DE3815293A1 - Dreidimensional angeordnete wellenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von mehreren Wellenleitern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Anordnung von Wellenleitern ist für optische Datenübertragungen geeignet. Die gestapelten Wellenleiter sind in dreidimensionale und zweidimensionale, optische und optoelektronische Schaltungen integrierbar.

Wellenleiter, die in einer Ebene angeordnet sind, sind u. a. aus einer Veröffentlichung von H. Inoue et. al. in Optoelectronics, Vol. 1 (2), 137 (1986) bekannt.

Die konventionelle ebene Anordnung insbesondere von mehreren Wellenleitern hat den Nachteil, daß sie einen hohen Platzbedarf erfordert. Häufig ist eine planare Bauweise von integrierten Schaltungen nicht möglich. Die Begrenzung der zu übertragenden Wellen auf die wellenführende Halbleiterschicht ist bei einem herkömmlichen, ebenen Aufbau der Wellenleiter sehr schwierig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung von mehreren Wellenleitern anzugeben, die eine abhörfreie und störungsfreie Datenübertragung gewährleistet und bei der eine hohe Packungsdichte von Wellenleitern möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß durch eine dreidimensionale Anordnung von Wellenleitern eine hohe Packungsdichte erreicht wird und eine planare Bauweise von optischen und optoelektronischen Schaltungen möglich ist. Weiterhin ist durch den Einbau von Zwischenschichten zwischen die jeweiligen wellenführenden Halbleiterschichten, die einen hohen Brechungsindexsprung zur wellenführenden Halbleiterschicht bewirken, ein Übersprechen der optischen Signale gering.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert.

In Fig. 1 und Fig. 2 sind unterschiedliche Schichtenfolgen und deren Brechungsindexverlauf dargestellt, die für eine dreidimensionale Anordnung von Wellenleitern geeignet sind.

In Fig. 3, Fig. 4 und Fig. 5 sind verschiedene Möglichkeiten zur seitlichen Begrenzung der wellenführenden Halbleiterschichten von dreidimensional angeordneten Wellenleitern dargestellt.

Gemäß Fig. 1 besteht eine beispielhafte Schichtenfolge aus einer alternierenden Folge von Schichten aus einem Material mit großem Bandabstand und einer Halbleiterschicht mit kleinerem Bandabstand, die übereinander epitaktisch aufgewachsen sind. Da die Halbleiterschichten mit kleinem Bandabstand einen größeren Berechnungsindex n als die Schichten mit großem Bandabstand besitzen, bilden diese Halbleiterschichten die wellenführenden Halbleiterschichten 2 n, n=1, 2, 3, 4 . . ., und die Schichten aus einem Material mit großem Bandabstand die wellenbegrenzenden Schichten 1 a . . . 2 n+1, n=1, 2, 3, 4 . . . Die Intensität der Welle, die sich in den wellenführenden Halbleiterschichten 2 n ausbreitet, sollte möglichst schnell in den wellenbegrenzenden Schichten 1 a . . . 23 n+1 abklingen. Dies erfordert bei einheitlicher Zusammensetzung der wellenbegrenzenden Schichten, z. B. aus halbisolierendem InP, eine Schichtdicke von 0,5 µm bis 1,5 µm, je nach Materialzusammensetzung und Schichtdicke der wellenführenden Halbleiterschicht 2 n. Je dicker die wellenbegrenzenden Schichten 1 a . . . 2 n+1 sind, desto geringer ist ein Übersprechen der optischen Signale. Werden in den benachbarten, wellenführenden Halbleiterschichten 2 n-2, 2 n, 2 n+2 Wellen verschiedener Wellenlänge λ und/oder zeitversetzte Wellenpakete geführt, so ist die gegenseitige Störung der Wellen viel geringer als bei gleichartigen und gleichzeitigen Wellen. Die Schichtdicken der wellenbegrenzenden Schichten 1 a . . . 2 n+1 können deshalb weniger als 0,5 µm betragen.

