DE3300131A1

DE3300131A1 - Dielektrischer optischer wellenleiter und verfahren zu seiner herstellung

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Publication number: DE3300131A1
Application number: DE19833300131
Authority: DE
Inventors: Kazuhito 07730 Hazlet N.J. Furuya
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-01-05
Filing date: 1983-01-04
Publication date: 1983-07-14
Anticipated expiration: 2003-01-05
Also published as: JPH0548444B2; FR2519432A1; CA1222652A; US4582390A; DE3300131C2; FR2519432B1; JPS58121006A; GB2112956B; GB2112956A

Description

Beschreibung

Dielektrischer optischer Wellenleiter und Verfahren

zu seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der integrierten optischen Bauelemente, vorzugsweise der monolithischen Integration aktiver und passiver optischer Schaltungselemente auf einem einzigen Substrat.

Die Integration optischer Schaltungselemente ist seit einer Reihe von Jahren üblich. Zwei Integrations-Verfahrensarten wurden während dieser Zeit entwickelt. Bei der ersten Verfahrensart werden dielektrische Wellenleiter auf einem Silicium-(Si-)Wafersubstrat hergestellt. Nach der zweiten Verfahrensart wird . Halbleitermaterial zum Herstellen von Wellenleitern in einem optischen GaAs/AlGaAs-Kristall verwendet.

Bezüglich der ersten Verfahrensart wurde von verschiedenen Methoden zum Herstellen eines dielektrischen Wellenleiters auf einem Siliciumsubstrat berichtet. Vgl. beispielsweise W. Stutius u. a. "Silicon nitride films on silicon for optical waveguides," Appl. Optics, Vol. 16, Seiten 3218-3222, Dezember 1977; G. Marx u. a., "Integrated

Optical Detector Array, Waveguide, and Modulator Based on Silicon Technology," IEEE J. of Solid-State Circuits, Vol. SC-12, Seiten 10-13, Februar 1977; J. Boyd u. a., "An Integrated Optical Waveguide and Charge-coupled Device Image Array," IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. QE-13, Seiten 282-287, April 1977, und "Integrated optical silicon photodiode array," Appl. Optics, Vol. 15, Seiten 1389-1393, Juni 1976. Stutius u. a. beschreiben, wie durch chemisches Niederdruck-Dampfniederschlagen auf einer Siliciumdioxid (SiO₂-)Pufferschicht ein Dünnschichtwellenleiter aus Siliciumnitrid (Si^Na) durch Wachstum ausgebildet wird. Die SiO₂~Pufferschicht ist eine Dampfoxidschicht, die bei 1100 ⁰C in einem herkömmlichen horizontalen Reaktor durch Wachstum gebildet wird. In der oben angegebenen Druckschrift von Marx u. a. wird eine hybride, d. h. nicht-monolithische, integrierte optische Schaltung beschrieben, in der eine Wellenleiterschicht aus Corning-7059-Glas Bauelemente durch Kopplung mit Querschnittsanpassung verbindet. Die Wellenleiterschicht aus 7059-Glas wird auf eine SiO₂-Pufferschicht zerstäubt, die bei hoher Temperatur auf einem Siliciumsubstrat aufgewachsen ist. Boyd u. a. beschreiben eine integrierte optische Bauelementstruktur mit einem unter Querschnitts-

— ΊΠ —

anpassung gekoppelten Wellenleiter aus KPR-Fotoresistmaterial, der durch Wirbeln über eine SiO₂-Pufferschient gezogen ist, welche bei hoher Temperatur auf einem Siliciumsubstrat aufgewachsen ist.

Obschon die von den oben erwähnten Autoren vorgeschlagenen Methoden den Eindruck erwecken, Verfahren zum Integrieren gewisser optischer Bauteile mit dielektrischen Wellenleitern zu schaffen, verbietet die Abhängigkeit dieser Verfahren von der Siliciumtechnologie und von dem bei hoher Temperatur erfolgenden thermischen Wachstum der SiCU-Pufferschicht ihre Anwendung bei der monolithischen Integration auf optischen Kristallen wie z. B. AlGaAs/GaAs-· und InGaAsP/lnP-Heterostrukturen. Die Siliciumtechnologie stellt deshalb eine Beschränkung der Anwendbarkeit dieser Methoden bei der monolithischen Integration dar, weil die Bandabstandstruktur von Silicium der Herstellung effizienter optischer Schaltungselemente wie z. B. Lichtquellen auf dem Silicium-Wafersubstrat nicht förderlich ist. Außerdem stellt das thermische Wachstum eine Beschränkung der Anwendbarkeit dar, weil die bei dem thermischen Wachstumsprozeß herrschenden Temperaturen beträchtlich höher liegen als die Schmelzpunkttemperatur optischer Kristalle im AlGaAs/GaAs- oder dem InGaAsP/lnP-System.

Wie oben erwähnt wurde, schafft die zweite Integrations-Verfahrensart eine Lösungsmöglichkeit zum Herstellen von Halbleiter-Wellenleitern in optischen Kristallen des AlGaAs/GaAs-Systems. Diese Verfahrensart hat zu der monolithischen Integration aktiver und passiver optischer Schaltungselemente wie z. B. Lichtquellen, Modulatoren, Verstärker, Detektoren und Kopplern geführt, wie es in der oben angegebenen Literatürsteile beschrieben ist. J. L. Merz u. a. beschreiben in "Integrated GaAs-Al GanA.s injection lasers and detectors with etched reflectors," Appl. Phys. Lett., Vol. 30, Seiten 530-533, Mai 1977, die monolithische Integration eines GaAs-Doppelheterostruktur-Lasers mit einem passiven Wellenleiter und einem externen Hohlraumdetektor in einem vierschichtigen GaAs-Al Ga₁ As-Bauelement. Die Integration eines Detektors oder Modulators mit einem einen großen optischen Hohlraum aufweisenden, verteilten Braggreflektorlaser wurde von M. Shams u. a. erreicht, wie es in "Monolithic integration of GaAs-(GaAl)As light modulators and distributed-Bragg-reflector lasers," Appl. Phys. Lett., Vol. 32, Seiten 314-316, März 197B beschrieben ist. K. Aiki u. a. beschreiben in einem Artikel "Frequency multiplexing light source with monolithically integrated distributedfeedback diode lasers," Appl. Phys. Lett., Vol. 29,

Seiten 506-508, Oktober 1976 die Herstellung von sechs verteilten Rückkopplungslasern auf .einem einzigen Chip, wobei die unterschiedliche Frequenzen aufv/eisenden Laserausgänge in einen einzigen Wellenleiter gemultiplext werden. In dem Artikel "Monolithic integration of laser and amplifier/ detector by twinguide structure," Japan J. Appl. Phys., Vol. 17, Seiten 589-590, März 1978, haben K. Kishino u. a. beschrieben, wie unter Verwendung einer integrierten Zwillingsleiterstruktur zwei Bauelemente mit einem passiven Wellenleiter gekoppelt werden.

