光電子器件及其制作方法
【專利摘要】本申請(qǐng)公開(kāi)了一種光電子器件，包括基礎(chǔ)襯底、形成于所述基礎(chǔ)襯底上的具有高深寬比的介質(zhì)結(jié)構(gòu)、高深寬比介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的大失配異質(zhì)半導(dǎo)體材料以及覆蓋于正面和背面的電極，其中,所述光電子器件的大失配異質(zhì)半導(dǎo)體材料至少包括無(wú)應(yīng)變緩沖層、芯層和包覆層均位于所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)的溝槽內(nèi)，且所述半導(dǎo)體材料不突出于所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)的頂面。此外，該器件結(jié)構(gòu)還包括位于介質(zhì)溝槽內(nèi)或者溝槽上的電極接觸層以及正面和背面電極。本發(fā)明可以完全將失配材料和基礎(chǔ)襯底之間的失配位錯(cuò)被介質(zhì)結(jié)構(gòu)捕獲，且光電子器件的半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)在介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)，晶體質(zhì)量高。
【專利說(shuō)明】
光電子器件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本申請(qǐng)屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種光電子器件及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于Si材料在微電子技術(shù)領(lǐng)域的成熟程度，Si基光電子技術(shù)一度受到人們重視。且基于SOI技術(shù)，Si基無(wú)源光子器件獲得了空前發(fā)展，但是由于Si是間接禁帶半導(dǎo)體，難以實(shí)現(xiàn)有源光子器件，從而直接阻礙了 Si基光電子器件的發(fā)展。盡管基于拉曼受激實(shí)現(xiàn)了Si基激光器，但是其轉(zhuǎn)換效率太低。Si襯底上集成II1-V材料成為降低II1-V器件成本、實(shí)現(xiàn)有源無(wú)源光電子器件集成的最佳方案。但是Si襯底和II1-V材料之間大的晶格失配和熱失配成為其完成上述方案的障礙。
[0003]目前公認(rèn)的解決方案有兩類，一類是在需要有源器件的部位采用晶片鍵合方式實(shí)現(xiàn)Si基II1-V族光電子器件，另一類是在Si襯底上直接生長(zhǎng)II1-V半導(dǎo)體材料，然后制備光電子器件。但是前者需要分別在不同的襯底上制備有源無(wú)源器件，然后對(duì)準(zhǔn)鍵合，不僅工序繁、成本高、速度慢，成品率低，而且鍵合工藝要受到所作有源無(wú)源器件上各種材料和結(jié)構(gòu)的制約，局限性大。Si襯底上直接生長(zhǎng)II1-V半導(dǎo)體材料的方法包括兩種:(I)應(yīng)變緩沖層技術(shù)(2)橫向外延技術(shù)(3)高深寬比位錯(cuò)捕獲技術(shù)。
[0004]其中，應(yīng)變緩沖層技術(shù)是在原有基礎(chǔ)襯底上逐步生長(zhǎng)應(yīng)變?cè)黾拥牟牧?，使得失配位錯(cuò)逐漸釋放，直到要生長(zhǎng)的異質(zhì)材料。采用該種方法生長(zhǎng)的材料，不僅位錯(cuò)密度降低有限，且緩沖層生長(zhǎng)高達(dá)數(shù)個(gè)微米，成本高。
[0005]橫向外延技術(shù)屬于二次外延技術(shù)，首先在基礎(chǔ)襯底上外延生長(zhǎng)一薄層晶格失配的種子層，然后再在種子層上沉積介質(zhì)膜層(厚度為幾十個(gè)納米)；然后采用光刻和腐蝕技術(shù)在掩模上形成具有微米量級(jí)特定占空比的條形窗口，露出種子層材料，最后繼續(xù)進(jìn)行相應(yīng)失配材料外延。該方法首先在窗口區(qū)內(nèi)通過(guò)選擇外延在種子層上外延失配材料，當(dāng)外延材料暴露出窗口區(qū)后，失配材料開(kāi)始實(shí)現(xiàn)三維生長(zhǎng)，其中，橫向生長(zhǎng)使得外延層最終合并，形成薄膜結(jié)構(gòu)。橫向外延通過(guò)介質(zhì)掩模底部阻擋穿透位錯(cuò)向上繼續(xù)傳播和滑移，橫向生長(zhǎng)開(kāi)始后窗口區(qū)的穿透位錯(cuò)轉(zhuǎn)向或閉合成環(huán)實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)煙滅，從而降低位錯(cuò)密度。但是該種外延方法受到大失配材料外延生長(zhǎng)各個(gè)晶向速度的制約，不適合閃鋅礦結(jié)構(gòu)的II1-V族半導(dǎo)體材料。此外，該方法也不能徹底消除失配位錯(cuò)。