Die wellenbegrenzenden und wellenführenden Schichten sind z. B. aus einem Halbleitermaterial der gleichen Materialgruppe aufgebaut. Beispielsweise bestehen die wellenführenden Schichten aus In _x Ga₁_-x As _y P₁_-y oder GaAs und die wellenbegrenzenden Schichten aus InP bzw. Ga _x Al₁_-x As oder aber die wellenführenden Schichten sind aus Hg _x Cd₁_-x Te und die wellenbegrenzenden Schichten aus CdTe aufgebaut. Weiterhin können die wellenführenden Halbleiterschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Etwa im Falle von In _x Ga₁_-x As _y P₁_-y gilt für die wellenführenden Halbleiterschichten 2 n, 2 n-2 für die Materialanteile x, y die Beziehung x _2n , y _2n , x _2n-2. Auch die Schichtdicken und die Dotiermaterialien können unterschiedlich sein. Für die wellenführenden Halbleiterschichten werden undotierte oder möglichst gering dotierte Halbleitermaterialien verwendet, da undotierte Halbleitermaterialien einen größeren Brechungsindex n als dotierte Halbleitermaterialien besitzen. Die wellenbegrenzenden Halbleiterschichten sind entweder hochdotiert oder aus halbisolierendem Halbleitermaterial aufgebaut. Außerdem können sich die wellenbegrenzenden Halbleiterschichten 2 n+1, 2 n-1 sowohl in der Materialzusammensetzung als auch in der Schichtdicke unterscheiden.

Um einen möglichst großen Brechungsindexsprung zwischen wellenführenden und wellenbegrenzenden Schichten zu erreichen, ist es vorteilhaft, die wellenbegrenzenden Schichten aus einkristallinen Fluoriden aufzubauen, deren Gitterabstände annähernd den Gitterabständen der wellenführenden Halbleiterschichten entsprechen. Beispielsweise sind einkristalline Isolatorschichten CaF₂ oder Ba _x Sr₁_-x F₂ an GaAs oder HgCdTe-Schichten anpaßbar. Der Vorteil von isolierenden, wellenbegrenzenden Schichten 1 a . . . 2 n+1 besteht darin, daß die Isolatoren wesentlich geringere Brechungsindizes von etwa n=1,4-1,5, verglichen mit den III/V-Halbleitermaterialien von ca. n=3,5, besitzen. Der Brechungsindexsprung Δ n zwischen isolierenden Schichten und wellenführenden Halbleiterschichten beträgt Δ n∼2. Sind die wellenführenden und wellenbegrenzenden Schichten aus gleichartigen Halbleitern aufgebaut, so beträgt der Brechungsindexsprung lediglich Δ n∼0,1-0,5.

Eine ungestörte Übertragung von verschiedenen Wellen in einer dreidimensionalen Wellenleiterstruktur ist insbesondere durch die Verwendung von einkristallinen Fluoriden als isolierende, wellenbegrenzende Schichten 2 n+1 gegeben, die zwischen den wellenführenden Halbleiterschichten lückenlose Mischkristallschichten bilden.

In der dreidimensionalen Wellenleiterstruktur gemäß Fig. 1 können die wellenführenden Halbleiterschichten 2 n auch aus unterschiedlichen Materialgruppen aufgebaut sein. Beispielsweise besteht die Schicht 2 aus GaAs, die Schicht 4 aus InGaAsP und die Schicht 6 aus HgCdTe. Dadurch ist es möglich, daß in Schicht 2 Wellen der Wellenlänge λ₂=0,8 µm, in der Schicht 4 Wellen der Wellenlänge λ₄=1,3 µm und in der Schicht 6 Wellen der Wellenlänge g₆=10 µm geführt werden. Beispielsweise ist durch eine graduelle Änderung der x-Anteile in o. g. tenären Fluoridschichten eine Anpassung an die unterschiedlichen Gitterparameter der verschiedenen Halbleiter möglich. Zum Beispiel besteht die wellenbegrenzende Schicht 3 aus einer Ca _x Sr₁_-x F₂/Ba _y Sr₁_-y F₂-Schicht, wobei der x-Wert von der GaAs-Schicht 2 zur InGaAsP-Schicht 4 abnimmt und der y-Wert zunimmt; die wellenbegrenzende Schicht 5 besteht z. B. aus Ba _z Sr₁_-z F₂, wobei der z-Wert von der InGaAsP-Schicht 4 zur HgCdTe-Schicht 6 zunimmt. Die Schichtdicken der wellenführenden Halbleiterschichten sind in der Größenordnung der Wellenlängen λ der zu führenden Wellen.

