半导体装置
技术领域
本发明涉及一种用于在光学应用中使用的半导体装置及其制造方法。
背景技术
为了满足未来计算系统的需要，可能需要更高速度和更高能效的电互连的替代，例如，芯片上(on-chip)光学互连和芯片间(chip-to-chip)光学互连。集成光学，特别是硅光子学，可适当地满足这样的需求。为了有成本效益地批量制造具有适合于用于高速装置和/或应用中的执行性能的基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的芯片，要提供具有兼容光源的集成光学互连。在此情况下的问题是，由于硅的间接带隙，没有基于硅的光源是可利用的和/或可被使用的。已经通过采用基于III-V半导体材料系统设法解决该问题，基于III-V半导体材料系统典型地提供为结合硅电子学和更一般的基于硅平台的集成光学使用的光源。然而，与此相关的问题由III-V化合物半导体和硅之间的晶格失配造成，使得在硅平台上直接的单片集成基于III-V的光源的变得复杂。在前面提出的方法中，为了便于这样的集成，采用接合的基于III-V的预处理的光源或者毯覆增益材料。这样，在将预处理的基于III-V的光源接合到给定的波导结构时，实现相对高精度对准可能耗时并具有挑战，特别是因为对准精度可能受到接合工艺的进一步限制。为了在预处理的硅基波导上接合毯覆式的III-V材料，可采用设置在硅晶片上的对准标记，其设置用于III-V层的图案化中涉及的光刻步骤。因为基于诸如III-V材料化合物半导体系统的光源相对于诸如硅波导和/或共振器的对准精度可能相当取决于光刻精度，所以对于一定的应用这样的对准精度可能是不足够的。通常，与单片集成相比，这种异质/混合的集成光学系统固有的具有较低的定位精度。此外，就产量而言，异质/混合的集成可能与集成电子所提供的标准不匹配。对于此，例如对于单个装置，产量特征(yield feature)典型的在90％范围内。
进一步需要为异质/混合光学系统考虑的问题，特别用于硅光电子的III-V基光源，该问题涉及如何在这样的系统中定位生成的光。对于此，可能是该光主要位于与具有III-V材料系统具有相对较小重叠的硅中，这会致使相对低的材料增益以及高阈值电流。或者，光可以主要位于III-V材料系统中，在这种情形下，与增益部分具有相对好的重叠，并且，失真谐振器的可能性会有助于相对低的光学输出功率。
在此之前所提出的在硅平台上使用混合/非集成制造设备/系统已经被描述在下列文档中：参见Optics Express,第14卷,第20期,第9203-9210页,2006中出版的，作者为Fang等人，标题为“Electrically pumped hybrid AlGaInAs-Silicon evanescent laser”的文档，在Optics Express,第15卷,第11期,第6744-6749页,2007中出版的，作者为Van Campenhout等人，标题为“Electrically pumped InP-based microdisk lasers integrated with a nanophotonic silicon-on-insulator waveguide circuit”的文档。在IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron,第5卷,第3期,第520-529页,1999中出版的，作者为Boucart等人，标题为“Metamorphic DBR and tunnel-junction injection:A CW RT monolithic long-wavelength VCSEL”的文档，以及在IEEE Journal of selected topics in quantum electronics,第14卷,no.4,第1171-1179页,2008中出版的，作者为Mi等人，标题为“Pseudomorphic and metamorphic quantum dot heterostructures for long-wavelength lasers on GaAs and Si”的文档。
在Materials Today,第10卷,第7-8期,第36-43页,2007中出版的，作者为Roelkens等人，标题为“III-V/Si photonics by die to wafer bonding”的文档中，描述了使用聚合物粘合剂的III-V族层到硅晶片的结合。这篇文献看起来不包含任何关于以下的教导，在光学性质和/或功能上，根据一个光学装置/系统适用于在一个给定的光学应用中，可解决/提供一种与先前提出的如以上所描述的关于混合/异质集成光学系统的光学设备/系统相关联的问题的方案。
现在参考在Appl.Phys.Lett.,第96卷,142106,2010中出版的，作者为Yokoyama等人，标题为“III-V semiconductor-on-insulator n-channel metal-insulator-semiconductor field-effect transistors with buried Al2O3 layers and sulphur passivation:Reduction in carrier scattering at the bottom interface”的文档，其中描述了通过接合(bonding)耔晶层以及执行连续增长所制造的 III-V族硅上晶体管。该文档似乎不包含任何在光学性质和/或功能上的教导，使得光学装置/系统适用于在一个给定的光的应用程序能够处理/提供一种对先前提出的关于混合/异质集成光学系统的与光学设备/系统相关联的问题的方案。