[0006]目前的高深寬比位錯(cuò)捕獲技術(shù)與橫向外延技術(shù)比較類似，首先在基礎(chǔ)襯底上制備高深寬比介質(zhì)掩模結(jié)構(gòu)(其介質(zhì)掩模結(jié)構(gòu)的深寬比至少大于I)，并且將該高深寬比的介質(zhì)掩模結(jié)構(gòu)內(nèi)暴露出基礎(chǔ)襯底，然后在該暴露出的基礎(chǔ)襯底上外延生長(zhǎng)位錯(cuò)抑制層、無(wú)位錯(cuò)層直到外延層高于介質(zhì)掩模結(jié)構(gòu)；然后在此基礎(chǔ)上三維生長(zhǎng)聚合層，直到相鄰生長(zhǎng)面相互連接從而合并。由于絕大多數(shù)半導(dǎo)體材料都是立方晶系材料，大失配外延產(chǎn)生的穿透位錯(cuò)一般都是60度位錯(cuò)，因此通過(guò)介質(zhì)掩模結(jié)構(gòu)的側(cè)壁可以完全抑制位錯(cuò)攀移，在介質(zhì)掩模結(jié)構(gòu)內(nèi)能獲得無(wú)位錯(cuò)層，但是高出介質(zhì)掩模之后，材料繼續(xù)三維生長(zhǎng)，橫向生長(zhǎng)聚合過(guò)程中在介質(zhì)膜上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料不可避免地引入位錯(cuò)、孿晶、層錯(cuò)等缺陷，使得即使后期拋光也難以獲得低缺陷密度的半導(dǎo)體薄膜，而且材料經(jīng)聚合后，表面不平整，必須經(jīng)過(guò)進(jìn)一步拋光，才能繼續(xù)制備光電子器件。這給高質(zhì)量材料生長(zhǎng)和器件制備都帶來(lái)一定的難度和隱患。
[0007]因此，到目前為止，國(guó)際上在大失配襯底上制備光電子器件還沒(méi)有徹底突破，特別是Si基光電子有源器件遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種光電子器件及其制作方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0010]本申請(qǐng)實(shí)施例公開(kāi)了一種光電子器件，包括基礎(chǔ)襯底、形成于所述基礎(chǔ)襯底上的具有高深寬比的介質(zhì)結(jié)構(gòu)、以及生長(zhǎng)于介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的大失配半導(dǎo)體材料體系，所述的大失配半導(dǎo)體材料體系包括大失配位錯(cuò)抑制層、無(wú)位錯(cuò)緩沖層、芯層和包覆層，所述的大失配半導(dǎo)體材料體系的各層構(gòu)成光電子器件材料主體，從介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的基礎(chǔ)襯底依次向上生長(zhǎng)，但不露出介質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述光電子器件還包括形成于所述包覆層之上的半導(dǎo)體接觸層以及正面和背面電極。
[0011]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述基礎(chǔ)襯底的材質(zhì)選自S1、Ge、GaAs、GaN、藍(lán)寶石O
[0012]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述基礎(chǔ)襯底與大失配半導(dǎo)體材料體系構(gòu)成的材料體系包括 Si/GaAs、Si/InP、Si/GaN、Si/A1N、Si/BN、Si/Ge、Si/InN、Si/SiC、Ge/GaAs、Ge/InP、藍(lán)寶石/GaN、藍(lán)寶石/AIN、藍(lán)寶石/BN、藍(lán)寶石/InN、藍(lán)寶石/SiC、Si/ZnO、藍(lán)寶石/Zn。、GaAs/InPo
[0013]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)溝槽深度小于5 μ m，所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)窗口寬度小于2 μ m。
[0014]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)為一維柵狀結(jié)構(gòu)或者二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)的窗口結(jié)構(gòu)內(nèi)暴露出基礎(chǔ)襯底表面。