Die in Fig. 2 dargestellte dreidimensionale Wellenleiterstruktur unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten dreidimensionalen Wellenleiterstruktur dadurch, daß eine erste hochdotierte, leitende Halbleiterschicht 2 na zwischen die wellenführende Halbleiterschicht 2 n und die wellenbegrenzende Schicht 2 n-1 und/oder daß eine zweite hochdotierte, leitende Halbleiterschicht 2 nb zwischen die wellenführende Halbleiterschicht 2 n und die wellenbegrenzende Schicht 2 n+1 epitaktisch gewachsen ist (n=1, 2, 3 . . .). Die hochdotierten, leitenden Halbleiterschichten 2 a, 2 b . . . 2 na, 2 nb besitzen vorzugsweise einen größeren Bandabstand als die wellenführenden Halbleiterschichten 2, 4 . . . 2 n. Dadurch und durch die höhere Dotierung wird die Wellenführung in den Halbleiterschichten 2, 4 . . . 2 n verbessert. Beispielsweise besteht die wellenführende Halbleiterschicht 2 n aus GaAs, die daran angrenzende erste und zweite leitende Halbleiterschicht 2 na, 2 nb aus n ⁺⁺-dotiertem Ga_0,8Al_0,2As und die wellenbegrenzenden Schichten 2 n+1, 2 n-1 aus halbisolierendem Ga_0,5Al_0,5As. Weiterhin sind alle vorher für die Wellenleiterstruktur gemäß Fig. 1 beschriebenen Materialkombinationen für den Schichtaufbau gemäß Fig. 2 geeignet. Außerdem kann je nach Schichtaufbau lediglich einseitig eine hochdotierte Halbleiterschicht 2 na oder 2 nb zwischen die wellenführende Halbleiterschicht 2 n und die wellenbegrenzende Schicht 2 n-1 oder 2 n+1 gewachsen werden.

Damit die Wellen seitlich entlang jedes Wellenleiters begrenzbar sind, muß der Berechnungsindex in der wellenführenden Schicht seitlich abnehmen. Beispielsweise ist gemäß Fig. 3 in einem Halbleiterkörper 1, etwa in ein einkristallines Substrat oder in eine einkristalline Halbleiterschichtfolge, ein Graben geätzt, dessen Wände mit einem Dielektrikum 8, z. B. SiO₂, beschichtet sind. Der Boden des Grabens besteht aus einkristallinem Halbleitermaterial. Mit selektiver Epitaxie wird die oben beschriebene dreidimensionale Wellenstruktur aus zwei wellenführenden Halbleiterschichten 2, 4, die durch die wellenbegrenzenden Schichten 1 a, 3, 5 getrennt sind, im Graben aufgewachsen. Die seitliche Begrenzung der Wellenleiter kommt dadurch zustande, daß das Dielektrikum 8, z. B. SiO₂, mit dem die Grabenwände beschichtet sind, einen wesentlich kleineren Berechnungsindex besitzt als das Halbleitermaterial der wellenführenden Schichten 2, 4. Der horizontale Berechnungsindexverlauf (Richtung BB′) innerhalb des Grabens ist im unterem Teil der Fig. 3 dargestellt. Ist jedoch der Graben in ein beispielsweise halbisolierendes InP- oder CdTe-Substrat geätzt, dessen Bandabstand merklich größer ist als der Bandabstand der wellenführenden Halbleiterschichten 2, 4 aus InGaAsP oder HgCdTe, so kann auf die Beschichtung der Grabenwände mit einem Dielektrikum verzichtet werden.

In Fig. 4 ist eine weitere Möglichkeit zur seitlichen Begrenzung einer dreidimensionalen Wellenleiterstruktur angegeben. In einer Schichtenfolge aus beispielsweise zwei wellenführenden Halbleiterschichten 2, 4, die in wellenbegrenzenden Schichten 1 a, 3, 5 eingebettet sind, sind zwei Gräben im Abstand der gewünschten Breite der Wellenleiter eingeätzt. Die Gräben sind entweder vollständig mit einem Dielektrikum gefüllt oder gemäß Fig. 4 mit einem Dielektrikum 8 beschichtet. Durch den geringeren Berechnungsindex des Dielektrikums im Verhältnis zu dem Material der wellenführenden Halbleiterschichten entsteht der für die seitliche Begrenzung der Wellen notwendige Berechnungsindexsprung (Fig. 4 unten).

