光電子器件及其制作方法
【專利摘要】本申請公開了一種光電子器件，包括基礎襯底、形成于所述基礎襯底上的具有高深寬比的介質結構、高深寬比介質結構內(nèi)的大失配異質半導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半導體材料至少包括無應變緩沖層、芯層和包覆層均位于所述介質結構的溝槽內(nèi)，且所述半導體材料不突出于所述介質結構的頂面。此外，該器件結構還包括位于介質溝槽內(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襯底之間的失配位錯被介質結構捕獲，且光電子器件的半導體材料生長在介質結構內(nèi)，晶體質量高。
【專利說明】
光電子器件及其制作方法
技術領域
[0001]本申請屬于半導體制造技術領域，特別是涉及一種光電子器件及其制作方法。
【背景技術】
[0002]基于Si材料在微電子技術領域的成熟程度，Si基光電子技術一度受到人們重視。且基于SOI技術，Si基無源光子器件獲得了空前發(fā)展，但是由于Si是間接禁帶半導體，難以實現(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現(xiàn)了Si基激光器，但是其轉換效率太低。Si襯底上集成II1-V材料成為降低II1-V器件成本、實現(xiàn)有源無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II1-V半導體材料，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源器件，然后對準鍵合，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源器件上各種材料和結構的制約，局限性大。Si襯底上直接生長II1-V半導體材料的方法包括兩種:(I)應變緩沖層技術(2)橫向外延技術(3)高深寬比位錯捕獲技術。
[0004]其中，應變緩沖層技術是在原有基礎襯底上逐步生長應變增加的材料，使得失配位錯逐漸釋放，直到要生長的異質材料。采用該種方法生長的材料，不僅位錯密度降低有限，且緩沖層生長高達數(shù)個微米，成本高。
[0005]橫向外延技術屬于二次外延技術，首先在基礎襯底上外延生長一薄層晶格失配的種子層，然后再在種子層上沉積介質膜層(厚度為幾十個納米)；然后采用光刻和腐蝕技術在掩模上形成具有微米量級特定占空比的條形窗口，露出種子層材料，最后繼續(xù)進行相應失配材料外延。該方法首先在窗口區(qū)內(nèi)通過選擇外延在種子層上外延失配材料，當外延材料暴露出窗口區(qū)后，失配材料開始實現(xiàn)三維生長，其中，橫向生長使得外延層最終合并，形成薄膜結構。橫向外延通過介質掩模底部阻擋穿透位錯向上繼續(xù)傳播和滑移，橫向生長開始后窗口區(qū)的穿透位錯轉向或閉合成環(huán)實現(xiàn)位錯煙滅，從而降低位錯密度。但是該種外延方法受到大失配材料外延生長各個晶向速度的制約，不適合閃鋅礦結構的II1-V族半導體材料。此外，該方法也不能徹底消除失配位錯。
[0006]目前的高深寬比位錯捕獲技術與橫向外延技術比較類似，首先在基礎襯底上制備高深寬比介質掩模結構(其介質掩模結構的深寬比至少大于I)，并且將該高深寬比的介質掩模結構內(nèi)暴露出基礎襯底，然后在該暴露出的基礎襯底上外延生長位錯抑制層、無位錯層直到外延層高于介質掩模結構；然后在此基礎上三維生長聚合層，直到相鄰生長面相互連接從而合并。由于絕大多數(shù)半導體材料都是立方晶系材料，大失配外延產(chǎn)生的穿透位錯一般都是60度位錯，因此通過介質掩模結構的側壁可以完全抑制位錯攀移，在介質掩模結構內(nèi)能獲得無位錯層，但是高出介質掩模之后，材料繼續(xù)三維生長，橫向生長聚合過程中在介質膜上生長的半導體材料不可避免地引入位錯、孿晶、層錯等缺陷，使得即使后期拋光也難以獲得低缺陷密度的半導體薄膜，而且材料經(jīng)聚合后，表面不平整，必須經(jīng)過進一步拋光，才能繼續(xù)制備光電子器件。這給高質量材料生長和器件制備都帶來一定的難度和隱患。
[0007]因此，到目前為止，國際上在大失配襯底上制備光電子器件還沒有徹底突破，特別是Si基光電子有源器件遠沒有達到實用化要求。

【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)有技術中的不足。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
[0010]本申請實施例公開了一種光電子器件，包括基礎襯底、形成于所述基礎襯底上的具有高深寬比的介質結構、以及生長于介質結構內(nèi)的大失配半導體材料體系，所述的大失配半導體材料體系包括大失配位錯抑制層、無位錯緩沖層、芯層和包覆層，所述的大失配半導體材料體系的各層構成光電子器件材料主體，從介質結構內(nèi)的基礎襯底依次向上生長，但不露出介質結構，所述光電子器件還包括形成于所述包覆層之上的半導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，所述基礎襯底的材質選自S1、Ge、GaAs、GaN、藍寶石O
[0012]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述基礎襯底與大失配半導體材料體系構成的材料體系包括 Si/GaAs、Si/InP、Si/GaN、Si/A1N、Si/BN、Si/Ge、Si/InN、Si/SiC、Ge/GaAs、Ge/InP、藍寶石/GaN、藍寶石/AIN、藍寶石/BN、藍寶石/InN、藍寶石/SiC、Si/ZnO、藍寶石/Zn。、GaAs/InPo
