DE60116381T2

DE60116381T2 - Elektro-optische struktur und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE60116381T2
Application number: DE60116381T
Authority: DE
Inventors: Jamal Ramdani; Lyndee Hilt; Ravindranath Droopad; Jay William OOMS
Original assignee: Freescale Semiconductor Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2021-09-08
Also published as: KR100809860B1; AU2001287142A1; JP2004527778A; TW557584B; EP1354227A2; EP1354227B9; CN1239930C; ATE314669T1; DE60116381D1; US6493497B1; WO2002027362A2; WO2002027362A3; CN1543580A; EP1354227B1; KR20030051676A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrooptische Strukturen und Bauteile und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung und insbesondere auf eine verbesserte elektrooptische Struktur und auf ein Verfahren zum monolithischen Integrieren der elektrooptischen Struktur bei Siliciumbauteilen und Schaltungen.
Hintergrund der Erfindung
Für gewöhnlich übertragen Kommunikationssysteme Informationen von einem Ort zu einem anderen. Information wird meist von einer elektromagnetischen Trägerwelle übertragen, deren Frequenz von ein paar Megahertz (MHz) bis zu mehreren hundert Terahertz (THz) reichen kann. Üblicherweise verwenden optische Kommunikationssysteme hohe Trägerfrequenzen (z. B. 100 THz) im sichtbaren oder nahen infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
Wellenleiter werden verwendet, um die Richtung von Wellen, wie z. B. Lichtwellen und anderen elektromagnetischen Wellen, zu steuern. In der einfachsten Form umfasst ein Wellenleiter einen Kern, der zumindest zum Teil von einem Mantel umgeben ist, dessen Brechungsindex niedriger ist als der des Kerns. Die Welle wandert durch den Kern, wobei sie von dem Mantel reflektiert wird. Falls der Mantel über einen höheren Brechungsindex verfügt als der Kern, wird die Welle einfach in den Mantel absorbiert und wird nicht durch den Kern wandern.
Strontium-Barium-Niobat (SBN) ist stark photorefraktives Material und in den letzten Jahren wurde ihm auf Grund seiner potentiellen Anwendungsmöglichkeiten in der Elektrooptik, holografischer Speicherung, räumlichen Lichtmodulatoren, pyroelektrischen Detektoren, Oberflächenwellengeräten und der Strahlsteuerung viel Aufmerksamkeit zuteil. SBN-Wellenleiter weisen eine hohe Kompatibilität mit integrierten optischen Systemen und anderen miniaturisierten Bauteilen auf.
Die überwiegende Mehrheit von diskreten Halbleiterbauteilen und integrierten Schaltungen wird, zumindest zum Teil auf Grund der Verfügbarkeit von kostengünstigen monokristallinen Siliciumsubstraten hoher Qualität, aus Silicium hergestellt.
Die Kombination der nützlichen Eigenschaften von SBN mit Halbleiterschaltungen ist ebenfalls wünschenswert. Falls SBN Wellen leitende Schichten auf Siliciumsubstraten hergestellt werden könnten, würde das helfen, die Kluft zwischen integrierter Optik und Mikroelektronik zu überbrü cken. Falls eine Wellen leitende Schicht aus monokristallinem Material von hoher Qualität auf einem massiven Wafer, wie z. B. einem Siliciumwafer, realisiert werden könnte, könnte eine integrierte Bauteilstruktur erzielt werden, die Vorteil aus den besten Eigenschaften sowohl des Siliciums als auch des Wellen leitenden Materials zieht. Des Weiteren könnte die Kombination zu neuen elektrooptischen und mikroelektronischen Bauteilen führen, bestehende Bauteile verbessern und ihre Herstellungskosten reduzieren.
Verschiedene Versuche wurden gemacht, um SBN-Schichten auf massiven Substraten zu integrieren.
Zum Beispiel wies die Kombination von SBN-Schicht auf einem MgO (Magnesiumoxid)-Substrat einige Vergünstigung auf Grund des niedrigeren Brechungsindex von MgO auf, was zu einem Brechungsindexunterschied von 0,5 führte. Jedoch sind für Integrationszwecke Siliciumsubstrate sehr viel wünschenswerter.