Eine seitliche Wellenführung jedes einzelnen Wellenleiters in einer dreidimensionalen Wellenleiterstruktur ist außerdem durch die Ausnutzung des sog. elektrooptischen Effektes erreichbar. Die elektrooptische Steuerung von eben angeordneten Wellenleitern ist in der Veröffentlichung von J. C. Campbell et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 26 (11), 640 (1975) beschrieben. Ein zwischen Elektroden angelegtes elektrisches Feld ändert den Berechnungsindex in der wellenführenden Halbleiterschicht und begrenzt den wellenführenden Bereich der Halbleiterschicht. In einer beispielhaften, dreidimensionalen Wellenleiterstruktur gemäß Fig. 5 bilden die wellenbegrenzenden Schichten 1 a, 3, 5, 7 die Elektroden. Die wellenbegrenzenden Schichten bestehen z. B. aus leitendem InP.

Die leitenden, wellenbegrenzenden Schichten 1 a, 3, 5, 7 sind über implantierte oder diffundierte Zuleitungszonen 9, 10, 11, 12 kontaktierbar. Geeignete Dotiermaterialien zur Herstellung der Zuleitungszonen sind z. B. Si oder Be. Die Wellen in der wellenführenden Halbleiterschicht 2 sind über die Kontakte 14, 16 und die Zuleitungszonen 10, 12 zu den zuleitenden, wellenbegrenzenden Halbleiterschichten 1 a, 3 steuerbar und damit seitlich zwischen den Zuleitungszonen 10, 12 bzw. der Isolationswanne 20 begrenzbar. Eine seitliche Begrenzung der Wellen in der wellenführenden Halbleiterschicht 4 ist über die Kontakte 14, 15 und die Zuleitungszonen 10, 11 zu den gutleitenden, wellenbegrenzenden Schichten 3, 5 erreichbar. Über die Kontakte 13, 15 und die Zuleitungszone 9, 11 zu den leitenden, wellenbegrenzenden Schichten 5, 7 und den Isolationszonen 17, 18, 19, 20 wird eine seitliche Begrenzung der Wellen in der wellenführenden Halbleiterschicht 6 erzielt. Geeignete Isolationszonen 17, 18, 19 zwischen den Zuleitungszonen 9, 10, 11, 12 verhindern Kurzschlüsse zwischen den Zuleitungszonen und den als Elektroden wirkenden, wellenbegrenzenden Schichten 1 a, 3, 5, 7. Wenn die wellenbegrenzenden Schichten eine gute Leitfähigkeit besitzen, ist es für die elektrooptische Steuerung ausreichend, daß die Kontakte und Zuleitungszonen lediglich in einem Teilbereich 21 der dreidimensionalen Wellenleiterstruktur angeordnet sind (Fig. 5).

Isolationswannen 20, die z. B. durch Ionenimplantation mit Protonen senkrecht zur Wellenleiterstruktur hergestellt werden und über die gesamte Länge L der Wellenleiter verlaufen, beschränken den elektrischen Feldbereich auf die Breite der dreidimensionalen Wellenleiterstruktur und sorgen damit für eine seitliche Wellenführung.

Die angelegten Spannungen zwischen den als Elektroden wirkenden wellenbegrenzenden Schichten betragen lediglich einige Volt. Aufgrund der geringen Schichtdicken der wellenführenden Halbleiterschichten von wenigen µm treten in den wellenführenden Halbleiterschichten Feldstärken von mehr als 10 kV/cm auf.

Bestehen die wellenbegrenzenden Schichten aus isolierendem Material, z. B. aus CaF₂, so ist eine elektrooptische Steuerung der Wellenleiter lediglich mit einer dreidimensionalen Wellenleiterstruktur gemäß Fig. 2 durchführbar. Bei derartigen mehrschichtig aufgebauten Wellenleitern werden die leitenden Halbleiterschichten 2 na, 2 nb als Elektroden verwendet, die über entsprechende Zuleitungszonen elektrisch kontaktierbar sind. Mindestens eine der beiden leitenden Halbleiterschichten 2 na oder 2 nb sollte aus einem Halbleitermaterial aufgebaut sein, das einen anderen Leitfähigkeitstyp besitzt als die wellenführende Halbleiterschicht 2 n. Beispielsweise besteht die wellenführende Halbleiterschicht 2 n aus n ^--leitendem InGaAsP, die erste leitende Halbleiterschicht 2 na aus p⁺⁺-leitendem InGaAsP und die zweite Halbleiterschicht 2 nb aus n⁺-leitendem InGaAsP.

