211 und in die Schicht" 210 wenigstens soweit geschnitten zu werden braucht, daß der Einschnitt in die Schicht 210 etwa der Hälfte derjenigen Dicke entspricht, die für eine Einzelmodenfortpflanzung notwendig ist. Die Schicht 210 braucht nur breit genug zu sein, um auf jeder Seite der Schicht 211 eine Zone zu schaffen, die etwa der Breite der Schicht 211 entspricht.
Nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichten gemäß Fig. 2 und Implantieren der zinkdotierten Zonen 220 und 221 kann das Halbleiterchip weiterverarbeitet werden, um die Schichten 210 und 211 mit stegförmigen Strukturen zu versehen, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind. Diese Stegwellenleiter-Streifen für die Schichten 210 und 211 werden dadurch hergestellt, daß mittels Fotolithographie die Streifenbereiche maskiert und die Schichten 210 und 211 dann unter Verwendung einer Kombination aus reaktivem Ionenplasmaätzen oder chemischem Ätzen geätzt werden. Dann wird mit einer weiteren fotolithographischen Behandlung der gesamte Wafer mit Ausnahme der in der Nähe der Spitzen der Lichtleiterstreifen gelegenen Bereiche maskiert. Durch chemisches Ätzen wird dann ein sich verjüngendes Ende der Schichten 210 und 211 und damit eine optische Kopplung zwischen den Spitzen des Lichtleiters und der darunterliegenden Quellen- und Detektorschichten geschaffen.
Aufgrund der Bandabstanddifferenz der verschiedenen Schichten ist es möglich, selektive Ätzmittel zu verwenden, die durch einen Typ von Schichten schnell hindurchätzen und bei Erreichen der nächsten Schicht
beträchtlich langsamer ätzen. Es gibt mehrere Literaturstellen, derer sich der Bauelementhersteller bei der Durchführung dieser Verfahrensschritte bedienen kann. Man vergleich=beispielsweise J. Electrochem. Soc: Solid-State Science and Technology, Vol. 126, No. 2, Februar 1979, "Material-Selective Chemical Etching in the System InGaAsP/lnP" von S. B. Phatak u. a., Seiten 287-292; Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 19, No. 1, Januar 1980, "Chemical Etching of InP and GaInAsP For Fabricating Laser Diodes and Integrated Optical Circuits," von T» Kambayas u. a., Seiten 79 - 85\ J. Electrochem. Soc*: Solid State Science, Vol. 118, No. 5, Mai 1971, "Selective Etching of Gallium Arsenide Crystals in -H2O2-H2O System," von.S. Lida, Seiten 768-771.
Dann werden mittels einer fotolithographischen Maske sämtliche Bereiche mit Ausnahme derjenigen Bereiche abgedeckt, v/o die nächste Schicht 209 in Fig. 2 entfernt v/erden soll. Die Schichten 209, 210 und 211 werden dann dort entfernt, v/o sie belichtet sind. Dann wird eine neue fotolithographische Maske dazu verwendet, sämtliche Bereiche abzudecken, mit Ausnahme derjenigen Bereiche, v/o die nächste Schicht, 208 in Fig. 2, entfernt werden soll. Anschließend, wird die Schicht 208 dort fortgeätzt, wo sie belichtet wurde.
Dieser Vorgang wird für die übrigen Schichten 207 bis 202 in Fig. 2 wiederholt.
Dann wird über dem Wafer eine isolierende dielektrische Schicht 231, z. B. eine 300 nm dicke SiO-Schicht niedergeschlagen und mittels einer fotolithographischen Maske mit Ausnahme derjenigen Stellen abgedeckt, an denen Löcher zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichten an den durch die vorausgehenden Ätzschritte freigelegten Punkten erwünscht sind. Diese Löcher werden in das Dielektrikum eingeätzt, und über dem V/afer werden metallische Leiterschichten 212 und 213 aufgedampft (die Leiterschichten 212 und 213 bestehen aus einer Zusammensetzung von 100 nm Chrom und 400 nm Gold). Dann wird eine fotolithographische Maske dazu verwendet, die für die elektrische Verbindung verwendeten Metallstreifen abzudecken, und das Metall außerhalb dieser Streifen wird fortgeätzt.
Dann wird der V/afer wärmebehandelt (legiert), um den ohmschen Kontakt zwischen Metall und Halbleiter zu verbessern. Die einzelnen Chips v/erden schließlich getrennt und in Gehäusen untergebracht.