[0015]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)材料包括Si02、SiNO, SiN, 1102和Al2O3O
[0016]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)形成方法包括介質(zhì)膜沉積、結(jié)構(gòu)圖案采用電子束曝光、納米壓印、納球光刻、全息干涉光刻、投影式光刻、普通光刻、陽(yáng)極氧化獲得以及介質(zhì)結(jié)構(gòu)通過(guò)上述掩膜腐蝕獲得。
[0017]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述大失配位錯(cuò)抑制層、無(wú)位錯(cuò)緩沖層、芯層和包覆層采用MOCVD、MBE、HVPE、LPE、或CVD方法生長(zhǎng)。
[0018]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述正面和背面電極采用蒸發(fā)或者濺射的方法制備。
[0019]相應(yīng)地，本申請(qǐng)實(shí)施例還公開(kāi)了一種光電子器件的制作方法，采用微縮投影式曝光在位于基礎(chǔ)襯底上的介質(zhì)膜表面形成納米級(jí)分辨率圖案，然后將該圖案轉(zhuǎn)移到介質(zhì)膜上，形成具有高深寬比的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，在所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)的溝槽內(nèi)依次生長(zhǎng)位錯(cuò)抑制層、無(wú)位錯(cuò)緩沖層、光電子器件芯層、包覆層和電極接觸層。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0021](I)工藝簡(jiǎn)單，成本低。無(wú)需分別外延II1-V族材料、制備相應(yīng)有源器件、然后與Si芯片鍵合；
[0022](2)大失配材料晶體質(zhì)量高。無(wú)論是采用應(yīng)變緩沖層技術(shù)、橫向外延技術(shù)還是現(xiàn)有的高深寬比位錯(cuò)捕獲技術(shù)，均不可避免地在大失配半導(dǎo)體內(nèi)形成位錯(cuò)，且往往位錯(cuò)密度超過(guò)106，成為光電子器件實(shí)現(xiàn)的障礙。而該方案可以將大失配半導(dǎo)體材料和基礎(chǔ)襯底之間的失配位錯(cuò)捕獲在介質(zhì)結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，且完全利用介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的無(wú)位錯(cuò)層制備光電子器件，晶體質(zhì)量高。
[0023](3)泄漏損耗小。無(wú)論是II1-V襯底，還是Si襯底，由于同一材料體系的材料折射率都非常接近，以至于單一襯底上形成的光電子器件不可避免地存在一定程度的泄漏損耗，背反射小，使得光場(chǎng)難以有效重復(fù)利用。對(duì)本發(fā)明形成的光電子器件而言，由于基礎(chǔ)襯底和大失配半導(dǎo)體材料的色散關(guān)系不一致，因此在基礎(chǔ)襯底上制備大失配半導(dǎo)體材料光電子器件，其泄漏損耗勢(shì)必低于同質(zhì)襯底上制備的光電子器件，光的利用率提高。
[0024](4)功能性強(qiáng)，介質(zhì)結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)構(gòu)成周期性折射率變化結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元相互之間的耦合，本身可實(shí)現(xiàn)特定功能。
【附圖說(shuō)明】
[0025]為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本申請(qǐng)中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0026]圖1a?圖1h所示為本發(fā)明第一實(shí)施例中制作光電子器件的流程示意圖；
[0027]圖2a和圖2b所示為本發(fā)明第二實(shí)施例中制作光電子器件的流程示意圖；
[0028]圖3a和圖3b所示為本發(fā)明第三實(shí)施例中制作光電子器件的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明提出一種大失配異質(zhì)襯底上光電子器件制備方法，首先在基礎(chǔ)襯底上制備高深寬比介質(zhì)結(jié)構(gòu)，然后在該介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)利用高深寬比位錯(cuò)捕獲技術(shù)依次生長(zhǎng)光電子器件需要的大失配異質(zhì)材料，材料生長(zhǎng)完成后，在正面和背面分別制備相應(yīng)電極，形成需要的光電子器件。