在Appl.Phys.Lett.,第91卷,021114,2007中出版的，作者为Li等人，标题为“Defect reduction of GaAs epitaxy on Si(001)using selective aspect ratio trapping”文档中，其报道了采用宽高比限制在硅上氧化物沟槽中的III-V外延。还参考J.Electrochem.Soc.156,H574,2009中出版的，作者为Li等人，标题为“Monolithic integration of GaAs/InGaAs lasers on virtual Ge substrates via aspect-ratio trapping”的文档，其中示例了凭借宽高比限制和外延横向附晶，GaAs/InGaAs量子阱层通过金属有机化学气相沉积形成在硅上的实质Ge基板上。这些文件分别有关于解决与在硅上制造包括诸如III-V材料系统的化合物半导体材料系统的结构相关的已知问题，这些问题可导致其中集成了这样的结构的装置的性能劣化。这样的问题涉及III/V材料系统和硅之间的晶格失配和热系数的差别。然而，这些文件中的任何一个都没有设法解决上面讨论的与混合/异质的集成光学系统和/或光源与光学结构(诸如波导，更具体的，光子结构)单片集成且光学耦合相关的问题。
在下列文档中已经报道了直接在硅平台和/或基于纳米线的发光装置和光学探测器之上的III-V材料的外延生长：在Appl.Phys.Lett.,第97卷,163501,2010中出版的，作者为Bjoerk等人，标题为“Si-InAs heterojunction Esaki tunnel diodes with high current densities”的文档；在Nature Photonics,第5卷,第170-175页,2011中出版的，作者为Chen等人，标题为“Nanolasers grown on silicon”的文档，以及在Nano Letters,第11卷,第385-390页,2011中出版的，作者为Chuang等人，标题为“GaAs based nanoneedle light-emitting diode and avalanche photodiode monolithically integrated on a silicon substrate”的文档。这些文档看起来并未解决在硅平台上单片集成III-V基光源的问题。此外，它们没有解决/提供对于该问题和/或与混合/异质的集成光学系统相关的问题的任何方案/替代方式。
现参见Optics Express,第19卷,9221,2011中公开的，作者为Halioua等人，标题为“Hybrid III-V semiconductor/silicon nanolaser”的文档，其中光泵浦一维光子空腔激光器垂直耦合到预先构型的直硅波导。激光器相对于硅 波导的对准通过采用硅波导中形成的标记的电子束光刻实现，其潜在地实现了好于50nm的覆盖精度。该文档并没有公开任何电泵浦(electrical pumping)和/或光源与无源光学元件/方面的横向耦合。此外，该文档看来并未提供如何解决上面所描述的与混合/异质集成的光学系统相关的问题。
在Journal of Optics,第12卷,065003,2010中出版的，作者为Baumann等人，标题为“Design and optical characterisation of photonic crystal lasers with organic gain material”的文档中，报道了将有机增益材料旋涂至二维光子晶体之上。同时为了适于有机增益材料，旋涂相对于固态增益材料不兼容，因此，以III-V材料系统为例。此外，该文档并未公开任何电泵浦。
现转到在Optics Express,第17卷,20998,2009中出版的，作者为Moll等人，标题为“Ultra-high quality-factor resonators with perfect azimuthal modal-symmetry”的文档，该文档描述了环形光栅(circular grating)以及将该所公开的元件用作调制器。并没有提供电泵浦(electrical pumping)以及将III-V族材料系统与硅相集成的教导。
US 2008/0128713 A1公开了一种光发射器件，包括：用于注入电子的第一电极单元，用于注入空穴的第二电极单元，以及分别电连接至第一电极单元和第二电极单元的光发射单元，其中，该光发射单元由单晶硅构成，该光发射单元具有第一表面(上部表面)以及相对于该第一表面的第二表面(下部表面)，该第一和第二表面的平面取向(plane orientation)被设置到(100)面，该光发射单元的厚度在正交与该第一和第二表面的方向上被制作的极薄。该文档描述了硅光源的制作及使用以及硅激光。光生成的流程看起来是基于冲击电离而不是基于直接带隙转变。进而，这篇文档看来既没有在公开光学活动方面对III-V族材料的使用，也没有公开与硅的集合和/或对其的使用。看起来所描述的在小于1200纳米的操作使得该公开的器件对于例如采用硅波导的光传播没有吸引力。同样，该文档看来在如何解决与此前描述的混合/异质集成光学系统相关的问题没有提供教导。
US 2008/0002929A1描述了用于电泵浦混合倏逝激光器的设备和方法。一个示例是，该设备包括设置在硅中的光波导。有源半导体材料设置在光波导之上，限定光波导和有源半导体材料之间的倏逝耦合界面，使光波导要引导的光模与光波导和有源半导体材料二者重叠。电流注入通道限定为通过有源半导体材料并与光模至少部分重叠，使得光响应于有源半导体材料的电泵 浦而产生，有源半导体材料的泵浦响应于沿着与光模至少部分重叠的电流注入通道的电流注入。在该文件中，有源半导体材料产生的光倏逝地耦合到构成无源组件(passive aspect)的硅波导。用于方便硅上光源的当前解决方案，是基于混合/异质的集成，而不是直接通过单片集成。因为有源半导体材料相对于硅波导遥远地设置，所以可能的是所产生的光相对于无源组件的位置相对地不变化。再者，可能的是所产生的光与有源半导体材料的重叠相对小，这与混合的操作模式是同时的(concurrent)，即具有相对较小的有源模式的主无源模式。这样的混合操作模式可导致相对较高的阈值电流和较低的光学输出水平。