[0013]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述介質結構溝槽深度小于5 μ m，所述介質結構窗口寬度小于2 μ m。
[0014]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述介質結構為一維柵狀結構或者二維網(wǎng)狀結構，所述介質結構的窗口結構內(nèi)暴露出基礎襯底表面。
[0015]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述介質結構材料包括Si02、SiNO, SiN, 1102和Al2O3O
[0016]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述介質結構形成方法包括介質膜沉積、結構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、陽極氧化獲得以及介質結構通過上述掩膜腐蝕獲得。
[0017]優(yōu)選的，在上述的光電子器件中，所述大失配位錯抑制層、無位錯緩沖層、芯層和包覆層采用MOCVD、MBE、HVPE、LPE、或CVD方法生長。
[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]相應地，本申請實施例還公開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襯底上的介質膜表面形成納米級分辨率圖案，然后將該圖案轉移到介質膜上，形成具有高深寬比的介質結構，在所述介質結構的溝槽內(nèi)依次生長位錯抑制層、無位錯緩沖層、光電子器件芯層、包覆層和電極接觸層。
[0020]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0021](I)工藝簡單，成本低。無需分別外延II1-V族材料、制備相應有源器件、然后與Si芯片鍵合；
[0022](2)大失配材料晶體質量高。無論是采用應變緩沖層技術、橫向外延技術還是現(xiàn)有的高深寬比位錯捕獲技術，均不可避免地在大失配半導體內(nèi)形成位錯，且往往位錯密度超過106，成為光電子器件實現(xiàn)的障礙。而該方案可以將大失配半導體材料和基礎襯底之間的失配位錯捕獲在介質結構的側壁，且完全利用介質結構內(nèi)的無位錯層制備光電子器件，晶體質量高。
[0023](3)泄漏損耗小。無論是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，使得光場難以有效重復利用。對本發(fā)明形成的光電子器件而言，由于基礎襯底和大失配半導體材料的色散關系不一致，因此在基礎襯底上制備大失配半導體材料光電子器件，其泄漏損耗勢必低于同質襯底上制備的光電子器件，光的利用率提高。
[0024](4)功能性強，介質結構和生長的半導體材料結構構成周期性折射率變化結構，每個單元相互之間的耦合，本身可實現(xiàn)特定功能。
【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，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)明第三實施例中制作光電子器件的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明提出一種大失配異質襯底上光電子器件制備方法，首先在基礎襯底上制備高深寬比介質結構，然后在該介質結構內(nèi)利用高深寬比位錯捕獲技術依次生長光電子器件需要的大失配異質材料，材料生長完成后，在正面和背面分別制備相應電極，形成需要的光電子器件。
[0030]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明。這些優(yōu)選實施方式的示例在附圖中進行了例示。附圖中所示和根據(jù)附圖描述的本發(fā)明的實施方式僅僅是示例性的，并且本發(fā)明并不限于這些實施方式。
[0031]在此，還需要說明的是，為了避免因不必要的細節(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)明的方案密切相關的結構和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關系不大的其他細節(jié)。
[0032]光電子器件的制作方法包括:
[0033](1)、參圖1a所示，提供一異質外延用基礎襯底10，該基礎襯底10的材料為S1、Ge、GaAs、GaN、或藍寶石，優(yōu)選為Si ；
[0034](2)、參圖1b所示，在異質外延用基礎襯底10上形成介質膜20，介質膜20的材質為 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、陽極氧化、X-ray光刻等工藝，在形成的介質膜20上獲得介質結構需要的的掩膜圖案30。
[0036](4)、參圖1d所示，以上述掩膜圖案30為掩膜刻蝕介質膜20?？涛g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結構40,其中所獲得介質結構40為一維柵狀結構或者二維網(wǎng)狀結構，即為條形溝槽結構或者格型溝槽，每個溝槽的深寬比大于1，且每個溝槽的深度小于5 y m，每個溝槽的寬度小于2 y m。
