CN102957091A - 张应变半导体光子发射和检测装置和集成的光子学系统 - Google Patents

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Abstract

提供了张应变锗，其被充分张应变，以提供近乎直接带隙材料或完全直接带隙材料。与锗区域接触的承受压应力或拉伸应力的应力源材料在锗区域中引起单轴或双轴张应变。应力源材料可以包括氮化硅或硅锗。所产生的应变锗结构可被用于发射或检测光子，包括例如在谐振腔中产生光子以提供出激光器。

Description

张应变半导体光子发射和检测装置和集成的光子学系统
技术领域
本发明总体上涉及光学系统，其包括半导体发光装置或半导体光探测器。更具体地讲，本发明涉及在有源区域（active region）中采用了具有应变的第四族半导体材料的半导体发光或检测装置。
背景技术
人们总是感兴趣在光子学系统中使用第四族半导体材料，因为这样的系统容易制造，并且容易将第四族光子学器件与电路集成在一起。硅、锗和它们的合金是光子学系统中最常被考虑的第四族半导体。例如，最感兴趣的是从硅发射的或位于硅中的光。硅和锗呈现有间接带隙，在整个成分范围内它们的合金也是这样。传统上它们并不是用于光发射的高效材料，因为直接光跃迁中涉及的导带未被占据，因此，在不额外地导致产生其它性质例如晶格震荡或不纯的情况下，就基本上没有可以重新组合并且直接产生光子的电子空穴对。
一种将光子功能与硅基ULSI芯片例如多核处理器或前沿存储器集成在一起的低成本措施为现代计算技术打开了意义深远的结构改变和性能改进的大门。这些光子功能的一个被建议的应用是代替现代ULSI芯片中的一些芯片内铜互连，例如用于从一个CPU内核向另一CPU内核导通数据，其中两个内核位于相同的物理硅芯片上。与此同时，一种现实的第四族光子学解决方案在制造更传统的光子系统时能够提供极好的成本节约益处。
将光子学与已有的CMOS工艺流程相组合的主要途径包括下列在拓扑学上截然不同的选项：i）先于晶体管制造光学部件；ii）在晶体管集成之后制造光学部件，也就是在金属互连层之前、之中或直接之后；或iii）利用第四族半导体制造可光通的层（optically-enabled layer），所述第四族半导体可通过各种机构之一被附连于ULSI芯片。连接机构可包括晶圆接合，彼此前后相继地共同封装若干裸晶，以将它们引线接合或通过封装体中的特征连接，以及堆叠裸晶并连接它们，例如利用硅通孔（TSV）。利用单独的光层使得能够将晶体管和ULSI电互连制造中遇到的制造方面的挑战和关键集成步骤与光层所需的这些分开。
另一方面，有利的是芯片上发射光，以避免在其它情况下需要解决的耦合和对正问题。当第四族半导体在光层中被用作光学活性的光发射材料时，芯片上光发射非常具有挑战性。据文献记载，在硅中利用喇曼效应进行光发射以将具有特定波长的外部供应光转化为不同波长的光。利用喇曼效应的光发射是一种低效率工艺。
光学系统或光层典型地具有若干功能部件。光层通常包括光源，或许具有集成带宽滤波器，以便从宽频谱波长进行选择，也就是被使用的光的“颜色”。光源可以是发射相干光的激光器或发光二极管。光源既可以直接调制，例如，通过调制流经光源的电流，类似于将灯泡开和关（高和低），也可以通过位于光源之外的单独的部件调制“光束”上的信息，也就是说，利用调制器。外部调制器在现有技术中是已知的，包括环形调制器和Mach-Zehnder调制器。
光层通常包括至少一个波导，其能够以连续波的形式或以调制形式、也就是作为信号从一个点至另一点导通光。波导性能方面的考虑包括衰减，每单位长度光的损失程度，例如，由于光散射或由于光被吸收到波导或相邻材料中。另一重要性能优势是波导能够将被引导的光转向另一方向的能力，其转弯半径很小，又没有明显的光损失。紧凑的转弯半径可被实现，例如，通过使用高约束波导，其中波导的折射率显著高于周围体积中的值，从而光波强度大部分被承载于波导体积中。转弯半径和波导外光强度的消散波尾部（evanescent tail）的泄露之间的相互影响是设计环形调制器或导通开关中的一项重要参数。紧凑的转弯还可以借助于反射镜而便于实现，其中入射光方向和反射镜表面法向之间的角度基本上与出射光方向和反射镜法向之间的角度相同。还有一个方面是波导维持给定光偏振的程度。
光层通常包括导通或开关元件，其从入射波导接收光，并且从多个出射波导选择一个或若干将要携带出射光的波导。反射镜可被认为是一种具有一个入射波导和一个出射波导的导通元件。这些元件的其它例子包括阵列分布的波导耦合器，多模式干涉耦合器和环形耦合器。
光层通常包括检测器，其精确且以高速度测量入射光的强度。检测器常常是反向偏压的光电二极管。对于将被检测的光的波长而言，光电二极管的响应率以及外部和内部量子效率应当优选高些。它们的速度常受限于RC值，即检测器电容（结电容和寄生电容）与通向反向偏压结的导体的电阻值和电容之间的产物。利用RC值可测量检测器结处产生的电荷载体传输在电检测器终端可检测到的电流的时间，也就是检测器的外部速度。
光层通常包括驱动电子器件，它们位于相同光层或分开的层中，例如，位于CMOS芯片中，其中光子学层提供一部分互连。
未来的数据传输带宽的各种需求，例如，服务器场轨架之间，从一个电路板至另一电路板，从处理器至电路板或至存储器，将持续增长成若干Tbps的数据带宽范围。用于光源、调制器甚至检测器的当前光学部件不能以这些频率操作。更具体地讲，将信息置于承载光束上的能力，要么通过直接调制光源，要么借助于调制器，目前还没有超过几十Gbps的频率。
因此，需要有将多重光束（等价于多个总线）用于并行传输数据的措施来实现Tbps系统带宽。如果携带信息的光束具有不同波长，多载体信号可通过单一的波导和耦合器被传输。这样的方案称作波分复用（WDM），在电信领域是众所周知的。利用相同或类似波长的多个点至点连接可以设想出来，并且波导甚至可以彼此交叉，因为光束彼此之间不会相互作用。
希望在单一的光层中建立这样一种WDM系统或点至点连接的网络，以降低成本。
若干在光层中产生光的方法是已知的。一个方法是混合型激光器，其通过使在硅波导中引导的一些光能到达或延伸到光学活性InP基多重量子阱材料中而获得光放大，其中光放大是通过在直接带隙InP基材料电泵浦光学活性跃迁而实现的。
另一现有技术方法利用了锗的直接带隙的减小，这是通过锗的双轴应变实现的。应变发生是因为锗和基板之间热膨胀系数失配，其中锗在一个工艺步骤中以升高的温度沉积在基板上。随着温度降低，锗在很小长度上发生双轴张应变，典型地小于0.3%。在这种情况下，应变不够强，因而不能将锗充分转化为直接带隙材料，并且从导带至锗的价带的能量最小跃迁持续保持为光学上不允许的跃迁（也就是说，是间接的并且涉及另一准粒子例如声子或晶格振动）。由于掺杂了非常强的n型发光装置有源区域，间接带跃迁的优势被抵消，从而位于最低位置的导带谷的状态越来越密集。在向n+区域中高级别地电喷射载体的情况下，载流子（电子）从禁止光跃迁的导带谷（间接带隙）溢出到能量略高的允许光跃迁的导带谷（直接带隙）。禁止跃迁变得饱和，并且载流子溢出到更为有效的直接带隙跃迁状态。