Ein weiterer Versuch, von X L Guo et al. "Pulsed Laser Deposition of Sr_xBa_1-xNb₂ O₆/MgO Bilayered Films on Si Wafer in Waveguide Form" J Phys. D: Appl. Phys. 29, 1996, Seiten 1632–35, lehrt ein Verfahren zur Herstellung von SBN/MgO-Bilayer-Schichten auf P-Typ-Siliciumwafern. Die Bilayer-Schicht weist ein polykristallines Wachstum von SBN-Schichten und hoch texturiertes Wachstum von MgO-Pufferschichten auf. Die Referenz konstatiert, dass weitere Versuche unternommen werden, um die Kristallinität der SBN-Schicht zu verbessern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird als Beispiel und nicht Beschränkung in den begleitenden Figuren dargestellt, in denen gleiche Verweise gleiche Elemente kennzeichnen, und in denen:
1, 3 und 5 schematisch, im Querschnitt, Wellenleiterstrukturen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung darstellen;
2 die Relation zwischen maximal erreichbarer Schichtdicke und Gitterfehlanpassung zwischen einem Wirtskristall und einer gewachsenen kristallinen Überschicht darstellen; und
4 und 6 schematisch im Querschnitt eine Draufsicht von Wellenleiterstrukturen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
Es versteht sich für Fachleute, dass Elemente in den Figuren zur Einfachheit und Übersichtlichkeit dargestellt werden und nicht unbedingt maßstabsgerecht gezeichnet sind. Zum Beispiel können die Maße einiger Elemente in den Figuren im Vergleich zu anderen Elementen übertrieben sein, um ein Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbessern zu helfen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt schematisch, im Querschnitt, einen Abschnitt einer Wellenleiterstruktur 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Die Struktur 20 umfasst ein monokristallines Substrat 22, eine Anpassungspufferschicht 24, die ein monokristallines Material umfasst, eine untere Mantelschicht 26 aus monokristallinem Material, eine Kernschicht 28 aus monokristallinem Material und eine obere Mantelschicht 30 aus monokristallinem Material. In diesem Zusammenhang hat der Begriff "monokristallin" die allgemein in der Halbleiterindustrie verwendete Bedeutung. Der Begriff bezieht sich auf Materialien, die ein Einkristall sind oder die im Wesentlichen ein Einkristall sind und umfasst diejenigen Materialien, die eine relativ geringe Anzahl an Fehlern, wie z. B. Versetzungen und ähnlichem, aufweisen, wie sie üblicherweise in Substraten aus Silicium oder Germanium oder Mischungen aus Silicium und Germanium und epitaktischen Schichten aus solchen Materialien vorkommen, die man in der Halbleiterindustrie üblicherweise findet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Struktur 20 auch eine amorphe Zwischenschicht 32, die zwischen dem Substrat 22 und der Anpassungspufferschicht 24 platziert ist. Die amorphe Zwischenschicht hilft, die Spannung in der Anpassungspufferschicht abzubauen und trägt dadurch zum Wachstum einer Anpassungspufferschicht von hoher kristalliner Qualität bei.
Das Substrat 22 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein monokristalliner Halbleiterwafer, vorzugsweise von großem Durchmesser. Der Wafer kann aus einem Material aus Gruppe IV des Periodensystems und vorzugsweise ein Material aus Gruppe IVA sein. Beispiele von Gruppe IV-Halbleitermaterialien umfassen Silicium, Germanium, gemischtes Silicium und Germanium, gemischtes Silicium und Kohlenstoff, gemischtes Silicium, Germanium und Kohlenstoff und ähnliches. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Substrat 22 um einen Wafer, der Silicium oder Germanium umfasst, und am meisten bevorzugt handelt es sich um einen monokristallinen Siliciumwafer hoher Qualität, wie in der Halbleiterindustrie verwendet, mit einem Durchmesser von etwa 200–300 mm.
Die Anpassungspufferschicht 24 ist vorzugsweise ein wegen seiner kristallinen Kompatibilität mit dem darunter liegenden Substrat und mit dem darüber liegenden Verbindungshalbleitermaterial ausgewähltes monokristallines Oxidmaterial. Zum Beispiel könnte es sich bei dem Material um ein Oxid handeln, das über eine Gitterstruktur verfügt, die im Wesentlichen an das Substrat und an das anschließend aufgebrachte Mantelmaterial angepasst ist. Materialien, die für die Anpassungspufferschicht geeignet sind, umfassen Metalloxide, wie z. B. die Erdalkalimetall-Titanate, und können üblicherweise zumindest zwei verschiedene metallische Elemente umfassen. In einigen spezifischen Anwendungsbereichen können die Metalloxide drei oder mehr verschiedene metallische Elemente umfassen.
Das Mantel- und Kernmaterial der Schichten 26, 28 und 30 kann wie für eine bestimmte Wellenleiterstruktur erforderlich ausgewählt werden. Um eine Total- oder zumindest im Wesentlichen Totalreflexion zu erhalten, wird der Kern 28 aus einem Material gebildet, das über einen anderen Brechungsindex verfügt als das Material, das verwendet wird, um die oberen und unteren Mantelschichten 30 und 26 zu bilden. Insbesondere ist der Brechungsindex vom Kern 28 größer als der Brechungsindex der oberen und unteren Mantelschichten 30 und 26, die entsprechend aus demselben Material gebildet werden können. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform verfügt das für den Kern 28 ausgewählte Material über einen Brechungsindex von n₁ und das für die oberen und unteren Mantelschichten 30 und 26 ausgewählte Material ver fügt über einen Brechungsindex von n₂ beziehungsweise n₃, wobei n₁ > n₂ und n₁ > n₃.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Kernschicht 28 und den Mantelschichten 26 und 30 um stark photoreaktive Materialien, wie z. B. Strontium-Barium-Niobat (SBN). Die Dicke jeder SBN-Schicht ist abhängig von der bestimmten Wellenlänge von übertragener Energie. Im Allgemeinen arbeiten optische Wellenleiter in dem sichtbaren bis nahen infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. In dieser Ausführungsform wird eine untere Mantelschicht 26, die über einen Brechungsindex n₃ verfügt, über einer Pufferschicht 24 aufgebracht. Die Mantelschicht 26 kann SBN:60 sein, wobei 60 das Verhältnis von Strontium zu Barium bezeichnet, und n₃ kann gleich 2,33 sein. Die Kernschicht 28 wird über der unteren Mantelschicht aufgebracht und verfügt vorzugsweise über einen Brechungsindex n₁ höher als n₃. Die Kernschicht 28 kann SBN:75 sein und n₁ kann gleich 2,35 sein. Die obere Mantelschicht 30 kann dann über der Kernschicht 28 aufgebracht werden. In einem bestimmten Aspekt dieser Ausführungsform ist die obere Mantelschicht 30 dasselbe Material wie die untere Mantelschicht 26 (d. h. SBN:60, n₁ = 2,33). Jedoch, wie unten ausführlicher erörtert wird, ist es nicht nötig, eine zusätzliche Mantelschicht über dem Kern aufzubringen, falls das umgebende Medium über einen niedrigeren Brechungsindex verfügt als der Kern (z. B. Luft, die über einen Brechungsindex gleich 1 verfügt).
