CN117957732A - 用于光电应用的半导体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于光电应用的半导体结构(150)，其包括：‑由晶体半导体材料制成的第一层(10)，所述层被放置在‑包括或邻近直接接合界面的中间层(50)上，中间层被放置在‑由晶体半导体材料制成的第二层(40)上，半导体结构(150)的特征在于，中间层(50)由与第一层(10)和第二层(40)的材料不同的材料构成，并且中间层(50)的衰减系数低于100，并且中间层(50)的折射率与如下子层的折射率相差小于0.3：‑第一层(10)的邻近中间层(50)的至少一个子层，以及‑第二层(40)的邻近中间层(50)的至少一个子层。
Description
技术领域
本发明的领域是半导体领域，特别是光电领域。本发明涉及一种半导体结构，该半导体结构包括由晶体半导体制成的第一层，所述第一层经由折射率非常接近于第一层和第二层的折射率的中间层接合到第二层。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)正越来越多地被开发用于特别是移动电话领域中的面部识别以及用于汽车工业的光检测和测距(激光雷达)的新兴的大众市场应用。
经由连续的外延生长步骤在III-V半导体层的堆叠上生产VCSEL 100(图1a和图1b)。每层的组成、掺杂和厚度被精确地控制，以在一方面形成由允许产生激光束的一个或更多个量子阱组成的有源区2，并且在另一方面形成两个布拉格镜3a、3b，该两个布拉格镜3a、3b将有源区2夹在中间并且由高折射率层和低折射率层交替组成。
如图1a所例示，已知在体衬底1上形成VCSEL100的层的堆叠，例如，用于包括在650nm和1300nm之间的激光波长的由砷化镓(GaAs)制成的层，或者用于包括在1300nm和2000nm之间的激光波长的由磷化铟(InP)制成的层。为了获得高性能的VCSEL 100，所述体衬底1必须具有优异的质量，以便很好地发挥外延晶种的作用并且保证层的堆叠是高质量的。
另选地，为了解决与使用高质量体衬底有关的成本问题，可以将薄的高质量工作层10转移到载体衬底1'，载体衬底1'的性质更为适中和/或适合于其它限制条件(例如VCSEL 100(图1b)的集成或封装)。在文献WO2021/125005中尤其提出了将这种工作层转移到载体衬底。
一个或更多个薄层的转移在VCSEL本身的生产方面也可以是有用的。例如，在布拉格镜3a、3b由于成分和掺杂的限制(由于外延生长技术)而需要非常多数量的层交替的情况下，转移一组薄层(布拉格镜)而不是通过外延生长它可能更有利。例如，可以参考A.Syrbu等人的文章“1.5-mW single-mode operation of wafer-fused1550-nm VCSELs”，IEEE光子技术快报(IEEE Photonics Technology Letters)，第16卷，第5期，第1230页至第1232页，2004年5月。
每当采用转移时，薄工作层10与载体衬底1’之间的连接必须允许保持所述层10的高质量并且防止在VCSEL 100的工作中发生中断。问题可由以下事实引起：薄工作层10与载体衬底1'(两者均由III-V半导体制成)之间的直接接合需要执行多个步骤以化学地制备要接合的表面，并且这些步骤可证明是复杂的且因此是昂贵的。
发明目的
本发明提供了一种利用第一层到第二层的转移来简化VCSEL的制造以及更一般地光电元件的制造的解决方案。本发明特别涉及一种半导体结构，该半导体结构包括由晶体半导体制成的第一层，该第一层经由中间层接合到也由晶体半导体制成的第二层，该中间层的折射率非常接近于第一层的至少一个子层和第二层的至少一个子层的折射率，所述子层与中间层相邻。中间层进一步具有非常低的衰减系数。
发明内容