Bei den oben in Zusammenhang mit der zweiten Verfahrensart beschriebenen Lösungsversuchen ist der passive Wellenleiter eine Schicht aus einem Halbleitermaterial, das für die in ihm geleiteten Lichtwellen im wesentlichen transparent ist. Schwankungen der Dicke und des Brechungsindex¹ der Wellenleiterschicht sowie die Kopplungslänge des Bauelements beeinflussen den ordnungsgemäßen Betrieb der sich ergebenden integrierten optischen Schaltung. Um diese Schwankungen zu beherrschen, ist eine strenge Überwachung des Kristall-Wachstumsprozesses, der bei dieser Integrations-Verfahrensart zur Anwendung gelangt, erforderlich, wodurch die Kompliziertheit des Herstellungsverfahrens größer wird. Obschon es

bekannt ist, daß dielektrische Wellenleiter der ersten Verfahrensart effizienter sind als Halbleiter-Wellenleiter gemäß der zweiten Verfahrensart, haben sich die Befürworter der oben beschriebenen zwei Verfahrensarten nicht mit dem Problem auseinander gesetzt, eine monolithisch integrierte optische Schaltung herzustellen, die dielektrische optische Wellenleiter enthält.

Die Erfindung schafft einen dielektrischen optischen Wellenleiter mit einer Substratschicht, die eine erste Hauptfläche aufweist und sich aus ^χ^χ-χ^γ^Ι- oder Al Ga, As zusammensetzt, wobei auf der ersten Hauptfläche wenigstens eine erste Schicht gebildet ist. Der Wellenleiter ist dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Schicht aus einem Material zusammen setzt, das einen kleineren Brechungsindex aufweist als die Substratschicht.

Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen optischen Wellenleiters auf einer ersten Hauptfläche einer IH-V-Halbleitersubstratschicht, die sich aus In„Ga^

As,.Pn ,. oder Al_Ga, As zusammensetzt, und das Very x~"jr ζ j.—ζ

fahren ist gekennzeichnet durch Verdampfen eines dielektrischen Quellenmaterials, dessen Brechungsindex kleiner ist als der der Substratschicht, und

Sammeln verdampften dielektrischen Materials durch Niederschlagen auf der ersten Hauptfläche der Substratschicht, um eine erste dielektrische optische Wellenleiterschicht zu bilden, wobei die Substratschicht eine Temperatur hat, die wesentlich niedriger liegt als die Schmelzpunkttemperatur der Substratschicht .

Die monolithische Integration eines optischen III-V-Heterostruktur-Kristalls erreicht man mit erfindungsgemäßen dielektrischen optischen Wellenleitern. Die dielektrischen Wellenleiter werden entweder auf einer Al_Ga_n „As-Wellenleiter-Substratschicht in einem AlGaAs/GaAs-System oder einer In-, Ga As P, Wellenleiter-Substratschicht in einem InGaAsP/lnP-System gebildet. Jeder Wellenleiter enthält wenigstens eine erste Schicht aus dielektrischen Material wie z. B. SiO^, das einen wesentlich kleineren Brechungsindex aufweist als die Substratschicht. Die erste Schicht wird durch gesteuertes, bei niedriger Temperatur erfolgendes Niederschlagen von verdampftem SiOp auf der Substratschicht gebildet. Im allgemeinen dient die erste Schicht als untere Mantelschicht.

Eine als Kernschicht des dielektrischen optischen Wellenleiters dienende zweite Schicht wird dadurch

gebildet, daß die erste Schicht mit einem dielektrischen Material überzogen wird, dessen Brechungsindex größer ist als der der ersten Schicht. Ein dielektrisches Material, das sich für die Wirbel-Beschichtung als Kernschicht eignet, ist Polyimid. Die Wellenleiterform in Richtung der Lichtfortpflanzung wird definiert durch selektives Entfernen von Teilmengen der Kernschicht durch geeignete Maskier- und Ätzschritte.

Eine als obere Mantelschicht dienende dritte Schicht des dielektrischen optischen Wellenleiters wird über der Kernschicht niedergeschlagen oder durch Wirbel-Beschichtung (Spin-Coating) aufgebracht. Die obere Mantelschicht weist einen Brechungsindex auf, der kleiner ist als der Brechungsindex der Kernschicht. Die Zusammensetzung der oberen Mantelschicht kann der Zusammensetzung der unteren Mantelschicht im wesentlichen gleichen, um eine Asymmetrie der Fortpflanzungskennlinien des optischen Wellenleiters zu vermeiden. Die obere Mantelschicht passiviert außerdem die Oberfläche der gesamten integrierten Schaltung. Mit dem Definieren der Wellenleiterform wird die Kernschicht vollständig von beiden Mantelschichten umgeben, was einen zweidimensionalen dielektrischen optischen Wellenleiter ergibt. Wird in Llcht-Fortpflanzungsrichtung keine Wellenleiter-

form definiert, ist die Kernschicht nur auf zwei parallelen Seiten durch die Mantelschichten begrenzt, was einen eindimensionalen dielektrischen optischen Wellenleiter ergibt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Ausschnitt eines mehrschichtigen Halbleiter-Heterostruktur-Körpers mit einer auf der (100)-Fläche niedergeschlagenen Streifenmaske, wobei der Streifen in <011>-Richtung verläuft;

Figuren 2, 3, 4 und 5 den Halbleiterkörper gemäß Fig. 5 nach jeweils einem von vier aufeinanderfolgenden Ätzschritten zum Freilegen glatter kristallographischer Flächen;

Figur 6 den Halbleiterkörper gemäß Fig. 5, auf dessen Fläche 17 eine erste dielektrische Wellenleiterschicht gebildet ist;

Figur 7 den Halbleiter- und dielektrischen Körper gemäß Fig. 6, nachdem auf dessen Fläche 31 eine zweite dielektrische Wellenleiterschicht gebildet wurde;

Figur 8 den Halbleiter- und dielektrischen Körper gemäß Figur 7, nachdem auf dessen Fläche Al eine dritte dielektrische Wellenleiterschicht gebildet wurde;

Figur 9 den Halbleiterkörper gemäß Fig. 7» nachdem ausgewählte Abschnitte der zweiten dielektrischen Wellenleiterschicht entfernt wurden; und

Figur 10 den Halbleiter- und dielektrischen Körper gemäß Figur 9, nachdem auf diesem die dritte dielektrische Wellenleiterschicht gebildet wurde.

Ganz allgemein gesprochen, ist die Erfindung darin zu sehen, daß entweder auf einem Dreistoff- oder einem Vierstoff-III-V-Halbleiterverbindungssubstrat ein mehrschichtiger dielektrischer optischer Wellenleiter gebildet wird. Das Vorhandensein zusätzlicher Halbleiter-Heterostruktur- oder -Doppelheterostrukturschichten, wie z. B. der Schichten 2, 3, 4 und 5 in den Figuren soll lediglich Einblick in die Verwendungsmöglichkeit der Erfindung als Mittel zum monolithischen Integrieren optischer Schaltungselemente auf einem einzigen Substrat gewähren. Die folgende Beschreibung soll nicht nur die beanspruchte Erfindung im einzelnen darstellen, sondern darüberhinaus die Realisierung

der Erfindung im Umfeld monolithischer Integration erklären.

