DE60200849T2

DE60200849T2 - Zweidimensionaler photonischer Kristall und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60200849T2
Application number: DE60200849T
Authority: DE
Inventors: Mihail M. Santa Clara Sigalas; Annette Cupertino Grot; Laura W. Sunol Mirkarimi; Curt Los Altos Flory
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2001-04-30
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: EP1255135B1; US6560006B2; DE60200849D1; US20020159126A1; EP1255135A3; JP2002341164A; EP1255135A2

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet photonischer Kristalle und insbesondere eine zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Photonische Kristalle (PC) sind periodische dielektrische Strukturen, mit welchen die Ausbreitung von Licht in bestimmten Frequenzbereichen verhindert werden kann. Insbesondere umfassen photonische Kristalle periodische räumliche Änderungen des Brechungsindex und es können bei einem ausreichend hohen Kontrast des Brechungsindex photonische Bandlücken im optischen Spektrum der Struktur geöffnet werden (der Ausdruck „photonische Bandlücke" umfaßt in der hier und im Stand der Technik verwendeten Form einen Frequenzbereich, innerhalb dessen die Ausbreitung von Licht durch den Photonenkristall verhindert ist. Des weiteren umfaßt der Ausdruck „Licht" in der hier verwendeten Form Strahlung im gesamten elektromagnetischen Spektrum und ist nicht auf sichtbares Licht begrenzt.)
Bei einem photonischen Kristall mit einer räumlichen Periodizität in drei Dimensionen kann die Ausbreitung von Licht mit einer Frequenz in der Bandlücke des Kristalls in allen Richtungen verhindert werden. Jedoch ist die Herstellung einer derartigen Struktur technisch schwierig. Eine attraktivere Alternative bildet die Verwendung einer zweidimensionalen Photonenkristallplatte mit einem darin integrierten zweidimensionalen periodischen Gitter. Bei einer derartigen Struktur ist die Ausbreitung von Licht in der Platte in der Richtung senkrecht zu einer Hauptebene der Platte aufgrund der inneren Totalreflexion begrenzt, wogegen die Ausbreitung in anderen Richtungen durch die Eigenschaften der Photonenkristallplatte bestimmt ist. Zusätzlich zum Vorteil, daß sie einfach hergestellt werden können, haben zweidimensio nale Photonenkristallplatten den weiteren Vorteil, daß sie mit den Planartechniken der normalen Halbleiterbearbeitung kompatibel sind.
Es ist bekannt, daß durch das Einfügen von Defekten in die periodische Struktur eines Photonenkristalls lokalisierte, elektromagnetische Zustände zugelassen werden, die an der Stelle des Defekts gefangen sind und Resonanzfrequenzen innerhalb der Bandlücke des umgebenden Photonenkristallmaterials aufweisen. Durch das Herstellen einer sich durch den Photonenkristall erstreckenden Linie derartiger Defekte wird eine wellenführende Struktur erzeugt, die bei der Kontrolle und der Führung von Licht verwendet werden kann (siehe J. D. Joannopoulos, R. D. Meade und J. N. Winn, „Photonic Crystals", Princeton University Press, Princeton, NJ, 1995).
Ein zweidimensionaler Photonenkristallplattenwellenleiter umfaßt häufig ein zweidimensionales periodisches in einen Plattenkörper integriertes Gitter in der Form eines Feldes mit Säulen. Die Säulen können beispielsweise Löcher in einem Plattenkörper eines dielektrischen Materials umfassen (siehe US-Patent 6,134,369). Die Säulen können auch dielektrische Stäbe umfassen und bei dem Plattenkörper kann es sich um Luft, ein anderes Gas oder um ein Vakuum handeln. Des weiteren können die Säulen Stäbe aus einem dielektrischen Material mit einem ersten Brechungsindex und der Plattenkörper kann ein dielektrisches Material mit einem zweiten Brechungsindex umfassen, der vom ersten Brechungsindex verschieden ist. Bei diesen Vorrichtungen können die geführten Moden in der zweidimensionalen Photonenkristallplatte aufgrund der Überlappung mit verlustreichen bzw. leckenden Moden großen Verlusten unterliegen. Diese verlustreichen Moden verflüchtigen sich möglicherweise in die obere und/oder untere Hüllschicht des Photonenkristalls. Eine hohe Führungseffizienz kann lediglich in einem schmalen Frequenzbereich in der Nähe des oberen oder unteren Randes des Wellenbands erreicht werden (für die elektrische Stäbe bzw. Löcher), d.h. dort, wo keine verlustreichen Moden existieren (siehe S. B. Johnson, S. Fan, P. R. Villeneuve, L. Kolodziejski und J. D. Joannopoulos, Phys. Rev. B 60, 5751, 1999 und S. G. Johnson, P. R. Villeneuve, S. Fan und J. D. Joannopoulos, Phys. Rev. B 62, 8212, 2000).