本发明涉及一种用于光电应用的半导体结构，所述半导体结构包括：
-由晶体半导体制成的第一层，所述层被放置在
-包括或邻近直接接合界面的中间层上，所述中间层被放置在
-由晶体半导体制成的第二层上。
所述半导体结构值得注意的是：所述中间层由与所述第一层和所述第二层的材料不同的材料构成，并且所述中间层的折射率与如下子层的折射率相差小于0.3：
-所述第一层的邻近所述中间层的至少一个子层，以及
-所述第二层的邻近所述中间层的至少一个子层，
该中间层进一步具有低于100的衰减系数。
根据本发明的一些有利特征，该有利特征可以单独实施或以任何可实现的组合来实施：
·中间层的衰减系数低于10，或者甚至低于1，或实际上甚至优选地尽可能接近0；
·所述中间层的材料是非晶的；
·所述第一层的材料为高晶体质量的单晶，以便形成用于外延的晶种；
·第一层形成垂直腔面发射激光器(VCSEL)的全部或部分；
·第二层为光学透明度高于30％的载体衬底；
·第一层的半导体为砷化镓，第二层的半导体为砷化镓，中间层的材料为硅；
·第一层是垂直腔面发射激光器(VCSEL)的有源区，并且第二层是所述激光器的多层布拉格镜；
·所述第一层的半导体为磷化铟，所述第二层的邻近中间层的至少一个子层的半导体为砷化镓，并且所述中间层的材料为磷化锌锗或碳化硼或砷化锌硅。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从以下参考附图的详细描述中变得显而易见，其中：
[图1a]
[图1b]图1a和图1b示出了根据现有技术的用于制造VCSEL的半导体结构；
[图2]图2示出了根据本发明的半导体结构；
[图3]图3示出了根据本发明的第一实施方式的半导体结构；
[图4a]
[图4b]
[图4c]
[图4d]
[图4e]
[图4f]
[图4g]图4a至图4g示出了根据本发明的第一实施方式的用于制造半导体结构的方法的步骤；
[图5a]
[图5f]图5a和图5f示出了根据本发明的第一实施方式的变型的用于制造半导体结构的方法的步骤；
[图6a]
[图6b]
[图6c]图6a至图6c示出了根据本发明的第二实施方式的半导体结构。
附图是为了可读性而未按比例绘制的示意性表示。具体地，沿着z轴的层的厚度相对于沿着x轴和y轴的横向尺寸不是按比例的。
在附图中，相同的附图标记可能已经用于相同性质的元件。
具体实施方式
本发明涉及一种特别适用于光电应用的半导体结构150。
它包括由晶体半导体制成的第一层10，所述层被放置在中间层50上，中间层50本身放置在由晶体半导体制成的第二层40上。如图2所例示，这些层10、40、50平行于主平面(x，y)并且具有沿z轴的厚度。按照惯例，半导体结构150的正面150a位于第一层10的一侧，并且其背面150b位于第二层40的一侧。
半导体结构150可以采取晶片的形式，其直径例如包括在50mm和200mm之间：在这种情况下，它旨在容纳可能随后被单体化的多个光电部件。它可以另选地采取较小尺寸的管芯(vignette)的形式，容纳一个光电部件或一组部件。
分别形成第一层10和第二层40的晶体半导体可以具有相同的性质或不同的性质。为了生产光电部件，它们有利地选自III-V半导体化合物，例如氮化镓、砷化镓、磷化铟和其它二元、三元或四元III-V化合物。应当注意，第一层10(和/或第二层40)将可能由不同掺杂或组成的子层的堆叠构成或具有均匀的组成。
根据本发明的半导体结构150进一步包括直接接合界面(interface de collagedirect)51，所述界面51包括在中间层50中或邻近中间层50。所谓直接接合，指的是不需要粘合材料并且基于接合表面之间的分子粘合的接合。存在多种类型的直接接合，其在温度条件、压力条件、气氛或在使表面接触之前进行的处理方面尤其不同。可提及具有或不具有待接合表面的先前等离子体活化的室温直接接合、原子扩散接合(ADB)、表面活化接合(SAB)等。