In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den Mantelschichten 26 und 30 um Magnesiumoxid (MgO) mit einem Brechungsindex von 1,78 (n₂ und n₃ gleich 1,78). Die Kernschicht 28 ist SBN:50 zu SBN:75 und vorzugsweise SBN:75 auf Grund des höheren Brechungsindex von SBN:75. Jedoch ist SBN:50 zu SBN:75 ebenso geeignet für diese Ausführungsform wie die vorher erörterte Ausführungsform.
Diese Ausführungsform, ebenso wie die vorher erörterte Ausführungsform, beschreiben eine symmetrische Konfiguration, wobei die Mantelschichten "symmetrisch" um den Kern sind. Es sollte sich jedoch verstehen, dass alle Konfigurationen, symmetrische und antisymmetrische, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden. Wie unten ausführlicher erörtert wird, umfassen antisymmetrische Konfigurationen Mantelmaterialien, die nicht vom selben Brechungsindex sind. Zum Beispiel kann die untere Mantelschicht über einen Brechungsindex verfügen, der größer oder kleiner ist als die obere Mantelschicht, jedoch ist auf jeden Fall der Kernbrechungsindex allgemein höher als beide Mantelschichten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine amorphe Zwischenschicht 32 auf einem Substrat 22 an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 22 und der wachsenden Anpassungspufferschicht gebildet. Die amorphe Zwischenschicht 32 ist vorzugsweise ein durch die Oxidation von Substrat 22 gebildetes Oxid und wird insbesondere bevorzugt aus einem Siliciumoxid (SiO_x) während des Wachstums der Schicht 24 gebildet. Die Dicke der Schicht 32 ist ausreichend, um eine Spannung abzubauen, die auf Fehlanpassungen zwischen den Gitterkonstanten des Substrats 22 und der Anpassungspufferschicht 24 zurückzuführen sind (üblicherweise im Bereich von etwa 0,5–5,0 nm). Wie hier verwendet, bezieht sich Gitterkonstante auf den Abstand zwischen Atomen einer Zelle, gemessen auf der Ebene der Oberfläche. Falls diese Spannung durch die amorphe Zwischenschicht nicht abgebaut wird, kann die Spannung zu Fehlern in der kristallinen Struktur der Anpassungspufferschicht führen. Fehler in der kristallinen Struktur der Anpassungspufferschicht wiederum würden es schwierig machen, eine kristalline Struktur hoher Qualität in den monokristallinen Schichten 26, 28 und 30 zu erzielen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Anpassungspufferschicht 24 um eine monokristalline Schicht aus Sr_zBa_1-zTiO₃, wobei z von 0–1 reicht, und bei der amorphen Zwischenschicht 32 handelt es sich um eine Schicht aus Siliciumoxid (SiO_x), die auf der Grenzfläche zwischen dem Siliciumsubstrat und der Anpassungspufferschicht gebildet wird. Der Wert von z kann ausgewählt werden, um eine oder mehr Gitterkonstanten zu erhalten, die genau an entsprechende Gitterkonstanten der anschließend gebildeten Mantelschicht 26 angepasst sind. Die Anpassungspufferschicht kann über eine Dicke von ein paar Monoschichten bis zu Hunderten von Angström (100 Å) verfügen. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, über eine Anpassungspufferschicht zu verfügen, die so dick ist, dass die einzelne Kristalloxidschicht von dem Substrat isoliert wird, um die erwünschten elektrischen und optischen Eigenschaften zu erhalten. Schichten, die dicker sind als 100 nm, stellen gewöhnlich kaum Zusatznutzen zur Verfügung, während die Kosten sich unnötigerweise erhöhen; jedoch können dickere Schichten falls erforderlich hergestellt werden. In dieser Ausführungsform kann die amorphe Zwischenschicht aus Siliciumoxid über eine Dicke von etwa 0,5–5 nm verfügen und vorzugsweise über eine Dicke von 1,5–2,5 nm.
Bei dem Substrat 22 handelt es sich um ein monokristallines Substrat, wie z. B. ein monokristallines Siliciumsubstrat. Die kristalline Struktur des monokristallinen Substrats ist durch eine Gitterkonstante und durch eine Gitterorientierung gekennzeichnet. Auf gleiche Weise handelt es sich bei der Anpassungspufferschicht 24 ebenfalls um ein monokristallines Material und das Gitter von demjenigen monokristallinen Material ist durch eine Gitterkonstante und eine Kristallorientierung gekennzeichnet. Die Gitterkonstanten der Anpassungspufferschicht und des monokristallinen Substrats müssen genau angepasst sein oder müssen alternativ so sein, dass bei Drehung einer Kristallorientierung bezüglich der anderen Kristallorientierung ein wesentliches Anpassen in den Gitterkonstanten erzielt wird. In diesem Zusammenhang bedeuten die Begriffe "im Wesentlichen gleich" und "im Wesentlichen angepasst", dass ausreichende Ähnlichkeit zwischen den Gitterkonstanten vorhanden ist, um das Wachstum einer kristallinen Schicht hoher Qualität auf der darunter liegenden Schicht zu ermöglichen.