Die erfindungsgemäße dreidimensionale Wellenleiterstruktur ist nicht auf die angegebenen Materialien beschränkt, sondern es sind weitere Kombinationen aus III/V- und/oder II/VI-Halbleiterverbindungen sowie aus Si und Ge zum Aufbau einer Halbleiterschichtenfolge für dreidimensional angeordnete Wellenleiter geeignet. Zur Herstellung der Schichtenfolge für die dreidimensionale Wellenleiterstruktur werden vorteilhafterweise die Molekularstrahlepitaxie oder die MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy) verwendet.

Claims (12)

1. Anordnung von mehreren Wellenleitern, wobei die Wellenleiter aus mindestens einer wellenführenden Halbleiterschicht mit kleinem Bandabstand bestehen und zwischen wellenbegrenzenden Schichten mit großem Bandabstand eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter übereinander angeordnet sind, derart, daß die Wellenleiter durch wellenbegrenzende Schichten (2 n+1, n=1, 2, 3 . . .) vertikal getrennt sind und eine dreidimensionale Wellenleiterstruktur bilden.

2. Anordnung von mehreren Wellenleitern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter lediglich je aus einer wellenführenden, einkristallinen Halbleiterschicht (2 n, n=1, 2, 3 . . .) bestehen, die undotiert oder gering dotiert sind (Fig. 1).

3. Anordnung von mehreren Wellenleitern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter aus einer epitaktisch gewachsenen, einkristallinen Schichtenfolge aus

• - einer ersten, leitenden Halbleiterschicht (2 na)
• - einer undotierten oder gering dotierten, wellenführenden Halbleiterschicht (2 n) und
• - einer zweiten, leitenden Halbleiterschicht (2 nb) besteht (Fig. 2), und
• - daß der Bandabstand der leitenden Halbleiterschichten (2 na, 2 nb) größer ist als der Bandabstand der wellenführenden Halbleiterschicht (2 n) und der wellenbegrenzenden Schichten (2 n+1).

4. Anordnung von mehreren Wellenleitern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenführenden Schichten aus gleichen Halbleitermaterialien aufgebaut sind.

5. Anordnung von mehreren Wellenleitern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenführenden Schichten aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen.

6. Anordnung von mehreren Wellenleitern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenbegrenzenden Schichten aus leitendem, einkristallinem Halbleitermaterial aufgebaut sind.

7. Anordnung von mehreren Wellenleitern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenbegrenzenden Schichten aus einkristallinem, isolierendem Material aufgebaut sind.

8. Anordnung von mehreren Wellenleitern nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenbegrenzenden Schichten aus einkristallinen Fluoriden bestehen.

9. Anordnung von mehreren Wellenleitern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenführenden Halbleiterschichten und die wellenbegrenzenden Schichten aus Materialien mit annähernd gleichem Gitterabstand bestehen.

10. Anordnung von mehreren Wellenleitern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß in einen einkristallinen Halbleiterkörper (1) ein Graben geätzt ist, dessen Grabenwände mit einem Dielektrikum (8) beschichtet sind,
• - daß auf das einkristalline Halbleitermaterial des Grabenbodens die dreidimensionale Wellenleiterstruktur epitaktisch gewachsen ist, und
• - daß die Grabenwände die Wellen in den wellenführenden Halbleiterschichten (2, 4) seitlich begrenzen (Fig. 3).

11. Anordnung von mehreren Wellenleitern nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zur Schichtenfolge der dreidimensionalen Wellenleiterstruktur mindestens zwei mit einem Dielektrikum (8) beschichtete oder gefüllte Gräben geätzt sind, die die Wellen in den wellenführenden Halbleiterschichten (2, 4) seitlich begrenzen (Fig. 4).

12. Anordnung von mehreren Wellenleitern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die an die wellenführenden Halbleiterschichten angrenzenden, leitenden Schichten über implantierte und/oder diffundierte Zuleitungszonen elektrisch kontaktierbar sind, derart, daß die wellenführenden Halbleiterschichten separat ansteuerbar sind, und
• - daß durch Ausnutzung des elektrooptischen Effekts die Wellen in den wellenführenden Halbleiterschichten seitlich begrenzbar sind.