由于半导体结构150针对光电应用，所以半导体结构150的组成层中的全部或部分旨在由光信号穿过：通常，取决于结构150上产生的光电部件的类型和性质，该光电部件将可能通过半导体结构150的正面150a或背面150b传输或接收光信号。
为了使半导体结构150在特性上是通用的并且能够容纳多种类型的光电部件，中间层50的折射率与以下子层的折射率相差小于0.3，或者甚至小于0.2：
-第一层的至少一个子层，所述子层邻近中间层50，以及
-第二层40的至少一个子层，所述子层邻近中间层50。
换句话说，当第一层10(相应地(respectivement)第二层40)由堆叠的子层形成时，与中间层50接触的子层与所述中间层50之间的折射率之差小于0.3，或者甚至小于0.2。当第一层10(相应地第二层40)具有均匀的组成时，第一层10(相应地第二层40)与中间层50之间的折射率之差小于0.3，或甚至小于0.2。
另外，中间层50的衰减系数k低于100，或者甚至低于10，或者实际上甚至低于1，并且优选地也尽可能接近零，以便限制旨在穿过所述层50的光信号的衰减。这相当于说，选择中间层50的物理化学性质和机械性质以确保低衰减系数。
应回想起，材料的折射率可以被认为是复数(n+ik)并且具有实部n(上述折射率)和虚部k(衰减系数)。
结构150的中间层50进一步由与第一层10和第二层40的材料不同的材料构成，尤其是因为该层起到额外的作用，即促进第一层10和第二层40的接合。
举例来说，当第一层10的折射率等于3时，第二层40的折射率包括在[3+0.3＝3.30]和[3-0.3＝2.70]之间，以及中间层50的折射率。中间层50的衰减系数对于其部分而言低于100、低于10或低于1。
因此，如果光信号必须穿过所述中间层50，则半导体结构150的中间层50不干扰或几乎不干扰光信号。此外，中间层50促进了第一层10与第二层40之间的直接接合，从而简化了在它们接合之前执行的表面准备步骤，中间层50的材料的选择尤其是因为其易于制备；所述材料进一步允许在低温下布置原子，有利于连接的形成，同时限制层10与层40之间的应力。还应注意，衰减系数越低(即，越接近0)，中间层50的厚度的选择的灵活性越大；换句话说，在具有非常低的衰减系数的情况下，可以采用更厚的中间层50：这可以被证明是提高直接接合的质量的有利方式。
在半导体结构150中，各个层10、50、40或子层之间的界面粗糙度优选保持低于约5nm RMS(通过原子力显微镜(AFM)在10微米×10微米的扫描中测量)，以便限制光信号在所述界面处的散射。
有利地，中间层50的材料是非晶的，以便限制与晶格未对准和/或晶格参数不同的两种材料接合相关联的应力场，并且从而避免在接合界面处形成纳米气泡。
根据本发明的第一实施方式，半导体结构150旨在以使得激光信号通过背面150b发射的配置来容纳VCSEL。
第一层10的材料是高质量的单晶，该高质量的单晶旨在形成用于外延生长包括夹在两个布拉格镜3a、3b之间的有源区2的层堆叠的晶种。第二层40是具有高光学透明度(可能优于第一层10的光学透明度)并且通常高于30％的载体衬底40。有利地，基本上出于经济的原因，载体衬底40具有比第一层10(图3)低的晶体质量。
通常，第一层10的半导体是砷化镓(GaAs)，其具有允许无缺陷生长的晶体质量，并且通常是适用于目标应用并且具有低于500/cm2的位错密度的n型GaAs(～1018at/cm3)。第一层10的厚度包括在50nm和1500nm之间。
第二层40的半导体是砷化镓并且在目标部件的工作长度处具有比第一层10的材料更低的吸光度(更好的光学透明度)。形成半导体结构150的载体衬底40的第二层40不需要高晶体质量，因为它基本上起到机械载体的作用。它的厚度例如包括在200微米和2000微米之间。为了使光信号通过载体衬底40，需要该通过是因为VCSEL通过背面150b发射，载体衬底40的砷化镓进一步被选择为半绝缘的，以便限制光信号的吸收，从而提高VCSEL的效率。对于约900nm的光信号的波长，第一层10和载体衬底40具有等于3.52的折射率。