Die Beschreibung ist abschnittsweise so aufgebaut, daß die grundlegenden Merkmale eines Heterostruktur-Halbleiterkörpers gemäß Fig. 1, die Oberflächenbehandlung des Heterostruktur-Halbleiterkörpers zum Freilegen einer flachen Dreistoff- oder Vierstoff-Wellenleiter-Substratschicht (Figuren 2-5), und die Bildung entweder eines eindimensionalen (Figuren 6, 7 und 8) oder eines zweidimensionalen (Figuren 6, 7, 9 und 10) dielektrischen optischen Wellenleiters auf der freigelegten Wellenleiter-Substratschicht beschrieben werden.

Optoelektronische und integrierte optische Bauelemente werden durch Wachstum in gewisse gewünschte kristallographische Richtungen gebildet. Bei III-V-Halbleiter-Heterostrukturbauelementen wie Lasern und dgl., die sich entweder aus InGaAsP/lnP oder AlGaAs/GaAs auf einem (100)-Substrat, zusammensetzen, stellt die (Oll)-Achse eine wünschenswerte Fortpflanzungsrichtung dar.

Figur 1 zeigt einen mehrschichtigen, kristallinen Halbleiter-Heterostrukturkörper mit einer Maske 1 auf der kristallographischen (lOO)-Ebene. Wie oben

erwähnt wurde, gehört der Halbleiterkörper entweder dem InGaAsP/InP-System oder dem AlGaAs/GaAs-System an. Wie auch in den übrigen Figuren enthält Fig. 1 einen Satz von Gitter-Basisvektoren, die die dreidimensionale Orientierung des Halbleiterkörpers angeben.

Die Halbleiter-Heterostruktur gemäß Fig. 1 enthält eine Maskenschicht 1, eine (p⁺)-Kopfschicht 2, eine p-leitende obere Mantelschicht 3, eine nleitende oder undotierte aktive Schicht 4, eine η-leitende untere Mantelschicht 5, eine n-leitende Wellenleiter-Substratschicht 6 und ein n-Substrat Der Leitungstyp jeder Schicht kann umgekehrt sein, so daß jede p-Schicht zu einer η-Schicht wird und jede η-Schicht eine p-Schicht wird. Ferner ist die Kopfschicht 2 nur deshalb dargestellt, um eine beispielhafte Ausführungsform eines Heterostrukturkörpers zu zeigen. Andere Ausführungsformen können dadurch erhalten werden, daß das Aufwachsen der Kopfschicht 2 aus dem Herstellungsprozeß des HaIbleiter-Heterostrukturkörpers fortgelassen wird.

Die Halbleitermaterialien für die Heterostruktur sind aus der Gruppe der III-V-Verbindungen ausgewählt. In dem InGaAsP/InP-System wird eine Zwei-

stoff-III-V-^Verbindung, InP, für die Mantelschichten 3 und 5 sowie für das Substrat 7 verwendet. Eine Vierstoff-III-V-Verbindung, In₁ Ga^s_xP₁ __χ, wird für die Kopfschicht 2, die aktive Schicht 4 und die Wellenleiter-Substratschicht 6 verwendet, wobei die Legierungsverhältnisse χ und y derart gewählt werden, daß eine spezielle Wellenlänge oder Energiebandlücke und Gitterkonstante der Heterostruktur entstehen. Bezüglich der Auswahl von χ und y sei verwiesen auf den Artikel von R. Moon u. a. mit dem Titel "Bandgap and Lattice Constant of GaInAsP as a Function of Alloy Composition", J. Electron Materials, Vol. 3, Seite 635 (1974). In der nachstehenden Beschreibung sind beispielhafte Zusammensetzungsverhältnisse χ = 0,52 und y = 0,22 ausgewählt, um eine Wellenlänge von 1,3 ;um (O,95eV) zu erhalten. Wichtig ist, daß die vorliegende Erfindung auch dann anwendbar ist, wenn diese Verhältnisse variiert werden, um Wellenlängen in dem Bereich zwischen 0,95 /im und 1,8 ;um zu erhalten. Für Konzentrationsverhältnisse zum Erhalten von Wellenlängen oberhalb von 1,5 pm ist es notwendig, während des Flüssigphasen-Wachstums der HeteroStruktur zwischen den Schichten 3 und 4 eine Vierstoff-Antischmelzschicht zu bilden. Zur Bildung einer solchen Antischmelzschicht braucht die unten beschriebene Oberflächenbehandlung nur geringfügig hinsichtlich der Ätzzeiten modifiziert zu v/erden, um annehmbare Ergebnisse zu erzielen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten HeteroStrukturkörper des InGaAsP/InP-Systems ist die Kopfschicht 2 etwa 300 - 500 nm dick, die Mantelschichten 3 und 5 sind etwa 1,5 - 3 ;um dick, die aktive Schicht 4 und die Wellenleiter-Substratschicht 6 sind etwa 100 - 300 nm, und das Substrat 7 ist etwa 75 - 100 ,um dick. Zur einfachen und klaren Darstellung sind die Schichtdicken in den Figuren 1-10 nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt.

In dem AlGaAs/GaAs-System wird für das Substrat 7 eine Zweistoff-III-V-Verbindung, GaAs verwendet. Für die Schichten 2 bis 6 wird eine Dreistoff-III-V-Verbindung, AlGaAs verwendet. Für die Kopfschicht wird Al Ga₁ As verwendet. Die Mantelschichten 3 und 5 enthalten Al₁₁Ga₁^As bzw. A^Ga-^As. Die aktive Schicht 4 enthält Al Ga₁ „As; und die Wellenleiter-Substratschicht enthält A^Ga-^^As. Die Legierungsverhältnisse q, rs, u und w sind derart gewählt, daß eine spezielle Wellenlänge oder Energiebandlücke und Gitterkonstante für den Heterostruktur-Halbleiterkörper erhalten werden. Im allgemeinen werden die Zusammensetzungsverhältrlisse q, s und w kleiner als die Verhältnisse r und u gewählt, und aus Symmetriegründen sind r und u gleich. Eine Beschreibung der Methoden zum Wählen der Zusammensetzungsverhältnisse der verschiedenen AlGaAs-Schichten findet sich in dem Artikel von H. Kressel

u. a. mit dem Titel "Semiconductor Lasers and Heterojunction LEDs," Seiten 357-363 (Academic Press: New York 1977).

Die Schichtdicken für einen AlGaAs/GaAs-Heterostrukturkörper gemäß Fig. 1 entsprechen im wesentliehen den oben für das InGaAsP/lnP-System beschriebenen Schichtdicken, mit Ausnahme der Substratschicht 6, deren Dicke im Bereich τζοη 0,2 joxs 1,8 pm liegt.

Oberflächenvorbereitung für die InGaAsP/InP-Systeme

Auf der (100)-Ebene des InGaAsP/lnP-Halbleiterkörpers wird durch einen geeigneten Niederschlagungsprozeß wie z. B. durch chemisches Dampfniederschlagen oder dgl. eine Maskenschicht aufgebracht. Eine beispielhafte Schicht setzt sich chemisch aus Siliciumnitrid zusammen. Die Maske 1 wird durch Fotolithografie und Trockenätzen des Siliciumnitrids so ge-

an

formt, daß ihre/die Streifenzone angrenzenden Kanten im wesentlichen glatt sind. Die Streifenzonen in der Maske 1 lassen Oberflächenbereiche wie z. B. die Fläche 11 im Gegensatz zu den von der Maske abgedeckten Bereichen vollständig frei stehen. Der Streifen in der Maske 1 ist in ^Oll^-Richtung des Halbleiter-Heterostrukturkörpers ausgerichtet.