在光被产生于芯片上，也就是产生于光层中的情况下，光层可使用均质材料或异质材料系统。在均质材料系统中，光在对于系统的所有部件例如光源、波导、调制器、开关或检测器而言在化学上基本相同的材料中被发射和检测。在异质材料系统中，光在化学上不同于波导或检测器材料的材料中被发射。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种光学装置，其具有与多个应力源区域接触的锗区域。多个应力源区域在锗区域中引起张应变。锗区域至少一部分中的张应变足以导致锗区域的一部分中具有直接带隙。结定位于锗区域中或相邻的部分中，所述结具有第一多数载流子型的第一侧和第二多数载流子型的第二侧。第一和第二触头分别耦合到结的第一侧和结的第二侧。
根据本发明的另一方面，一种光学装置包括第一和第二锗区域。第一锗区域与第一张应力源接触而使得第一锗区域至少在第一锗区域的第一部分中具有双轴张应变。第二锗区域与第二张应力源接触而使得第二锗区域至少在第二锗区域的第二部分中具有双轴张应变。光学元件限定出穿过第一和第二锗区域的光学路径。结定位于第一和第二锗区域的第一和第二部分中或相邻的部分中，所述结具有第一多数载流子型的第一侧和第二多数载流子型的第二侧。第一和第二触头分别耦合到结的第一侧和结的第二侧。
根据本发明的另一方面，一种光学装置包括锗板坯，其具有第一和第二表面、第一和第二端部以及位于第一和第二表面上的第一和第二应力源层。第一和第二应力源层在锗板坯中引起双轴张应力。光学元件相对于锗板坯定位，以限定出穿过锗板坯的光学路径。
根据本发明的另一方面，一种光学装置包括两个或更多个锗平板，每个锗平板分别具有第一和第二表面、第一和第二端部以及位于第一和第二表面每个上的第一和第二应力源层。第一和第二应力源层在所述两个或更多个锗板坯中的相应一个中引起双轴张应力。光学元件相对于锗平板定位，以限定出穿过两个或更多个锗板坯的光学路径。
根据本发明的又另一方面，一种制造半导体装置的方法包括提供基板，其具有锗区域，并且向锗区域中蚀刻出开口。该方法接下来在各开口中形成硅锗，以形成围绕锗区域第一部分的嵌入硅锗的图案，所述硅锗区域和锗区域第一部分中具有平面双轴张应变。
本发明的又另一方面提供了一种数据通信方法，包括将电信号耦合到光学装置中，所述光学装置包括第一应变半导体区域，用以产生相应光学信号。该方法接下来将相应光学信号传输通过波导，所述波导包括第二未应变半导体区域，并且将相应光学信号耦合到检测器中，该检测器包括第三应变半导体区域。第一、第二和第三半导体区域包括锗。在这个方面的一种更具体的实施方式中，这些区域实质上彼此自对正。
根据本发明，提供了一种光学装置，包括第一和第二锗区域，所述第一锗区域与第一应力源相接触从而所述第一锗区域至少在所述第一锗区域的第一部分中具有双轴张应变，所述第二锗区域与第二应力源相接触从而所述第二锗区域至少在所述第二锗区域的第二部分中具有双轴张应变；光学元件，其限定出穿过所述第一和第二锗区域的光学路径；定位在所述第一锗区域的第一部分内或附近的结，所述结具有第一多数载流子类型的第一侧和第二多数载流子类型的第二侧；以及第一和第二触头，分别耦合到所述结的第一侧和所述结的第二侧。
优选地，所述第一锗区域至少在所述第一锗区域的一部分所具有的双轴张应变足以导致所述第一锗区域的第一部分具有直接带隙。
优选地，所述第一和第二张应力源是硅锗。
优选地，所述光学元件包括限定出激光器腔的第一发射镜和第二发射镜。
优选地，所述第一发射镜和所述第二发射镜形成在所述激光器腔的端面上，并且，所述激光器腔通过消散波耦合光学耦合于所述第一和第二锗区域。
优选地，所述激光器腔至少部分地布置在波导中。
优选地，所述激光器腔至少部分地布置在硅或二氧化硅波导内。
优选地，所述应力源区域包括施加了压应力的材料。
优选地，所述应力源区域包括氮化硅。
优选地，所述第一和第二应力源定位在所述第一锗区域的相反两侧。
优选地，第一和第二应力源定位在锗翅片的一侧，还有第三和第四应力源定位在锗翅片的相反侧，并且，所述锗翅片包括所述第一锗区域的第一部分。
优选地，所述锗翅片的厚度在大约40纳米和80纳米之间，所述锗翅片的宽度小于一微米，并且，所述应力源是氮化硅。
根据本发明，提供了一种制造光学装置的方法，包括提供基板，其具有锗区域；向锗区域中蚀刻出开口；以及在这些开口中形成应力源区域，以产生围绕所述锗区域的第一部分的嵌入应力源区域图案，其中，所述锗区域的第一部分中具有平面双轴张应变。
优选地，所述锗区域是锗层，其与基板其它部分通过绝缘层分开。
优选地，所述方法形成至少四个具有双轴张应变的附加锗区域部分。
优选地，所述第一和附加锗区域部分中的双轴张应变足以至少在锗区域部分的一些部位中提供直接带隙。
优选地，所述方法还包括形成激光器腔，从而在所述激光器腔中放大的光穿过所述锗区域的第一部分。
优选地，所述应力源区域是硅锗。
附图说明
图1示意性示出了可具有张应变有源区域的发光或检测装置的一部分。
图2示出了基于图1中的结构仿真的结果，显示了在嵌入硅锗应力源之间的锗条中引起的高级别应变。
图3示出了被嵌入应力源例如硅锗或氮化硅的图案围绕的示意性锗区域，其中嵌入应力源具有大致矩形表面横截面。
图4（a）以透视图示出了锗层，其具有一个阵列的彼此分开的嵌入应力源区域，这些区域由以平面应力的方式承受张力的材料例如硅锗或氮化硅构成，其中各嵌入应力源区域具有大致矩形表面横截面，并且各应力源区域在相邻锗区域中引起张应变。
图4（b）以透视图示出了锗层，其具有一个阵列的彼此分开的嵌入应力源区域，这些区域由以平面应力的方式承受张力的材料例如硅锗或氮化硅构成，其中各嵌入应力源区域具有大致带圆角或圆形表面横截面，并且各应力源区域在相邻锗区域中引起张应变。
图4（c）以透视图示出了锗层，其具有一个阵列的连接嵌入应力源区域，这些区域由以平面应力的方式承受张力的材料例如硅锗或氮化硅构成，其中嵌入应力源材料围绕柱形锗区域的外围，各柱形锗区域具有大致矩形表面横截面，并且应力源材料在相邻周围锗区域中引起平面双轴张应变。
图4（d）以透视图示出了锗层，其具有一个阵列的连接嵌入应力源区域，这些区域由以平面应力的方式承受张力的材料例如硅锗或氮化硅构成，其中嵌入应力源材料围绕柱形锗区域的外围，彼此重叠的嵌入应力源区域具有大致带圆角或极限形式的圆形表面横截面，并且应力源材料在相邻周围锗区域中引起平面双轴张应变。
