Leitfähige Haltepfosten in luftspaltbasierenden, optoelektro- nischen BauelementenConductive holding posts in air gap-based, optoelectronic components
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Die vorliegende Erfindung betrifft opto-elektronische Bauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung. Insbesondere betrifft sie vertikal orientierte Bauelemente mit einem Schichtaufbau mit mehreren, optisch wirksamen Schichten und wenigstens einem gas- oder flüssigkeitsgefüllten, insbesonde- re jedoch luft- oder vakuumenthaltenen Schichtzwischenraum, wobei der Schichtaufbau mittels wenigstens einer äußerer, einem jeweiligen Randbereich des Schichtaufbaus zugeordneten Randstütze gehalten wird.The present invention relates to optoelectronic components and methods for their production. In particular, it relates to vertically oriented components with a layer structure with a plurality of optically active layers and at least one gas or liquid-filled, in particular, however, air or vacuum-containing layer space, the layer structure being held by means of at least one outer edge support assigned to a respective edge region of the layer structure ,
In den letzten zehn Jahren haben vertikal orientierte, optoelektronische Bauelemente gegenüber horizontal auf einem Wa- fer orientierten Bauelementen immer mehr an wirtschaftlichem Interesse gewonnen. Unter diese Gruppe fallen beispielsweise die so genannten „Vertical Cavity Surface Emitting Lasers", abgekürzt als VCSEL, oder „Vertical Cavity Fabry-Perot Filters", abgekürzt als VCFPF.In the past ten years, vertically oriented, optoelectronic components have gained more and more economic interest compared to components oriented horizontally on a wafer. This group includes, for example, the so-called "Vertical Cavity Surface Emitting Lasers", abbreviated as VCSEL, or "Vertical Cavity Fabry-Perot Filters", abbreviated as VCFPF.
Die Hauptvorteile solcher vertikal orientierter Bauelemente gegenüber horizontal orientierten bestehen darin, dass verti- kal orientierte Bauelemente vor dem Aufbau (packaging) auf dem Wafer bereits getestet werden können, das heißt sie brauchen nicht vom Wafer getrennt zu werden um getestet werden zu können. Dies bedeutet, dass die Testverfahren wesentlich effizienter gestaltet werden können.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine effektivere Kopplung an Glasfasern ermöglicht wird, wodurch in einem Chip-Gehäuse, der die vertikal orientierten opto- elektronischen Bauelemente enthält, ein vereinfachter Aufbau realisierbar ist. Bei optischen Filtern und Lasern stehen sich zwei Spiegelanordnungen gegenüber, getrennt durch die Kavität. Deren Geometrie und insbesondere deren Länge ist für die optischen Eigenschaften von großer Bedeutung. Bei verti- kal orientierten optischen Filtern und Lasern ist die Kavität in der Regel sehr kurz, daher wird ein hoher, longitudinaler Modenabstand erreicht. Bei VCSEL ist das aktive Volumen sehr gering, daher können niedrige Schwellenströme erreicht werden. Die Herstellung der Spiegel, welche als DBR (Distributed Bragg Reflectors) ausgeführt sind, ist jedoch derzeit noch relativ schwierig, da eine sehr hohe Reflektivität der Spiegel von > 99,7 % benötigt wird, um die Anforderungen zu erfüllen, die für die kommerzielle Verwendung solcher Bauelemente vorgegeben sind.The main advantages of such vertically oriented components compared to horizontally oriented components are that vertically oriented components can already be tested on the wafer prior to assembly (packaging), ie they do not need to be separated from the wafer in order to be able to be tested. This means that the test procedures can be made much more efficient. Another advantage is that a more effective coupling to glass fibers is made possible, as a result of which a simplified structure can be implemented in a chip housing which contains the vertically oriented optoelectronic components. With optical filters and lasers, there are two mirror arrangements, separated by the cavity. Their geometry and in particular their length is of great importance for the optical properties. In the case of vertically oriented optical filters and lasers, the cavity is generally very short, which is why a high, longitudinal mode spacing is achieved. With VCSEL, the active volume is very low, so low threshold currents can be achieved. The manufacture of the mirrors, which are designed as DBR (Distributed Bragg Reflectors), is currently still relatively difficult, since a very high reflectivity of the mirrors of> 99.7% is required to meet the requirements for commercial use such components are specified.
Einen speziellen Zweig innerhalb der Entwicklung der vorgenannten vertikal orientierten Bauelemente bildet der technologische Ansatz, den Schichtaufbau eines DBR-Spiegels durch eine wechselnde Abfolge von materiellen Membranschichten und zwischenliegenden Luftschichten (Luftspalte) zu bilden. Mit anderen Worten, der Schichtaufbau eines DBR-Reflektors enthält beispielsweise eine Anzahl n von Membranschichten und eine Anzahl von n-1 zwischenliegender Luftspalte.A special branch within the development of the aforementioned vertically oriented components is the technological approach to form the layer structure of a DBR mirror by an alternating sequence of material membrane layers and intermediate air layers (air gaps). In other words, the layer structure of a DBR reflector contains, for example, a number n of membrane layers and a number of n-1 intermediate air gaps.
Der technische Aufbau, die Funktionsweise bei verschiedenen technischen Anwendungen, sowie die wichtigsten optischen Eigenschaften von vertikal orientierten, luftspalt-basierenden, DBR-Bauelementen ist offenbart in „H. Hillmer, J. Daleiden, C. Prott, F. Römer, S. Irmer, V. Rangelov, A. Tarraf, S.