Des weiteren bestehen sowohl bei Konstruktionen mit Löchern als auch dielektrischen Stäben Probleme aufgrund der Mischung zwischen TE-artigen und TM-artigen Wellen. Da lediglich eine Wellenart eine vollständige Bandlücke aufweist, ist aufgrund der Mischung der beiden Wellenarten eine Erhöhung der Verluste zu erwarten. Das Mischen der beiden Moden kann entweder durch eine Änderung der Polarisation des einfallenden Lichtes oder durch eine Durchbrechung der Spiegelsymmetrie der Struktur im Verhältnis zur Ebene in der Mitte der zweidimensionalen Photonenkristallplatte erfolgen. Defekte in der Struktur oder eine asymmetrische Umhüllung der Vorrichtung (z.B. eine Lufthülle auf der Oberseite und eine Hülle aus einem gering dielektrischen Material auf der Unterseite) können leicht zur Brechung der Symmetrie führen. Die Verwendung eines Bragg-Spiegels (oder eines eindimensionalen Photonenkristalls) für das Hüllmaterial ist nicht von großem Nutzen, da der Photonenkristall keine vollständige photonische Bandlücke aufweisen und das Problem aufgrund verlustreicher Moden weiter bestehen wird (siehe US-Patent 6,134,043).
Des weiteren sollte bei einer Konstruktion, bei der dielektrische Stäbe in einem Plattenkörper aus Luft vorgesehen werden, die Höhe der Stäbe ungefähr das zweifache der Gitterkonstante betragen. Dadurch wird die Herstellung dieser Strukturen ziemlich schwierig.
Im Artikel „Photonic band structure of a truncated, two-dimensional, periodic dielectric medium", Vol, 10, Nr. 2 / Februar 1993/J. Opt. Soc. Am. B von A. A. Maradudin und A. R. McGurn wird eine Photonenbandstruktur paralleler, identischer, dielektrischer Stäbe endlicher Länge offenbart, deren Schnitte mit einer senkrechten Ebene einen zweidimensionalen Kristall bilden. Des weiteren werden zwei parallele, senkrecht zu den Stäben ausgerichtete Metallplatten vorgesehen.
Im Artikel von J. K. Hwang et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 12 (10), Seiten 1293–1297 (2000) wird ein Herstellungsverfahren für eine zweidimensionale Photonenkristallplatte offenbart, die eine obere und eine untere dielektrische Hüllschicht umfaßt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photonenbandstruktur mit verringerten Verlusten bei sich in einer Ebene senkrecht zu den Stäben ausbreitenden elektromagnetischen Wellen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst.
Abriß der Erfindung
Gemäß den Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden eine zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung gemäß den Ansprüchen bereitgestellt. Eine zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung kann gemäß einem Gesichtspunkt eine Photonenkristallplatte aufweisen, die ein zweidimensionales periodisches Gitter und eine obere und eine untere Hüllschicht für die Photonenkristallplatte aufweist, wobei die obere und untere Hüllschicht jeweils eine metallische Hüllschicht umfassen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt umfaßt die zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung eine zweidimensionale Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung, bei der die Photonenkristallplatte einen Wellenleiter umfaßt, mit dem Licht mit einer Frequenz in einer Bandlücke der Photonenkristallplatte übertragen werden kann. Vorzugsweise wird der Wellenleiter durch Bereitstellen eines Bereichs von Defekten im zweidimensionalen periodischen Gitter der Platte hergestellt. Insbesondere kann das zweidimensionale periodische Gitter ein zweidimensionales Array dielektrischer Strukturen, wie beispielsweise dielektrische Stäbe, umfassen. Der Bereich von Defekten kann durch Reduzieren der Radien einer Reihe von Stäben oder durch Weglassen einer Reihe von Stäben hergestellt werden.
Mit einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung gemäß einem Gesichtspunkt wird eine im wesentlichen vollkommene Übertragung des Lichts durch den Wellenleiter und sogar längs scharf gebogener Wellenleiter erreicht. Dies wird zumindest teilweise dadurch erreicht, daß die obere und untere metallische Hüllschicht bewirken, daß das Licht zwischen den beiden metallischen Schichten eingegrenzt ist, so daß keine Verluste aufgrund einer Kopplung mit verlustreichen Moden der Hüllschichten auftreten.
