DE3724634C2 - Elektro-optisches Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektro-optisches Bauelement der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.

In der optischen Nachrichtentechnik mit Monomodefasern für die Übertragungswege und auch für optische Signalverarbeitungssysteme gewinnen Bauelemente der integrierten Optik zunehmend an Bedeutung. Für die Beeinflussung von Signalen im optischen Bereich mittels elektrischer Steuersignale findet der elektro-optische Effekt Anwendung, d. h. es werden in Bauelementen der integrierten Optik elektrische Felder erzeugt, die sich auf die Ausbreitungseigenschaften der geführten Lichtwellen auswirken. Dazu sind Materialien mit entsprechenden optischen und/oder elektrischen Eigen­ schaften erforderlich und konstruktive Gesichtspunkte zu berücksichtigen.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist der DE 28 34 344 A1 zu entnehmen. Bei einem dort beschriebenen optoelektronischen Bauteil, dessen Substrat aus einem an Sauerstoff gesättigten Basismaterial, z. B. LiNbO₃ oder LiTaO₃, besteht, sind dort befindliche Lichtleiter mit ihrer Oberfläche an der Substratoberfläche ausgebildet. Zur Erzeugung elektrischer, die Lichtleiter durchdringender Felder dienen auf der Substratoberfläche abgeschiedene Elektroden. Mit sogenannten "koplanaren" oder "flankierenden" Elektroden lassen sich parallel zur Substratoberfläche verlaufende elektrische Felder, mit sogenannten "bedeckenden" Elektroden auf der Oberseite und zugeordneten Gegenelektroden auf der entgegengesetzten, d. h. der Unterseite des Substrats senkrecht zur Sub­ stratoberfläche verlaufende elektrische Felder erzeugen. Diese beiden Arten von Elektrodenanordnungen haben unter­ schiedliche Vorzüge, die eine Art mehr bezüglich der elektronischen, die andere Art mehr bezüglich der opti­ schen Funktionsweise eines solchen Bauelements.

Dort, wo außer erzielbaren elektronischen Vorzügen auch die optischen Eigenschaften verbessert werden sollen, sind weitere Maßnahmen zu ergreifen.

Aus "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 20, No. 4, April 1981, Seiten 733 bis 737 ist es beispielsweise bekannt, die Gleichstromdrift in Komponenten aus Lithiumniobat (LiNbO₃) mit optischen Wellenleitern für geringe Schaltgeschwindigkeiten zu verringern. Zwischen den Wellenleitern in einem LiNbO₃-Substrat und diese bedeckenden Elektroden aus Aluminium soll eine Puf­ ferschicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) in einer Dicke von etwa 3000 Å = 300 nm vorgesehen werden. Eine Verringerung der Kurzzeitdrift soll sich durch Entfernung der Pufferschicht zwischen den Elektroden erreichen lassen; für eine Verminderung der auf dem Photorefraktiv-Effekt beruhenden Langzeitdrift kommen Behandlungen der Kristalloberfläche und/oder die Anwendung starker elektrischer Felder in Betracht, um überschüssige, auf­ grund des Photoeffekts angeregte freie Ladungsträger abzuführen.

Eine Trennung zwischen einem optischen Wellenleiter und einer Elektrode bei einem Mach-Zehnder-Modulator durch eine Pufferschicht aus Indium - Zinn - Oxid (indium tin oxide = ITO) ist aus "Appl. Phys. Lett." 47 (3), 1. August 1985, Seiten 211 bis 213 bekannt. Hierbei handelt es sich um optisch transparentes, elektrisch leitendes Material, durch das die Langzeitdrift auf elegantere und effektivere Weise als nach dem oben genannten Vorschlag verringert werden kann.

Bezüglich der optischen Eigenschaften ist bei solchen Schichtfolgen zu beachten, daß die optische Brechzahl der bedeckenden Schicht kleiner sein muß als die des Wellenleiters. Schlechte dielektrische Eigenschaften wirken sich als Drift auf die Stabilität der Bauele­ mente aus.

Im Vergleich zu SiO- oder SiO₂-Schichten auf LiNbO₃ haben ITO-Schichten folgende Vorteile:

• - es treten keine Drifterscheinungen durch Ionenleitung auf;
• - derartige elektrisch leitende Pufferschichten führen zu keinem spürbaren Feldverlust, da keine zusätzlichen kapazitiven Belastungen gebildet werden, d. h. es rei­ chen für die elektro-optische Steuerung geringe Span­ nungen, etwa 50% bis 70%, aus.
• - die verhältnismäßig hohe Brechzahl ermöglicht eine Symmetrisierung vergrabener Wellenleiter, d. h. das Medium oberhalb eines solchen Wellenleiters hat etwa dieselbe Brechzahl wie die des Substrats, das den Wellenleiter ansonsten umgibt.