Schüler, M. Strassner: „Potential For Micromachined ActuationThe technical structure, the mode of operation in various technical applications, as well as the most important optical properties of vertically oriented, air gap-based, DBR components is disclosed in “H. Hillmer, J. Daleiden, C. Prott, F. Römer, S. Irmer, V. Rangelov, A. Tarraf, S. Schüler, M. Strassner: “Potential For Micromachined Actuation
Of Ultra-wide Continuously Tunable Optoelectronic Devices.", Applied Physics B 75, 3-13 (2002), veröffentlicht am 08. August 2002.Of Ultra-wide Continuously Tunable Optoelectronic Devices. ", Applied Physics B 75, 3-13 (2002), published August 8, 2002.
Die Verwendung von Luftspalten als Trennungsschicht zwischen den einzelnen Membranschichten ist deshalb vorteilhaft, weil eine von diesen beiden Schichten gebildete Grenzfläche (Luftspalt/Membranmaterial) einen sehr hohen Brechungsindexsprung aufweist. Dadurch kann die oben erwähnte hohe Reflektivität von 99,7 % der DBRs mit nur wenigen Perioden, z.B. bei Indi- umphosphid (InP) / Luft mit 3 Membranschichten und 2 zwischenliegenden Luftspalten, erreicht werden. Des Weiteren tritt ein positiver Nebeneffekt hinzu: Optoe- lektronische Bauelemente, die o.g. Luftspalt-Spiegel und eine Luftspaltkavität (s. z.B. o.g. Referenz Hillmer et.al.) verwenden, können beispielsweise bezüglich einer wichtigen optischen Eigenschaft, etwa ihrem Transmissionsspektrum, gezielt beeinflusst werden, wenn beispielsweise die optisch wirksame Länge L der Kavität zwischen den beiden DBR-Reflektoren vergrößert oder verringert wird. Je nach Einstellung der Kavi- tätslänge L liegt das Maximum des durchgelassenen Wellenlängenbereichs als scharfer Peak bei verschiedenen Wellenlängen. Diese Durchstimmung kann mittels kapazitiver (im Zusammenhang mit leitfähigen Membranen) oder thermischer Aktuation, und entsprechender Steuerung, erfolgen.The use of air gaps as a separation layer between the individual membrane layers is advantageous because an interface (air gap / membrane material) formed by these two layers has a very high jump in refractive index. As a result, the above-mentioned high reflectivity of 99.7% of the DBRs with only a few periods, e.g. with indium phosphide (InP) / air with 3 membrane layers and 2 intermediate air gaps. There is also a positive side effect: optoelectronic components, the above Using air gap mirrors and an air gap cavity (see SzBog reference Hillmer et.al.) can, for example, be influenced in a targeted manner with regard to an important optical property, such as their transmission spectrum, for example if the optically effective length L of the cavity between the two DBR reflectors is increased or is reduced. Depending on the setting of the cavity length L, the maximum of the transmitted wavelength range as a sharp peak is at different wavelengths. This tuning can be done by means of capacitive (in connection with conductive membranes) or thermal actuation, and appropriate control.
Solche luftspalt-basierte Bauelemente vom Stand der Technik besitzen jedoch den Nachteil relativ geringer mechanischer Stabilität, obwohl bei zunehmender Miniaturisierung solcher Bauelemente der Einfluss von Trägheitskräften auf solche Schichten eher abnimmt, wie die oben genannte Veröffentlichung zeigt. Dennoch ist der Einfluss von mechanischen Verspannungen in den vorgenannten einzelnen Membranschichten
doch so groß, dass gewisse Verformungen auftreten können, die insbesondere bei industriellen Fertigungsprozessen schlecht kontrollierbar sind, die ungewollte Veränderungen in den optischen und mechanischen Eigenschaften der Bauelemente her- vorrufen können und daher zu einer erhöhten Ausschussquote der Bauelemente führen. Diese relativ große Sensibilität für mechanische Ungenauigkeiten hat ihre Ursache in dem äußerst hohen Aspektverhältnis eines oben genannten DBR- Schichtaufbaus, wobei als Größenordnung folgende Werte exem- plarisch gegeben seien:Such air gap-based components from the prior art, however, have the disadvantage of relatively low mechanical stability, although with increasing miniaturization of such components, the influence of inertial forces on such layers tends to decrease, as the above-mentioned publication shows. Nevertheless, the influence of mechanical tension in the aforementioned individual membrane layers yet so large that certain deformations can occur that are difficult to control, particularly in industrial manufacturing processes, that can cause unwanted changes in the optical and mechanical properties of the components and therefore lead to an increased reject rate of the components. This relatively large sensitivity to mechanical inaccuracies is due to the extremely high aspect ratio of a DBR layer structure mentioned above, the following values being given as examples for the order of magnitude:
Der Durchmesser des eigentlichen Schichtaufbaus beträgt etwa 40 Mikrometer, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Schichten nur wenige 100 Nanometer beträgt, und die Dicke einer Schicht ebenfalls nur einige wenige 100 Nanometer bis zu wenigen Mikrometer beträgt. Solche feinen Schichtabstände lassen sich bisher nur schwer herstellen, und insbesondere die mechanische und damit die geometrische Stabilität des Schichtaufbaus ist noch nicht stabil genug. Die europäische Patentanmeldung EP 1 320 157 offenbart als Lösungsansatz die- ses Problems eine sogenannte „Supportschicht" an den Seitenwänden des Schichtaufbaus vorzusehen. Diese Maßnahme verschafft jedoch immer noch zu wenig Stabilität, insbesondere bei ungünstigen Aspektverhältnissen.The diameter of the actual layer structure is approximately 40 micrometers, the distance between the individual layers being only a few 100 nanometers, and the thickness of a layer likewise being only a few 100 nanometers to a few micrometers. Such fine layer spacings have so far been difficult to produce, and in particular the mechanical and thus the geometric stability of the layer structure is not yet stable enough. The European patent application EP 1 320 157 discloses as a solution to this problem to provide a so-called "support layer" on the side walls of the layer structure. However, this measure still provides too little stability, especially in the case of unfavorable aspect ratios.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Aufbau der eingangs genannten Bauteile und ein entsprechendes Herstellungsverfahren für die Bauteile zu schaffen.Therefore, the object of the present invention is to provide an improved structure of the components mentioned at the outset and a corresponding manufacturing method for the components.
VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF THE INVENTION
Der Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 löst die erstgenannte Aufgabe.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.The object with the features of claim 1 solves the first-mentioned object. Advantageous developments and improvements of the respective subject matter of the invention can be found in the subclaims.
Gemäß dem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung ist erfindungsgemäß ein sogenanntes „Verbindeelement" zum mechanischen Verbinden von wenigstens zwei materiellen Membranschichten des Schichtaufbaus vorgesehen, wobei sich das Verbindeelement bei Verwendung nur eines abstützenden Randbereichs abseits von diesem, und sonst, beispielsweise, wenn der Schichtaufbau von zwei Randbereichen abgestützt wird, zwischen diesen Randbereichen, jeweils bevorzugt möglichst dicht an dem optisch aktiven Bereich befindet.According to the main aspect of the present invention, a so-called “connecting element” is provided according to the invention for mechanically connecting at least two material membrane layers of the layer structure, the connecting element being apart from it when using only one supporting edge area, and otherwise, for example when the layer structure is composed of two edge areas is supported, preferably located as close as possible to the optically active area between these edge areas.
Mit anderen Worten und in Bezug auf die oben eingeführte To- pologie werden vertikal orientierte, das heißt im Wesentlichen senkrecht zu den einzelnen Schichtebenen der Membranschichten verlaufende „Haltepfosten" als Verbindeelement der Membranschichten eines DBR-Reflektors oder anderer optoe- lektronischer Bauteile mit feinem Schichtaufbau geschaffen. Daraus resultiert unmittelbar der Vorteil, dass der gesamte Schichtaufbau oder eine bestimmte Untermenge dessen, je nachdem welche Membranschichten durch einen Haltepfosten miteinander verbunden sind, eine erhöhte mechanische Stabilität ge- winnt, wodurch die oben genannten, nachteiligen Verformungen der einzelnen Schichten erheblich reduziert werden können. Aus Anwendungssieht ergibt sich daraus der Vorteil, dass die optischen Eigenschaften erheblich verbessert werden und die Ausschussquote bei einer Serienfertigung solcher Bauelemente erheblich reduziert werden kann.In other words, and in relation to the topology introduced above, vertically oriented, that is to say essentially “holding posts” which run essentially perpendicular to the individual layer planes of the membrane layers, are created as connecting elements of the membrane layers of a DBR reflector or other optoelectronic components with a fine layer structure The immediate result of this is that the entire layer structure or a certain subset thereof, depending on which membrane layers are connected to one another by a holding post, gains increased mechanical stability, as a result of which the above-mentioned disadvantageous deformations of the individual layers can be considerably reduced From an application point of view, this results in the advantage that the optical properties can be considerably improved and the reject rate in the series production of such components can be significantly reduced.
In der oben genannten Veröffentlichung ist auch ein Weg offenbart, wie ein solcher Schichtaufbau- allerdings ohne die
erfindungsgemäßen Verbindeelemente hergestellt werden kann.The publication mentioned above also discloses a way such as such a layer structure - but without that Connecting elements according to the invention can be produced.
Dabei werden drei Hauptschritte verwendet:Three main steps are used:
1. zunächst wird eine Struktur aus mehreren Schichten durch Epitaxie oder andere Ablagerungsverfahren hergestellt,1. First, a multi-layer structure is made by epitaxy or other deposition methods.
2. danach wird durch ein Trockenätzverfahren der laterale Aufbau hergestellt, das heißt ein vertikales Strukturieren der so genannten Mesa wird durchgeführt, und2. the lateral structure is then produced by a dry etching process, that is to say a vertical structuring of the so-called mesa is carried out, and
3. künstliche, das heißt nur temporär existierende Schichten des Schichtaufbaus, sogenannte Opferschichten, werden durch ein hoch-selektives nass-chemisches Ätzverfahren entfernt, um die vorgenannten Luftspalte auszubil- den. Dabei werden Masken verwendet, die verschiedene Membrangeometrien und mechanische Spannungen anzeigende Strukturen beinhalten, sowie Qualitätssteuerungselemente und Ausrichtungsmarkierungen. Dort ist eine Filterstruktur offenbart, die jeweils im Winkel von 90° an vier Ar- men aufgehangen ist, die ihrerseits an außen liegenden, quadratischen, abstützenden Rahmenblöcken befestigt sind.3. Artificial, ie only temporarily existing layers of the layer structure, so-called sacrificial layers, are removed by a highly selective wet-chemical etching process in order to form the aforementioned air gaps. Masks are used that contain various membrane geometries and structures indicating mechanical stress, as well as quality control elements and alignment markings. There, a filter structure is disclosed, each of which is suspended at an angle of 90 ° on four arms, which in turn are attached to square, supporting frame blocks on the outside.