Des weiteren kann gezeigt werden, daß TE-artige Moden durch Änderung des Abstands zwischen den metallischen Schichten zu Frequenzen oberhalb der untersten Bandlücke TM-artiger Moden verschoben werden können. Somit kann mit einem Abstand von 0,5a (wobei a die Gitterkonstante ist) eine vollständige Bandlücke für die TM-artigen Moden erhalten werden (siehe A. A. Maradudin und A. R. McGurn, J. Opt. Soc. Am.; 10, 307, 1993). Damit wird die Herstellung der Wellenleitervorrichtung vereinfacht, da die das zweidimensionale Array bildenden Stäbe verkürzt werden können.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt wird ein Verfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung bereitgestellt. Ein Verfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung kann das Bereitstellen einer auf einem Substrat unterstützten dielektrischen Platte, das Ausbilden eines zweidimensionalen Arrays dielektrischer Strukturen in der dielektrischen Platte zur Herstellung einer zweidimensionalen Photonenkristallplatte und das Ausbilden einer ersten und einer zweiten Hüllschicht auf der ersten und der zweiten Oberfläche der Photonenkristallplatte umfassen, wobei die erste und die zweite Hüllschicht jeweils eine metallische Hüllschicht umfassen.
Gemäß einem Gesichtspunkt umfaßt das Ausbilden eines zweidimensionalen Arrays dielektrischer Strukturen in der dielektrischen Platte das Ausbilden eines zweidimensionalen Arrays von Strukturen unter Verwendung eines Ätzprozesses. Bekannterweise ist es üblicherweise schwierig, Halbleiter mit optischer Qualität auf Metallen zu wachsen. Das Herstellungsverfahren erfordert jedoch kein Kristallwachstum und dementsprechend ist es insbesondere zur Verwendung bei der Herstellung von zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtungen mit metallischen Hüllschichten geeignet. Die Herstellung einer ersten und einer zweiten Hüllschicht auf der ersten und zweiten Oberfläche der Photonenkristallplatte kann abhängig von den verschiedenen bei der Herstellung der Vorrichtung verwendeten Arten von Materialien auf verschiedene Weise erreicht werden.
Wie ebenfalls im Stand der Technik bekannt ist, ist es zweckmäßig, die zweidimensionale Photonenkristallplatte aus einkristallinen Materialien herzustellen. Das Herstellungsverfahren läßt die Verwendung verschiedener Arten von Materialsystemen, einschließlich von z.B. Si-, InGaAsP- und GaAs-Systemen zu. Im allgemeinen kann das Herstellungsverfahren bei jedem dieser Systeme verwendet werden, wobei lediglich eine geringe Änderung des Verfahrens erforderlich ist.
Weitere Vorteile und spezifische Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich im Nachfolgenden in Verbindung mit der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische x-z-Ansicht einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine schematische x-y-Querschnittsansicht, die die periodische Struktur der Photonenkristallplattenvorrichtung aus 1 abbildet;
3 zeigt eine schematische x-y-Querschnittsansicht, die eine Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung mit einem geraden Wellenleiter gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 zeigt eine schematische x-y-Querschnittsansicht, die eine Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung mit einem gebogenen Wellenleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 veranschaulicht die Größe der Poynting-Vektoren für die zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung aus den 1 und 2 und für die zweidimensionale Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung aus 3 (die Frequenz ist in Einheiten von c/a angegeben, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und a die Gitterkonstante) ist.
6 zeigt die Größe der Poynting-Vektoren für die zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung aus den 1 und 2 und für die zweidimensionale Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung aus 4 (die Frequenz ist in Einheiten von c/a angegeben);
7 veranschaulicht die Verteilung der Felder für die Anordnung mit einem gekrümmten Wellenleiter aus 4 bei einer Frequenz von 0,324 c/a;
8a–8i zeigen schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen auf Si basierenden Photonenkristallplattenvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
9 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer auf InP oder GaAs basierenden zweidimensionalen Photonenkristallplattenanordnung gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
10a–10g veranschaulichen schematisch ein Verfahren zur Herstellung einer auf InP oder GaAs basierenden zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausfürungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine schematische x-z-Ansicht einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung ist im allgemeinen mit den Bezugszeichen 10 bezeichnet und umfaßt eine Photonenkristallplatte 20, die aus einem zweidimensionalen periodischen Gitter gebildet wird, das in einen Plattenkörper integriert ist. Bei der gezeigten Ausführungsform wird das periodische Gitter aus einem zweidimensionalen Array von Säulen 22 gebildet, die Stäbe aus einem Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, wie beispielsweise Si oder GaAs, umfassen, wobei der mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnete Plattenkörper Luft aufweist. Man beachte jedoch, daß die Photonenkristallplatte 20 lediglich als Beispiel angegeben ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei dem Plattenkörper beispielsweise um ein anderes Gas oder um ein Vakuum handeln. Alternativ können die Säulen 22 Löcher umfassen und der Plattenkörper 24 kann ein dielektrisches Material umfassen, oder sowohl die Säulen als auch der Plattenkörper können dielektrische Materialien umfassen, die sich bezüglich der Dielektrizitätskonstante unterscheiden.