中间层50的材料是硅(Si)，特别是非晶硅。中间层50的厚度可以在1nm和100nm之间变化。对于约900nm的光信号的波长，中间层50具有等于3.6的折射率和非常接近0的衰减系数。
根据该第一实施方式的半导体结构150可以使用用于通过接合和减薄来转移层的已知现有技术的方法来生产。可以特别地提及智能剥离(Smart CutTM)工艺，其特别适合于转移非常薄的层。
第一步骤a)包括提供供体衬底11，第一层10将从供体衬底11获得(图4a)。供体衬底11可以包括具有第一层10所期望的性质和特性的体GaAs衬底。另选地，它可以包括初始衬底11a和例如在初始衬底11a上通过外延形成的一个或更多个高质量表面层11b：然后将从所述一个或更多个表面层11b获得第一层10。
第二步骤b)包括提供旨在形成半导体结构150的第二层40的载体衬底40(图4b)。如上所述，GaAs载体衬底40的质量和特性适合于目标应用。
在第三步骤c)中，然后在供体衬底11和/或载体衬底40上沉积由非晶硅制成的接合层5(图4c)：在两个衬底11、40已经接合之后，该(或这些)接合层5将被埋入结构中并且将形成中间层50。Si接合层5可以使用采用化学气相沉积(CVD)(例如诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD))或者外延或者甚至物理气相沉积(PVD)的已知技术来形成。沉积通常在包括在200℃至700℃之间的温度下执行。接合层5的典型厚度包括在1nm和20nm之间。
第四步骤d)包括将光离子引入到供体衬底11中，以便形成掩埋的弱平面12，该掩埋的弱平面12与供体衬底11的正面一起界定将被转移的层，即第一层10(图4d)。通常，对于GaAs供体衬底，以1E+16at/cm2到5E+17at/cm2的剂量和以约100keV的能量注入氦或氢或这两种离子的离子注入允许形成掩埋的弱平面12，其针对氦离子(相应地氢离子)的注入将允许转移500nm(相应地700nm)厚度的第一层10。应当注意，表面准备和清洁可能在注入之前和/或之后执行，以便去除潜在的有机或金属颗粒污染。
第五步骤e)包括将供体衬底11接合到载体衬底40，以便形成沿着接合界面51接合的组件(图4e)。该接合步骤包括经由配备有一个或更多个接合层5的两个衬底11、40的前侧使两个衬底11、40紧密接触。如上所述，可以采用室温直接接合或另选地在大气和受控温度(ADB或SAB)下的直接接合。当然，可以在待接合的侧面接触之前执行表面清洁或活化(例如使用等离子体)。这些表面准备比涉及III-V材料的制备更容易，因为在硅接合之前所需的清洁和/或活化需要半导体工业中进一步熟知的常规步骤和设备。
举例来说，ADB可以在由非晶硅制成的接合层5已经沉积在衬底11和40上之后在超高真空下执行。
接合的组件可以有利地通常在包括在150℃和600℃之间的温度下进行热处理几分钟至几小时，以便固结接合界面51。
图4e例示出了位于中间层50中的接合界面51；当接合层5仅沉积在载体衬底40上时，所述界面51可以另选地位于第一层10与中间层50之间，或者当接合层5仅沉积在供体衬底11上时，所述界面51可以位于载体衬底40与中间层50之间。即使在接合层5仅沉积在供体衬底11和载体衬底40中的一个上的情况下，也有助于直接接合。
第六步骤f)包括沿着掩埋的弱平面12的分离，这由于所述平面中的空腔和微裂纹的存在和/或生长而发生(图4f)。如本身已知的，这种分离例如在热处理期间发生，该热处理被设计为使腔发展并置于压力下，并且导致***波通过掩埋的弱平面12的自发传播。分离热处理通常对应于在200℃下退火120分钟。作为热处理的替代或与热处理相结合，分离可以由施加到掩埋的弱平面12的机械应力引起。