US 2008/0198888 A1公开了在硅波导上接合化合物半导体的方法，用于获得硅基板之上的激光器。该文件有关于基于化合物半导体材料系统的光源相对于硅基板的异质集成，而不是单片集成。
US2009/0245298A1公开了一种硅激光器混合集成装置，包括：在顶表面中包括至少一个波导的绝缘体上硅基板；以及包括增益层的化合物半导体基板，该化合物半导体基板经受了量子阱混合工艺，其中化合物半导体基板的上表面接合到绝缘体上硅基板的顶表面。该文件涉及化合物半导体基板的表面相对于绝缘体上硅基板的混合/异质集成，而不是单片集成。根据所制造结构的指数对比，可能的是，激光源/化合物半导体组件产生的光主要限定在硅中而以相对小的比例限定在化合物半导体内，其可用于限制激光器的效率且产生相对增加的功耗。
US5703896公开了一种用于发射变化颜色光的设备，包括：激光层，由结晶硅量子点形成，结晶硅量子点形成在氢化硅的隔离矩阵中；所述量子点形成在三个块(patche)中；所述三块的每一个其中具有不同尺寸的量子点，以因此产生三种不同颜色的光；在所述激光层下方的p型半导体的阻挡层，所述p型半导体选自组GaP、SiC、GaN、ZnS；在所述阻挡层下方的基板构件；在所述激光层上方的n型半导体层，所述n型半导体层选自组GaP、SiC、GaN、ZnS；在所述基板构件下方的正电位接触，三个负电位接触；所述三个接触的每一个为在所述三个斑点的不同块之上；所述三个接触的每一个与所述正接触一起作用以选择性对三个块的不同斑点加偏压；围绕所述三个块的同心光栅的三个部分；所述部分的每一个具有对应于由所述三个块的相邻一个产生的彩色光的径向周期；并且所述部分的每一个共振由所述相邻块发 射的光子以激发相干光发射。该文件有关于在硅中制造硅量子点。它没有设法解决基于诸如III-V材料系统的化合物半导体的光源/激光源相对于光学结构(诸如基于硅平台的光子结构和/或光波导)的单片集成。
US2007/0105251公开了一种激光器结构，包括：至少一个有源层，包括掺杂的Ge，以由Ge的直接带隙产生约1550nm的光发射；第一限制结构，设置在所述至少一个有源层的顶部区域上；以及第二限制结构，设置在所述至少一个有源层的底部区域上。这篇文档描述了在硅平台上的激光器的制造以及使用。增益介质(gain medium)看起来是以训练的以及掺杂的锗为基础，其模仿直接带隙材料，而不是诸如III-V族材料系统的化合物半导体材料系统。某些腔的设计，例如垂直腔自发射激光器(VCSELs)在所讨论的公开中被构思。该文档看来并未在如何解决此前所描述的混合/异质集成光学系统中相关的问题。
US2007/0104441公开了一种集成光电探测器设备，包括：(a)基板，包括设置在基底层之上的第一覆层，基底层包括第一半导体材料，第一覆层限定延伸到基底层的开口；(b)光波导，包括第一半导体材料且设置在基板之上；以及(c)光电探测器，包括第二半导体材料，外延生长在基底层之上至少在开口中，光电探测器包括光学耦合到波导的本征区域，本征区域的至少一部分延伸在第一覆层之上且与波导横向对准。所公开的制造方法有关于锗光电探测器，其横向耦合到多晶波导且通过专用的、多步骤的对准程序与多晶波导对准。该文件没有设法解决如何使化合物半导体基光源可相对于基于硅平台的集成光学单片集成。
US2010/0295083A1公开了一种包含硅层的多层结构，包含至少一个波导，一绝缘层，以及在晶格上与Group III-V化合物在晶格上相兼容的层，该晶格兼容层与绝缘层的一个面接触，绝缘层相对于晶格兼容层的面与硅层相接触。硅以及该绝缘层包含以下中的全部或者其一：至少一个填充了材料的连续空穴从而所构成的光探测区域；至少一个填充了材料的连续空穴从而所构成的光源区域。在这篇文献所公开的多层晶片结构按照降序排列依次(in descending order)包括：表面硅层，二氧化硅层，晶格兼容层，掩埋氧化物层，以及硅衬底。表面硅核心层被构成为包括波导结构以及包括披覆层(cladding layer)的二氧化硅层。表面硅层以及二氧化硅层被构成为包括延伸至晶格兼容层上表面的空腔。该空腔内填充材料，从而便利包括光源区域 和/或光学探测区域的光学活动组件(optically active aspect)。晶格兼容层充当用于生长光源区域以及光探测器区域的模板，其最好包括锗。对于包括锗的晶格兼容层，如本文档所认可的：由于晶格失配形成的失配错位(misfit dislocations)的原因，硅上高质量外延锗的生长是不小的，因此，执行后续的/任何处理步骤都应旨在避免引起锗表面的损伤或在后移除这个损伤，原因在于，锗上的同质外延/异质外延需要好的结晶模板。此外，晶格兼容层必须被结合到上部二氧化硅层，这会增加处理步骤的数目和/或本文档中所公开的器件制造的复杂度。该文档还提供了以下教导：由于光学有源材料(optically active materials)，例如III-V化合物，会冒着污染以及损害硅器件制程的风险，需要在准备光源和光探测器区域之前完成任何电子电路以及硅层中波导的合并(incorporation)，在用于合并这样的电子电路和/或该波导结构的处理步骤中，不应该超过用于晶格兼容层的材料的熔点。
因此，一个挑战在于，提供一用于任何光学应用中能够提供改进性能的半导体设备，特别是在较低的阈值电流和/或较高的光输出功率方面，能够超过先前提出的光学系统，例如，那些以上所讨论的基于异质/混合的集成光学系统。另一个挑战在于，就半导体器件而言，一个以化合物材料系统(compound material system)，例如III-V材料系统，为基础的光学有源组件(optically active aspect)是直接并且单片的集成在例如以硅为基础的集成光学平台上。
发明内容