Obschon diese Art von Streifenmaske eine Nut in dem Halbleiterkörper bildet, können auch andere Masken zum Erzeugen einer einzigen Wand, d. h. zum wirksamen Entfernen eines unmaskierten Teils des Halbleiterkörpers verwendet werden, beispielsweise eine Maske, die nur die linke oder rechte Hälfte der in Fig. 1 dargestellten Maske 1 enthält.

Die Figuren 2, 3, 4 und 5 zeigen strukturelle Veränderungen, die in Erscheinung treten, nachdem der in Fig. 1 dargestellte Halbleiter-Heterostrukturkörper in aufeinanderfolgenden Ätzschritten Ätzmitteln ausgesetzt wurde. Der durch die Figuren 2-5 veranschaulichte Prozeß wird als sequentielles Ätzen bezeichnet, da jede Schicht der mehrschichtigen Struktur direkt unterhalb der freiliegenden Oberfläche 11 (Fig. 1) nacheinander einzeln fortgeätzt wird. D. h.: der direkt unter der freiliegenden Oberfläche 11 befindliche Abschnitt der Kopfschicht wird durch ein chemisches Naß- oder Trockenätzmittel fortgeätzt, um die Fläche 12 auf der Mantelschicht 3 freizulegen. Da der Ätzvorgang an einem HeteroÜbergang anhält, muß verständlicherweise wenigstens das chemische Naßätzmittel die Eigenschaft der Materialselektivität aufweisen.

Verschiedene chemische Naßätzmittel erwiesen sich als wirksam beim selektiven Ätzen von Vierstoffschichten wie den Schichten 2 und 4. Beispiele verschiedener selektiver Ätzmittel sind: eine Lösung aus H₂SO^:H₂O₂:H₂O = (10:1:1), wie es von R. J. Nelson u. a. in "High-Output Power in InGaAsP/InP (λ= 1,3 um) Strip-Buried Heterostructure Lasers," Applied Physics Letters, Vol. 36, Seite 358 (1980) beschrieben ist; ein AB-Ätzmittel, wobei die Lösung A (40.0ml. H₂O + 0.3g.AgNO, + 40.OmI.HF) und die Lösung B (40.Og. CrO, + 40.0ml. H₂O) ist und A:B =(l:l) wie es von G. H. Olsen u. a. in "Universal Stain/Etchant for Interfaces in III-V Compounds," Journal of Applied Physics, Vol. 45, No. 11, Seite 5112 (1974) beschrieben ist; oder eine Lösung aus KOH:K^Fe(CN)^:H₂ Die Ätzzeit für die Vierstoffschichten schwankt in Abhängigkeit der Dicke der Vierstoffschicht, der Temperatur und der Legierungsverhältnisse χ und y der Vierstoffschichten. Bei einer Dicke von 300 nm der Schicht 2 (λ= 1,3 ;om) und einer Temperatur von 22 ⁰C erreicht man mit den folgenden ungefähren Ätzzeiten die Ergebnisse gemäß der Figuren 4 und 6: H₂SO^:H₂O₂:H₂0-Ätzung während einer Dauer von etwa 5 see, AB-Ätzung während einer Dauer von etwa 15 see,

und KOH:K₃Fe(CN)₆:H₂O-Ätzung für eine Dauer von etwa 8 see. Dieser Ätzschritt wird dadurch gestopt, daß der geätzte Halbleiterkörper in entionisiertem Wasser gespült wird.

Figur 3 zeigt die strukturelle Veränderung des Halbleiterkörpers gemäß Fig. 2 nach dem Ätzen in einem InP-selektiven Ätzmittel. Für diesen Ätzvorgang ist HCl ein geeignetes Ätzmittel, um den Abschnitt der Schicht 3 unterhalb der Fläche 12 (Fig. 2) fortzuschneiden und dadurch die Fläche 13 der Vierstoffschicht 4 freizulegen. Wenngleich dieses Ätzmittel an der Fläche 13 automatisch zu reagieren aufhört, muß es sorgfältig gesteuert werden, um ein starkes Unterschneiden der verbleibenden Abschnitte der Schicht 3 unterhalb der Maske 1 zu vermeiden. Bei einer Dicke der InP-Schicht von etwa 1,5 Aim beträgt die Ätzdauer für konzentrierte HCl beispielsweise etwa 45 see, um die in den Figuren 3 und 5 dargestellte Struktur zu erhalten. Von Bedeutung ist, daß nach diesem Ätzschritt gemäß Fig. die freiliegenden Wände der Schicht 3 kristallographische Glätte aufweisen.

Figur 4 zeigt die strukturelle Veränderung, nachdem der in Fig. 3 dargestellte Halbleiter-Heterostrukturkörper mit einem chemischen Naßätzmittel in Berührung gebracht wurde, um die direkt unter der Fläche 13

liegende Vierstoffschicht 4 selektiv während einer solchen Zeit zu ätzen, die zum Freilegen der Fläche 14 auf der Schicht 5 ausreicht. Außerdem wird die kristallographische Fläche 15 mit definierter Steigung bezüglich der die Maske 1 und die Fläche 11 enthaltenden Fläche (s. Fig. 1), d. h. der (10O)-Ebene freigelegt. Der Ätzvorgang und die verwendeten Ätzmittel für diesen Schritt wurden oben in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben.

Figur 5 zeigt den Abschluß sämtlicher strukturellen Änderungen durch den sequentiellen Ätzprozeß. Wiederum wird ein InP-selektives Ätzmittel, HCl, in Berührung mit den freigelegten Flächen des Halbleiterkörpers gebracht, um eine optisch flache Spiegelkristallfläche an der Fläche 15 zu erhalten. Insbesondere werden die Flächen 14 und 15 gemäß obiger Beschreibung dadurch in Kontakt miteinander gebracht, daß sie für eine Zeit in eine Lösung aus HCl unter Umrühren eingetaucht werden, die ausreicht, um eine bevorzugte kristallographische Ebene als die optisch flache, polierte Spiegelebene freizulegen und eine glatte, flache Oberfläche 17 auf der Wellenleiter-Substratschicht 6 freizulegen. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist eine durch das HCl-Ätzmittel vorzugsweise freigelegte kristallographische Ebene die (Oll)-Ebene, die als Fläche 16 bezeichnet ist und senkrecht auf der (100)-Ebene steht. Die Fläche 16

ist eine optisch flache Spiegel-Kristallfläche, da HCl vorzugsweise die kristallpgraphische (Oll)-Ebene nur der InP-Schichten, d. h. der Schichten 3 und 5 freilegt und nicht die Vierstoff schichten 2, 4 und 6 ätzt. Jedoch wird der Ätzprozeß so gesteuert, daß die Schichten 2-5 im wesentlichen koplanar werden. Bei diesem Beispiel beträgt die Ätzzeit in einem Bad konzentrierter HCl etwa.20 see, um die kristallographische (Oll)-Ebene an der Fläche 16 und die flache Oberfläche 17 auf dem Wellenleiter-Substrat 6 freizulegen.