2 stellt graphisch die Relation der erreichbaren Dicke einer gewachsenen Kristallschicht von hoher kristalliner Qualität als eine Funktion der Fehlanpassung zwischen den Gitterkonstanten des Wirtskristalls und des gewachsenen Kristalls dar. Die Kurve 42 stellt die Grenze von Material hoher kristalliner Qualität dar. Der Bereich zur Rechten der Kurve 42 verkörpert Schichten, die eine große Anzahl an Fehlern aufweisen. Mit keiner Gitterfehlanpassung ist es theoretisch möglich, eine unendlich dicke epitaktische Schicht hoher Qualität auf dem Wirtskristall wachsen zu lassen. Mit zunehmender Fehlanpassung in den Gitterkonstanten nimmt die Dicke einer erzielbaren kristallinen Schicht hoher Qualität zusehends ab. Als ein Bezugspunkt, zum Beispiel, falls die Gitterkonstanten zwischen dem Wirtskristall und der gewachsenen Schicht um mehr als 2% falsch angepasst sind, können monokristalline epitaktische Schichten über etwa 20 nm hinaus nicht erzielt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat 22 ein (100) oder (111) orientierter monokristalliner Siliciumwafer und die Anpassungspufferschicht 24 ist eine Schicht aus Strontium-Barium-Titanat. Eine wesentliche Anpassung der Gitterkonstanten zwischen diesen zwei Materialien wird durch ein Drehen der Kristallorientierung des Titanatmaterials um 45° bezüglich der Kristallorientierung des Siliciumsubstratwafers erzielt. Der Einschluss in der Struktur der amorphen Zwischenschicht 32, in diesem Beispiel eine Siliciumoxidschicht, falls sie von ausreichender Dicke ist, dient dazu, die Spannung in der monokristallinen Titanatschicht zu reduzieren, die aus jeder Fehlanpassung in den Gitterkonstanten des Wirtssiliciumwafers und der gewachsenen Titanatschicht folgen kann. Als Folge ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine dicke monokristalline Titanatschicht hoher Qualität erzielbar.
Bezieht man sich wieder auf 1, ist die Mantelschicht 26 eine Schicht aus epitaktisch gewachsenem monokristallinen Material und dasjenige kristalline Material ist ebenfalls durch eine Kristallgitterkonstante und eine Kristallorientierung gekennzeichnet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich die Gitterkonstante der Schicht 26 von der Gitterkonstante des Substrats 22. Um in dieser epitaktisch gewachsenen monokristallinen Schicht 26 eine hohe kristalline Qualität zu erzielen, muss die Anpassungspufferschicht 24 von hoher kristalliner Qua lität sein. Darüber hinaus ist, um eine hohe kristalline Qualität in der Schicht 26 zu erzielen, eine wesentliche Anpassung zwischen der Kristallgitterkonstante des Wirtskristalls, in diesem Fall der monokristallinen Anpassungspufferschicht, und dem gewachsenen Kristall erwünscht. Mit richtig ausgewählten Materialien wird diese wesentliche Anpassung der Gitterkonstanten als ein Resultat einer Drehung der Kristallorientierung des gewachsenen Kristalls bezüglich der Orientierung des Wirtskristalls erzielt. Das folgende Beispiel veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Herstellen einer Wellenleiterstruktur, wie z. B. der in 1 dargestellten Struktur. Das Verfahren beginnt durch ein zur Verfügung stellen eines monokristallinen Halbleitersubstrats, das Silicium oder Germanium umfasst. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Halbleitersubstrat um einen Siliciumwafer mit einer (100) Orientierung. Das Substrat ist vorzugsweise auf Achse orientiert oder höchstens etwa 0,5° von der Achse. Zumindest ein Abschnitt des Halbleitersubstrats weist eine blanke Oberfläche auf, obgleich andere Abschnitte des Substrats, wie unten beschrieben, andere Strukturen umfassen können. Der Begriff "blank" in diesem Zusammenhang bedeutet, dass die Oberfläche in dem Abschnitt des Substrats gereinigt worden ist, um jegliche Oxide, Kontaminanten oder anderes Fremdmaterial zu beseitigen. Wie wohl bekannt ist, ist blankes Silicium hoch reaktiv und bildet leicht ein natürliches Oxid. Der Begriff "blank" soll solch ein natürliches Oxid umfassen. Ein dünnes Siliciumoxid kann auch vorsätzlich auf dem Halbleitersubstrat gebildet werden, obgleich solch ein gewachsenes Oxid für das Verfahren gemäß der Erfindung nicht wesentlich ist. Um eine über dem monokristallinen Substrat liegende monokristalline Oxidschicht epitaktisch wachsen zu lassen, muss die natürliche Oxidschicht zuerst entfernt werden, um die kristalline Struktur des darunter liegenden Substrats freizulegen. Zwar können auch andere epitaktische Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, doch wird das folgende Verfahren vorzugsweise durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) durchgeführt. Das natürliche Oxid kann entfernt werden, indem zuerst eine dünne Schicht aus Strontium, Barium, einer Kombination aus Strontium und Barium oder anderen Erdalkalimetallen oder Kombinationen aus Erdalkalimetallen in einer MBE-Vorrichtung thermisch aufgetragen wird. In dem Fall, wo Strontium verwendet wird, wird das Substrat dann auf eine Temperatur von etwa 750°C erwärmt, um das Strontium zu veranlassen, mit der natürlichen Siliciumoxidschicht zu reagieren. Das Strontium dient dazu, das Siliciumoxid zu reduzieren, um eine siliciumoxidfreie Oberfläche zu hinterlassen. Die sich daraus ergebende Oberfläche, die eine geordnete 2 × 1 Struktur aufweist, umfasst Strontium, Sauerstoff und Silicium. Die geordnete 2 × 1 Struktur bildet eine Schablone für das geordnete Wachstum einer darüber liegenden Schicht aus einem monokristallinen Oxid. Die Schablone stellt die nötigen chemischen und physikalischen Eigenschaften zur Verfügung, um das kristalline Wachstum einer darüber liegenden Schicht zu nukleieren.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das natürliche Siliciumoxid umgewandelt werden und die Substratoberfläche kann für das Wachstum einer monokristallinen Oxidschicht durch Aufbringen eines Erdalkalimetall-Oxids, wie z. B. Strontiumoxid, Strontium-Barium-Oxid oder Bariumoxid, auf die Substratoberfläche durch MBE bei einer niedrigen Temperatur und durch nachfolgendes Erwärmen der Struktur auf eine Temperatur von etwa 750°C hergestellt werden. Bei dieser Temperatur findet zwischen dem Strontiumoxid und dem natürlichen Siliciumoxid eine Festkörperreaktion statt, was die Reduktion des natürlichen Siliciumoxids bewirkt und eine geordnete 2 × 1 Struktur mit Strontium, Sauerstoff und Silicium auf der Substratoberfläche verbleibend hinterlässt. Das bildet erneut eine Schablone für das nachfolgende Wachstum einer geordneten monokristallinen Oxidschicht.
