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JPS6329418B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPS6329418B2
JPS6329418B2 JP541583A JP541583A JPS6329418B2 JP S6329418 B2 JPS6329418 B2 JP S6329418B2 JP 541583 A JP541583 A JP 541583A JP 541583 A JP541583 A JP 541583A JP S6329418 B2 JPS6329418 B2 JP S6329418B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
electro
integrated device
optical integrated
main
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP541583A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS58180056A (ja
Inventor
Arekisandaa Koopurando Saado Jon
Edowaado Miraa Sutewaato
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AT&T Corp
Original Assignee
AT&T Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AT&T Technologies Inc filed Critical AT&T Technologies Inc
Publication of JPS58180056A publication Critical patent/JPS58180056A/ja
Publication of JPS6329418B2 publication Critical patent/JPS6329418B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/80—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water
    • H04B10/801—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water using optical interconnects, e.g. light coupled isolators, circuit board interconnections
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F55/00—Radiation-sensitive semiconductor devices covered by groups H10F10/00, H10F19/00 or H10F30/00 being structurally associated with electric light sources and electrically or optically coupled thereto

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
技術分野 本発明は基板上に複数のエピタキシアル層を備
えた光導波路を具備する電気−光学集積装置に関
する。 発明の背景 高速論理回路は大規模で複雑な半導体チツプに
製造されている。現在、これらの半導体チツプは
完全に電子デバイスで作られている。もし、これ
らのチツプが完全に電子式であり続けるならば、
チツプが外部信号を取扱うことができる速度は、
チツプの或る部分から他の部分への電気信号を送
出するのに要する時間により制限されよう。駆動
デバイスのRC時定数とチツプ上の比較的長い接
続導体とはチツプの速度を決定するために最も重
要な要因であろう。チツプ上の信号が光信号によ
り伝達されるものであるならば、大規模高速度集
積回路をさらに高速で動作させるように作ること
ができる。実質的に、導波路の一端が光源、すな
わちエミツタであつて他端が検出器であるような
光導波路により導体を置換えることができる。 発明の概要 本発明による高速の多層光集積回路において
は、少なくとも３個の独立した半導体層のグルー
プが基板上に作られ、発光と、光伝送と、光検出
とから成る３種類の光デバイス機能のひとつを実
行するために各グループがそれぞれ最適化されて
いる。各グループの層は主要な多層を有すると共
に、最上部の主要な多層がデバイス表面上に置か
れている点を除いては、主要な多層の上と下とに
一層以上の第２の多層を有するものである。第２
の多層は大きい禁止帯幅エネルギを有するもので
あり、これにより同一グループにある主要な多層
よりも屈折率が低い。本実施例においては、単一
の層が２つのグループの多層に対して第２の多層
として働らき、これにより、与えられた層はその
上と下とに存在する主要な多層に対して第２の多
層として働らくものである。 ３個の主要な多層は発光と、光伝送と、光検出
とを行なうために使用され、それらの間の禁止帯
幅エネルギはきわめて特有の関係を有する。光導
波あるいは光伝送を行なうために使用される主要
な層は、この層が最大の禁止帯幅エネルギE1を
有するようにして製造する。発光を行なうための
主要な層はE1よりも小さな禁止帯幅E2を有する
ようにしている。最後に、光検出を行なうための
主要な層は、発光をするための主要な層の禁止帯
幅エネルギよりも小さな禁止帯幅E3を有するよ
うに製造されている。これらの要求は次の数学的