Ungeachtet des verwendeten Halbleiter-Heterostruktursystems sind die Ausmaße von Glätte und Flachheit der Fläche 17 von Bedeutung für die anschließende Fertigung des dielektrischen optischen Wellenleiters auf der Fläche. V/ie aus der nachstehenden Beschreibung hervorgeht, beeinflussen die Abmessungen von Glätte und Flachheit der Fläche 17 die Abmessungen der Glätte und Flachheit der Wände des dielektrischen optischen Wellenleiters. Ein Wellenleiter mit rauhen V/änden zeigt übermäßige Streuverluste. Allgemein wird darauf geachtet, daß die Glätte der Wellenleiterwände

mit der Toleranz eines Bruchteils der gewünschten optischen Wellenlänge über eine Größe von etwa 5

Wellenlängen eingehalten wird. Vgl. hierzu D. Marcuse, Bell System Technical Journal, Vol. 48, Seite 3187 ff (1969) und auch J.E. Goell u. a., "Ion bombardment fabrication of optical waveguides using electron resist masks," Appl. Phys. Lett., Vol. 21 Seiten 72-73 (1972). Da die Gestalt der Wellenleiterwände direkt durch die Form der Fläche 17 bestimmt wird, muß die Toleranzüberwachung der Glätte der Fläche 17 und der Wellenleiter-Substratschicht 6 während des Aufwachsens des Halbleiter-Heterostrukturkörpers erfolgen.

Oberflächenvorbereitung bei AlGaAs/GaAs-Systemen

Wie oben beschrieben wurde, setzt sich der HaIb-Ieiter-HeteroStrukturkörper gemäß Figur 1 alternativ aus mehreren Schichten von AlGaAs mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen zusammen. Da die Oberflächenbehandlungsmethoden bei einer AlGaAs/GaAs-Heterostruktur sich von denjenigen einer InGaAsP/InP-Heterostruktur unterscheiden, sind bei der folgenden Beschreibung nur die Figuren 1 und 5 von Bedeutung.

Um die Struktur eines AlGaAs-Halbleiterkörpers, wie er z. B. in Fig. 1 gezeigt ist, so zu verändern,

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daß sich der mit einer Nut versehene Halbleiterkörper gemäß Fig. 5 mit im wesentlichen glatten und flachen Flächen 16 und 17 ergibt, sind verschiedene Ä'tzmethoden bekannt. Eine Methode ist von J.L. Merz u. a. in IEEE J. of Quantum Electronics unter dem Titel "GaAs Integrated Optical Circuits by Wet Chemical Etching", Vol. QE-15, Seiten 72-82 (1979) beschrieben. Danach wird Gebrauch gemacht von einem zweistufigen Vorzugs-Ätzprozeß, um flache Oberflächen zu erzeugen. Eine andere Methode ist von R. Logan u. a. in der US-PS 3 883 219 beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift erfolgt ein Langsam-Ätzprozeß mit Br~ CH₅OH.

Nachdem die Flächen 16 und 17 in dem einen oder dem anderen Heterostruktursystem freigelegt sind, wird die Maske 1 durch herkömmliches Trockenätzen entfernt. Eine derartige Trockenätzmethode ist das Plasmaätzen in einer CF^-Atmosphäre. Ein wahlweise vorzusehender Schritt bei der Oberflächenbehandlung besteht darin, wenigstens die Schicht z. B. durch Verdampfen mit einer Reflektor- oder Antireflexionsschicht zu versehen, um eine ausreichende Reflexion bzw. Kopplung zwischen den

Schichten 3/4 und 5 und dem auf der Fläche 17 zu bildenden dielektrischen optischen Wellenleiter sicherzustellen.

Antireflexionsbeschichtungen weisen einen Brechungsindex n_„ auf, der dem geometrischen Mittel der

α. χ

Brechungsindizes n^ und n^_Q der Kernschichten der anliegenden aktiven und passiven Wellenleiter, d. h. der Schichten 4 bzw. 40 (Fig. 7) entsprechen. D. h.:

»ar

Die Dicke der Antireflexionsschicht, l_er>, ergibt

ar

sich durch den Ausdruck

1
ar

v/obei /\ die gewünschte Wellenlänge des Lichts ist. Materialien, die sich für das Aufdampfen auf die Fläche 16 in einem InGaAsP/lnP-System zur Bildung einer Antireflexionsschicht eignen, sind Metalloxide wie z. B. Ta₂O₅ und TiO=.

Reflektierende Beschichtungen besitzen einen Brechungsindex np, der niedriger als der Brechungsindex n^Q der Kernschicht des passiven dielektrischen Wellen-

leiters, d. h. der Schicht 40 (Fig. 7) ist. Die Dicke des reflektierenden Überzugs, 1_R, der beispielsweise durch Verdampfen gebildet wird, ergibt sich durch den Ausdruck

Ein beispielhaftes reflektierendes Beschichtungsmaterial ist MgFp» das einen Brechungsindex n_R · von 1,35 besitzt. Mit diesem Beschichtungsmaterial als reflektierende Schicht auf der Fläche 16 in einem InGaAsP/InP-System mit einem Polyimid/SiO Wellenleiter, wie er unten beschrieben wird, erhöht sich die Reflexionskraft um etwa 100 %.

Bildung eines eindimensionalen Wellenleiters

Figuren 6, 7 und 8 zeigen die aufeinanderfolgenden Schritte, zum Herstellen eines eindimensionalen dielektrischen optischen Wellenleiters auf der Wellenleiter-Substratschicht 6 in dem in Fig. dargestellten Halbleiter-Heterostrukturkö.rper.

Ein typischer dielektrischer optischer Wellenleiter enthält einen langgestreckten Kern aus dielektrischem Material, der von einem Medium mit niedrigerem

ft ·«■···♦ *

Brechungsindex umgeben ist. Betrachtet man einen Querschnitt eines solchen Wellenleiters senkrecht zu dessen optischer Achse (^OlI^ -Richtung), so wird deutlich, daß der Wellenleiter Licht in zwei Dimensionen, nämlich in ^Oll^-Richtung eingrenzt. Diese Art von Struktur soll anschließend als zweidimensionaler Wellenleiter bezeichnet werden. Er wird später noch im einzelnen erläutert, \fenn der langgestreckte Kern-nur auf zwei parallelen Seiten Von einem Medium mit niedrigerem Brechungsindex abgedeckt wird, so wird das Licht in nur einer Dimension (0-OQ^ -Richtung beispielsweise) eingegrenzt. Diese letztgenannte Art von Struktur wird im folgenden als eindimensionaler Wellenleiter bezeichnet, dessen Herstellung nachstehend erläutert wird.