根据本发明第一方面的实施例，提供一种半导体装置，用于在至少一个光学应用中使用，包括：至少一个实质上以光学无源模式可操作的光学无源组件；以及至少一种光学有源材料，包括实质上以光学有源模式可操作的至少一种材料，其中所述光学无源组件进一步包括至少一个结晶籽晶层(crystalline seed layer)，所述光学有源材料在至少一个所述光学无源组件中提供的预限定结构中外延生长以延伸至所述结晶籽晶层的至少一个上表面中，并且所述光学无源组件被构成为包括至少一个无源光子结构。所述结晶籽晶层包括结晶晶片或由晶片组成。所述光学有源材料(optically active material)包括或由下列项目中的至少一种组成：III-V材料和II-VI材料。
根据一个实施例，所述光学无源组件继在所述预限定结构中生长所述光 学有源材料之后被构成为包括所述无源光子结构。
在本发明的实施例中，形成光/激光源基础的所述光学有源材料生长在光学无源组件中提供的预限定结构中。由所述光学有源材料生成的光被光耦合到光学无源组件的光子结构并且被传输和/或引导至希望的位置。由于光学有源材料在具有选定材料和/或层结构的光学无源组件中生长，可以获得在增益介质中所产生的光以及光传输/引导材料和/或其特征的大量增加的重叠。因此，在本发明的实施例中，相比于先前提出的装置，可获得更高的材料增益以及增加的模增益。由于增加的模增益，较低的阈值电流以及通过光学有源材料实施的光/激光源的光学性能的增加，可有利于本发明的实施例。因预限定结构被提供为向上延伸至结晶籽晶层(为光学有源材料提供结晶模板)的至少一个上表面，本申请实施例的进一步的特征的优势是易于实施。因此，提供预限定结构不需要相应的接合和/或对准工艺。光学无源组件还可被表示为半导体装置的光学无源区域。
如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(1)，其中所述预限定结构延伸至所述结晶晶片(4)中。
如前述任何一项权利要求所述的半导体装置(1)，其中所述预限定结构的宽高比大于1，更优选地，大于3，所述预限定结构的宽高比是所述预限定结构的高度与其宽度/直径的比。
优选的所述预限定结构包括相对于光学无源组件形成的电介质孔，所述光学无源组件是在所述预限定结构中生长所述光学有源材料之后形成。在本发明实施例中，所述预限定结构形成在光学无源组件中。关于所述预限定结构的外侧壁，光学无源组件可包括多层结构，其中，每个层可包括各自的电介质材料，并且其中的一个材料比另一个材料的反射率低。在本发明的实施例中，所述电介质孔的结构特征和/或材料成分可被选择从而支持所述光学有源材料生成的光更有效率的从所述预限定结构光耦合至光子结构，并且减少通过光子结构传输/引导至希望位置的光的损失。通过这种方式，可有助于较低的阈值电流以及较高的光学输出功率，这会将改进的装置性能的优势延伸至本发明实施例中。就此而言，该电介质孔希望的包括以下所列项目中的至少一种：硅、锗、砷化镓、锑化镓、氮化镓、磷化铟、铟铝砷化物、铟砷磷化物、铟镓磷化物、磷化镓、铟镓砷化物、铟镓砷磷化物、氧化铝、五氧化钽、二氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅和氧氮化硅。
优选的，所述光学有源材料被实施为包括以下所列项目中的一项的发光结构：激光器、发光二极管、超级发光二极管以及半导体光学放大器。因所述光学有源材料可被实施为具有不同形式的发光结构，该特征将多功能应用的优势延伸至本发明实施例中。
希望地，预限定结构是沟槽、孔或其组合。预限定结构是关于光学无源组件提供的结构特征，并且在本发明的实施例中选择为沟槽、孔或其组合。因为这样的特征可关于位置和/或结构特征相对容易和/或精确地提供，所以它们延伸至本发明的实施例的易于实施以及多功能性的优点，这是由于其形状和/或尺寸(典型地在10纳米至10微米的范围内)可适合于目标特定装置。
优选的，所述预限定结构的至少一个结构特征被选择从而培育所述光学有源材料(3)的希望的外延生长。在所述预限定结构中外延生长所述光学有源材料之后构成所述光学无源组件，从而提供希望的光学有源材料的光学耦合。通过对预限定结构的一个或多个结构特征(诸如其宽度、高度和/或形状)适当选择，外延生长和/或光学有源材料到光学无源组件的光学耦合可被进一步改善和/或提供例如适于本发明实施例的应用。此外，可通过这样的选择解决光学有源材料和光学无源组件所用的各自的材料/材料系统之间的任何晶格失配。
希望的，在光学无源组件的给定位置提供预限定结构。关于光学有源材料与光学无源组件的光学耦合，光学有源材料本地生长在预限定结构中而不是生长在光学无源组件的整个表面上。例如，预限定结构可形成在光学无源组件的预期通过光学有源材料集成激光源/光源的位置。本发明实施例的该特征可延伸本发明实施例易于设计、制造和实施的优点，因为光学有源材料按希望的那样相对于光学无源组件提供而不是一般地提供，后者需要进一步的工艺步骤从预限定结构之外的那些区域去除光学有源材料。
根据实施例，光学有源材料包括以下所列项目中的至少一种：III-V材料系统、II-VI材料系统及其包括砷化镓、锑化镓、氮化镓、磷化铟、铟铝砷化物、铟砷磷化物、铟镓磷化物、磷化镓、铟镓砷化物、铟镓砷磷化物至少之一的异质结构。希望地，光学有源材料包括晶体、多晶或非晶材料。本发明的实施例不限于用于光学有源材料的特定材料/材料系统，实际上，光学有源材料可采用不同的且广泛范围的材料，该特征可根据其中可采用本发明实施例的装置和/或光学系统/应用而提供增加功能性的优点。适当的材料堆 叠和/或量子点包括在本发明用于光学有源材料的范围内。
优选的，光子结构包括至少一个光波导。通过该特征，光可从预限定结构传输和/或耦合至希望的位置。
希望的，光学有源材料具有与光子结构的传输范围实质上相匹配的发射波长(emission wavelength)。在本发明的一个实施例中，这个特征可有利于提高和/或希望的光学耦合/光传输。