在步骤f)结束时，获得如下：一方面是半导体结构150，其第一层10放置在中间层50上，中间层50本身放置在载体衬底40(或第二层40)上；并且另一方面是供体衬底的其余部分11’。
然后，步骤f)可以包括(清洁、抛光、蚀刻)表面处理或其它平滑处理，以期提高第一层10的表面质量。
根据本发明的结构150相对于其中第一层10和第二层40在没有中间层的情况下直接接合的结构是有利的，因为它极大地方便了表面接合前的准备步骤并且确保了优异的接合质量；它进一步消除了在第一层10和第二层40的晶体之间形成位错的风险。应回想起，诸如纳米气泡和晶体缺陷(诸如位错)的接合缺陷可能干扰穿过接合界面51的光信号，这可能对易于在半导体结构150上生产的某些光电部件有害。
然后可以将旨在生产一个或更多个光电部件(在当前情况下为一个或更多个VCSEL)的连续外延生长步骤g)施加到半导体衬底150，第一层10用作外延晶种(图4g)。在现有技术中已知的这些步骤特别导致VCSEL的有源区2的形成，该区域夹在基于砷化镓的两个布拉格镜3a、3b之间。
根据半导体结构150的第一实施方式的一个变型，第一层10形成VCSEL的全部或部分，第二层40也是在光学部件的标称工作波长下具有高光学透明度并且可选地具有低晶体质量的载体衬底40。在该变型中，第一层10因此包括多个子层。
在步骤a)中，供体衬底11例如包括如图5a所例示的有源层2和两个布拉格镜，或该堆叠中的部分。因此，在步骤f)结束时(图5f)，VCSEL中的全部或部分通过第一层10转移。
在第一实施方式及其变型中，中间层50具有非常低的衰减系数(接近0)和接近第一层10的折射率(或第一层10的邻近中间层50的子层的折射率)和载体衬底40的折射率的折射率的事实允许VCSEL的激光信号通过半导体结构150的背面150b发射，而不会由于通过中间层50和载体衬底40而导致信号的中断和衰减。
当然，根据该第一实施方式的半导体结构150也适用于发送或接收光信号的其它类型的光电部件，而不管光信号是通过正面150a还是通过背面150b发送或接收。
根据本发明的第二实施方式，半导体结构150再次旨在容纳VCSEL。然而，此时，第一层10形成VCSEL的有源区2，并且第二层40形成多层布拉格镜3a(图6a)。
通常，第一层10的半导体包括具有低于5000/cm2的位错密度的至少一层磷化铟(InP)。第一层10的厚度包括在10nm和1500nm之间。对于约1.55微米的光信号的波长，第一层10具有等于3.1的折射率。
第二层40包括砷化镓并且由多个堆叠的子层形成，所述多个堆叠的子层被掺杂并且具有例如以形成用于波长为1.55微米的光信号的布拉格镜的组分(读者尤其要参考背景技术中引用的A.Syrbu的文章)。子层例如由GaAs(所讨论的波长处的折射率约为3.37)、砷化铝(AlAs)(折射率约为2.89)和三元AlGaAs化合物形成。第二层40的厚度在1μm至6μm之间。
中间层50的材料为磷化锌锗(ZnGeP2)或碳化硼(B4C)或砷化锌硅(ZnSiAs2)。对于约1.55微米的光信号的波长，由ZnGeP2、B4C或ZnSiAs2制成的中间层50具有分别等于3.17、3.25或3.26的折射率，和低于10的衰减系数。
中间层50的厚度可以在1nm至100nm之间变化。
选择将第二层40的具有最接近第一层10的折射率的折射率的子层(即，折射率差小于0.3的子层)放置在最接近第一层10的位置，即与中间层50相邻。