Wie in 2 dargestellt ist, bei der es sich um eine x-y-Querschnittsansicht der Photonenkristallplattenvorrichtung 10 aus 1 handelt, umfaßt das zweidimensionale Array aus Säulen 22 ein rechteckiges Array aus Stäben. Das rechtwinklige Array ist ebenfalls lediglich als ein Beispiel angegeben. Es können andere Konfigurationen, wie beispielsweise ein quadratisch oder dreieckig geformtes Array verwendet werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Mit Bezugnahme auf 1 umfaßt die Photonenkristallplattenvorrichtung 10 eine obere und eine untere Hüllschicht 26 bzw. 28, die über und unter der Photonenkristallplatte 20 angeordnet sind und die die gesamte obere bzw. untere Fläche der Photonenkristallplatte abdecken (Bei der Ausführungsform von 1, bei der es sich bei dem Plattenkörper um Luft handelt, werden die obere und die untere Fläche der Platte in Wirklichkeit durch die obere und untere Oberfläche der dielektrischen Stäbe 22 definiert.).
Die obere und untere Hüllschicht 26 bzw. 28 umfassen eine obere und eine untere metallische Hüllschicht 30 bzw. 32 und eine obere und untere dielektrische Hüllschicht 34 bzw. 36, wobei es sich vorzugsweise um Oxidhüllschichten handelt, die zwischen den metallischen Hüll schichten 30 und 32 und den Flächen des Plattenkörpers 20 aufgebracht werden. Die Oxidhüllschichten 34 und 36 weisen eine niedrige Dielektrizitätskonstante auf (z.B. SiO₂) und können dazu verwendet werden, eine mögliche Absorption aufgrund des Metalls zu minimieren. Ebenso ist es möglich, falls dies gewünscht wird, die Luft in der Photonenkristallplatte durch ein Oxid zu ersetzen.
3 zeigt eine x-y-Querschnittsansicht einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Wellenleitervorrichtung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet ist, ist der Vorrichtung 10 aus den 1 und 2 ähnlich, mit der Ausnahme, daß ein Bereich mit Defekten im aus Stäben gebildeten Array 22 vorgesehen ist. Dieser Bereich aus Defekten ist im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet und definiert einen Wellenleiter durch die Photonenkristallplatte. Der Wellenleiter ist zur Übertragung von Licht mit einer Frequenz in einer Bandlücke des umgebenden Photonenkristallmaterials geeignet. Der Bereich aus Defekten 42 kann auf verschiedene Weise erhalten werden. In 3 wird der Bereich beispielsweise durch Vorsehen einer Reihe von Stäben 44 mit verringertem Radius hergestellt. Alternativ kann der Bereich aus Defekten durch das Weglassen einer oder mehrerer Reihen der Stäbe 22 oder durch eine Veränderung einer oder mehrerer Reihen der Stäbe 22 auf eine andere Weise hergestellt werden.
In der 3 ist ferner ein sich durch die Vorrichtung 40 in einer geraden Linie von einem Ende zum gegenüberliegenden Ende derselben erstreckender Bereich aus Defekten 42 gezeigt, wodurch ein gerader Wellenleiter definiert wird. Der Bereich aus Defekten kann jedoch auch in einer gebogenen Konfiguration angeordnet werden, wie in 4 gezeigt ist. Insbesondere handelt es sich bei 4 um eine x-y-Querschnittsansicht einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung 50, in die ein Wellenleiter 52 integriert ist, der eine 90°-Biegung aufweist. Bei der Ausführungsform aus 4 wurde der gebogene Wellenleiter durch das Weglassen von Stäben aus Teilen von zwei zueinander senkrecht ausgerichteten Reihen des Arrays hergestellt.
Um die Leistungsfähigkeit einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung festzulegen, wurden die Felder unter Verwendung des Finite Difference Time Domain (FDTD)-Verfahrens berechnet (siehe A. Taflove, „Finite Difference Time Domain Method"). Beim berechneten System umfaßt die Vorrichtung ein periodisches Gitter in der Form eines 9 × 12 Arrays von Stäben 22 längs der x- und y-Achse. Die Dicke der Photonenkristallplatte 20 betrug 0,5 a, wobei a die Gitterkonstante des Gitters ist. Der Radius der Stäbe betrug r = 0,22a, mit der Ausnahme, daß der Radius der Stäbe längs des Wellenleiters 0 betrug (d.h. der Wellenleiter wurde durch Weglassen einer Linie von Stäben gebildet). Die Länge der Stäbe betrug 0,5 a. Ein parallel zur z-Achse polarisierter Dipol wurde außerhalb der Struktur, wie bei 56 in 2–4 veranschaulicht ist, angeordnet und mittels eines Impulses angeregt. Die Dicke der Metallschichten 30, 32 betrug 0,125 a. In der Vorrichtung waren keine obere oder untere Oxidschicht 34 bzw. 36 vorhanden.