関係により表わすことができる。 E1＞E2＞E3 本実施例においては、多層光集積回路はIn Ga
As Ｐ材料系により作られた半導体チツプに構成
されている。光源にエネルギを与えると共に検出
された光学系の信号を増幅を行なうためのFET
デバイスを製造することができるように、燐化イ
ンジウム上に最初に２つの追加層を成長させてい
る。他の実施例においては、半導体デバイスの光
学部分の主要な多層、および第２の層として使用
されている各層を使つて電気デバイスを作ること
ができる。 実施例の説明 次に、本発明について図面を参照して詳細に説
明する。 大規模集積回路１１を作るための半導体チツプ
１０を第１図に示す。第１図において、チツプ上
の信号を発光デバイス１６に対して電気的に結合
し、この電気信号を光信号に変換するためには電
界効果形トランジスタ１５を使うことができる。
光信号は光導波路１７により光検出器１８に結合
され、光検出器１８は電気信号を電界効果形トラ
ンジスタ１９のゲートに与えている。このように
して、半導体チツプ１０の下の左側部分からの電
気信号は、半導体チツプの下の右側部分に高速で
結合されている。単一の半導体デバイス上で光学
回路と電子回路とを組合せることは、光電子工学
と言われる技術分野の当業者により既に行なわれ
ている。チツプの或る部分を他の部分へ同様にし
て電子光学的に結合することは、半導体チツプ１
０の他の領域に構成された他の光源と、光導波路
と、光検出器とにより達成することができる。 第１図の素子１５〜１９により構成されている
形の回路の系統図を第４図に示す。第４図におい
ては、ソースがバイアスされていて、ドレーンが
導体により発光ダイオード１６に対して接続され
ている電界効果形トランジスタのゲートに電気信
号が印加されている。ダイオード１６により発光
した導波路１７により光検出器１８に伝達され、
光検出器１８は電気信号を第２の電界効果形トラ
ンジスタ１９のゲートに結合するためのものであ
る。FET１９のドレーンはバイアスされていて、
そのソースは半導体チツプの第２の領域において
使用される出力信号を与えるためのものである。 本発明によれば、第４図に示した機能は第２図
に示した多層光集積回路により具備されている。
第２図に示すデバイスの製造は、次に説明する方
法を使つて下記表に示すところに従つて達成さ
れる。
【表】
【表】 簡単には、主要な層２０７は光エネルギの発生
に適した禁止帯幅を有する材料で作られている。
第２図に示すデバイスにおいては、主要な層２１
０とその上のクラツド層２１１とにテーパをつけ
た形状を採用することにより、層２０７からの光
エネルギは幾分、層２１０に結合されていて、層
２１０は多層光学集積回路の２区画間で導波路と
して作用する。主要な層２１０の遠隔端において
は、層２１０とクラツド層２１１とにおける同様
なテーパは、第２図におけるデバイスの各層を通
つて、導波された光エネルギを反射し、他の２つ
の禁止帯幅のどちらかよりも低い禁止帯幅を有す
るように作られた主要な層２０５に対して伝達さ
れているため、テーパは光エネルギの検出器とし
て動作させることができる。前記表に示したよ
うに、発光と、光検出と、光導波とを行なうため
の主要な多層は高い禁止帯幅エネルギを有する第
２の層により取巻かれていて、屈折率が低い。 デバイスの製造は第２図に示されていて、前記
表において燐化インジウム基板２０１上で規定
されたエピタキシアル層２０２〜２１１を成長さ
せることにより開始する。それぞれの不純物添加
層の厚さとその組成とは、前記表に示してあ
る。この成長は標準の半導体成長技術を使い、液
相エピタキシを使用して達成できる。前記表に
示すように、得られたウエハはｐ形層とｎ形層と
を交互に形成した多層と、禁止帯幅エネルギを変
えるために厚さと化学的組成とを変えた一群の層
とを具備して成立つものである。 本実施例においては、発光と光検出とに使用す
べきデバイス領域は、ｐ形材料により完全に取巻
かれたｎ形層領域を形成するためのマスクを介し
て亜鉛を拡散することにより分離されている。こ
れらのｎ形材料領域は、第２図に示されているよ
うなｐ形ドーナツツ形材料により領域２２０，２
２１として完全に取巻かれている。これらの領域
の構造は第３図にも示してあり、第３図は第２図
に示したデバイスの頂面図である。第３図に示す
ように、亜鉛を不純物として添加した領域は本質
的にドーナツツ形であり、第２図に示すようにバ
ツフア層２０３の深さ方向に亜鉛は拡散されてい
る。 半導体チツプの処理における次のステツプの必
要性を理解するために、チツプの或る領域から他
の領域へと、光波を導びく独特の方法に関係した
本発明の特徴をまず最初に理解することが必要で
ある。この独特の方法は第５図に示す形のリツジ
装荷形導波路構造を含むものである。第５図に示
すように、層２１０は層２０９に対して有限の幅
を有するものであり、頂部のクラツド層２１１に
より装荷されている層２１０の領域のもとでの
み、層２１０へ光が導かれている。導波された光
をシングルモードに限定するため、本実施例にお
いて層２１０のｔは0.5ミクロンに等しく選んで
ある。本実施例においては、層２０９，２１１が
燐化インジウムで作られたものであるので、これ
らの層の屈折率はほぼ1.35に等しい。導波路を通
つた伝播光のスラブモード理論から得られる式を
使用し、層２１０の屈折率を計算機で求めること
ができ、この屈折率は、前記表において示した
層２１０の組成を決定するものである。テイー・
タミアによつてスプリンガ出版社から1975年に出
版された文献“集積光学”の23〜24ページにエイ
チ・ダブリユー・コージエルニクにより発表され
た論文から得られた方的式を使用すれば、この形
の導波路においてシングルモードの伝播を保持す
るための最低の厚さは計算機で求めることがき
る。（H.W.Kogelnik、Integrated Cptics by T.