[0038]￠)、參圖1f所示，在介質結構40的溝槽內(nèi)依次生長大失配半導體材料的位錯抑制層51和無位錯緩沖層52。
[0039](7)、參圖1 g所示，在介質結構40的溝槽內(nèi)繼續(xù)依次生長光電子器件芯層53、包覆層54和電極接觸層55。
[0040]所述基礎襯底與大失配半導體材料體系構成的材料體系包括Si/GaAs、Si/InP、 Si/GaN、Si/A1N、Si/InN、Si/CS1、Si/BN、Si/ZnO、Ge/GaAs、Ge/InP、藍寶石 /GaN、藍寶石 / AIN、藍寶石/BN、藍寶石/InN、藍寶石/CS1、藍寶石/ZnO、GaAs/InP。
[0041](8)、參圖lh所示，在上述器件的上下兩側分別制作正面電極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]生長于介質結構內(nèi)的大失配位錯抑制層、無位錯緩沖層、芯層和包覆層以及其上的電極接觸層均為與基礎襯底有著大的晶格失配，但它們之間失配較小，在傳統(tǒng)薄膜生長中屬于共格生長，且上述各層材料所屬體系根據(jù)器件需求來定，各層具體材料根據(jù)器件具體指標需求來定，但一定屬于一個材料體系。如光纖通信器件，選擇Si基InP系材料，貝lj大失配位錯抑制層為InP或與InP晶格匹配的其他材料，無位錯緩沖層為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Ti/Pb/Au或者Au/Ge/Ni結構，背面電極與Si接觸， 為Al、Ag等材料。
[0043]在本發(fā)明第二實施例中，參圖2a所示，電極接觸層形成于介質結構的溝槽內(nèi)并凸伸出介質結構的上表面，所制作的光電子器件如圖2b所示。
[0044]在本發(fā)明第三實施例中，參圖3a所示，電極接觸層形成于介質結構上方并與介質結構內(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LED、太陽能電池、探測器、激光器、調制器等其他光電子器件。
[0046]最后，還需要說明的是，術語“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程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。
【主權項】
1.一種光電子器件，其特征在于，包括基礎襯底、形成于所述基礎襯底上的具有高深寬比的介質結構、以及生長于介質結構內(nèi)的大失配半導體材料體系，所述的大失配半導體材料體系包括大失配位錯抑制層、無位錯緩沖層、芯層和包覆層，所述的大失配半導體材料體系的各層構成光電子器件材料主體，從介質結構內(nèi)的基礎襯底依次向上生長，但不露出介質結構，所述光電子器件還包括形成于所述包覆層之上的半導體接觸層以及正面和背面電極。2.根據(jù)權利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述基礎襯底的材質選自S1、Ge、GaAs、GaN、藍寶石。3.根據(jù)權利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述基礎襯底與大失配半導體材料體系構成的材料體系包括 Si/GaAs、Si/InP、Si/GaN、Si/A1N、Si/InN、Si/Ge、Si/BN、Si/CS1、Ge/GaAs、Ge/InP、藍寶石/GaN、藍寶石/AIN、藍寶石/BN、藍寶石/InN、藍寶石/SiC、藍寶石 /ZnO、GaAs/InP。4.根據(jù)權利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述介質結構溝槽深度小于5μ m，所述介質結構的窗口寬度小于2 μπι。5.根據(jù)權利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述介質結構為一維柵狀結構或者二維網(wǎng)狀結構，所述介質結構的窗口結構內(nèi)暴露出基礎襯底表面。6.根據(jù)權利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述介質結構材料包括S12、SiN0、SiN、T1jPAl 203。7.根據(jù)權利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述介質結構形成方法包括首先在基礎襯底上獲得介質膜，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、陽極氧化等方法形成介質結構圖案，最后腐蝕掉部分介質材料，形成介質結構，且在介質結構內(nèi)暴露出基礎襯底表面。8.根據(jù)權利要求1所述的光電子器件，其特征在于:所述大失配位錯抑制層、無位錯緩沖層、芯層、包覆層以及電極接觸層采用MOCVD、MBE、HVPE、LPE、或CVD方法生長。9.根據(jù)權利要求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】H01L33/12GK105990475SQ201510071944
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月11日
【發(fā)明人】張瑞英
【申請人】中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所