Wenn zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes die- ses Verfahren als Basis verwendet werden soll, und die erfindungsgemäßen Verbindeelemente quasi als Haltepfosten in das Herstellungsverfahren integriert werden sollen, dann bestehen die Verbindungselemente beziehungsweise zumindest ihre äußere Schicht aus einem Material mit einer hohen Selektivität zu einer Opferschicht, die dann als Schichtzwischenraum in dem vorgenannten Herstellungsverfahren in einem Ätzschritt weggeätzt wird.
In bevorzugter Weise ist ein Verbindeelement möglichst dicht an dem optisch aktiven Bereich des Schichtaufbaus angeordnet, jedoch ohne den Strahlengang darin zu stören. Je nach so genannter Einspannlänge, die zwischen den oben genannten Rand- stützen liegend definiert ist, kann auch mehr als ein Verbindeelement pro Verbindungslinie zwischen zwei Randstützen verwendet werden. Damit ergibt sich bei der Verwendung von vier Randstützen und einem kreisförmigen Filteraufbau beispielsweise die Verwendung von vier Haltepfosten, die im Wesentli- chen und vorzugsweise mit demselben radialen Abstand vom Mittelpunkt der Filteranordnung vorgesehen sind.If this method is to be used as the basis for producing the component according to the invention, and the connecting elements according to the invention are to be integrated into the manufacturing method as holding posts, then the connecting elements or at least their outer layer consist of a material with a high selectivity to a sacrificial layer, which is then etched away as an interlayer in the aforementioned manufacturing process in an etching step. A connecting element is preferably arranged as close as possible to the optically active region of the layer structure, but without disturbing the beam path therein. Depending on the so-called clamping length, which is defined between the above-mentioned edge supports, more than one connecting element can be used per connecting line between two edge supports. When using four edge supports and a circular filter structure, this results, for example, in the use of four holding posts, which are provided essentially and preferably at the same radial distance from the center of the filter arrangement.
In bevorzugter Weise sind alle Membranschichten des Schichtaufbaus miteinander durch ein Verbindungselement verbunden. Damit können alle Membranschichten mechanisch stabilisiert werden.All membrane layers of the layer structure are preferably connected to one another by a connecting element. This means that all membrane layers can be mechanically stabilized.
Gemäß einem weiteren, besonders vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Verbindeelement einen zusam- menhängenden, metallisierten Bereich, der wenigstens zweiAccording to a further, particularly advantageous aspect of the present invention, a connecting element contains a coherent, metallized area which has at least two
Schichten des Schichtaufbaus miteinander verbindet. Dadurch lassen sich die miteinander verbundenen Schichten gezielt e- lektrisch kontaktieren, und/ oder eine gezielte Wärmeableitung oder Wärmeverteilung ist in den von Luft umgebenen Memb- ranschichten möglich, so dass beim Betrieb entstehende Wärme gezielt zu einer Wärmesenke hin abgeleitet werden kann. Dabei ist es im wesentlichen unerheblich, ob der Haltepfosten komplett aus einem leitfähigen Material oder nur zum Teil daraus besteht, solange die leitfähige Verbindung zwischen den vor- gewählten Schichten hergestellt ist.Layers of the layer structure connects together. As a result, the interconnected layers can be electrically contacted in a targeted manner, and / or a targeted heat dissipation or heat distribution is possible in the membrane layers surrounded by air, so that heat generated during operation can be dissipated specifically to a heat sink. It is essentially irrelevant whether the holding post consists entirely of a conductive material or only partially as long as the conductive connection between the preselected layers is established.
Wenn das erfindungsgemäß vorgesehene Bauelement nun zwei gegenüberliegende Schichtaufbauten mit der oben erwähnten, zwischenliegenden Kavität aufweist, so ergibt sich die Grund-
Struktur eines optischen Filters, wie er vielfach für technische Zwecke einsetzbar ist.If the component provided according to the invention now has two opposing layer structures with the above-mentioned intermediate cavity, the basic result is Structure of an optical filter, as it is often used for technical purposes.
Gemäß einem weiteren, bevorzugten Aspekt der vorliegenden Er- findung ist in einer Anordnung wie vorstehend beschrieben wenigstens ein Verbindeelement vorgesehen, dessen kavitäts- zugewandter Endabschnitt mit vorbestimmter Länge in die Kavität hineinragt, so dass mit anderen Worten ein „Noppen" gebildet wird, der über die Grenze zwischen Kavität und erster Membranschicht erhaben ist. Solche Noppen können auch an mehreren Verbindeelementen vorhanden sein. Dadurch wird ein sonst vorhandenes Problem gelöst, dass nämlich bei einer Ak- tuation zweier Membrane, wie es oben erwähnt wurde, beispielsweise durch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den Membranen verhindert werden kann, dass ab einer bestimmten, zu groß gewählten Aktuationsspannung die Anziehungskraft zwischen den Membranen zu groß wird und das Bauteil zerstört wird. Bei dieser Spannung, der so genannten „pull in"- Spannung, treten die Membrane gemäß Technologie aus dem Stand der Technik, also ohne die erfindungsgemäß vorgesehenen Noppen in Kontakt und kleben fest aneinander. Das Bauelement werden also ohne die Noppen nach dem Überschreiten der „pull in"-Spannung zerstört.According to a further preferred aspect of the present invention, at least one connecting element is provided in an arrangement as described above, the end portion of which, facing the cavity, projects into the cavity with a predetermined length, so that, in other words, a “nub” is formed which extends over the border between the cavity and the first membrane layer is raised. Such knobs can also be present on several connecting elements. This solves an otherwise existing problem, namely in the event of an actuation of two membranes, as mentioned above, for example by electrostatic attractive forces between the Membranes can be prevented that the attraction force between the membranes becomes too great and the component is destroyed from a certain actuation voltage that is selected too large. At this tension, the so-called "pull in" tension, the membranes come out of step according to technology the technology, so without it The knobs provided according to the invention come into contact and stick firmly to one another. The component is therefore destroyed without the knobs after the "pull in" voltage has been exceeded.