Die Herstellung eines dielektrischen optischen Wellenleiters auf der Fläche 17 der Wellenleiter-Substratschicht 6 beginnt gemäß Fig. 8 mit dem gesteuerten Niederschlagen eines dielektrischen Materials wie z. B. Siliciumoxid (SiO , x~2), um eine erste Wellenleiterschicht 30 nur auf der Fläche 17 zu bilden. Das zum Bilden der ersten Wellenleiterschicht 30 ausgewählte dielektrische Material weist einen geringeren Brechungsindex

auf als die Wellenleiter-Substratschicht 6. Das Niederschlagen des dielektrischen Materials muß sorgfältigst gesteuert werden, um zu vermeiden, daß das dielektrische Material der ersten Wellenleiterschicht an der Fläche 16, und insbesondere an der Fläche 16 oberhalb der Grenzschicht zwischen den Schichten 4 und 5 haftet.

Es wurden zwei Niedrigtemperaturverfahren für das gesteuerte, gerichtete Niederschlagen von SiO

Jib

auf der Schicht 6 entwickelt. Eine Methode sieht das thermische Verdampfen einer Siliciummonoxid-(SiO-)Quelle in einer Sauerstoffatmosphäre vor. Eine andere Methode sieht die Elektronenstrahlverdampfung einer Siliciumdioxid-(Si0₂-)Quelle in einem Vakuum vor.

Bei dem thermischen Verdampfen wird der Halbleiterkörper gemäß Fig. 5 in eine Sauerstoff-(O₂-)Atmosphäre von etwa 2,0xl0~ mbar gebracht. Zum Verdampfen der SiO-Quelle wird ein Tantal-Heizdraht mit gesteuertem Strom gespeist. Dieser Strom steuert die Verdampfungsgeschwindigkeit des SiO der Quelle und außerdem die Niederschlagungsgeschwindigkeit des SiO auf der Fläche 17 der Schicht 6. V/ie oben erwähnt wurde, erfolgt das Niederschlagen des Si0_v gerichtet insofern, als SiO- und SiOp-Partikel in einer im wesentlichen

kollisionsfreien Umgebung vorhanden sind und lediglich an einer (100)-Ebene, d. h. der Fläche oder anderen zu dieser Fläche parallelen Flächen haften. Eine beispielhafte Niederschlagungsgeschwindigkeit, die eine gesteuerte, gerichtete Niederschlagung der ersten Wellenleiterschicht 30 ergibt, beträgt etwa 0,5 nm/sec oder 0,03 ,um/min. Die Op-Atmosphäre kann variiert werden, um das Verhältnis von SiO zu SiO₂ in der Schicht 30 zu ändern. Selbstverständlich beeinflussen derartige Schwankungen der Op-Atmosphäre auch den Brechungsindex der Schicht 30, da SiO einen Brechungsindex von 1,90 und SiO₂ einen Brechungsindex von 1,46 aufweist. Für die oben als Beispiel angegebene 0₂-Atmosphäre beträgt die sich ergebende Stöchiometrie der Schicht 30 SiO (x~2), eine heterogene Zusammensetzung von SiO und SiO₂, die SiO₂ mit einem Brechungsindex von 1,50 ähnelt.

Die zweite oben erwähnte Niederschlagungsmethode sieht das Elektronenstrahlverdampfen einer SiO₂-Quelle in Vakuum vor. Ein für diese Methode geeignetes Vakuum entspricht beispielsweise etwa 10 Torr. Bei dieser Methode wird der Halbleiterkörper gemäß Figur 5 in eine evakuierte Kammer gebracht, die einen die SiOp-Quelle enthaltenden Tiegel besitzt.

Auf die Quelle wird ein Elektronenstrahl ausreichender Leistung fokussiert, wodurch das SiO₂ verdampft. Die Leistung des Strahls wird sorgfältig überwacht, um die Niederschlagungsgeschwindigkeit zu steuern, wohingegen der Unterdruck gesteuert wird, um einen gerichteten Strom des SiOp auf nur diejenigen freiliegenden Flächen zu erhalten, die zu der Fläche 17 parallel sind ((100)-Ebene). Während des gesamten Niederschlägungsvorgangs hat der Halbleiterkörper Zimmertemperatur. Folglich ist die am Übergang zwischen den Schichten 6 und 30 auftretende Bindung eine unvollständige chemische Bindung.

Die erste Wellenleiterschicht 30 ist der Schicht des Halbleiter-Heterostrukturkörpers .benachbart, liegt jedoch nicht vollständig an der Fläche 16 der Schicht 5 an. Die Fläche 31 ist die freiliegende Oberfläche der ersten Wellenleiterschicht 30. Die Fläche 31 hat im wesentlichen diegleichen Abmessungen von Flachheit und Glätte, d. h., sie ist bezüglich der Fläche 17 planparallel, ausgenommen in der Nähe der Fläche 16, wo sich die Schicht 30 verjüngt. Dieser schmale Verjüngungsbereich erstrecht sich aber nicht weiter als 0,3 ,um von der Fläche 16.

Die Schicht 30 dient als untere Mantelschicht für den dielektrischen optischen Wellenleiter. Im allgemeinen ist die Schicht 30 etwa so dick wie die Schicht 5. Um einen Strahlungsverlust aufgrund sehr kleiner Kopplung durch den Wellenleiter in die Schicht 6 zu vermeiden, ist es wünschenswert, daß die Schicht 30 eine ungefähre Dicke von wenigstens 1 )JM_f vorzugsweise 2,0 jam aufweist. Die Dicke der Schicht 30 bestimmt außerdem die Lage einer später zu bildenden Vvellenleiterkernschicht bezüglich der Schicht 4. Die Schicht 30 sollte ausreichend dick sein, um den Durchlässigkeitsfaktor von der Halbleiterkernschicht 4 zu einer anliegenden Kernschicht (Fig. 7» Schicht 40) eines dielektrischen optischen Wellenleiters so groß wie möglich zu machen, d. h. eine Modenprofilanpassung zwischen der Schicht 4 und dem dielektrischen Wellenleiter zu schaffen. Die Modenprofilanpassung wird unten noch näher erläutert.

Die in Fig. 6 gezeigten Schichten 32 und 33 sind ebenfalls Schichten aus SiO (x^-2). Diese Schichten befinden sich auf der Schicht 2 des Halbleiterkörpers Das Entfernen der Schichten 32 und 33» um eine Kontaktierung zu ermöglichen, erfolgt in bekannter

Weise durch Belichten eines Fotoresists mit anschließendem Entwickeln. Im vorliegenden Fall erfolgt jedoch kein Entfernen der Schichten 32 und

Figur 7 zeigt die Bildung einer zweiten Wellenleiterschicht 40 auf der Fläche 31 der ersten Wellenleiterschicht 30 und der anliegenden Fläche 16 des Halbleiter-Heterostrukturkörpers. Die Schicht 40 setzt sich aus einem dielektrischen Material zusammen, dessen Brechungsindex größer ist als der der Schicht 30. Die Wellenleiterschicht 40 dient als Kernschicht des Wellenleiters. In diesem Zusammenhang ist es zweckdienlich, das dielektrische Material für die Schicht 40 so auszuwählen, daß es bezüglich der Wellenlänge oder der Wellenlängen des vorgesehenen Lichts optische Transparenz aufweist.