Der Poynting-Vektor wurde im Inneren des Kristalls in einer x-y-Ebene auf halber Strecke zwischen den Schichten 30 und 32 berechnet. Für den periodischen Fall (d.h. für eine Photonenkristallplattenvorrichtung, wie sie in den 1 und 2 veranschaulicht ist, ohne einen Wellenleiter) besteht eine Bandlücke mit einer reduzierten Frequenz zwischen 0,24 und 0,38 (in 5 durch die strich-punktierte Linie gezeigt). Innerhalb dieser Lücke war der Poynting-Vektor 0. Wenn der gerade Wellenleiter 42 in der Photonenkristallplatte, wie in 3 gezeigt ist, vorgesehen wird, tritt jedoch in der Lücke ein Wellenleiterband auf. Das Profil des Poynting-Vektors war an drei unterschiedlichen Punkten im Inneren des Wellenleiters näherungsweise dasselbe (veranschaulicht durch die durchgezogene, die gepunktete und die gestrichelte Linie in 5), was einen Hinweis auf die sehr guten Übertragungseigenschaften des Wellenleiters darstellt.
Die Poynting-Vektoren für die Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung aus 4 mit einem gebogenen Wellenleiter 52 an Orten vor und hinter der Biegung sind durch durchgezogene bzw. gepunktete Linien in 6 gezeigt. Die Vektoren sind nahezu identisch, was beweist, daß die Übertragungseigenschaften des gebogenen Wellenleiters genauso gut wie die des geraden Wellenleiters sind. In 7 ist die Verteilung der Leistung im Inneren der Konfiguration des gebogenen Wellenleiters gezeigt und damit wird bestätigt, daß das Licht ohne jegliche Verluste um eine 90°-Biegung geleitet werden kann. Dies ist somit in Übereinstimmung mit den in 6 gezeigten Ergebnissen.
Es bestehen mehrere Randbedingungen, die bezüglich der Herstellung einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung, wie der oben beschriebenen, berücksichtigt werden müssen. Da bei diesen Vorrichtungen die Ausbreitung von Licht verwendet wird, ist es zweckmäßig, ein-kristalline Materialien als Grundlage für die Vorrichtung zu verwenden. Die in 1 gezeigte Photonenkristallplattenvorrichtung enthält eine geschichtete Struktur aus Metall/Oxid/Dielektrikum/Oxid/Metall. Bei dieser Vorrichtung sollte der Brechungsindex der Hüllschichten im Bereich zwischen 1–2,0 liegen und der Brechungsindex der dielektrischen Stäbe 22 (des Kerns) sollte zwischen 3 und 4 liegen. Da es äußerst schwierig ist, Halbleiter mit optischer Qualität auf Metall zu wachsen, werden alternative Verfahren gemäß den Ausführungsformen der Erfindung zur Herstellung einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung vorgesehen.
Für den Fall, in dem 1<n<2,0/3<n<4/1<n<2,0 für die Hüllschicht/den Photonenkristallkern/die Hüllschicht gilt, existieren mehrere Materialsysteme, mit welchen die oben angegebenen Erfordernisse erfüllt werden können, einschließlich von SiO₂/Si/SiO₂, Al₂O₃/InGaAsP/Al₂O₃ und Al₂O₃/GaAs/Al₂O₃
In 8a–8i ist ein Prozeß zur Herstellung einer auf Si basierenden zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Zunächst veranschaulicht 8a eine Struktur, die einen Einkristallkern 62 aus Si umfaßt, die mit einer Opferschicht 64 aus SiO₂ verbunden ist, die wiederum auf einem Si-Substrat 66 getragen wird. Derartige Si/SiO₂/Si-Isolatorstrukturen sind kommerziell erhältlich.
Aus der Si-Kernschicht 62 wird dann eine Photonenkristallstruktur hergestellt, wobei vorzugsweise ein geeigneter Ätzprozeß verwendet wird. Insbesondere wird ein Photonenkristallgitter unter Verwendung einer Elektronenstrahllithographie oder einer anderen Nanolithographietechnik in einen Transfer-Resist abgebildet, so daß im Si dielektrische Stäbe erhalten werden. Ein Muster kann auch in eine harte Maske aus Metall oder SiO₂ unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen übertragen werden. Als nächstes wird das Muster durch Ätzen des Si-Kerns 62 auf den Si-Kern 62 übertragen, so daß eine Photonenkristallplatte 67 gebildet wird, die ein zweidimensionales Array aus Stäben aus Si 68 umfaßt, wie in 8b gezeigt ist. Mittels einer kontrollierten Ätze kann der Ätzprozeß an der SiO₂-Opferschicht 64 gestoppt werden. Vorzugsweise wird das zweidimensionale Array aus Si-Stäben 68 so hergestellt, daß es darin einen Bereich aus Defekten (die in 8b nicht gezeigt sind) umfaßt, die entweder gerade oder gebogen sind, so daß ein gerader oder gebogener Wellenleiter in der Photonenkristallplatte 67 gebildet wird.