根据一个实施例，结晶籽晶层包括结晶晶片。根据另一个实施例，所述结晶籽晶层包括结晶氧化层。在本发明的一个实施例中，所述结晶籽晶层为所述光学有源材料在预限定结构中成长提供结晶模板，从而延伸了对于本发明实施例的改进光学耦合和/或装置性能的优点。希望的，所述结晶籽晶层包括以下所列项目中的至少一个：硅，锗，硅锗，III-V化合物半导体，结晶氧化物以及钛酸锶钡。与包括结晶氧化物层的结晶籽晶层相关联的优点包括下列功能的任意组合：作为绝缘层，提供与下面的在本发明的一个典型实施例中所提供的宿主基底的绝缘，其中结晶籽晶层包括结晶氧化物层，它可被用于相对于被成型为包括波导结构的光学无源组件的较低覆层(cladding layer)，它还被用作可调折射率的材料。进而，并且与先前提出的装置相比，结晶氧化物层不必与光学有源材料的晶格兼容。
优选的，本发明的实施例包括通过光学有源材料的交替层实施的至少一个垂直腔表面发射激光器。该特征包括用于通过垂直腔特征光学耦合光学有源材料与光学无源组件的耦合方案。具体而言，建议垂直腔表面发射激光器具有形成电介质的布拉格反射器(Bragg reflectors)的光学有源材料的交替层。该特征的优点可为可按希望通过改变镜反射性(即，采用更多或更少的光学有源材料的交替层，或通过改变光学有源材料层堆叠的构成)而调整耦合特性。该特征的进一步优点可以是：在希望节省横向平面中的空间的光学系统/应用中易于本发明实施例的集成/实施。在此方面，且希望地，垂直腔表面发射激光器的至少一个发射区域相对于光学无源组件定位成使得垂直腔表面发射激光器产生的光实质上耦合在以下所列项目中的至少一个中：相对于光学无源组件的表面的垂直平面以及横向在光学无源组件的面内方向上。通过该特征，光可从垂直腔表面发射激光器耦合在希望的平面中或相对于光学无源组件的平面中，并且因此可扩展其中可采用本发明实施例的应用/光学系统的范围加宽的优点。
优选的，有关于本发明实施例中的具有横向腔特征的第一耦合方案，通过对接耦合将光学有源材料生成的光耦合至光子结构中。与本发明实施例中的这个特征相关的优点包括：大体横向的减轻了从光学有源材料到光子结构的光学耦合，减轻了制造和/或集成，特别是当光子结构包括硅时，因为这样的结构可通过确立的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制造。希望的，在本发明的实施例中，光子结构包括实施为电介质的布拉格反射器的线腔，除了上面描述的关于对接耦合的优点，该特征提供了便于激光源以及激发发射的进一步优点。
优选的，关于具有横向腔特征的第二耦合方案，本发明的一个实施例包括至少一个一维光子晶体腔，其中周期性的孔形成在光子结构的面内方向上并且在光子结构的一区域中，在该区域中光学有源材料产生的光实质上光学耦合到光子结构。因为实施为一维光子晶体腔的横向腔的模态体积和/或品质因数可更好地控制，所以对应的优点通过前述特征延伸至本发明实施例。就此而言，周期性孔的孔尺寸希望的向至少一个朝着光子结构的方向锥形的渐渐增加。该渐渐增加的锥形孔延伸了本发明实施例的腔模的模式塑造、较高品质因子以及改善的品质因数与模态体积的比等优点。
优选的，关于具有横向腔特征的第三耦合方案，本发明的实施包括至少一个二维光子晶体腔，在二维光子晶体腔中，周期性的孔形成在光子结构的两个面内方向上。利用实施为二维光子晶体腔的横向腔可实现甚至更好地控制两个面内方向上的模态体积、品质因数和/或改进的品质因数与模态体积的比，并且因此对应的优点可延伸至本发明的实施例。在本发明的实施例中，该二维光子晶体腔希望的包括至少以光子结构和光学有源材料实施的混合材料腔。这个特征给予了本发明实施例以易于实施的优点，这是因为腔并不限于形成在光学有源材料中或是光子结构中。进而，这样的实施可适于特定装置和/或应用，并且因此可给予本发明实施例以多功能的优点。可替代的，该二维腔优选的实质上实施在光学有源材料中，就本申请的实施例而言，该特征可被用于瞄准特定设备和/或应用。关于第三耦合方案，在此，希望地，提供至少一个光子晶体波导，光子晶体波导构造为将光学有源材料产生的光耦合到至少一个希望的位置，该特征可提供光学有源材料产生的光到所希望位置的改善的光学耦合，并且因此有助于改善本发明实施例的装置性能。关于包括二维光子晶体腔的本发明实施例，优选地，周期性的孔实质上具有相 同的尺寸。该特征具有有关易于制造和/或实施的优点，并且因此给予本发明实施例以这样的对应优点。
希望的，并且关于具有横向腔特征的第四耦合方案，本发明的实施例包括至少两种材料的交替层的至少一个环形光栅(circular grating)，该两种材料之一的折射率低于该两种材料中的另一个。这样的横向腔设计可提供方位对称，导致实质上对于所有面内k向量的带隙。此外，这样的腔设计可有助于实现较高的品质因数值，例如，106。关于第四耦合方案，光子结构优选的包括线波导，该特征的优势延伸了本发明实施例的一下优点：易于从光学有源材料到光子结构的实质横向的光学耦合，易于制造和/或集成。关于第四耦合方案，希望的，光子结构包括至少一个位于环形光栅和其一个区域之间的锥形区域，由该光学有源材料生成的光实质上耦合进入该区域。锥形特征可被用来利于匹配基于光学有源材料以及光学无源组件的光源的各自模尺寸，例如，其中的光源是III-V族材料系统，以及光学无源组件包括硅光波导。这样，本发明实施例中的模增益可进一步得到改善。
还提供对应的方法，并且因此根据本发明第二方面的实施例，提供制造在至少一个光学应用中使用的半导体装置的方法包括：
-在结晶籽晶层形成预限定结构，其中结晶籽晶层可提供为光学无源组件的一部分。光学无源组件可实质上操作于光学无源模式。结晶籽晶层可包括或可以是结晶晶片。
所述方法进一步包括步骤：
-在预限定结构中生长光学有源材料，其中所述光学有源材料包括或由以下所列项目组成：III-V材料以及II-VI材料。光学有源材料可实质上操作于光学有源模式。
所述方法进一步包括步骤：
-构成包括至少一个无源光子结构的光学无源组件。
根据所述方法的进一步实施例，继在预限定结构中外延生长光学有源材料之后执行构造包括光子结构的光学无源组件。
根据进一步的实施例，提供了去除多余光学有源材料的清除步骤。所述多余光学有源材料可以是任何位于预限定结构周围和/或位于光学无源组件之上的光学有源材料。可通过湿法化学蚀刻、化学机械抛光或任何适合该目的的方法完成多余光学有源材料的去除。优选的，在构成包括无源光子结构 的无源组件之前实施所述清除步骤。