Tamir、Springer−Verlag、1975、pp.23−24）
この層が前記表に示した組成を有する場合に
は、この厚さの最低値はほぼ0.3ミクロンに等し
い。光伝播をシングルモードに限定するリツジ装
荷形クラツド層２１１の幅Ｗの値は、実験的な方
法に最良値が得られるように決定できるが、この
幅は２〜５ミクロンの範囲に入ることは理論的に
予測される。 層２０９〜２１１に対して上に示したパラメー
タを使い、層２１０，２１１を介して第２図に示
すようなテーパをエツチング法により形成するこ
とにより、半導体チツプ上の低い位置へ導波路か
らの光を偏向させることができる。もしテーパが
層２１０を介して完全に切断されているならば、
内部の全反射により光が偏向されるであろう。し
かしながら、テーパは層２１１を介して切断する
必要があり、シングルモードの伝播を保持するの
に必要な厚さの半分にほぼ等しい厚さに層２１０
を切断する必要があることは注意すべきである。
層２１１の幅にほぼ等しい層２１１のそれぞれの
面上に領域を構成するに十分な幅のみを層２１０
に必要である。 第２図に示す半導体層の成長と、亜鉛を不純物
として添加した領域２２０，２２１の装着との後
で、層２１０，２１１を第５図に示すようなリツ
ジ形構造に形成することにより半導体チツプの処
理を続けることができる。層２１０，２１１のた
めのこれらのリツジ形導波路ストライプは、スト
ライプ領域をマスクするためのホトリソグラフ法
を使用し、層２１０，２１１を介してエツチング
するための反応性イオンプラズマエツチング、あ
るいは化学的エツチングの組合せを使用して製造
する。他のホトリソグラフ法過程を使用し、光導
波路ストライプの先端近くの領域を除いて、ウエ
ハにはすべてマスクをする。化学的エツチングを
使用して層２１０，２１１上にテーパ端を生ぜし
め、これによつて光導波路の先端と、光源と、下
の光検出器層との間に光学的結合をさせている。 種々の層の禁止帯幅には差があるので、ある種
の層を急速にエツチングし、次の層に到達した時
には相当に速度の遅いエツチングをするような選
択性エツチング剤を使用することが可能である。
これら３つの過程の性能について、デバイスの製
造者を指導することができる文献には種々のもの
がある。例えば、米国電気化学学会雑誌、固体科
学と技術、第126巻、第２号、1979年２月号の287
〜292ページに記載のエス・ビー・フアクタ等に
よる論文“In Ga AsP／InP系における材料選択
性化学的エツチング”と、日本応用物理学会英文
雑誌、第19巻、第１号、1980年１月の79〜85ペー
ジに記載の神林等による論文“レーザダイオード
と集積光学回路との製造をするためのIn ＰとGa
In As Ｐとの化学エツチング”と、米国電気化
学学会雑誌、固体科学、第118巻、第５号、1971
年５月の768〜771ページに記載のエス・リダによ
る論文“H2SO4−H2O2−H2O系におけるガリウ
ム砒素結晶の選択性エツチング”とを参照された
い。 第２図において次の層２０９が除去されるべき
領域である場合を除き、ホトリソグラフ法のマス
クを使つてすべての領域を覆う。層２０９〜２１
１は露光した部分であつて除去される。第２図に
おいて次の層２０８が除去されるべき領域である
場合を除き、新しいホトリソグラフ法のマスクを
使つてすべての領域を覆い、露光した後で層２０
８を除去する。 この過程は第２図における残りの層２０７〜２
０２に対して繰返される。 3000Å厚のSiOのような絶縁性誘電体膜２３１
をウエハ上に蒸着し、前のエツチング過程により
露光された点で半導体層へ電気的な接触をするた
めに希望する穴が開けてある場合を除き、ホトリ
ソグラフ法によるマスクによりこの膜２３１を覆
う。これらの穴は誘電体をエツチングして開け、
金属の導電性膜２１２，２１３（1000Å厚のクロ
ムと4000Å厚の金との合成）をウエハ上に蒸着す
る。ホトリソグラフ法によるマスクを使つて電気
的相互接続をするための金属ストライプを覆い、
これらのストライプの外側の金属をエツチング法
により除去する。 ウエハを熱処理（合金化）して金属と半導体と
の間のオーム性接触特性を改善する。それぞれの
チツプは最後に分離して容器に実装する。 上記は単に本発明の一実施例を説明したものに
すぎない。従つて、本発明の範囲を越えることな
く当業者により数々の変形を作ることができる。
例えば、主要な導波路層２１０がシングルモード
以上で導波されるのを期待する場合には、頂部の
クラツド層２１１は特に完全な形で存在すること
ができない。このような場合には、主要な層２１
０を空気に露出させるか、あるいは酸化膜２３１
により覆うことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による多層光集積回路の絵画的
な頂面図である。第２図は本発明による多層光集
積回路の断面図である。第３図は第２図に示す装
置の頂面図である。第４図は第２図および第３図
に示す装置の系統図である。第５図は第２図およ
び第３図に示す半導体チツプの導波路部分の断面
図である。 〔主要部分の符号の説明〕、２０１……基板、
２０５，２０７，２１０……主要な層、２０６，
２０９……障壁層、２１２，２１３……電極手
段、２２０，２２１……領域。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 複数のエピタキシアル層を上面に成長させた
    基板からなる電気−光学集積装置において、 前記複数のエピタキシアル層の少なくとも３つ
    の層が主要な多層を形成し、 前記主要な多層における第１の層が光検出に適
    した禁止帯幅をもつように成長したものであり、 前記主要な多層における第２の層が前記主要な