图4（e）以透视图示出了嵌入应力源区域中的柱形锗区域，这些嵌入应力源区域由以平面应力的方式承受张力的材料例如硅锗或氮化硅构成。所示出的柱可以是一个阵列的同类柱形锗区域中的一个，其中应力源材料在周围锗区域中引起平面双轴张应变。
图5示出了本发明各方面的另一实施方式，其中，通过锗翅片的各侧壁上的压应力源层施加的力，张应变产生于锗翅片中。
图6示出了图5所示方案的改型，其中在锗翅片的侧壁上形成压应力源层图案而在锗翅片中产生双轴张应变。
图7（a-b）利用三维仿真示出了图5和6所示方案的另一改型，其中多个双轴张应变锗翅片沿着光学路径提供。
图8（a-b）示意性示出了一种应变锗条，其中通过叠加施加了压应力的材料和边松弛而引起张应变。
图9示意性示出了一种应变锗条，其中通过上下层施加了压应力的材料和边松弛而引起张应变。
图10示意性示出了一种应变锗条，其中通过上下层施加了压应力的材料和边松弛而引起双轴张应变，其中沿着两个轴线形成穿过三层的缺口。
图11示出了图10所示方案的另一种优选改型，其可以限制各种内部反射。
图12以横截面示意性示出了一个阵列的张应变n型锗区域，这些区域以外延生长的形式沉积在p型锗层上，从而结构可发射或检测光子。
图13以横截面示意性示出了一个阵列的浅张应变n型锗区域，这些区域通过从掺杂型聚硅叠加层扩散而被掺杂形成。
图14以横截面示意性示出了一个阵列的外延生长形式的张应变n型锗区域，这些区域形成在一个阵列的外延生长形式的p型锗区域上，从而结构可发射或检测光子。
图15以横截面示意性示出了一个阵列的张应变p型锗区域，这些区域与电子发射器层接触，从而结构可发射或检测光子。
图16以横截面示意性示出了一个阵列的张应变p型锗区域，这些区域与电子发射器层接触，从而结构可发射或检测光子。
图17以示意性横截面示出了一个阵列的张应变p型锗区域，这些区域横向接触n型硅锗区域和电子发射器层，从而结构可发射或检测光子。
图18示出了另一所示方案，与图12-17中显示的结构和过程一致，其中一个或多个离散锗柱被形成且嵌入在连续硅锗应力源内。
图19示意性示出了一种锗波导，与其联接的结构具有发射或检测光的平面应变或双轴应变锗柱或翅片。
图20示出了一种示意性配置，其中包含张应变锗的层联接着谐振器，以提供激光器结构。
具体实施方式
本发明的优选实施例包括使用应变第四族半导体作为发射或检测光的有源区域的光发射或光检测装置或方法。在这里，光被在广泛意义上使用以包含紫外和红外的范围。作为一个示例，本发明的实施可提供使用张应变锗作为增益介质的半导体激光器。更具体地，此特殊示例可使用双轴张应变锗区域，在一定程度上应变锗区域的至少一部分是直接带隙半导体。
本发明的某些实施例可使用由大体均质材料组成的独特（distinct）光层，用于形成光层的不同组成部件，包括至少一个光源，一个或多个波导，至少一个导通或选路（routing）或是开关或切换（switching）元件，或至少一个检测器。驱动电子设备被包括在光层或另一层例如相关联的ULSI芯片中。对于均质材料的情况，材料构成的部件物理上当然也稍稍不同，因为均质材料系统的使用需要局部改变所讨论的材料的一些光学性能，将其从光发射（直接带隙）半导体材料转变成光学上透明（间接带隙）的波导材料或转变成光检测（直接带隙）半导体材料。
更具体地，用于获得预期的局部光学性能所需的变化例如通过应用外部应变，特别是双轴或单轴张应变，而得到。另外，优选的实施方式以通常的方式，例如掺杂剂粒子注入或扩散，局部改变所讨论的半导体材料的电性能，用于以通常的方式建造电装置。
某些优选实施例由大致均质材料系统限定出光层，所选部件中的一些半导体材料被制造成具有完全直接或完全间接带隙。在特别优选的实施例中，发射器或检测器中的带隙低于波导的带隙，使得波导对于发射器发射的或检测器检测的光子来说基本上是透明的。在波导由具有间接带隙的半导体材料形成的情况下，未应变的（unstrained）波导的剩余材料允许材料保持比应变发射器或检测器材料大的带隙。波导中的较大带隙与带隙的间接特性一起导致波导材料中的低光投射损失（光学传输损失）。
对于使用应变锗用于有源光发射或吸收的特别优选的实施方式来说，源和检测器被从间接半导体（相对效率低的光学发射/吸收材料）转变成更直接半导体（more direct semiconductor）（对应于效率高的光学发射/吸收材料）。在讲到锗中的张应变使其变成更直接带隙半导体时，意思是说由于伽马点处的导带底（conduction band minimum）和价带之间的能隙减小，张应变致使对应于伽马点处的导带底和价带之间的直接跃迁的光跃迁更为可能。也就是说，高张应变锗呈现大大增强了对应于伽马点处直接跃迁的发光。大大增强发光可被开发用于制造有效的发光装置包括发光二极管以及锗中的半导体激光器。
在具有直接带隙例如砷化镓的半导体材料情况中，通过沿着至少一个轴线施加压力增大波导中的带隙并且使其对于未变的批量砷化镓发射的波长来说更透明，波导可被转变成非吸收半导体。因此降低了通过吸收的传输损失（transmission loss）。
下面描述可形成具有应变半导体光发射或检测元件的光子系统的部件的方法和装置的多个示意性实施方式。
第四族半导体通常呈现菱形结构并且因此具有主方向<100>，<110>和<111>，它们代表晶体结构的对称性。这些轴分别垂直于（100），（110）和（111）晶格面。天然平衡晶格的变形（原子之间的距离和原子之间的角度）导致带结构中的变化。例如，在第一阶（to first order）的程度上，液体静压导致立方晶格的同质体积（homogeneous volume）压缩并且最常见地导致增大的直接带隙。对于锗来说，很长时间以来，单轴、双轴以及带结构上的流体静应变的效应已经引起了科学兴趣。
在锗（100）面内应用双轴张应变导致材料更直接，也就是，与间接带隙相比，增大（100）双轴应变使得直接带隙更快速变窄。双轴张应变锗的带结构的计算推算该材料在（100）面中的约1.9%应变处变成完全直接。另外，报告显示当沿着锗的<111>方向应用单轴张力时单轴变形导致直接带隙。当然，关于晶体的主方向的很多应变定向和配置可对将间接带隙材料变为更直接带隙材料提供不同的优势。