[0030]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。這些優(yōu)選實(shí)施方式的示例在附圖中進(jìn)行了例示。附圖中所示和根據(jù)附圖描述的本發(fā)明的實(shí)施方式僅僅是示例性的，并且本發(fā)明并不限于這些實(shí)施方式。
[0031]在此，還需要說(shuō)明的是，為了避免因不必要的細(xì)節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不大的其他細(xì)節(jié)。
[0032]光電子器件的制作方法包括:
[0033](1)、參圖1a所示，提供一異質(zhì)外延用基礎(chǔ)襯底10，該基礎(chǔ)襯底10的材料為S1、Ge、GaAs、GaN、或藍(lán)寶石，優(yōu)選為Si ；
[0034](2)、參圖1b所示，在異質(zhì)外延用基礎(chǔ)襯底10上形成介質(zhì)膜20，介質(zhì)膜20的材質(zhì)為 SiNO、SiN、Si02、A1203或 T1 2,優(yōu)選為 Si02。
[0035](3)、參圖lc所示，利用電子束曝光、納米壓印、納球光亥lj、全息干涉光亥lj、投影式光刻、普通紫外光刻、陽(yáng)極氧化、X-ray光刻等工藝，在形成的介質(zhì)膜20上獲得介質(zhì)結(jié)構(gòu)需要的的掩膜圖案30。
[0036](4)、參圖1d所示，以上述掩膜圖案30為掩膜刻蝕介質(zhì)膜20。刻蝕方法包括干法刻蝕和濕法腐蝕以及二者的混用。
[0037](5)、參圖le所示，去除掩膜，獲得具有高深寬比的介質(zhì)結(jié)構(gòu)40,其中所獲得介質(zhì)結(jié)構(gòu)40為一維柵狀結(jié)構(gòu)或者二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即為條形溝槽結(jié)構(gòu)或者格型溝槽，每個(gè)溝槽的深寬比大于1，且每個(gè)溝槽的深度小于5 y m，每個(gè)溝槽的寬度小于2 y m。
[0038]￠)、參圖1f所示，在介質(zhì)結(jié)構(gòu)40的溝槽內(nèi)依次生長(zhǎng)大失配半導(dǎo)體材料的位錯(cuò)抑制層51和無(wú)位錯(cuò)緩沖層52。
[0039](7)、參圖1 g所示，在介質(zhì)結(jié)構(gòu)40的溝槽內(nèi)繼續(xù)依次生長(zhǎng)光電子器件芯層53、包覆層54和電極接觸層55。
[0040]所述基礎(chǔ)襯底與大失配半導(dǎo)體材料體系構(gòu)成的材料體系包括Si/GaAs、Si/InP、 Si/GaN、Si/A1N、Si/InN、Si/CS1、Si/BN、Si/ZnO、Ge/GaAs、Ge/InP、藍(lán)寶石 /GaN、藍(lán)寶石 / AIN、藍(lán)寶石/BN、藍(lán)寶石/InN、藍(lán)寶石/CS1、藍(lán)寶石/ZnO、GaAs/InP。
[0041](8)、參圖lh所示，在上述器件的上下兩側(cè)分別制作正面電極60和背面電極70。 正面和背面電極采用蒸發(fā)或者濺射的方法制備。
[0042]生長(zhǎng)于介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的大失配位錯(cuò)抑制層、無(wú)位錯(cuò)緩沖層、芯層和包覆層以及其上的電極接觸層均為與基礎(chǔ)襯底有著大的晶格失配，但它們之間失配較小，在傳統(tǒng)薄膜生長(zhǎng)中屬于共格生長(zhǎng)，且上述各層材料所屬體系根據(jù)器件需求來(lái)定，各層具體材料根據(jù)器件具體指標(biāo)需求來(lái)定，但一定屬于一個(gè)材料體系。如光纖通信器件，選擇Si基InP系材料，貝lj大失配位錯(cuò)抑制層為InP或與InP晶格匹配的其他材料，無(wú)位錯(cuò)緩沖層為InP或與InP晶格匹配的其他材料，光電子器件芯層為InGaAsP (InGaAlAs、InGaNAs)材料、包覆層為InP材料或與InP晶格匹配的其他材料、電極接觸層為InGaAs或與InP晶格匹配的滿足電極接觸的其他材料、正面電極根據(jù)接觸層極性為T(mén)i/Pb/Au或者Au/Ge/Ni結(jié)構(gòu)，背面電極與Si接觸， 為Al、Ag等材料。
[0043]在本發(fā)明第二實(shí)施例中，參圖2a所示，電極接觸層形成于介質(zhì)結(jié)構(gòu)的溝槽內(nèi)并凸伸出介質(zhì)結(jié)構(gòu)的上表面，所制作的光電子器件如圖2b所示。