Im Anschluss an die Entfernung des Siliciumoxids von der Oberfläche des Substrats gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Substrat auf eine Temperatur in dem Bereich von etwa 200–800°C abgekühlt und durch Molekularstrahlepitaxie wächst eine Schicht aus Strontium-Titanat auf der Schablonenschicht. Das MBE-Verfahren wird eingeleitet durch ein Öffnen von Verschlüssen in der MBE-Vorrichtung, um Strontium, Titan und Sauerstoffquellen freizulegen. Das Verhältnis von Strontium und Titan beträgt etwa 1:1. Der Partialdruck des Sauerstoffs wird anfänglich auf einen Mindestwert festgesetzt, um stochiometrisches Strontium-Titanat bei einer Wachstumsrate von etwa 0,3–0,5 nm pro Minute wachsen zu lassen. Nach dem Auslösen des Wachstums des Strontium-Titanats wird der Partialdruck des Sauerstoffs über den anfänglichen Mindestwert erhöht. Der Überdruck des Sauerstoffs bewirkt das Wachstum einer amorphen Siliciumoxidschicht auf der Grenzfläche zwischen dem darunter liegenden Substrat und der wachsenden Strontium-Titanat-Schicht. Das Wachstum der Siliciumoxidschicht resultiert aus der Diffusion von Sauerstoff durch die wach sende Strontium-Titanat-Schicht zu der Grenzfläche, wo der Sauerstoff auf der Oberfläche des darunter liegenden Substrats mit Silicium reagiert. Das Strontium-Titanat wächst als ein geordneter Einkristall, wobei die kristallinen Orientierung um 45° bezüglich der geordneten 2 × 1 kristallinen Struktur des darunter liegenden Substrats gedreht wird. Eine Spannung, die ansonsten in der Strontium-Titanat-Schicht infolge der geringen Fehlanpassung in der Gitterkonstante zwischen dem Siliciumsubstrat und dem wachsenden Kristall vorhanden sein könnte, wird in der amorphen Siliciumoxidzwischenschicht abgebaut.
Nachdem die Strontium-Titanatschicht auf die erwünschte Dicke gewachsen ist, wird das monokristalline Strontium-Titanat durch eine Schablonenschicht bedeckt, die das nachfolgende Wachstum einer epitaktischen Schicht aus einem erwünschten Mantelmaterial fördert. Für das nachfolgende Wachstum einer Schicht aus SBN kann das MBE-Wachstum der Strontium-Titanat monokristallinen Schicht verschlossen werden, indem das Wachstum durch Aufbringen 1–2 atomarer Materialschichten, um eine Sr-O-Bindung zu bilden, beendet wird. Alternativ kann eine Ba-O-Bindung gebildet werden, falls es sich bei der Anpassungspufferschicht um Barium-Titanat handelt.
Ist die monokristalline Anpassungspufferschicht 24 erst einmal gebildet worden, kann ein monokristalliner Wellenleiter gebildet werden. In einer Ausführungsform wird eine Schicht aus SBN:60 durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) über der Schicht 24 aufgebracht und ist vorzugsweise achsorientiert zur Gitteranpassung. Die Kernschicht 28 aus vorzugsweise SBN:75 wird durch dasselbe Verfahren über der unteren Mantelschicht 26 aufge bracht. In einer symmetrischen Konfiguration wird der Kern durch dasselbe Mantelmaterial umgeben, in welchem Falle die Mantelschicht 30 aus SBN:60 über der Kernschicht aufgebracht werden kann. Die Kern- und Mantelschichtendicke variiert gemäß der Wellenlänge von Licht, eingeführt in den Wellenleiter (Kern).