    多層における第１の層により検出することができ
    る光の発生に適した広い禁止帯幅をもつように成
    長したものであり、 前記主要な多層における第３の層が前記主要な
    多層における第１の層または第２の層のうちのど
    ちらかの禁止帯幅よりも大きな禁止帯幅をもつよ
    うに成長したものであり、 前記複数のエピタキシアル層の少なくとも２つ
    の領域が電気的に分離されたものであり、 前記２つの領域のうちの１つにおける第１の層
    に対して電気的接続をするための第１の電極手段
    を設け、 前記少なくとも２つの領域における第２の層に
    対して電気的接続をするための第２の電極手段を
    設けてなり、 前記第１、第２、第３の層が前記近接した主要
    な多層のいずれかよりも大きい禁止帯幅を有して
    いて、近接した前記主要な多層間におかれた少な
    くともひとつの障壁層を備えていることを特徴と
    した電気−光学集積装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の電気−光学集積
    装置において、 前記主要な多層における第１の層が前記基板に
    最も近接した主要な層であり、 前記主要な多層における第３の層が前記基板か
    ら最も遠い主要な層であることを特徴とした電気
    −光学集積装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の電気−光学集積
    装置において、 前記複数のエピタキシアル層が前記主要な多層
    における第３の層上にリツジとして形成されたス
    トライプ層を含み、 前記ストライプ層の幅が前記主要な多層におけ
    る第３の層により導波された光をあらかじめ定め
    たモード数に限定するよう選定したものであるこ
    とを特徴とした電気−光学集積装置。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の電気−光学集積
    装置において、 前記ストライプ層と第３の層とが少なくともテ
    ーパの一点で終端し、 これにより第３の層の内部で導波光が前記複数
    のエピタキシアル層の方向に偏向されるように構
    成したことを特徴とする電気−光学集積装置。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の電気−光学集積
    装置において、 前記少なくとも２つの領域が前記複数のエピタ
    キシアル層へ拡散した添加不純物により電気的に
    分離され、 前記ストライプ層と第３の層とを終端するため
    のテーパが少なくとも前記２つの領域の１つの内
    部に存在するように構成したことを特徴とする電
    気−光学集積装置。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の電気−光学集積
    装置において、 前記基板がインジウムと燐とから主としてな
    り、 前記複数のエピタキシアル層がインジウムと、
    燐と、ガリウムと、砒素との群から選択された元
    素から主としてなるものであることを特徴とした
    電気−光学集積装置。 ７ 特許請求の範囲第６項記載の電気−光学集積
    装置において、 前記基板上に成長させた複数のエピタキシアル
    層が電気デバイスの製造に適した添加特性をもつ
    て成長され、前記基板に近接した少なくとも２つ
    のエピタキシアル層を含む様に構成したことを特
    徴とする電気−光学集積装置。 ８ 特許請求の範囲第７項記載の電気−光学集積
    装置において、 前記基板に近接した前記複数のエピタキシアル
    層が真性不純物添加を行なうために成長した少な
    くともひとつの層を含む様に構成したことを特徴
    とする電気−光学集積装置。
JP58005415A 1982-01-18 1983-01-18 電気−光学集積装置 Granted JPS58180056A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US339849 1982-01-18
US06/339,849 US4438447A (en) 1982-01-18 1982-01-18 Multilayered optical integrated circuit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS58180056A JPS58180056A (ja) 1983-10-21
JPS6329418B2 true JPS6329418B2 (ja) 1988-06-14

Family

ID=23330892

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP58005415A Granted JPS58180056A (ja) 1982-01-18 1983-01-18 電気−光学集積装置

Country Status (8)

Country Link
US (1) US4438447A (ja)
JP (1) JPS58180056A (ja)
CA (1) CA1182549A (ja)
DE (1) DE3300986A1 (ja)
FR (1) FR2520158B1 (ja)
GB (1) GB2113912B (ja)
HK (1) HK80286A (ja)
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