Demgegenüber haben jedoch Schichten aus optisch trans­ parentem, elektrisch leitendem Material, insbesondere ITO-Schichten, folgende Nachteile:

• - für hohe Schaltgeschwindigkeiten sind infolge der Leitfähigkeit, die geringer ist als bei Metallen, Elektroden allein aus derartigem Material nicht besonders gut geeignet;
• - wird dabei jedoch zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften eine zusätzliche Metallisierung aufge­ bracht, muß die Pufferschicht wegen der relativ hohen Brechzahl des optisch transparenten, elek­ trisch leitenden Materials mit beachtlicher Dicke ausgeführt werden, um die optische Dämpfung gering zu halten. Außerdem ergeben sich bei dicken Pufferschichten Probleme bei der Struktu­ rierung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der oben genannten Nachteile von Schichten aus optisch transparentem, elektrisch leitendem Material dessen Vorteile für die Ausbildung von Elektroden elektro-optischer Bauelemente auszunutzen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebene technische Lehre. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend mit ihren Vorzügen anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigen schematisch:

Fig. 1 die Struktur für ein Interferome­ ter, also eines elektro-optischen Bauelements mit teilweise bedecken­ den, teilweise flankierenden Elek­ troden, in Draufsicht, jedoch ohne obere Passivierungsschicht;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang "A-A" gemäß Fig. 1, d. h. durch ein Bau­ element mit flankierenden Elektro­ den; und

Fig. 3 einen Querschnitt entlang "B-B" gemäß Fig. 1, d. h. durch ein Bauele­ ment mit bedeckenden Elektroden.

Fig. 1 zeigt die Struktur eines Inferometers, eine allgemeine Form eines elektro-optischen Bauelements insofern, als dort sowohl flankierende als auch bedeckende Elektroden zur Erzeugung von horizontal bzw. vertikal verlaufenden elektrischen Feldern benötigt werden. Mit diesen elektrischen, senkrecht zur Längsachse der Lichtwellenleiter verlaufenden Feldern lassen sich die geführten Lichtwellen beispielsweise hinsichtlich ihres Polarisationszustandes oder ihrer Phasenlage beeinflussen.

In den Fig. 1 bis 3 sind die im Substrat vergrabenen Lichtwellenleiter mit 1 und die auf dem Substrat abgelagerten strukturierten Schichten aus dem optisch transparenten, elektrisch leitenden Material mit 2, Metallschichten mit 3 und eine Passivierungsschicht mit 4 bezeichnet.

Die eingangs erwähnten Probleme bei der Ausbildung von Elektrodenflächen von elektro-optischen Bauelementen ergeben sich hauptsächlich im Zusammenhang mit bedeckenden Elektroden. Bei integrierten elektro-op­ tischen Bauelementen müssen jedoch auch für Strukturen mit flankierenden Elektroden dieselben technologischen Maßnahmen zur Anwendung kommen können wie für Ausbildungen mit bedeckenden Elektroden. Außerdem ist es für die elektrische Funktion günstig, auch bei flankierenden Elektroden die Randbereiche eines Wellen­ leiters etwas abzudecken, um mit geringeren Steuerspan­ nungen arbeiten zu können.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, der für beide Ausbildungsformen von Elektrodenflächen gleichermaßen wirksam wird, besteht darin, daß eventuelle Unterbre­ chungen z. B. Mikrorisse in der Schicht 2 aus dem optisch transparenten, elektrisch leitenden Material von der darüber befindlichen Metallschicht 3 überbrückt werden. Der Fall, daß auch die Metallschicht 3 an der­ selben Stelle defekt sein sollte, ist sehr unwahrschein­ lich.

Bei den flankierenden Elektroden, deren Ausbildung der Fig. 1 im linken Teil und der Fig. 2 entnommen werden kann, handelt es sich um zwei Elektrodenpaare für jeden der beiden Lichtwellenleiter 1; die Elektroden der beiden Paare mit demselben Potential sind zu einer gemeinsamen, zwischen den beiden Wellenleitern 1 liegenden Fläche zusammengefaßt. Die Elektroden bestehen jeweils zunächst aus der optisch transparenten, elektrisch leitenden Schicht 2, die bis in die Randzonen des betreffenden Lichtwellenleiters 1 reicht. Die darüber befindliche, niederohmige Zuleitung wird von der Metallschicht 3 gebildet und liegt mit ihrer Begrenzung zum Lichtwellenleiter 1 hin von diesem etwas weiter ab, bedeckt dort jedenfalls nicht die Schicht 2. Diese Begrenzung der Metallschicht 3 unterliegt nur geringen Genauigkeitsanforderungen. Im linken Teil der Fig. 1 sind entlang der Schnittlinie "A-A" vom oberen zum unteren Teil der Figur in der Draufsicht sichtbar (vgl. auch Fig. 2):