3 veranschaulicht im Querschnitt einen Abschnitt einer Wellenleiterstruktur 40 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Struktur 40 ist der vorher beschriebenen Wellenleiterstruktur 20 ähnlich, außer dass die obere Mantelschicht weggelassen wird. Wie vorher erörtert, wird es vorgezogen, den Kern mit einem Material oder Stoff zu umgeben, die über einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern verfügen. Die Struktur 40 umfasst einen Kern 28 mit einem Brechungsindex n₁ und einen unteren Mantel 26 mit einem Brechungsindex n₃, wobei n₁ > n₃. In antisymmetrischen Systemen verfügen der obere und untere Mantel über unterschiedliche Brechungsindizes oder alternativ kann eine der Mantelschichten vollständig weggelassen werden. Die Welle, z. B. Lichtwelle, wird den Kern weiterhin mit wenig Verlust durchqueren, so lange der umgebende Mantel oder Medium über einen niedrigeren Brechungsindex verfügt als der Kern.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die untere Mantelschicht 26 einen Brechungsindex n₃ auf, die Kernschicht 28 weist einen Brechungsindex n₁ auf und Luft grenzt an die Kernschicht 28, wobei Luft im Allgemeinen einen Brechungsindex gleich 1 aufweist und 1 < n₁ > n₃.
Es sollte sich verstehen, dass die vorher beschriebenen Strukturen 20 und 40, ebenso wie die folgenden Strukturen, gemustert und geätzt werden können. Insbesondere können die Kern- und/oder Mantelschichten der Wellenleiter struktur in einer in der Halbleiterindustrie wohl bekannten Art und Weise gemustert und geätzt werden. Insbesondere können die interessanten Schichten in der Struktur gemustert und geätzt werden, um eine Wellenwanderung zu verbessern, einen Eingang und Ausgang der Welle zu definieren und ähnliches.
4 veranschaulicht schematisch, im Querschnitt, eine Draufsicht einer Wellenleiterstruktur 45 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Struktur 45 ist den vorher beschriebenen Wellenleiterstrukturen 20 und 40 ähnlich, außer dass die Wellenleiterstruktur 45 zusätzliche Elemente umfasst, um einen Modulator zu bilden. Insbesondere umfasst die Struktur 45 eine Struktur 46, die Kern und Mantelschichten umfasst, und eine Elektrode(n) 47.
Externe Modulatoren ändern die Eigenschaften der Wanderwelle üblicherweise durch Einbringen einer elektrischen Ladung oder Feldes in einen Bereich des Kerns. Zum Beispiel entsteht ein kontrolliertes elektrisches Feld, wenn die Elektroden 47 mit einer Spannung beaufschlagt werden. In diesem Beispiel kann eine Lichtwelle (dargestellt als hv) durch interne Reflexion von dem umgebenden Mantel oder Luft durch den Kern wandern. Die Spannung, mit der die Elektrode(n) 47 beaufschlagt werden, erzeugt ein bestimmtes elektrisches Feld oder Ladung auf der Bahn der Wanderwelle. Die Welleneigenschaften ändern sich (modulieren) in Gegenwart der elektrischen Effekte, wobei auf diese Weise das Wandermuster, Phase oder ähnliches der Wanderwelle (dargestellt als hv ') geändert (moduliert) wird.
In einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform wird ein elektrisches Bauteil, schematisch dargestellt durch eine gestrichelte Linie 48, in zumindest einem Teil des Sili ciumsubstrats unter Verwendung herkömmlicher Silicium-Bauteil-Verarbeitungsverfahren, die allgemein in der Halbleiterindustrie verwendet werden, gebildet. Das elektrische Bauteil 48 wird elektrisch mit der Elektrode(n) 47 verbunden, wie allgemein durch eine Linie 49 dargestellt. Bei dem Bauteil 48 kann es sich um ein aktives Halbleiterbauteil, zum Beispiel, eine integrierte Schaltung, wie z. B. eine CMOS integrierte Schaltung, handeln, das entsprechend konfiguriert ist, um ein elektrisches Signal an die Elektrode(n) 47 zur Verfügung zu stellen. Das Bauteil 48 kann, darüber hinaus oder in der Alternative, ein oder mehr passive Bauteile umfassen. Eine Schicht aus geeignetem Isoliermaterial (nicht dargestellt) kann über dem elektrischen Bauteil 48 liegen, um elektrische Kurzschlüsse und ähnliches zu verhindern.
5 veranschaulicht schematisch, im Querschnitt, einen Abschnitt einer Wellenleiterstruktur 50 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Struktur 50 ist den vorher beschriebenen Strukturen 20 und 45 ähnlich. Die Struktur 50 umfasst einen für eine Wellenwanderung geeigneten Kern 54. Wie dargestellt, umfasst die Struktur 50 eine obere Mantelschicht von vorzugsweise niedrigerem Brechungsindex als der Brechungsindex des Kerns 54. Es sollte sich jedoch verstehen, dass die obere Mantelschicht weggelassen werden kann (wie in 3 dargestellt), und ein geeignetes Medium, wie z. B. Luft, mit einem niedrigeren Brechungsindex als der Kern 54 an den Kern angrenzen kann.