Die Wirkung der Noppen besteht also darin, dass automatisch ein Abstandshalter zur Einhaltung eines Mindestabstands für die einzelnen Schichtpakete gebildet wird. Dieser Mindestabstand entspricht dann der Noppenhöhe oder beispielsweise der doppelten Noppenhöhe, wenn die Stirnabschnitte zweier Noppen sich genau gegenüber stehen, und sich dann berühren. Jedenfalls wird ein Kontakt der an sich beweglichen Membranen bei einer „Durchstimmung" verhindert .
Wenn als Gasfüllung für die Schichtzwischenräume Luft genommen wird, so ergibt sich ein einfacher Herstellungsprozess für das Bauelement, da es während des Herstellungsprozesses selbst nicht in besonderer Weise gegenüber der Umgebung abge- dichtet werden uss.The effect of the knobs is therefore that a spacer is automatically formed to maintain a minimum distance for the individual layer packages. This minimum distance then corresponds to the height of the knobs or, for example, twice the height of the knobs, if the end sections of two knobs face each other exactly and then touch. In any case, contact of the membranes, which are movable per se, is prevented during a "tuning". If air is used as the gas filling for the interstices, a simple manufacturing process results for the component, since during the manufacturing process it itself is not particularly sealed against the environment.
Des weiteren können die Materialien der DBR-Reflektoren auch geringe Leitfähigkeit besitzen, beispielsweise wenn sie im Wesentlichen aus Silizium-Nitrid oder Silizium-Dioxid beste- hen. Aufgrund der fehlenden Leitfähigkeit der Membranen ist hier keine elektrostatische Aktuation möglich. Gemäß der vorliegenden Erfindung können jedoch leitfähige Verbindeelemente dazu genutzt werden, mit durch den Luftspalt getrennten, gegenüberliegenden Verbindeelementen bzw. gegenüberliegenden, bestehenden Metallschichten eine elektrostatische Aktuation von Membranen oder ganzen Membranpaketen zu ermöglichen.Furthermore, the materials of the DBR reflectors can also have low conductivity, for example if they consist essentially of silicon nitride or silicon dioxide. Due to the lack of conductivity of the membranes, electrostatic actuation is not possible here. According to the present invention, however, conductive connecting elements can be used to enable electrostatic actuation of membranes or entire membrane packages with opposing connecting elements or opposing existing metal layers separated by the air gap.
Insbesondere für elektrisch gepumpte Laser ist eine hohe Stromdichte in den aktiven optischen Schichten wichtig. Wenn weiter in vorteilhafter Weise daher die erfindungsgemäßenA high current density in the active optical layers is particularly important for electrically pumped lasers. If further in an advantageous manner, therefore, the invention
Verbindeelemente (Haltepfosten) aus einem leitenden Kernmaterial bestehen, das sich in einer nicht-leitenden- Hülle geeigneter Dicke befindet, so können durch diese Art der Anordnung gezielt nur bestimmte Schichten kontaktiert werden. Dadurch ist es möglich, Ladungsträger in eine optisch aktive Zone injizieren und den Stromfluss in der aktiven Zone durch elektrische Wechselwirkung lateral begrenzt zu halten (current confinement) .Connecting elements (holding posts) consist of a conductive core material which is located in a non-conductive shell of suitable thickness, so only certain layers can be contacted in a targeted manner by this type of arrangement. This makes it possible to inject charge carriers into an optically active zone and to keep the current flow in the active zone laterally limited by electrical interaction (current confinement).
Des weiteren können die Verbindeelemente zur Wärmeführung bzw. Wärmeverteilung zu anderen Schichten oder Wärmesenken eingesetzt werden. Besonders bei aktiven optischen Bauelementen wird häufig sehr viel Wärme erzeugt, deren Abführung aber
insbesondere in luftspaltbasierenden Membrananordnungen sonst laut Stand der Technik ein großes Problem darstellt.Furthermore, the connecting elements can be used for heat conduction or heat distribution to other layers or heat sinks. A lot of heat is often generated, especially in the case of active optical components, but its dissipation especially in air gap-based membrane arrangements otherwise a major problem according to the prior art.
Des Weiteren können die Verbindeelemente mit einer Kontaktie- rung versehen sein, über die man gezielt eine Spannung während des Laserbetriebs anlegen kann. Damit kann die Polarisation des Lichts gezielt beeinflusst werden. Damit ist u.a. eine Modulation des Lichtes möglich.Furthermore, the connecting elements can be provided with a contact via which a voltage can be applied in a targeted manner during laser operation. The polarization of the light can thus be influenced in a targeted manner. Among other things, modulation of the light possible.