图1示出了一个示例，其中嵌入式硅锗（SiGe）应力源（stressor）被用于拉伸可被用于光发射或光检测的锗区域（例如片状或带状区域）。在优选实施例中，多个拉伸应力源被嵌入锗层中，在任意两个相邻的拉伸应力源区域之间导致锗体积上的张应变。当在形成于锗表面上的凹陷中外延生长时，SiGe合金是适当的拉伸应力源材料。SiGe合金具有小于锗的晶格间距的晶格间距。因此，当SiGe的薄膜在锗表面上外延生长时，SiGe处于平面张力晶格失配应变（tensile in-plane lattice misfit strain）下。张应变的嵌入SiGe应力源在侧向相邻的锗中诱导张应变。作为更具体的示例，图1示意出锗层10的一部分。两个长槽被形成在锗层10的表面上并且填满SiGe的外延淀积而在锗区域16每一侧上形成嵌入应力源12、14。锗16窄条两侧上的嵌入SiGe应力源12、14诱导SiGe应力源区域之间的锗体积的单轴张应变，如图1所示。张应变锗16的窄条可被用作激光器或二极管的发光有源区域或用作例如光电二级管的光检测区域。这些结构的高度或厚度，宽度和长度结构优选被选择成用于实现预期的应变级别，从而获得适合于该部件的光学功能性。优选地，根据特殊实施方式和该部件的其它元件来选择尺寸。
在高性能p沟道场效应晶体管的制造中，先进的CMOS技术常常包括嵌入式SiGe源或漏区（S/D）。在嵌入到硅晶体管中的是SiGe源漏区的情况下，在SiGe应力源之间的硅区域中获得压应变。这与当SiGe应力源被嵌入到如上所述的锗装置中出现的应变情形相反，但制造过程和技术，设计考虑和实施方式非常类似。
图2示意出基本上类似图1所示的结构的模拟，图2示出了垂直于条的较长轴的横截面。图2的模拟使用了稍稍更复杂且实用的结构，包括硅或其它晶圆或基板20和锗26层之间的埋入绝缘层28，其中槽被形成在锗26层中并且随后至少部分地用硅锗填满，而形成张应力源区域22和24。如图2的模拟所示，高应变级别可被诱导，尤其是锗条26的上表面附近。
可选地，SiGe应力源可被引入到具有约100nm和100nm的深度和宽度的多个嵌入区域的矩阵形式的锗激光器或发光二极管或光电探测器中。这些尺寸是示意性的，并且一系列的尺寸可被有效地使用。这里特别指出的尺寸对于所示意的配置是有用的。在本策略中，激光器的发光有源区域（典型尺寸，0.35至1.5微米宽或更宽，2至几十或甚至几百微米长或更长）或光电检测器的光检测区域可由许多锗区域组成，所述锗区域具有通过相邻体积的嵌入SiGe沿着两个平面轴诱导的双轴张应变。图3描述了这种矩阵的一个元素，其中，双轴张应变通过形成在四个侧面上的相邻的SiGe应力源元件32、34、36、38在中央锗区域30中诱导。应力源元件具有基本上矩形表面横截面，其可以例如是大约方形的。应力源被示意为硅锗，其对相邻的锗区域提供张应变。其它应力源材料也可被使用，例如被沉积用于提供张应力的氮化硅。应变分布大致是非均匀的，并且取决于其几何结构和其它相关特征例如硅锗应力源的组成。应变可以，例如，围绕着锗区域的上侧部分最高。双轴应变可以在锗区域30的中央部分最大。
图4（a-e）示意出众多的锗元件如何可以设置于矩阵中，使每个元件在该元件的至少一部分中具有双轴张应变。处于双轴张应变下的锗元件可被连接到类似处于双轴应变下的相邻的锗元件，如图4（a）和图4（b）所示。可选地，锗元件可通过如图4（c）和图4（d）所示的应力源材料与相邻的锗元件分离，在这种情况下，分离的锗区域显示为柱。虽然锗柱元件在晶圆平面内被应力源材料分离开，它们当然可以通过它们的基部连接到共享的或公共剩余锗层或基板。此外锗柱可具有大体上方形的横截面轮廓或可以是圆的，在其边界内具有圆形横截面轮廓或带凹边的柱轮廓，如图4（d）所示。图4（e）示出了嵌入式应力源区域内的锗区域阵列中的一个，所述应力源区域由由以平面应力的方式承受张力的材料例如硅锗或氮化硅构成。被示意的柱可以是类似柱成形的锗区域的阵列内的一个，应力源材料在被围绕的锗区域内诱导平面双轴张应变。
在本实施例的特别优选的实施方式中，类似于图4的任意视图中所示意的应变锗元件的阵列可被用作激光器装置的发光有源区域或光电检测器装置的光检测区域。图4的发光有源区域由多个至少部分双轴张应变的锗元件构成。为了实现激光作用的目的，不必须激光器有源区域的整个体积都由双轴张应变锗形成，但希望最大化双轴张应变锗所占激光器体积的比例。另外，在锗区域中诱导充足的张应变，以便这些区域在该区域的至少一部分上变成直接带隙。在具有最大双轴张应变的锗区域的那部分中，直接导带（伽马点）顶端处于其最低能量。特别是对于双轴应变大于约1.8%至2.0%的锗的所有部分来说，直接带隙（在伽马点）应小于间接带隙，并且锗的那一部分可被认为直接带隙半导体。在这些条件下，自由电子将漂移到具有最大双轴张应变（最低导带能量）的那部分，并且这将与直接光跃迁最有利的那部分重合。这样，即使激光器中的锗体积只有一小部分可能具有足以诱导直接带隙行为的双轴张力，这也可能足以用于实现光子的受激发射目的，因为直接带隙部分同时也是自由电子被内建电场吸引而从该部分中降低的导带能量级别升高的锗的那一部分。相反地，不变直接的锗的较小应变部分将保持间接并且不提供光放大。然而，从具有最小和直接带隙的高应变部分发射的光不被吸收在具有较大和间接带隙的较小应变部分中。虽然不希望较小应变的锗的那部分对发光二极管或半导体激光器中的光发射做很大贡献，但那些部分也不应该对损失做很大贡献。但是，仍希望使处于高级别双轴张应变下的光学活性区域中的锗的那一小部分最大化。
优选地对于此配置，硅锗应力源不掺杂或不掺杂n型，以避免锁定（pinning）锗导带和通过侧向变化导带促进上述将载体集中到增益区域内的效应。嵌入应力源可可选地由带有内张应力的沉积的氮化硅形成。对于沉积带有内张应力的氮化硅膜，方法和工具在硅集成电路制造工业中是广泛已知的。
在图5所述的实施例中，锗基板22被图案化和蚀刻以形成在基板50的剩余部分上方延伸的锗的翅片（fin）结构52。翅片52例如可0.05μm宽0.15μm高。压应力源54、56形成在锗的翅片52的侧壁上，在锗翅片中传递单轴张应变，如图5中箭头示意性表示的。典型地，被示意的结构通过沉积施加了压应力的氮化硅的共形覆盖层（blanket layer）而形成。然后，优选地，被施加应力的氮化硅被背离翅片顶部进行蚀刻，以通过蚀刻氮化硅层只留下沿侧壁的氮化硅而允许电接触到翅片顶部。因为侧壁应力源中的初始应力是压应力，侧壁应力源54、56当在锗翅片52中放松和诱导张应变时竖直膨胀。
对于获得带有内压应力的沉积的氮化硅膜来说，方法和工具在硅集成电路制造工业中是广泛已知的，并且对于通过沉积和随后的各向异性蚀刻而形成材料例如氮化硅的侧壁来说，方法已经已知了。侧壁应力源独自在竖直指向的锗翅片中施加单轴张应变，垂直于半导体工件或晶圆的平面。这里，图5的张应变锗的翅片状有源区域52可用作发光区域或光检测区域，取决于几何结构和随后的处理工艺。优选地，侧壁应力源结构54、56中的初始应变以及翅片52的尺寸适合于建立充分竖直（单轴）的张应变，致使翅片状有源区域52的一部分具有直接带隙。较早的或随后的处理可被用于在所示意的翅片中形成大致级别的p-n结。例如，所示意的翅片可被形成为p型材料。高度n型掺杂多晶锗层被形成在p型翅片52的上表面上。随后的退火使得n型掺杂剂扩散到翅片52中，优选地形成大致级别的p-n结。优选地，p-n结定位成与翅片52的张应变部分十分邻近，以允许所述结成为高效的光子发射器或检测器。对于光子发射，通过使电流流经所述结而产生电子空穴对，并且通过与优选的直接带隙相关联的电子空穴辐射复合而发生光子。对于光子检测，p-n结被反向偏置，以使光子产生电子空穴对，所述电子空穴对是分开的并且被检测为穿过结的电流。在光子发射实施方式中，有时优选锗翅片的端表面被涂有一个或多个反射层，以获得共振腔。