Die Struktur 50 umfasst darüber hinaus ein oder mehr Elektrode(n) 56 über einer Schicht aus dielektrischem Material 52. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Struktur 50, wie vorher für die Strukturen 20, 40 und 45 beschrieben, gebildet werden. Die Schichten, die die Struktur 50 bilden, können dann rück geätzt werden, um das Substrat in verschiedenen Bereichen freizulegen. Zum Beispiel kann die Struktur 50 rück geätzt werden, um eine "Mesa" zu bilden, die, zwischen anderen Schichten, die Kern- und Mantelschichten umfasst. Ein dielektrischer Stoff 52 kann dann in den an die verbleibende Mesa angrenzenden Bereichen aufgebracht werden. Ein geeignetes Dielektrikum umfasst Materialien, wie z. B. SiO₂ und SiN₃. Die Elektrode(n) 56 können dann über der dielektrischen Schicht(en) 52 platziert werden und mit der Mesa elektrisch verbunden werden. In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Ausführungsform wird ein elektrisches Bauteil 58 mit der Elektrode(n) 56 elektrisch verbunden, um die elektrische Ladung oder Feld zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise wird eine monolithische Integration von Oxid basierten elektrooptischen Bauteilen bei Siliciumschaltungen vollauf realisiert.
6 veranschaulicht schematisch, im Querschnitt, eine Draufsicht einer Wellenleiterstruktur 60 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Struktur 60 wird in jedem der vorher beschriebenen Verfahren hergestellt und wird darüber hinaus in einer Mach-Zehnder-, oder ähnlichen, Konfiguration hergestellt. Die Mach-Zehnder-Interferometer-Anordnung 62 umfasst zwei Arme, die bewirken, dass sich die Wanderwelle (dargestellt als hv) teilt und fortfährt, zwei identische, dennoch entfernte Bahnen hinunter zu wandern. In der Abwesenheit von externer Spannung erfahren die optischen Felder in den zwei Armen des Mach-Zehnder-Interferometers identische Phasenänderungen und interferieren konstruktiv. In einem Arm des Interferometers können ein oder mehr Elektrode(n) 64 mit einer Spannung beaufschlagt werden, die die entsprechende Welle (allgemein als "modulierte" Lichtwelle hv' dargestellt) Phasen verändern kann. Die zusätzliche Phasenänderung kann die konstruktive Beschaffenheit der Interferenz zerstören und die übertragene Intensität reduzieren. Insbesondere kann kein Licht übertragen werden, wenn die Phasendifferenz auf Grund von in demjenigen Falle stattfindender schädlicher Interferenz zwischen den zwei Armen gleich π (pi). Als Folge können die elektrischen "Schalt" Eigenschaften des Modulators die Menge an Licht oder dessen Mangel steuern. Ein elektrisches Bauteil 66, das zumindest zum Teil in dem Substrat der Struktur 60 (z. B. Siliciumhalbleitersubstrat) gebildet wird, kann entsprechend mit der Elektrode(n) 64 verbunden werden, um das für eine Modulation erforderliche elektrische Signal zur Verfügung zu stellen.
Das oben beschriebene Verfahren veranschaulicht ein Verfahren zum Bilden einer Wellenleiterstruktur, die ein Siliciumsubstrat, eine darüber liegende Oxidschicht und monokristalline Kern- und Mantelschichten umfasst, ist in geeigneter Weise durch MBE- und MOCVD-Verfahren beschrieben. Es sollte sich jedoch verstehen, dass jedes der oben ausführlich beschriebenen Verfahren auch durch das Verfahren der chemischen Abscheidung aus der Gasphase (CVD), physikalischer Abscheidung aus der Dampfphase (PVD), gepulster Laserdeposition (PLD) oder ähnlichem ausgeführt werden kann.
In der vorangehenden Spezifikation wurde die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Jedoch versteht es sich für einen ordentlichen Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung wie in den Ansprüchen unten dargelegt abzuweichen. Demgemäß sind die Spezifikation und Figuren in einem veranschaulichenden eher als einem einschränkenden Sinn zu betrachten, und all solche Modifikationen sollen innerhalb des Umfangs von vorliegender Erfindung umfasst werden.
Nutzen, andere Vorteile und Lösungen für Probleme wurden oben mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Jedoch sind die Nutzen, Vorteile, Lösungen für Probleme und jegliches Element(e), die dazu führen, dass ein Nutzen, Vorteil oder Lösung auftritt oder deutlicher hervortritt, nicht als entscheidende, erforderliche oder wesentliche Merkmale oder Elemente von einem oder all den Ansprüchen auszulegen. Wie hier verwendet, sollen die Begriffe "umfasst", "umfassend" oder jede Variante hiervon einen nicht exklusiven Einschluss umfassen, so dass ein Verfahren, Methode, Gegenstand oder Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfassen, nicht nur diejenigen Elemente umfassen, sondern andere Elemente umfassen kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind, oder solchem Verfahren, Methode, Gegenstand oder Vorrichtung immanent sind.

Claims

Materialstruktur, die umfasst: ein monokristallines Halbleitersubstrat, das über eine erste Gitterkonstante verfügt; dadurch gekennzeichnet, dass: eine monokristalline Oxidschicht, die über eine zweite Gitterkonstante verfügt, über dem Substrat liegend gebildet wird; eine Kernschicht über der Oxidschicht gebildet wird; und eine Mantelschicht angrenzend an die Kernschicht gebildet wird; wobei die ersten und zweiten Gitterkonstanten im Wesentlichen angepasst sind.
Struktur nach Anspruch 1, wobei das monokristalline Halbleitersubstrat Silizium umfasst.
Struktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Oxidschicht ein aus der Gruppe bestehend aus Alkali-Erdmetall-Titanaten ausgewähltes Oxid umfasst.
Struktur nach Anspruch 3, wobei die Oxidschicht Sr_zBa_1-zTiO₃ umfasst, wobei z in einem Wertebereich zwischen 0 und 1 liegt.
Struktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kernschicht monokristallines Strontium-Barium-Niobat (SBN) umfasst.