Zur Vereinfachung der Handhabung und zum Abschluß der Herstellung der Vorrichtung wird die Struktur aus 8b dann mit Hilfe eines organischen oder anorganischen Mediums 72 planarisiert, wie in 8c gezeigt ist, um die Photonenkristallplatte 67 als planarisierte Stapelschicht (stack layer) 70 auszubilden. Das planarisierende Medium 72 sollte eine ausreichende Viskosität aufweisen, so daß der Bereich um die dielektrischen Stäbe 68 durch das Medium vollständig ausgefüllt wird. Eine gute Wahl für das planarisierende Medium umfaßt Polyimid, aufgeschleudertes Glas oder mit PECVD gewachsenes SiO₂.
Den nächsten Herstellungsschritt bildet die Abscheidung einer Hüllschicht 74 auf der planarisierten Stapelschicht 70 (8d). Diese Hüllschicht ist eine dünne Schicht aus einem Medium mit niedrigem Brechungsindex, das entweder organisch oder anorganisch sein kann (z.B. SiO₂). Als nächstes wird eine Metallstapelstruktur 76 auf die obere Oberfläche der Hüllschicht 74 durch Verdampfen oder durch eine Sputter-Abscheidung aufgebracht (8e). Diese Metallstruktur wird dann zur Verbindung der Struktur in 8e mit einem weiteren Substrat 78 verwendet, wie in 8f veranschaulicht ist.
Die Metallstapelschicht 76 enthält eine Haftschicht und ein Verbindungsschichtmaterial. Das Verbindungsschichtmaterial kann ein Material sein, das ein Niedrigtemperatur-Silizid, wie beispielsweise Ni oder Pt bildet. Alternativ kann eine Metallverbindung verwendet werden, um das Substrat 78 mittels eines Reflow-Prozesses oder eines Thermo-Kompressions-Prozesses zu verbinden. Die für den Reflow oder die Thermo-Kompression wählbaren Metalle sind zahlreich und umfassen In- und Pb-Verbindungen oder Au.
Als nächstes wird das ursprüngliche Substrat 66 entfernt. Dies kann durch selektives Ätzen der Opferschicht 64 erreicht werden, was auch zur Entfernung des Substrats führt (8g). Ein Verfahren, um dies zu erreichen, besteht darin, ein organisches Material für die planarisierte Stapelschicht 70 auszuwählen und eine HF-Lösung zum Ätzen der Opferschicht 64 zu verwenden.
Nach dem Entfernen des Substrats 66 wird mit Hilfe entweder einer PECVD oder von Aufschleudertechniken eine anorganische oder organische Hüllschicht 80 auf die planarisierte Stapelschicht 70 abgeschieden (siehe 8h). Man beachte, daß die Struktur in 8g vor der Abscheidung der Hüllschicht 80, die in 8h gezeigt ist, umgedreht wurde. Schließlich wird ein dünner metallischer Film 82 auf die Hüllschicht 80 zur Vervollständigung der Struk tur abgeschieden (8i). Die Struktur in 8i umfaßt eine vervollständigte zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung, die eine aus der planarisierten Stapelschicht 70 gebildete Photonenkristallplatte, typischerweise mit einem darin hergestellten Wellenleiter, wie oben beschrieben wurde, und einer oberen und unteren Hüllschicht umfaßt, wobei die untere Hüllschicht auf einem Substrat 78 getragen wird. Die obere Hüllschicht umfaßt eine mittlere Hüllschicht 80 mit niedrigem Index und eine metallische Hüllschicht 82 und die untere Hüllschicht umfaßt eine mittlere Hüllschicht 74 mit niedrigem Index und eine metallische Hüllschicht 76.
Für Ausführungsformen, bei welchen auf InP oder GaAs basierende Materialien für die Photonenkristallvorrichtung und nicht auf Si basierende Materialien verwendet werden, sollte der Herstellungsprozeß geringfügig abgewandelt werden. Bei diese Ausführungsformen ist das bevorzugte Material mit niedrigem Brechungsindex für die Hüllschichten Al₂O₃ und bei den Materialsystemen Al₂O₃/InGaAsP/Al₂O₃ und Al₂O₃/GaAs/Al₂O₃ bestehen einige wenige bedeutende Unterschiede, die erwähnt werden sollten. Zunächst wird, wie in 9 gezeigt ist, eine Opferschicht 90 auf dem Substrat 92 abgeschieden und dann eine Hüllschicht 94 auf der Opferschicht 90. Dadurch wird das spätere Entfernen des Substrats 92 ermöglicht, ohne daß die Stäbe aus InP oder GaAs, die dann in der dielektrischen Kernschicht 96 ausgebildet sind, beschädigt werden. Typischerweise werden die Heterostrukturen mit einer Hüllschicht 94 aus AIAs/InAs oder AlGaAs unter der Kernschicht aus InP bzw. GaAs abgeschieden. Diese Hüllschicht wird mittels eines Naßoxidationsprozesses oxidiert, mit dem die Hüllschicht aus Al₂O₃ erzeugt wird. Nachfolgend auf die Naßoxidation wird die Probe im allgemeinen, wie in 8 gezeigt ist, bearbeitet. Insbesondere wird eine dielektrische Kernschicht 96 abgeschieden, eine planarisierte Stapelschicht aus der dielektrischen Kernschicht 96 gebildet, werden Oxidhüllschichten und metallische Hüllschichten auf der Oberseite der planarisierten Stapelschicht vorgesehen und wird das Substrat 92 durch entfernen der Opferschicht 90 entfernt. Bei der Ausführungsform aus 9 ist es jedoch lediglich erforderlich, insofern die Oxidhüllschicht 94 zuvor aufgebracht wurde, die zweite metallische Hüllschicht auf die Oxidhüllschicht 94 aufzubringen.