在定位所述结的过程中，优选结被定位成使光子吸收（通过制造电子空穴对）或发射（通过电子空穴对的辐射复合）在一定程度上发生在发生了张应变足以提供直接带并且足以提供有效的光子检测或发射的锗的一部分中。可选地，当电流注入或其它策略被与降低的带隙一起使用用于实现有效发射时，锗的张应变部分优选包括用于直接光跃迁的最低带隙。张应变区域和结或部分结的这种适当定位在这里被视为相邻的并且包括所述部分结与局部最大张应变的区域重合的那些定位以及在这些位置之间存在偏差的区域地方的那些。此偏置的可能容许尺寸取决于所获得的应变级别，应用和装置几何结构。这里的讨论特别用于图5的相对简单的几何结构，但同样应用于关于其它图示讨论的更复杂的以及其它的实施方式中。另外，定位和其它考虑也可应用于张应变不足以实现直接带隙跃迁的那些实施方式。在那些情况下，这里讨论的原理适用于，但优选与理想的掺杂、偏置和/或电流相结合以实现有用的充分的光子发射或检测。对于所有激光器应用，优选提供腔的完全反射端部，损失被保持在适当的低水平，并且充足的电流被提供以便腔以本领域内已知的方式提供增益。本讨论涉及一个或多个结。在许多情况下，所述结将不是敏锐的（sharp）p-n结，但可有效地作为p-i-n结，其p型和n型区域被定位在优选无掺杂的有源层的每一侧。类似的pn或p-i-n结可用于发光激光器二极管（或LED）装置中或光电检测器装置中。
在另一增强侧壁应力源的方法中，狭窄的切口可沿着翅片的长度被蚀刻到氮化硅压应力源层内，使得侧壁氮化硅沿着翅片的长度不连续。这在图6中部分示意出了，狭窄的切口68已经被蚀刻穿过其中一个带有压应力的氮化硅侧壁结构，而形成多个侧壁压缩区域64、66，这些区域能够竖直和侧向膨胀以在锗的翅片62中诱导竖直和水平的应变分量。在氮化硅侧壁中的断裂或切口处，边松弛（edge relaxation，也就是，通过在应力源的相对无约束的边缘处膨胀或收缩促进的松弛）导致另一应力分量被诱导在沿着翅片的长度轴线指向的相邻的锗翅片中，如图6所述。此配置在锗的有源区域62的区段中诱导应变的双轴拉伸分量，这对于修改锗带结构以减小用于直接光跃迁的带隙来说是理想的，优选地在一定程度上直接光跃迁是最低能量跃迁（energy transition）。如图6中所述，压缩氮化硅侧壁层中的其它竖直切口可以是竖直的，虽然切割线也可以处于不同的角度。
在激光器或光电检测器的锗有源元件中获得双轴张应变的可选方法引进了沿翅片的长度的侧壁应力源元件和锗波导中的断裂或切口，以在锗翅片中更好地诱导双轴张应变分量。如果切口被蚀刻到锗翅片波导内，沿激光器或光电检测器的长度轴线的锗中的带隙可能是不理想的，因为它们将用作局部的镜子，导致在激光器有源区域中产生的光或者光电检测器中的光的不需要的内部反射或散射。这种不理想的行为可通过在带隙中沉积非晶锗而得到限制。当带隙被蚀刻在锗中时发生的边松弛足以沿锗翅片波导或有源区域的长度轴线诱导张应变。随后例如用非晶锗重新填满带隙不消除张应变，但确实很大长度上消除了沿长度轴线的激光器或光电检测器的波导或有源区域中的介电不连续性。也就是说，用适当的材料例如非晶或多晶锗重新填满带隙恢复沿着激光器或光电检测器有源区域的纵向光学轴线连续的光学介质，但不连续的张应变沿着激光器或检测器有源区域的纵向光学轴线。
图7示意出图5和6的策略的另一修改的三维模拟。图7示出了许多翅片，每个锗翅片72带有形成在锗翅片的每一侧上的介电（或绝缘）应力源74、76。这些翅片的每一个可以如上面关于图5和6所讨论的方式形成，包括蚀刻、掺杂、接触和这里讨论的结形成策略。优选地介电应力源被初始形成为具有通过蚀刻而被松弛（relax）的压应力，用于在应力源74、76之间的锗翅片72中诱导张应力。一个适合的应力源是氮化硅，其可被沉积为具有能够通过适当的蚀刻技术松弛的压应力。如图7（a）所示，介电应力源层74、76可充满相邻翅片72之间的间隙和在锗翅片中有效地诱导预期级别的双轴张应力。模拟的翅片72中的双轴应变在图7（b）中示出了，其中应力源区域被设置成不可见，以暴露在翅片的主要平面中计算出的锗内双轴应变的廓线，较轻的廓线表示较大量值的双轴应变。
双轴张应变锗翅片的阵列可被定位成使例如二极管，激光器二极管或光电检测器的光学路径穿过图7的结构，使得光学路径在平行于侧向翅片表面的方向上穿过多个翅片，应力源被形成在所述侧向翅片表面上用于诱导应力。可选地，示例型二极管，激光器二极管或光电检测器的光学路径在垂直于侧向翅片表面的方向上穿过多个翅片，应力源被形成在所述侧向翅片表面上用于诱导应力。
对于在上面示例型图5-7中讨论的锗翅片，翅片可具有约20纳米和100纳米之间，以及更优选约40纳米和80纳米之间，的宽度（介电应力源层之间的间距）。翅片优选地具有小于一微米，并且更优选小于400纳米，的高度（在与翅片基部相邻的剩余锗层上方测量）。翅片优选地具有小于一微米，并且更优选小于400纳米，的长度（沿与其中一个应力源层相邻的锗层表面侧向测量）。对于图5-7的实施方式和这里描述的结构的其它实施方式来说，优选施加了压应力的氮化硅应力源材料被形成为初始具有大于2GPa，并且更优选大于3GPa，的应力。图8-11示意性示意出锗条或板的顶部或底部表面上的压应力源层的弹性边松弛。锗条激光器或光电检测器有源区域的顶部表面（或顶部&底部表面）上的压应力源层被以与有源区域对齐的方式图案化和蚀刻。当条图案被蚀刻穿过顶部应力源层，有源层，以及可选的底部应力源层时，边松弛发生。应力源层中的压应力在相邻的锗有源层中诱导张应变。在此策略的第一实施方式中，如图8（a）中所示，施加了压应力的氮化硅的层被沉积在锗晶圆或基板80的表面上。此过程在氮化硅层上形成掩膜并且然后蚀刻穿过氮化硅层进入锗晶圆的表面内，而形成在晶圆80的剩余部分上方延伸的锗条（或板）82。蚀刻穿过施加了压应力的氮化硅层形成条84，并且蚀刻继续到基板内，允许施加了压应力的氮化硅84松弛并且在锗条82的至少上部分中诱导张应变。生成的条82的应变表面区域可被用于产生光子或用于检测光子。