ZEICHNUNGENDRAWINGS
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 die Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtauf- baus, wie er oben erwähnt wurde anhand von vier (a-d) bzw. fünf (a-c,e,f) Fertigungsstadien, um den prinzipiellen Aufbau und die wesentlichen Verfahrensschritte bei seiner Herstellung zu illustrieren;1 shows the production of a layer structure according to the invention, as mentioned above on the basis of four (a-d) or five (a-c, e, f) production stages, in order to illustrate the basic structure and the essential method steps in its production;
Fig. 2 schematisch den Aufbau eines elektrisch gepumpten, luftspalt-basierenden VCSEL, der mechanisch aktuierbar ist als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht;2 schematically shows the structure of an electrically pumped, air gap-based VCSEL that can be mechanically actuated as a preferred exemplary embodiment of the present invention in a top view;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung gemäß einer Linie III-III der Anordnung, wie sie in Fig. 2 in der Draufsicht darge- stellt ist;3 shows a sectional representation along a line III-III of the arrangement as shown in FIG. 2 in a top view;
Fig. 4 ein weiteres, bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines luftspalt-basierenden, opto-elektronischen Filterbauelements
mit mechanischer Aktuierbarkeit als Draufsicht;Fig. 4 shows another preferred embodiment of an air gap-based, opto-electronic filter component with mechanical actuation as a top view;
Fig. 5 Der Querschnitt des Filterbauelements in Fig. 4 entlang einer Linie V-V;5 shows the cross section of the filter component in FIG. 4 along a line V-V;
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.In the figures, identical reference symbols designate identical or functionally identical components.
Mit Bezug zu Fig. 1 wird im Folgenden die Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtaufbaus, wie er für optoelektronische Bauelemente wie oben beschrieben verwendet werden kann, näher beschrieben.The production of a layer structure according to the invention, as can be used for optoelectronic components as described above, is described in more detail below with reference to FIG. 1.
In einem ersten Schritt, siehe Fig. 1A wird ein planparalleler Schichtaufbau hergestellt (Epitaxie) , wobei folgende Materialien gewählt werden:In a first step, see FIG. 1A, a plane-parallel layer structure is produced (epitaxy), the following materials being selected:
Für Schicht 10: Indiumphosphid (InP), für die Schichten 11, 12 Galliumindiumarsenid (GalnAs) . Diese Materialien werden mittels MOCVD (metal organic chemical vapour deposition) abgeschieden. Dabei wird GalnAs als Opferschicht benötigt, welche in einem späteren Verfahrenschritt selektiv weggeätzt und dann durch ein Gas oder eine Flüssigkeit 17 ersetzt wird.For layer 10: indium phosphide (InP), for layers 11, 12 gallium indium arsenide (GalnAs). These materials are deposited using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). GalnAs is required as a sacrificial layer, which is selectively etched away in a later process step and then replaced by a gas or a liquid 17.
Nach der Abscheidung werden in einem zweiten Verfahrensabschnitt vertikale Hohlräume 13 erzeugt, beispielsweise mittels einer Photolackmaske durch eine trockenchemische Ätzung.After the deposition, vertical cavities 13 are generated in a second process section, for example by means of a photoresist mask by dry chemical etching.
Im folgenden Verfahrensschritt, siehe Fig. IC, werden die Opferschichten nasschemisch angeätzt. Daran anschließend werden die Hohlräume mit einem Material 14, in diesem Falle mit einem Material relativ hoher Wärmeleitfähigkeit und guter e-
lektrischer Leitfähigkeit, ganz oder teilweise verfüllt, siehe Fig. 1D entsprechend linkes oder rechtes Bild. In einem weiteren Verfahrensabschnitt werden mit Bezug zu Fig. 1E die Opferschichten 11, 12 nun nasschemisch geätzt, und durch Gas bzw. Flüssigkeiten 17 ersetzt. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um Luft. Die vertikal gezeichneten Strukturen 14, 15, und 16 dienen als Haltepfosten im Sinne der vorliegenden Erfindung.In the following process step, see FIG. IC, the sacrificial layers are etched by wet chemistry. Then the cavities are covered with a material 14, in this case with a material of relatively high thermal conductivity and good e Electrical conductivity, completely or partially filled, see Fig. 1D according to the left or right picture. In a further method step, with reference to FIG. 1E, the sacrificial layers 11, 12 are now etched using wet chemistry and replaced by gas or liquids 17. In the simplest case, it is air. The vertically drawn structures 14, 15, and 16 serve as holding posts in the sense of the present invention.
Eine Kontaktierung einzelner Schichten ist auch möglich. Dazu wird nach den bereits mittels Fig. 1A bis Fig. IC beschriebenen Verfahrensschritten zunächst ein nicht leitendes Material 15 in den Hohlraum 13 gefüllt. Anschliessend wird z.B. durch eine trockenchemische Ätzung mit einer Photolackmaske in der Mitte ein neuer isolierter Hohlraum geschaffen (Fig. IF) , der dann mit einem leitfähigen Material 16 aufgefüllt wird (Fig. IG) . Anschliessend werden die Opferschichten wiederum nasschemisch entfernt und durch Gas bzw. Flüssigkeiten (17) ersetzt.Contacting individual layers is also possible. For this purpose, after the method steps already described by means of FIGS. 1A to IC, a non-conductive material 15 is first filled into the cavity 13. Then e.g. by means of dry chemical etching with a photoresist mask in the middle, a new insulated cavity is created (FIG. IF), which is then filled with a conductive material 16 (FIG. IG). The sacrificial layers are then again removed by wet chemistry and replaced by gas or liquids (17).