根据所述方法的进一步实施例，所述预限定结构被形成并且延伸至结晶晶片中。
根据所述方法的进一步实施例，所述预限定结构被形成并具有大于1的纵横比(即，高度与其宽度/直径之比)，更优选的，可大于3。
附图说明
现在将参考示例性的附图，其中：
图1a示出了本发明的实施例的侧视图；
图1b示出了本发明的另一个实施例的侧视图；
图2a至2d示出了本发明实施例的对应于制造本发明一个实施例的流程的各个阶段的顶部视图；
图3a和3b示出了本发明的实施例中具有横向腔特征的第一耦合方案；
图4示出了本发明的实施例中具有横向腔特征的第二耦合方案；
图5a至5c示出了本发明的实施例中具有横向腔特征的第三耦合方案；
图6a和图6b示出了本发明的实施例中具有横向腔特征的第四耦合方案；以及
图7a和7b示出了具有垂直腔特征的耦合方案。
具体实施方式
在说明书内，采用相同的附图标记或符号表示相同的部件等。
现在参见图1a，图1示出了根据本发明第一方面的实施例的半导体装置1，其包括至少一个光学无源组件或区域2，当半导体装置1处于使用中时，其实质上以光学无源模式可操作，光学无源模式用于传输和/或耦合来自给定位置的光到所希望的位置，而不是用于产生、放大、探测和/或调制光。光学无源组件2构造为包括至少一个预限定结构5，其延伸至在光学无源组件2中提供的结晶籽晶层4的至少一个上表面4’，或者，如图1a中所示的本发明的一个给定实施例，甚至延伸进入结晶籽晶层4。还提供至少一种光学有源材料3，包括至少一种实质上以光学有源模式可操作的材料，其选择为适合于光的产生、放大、探测和/或调制。光学有源是指光学有源材料3具有促进光发射和/或通过提供光学增益的光放大特性，使得其适合于光源，例如激 光器和诸如半导体光学放大器的光放大器，和/或相对高的非线性，使得它适合于调制器的制造，或具有用于制造探测器的相当高的吸收特性。使其适合用于制造调制器，或者具有相对高的吸收属性使其适合用于制造探测器。光学有源材料3生长在预限定结构5中，在此之后，光学无源组件2被构成为包括至少一个光子结构6。因此，光学有源材料3至少在一横向平面中与光学无源组件2(特别是其诸如光子结构6的特征)光学耦合。
在本发明的一个实施例中，光学无源组件2(optically passive aspect 2)包括提供在结晶籽晶层(crystalline seed layer)上表面4’上的多层结构6’，6”。在一个优选实施例中，包括光波导的光子结构6(photonic structure)被图案化在多层结构6’,6”的至少一个层6”中。就此而言，选择多层结构6’，6”的材料以支持光学有源材料3所生成的光到光子结构的光学耦合，以及支持光子结构6的波导特性。在一个优选实施例中，多层结构6’,6”的材料成份选择为一个层比另一个层具有较高的折射率。因此，通过示例的方式，可为多层结构6’中的一个作为核心层的层6”选择硅，而为另一个层选择硅氧化物，从而6”用于覆层，同时在多层结构6’,6”的核心硅层6”中图案化包括光波导的光子结构6。在本发明的一个优选实施例中，多层结构6’,6”包括上覆层6’，核心层6”以及毗邻结晶籽晶层4的上表面4’布置的下覆层6’。通常，选择多层结构6’,6”的材料以使得预限定结构5包括电介质孔(dielectric aperture)，在其中生长光学有源材料3。就此而言，选择多层结构6’,6”的材料以使得电介质孔包括以下所列项目中的至少一种：硅、锗、砷化镓、锑化镓、氮化镓、磷化铟、铟铝砷化物、铟砷磷化物、铟镓磷化物、磷化镓、铟镓砷化物、铟镓砷磷化物、氧化铝、五氧化二钽、二氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅以及氮氧化硅。当然，本发明的实施例并不限定多层结构6’,6”所使用的这些材料，实际上，可以使用任何可能支持光子结构6的功能和/或上面所描述的电介质孔的材料。替代的，预限定结构5可以是包括块状p-n结的孔(aperture comprising a blocking p-n junction)。选择块状p-n结的材料以便阻挡光学有源材料3和/或通过光学有源材料实施的光源结构。
在本发明的实施例中，预限定结构5优选为沟槽、孔或其组合。预限定结构5的至少一个结构特征(诸如其宽度、高度和/或形状)可被选择以因此有助于光学有源材料3相对于光学无源组件2所希望的外延生长和/或光学耦 合。在本发明的优选实施例中，预限定结构5的宽高比(即，预限定结构5的高度与其宽度/直径的比)选择为大于1，更优选地，大于3。在本发明的实施例中，宽高比大体选择为有助于缺陷的宽高比诱捕(aspect ratio trapping)，缺陷由于光学有源材料3和光学无源组件2所用的各自的材料/材料系统之间的晶格失配引起。在本发明的优选实施例中，预限定结构5的高度选择为1000nm，并且其宽度/直径选择为250nm。本发明的实施例当然不限于预限定结构5的宽高比、高度和/或宽度尺寸的给定示例，实际上，可采用落入本发明范围内的任何其它的尺寸。
在本发明的实施例中，预限定结构5设置在光学无源组件2的给定位置，它是在光学有源材料3在该预限定结构5中生长以后构成的。就此而言，光学无源组件2被构成为包括此前在本发明一个优选实施例中所描述的多层结构6’,6”，该多层结构6’,6”的较低覆层6’未被图案化。关于光学有源材料3与光学无源组件2的光学耦合，光学有源材料本地生长在预限定结构5中，而不是生长在光学无源组件2的整个表面上方。为此，预限定结构5形成在光学无源组件2中预期通过光学有源材料3集成激光器/光源的位置。