在目前优选的实施方式中，主晶圆具有晶圆接合（wafer-bonded）到主晶圆的表面的锗层。例如，主晶圆86可以是具有表面二氧化硅层85的硅晶圆83，或被二氧化硅层覆盖的硅集成电路的一部分，并且锗层被以已知的方式接合到氧化物表面。然后，施加了压应力的应力源层被沉积在锗层上。例如，商业上可得到的工艺可用于沉积适当的带压应力的氮化硅层，所述氮化硅层具有大于2Gpa，或者更优选大于3GPa，的内部沉积应力。图8（b）的结构通过如下形成：图案化和蚀刻施加了压应力的应力源条84，随后蚀刻连续锗有源区域82的长条，在晶圆86的表面处停止，如图8（b）中所示。边松弛的表面应力源条84诱导锗条82中的单轴应变，如图8（b）中的箭头所示。在可选实施例中，蚀刻不在晶圆86的表面处停止而是继续到晶圆86的表面内的微小深度，以在锗条82中诱导更大的张应变。在其它可选实施例中，蚀刻在到达晶圆86的表面之前停止，从而锗条82是固定在未蚀刻的锗层上的锗的底座（pedestal）的形式。
图9示意出与图8（a）-（b）的配置相比能够对锗条提供更高的应变级别以更好地发射或检测光子的另一配置。图9的结构通过顺序进行下述步骤顺序而形成：在主晶圆90上沉积施加了压应力的材料的第一层，提供晶体锗层，然后在锗层上沉积施加了压应力的材料的第二层。施加了压应力的材料的第一和第二层例如可以是施加了压应力的氮化硅，并且沉积的材料被选择成用作锗层的应力源。沉积这种氮化硅应力源层的过程已知了。图9的过程之后继续图案化和蚀刻层的堆叠体，以形成上部应力源条94，在图9的箭头所示的方向上具有单轴张应变的锗条92。可选地，可继续蚀刻锗层下面的施加了压应力的第二层，以形成下部应力源条96。蚀刻穿过或至少蚀刻到第二施加了压应力的层内是优选的，因为其提供更完全的边松弛并且导致更高级别的单轴张应变。优选地，锗条92宽度在0.04和1.0微米之间，并且优选地，被张应变到锗条92的至少一些部分具有直接带隙的程度。
许多因素影响锗层内的张应变级别，包括锗层厚度，上部和下部应力源层各自的厚度以及上部和下部应力源层内的压应力级别。张应变通过边缘和不管正在考虑的锗层的哪个部分之间的间隔而变化。应变的不均匀分布对于这里所讨论或示意的结构来说都适用。优选对这里讨论的本或其它锗区域（以及包括上面关于图5-7的其它位置）内的张应变进行调整，以提供有效的光子发射或检测。但是应了解当获得较低级别的张应变时，即使当材料呈现间接带隙并且光子发射依靠高载流子注入水平时，这里讨论的结构和策略可被有利地使用。
在其它实施例中，进行图案化和蚀刻以在锗条和沿条的长度轴线相邻的施加了压应力的（如被沉积的）应力源层内制造另外的切口或断裂，将有源区域条断开成典型地在0.04至1.0微米范围内的更短的长度区段。一个这样的实施例在图10中示意出了。图10的实施方式类似于图9中示意的实施例，除了当条被进行图案化和蚀刻时，另外的图案化和蚀刻被进行以打开边缘和锗条部分102、104的之间的间隙108。
间隙108允许第一和第二应力源（上部和下部）条部分通过边松弛弹性松弛，以在锗条部分102、104内更有效地诱导张应变。当间隙被蚀刻在锗中时发生的边松弛足以在锗中沿锗筋波导或有源区域的长度轴线诱导张应变。除沿锗条的宽度轴线诱导的横向张应变之外还具有纵向张应变。此配置在锗有源区域的区段内诱导应变的双轴张力分量，这对于修改锗带结构用于减小直接跃迁的带隙是理想的。如图10中所示，压缩的氮化硅侧壁层中的另外的竖直切口可以是竖直的或切割线可与竖直成不同角度。
制造间隙之后，应力源条部分立即侧向松弛并且在锗条的剩余部分内诱导张应变。随后例如用非晶锗或多晶锗重新填充间隙不消除锗条的剩余部分中的张应变，但确实大大消除了在沿本装置的长度（或光学）轴线的锗条的不同部分之间激光器或光电检测器的波导或有源区域中的介电不连续性。这在图11中示意了，其中，非晶锗或多晶锗116、118被沉积在间隙，例如锗条部分102、104之间的间隙108内。用适当的材料重新填充该间隙恢复具有不连续张应变的激光器或光电检测器有源区域的分成区段的锗条中的连续的光学介质。
在张应变锗激光器二极管或光电检测器二极管的某些实施例中，重新填充锗有源区域的区段之间的间隙的材料116、118可以是掺杂的并且被用作二极管中的电导体。在优选实施例中，重新填充材料是n+掺杂的多晶SiGe并且用作激光器二极管中的电子发射器，侧向发射电子到p型掺杂的应变锗区域102、104内。在沉积过程中掺杂单晶锗或硅锗n型是已知的并且很容易实现。
图12-17示出了形成用于包括预期的张应变锗的系统的电学结的不同可选实施方式。半导体激光器操作的标准模式要求光子的受激发射发生在形成于两个材料区域的结处的有源区域中，一个材料区域提供空穴源，另一个材料区域提供电子源，使得空穴和电子的辐射复合发生在这两个区域的结附近。所述两个材料区域典型地分别是p型和n型半导体区域并且在它们汇合的地方形成pn结。如果既不是强p型也不是强n型的区域存在于n型和p型区域之间，则所述结被称为pin结，其中名义上未掺杂的区域被认为是“固有的”。在一些实施方式中，一个或多个未掺杂的层被提供于p型和n型层之间以形成理想的结。
在应变锗激光器中，载流子（电子和空穴）的有效辐射复合的区域优选地与锗中的最大双轴张应变的区域重合。在本装置的优选实施例中，穿过pn结的最大电流密度的区域最大程度上可能与锗中的最大双轴或单轴张应变区域重合。pn或pin结的平面可主要平行于晶圆表面或可主要垂直于晶圆表面。假设通过激活注入的施体物质（donor species）掺杂锗n型有困难，可以优选n型锗区域形成于n型掺杂状态下，或者开始晶圆（其可以是大量锗或绝缘层上覆锗）中或外延锗层中，视情况而定。p型锗区域可通过注入和激活受体物质（acceptor species）例如硼或通过p型锗区域在n型锗顶部上的外延生长而形成。可选地，所述结可通过外延生长方法而形成，从p型锗大量晶圆或绝缘层上覆锗晶圆开始并且生长n型锗层而形成外延结。
电子发射器可由与晶体锗不同的材料形成。由于不容易激活锗中的注入施体，n+掺杂的区域难以在锗中制造。沉积的电子发射器材料可是优选的，其中发射器材料可以是下述的任一：n+原位掺杂的非晶或多晶锗；n+原位掺杂的非晶或多晶硅或非晶或多晶硅锗；功函数小于4.3电子伏特的低功函数（low work function）金属；或金属和锗之间带有界面介电层的低功函数金属，介电层很薄足以允许电子电流流经。在其中锗层位于绝缘层例如隐埋氧化层（BOX）上的实施例中，到（典型的p型）锗的触头优选是彼此分开的触头。
在带有嵌入SiGe应力源的应变锗激光器，二极管或光电检测器的实施例中，如图4中和图12-17中所示，外延pn或pin结可在SiGe应力源区域形成之前被形成在锗中。在这种情况下，SiGe应力源区域可以是未掺杂的、掺杂的p型或掺杂的n型。彼此分开的电触头被制造于锗的n型和p型区域上。