• - oberer Bereich:
  Substrat - Metallschicht 3 (bedeckt optisch transpa­ rente, elektrisch leitende Schicht 2 großflächig, jedoch nicht vollständig) - optisch transparente, elektrisch leitende Schicht 2 (nicht von Metallschicht 3 bedeckter, hingegen eine der Randzonen des Wellenleiters 1.1 be­ deckender Bereich) - Wellenleiter 1.1;
• - mittlerer Bereich:
  Wellenleiter 1.1 - optisch transparente, elektrisch leitende Schicht 2 (nicht von Metallschicht 3 bedeck­ ter, hingegen die andere der Randzonen des Wellenlei­ ters 1.1 bedeckender Bereich) - Metallschicht 3 (bedeckt optisch transparente, elektrisch leitende Schicht großflächig, jedoch nicht vollständig) - optisch transparente, elektrisch leitende Schicht 2 (nicht von Metallschicht 3 bedeckter, hingegen eine der Randzonen des Wellenleiters 1.2 bedeckender Bereich) - Wellenleiter 1.2;
• - unterer Bereich:
  Wellenleiter 1.2 - optisch transparente, elektrisch leitende Schicht 2 (nicht von Metallschicht 3 bedeckter, hingegen die andere der Randzonen des Wellenleiters 1.2 bedeckender Bereich) - Metallschicht 3 (bedeckt optisch transparente, elektrisch leitende Schicht 2 großflächig, jedoch nicht vollständig) - Substrat.

Hiervon unterscheidet sich die Ausbildung bedeckender Elektroden, wie aus dem rechten Teil der Fig. 1 und aus Fig. 3 erkennbar ist. Direkt oberhalb der Wellenlei­ ter 1 befindet sich lediglich die optisch transparente, elektrisch leitende Schicht 2. Die metallische Schicht 3 liegt optisch außerhalb wellenleitender Bereiche 1. Dies reicht als Potentialfläche für die Erzeugung vertikal verlaufender elektrischer Felder - wie eine metallische Schicht - völlig aus, bewirkt indes keine optische Dämpfung, so daß die Vorzüge dieses Materials ohne dessen Nachteile - wie eingangs erwähnt - zur Geltung kommen können.

Entlang der Schnittlinie "B-B" der Fig. 1 von ihrem oberen Teil zum unteren hin folgend, vgl. auch Fig. 3, sind in Draufsicht sichtbar:

• - oberer Bereich:
  Substrat - Metallschicht 3 (bedeckt optisch transpa­ rente, elektrisch leitende Schicht 2 großflächig, jedoch nicht vollständig) - optisch transparente, elektrisch leitende Schicht 2 (nicht von Metallschicht 3 bedeckter, hingegen Wellenleiter 1.1 bedeckender Bereich) - Sub­ strat;
• - mittlerer Bereich:
  Substrat - Metallschicht 3 (bedeckt optisch transpa­ rente, elektrisch leitende Schicht 2 großflächig, jedoch nicht vollständig) - optisch transparente, elektrisch leitende Schicht 2 (nicht von Metallschicht 3 bedeck­ ter, hingegen Wellenleiter 1.2 bedeckender Bereich) - Substrat;
• - unterer Bereich:
  Substrat - Metallschicht 3 (bedeckt optisch transparen­ te, elektrisch leitende Schicht 2 großflächig, gegebe­ nenfalls vollständig) - Substrat (bzw. optisch transpa­ rente, elektrisch leitende Schicht 2).

Von den Anschlußfahnen zu den Elektrodenflächen führende Metallbahnen müssen die Wellenleiter 1 kreuzen, wenn derartige Kreuzungen nicht mittels Bonddrähten umgangen werden. Die Stege der Metall­ schichten 3 an solchen Kreuzungsstellen mit Lichtwel­ lenleitern 1 lassen sich jedoch ausreichend schmal ausbilden, so daß ihre elektrische Funktion voll erfüllt werden kann, ohne die optische Wirkung, d. h. die Dämpfung der geführten Lichtwellen, spürbar zu beeinflussen, wozu auch an solchen Kreuzungsstellen ohnehin vorhandene und großflächiger als die Metallbahnen ausgebildete Endbereiche von Schichten 2 wesentlich beitragen.