关于在预限定结构5中外延生长光学有源材料3，本发明的实施例中提出两种方法。在一种方法中，进行选择性外延生长，其中光学有源材料3实质上选择性地生长在预限定结构5中。为此，在一个优选实施例中，多层结构6’,6”的最上一层6’被选作是氧化层。它实现双功能：用作实施为波导的光子结构6的覆层以及还用作在光学无源组件2中的预限定结构5中选择性生长光学有源材料的掩模。在另一方法中，进行光学有源材料3的高度选择性外延生长，其中光学有源材料3相对于光学无源组件2的其中形成有预限定结构5的表面生长以至少超过预限定结构5的区域。因此，光学有源材料3相对于光学无源组件2生长以至少生长在预限定结构5中及其周围。去除多余的光学有源材料3，多余的光学有源材料3可以是在预限定结构5周围和/或在光学无源组件2上的任何光学有源材料3，使光学有源材料3提供在预限定结构5中。多余的光学有源材料3的去除可通过湿化学蚀刻、化学机械抛光或用于该目的的任何适当的方法进行。
关于结晶籽晶层4，它为在预限定结构5中外延生长光学有源材料3提供结晶模板。通过结晶籽晶层的上表面4’实现这个功能，在本发明的一个实施例中，其设置在毗邻光学无源组件2的多层结构6’,6”，并且还跟随与 限定结构5的轮廓。在本发明的实施例中，结晶籽晶层4可包括结晶晶片和结晶氧化物层中的一个。其中，结晶籽晶层被选择为包括结晶晶片4，该预限定结构可被形成在结晶晶片4的至少一个上表面4’或甚至延伸至结晶晶片中，将通过图1a描述后面的情景。在本发明的实施例中，结晶籽晶层4包括图1b中所绘出的结晶氧化物层。如图1b所示，可在操作基底(handling substrate)/晶片9上提供结晶籽晶层4，在本发明的优选实施例中，结晶籽晶层可被选择为包括钛酸锶钡。在本发明的一个实施例中，并且如通常对结晶籽晶层4的解释，结晶氧化物层4的上表面4’为在预限定结构5中外延生长光学有源材料3提供信息。替代的，且为了易于实施，结晶籽晶层4与毗邻至其的多层结构6’,6”的最低覆层6’合并从而为在预限定结构5中外延生长光学有源材料3提供结晶信息。通常，对于结晶籽晶层4的材料成分，它可被选择为包括以下所列项目中的至少一种：硅、锗、硅锗、III-V化合物半导体以及诸如钛酸锶钡等的结晶氧化物。本发明的实施例当然不限于结晶籽晶层4所使用的这些材料，实际上，任何其它可能有助于在预限定结构5中外延生长光学有源材料3的适合材料都被认为落入本发明的范围之内。
在本发明的实施例中，光学有源材料3可直接生长到预限定结构5中，或替代的，并且能够从图1a中更为清楚的看到的，它在预限定结构5中所生长/提供的中间/缓冲层3’之上生长。缓冲层3’可用于解决在光学有源材料3的成分材料与结晶籽晶层之间可能存在的晶格失配/张力。这样，由应变松弛(strain relaxation)所引起的缺陷可被限制在缓冲层3’，而不会被扩散至光学有源材料3。从而，缓冲层3’的材料可被选择为包括就具有比光学有源材料3的带隙更大的材料，以便它优选的不会吸收由光学有源材料3所生成的光。
关于在本发明实施例中的用于光生成的光学有源材料3的实施，这要被实现得以便基于光学有源材料3的光源是包括以下所列项目中的一个的发光结构：激光器、发光二极管、超级发光二极管以及半导体光学放大器。为此，超级发光二极管可被认为位于激光器与发光二极管之间的中间阶段。半导体光学放大器可被认为是没有空腔的激光器，它按希望放大光信号并且不会改变光信号的原始波长，这个功能在诸如特定的高级接收器方案的特定应用/装置中会有吸引力。就此而言，光发射结构可通过以下中的一种实施：量子 点激光器和/或发光二极管、纳米线激光器和/或发光二极管、量子后激光器(quantum post laser)和/或发光二极管、量子阱激光器和/或发光二极管以及单光子光源。本发明的实施例当然不会限制任何在本发明实施例中所列出的有助于光源的光学有源材料的实现方式，实际上，任何适合的实现方式都涵盖在本发明的范围之内。
在本发明的实施例中，对于光学有源材料3，可采用宽泛的多种材料和/或材料系统，例如，III-V材料系统、II-VI材料系统、至少一种硅纳米粒子、至少一种硅量子点、锗及其包括砷化镓、锑化镓、氮化镓、磷化铟、铟铝砷化物、铟砷磷化物、铟镓磷化物、磷化镓、铟镓砷化物、铟镓砷磷化物中的至少一种的异质结构、以及有机材料系统。对于光学有源材料3，诸如晶体硅的晶体材料、诸如多晶硅的多晶材料或者诸如非晶硅、非晶钛酸钡的非晶材料可用在本发明的实施例中。前述的材料/材料系统作为示例给出。本发明的实施例不限于使用它们，而是可落入本发明的光学有源材料3的范围内的任何其它材料/材料系统均被认为是包括在本发明的范围内。通常，对于光学有源材料3，那些具有带隙特性使得它们显示相对高的非线性(即，相对高的光学增益和相对高的吸收)，适合于给定目标波长限定的给定应用的材料/材料系统可用在本发明的实施例中。
在本发明的实施例中，光学有源材料3可选择为具有实质上与光学无源组件2(特别是当时纤维光波导时的光子结构6)的透射范围(transmission range)匹配的发射波长。作为示例，如果光子结构6包括硅波导，光学有源材料6可选择为具有大于1100nm的透射范围。在这方面，当光学有源材料3为：覆盖有GaAs的InAs量子点；(In,Ga)As、(In,Ga)(As,N，P)或(In,Ga)(As,N,Sb)、(In,Ga)(As N)量子阱；InGaAsP量子阱；InAsP量子阱、其它III-V或II-VI化合物材料或锗时，可获得这样的波长范围。
关于图1a和1b所示出的本发明实施例的进一步特征，提供了可为发光区域/光学有源材料3提供电接触的底部接触8’以及顶部接触8”，从而驱动本发明的实施例。例如，用于将底部接触8’与顶部接触8”相互电隔离的绝缘材料8可包括二氧化硅或氮化硅。
现参照图2a至2d示出的本发明实施例的对应于制造本发明一个实施例的流程的各个阶段的顶部视图。如图2a所示，相对于光学无源组件2中下伏的(underlying)结晶籽晶层4形成预限定结构5。在当前的示例中，并且 能够从图2a中看到，预限定结构5选择为沟槽。如图2b所示，光学有源材料3外延生长进入预限定结构5。随后，如图2c所示，光学无源组件2从而被构成为包括光子结构6，如图2c中的箭头所示出的，光子结构6可具有沿径向面的范围可以是但不限于100nm至5微米μm的对准公差，这会延伸本发明实施例的易于实施的优点。最后，如图2d所示，为本发明实施例提供电接触。