绝缘二氧化硅区域可通过下述方法以自对准到硅锗（SiGe）应力源区域的方式形成。通过在沉积在锗上的氮化硅层中光刻（lithography）和（等离子）干蚀刻限定出嵌入区域的矩阵的预期图案。锗在不被氮化硅覆盖的地方被蚀刻以在锗表面上制造凹陷。通过例如化学气相沉积法（CVD）的方法，凹陷被填满外延SiGe合金。如果CVD外延工艺是选择性的，SiGe只在凹陷中不在氮化硅顶部上外延生长。如果CVD工艺不是选择性的，SiGe被沉积在所有暴露表面上，在这种情况下，随后的平坦化工艺例如化学机械抛光（CMP）被用于从氮化硅表面上除去SiGe，只留下掩膜开口中的SiGe和锗结构的凹陷内的SiGe。在此阶段，在氮化硅掩膜仍覆盖锗表面的过程中，应用氧化工艺，使得凹进的（嵌入的）SiGe的暴露表面被氧化。这在SiGe区域的顶部和自对准到SiGe区域生长了二氧化硅或硅锗氧化物的绝缘薄膜。然后，利用选择性湿蚀刻去除氮化硅，并且双轴应变的锗元件的顶部表面被暴露。同时，去除氮化硅允许来自晶圆平面中的双轴张应变的SiGe区域的应力更完全地传递到也变成晶圆平面中的双轴张应变的侧向相邻锗区域。
图12示出了用于形成一种用于光子发射器或光子检测器的张应变锗结构的一个实施方式。为了便于讨论，这种结构将参照利用平面双轴张应变、更具体地讲是直接带隙光跃迁的锗二极管激光器进行描述。本领域技术人员可以理解这种结构可以实施为简单的发光二极管而非激光器，并且，借助于适当的偏压和放大器，所示出的结构可被用作检测器例如光电二极管。如前面所讨论，适当的结包括pn结和pin结。图12如所示出的那样起始于p型锗基板120，其可以可选地是p型层位于绝缘层例如隐埋氧化层（BOX）。更进一步地，所示出的p型锗层可被安置在或硅上面或上方，所述硅包括硅电路或光学元件例如基于硅或硅氧化物结构的波导。这些用于锗基板的各式各样的改型对于图12-18所示出的其它实施方式而言是相似的，因此在对这些图进行讨论时不会重复叙述。
图12中的实施方式优选形成类似于图4所示出的结构，具有上面针对图4所讨论的应变和光学特性。在图12的实施方式中，层124固有的或略微掺杂的n型锗被以外延生长的方式沉积在p型锗基板120上，其中n型掺杂优选地在沉积过程中现场实现。掩膜，例如氮化硅掩膜，形成在固有的或略微掺杂的n型外延生长锗层上面，掩膜中的开口限定了位于固有的或略微掺杂n型外延生长锗层124上方的阵列式图案（matrix pattern）例如棋盘形图案。各区域的尺寸可以改变，同时还能实现期望的张应变，并且可以，例如，在顶部横截面中是大致正方形的，并且可以边长为约0.04至1.0微米。接下来透过锗层124蚀刻并且优选地蚀刻到p型基板120中，以在锗结构中形成相应的开口或凹槽的阵列。通过在氮化硅掩膜中的开口限定的p型锗层120和固有的或略微掺杂n型锗层124中的开口中的选择性化学气相沉积，硅锗区域126优选地被以外延生长的方式形成。在图示的例子中，硅锗区域可以是非掺杂或固有的。如果硅锗区域126不被选择性沉积或有其它优先方面的考虑，化学机械抛光可被实施以去除多余的硅锗。接下来，暴露的硅锗优选通过将表面暴露于氧化环境而被氧化，以形成绝缘性硅锗氧化物结构128。优选地，氮化硅掩膜层随后被去除。
如前面所讨论，在锗区域附近和周围形成硅锗区域可产生双轴张应变硅锗区域，这种区域又会在锗区域124中诱导平面双轴张应变。优选地，双轴张应变足以引起锗区域的这些部分成为直接带隙，从而它们可被泵浦和高效地产生光学输出。这些双轴张应变锗区域124可随后被用作激光器增益区域的部件。硅锗区域126继而也位于激光器增益区域中，并且不对光学输出作出贡献。触头被形成于固有的或略微掺杂n型锗区域上。例如，n型掺杂非晶或多晶硅锗或n型掺杂锗的层122可被提供以在n型锗区域124上形成触头。类似地，p型掺杂非晶或多晶硅锗的区域129可被提供，以在基板或基本p型锗区域120上形成触头，或者其它方法例如金属插头可被使用。进一步的过程优选地被执行以提供若干反射镜，以限定出围绕应变锗至少一部分的谐振器或激光器腔，从而双轴张应变锗区域可提供激光器行为。
图13示意出了用于提供大体上与图4和12所示类似的结构的不同过程。图13中类似的结构采用与图12中所用相同的附图标记表示。这里，过程起始于p型锗基板或层120，其被图案化并且通过形成具有开口阵列的氮化硅掩膜而被蚀刻，接下来干式（等离子）蚀刻以形成凹槽。硅锗区域126被现实，优选地通过选择性化学气相沉积，以形成平面张应变区域，锗基板120的剩余部分在硅锗区域126之间向上延伸。位于硅锗区域下面的锗基板120的一部分受到平面压应变。硅锗区域126的暴露表面被氧化，然后氮化硅掩膜被去除。强n型掺杂非晶、多晶或晶体硅或硅锗或锗被适宜地沉积和图案化以形成示于图13的层结构139。在硅锗区域126之间限定出的阵列式图案中，掺杂层139与锗层120的表面接触。氧化的硅锗层128将硅锗区域126与掺杂层139分开，从而来自掺杂层139的掺杂剂不会扩散到硅锗区域126中。结构被加热，例如通过快速加温退火，以将n型掺杂剂从强n型掺杂层139扩散到锗120的表面中，以在阵列式图案中形成浅n型区域134，还在同一阵列式图案中形成若干结。所产生的结构可被用在二极管、激光器或检测器中，如前所述。此外，所产生的结构将具有应变分布并且因此能够产生宽度发射。对于激光器应用，反射镜可被使用，以从所述宽带发射选择期望的波长，有利地提供一定范围的可能增益和输出波长。对于检测器或二极管，可以临近于发射或检测区域形成滤波器，以选择发射或检测波长。
图14示意出可被用于发射或检测光子的张应变锗结构的另一改型。图14中的结构和过程类似于所示出的并且参照图12所描述的那些，因而不再重复详细描述。图12和14中基本相似的结构被赋予相同的附图标记。图14中的结构被形成在高度p型掺杂锗基板140上。外延生长p型掺杂锗142的层被沉积在更重的掺杂p型锗基板上。接下来执行例如前面参照图12所描述的过程。所产生的图14中的结构的特性类似于图12中的结构，但具有导电性更强的p型基板，从而串联电阻更小且光子发射和检测装置大体上更为高效。
图15示出了图4中的平面双轴张应变锗结构的另一实施方式。基板150是p型锗，其通过氮化硅或其它掩膜被图案化，以限定出阵列形式的应力源位置。向p型锗基板150中蚀刻形成阵列形式的凹槽，在其中硅锗以外延生长的方式被沉积，优选地利用选择性化学气相沉积，形成双轴张应变硅锗156。硅锗区域156被氧化以形成硅锗氧化物区域158。p型锗基板的表面部分155接下来通过从周围硅锗区域156施加的力被双轴张应变，以上面所讨论的方式。去除氮化硅掩膜使得能够实现更完全的应变传递。在图15的过程中，电子发射器材料159被沉积和图案化，如所示出的。沉积的电子发射器材料可能是优选的，以提供更高导电率或更高设计灵活性。适当的发射器材料可以是任何下述材料：n+原位掺杂非晶或多晶锗；n+原位掺杂非晶或多晶硅或非晶或多晶硅锗；低功函数金属；或带界面介电层的低功函数（low work function）金属，该界面介电层足够薄从而使得金属和锗之间能够导电。