In einer beispielhaften Ausführungsform dieser Erfindung wird zum Bilden der Wellenleiterschicht 40 ein organisches Polyimid-Beschichtungsmaterial wie z. B. PYRALIN (ein Warenzeichen der Fa. E. I. DuPont de Nemours and Company) Polyimidüberzug PI2555, verwendet. Man vergleiche hierzu auch die US-PSen 3 179 614 und 3 179 634. PYRALIN-Polyimidüberzug besitzt einen Brechungsindex von etwa 1,70 und ist nach 100 % Imidisation für optische Wellenlängen im Bereich von 0,85 - 1,8 ,um transparent.

Die zweite dielektrische Wellenleiterschicht 40 mit der PYRALIN-PoIyimidbeschichtung wird durch folgende Schritte gebildet. Der Halbleiter- und dielektrische Körper gemäß Fig. 6 wird mit einem Material behandelt, um das Haften der Schicht 40 an den Flächen 16 und 31 zu unterstützen. Ein Mittel, das die Haftfähigkeit fördert, wird unter der Produktbezeichnung VM-651 von E.I. DuPont de Nemours and Company vertrieben. Anschließend wird die Polyimidbeschichtung auf den Halbleiter- und dielektrischen Körper aufgebracht. Das Entfernen von Luftbläschen in der Polyimidbeschichtung erfolgt dadurch, daß der Halbleiter- und dielektrische Körper anschließend für kurze Zeit in eine Vakuumkaminer gebracht wird. An diesem Punkt steht die Polyimidbeschichtung, die die Schicht 40 bildet, in vollständiger Berührung mit wenigstens den Flächen 16 und 31, wie aus Fig. 7 ersichtlich ist. Der in Fig. 7 dargestellte Körper wird dann bei Zimmertemperatur auf einem Drehtisch oder Wirbler oder einer Schleuder angeordnet, wo der Körper durch Unterdruck in seiner Lage gehalten wird und mit etwa 3000 bis 7000 UPM etwa 2 min gedreht wird. Die Drehzahl und die Viskosität der Polyimidbeschichtung bestimmen die Dicke der Schicht 40 in KlOO^ -Richtung.

Als Beispiel für die Dicke der Polyimidbeschichtung als Schicht 40 sei etwa 0,3 bis 1,2 um angegeben. Das Härten der gesponnenen Polyimidbeschichtung erfolgt durch Backen des Halbleiter- und dielektrischen Körpers gemäß Fig. 7 während einer Zeit und bei einer Temperatur, die für eine 100 %±ge Imidisation ausreichen. In einem Beispiel erfolgte das Härten durch Backen bei 200 ⁰C während einer Zeit von 2 Stunden. Die Oberfläche 41 der Schicht 40 ist durch die gesamte dielektrische Wellenleiterzone 9 hindurch im wesentlichen flach und glatt.

Die Halbleiterzonen 8 und 10 sind beispielsweise identisch, um aktive optische Bauelemente unterzubringen, die von dem dielektrischen Wellenleiter verbunden werden.

Wie aus Fig. 7 hervorgeht, ist die die Schichten 30 und 40 enthaltende zweischichtige dielektrische Struktur ein eindimensionaler Wellenleiter für die Fortpflanzung von Lichtwellen. Der dielektrische Wellenleiter steht mit den Halbleiterzonen 8 und 10 über eine stumpfe Grenzfläche in Verbindung. Der Halbleiter- und dielektri sche Körper gemäß Fig. 7 ist eine monolithisch integrierte optische Schaltung.

Figur 8 zeigt eine die Oberfläche 41 und die Schicht 40 bedeckende dritte dielektrische Wellenleiterschicht 50, die wahlweise vorgesehen ist. Die Schicht 50 ist ein dielektrisches Material, dessen Brechungsindex kleiner ist als der der Schicht 40. Somit dient-die Schicht 50 als Mantelschicht für die dielektrische Kernschicht. Darüberhinaus passiviert die Schicht 50 die Oberfläche 41 und die gesamte integrierte optische Schaltung. Das Niederschlagen oder Schleuderbeschichten sind geeignete Methoden zum Herstellen der Schicht 50.

In einem praktischen Beispiel wird thermisches Verdampfen von Siliciummonoxid (SiO) in einer Sauerstoffatmosphäre zum Niederschlagen einer SiO -(x~2)-Schicht als Schicht 50 auf der Oberfläche 41 .eingesetzt. Das thermische Verdampfen wurde oben in Zusammenhang mit der Herstellung der Schicht 30 beschrieben.

Bildung eines zweidimensionalen Wellenleiters

Figuren 6, 7, 9 und 10 zeigen aufeinanderfolgende Schritte zum Herstellen eines zweidimensionalen dielektrischen optischen Wellenleiters auf der Wellenleiter-Substratschicht 6 des in Fig. 5 gezeigten Halbleiterkörpers.

Nachdem die Schicht 40 auf der Fläche 31 durch Schleudern aufgebracht wurde, und bevor sie gehärtet wird (s. Fig. 7), wird die Polyimidbeschichtung teilweise dadurch gehärtet, daß die Schicht so gebacken wird, daß weniger als eine 100 %ige Imidisation erfolgt; beispielsweise wird bei 100 ⁰C 5 min lang gebacken. Teilweise gehärtetes Polyimid ist in bestimmten Lösungen löslich.

Das Bilden eines Musters auf der teilweise gehärteten Schicht 40 erfolgt durch herkömmliche Fotoresistmaterialien wie z. B. AZ135OJ, um eine geeignete Form und Breite (<0lI)-Richtung) für die Kernschicht des dielektrischen Wellenleiters zu erhalten. Dann wird das Fotoresist entwickelt. Anschließend werden ausgewählte Abschnitte der Schicht

40 durch Ätzen mit einem AZ303-Entwickler entfernt. Die stehenbleibenden nicht-geätzten Abschnitte der Schicht 40 werden durch Backen bei 200 ⁰C während einer Zeit von 2 Stunden vollständig gehärtet.

Dann wird auf den freiliegenden Oberflächen 31 und

41 die Mantelschicht 60 gebildet, um die Wellenleiter-Kernschicht 40 vollständig einzukapseln. Die Bildung

der Schicht 60 erfolgt genauso wie die Bildung der Schicht 50 gemäß Figur 8. Die Schicht 60 hat dieselben Eigenschaften, wie sie für die Schicht oben beschrieben wurden.

Modenprofilanpassung

Um an dem Übergang (Fläche 16) von aktivem und passivem Wellenleiter eine größtmögliche Durchlässigkeitseffizienz zu erhalten, sollte das Feldverteilungsprofil der Fortpflanzungsmoden in beiden Wellenleitern angepaßt sein, d. h., es sollte eine Modenprofilanpassung erfolgen. Theoretisch erhält, man eine ideale Modenprofilanpassung unter der folgenden Bedingung:

^T8 =

T_g und t₄ = t_L

CP _

^T8 -

2 2
'η,. - η

1/2

3,5

und

1/2

40 " ⁿ30,50,60

2η

, und

wobei η, - und n,_{Q 5Q} g_Q die Brechungsindizes der mit entsprechenden Bezugszeichen versehenen Mantelschichten in den Zonen 8 oder 10 bzw. 9 sind.