Ein alternativer Herstellungsweg ist in den 10a–10g gezeigt. Bei diesem Verfahren wird nach der Abscheidung der Opferschicht 90 auf dem Substrat 92 eine Al enthaltende Hüllschicht 104 auf der Opferschicht 90 und die Kernschicht 106 auf der Hüllschicht 104 abgeschieden. Danach wird jedoch, wie in 10a gezeigt ist, eine obere Al enthaltende Hüll schicht 102 auf der Oberseite der Kernschicht 106 abgeschieden. Dann wird die Photonenkristallstruktur strukturiert und dann durch beide Hüllschichten geätzt, wie bei 108 in 10b gezeigt ist. Der Naßoxidationsprozeß bewirkt, daß die Hüllschichten 102 und 104 die Al₂O₃-Hüllschichten 103 bzw. 105 werden. Nachfolgend auf die Oxidation wird ein Planarisierungsschritt durchgeführt, wie oben für den Si-Prozeß beschrieben wurde, um eine planarisierte Stapelschicht 110 zu erhalten (10c). Der Ablauf des verbleibenden Verfahrens ist nahezu identisch mit dem des Si-Prozesses mit der Ausnahme, daß die Opferschicht 90 und das Substrat 92 entfernt werden und lediglich eine metallische Hüllschicht aufgebracht werden muß. Insbesondere wird eine metallische Stapelschicht 112 aufgebracht (10d), wird ein zweites Substrat 114 (10e) aufgebracht, werden die Opferschicht 90 und das untere Substrat 92 entfernt (10f) und wird eine zweite metallische Filmschicht 116 auf die planarisierte Stapelschicht 110 aufgebracht, wie in 10g gezeigt ist (Man beachte wiederum, daß die Struktur aus 10f umgedreht wird, bevor die zweite Metallschicht 116 aufgebracht wird, die in 10g gezeigt ist). Die in 10g gezeigte Struktur umfaßt eine vervollständigte zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung, wobei es sich typischerweise um eine zweidimensionale Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung handelt, die eine Photonenkristallplatte umfaßt, die die planarisierte Stapelschicht 110 aufweist, die zwischen die obere und untere Hüllschicht eingefügt ist, wobei die untere Hüllschicht auf ein Substrat 114 aufgebracht ist. Die obere Hüllschicht umfaßt eine Hüllschicht 105 aus Al₂O₃ und eine metallische Hüllschicht 116 und die untere Hüllschicht umfaßt eine Hüllschicht 103 aus Al₂O₃ und eine metallische Hüllschicht 112.
Die oben beschriebenen Herstellungsverfahren können effektiv zur Herstellung einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung, wie der in den 1 bis 4 gezeigten, verwendet werden. Man beachte jedoch, daß die Verfahren ebenfalls zur Herstellung einer anderen zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung, einschließlich einer Vorrichtung verwendet werden können, bei der die Hüllschichten Schichten aus entweder Metall oder einem Dielektrikum oder aus beidem aufweisen. Zusätzlich ist zu beachten, daß die zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch mit Hilfe von sich von den hier beschriebenen Verfahren unterscheidenden Verfahren hergestellt werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
Während in der Beschreibung die momentan bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind, ist zu beachten, daß die Erfindung auf zahlreiche Arten abgeändert werden kann, ohne davon abzuweichen. Dementsprechend ist zu beachten, daß die Erfindung lediglich durch den Umfang der folgenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung (10, 40, 50), umfassend: eine Photonenkristallplatte (20, 70, 110), die ein zweidimensionales periodisches Gitter umfaßt; und eine obere und eine untere Hüllschicht (26, 28, 80, 82, 74, 76, 105, 116, 103, 112) für die Photonenkristallplatte (20, 70, 110), die jeweils eine metallische Hüllschicht (30, 32, 82, 76, 116, 112) aufweisen; dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Hüllschicht (26, 28, 80, 82, 74, 76, 105, 116, 103, 112) des weiteren jeweils eine dielektrische Hüllschicht (34, 36, 80, 74, 105, 103) zwischen der Photonenkristallplatte (20, 70, 110) und der metallischen Hüllschicht (30, 32, 82, 76, 116, 112) der oberen bzw. unteren Hüllschicht (26, 28, 80, 82, 74, 76, 105, 116, 103, 112) aufweisen.
Zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung (10, 40, 50) nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Hüllschicht (34, 36, 80, 74, 105, 103) der oberen und unteren Hüllschicht (26, 28, 80, 82, 74, 76, 105, 116, 103, 112) jeweils eine Oxidhüllschicht (34, 36, 80, 74, 105, 103) aufweist.
Zweidimensionale Photonenkristallplattenvorrichtung (10, 40, 50) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (10, 40, 50) eine zweidimensionale Photonenkristallplattenwellenleitervorrichtung (40, 50) umfaßt und wobei das zweidimensionale periodische Gitter der Photonenkristallplatte (20, 70, 110) darin einen Bereich von Defekten (42, 52) umfaßt, um einen Wellenleiter (42, 52) zu definieren, wobei der Bereich von Defekten (42, 52) entweder eine gerade Linie von Defekten (42), um einen geraden Wellenleiter (42) zu definieren, oder eine gebogene Linie von Defekten (52) umfaßt, um einen gebogenen Wellenleiter (52) zu definieren.
Verfahren zur Herstellung einer zweidimensionalen Photonenkristallplattenvorrichtung, umfassend: Bereitstellen einer dielektrischen Platte (62, 96, 106), die auf einem ersten Substrat (66, 92) getragen wird; Ausbilden eines zweidimensionalen Arrays dielektrischer Strukturen (68, 108) in der dielektrischen Platte (62, 96, 106), um eine zweidimensionale Photonenkristallplatte (70, 110) zu bilden; und Ausbilden einer ersten und zweiten Hüllschicht (80, 82, 74, 76, 105, 116, 103, 112) auf der ersten und zweiten Oberfläche der Photonenkristallplatte (70, 110); wobei das Ausbilden der ersten und zweiten Hüllschicht (80, 82, 74, 76, 105, 116, 103, 112) auf der ersten und zweiten Oberfläche der Photonenkristallplatte (70, 110) ein Aufbringen einer ersten und zweiten Hüllschicht aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex (80, 74, 105, 103) auf die Photonenkristallplatte (70, 110) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbilden der ersten und zweiten Hüllschicht (80, 82, 74, 76, 105, 116, 103, 112) des weiteren ein Aufbringen einer ersten und zweiten metallischen Hüllschicht (82, 76, 116, 112) auf die erste und zweite Hüllschicht aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex (80, 74, 105, 103) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Ausbilden eines zweidimensionalen Arrays dielektrischer Strukturen (68, 108) in der dielektrischen Platte (62, 96, 106) ein Ausbilden eines zweidimensionalen Arrays dielektrischer Strukturen (68, 108) durch einen Ätz-Prozeß umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, das des weiteren ein Ebnen der zweidimensionalen Photonenkristallplatte (70, 110) durch Einfügen eines planarisierenden Mediums (72) zwischen die dielektrischen Strukturen (68, 108) umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei das Ausbilden der ersten und zweiten Hüllschicht (80, 82, 74, 76, 105, 116, 103, 112) auf der ersten und zweiten Oberfläche der Photonenkristallplatte (70, 110) umfaßt: Aufbringen der ersten Hüllschicht aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex (74) auf die erste Oberfläche der Photonenkristallplatte (70); Aufbringen der ersten metallischen Hüllschicht (76) auf die erste Hüllschicht (76) aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex (74); Aufbringen eines zweiten Substrates (78) auf die erste metallische Hüllschicht (76); Entfernen des ersten Substrates (66); Aufbringen der zweiten Hüllschicht aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex (80) auf die zweite Oberfläche der Photonenkristallplatte (70); und Aufbringen der zweiten metallischen Hüllschicht (82) auf die zweite Hüllschicht aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex (80).
Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5, 6 oder 7, wobei die dielektrische Platte (62, 96, 106) eine dielektrische Si-Platte (62) umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei der Schritt des Ausbildens eines zweidimensionalen Arrays dielektrischer Strukturen (68, 108) in der dielektrischen Platte (62, 96, 106) ein Ausbilden eines zweidimensionalen Arrays dielektrischer Strukturen (108) durch Durchführen eines Ätz-Prozesses auf die erste und zweite Hüllschicht aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex (103, 105) und auf die dielektrische Platte (106) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Hüllschichten aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex (103, 105) ein Hüllmaterial (103, 105) umfassen, das Al aufweist, und wobei das Verfahren des weiteren ein Oxidieren des Al enthaltenden Hüllmaterials (103, 105) umfaßt.