在第二实施方式中，半导体结构150有利地包括放置在第二层40下方的载体衬底41(图6b)。载体衬底41不要求高的晶体质量，因为其基本上起到机械载体的作用。它可以由InP或GaAs形成。根据其直径，它的厚度例如包括在250微米至1000微米之间。在光信号必须穿过载体衬底41的情况下，例如在VCSEL必须通过背面150b发射的情况下，载体衬底41被选择为具有最低可能的消光k(或衰减系数)并且理想地等于0，以便限制光信号的吸收并且因此提高VCSEL的效率。
具有与中间层50相同性质的第二中间层52可以***在载体衬底41与第二层40之间；这种选择在光信号必须穿过载体衬底41的情况下尤其有利，因为它限制了信号的干扰和衰减。第二接合界面51’位于第二中间层52中，或者邻近第二中间层52。
根据该第二实施方式的半导体结构150可以使用用于通过接合和减薄来转移层的已知的现有技术的方法来生产，特别是参考第一实施方式详述的智能剥离工艺来生产。
实施与上述步骤类似的步骤，并且在第二接合界面51’的情况下可能重复这些步骤。
在该第二实施方式中，旨在产生一个或更多个VCSEL的连续外延生长步骤g)包括在第一层10上形成第二布拉格镜3b(其包括VCSEL的有源区2)。另选地，外延生长步骤由形成第二布拉格镜3b的层经由第三中间层53的转移代替，第三中间层53具有与中间层50相同的性质(图6c)。第三接合界面51”位于第三中间层53中，或者邻近第三中间层53。
根据第二实施方式的半导体结构150允许制造以大约1.55μm的波长发射的VCSEL，同时简化布拉格镜3a、3b的制造，这通常需要非常大数量的连续外延InP层。经由具有低衰减系数且折射率与有源区2(第一层10)的折射率之差小于0.3的中间层50，将GaAs布拉格镜(需要较小的层堆叠)转移到InP有源区允许产生有效的VCSEL。
更一般地，根据该第二实施方式的半导体结构150与通过正面150a或通过背面150b发射的VCSEL兼容，因为使用了折射率与第一层10(或有源区2)的折射率之差小于0.3并且具有低衰减系数的第二中间层52或甚至第三中间层53。
当然，本发明不限于所描述的实施方式，并且可以在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下来实施实施方式的变型。
特别地，根据本发明的半导体结构150可以适用于其它光电应用，例如诸如光电探测器。
Claims (6)
1.一种用于光电应用的半导体结构(150)，所述半导体结构(150)包括：
-由晶体半导体制成的第一层(10)，所述层被放置在
-包括或邻近直接接合界面的中间层(50)上，所述中间层被放置在
-由晶体半导体制成的第二层(40)上，所述半导体结构(150)的特征在于：所述中间层(50)由与所述第一层(10)和所述第二层(40)的材料不同的材料构成，并且所述中间层(50)具有低于100的衰减系数和与如下子层的折射率相差小于0.3的折射率：
-所述第一层(10)的邻近所述中间层(50)的至少一个子层，以及
-所述第二层(40)的邻近所述中间层(50)的至少一个子层，
所述第一层(10)的所述半导体是砷化镓，所述第二层(40)的所述半导体是砷化镓，所述中间层(50)的所述材料是硅。
2.根据前一权利要求所述的半导体结构(150)，其中，所述中间层(50)的所述材料是非晶的。
3.根据前述权利要求中的一项所述的半导体结构(150)，其中，所述第一层(10)的材料是高晶体质量的单晶，以便形成用于外延的晶种。
4.根据权利要求1和2中的一项所述的半导体结构(150)，其中，所述第一层(10)形成垂直腔面发射激光器VCSEL的全部或部分。
5.根据前两项权利要求中的一项所述的半导体结构(150)，其中，所述第二层(40)是光学透明度高于30％的载体衬底。
6.根据前述权利要求中的一项所述的半导体结构(150)，其中，所述中间层(50)的所述衰减系数低于1。
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