Mit Bezug zu Fig. 2 und Fig. 3 werden im Folgenden weitere Erläuterungen eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung gegeben, das einen elektrischen gepumpten, luftspalt-basierenden VCSEL mit mechanischer Aktuierbarkeit dar- stellt.With reference to FIGS. 2 and 3, further explanations are given below of an exemplary embodiment of the present invention which represents an electrically pumped, air-gap-based VCSEL with mechanical actuation.
In einem ersten Herstellungsschritt werden die einzelnen, in Fig. 3 dargestellten, übereinander liegenden Schichten epitaktisch hergestellt:In a first production step, the individual layers lying one above the other, shown in FIG. 3, are produced epitaxially:
Auf einem Substrat 62, beispielsweise aus p-dotiertem InP wird eine abwechselnde Schichtfolge von p-dotiertem GalnAs 54 und InP 53, bestehend aus insgesamt sechs Schichten, aufgebracht. Darauf folgend werden eine intrinsische GalnAs-
Schicht 61, die die spätere Länge der Kavität definiert, eine n-dotierte InP-Schicht 58, eine n-dotierte GalnAs-Schicht 60, eine hochdotierte n+-InP-Schicht 59, in InP eingebettete Quan- tenwell (QW) -Schichten 57 aus Galliumindiumarsenidphosphid (GalnAsP) sowie einer hochdotierten p+-InP-Schicht 56 abgeschieden. Abschliessend wird eine Schichtenfolge, bestehend wechselnd aus insgesamt 8 Schichten p-dotiertem GalnAs 54 und InP 53, aufgebracht. Als nächster Verfahrensabschnitt wird eine erste Lithografie für elektrisch leitfähige Verbindeelemente für die einzelnen Teilschichten in Form von Haltepfosten durchgeführt. Darauf werden in einem weiteren trockenchemischen Verfahrensabschnitt Hohlräume 50 senkrecht nach unten geätzt, die später der Aufnahme von Metallisierungen 52 für metallisierte Hohlpfosten als Verbindeelement gemäß Ausführungsbeispiel dienen sollen.An alternating layer sequence of p-doped GalnAs 54 and InP 53, consisting of a total of six layers, is applied to a substrate 62, for example made of p-doped InP. Following an intrinsic GalnAs Layer 61, which defines the later length of the cavity, an n-doped InP layer 58, an n-doped GalnAs layer 60, a highly doped n + -InP layer 59, quantum well (QW) layers embedded in InP 57 deposited from gallium indium arsenide phosphide (GalnAsP) and a highly doped p + -InP layer 56. Finally, a layer sequence consisting of a total of 8 layers of p-doped GalnAs 54 and InP 53 is applied. As the next process step, a first lithography for electrically conductive connecting elements for the individual sub-layers is carried out in the form of holding posts. In a further dry chemical process section, cavities 50 are etched vertically downward thereon, which are later to be used to accommodate metallizations 52 for metallized hollow posts as connecting elements according to the exemplary embodiment.
Dann wird in einem weiteren Verfahrensabschnitt die Lithografie für die Metallisierung der Hohlpfosten durchgeführt, und in einem darauf folgenden Metallisierungsschritt wird eineThe lithography for the metallization of the hollow posts is then carried out in a further process step, and in a subsequent metallization step one
Metallschicht 52, die im Folgenden auch für weitere Ätzungen als Maske genutzt wird, auf die Innenwandungen der oben erwähnten Hohlräume 50 aufgebracht, um die Außenseite der erfindungsgemäßen Haltepfosten 68 zu bilden.Metal layer 52, which is also used below as a mask for further etching, is applied to the inner walls of the above-mentioned cavities 50 in order to form the outside of the holding posts 68 according to the invention.
Nachdem der zentrale optische Bereich 51 mittels einer zusätzlichen Maske, z.B. aus Siliziumnitrid, geschützt wurde, können die entsprechenden Mesen geätzt und die Kontakte 63 bzw. 64 aufgebracht werden. Abschließend werden kontrolliert alle GalnAs-Opferschichten mit Ausnahme der inneren Bereiche der flächenmäßig großen Randstützen 67 nasschemisch weggeätzt und durch Gas bzw. Flüssigkeit ersetzt.After the central optical area 51 has been created using an additional mask, e.g. made of silicon nitride, the corresponding measurement can be etched and the contacts 63 and 64 can be applied. Finally, all GalnAs sacrificial layers, with the exception of the inner areas of the large edge supports 67, are etched away by wet chemistry and replaced by gas or liquid.
Die aus GalnAsP bestehenden QW-Schichten 57 werden dabei deutlich langsamer geätzt.