Struktur nach Anspruch 5, wobei die Kernschicht SBN:75 umfasst.
Struktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Mantelschicht monokristallines Strontium-Barium-Niobat (SBN) umfasst.
Struktur nach Anspruch 7, wobei die Mantelschicht SBN:60 umfasst.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Mantelschicht monokristallines Magnesiumoxid (MgO) umfasst.
Struktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche eine zweite Mantelschicht umfasst.
Struktur nach Anspruch 10, welche eine symmetrische Konfiguration umfasst.
Struktur nach Anspruch 10, welche eine antisymmetrische Konfiguration umfasst.
Struktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche darüber hinaus eine zwischen dem Substrat und der Oxidschicht gebildete amorphe Schicht umfasst.
Struktur nach Anspruch 13, wobei die amorphe Schicht ein Oxid umfasst.
Struktur nach Anspruch 14, wobei die amorphe Schicht Siliziumoxid umfasst.
Struktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher es sich um eine Wellenleiterstruktur handelt.
Struktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche darüber hinaus einen Wellenmodulator umfasst.
Struktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche eine Wellenmodulationsstruktur umfasst und eine Elektrode in elektrischer Kommunikation mit der Kernschicht umfasst.
Struktur nach Anspruch 18, welche darüber hinaus ein elektrisches Bauteil zumindest zum Teil in dem Substrat umfasst, wobei das Bauteil elektrisch mit der Elektrode verbunden ist.
Struktur nach Anspruch 19, wobei das Bauteil ein Silizium basiertes Bauteil umfasst.
Struktur nach Anspruch 20, wobei das Bauteil ein CMOS-Bauteil umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Materialstruktur, welches die Schritte umfasst: ein monokristallines Halbleitersubstrat zur Verfügung zu stellen, das über eine erste Gitterkonstante verfügt; gekennzeichnet durch: Bilden einer über dem Substrat liegenden monokristallinen Oxidschicht, die über eine zweite Gitterkonstante verfügt; Bilden einer Kernschicht über der Oxidschicht; und Bilden einer Mantelschicht zumindest zum Teil um die Kernschicht; wobei die ersten und zweiten Gitterkonstanten im Wesentlichen angepasst sind.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt zum Bilden einer monokristallinen Oxidschicht ein epitaktisches Wachsen der Oxidschicht durch ein Verfahren, das aus der Gruppe bestehend aus Molekularstrahlepitaxie, chemischer Abscheidung aus der Gasphase, physikalischer Abscheidung aus der Dampfphase und gepulster Laserdeposition ausgewählt wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt zum Bilden einer monokristallinen Oxidschicht ein epitaktisches Wachsen einer Schicht umfasst, wobei die Schicht die Sr_zBa_1-zTiO₃ umfasst und z in einem Wertebereich zwischen 0 und 1 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, welches darüber hinaus den Schritt zum Bilden eines symmetrischen Wellenleiters umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, welches darüber hinaus den Schritt zum Bilden eines antisymmetrischen Wellenleiters umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei der Schritt zum Bilden einer Kernschicht das Aufbringen einer Schicht aus Strontium-Barium-Niobat (SBN) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Schritt zum Aufbringen durch ein Verfahren, das aus der Gruppe bestehend aus metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung, gepulster Laserdeposition, chemischer Abscheidung aus der Gasphase und Molekularstrahlepitaxie ausgewählt wird, stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, wobei der Schritt zum Bilden einer Kernschicht darüber hinaus Achsorientierung umfasst, um die Kernschicht und die darunter liegenden Schicht bezüglich des Gitters anzupassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, wobei der Schritt zum Bilden einer Mantelschicht das Aufbringen einer Schicht aus Strontium-Barium-Niobat (SBN) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 30, wobei der Schritt zum Bilden einer Mantelschicht das Bilden einer monokristallinen Mantelschicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31, wobei der Schritt zum Bilden einer Mantelschicht umfasst: Bilden einer unteren Mantelschicht über der Oxidschicht; und Bilden einer oberen Mantelschicht über der Kernschicht, wodurch die Mantelschichten die Kernschicht im Wesentlichen umgeben.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Bilden einer oberen Mantelschicht darüber hinaus das Bilden einer symmetrischen Struktur umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 33, und wobei das Verfahren zum Bilden einer Wellenleiterstruktur ausgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 34, und welches das Bilden eines Wellenmodulators in elektrischer Kommunikation mit der Kernschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei der Schritt zum Bilden eines Wellenmodulators das Bilden eines Mach-Zehnder-Interferometers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei der Schritt zum Bilden eines Wellenmodulators umfasst: Rückätzen der Schichten, um das Substrat freizulegen, um eine Mesa zu bilden, wobei die Mesa die Kern- und Mantelschichten umfasst; Aufbringen eines dielektrischen Materials in den rückgeätzten Bereich; und Bilden einer Elektrode über dem dielektrischen Material.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Schritt zum Aufbringen eines dielektrischen Materials das Aufbringen von Siliziumoxid oder Siliziumnitrid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 37, das darüber hinaus die Schritte umfasst: Bilden eines elektrischen Bauteils zumindest zum Teil in dem Substrat; und elektrisches Verbinden des Bauteils mit der Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei der Schritt zum Bilden das Bilden einer Silizium basierten integrierten Schaltung zumindest zum Teil in dem Substrat umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 40, wobei der Schritt zum Bilden einer Kernschicht das Bilden einer monokristallinen Kernschicht umfasst.