通常，且关于本发明的实施例，光源可仅设置在光学有源材料3中且显示出光学的或电学的泵浦发射(pumped emission)。尽管硅因其间接的带隙而不显示出足够的光致发光效率(photoluminescence efficiency)，但是它提供相对低的传播损耗和色散。此外，硅可采用确立的CMOS工艺制造，这使硅用作波导材料可易于集成且以有成本效益的方式制造因为引人关注。因此，在优选实施例中，光学有源材料3基于基于III-V的材料系统以及光子结构6可通过硅波导实施。在这方面，光学有源材料3产生的光到无源光子结构6(特别是其核心波导层6”，或希望的位置)的光学耦合以下面描述的不同耦合方案进行。
现在参见图3A和3B，其示出了本发明的实施例中具有横向腔特征的第一耦合方案。如图3A所示，在本发明的实施例中，对接耦合用于实质上横向的将III-V基的光源3产生的光耦合至硅波导6。为了形成激光器，需要实施腔以便光子通过增益介质，从而产生受激的光发射。因此，在第一耦合方案的替代实施例中，无源光子结构6包括实施为图3b所示的电介质的布拉格反射器(Bragg reflector)的线腔。为了形成电介质的布拉格反射器，如能从图3b所看到的，诸如空气等比硅的指数低的材料被周期性的引入无源光子结构6的硅之间。
现在参见图4，其示出了本发明实施例中的具有横向腔特征的第二耦合方案。第二耦合方案基于一维光子晶体腔10，其中周期性的孔4’形成在光子结构6的面内方向上并且在光子结构6的区域中，在该区域中基于III-V的光源3产生的光实质上耦合到光子结构6。采用诸如硅以及III-V材料等的相对高反射材料通过折射率传导(index-guiding)有助于垂直以及面内限制。在根据本发明实施例的第二耦合方案的示例中，如图4所示，通过在III-V材料内形成周期性孔11实施一维光子晶体腔10，硅材料被实质上用于将III-V基光源3(III-V based light source)生成的光引导至希望的位置。如从 图4所能看到的，周期性孔11可被实施为在朝向形成无源光子结构基础的方向上逐渐增加至给定尺寸。逐渐的锥形孔(tapered holes)延伸了图4所示的本发明实施例的腔谐振模(cavity mode)的模成型(mode-shaping)的优势以及高品质因数值。
现在参见图5a至图5c，示出了本发明的实施例中具有横向腔特征的第三耦合方案，其基础是二维光子晶体腔20，其中在光子结构6的两个面内方向形成实质上尺寸相同的周期性孔11。周期性孔11作为反射器。在二维光子腔20中，具有将III-V基光源生成的光限制在其中的缺陷，并且，该缺陷的位置与该III-V基光源的位置相对应。就这点而言，二维光子晶体腔20可被实施例为混合材料腔，也就是说，通过如图5a所示的缺陷，图5a中所示的该缺陷可部分形成在III-V基光源3的材料中并且部分形成在关于光学无源组件2所提供的硅材料中。替代的，二维光子晶体腔20可全部被实施在如图5b、5c所示的III-V基光源3的III-V材料中。关于通过III-V基光源3所生成的光的耦合，它仍然限制在缺陷内并且通过在图5a和5b的场景中的波导21以及通过在图5c的场景中的包括核心硅层6”和较低反射率的覆层6’的传统硅波导6分别耦合至希望的位置或无源光子结构6。
在横向腔特征的替代实施方式中，示出了本发明的实施例的第四耦合方案。就这点而言，无源光子结构6被实施为线波导6”并且具有由至少两种材料的交替层/腔镜30’、30”形成的环形光栅30，两种材料之一的反射率比另一种低，这样的材料例如是二氧化硅和氮化硅。就这点而言，并且如图6a和图6b所示，交替层/腔镜30’、30”可被制造在对应于形成III-V基光源3的基础的III-V材料中，同时硅波导6实质上单独实施波导功能从而将III-V基光源3生成的光耦合至希望的位置。根据图6b所示的第四耦合方案的横向腔特征的例子包括对图6a所示的进一步修改，该修改在于硅波导6包括有助于匹配各自的腔谐振模(cavity mode)以及波导模(waveguide mode)的锥形区域12。
现在参见图7A和7B，其示出在本发明的实施例中的基于垂直腔特征40的耦合方案。在本发明的实施例中，垂直腔特征40通过垂直腔发光结构(诸如垂直腔表面发射激光器VCSEL)实施。垂直腔表面发射激光器40包括III-V材料的交替层40’、40”，其形成电介质的布拉格反射器/反射镜41。堆叠的多层40’、40”具有交替的折射率，因此有助于布拉格反射器41具有 接近于统一反射(unity reflection)。这有助于本发明实施例要制造的相对低的低阈值、高功率的垂直发射激光器和/或发光二极管。通常，垂直腔表面发射激光器40相对于图1a和1b中所示的结晶籽晶层4的上表面4’形成。
图7A示出了本发明的实施例，其中垂直腔表面发射激光器40的发射区域42为使它产生的光实质上耦合在相对于光学无源组件2的垂直平面中，特别是光子结构6的表面。图7B示出了本发明的实施例，其中垂直腔表面发射激光器的至少一个发射区域42为使其产生的光实质上横向地耦合在光学无源组件2的面内方向上，特别是光子结构6。与图7B所示的本发明实施例相关的优点在于有助于顶和底反射镜41’。相反，在如图7A所示的本发明实施例中仅有助于顶部面镜41’。
图7A和7B所示的各垂直腔的设计可单独实施或者结合此前参考图3至6描述的横向腔特征中的任何一个实施。此外，图7A和7B中的反射镜/反射器可通过高对比度光栅而不是电介质的布拉格反射镜实施，这可有助于要促进的更紧凑的结构。III-V材料/光学有源材料3的生长位置由预限定结构5的位置决定，这分别在金属有机化学气相沉积和分子束外延生长期间限定气体和分子前驱体的接入点(access point)。
关于光学耦合基于III-V的光源3到光子结构6/硅波导核心6”/波导覆层6’/希望的位置，具有III-V/硅混合共振器和/或三维腔的混合结构可预期在本发明实施例的范围内。
本发明已经仅通过示例进行了描述，并且在本发明的范围内可进行细节的变型。
说明书以及权利要求和附图中公开的每个特征在适当的情况下可独立提供或者以任何适当的组合提供。