Die Membranstruktur wird nach der Unterätzung durch Randstützen 67 gehalten, da diese aufgrund ihrer Größe nicht vollständig unterätzt wurden. Durch die zwischen p+-Schicht und Hohlpfosten 68 gebildeten Kontakte 65, welche aufgrund der metallisierten Hohlpfosten sehr nah am optisch aktiven Bereich 66 sind und der seitlich angeätzten QW-Schichten findet eine Stromflusseingrenzung des Stromes im Bereich 66 statt, welche für den Laser-Betrieb des VCSEL's sehr vorteilhaft ist. Des weiteren kann die in diesem Bereich erzeugte Wärme über die Metallschicht 52 der Haltepfosten abgeleitet werden.The QW layers 57 consisting of GalnAsP are etched much more slowly. After the undercut, the membrane structure is held by edge supports 67, since these have not been completely undercut due to their size. Due to the contacts 65 formed between the p + layer and the hollow posts 68, which are very close to the optically active area 66 due to the metallized hollow posts and the laterally etched QW layers, the current flow is restricted in the area 66, which is necessary for laser operation of the VCSEL is very advantageous. Furthermore, the heat generated in this area can be dissipated via the metal layer 52 of the holding posts.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird im Folgenden mit Bezug zu Figuren 4 und 5 beschrieben, das einen luftspalt-basierenden Filter mit mechanischer Aktuierbarkeit ent- hält:A further preferred exemplary embodiment is described below with reference to FIGS. 4 and 5, which contains an air gap-based filter with mechanical actuation:
Auf einem InP-Substrat 89 werden wechselnd, insgesamt sechs, dotierte GalnAs-, siehe Bezugszeichen 88, und InP-Schichten 87 abgeschieden. Daran anschliessend werden eine intrinsische Schicht GalnAs 85, die die spätere Länge der Kavität definiert, sowie wiederum ein Schichtpaket von 7 wechselnden dielektrischen Schichten aus Siliziumnitrid 83 und Silizium 84 aufgebracht. Anschliessend werden mittels Lithographie und nachfolgender trockenchemischer, anisotroper Ätzung Hohlräume 80 im oberen Schichtpaket erzeugt, die möglichst nahe am später genutzten optischen Strahlenweg liegen, aber diesen noch nicht beeinflussen. Im nächsten Schritt werden die Hohlräume teilweise oder ganz mit leitendem Material 82 verfüllt, wodurch Haltepfosten 90 gebildet werden.A total of six doped GalnAs, see reference numeral 88, and InP layers 87 are alternately deposited on an InP substrate 89. An intrinsic layer of GalnAs 85, which defines the later length of the cavity, and a layer package of 7 alternating dielectric layers made of silicon nitride 83 and silicon 84 are then applied. Then, by means of lithography and subsequent dry chemical, anisotropic etching, cavities 80 are created in the upper layer package, which are as close as possible to the optical beam path used later, but do not yet influence it. In the next step, the cavities are partially or completely filled with conductive material 82, whereby support posts 90 are formed.
Nach erfolgter Mesa-Ätzung und Strukturierung der Kontakte 86 und 93, erfolgt die kontrollierte Unterätzung, eine selektive Ätzung aller GalnAs-Schichten sowie eine selektive Ätzung der Siliziumschichten mit Ausnahme der flächenmäßig großen Rand-
bereiche 91. Die verbleibenden, frei stehenden Siliziumnitridmembranen werden nun zusätzlich zum Randbereich durch die Haltepfosten in der Nähe des optisch aktiven Bereiches gestützt. Eine an den Kontakten 93 und 86 angelegte Spannung bewirkt dann Anziehungskräfte zwischen der Schicht 87 und den leitfähigen Haltepfosten 90, womit eine mechanische Aktuation möglich wird.After mesa etching and structuring of contacts 86 and 93, controlled underetching, selective etching of all GalnAs layers and selective etching of the silicon layers with the exception of the large surface area areas 91. The remaining free-standing silicon nitride membranes are now supported in addition to the edge area by the holding posts in the vicinity of the optically active area. A voltage applied to the contacts 93 and 86 then causes attractive forces between the layer 87 and the conductive holding posts 90, which makes mechanical actuation possible.
Die vorliegende Erfindung kann unter bestimmten, dem Durch- schnittsfachmann geläufigen Anpassungen abweichend vom obigen Ausführungsbeispiel für viele verschiedene Zwecke und in verschiedenen Ausführungsformen eingesetzt werden:The present invention can, with certain adaptations familiar to the average person skilled in the art, deviate from the above exemplary embodiment for many different purposes and in different embodiments:
Beispielsweise für elektrisch gepumpte (aktuierbare) , mikro- mechanisch durchstimmbare VCSEL, für Filter, um Detektoren, Multiplexer, Demultiplexer, Modulatoren, Schalter oder Verstärker zu bauen, wobei die oben erwähnten Vorteile zur Geltung kommen.For example, for electrically pumped (actuatable), micro-mechanically tunable VCSEL, for filters to build detectors, multiplexers, demultiplexers, modulators, switches or amplifiers, whereby the advantages mentioned above come into play.
Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung in vielerlei Hinsicht abgewandelt werden, um bestimmte, technische Eigenschaften zu erhalten. Dabei versteht sich insbesondere, dass die erfindungsgemäßen Verbindeelemente nicht zwangsläufig durch das Herstellungsverfahren hergestellt werden müssen, wie es weiter oben exemplarisch beschrieben wurde, da es eine breite Vielfalt von Herstellungsvarianten im Stand der Technik gibt. Auch die Auswahl der oben genannten Materialien soll die erfinderische Idee nicht einschränken, solange eine relativ feste, mechanische Verbindung zwischen erfindungsge- mäßem Verbindeelement (Haltepfosten) und einer jeweiligen Membranschicht hergestellt werden kann.
Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im wesentlichen frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander sind.
Furthermore, the present invention can be modified in many ways in order to obtain certain technical properties. It is understood in particular that the connecting elements according to the invention do not necessarily have to be produced by the production method, as was described above by way of example, since there is a wide variety of production variants in the prior art. The choice of the above-mentioned materials should not restrict the inventive idea as long as a relatively firm, mechanical connection can be made between the connecting element according to the invention (holding post) and a respective membrane layer. Finally, the features of the subclaims can be combined with one another essentially freely and not by the order presented in the claims, provided that they are independent of one another.