Als Substratmaterial ist bislang Lithiumniobat - LiNbO₃ - für elektro-optische Bauelemente am weitesten verbreitet. Es kommen jedoch durchaus auch andere di­ elektrische Materialien, insbesondere Lithiumtantalat - LiTaO₃ - sowie Polymere bei der auf diesem technischen Gebiet rasch voranschreitenden Entwicklung in Betracht.

Bezüglich des optisch transparenten, elektrisch leiten­ den Materials liegen hingegen schon umfangreiche Erfahrungen und Erkenntnisse aus der Solarzellentechno­ logie vor, auf die hier zurückgegriffen werden kann. Beispielsweise ist Cadmiumoxid - CdO - infolge seiner Toxizität und auch wegen der sehr hohen Brechzahl weni­ ger gut geeignet als "ITO", dem für Ausführungsformen der Erfindung deshalb der Vorzug gegeben wird.

Hinsichtlich der niederohmigen Zuführungen sind für die Auswahl von Materialien für metallische Schichten 3 für Ausführungsformen der Erfindung hauptsächlich technolo­ gische Gesichtspunkte ausschlaggebend. Der Preis des Ma­ terials und der elektrische Widerstand sind in die Über­ legungen bei der konstruktiven Gestaltung der "Mehr­ schicht-Elektroden" einzubeziehen.

Ähnlich verhält es sich mit der Auswahl des Materials für die Haftschicht zwischen der Schicht 2 aus optisch transparentem, elektrisch leitendem Material und der metallischen Schicht 3. Hierfür werden derzeit Chrom - Cr - und Titan - Ti - bevorzugt.

Mehrschicht-Elektroden lassen sich bei Ausfüh­ rungsformen der Erfindung beispielsweise durch zwei Maskie­ rungsprozesse ausbilden. Dabei werden jedoch nur im ersten Maskie­ rungsschritt für die Erzeugung der Schicht 2 verhältnis­ mäßig hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt. Mit der zweiten Maskierung erfolgt sowohl die Ausbildung der Haftschicht als auch der metallischen Schicht 3. Die Strukturen der Schichten 2 und 3 werden vornehmlich nach der Lift-off-Methode gebildet.

Zum Schutz gegen äußere Einwirkungen, z. B. gegen Ein­ dringen von Feuchtigkeit und ähnliches, werden die Bau­ elemente schließlich mit einer Passivierungsschicht 4 versehen.

Claims (8)

1. Elektro-optisches Bauelement, das ein Substrat mit in oberflächennahen Schichten ausgebildeten wellenleitenden Bereichen und diese flankierende oder bedeckende Elektroden aufweist, gekennzeichnet durch einen Aufbau der Elektroden aus

• - einer strukturierten Schicht (2) eines optisch transpa­ renten, elektrisch leitfähigen Materials in einer Dicke im 100 nm Bereich, welche das Substrat großflächig und wellen­ leitende Bereiche (1) zumindest an deren Randzonen bedeckt, und
• - aus einer zumindest über solchen Randzonen der optisch transparenten, elektrisch leitfähigen Schicht (2) befindlichen, strukturierten metallischen Schicht (3) als elektrische Zuleitung, deren Begrenzungen zu wellenlei­ tenden Bereichen (1) hin weiter ab von diesen liegen.

2. Elektro-optisches Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Lithiumniobat - LiNbO₃ - als Substratmaterial.

3. Elektro-optisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Indium-Zinn-Oxid - ITO - als optisch transparentes, elek­ trisch leitendes Material (2).

4. Elektro-optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Gold - Au - als Material für niederohmige Zuleitungen und eine metallische Haftschicht zwischen dem optisch transparenten, elektrisch leitenden Material (2) und dem Gold.

5. Elektro-optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Aluminium - Al - als Material für niederohmige Zuleitungen und eine metallische Haftschicht zwischen dem optisch transparenten, elektrisch leitenden Material (2) und dem Aluminium.

6. Elektro-optisches Bauelement nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch Titan - Ti - als Material für die metallische Haftschicht zwischen dem optisch transparenten, elektrisch leitenden Material (2) und der Materialschicht für niederohmige Zuleitungen.

7. Elektro-optisches Bauelement nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch Chrom - Cr - als Material für die metallische Haftschicht zwischen dem optisch transparenten, elektrisch leitenden Material (2) und der Materialschicht für niederohmige Zuleitungen.

8. Elektro-optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch wellenleitende Bereiche (1) mit teilweise bedeckenden, teilweise flankierenden Elektroden.