Die obige Beschreibung bezog sich lediglich auf ein anschauliches Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es sind verschiedene Abwandlungen möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. So beispielsweise kann die obere Mantelschicht 211 speziell in solchen Fällen völlig fortgelassen werden, in denen die Primär-Leitschicht 210 zum Leiten von mehr als einem einzelnen Moden dienen soll. In diesen Fällen kann die Primärschicht 210 freiliegen oder von einer Oxidschicht 231 bedeckt sein.
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Claims (8)

  1. BLUMBACH . WESER.^BERGEN/KRAMER ZWIRNER · HOFFMANN
    PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
    Patentconsult Radedcestraße 43 8C00 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger SlraOe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult
    Western Electric Company COPELAND
    Incorporated
    New York N. Y.
    Patentansprüche
    (lj. Elektrooptisches integriertes Bauelement, mit einem Substrat, auf dem mehrere Epitaxialschichten aufgewachsen sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß wenigstens drei der Epitaxialschichten Primärschichten (205, 207, 210) sind, von denen eine erste Primärschicht (205) mit einem für optische Erfassung geeigneten Bandabstand, eine zweite Primärschicht (207) mit einem für die Erzeugung von Licht, das von der ersten Primärschicht erfaßt werden kann, geeigneten, größeren Bandabstand, und eine dritte Primärschicht (210) mit einem Bandabstand aufgewachsen wird, der größer ist als der Bandabstand der ersten und der zweiten Primärschicht,
    München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dlpl.-Phys. Dr. rer. nat. . E. Hoffmann Dlpl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr jur.Dipl.-Ing., Pat.-A«., Pot.-Anw.bis 1979 · G. Zwirnor Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
    OGUUOOO
    • · ■· · m W * «t * to <j
    daß mindestens zwei Zonen (220, 221) der Schichten elektrisch getrennt sind, daß eine erste Elektrodenanordnung (213) zum Schaffen einer elektrischen Verbindung mit der ersten Primärschicht in einer der zwei Zonen, und eine zweite Elektrodenanordnung (212) zum Schaffen einer elektrischen Verbindung mit der zweiten Primärschicht in einer zweiten der mindestens zwei Zonen vorgesehen sind, und daß die erste, die zweite und die dritte Primärschicht wenigstens eine Barrierenschicht (206, 209) zwischen benachbarten Primärschichten besitzen, deren Bandabstand größer ist als jeder der benachbarten Primärschichten.
  2. 2. Bauelement nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die erste Primärschicht die dem Substrat (201) am nächsten gelegene Primärschicht ist, und daß die dritte Primärschicht die von dem Substrat am weitesten entfernte Primärschicht ist.
  3. 3. Bauelement nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß mehrere Epitaxialschichten eine als Steg über der dritten Primärschicht ausgebildete Streifenschicht aufweisen, deren Breite derart ausgewählt ist, daß
    das in der dritten Primärschicht geleitete Licht auf eine vorbestimmte Anzahl von Moden begrenzt wird.
  4. 4. Bauelement nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Streifenschicht und die dritte Primärschicht an wenigstens einem Punkt in eine Verjüngung auslaufen, die zur Ablenkung des in der dritten Primärschicht geleiteten Lichts in Richtung auf die unteren Epitaxialschichten des elektrooptischen integrierten Bauelements führt.
  5. 5. Bauelement nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die wenigstens zwei Zonen dadurch elektrisch getrennt sind, daß in die Epitaxialschichten des Bauelements ein Dotierstoff eindiffundiert ist, und daß die Verjüngung, die die Streifenschicht und die dritte Primärschicht abschließt, innerhalb wenigstens einer der zwei Zonen liegt.
  6. 6." Bauelement nach einem der Ansprüche 1-5, dadurqh gekennzeichnet,
    daß sich das Substrat in erster Linie aus Indium und Phosphor zusammensetzt, und daß sich die Epitaxialschichten in erster Linie aus Elementen zusammensetzen, die aus der Gruppe Indium, Phosphor, Gallium und Arsen ausgewählt sind.
  7. 7. Bauelement nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die auf dem Substrat aufgewachsenen Epitaxial-, schichten wenigstens zwei dem Substrat benachbarte Epitaxialschichten aufweisen, die mit einem solchen Dotierungsverlauf aufgewachsen sind, daß sie sich für die Herstellung von elektrischen Bauelementen eignen.
  8. 8. Bauelement nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die dem Substrat benachbarten Epitaxialschichten wenigstens eine' Schicht enthalten, die so aufgewachsen ist, daß eine Eigenleitungsdotierung geschaffen wird.
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