[0044]在本發(fā)明第三實(shí)施例中，參圖3a所示，電極接觸層形成于介質(zhì)結(jié)構(gòu)上方并與介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的包覆層接觸，所制作的光電子器件如圖3b所示。
[0045]上述的光電子器件還可以為L(zhǎng)ED、太陽(yáng)能電池、探測(cè)器、激光器、調(diào)制器等其他光電子器件。
[0046]最后，還需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種光電子器件，其特征在于，包括基礎(chǔ)襯底、形成于所述基礎(chǔ)襯底上的具有高深寬比的介質(zhì)結(jié)構(gòu)、以及生長(zhǎng)于介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的大失配半導(dǎo)體材料體系，所述的大失配半導(dǎo)體材料體系包括大失配位錯(cuò)抑制層、無(wú)位錯(cuò)緩沖層、芯層和包覆層，所述的大失配半導(dǎo)體材料體系的各層構(gòu)成光電子器件材料主體，從介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的基礎(chǔ)襯底依次向上生長(zhǎng)，但不露出介質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述光電子器件還包括形成于所述包覆層之上的半導(dǎo)體接觸層以及正面和背面電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述基礎(chǔ)襯底的材質(zhì)選自S1、Ge、GaAs、GaN、藍(lán)寶石。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述基礎(chǔ)襯底與大失配半導(dǎo)體材料體系構(gòu)成的材料體系包括 Si/GaAs、Si/InP、Si/GaN、Si/A1N、Si/InN、Si/Ge、Si/BN、Si/CS1、Ge/GaAs、Ge/InP、藍(lán)寶石/GaN、藍(lán)寶石/AIN、藍(lán)寶石/BN、藍(lán)寶石/InN、藍(lán)寶石/SiC、藍(lán)寶石 /ZnO、GaAs/InP。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)溝槽深度小于5μ m，所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)的窗口寬度小于2 μπι。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)為一維柵狀結(jié)構(gòu)或者二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)的窗口結(jié)構(gòu)內(nèi)暴露出基礎(chǔ)襯底表面。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)材料包括S12、SiN0、SiN、T1jPAl 203。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述介質(zhì)結(jié)構(gòu)形成方法包括首先在基礎(chǔ)襯底上獲得介質(zhì)膜，然后采用電子束曝光、納米壓印、納球光刻、全息干涉光刻、投影式光刻、普通光刻、陽(yáng)極氧化等方法形成介質(zhì)結(jié)構(gòu)圖案，最后腐蝕掉部分介質(zhì)材料，形成介質(zhì)結(jié)構(gòu)，且在介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)暴露出基礎(chǔ)襯底表面。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述大失配位錯(cuò)抑制層、無(wú)位錯(cuò)緩沖層、芯層、包覆層以及電極接觸層采用MOCVD、MBE、HVPE、LPE、或CVD方法生長(zhǎng)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述正面和背面電極采用蒸發(fā)或者濺射的方法制備。
【文檔編號(hào)】H01L33/12GK105990475SQ201510071944
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月11日
【發(fā)明人】張瑞英
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所