Unter praxisbezogeneren, nicht-idealen Anpassungsbedingungen für das Modenprofil drückt sich der Grad der Anpassung durch den Modenprofil-Anpassungkoeffizienten η _m gemäß folgender Gleichung aus:

- a)G₉($)d(3)]²

wobei G^Cß) das Feldverteilungsprofil eines Fortpflanzungsmoden in der Zone i, i = 8, 9, ß. eine Schichtdickenkoordinate in 0-00/ -Richtung, und (t ein Versetzungsabstand ist, der in <1Οθ)-Richtung zwischen der physikalischen Mittenachse der Wellenleiter in den Zonen 8 und 9 gemessen wird. Die Feldverteilungsprofile für G^ ß) lassen sich der Literatur entnehmen (z. B. D. Marcuse "Light Transmission Optics", Van Nostrand 1972). Der nachstehenden Tabelle sind Änderungen des Modenprofil-Anpaßkoeffizienten als Funktion der Mittenversetzung für unterschiedliche Dicken t^_Q der Schicht 40 zu entnehmen.

Versetzung 'Modenprofil-Anpaßkoeffizient η

mpm

a(um)	t₄₀ = 0,3 Aim	t^Q = 0,6um	t₄₀=0,9
0.0	0.88	0.96	0.93
0.1	0.85	0.91	0.90
0.2	0.78	0.83	0.82
0.3	0.68	0.71	0.71
0.4	0.57	0.57	0.57
0.5	0.47	0.43	0.45

Bei der obigen Tabelle wird ausgegangen von einem dielektrischen Polyimid/SiOp-Wellenleiter in einem InGaAsP/lnP-Heterostruktursystem, wobei die Dicke t^ der Schicht 4 0,15 ,um und λ 1,3 um beträgt.

Claims

ZWIRNER - HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Palentconsult Radecfceetrafle 43 8000 München 60 Telelon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger StraSe 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Palentconsuli

Western Electric Company FURUYA

Incorporated

New York N. Y.

Patentansprüche

1. Dielektrischer optische· Wellenleiter, mit einer Substratschicht (6), die eine erste Hauptfläche (17) aufweist und aus ^_xGa-, As P-, oder Al₂Ga_1-2As gebildet ist, und mit wenigstens einer ersten Schicht (30), die auf der ersten Hauptfläche ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Schicht ein Material enthält, dessen Brechungsindex kleiner ist als der der Substratschicht.

2, Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß sich die erste Schicht im wesentlichen aus SiC>2 zusammensetzt.

MUndien: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbatf Dipl.-Ing. · P. Bergen Proi. Dr. Jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw. bis 1979 . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

• ·

3. Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Schicht (40) aus dielektrischem Material auf der ersten Schicht gebildet ist, und daß die zweite Schicht einen Brechungsindex besitzt, der größer als der der ersten Schicht ist.

4. Wellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht im wesentlichen aus Polyimid besteht.

5. Wellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Schicht (50 oder 60) aus dielektrischem Material auf der zweiten Schicht gebildet ist, und daß die dritte Schicht einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der der zweiten Schicht.

6. Wellenleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der dritten Schicht im wesentlichen genauso groß ist wie der Brechungsindex der ersten Schicht.

7· Wellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht im wesentlichen aus besteht.

8. Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen optischen Wellenleiters mit einer ersten Hauptfläche (17) einer III-V-Halbleitersubstratschicht

(6) aus ^In _x ^Gai__x ^Asy^Pi_y ^{oder A1} _z ^Gai__z ^As» gekennzeichnet durch Verdampfen eines dielektrischen Quellenmaterials, dessen Brechungsindex kleiner, ist' als der der Substratschicht, und Sammeln verdampften dielektrischen Materials durch Niederschlagen auf der ersten Hauptfläche der Substratschicht, um eine erste dielektrische optische Wellenleiterschicht (30) zu bilden, wobei die Substratschicht eine Temperatur hat, die wesentlich niedriger liegt als die Schmelzpunkttemperatur der Substratschicht.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß zum Verdampfen das dielektrische Quellenmaterial in einer Sauerstoffatmosphäre durch Verwenden eines stromgesteuerten metallischen Elements erhitzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,

daß sich das dielektrische Quellenmaterial aus SiO zusammensetzt, und daß die erste dielektrische Wellenleiterschicht im wesentlichen aus SiO₂ besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß zum Verdampfen das dielektrische Quellenmaterial in einem Vakuum dadurch erhitzt wird, daß ein fokussier ter Elektronenstrahl verwendet wird, der ausreichende Leistung besitzt, um das dielektrische Quellenmaterial zu verdampfen.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß sich das dielektrische Quellenmaterial aus zusammensetzt.

13· Verfahren nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Bildung einer zweiten dielektrischen optischen Wellenleiterschicht (40), deren Brechungsindex größer ist als der der ersten Wellenleiterschicht, ein zweites dielektrisches Quellenmaterial auf eine zweite Hauptfläche (31) der ersten dielektri schen optischen Wellenleiterschicht aufgebracht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,

daß zum Aufbringen des Materials die zweite Hauptfläche mit dem zweiten dielektrischen Quellenmaterial überzogen und der Wellenleiter mit vorgegebener Geschwindigkeit gedreht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,

daß das zweite dielektrische Quellenmaterial Polyimid ist.

16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet,

daß auf eine dritte Hauptfläche (41) der zweiten . dielektrischen optischen Wellenleiterschicht ein drittes dielektrisches Quellenmaterial aufgebracht wird, um eine dritte dielektrische optische Wellenleiterschicht (50 oder 60) zu bilden, deren Brechungsindex kleiner ist als der der zweiten Wellenleiterschicht.

17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,

daß zum Aufbringen der dritten Wellenleiterschicht das dritte dielektrische Quellenmaterial, dessen Brechungsindex kleiner ist als der der zweiten Wellenleiterschicht, verdampft wird, und daß das verdampfte dielektrische Material durch Niederschlagung auf der dritten Hauptfläche der zweiten Wellenleiterschicht gesammelt wird, um die dritte dielektrische optische Wellenleiterschicht (50 oder 60) zu bilden, und daß die Substratschicht eine Temperatur aufweist, die wesentlich niedriger ist als die Schmelzpunkttemperatur der Substratschicht.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verdampfen des dritten dielektrischen Quellenmaterials dieses in einer Sauerstoffatmosphäre durch Verwendung eines stromgesteuerten metallischen Elements aufgeheizt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich das dritte dielektrische Quellenmaterial aus SiO zusammensetzt, und daß die dritte dielektrische Wellenleiterschicht im wesentlichen aus SiC>2 besteht.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verdampfen des dritten dielektrischen Quellenmaterials dieses in einem Vakuum unter Verwendung eines fokussierten Elektronenstrahls erhitzt wird, dessen Leistung ausreicht, das dritte dielektrische Quellenmaterial zu Verdampfen.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß sich das dritte dielektrische Quellenmaterial aus SiOp zusammensetzt.

22. Wellenleiter auf einer Substratschicht, gekennzeichnet durch die Herstellung gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 8-21.