在图15的配置中，用于发射器例如激光器的优选的辐射复合主要发生在p型锗基板的上部双轴张应变部分155中。
图16示出了图15中的配置的改型，其中氧化物区域未被形成在硅锗区域156上面，并且电子发射器层169被形成为直接接触硅锗区域156。图16中的配置的其它方面与上面参照图15所讨论的那些及其过程相同。
图17提供了图16中的结构的进一步改型，其中硅锗区域176在沉积过程中被掺杂，从而硅锗区域176是n型的。在这种配置中，电子可从张应变锗区域155上方的电子发射器层169入射和从围绕区域155的硅锗区域176横向入射。n型硅锗区域176增加了电子向辐射复合区域中的发射，特别是向应变锗区域155的更高应变区域的发射，从而提高了光子发射过程的效率。对于检测器的实施方式，示于图17的结构提供了更大的用于集中产生光子的电子空穴对的结区域，以提供更高效的检测器结构。示于图12-17的结构使得光子能够利用类似结构进行发射和检测，使得能够利用至少一些公共工艺步骤而总体上更简单的地在相同基板（晶圆）上构建发射器例如二极管或激光器以及检测器例如光电二极管。
图4和12-17中所示的优选实施例围绕平面双轴应变锗区域布置四个硅锗嵌入应力源区域。在包括一定数量的根据这些实施例的双轴应变锗区域的阵列中，嵌入硅锗区域可以临近于多个锗区域。位于至少两侧并且优选地四侧锗区域的张应变硅锗区域优选地在锗区域中诱导双轴应变。在一些实施方式中，硅锗区域不实质上连接于相邻（最邻近的）硅锗区域。硅锗应力源区域可具有正方形、矩形、带圆角或圆形横向横截面。在这些（非连续应力源）实施例的特定优选实施方式中，每个对置嵌入硅锗应力源区域之间锗区域的横向尺寸中的宽度（或等价长度）小于400纳米，更优选地小于100纳米。优选地，张力硅锗区域中的硅成分为20%和100%之间的硅，更优选地，在40%硅和60%硅之间。本发明的优选实施例可被事实为具有大致100%锗区域（对于给定的沉积环境，包含的硅可达到可被测量的程度），但应当理解，在以后的实施方式中锗区域可能具有某些程度的硅或碳，也在本发明披露的原理内。
图18示意出图12-17所示优选实施例的结构和过程，其中一个或多个离散的锗柱被形成和嵌入到接下来沉积的硅锗应力源层中。总体而言，通过光刻或任何其它图案化方法提供掩膜，图18中的结构被形成在锗基板上，以限定出彼此隔离的锗柱的位置和延伸程度。图案化和蚀刻限定出锗柱的横向延展尺寸。蚀刻深度限定出柱高度。各个柱在横向上相互隔离，但优选不与锗基板下面隔离，从而相邻柱共享公共的锗区域或基板。这些柱的高度可以例如在剩余锗区域或基板上方大约20纳米和400纳米之间，更优选地，大约40纳米和100纳米之间。锗柱可具有正方形、矩形、带圆角或圆形横向横截面，并且优选横向尺寸大于20纳米且小于200纳米，更优选横向尺寸在30纳米和100纳米之间。优选地，锗柱被形成在规则阵列，例如“棋盘形”图案，其中各个柱彼此分开均匀的x和y间距。
在形成了锗柱阵列后，接下来通过围绕柱沉积硅锗层而制造出图18中的结构。硅锗被沉积在锗基板的表面上，从而硅锗将处于张应变状态。优选地，张应变硅锗层中的硅成分在20%和100%硅之间，更优选地，大约40%硅和60%硅之间。如前面参照图12-17所讨论，硅锗沉积过程可以选择性地执行，或者可以先被执行、然后多余的硅锗可被去除，例如通过化学机械抛光。如前面还描述过的，张应变硅锗层在锗柱中诱导横向双轴张应力，优选达到引起直接光跃迁为双轴应变锗柱的最低带隙的程度。参照图12-17显示并且描述的更具体的制造和结构方案可被实施于示于图18的锗柱的几何形状和配置。在图18中，表示了根据本发明一个实施例的应变锗激光器的有源区域的一部分，通过蚀刻到锗层180中并且利用承受张应力的材料充填蚀刻沟槽，例如利用外延生长硅锗如区域184所表示，多个柱区域182被形成为图案化阵列。在这里展现的特定例子中，围绕每个锗柱的沟槽被有意地相互会合，以使得承受张应力的沟槽充填材料形成一个连续区域184。
当然，也可以将叠加应力源层（例如，平面双轴压应力的氮化硅）与嵌入应力源（例如，平面双轴张应力硅锗）组合至双轴张应变锗。优选地，叠加应力源层具有开口，其中嵌入应力源被形成从而其覆盖将被应变的锗区域。还优选地，在应变锗被形成之后叠加应力源被去除。
本发明在进一步的改进中提供了下述可能性，即有意地将光学上活性的高发射性应变锗柱或翅片（例如图18中的区域182）定位在沿激光器谐振腔主光学轴线的专门确定位置，对应的间距等于腔的谐振光学模式的波长的一半。也就是说，一排或若干排光学活性锗元件可以优先以激光器腔期望的光学模式的波长的一半的间距分隔。这使得能够通过在一些位置消除（避免）应变锗区域而最优化腔中的光放大和最小化再吸收（光学损耗），这些位置是不对光放大有贡献的位置，并且只会造成电学和光学能量损失。
在张应变半导体（例如，锗）的本体中制造发光二极管或激光器或光电检测器使得包含光发射器、光学耦合器、波导和光电检测器的整个光子学系统能够被组合和集成在同一半导体（例如，锗）层内。在要求光发射或检测时，半导体通过局部张应变半导体（例如，锗）呈现出差异，应变引起光学半导体（例如，锗）带隙缩窄，并且半导体的带隙变为更加直接。在不需要光发射或检测时，半导体不承受有意的张应变，并且带隙保持较宽和间接。不需要光发射或检测的光学部件的例子包括波导和光学耦合器，并且优选地，对应于这种电路部件的半导体（例如，锗）区域不被有意地应变。在一个优选实施例中，半导体是锗，并且在有源光电装置例如激光器、发光二极管或光电检测器被制造的位置处锗被局部双轴张应变。在一个优选实施例中，双轴张应变等于或大于大约2%，在有源光电装置内的锗区域中以足够的比例以实现期望的有源光电装置功能，可能是光子发射或光子检测。有源光电装置区域优选地与无源光电装置区域区别主要在于张应变的程度，次要区别在于有源材料的组成成分。传统光子集成电路仅仅或主要利用组成成分的变化来区域有源和无源光电装置。
在传统基于磷化铟的光子集成电路的例子中，无源波导为磷化铟层，并且有源部件包括有源层，该有源层包括砷化铟镓或砷化铟镓-磷化铟多量子阱。光由砷化铟镓发射，由于其化学成分，而非由于材料内应变，砷化铟镓是光学活性的直接带隙半导体材料。这里，发射光的材料是由与波导材料并不相同的材料。一般而言，发光材料通过外延生长或通过结合方法被添加到波导材料中，主论哪种方法都能制造出激光器。本发明的优选方面至少部分地通过施加应变而改变材料的光学特性，方便了将同一材料用作发射器或检测器和用作波导。
一般而言，将由光发射器、调制器、波导和检测器组成的光学网络组装在一起会将各部件在三维上和角度上以非常高度的控制和精度对正。将波导光学轴线与检测器轴线对正的一个典型的有益效果是能够获得至少50至80%的传输率，这对于高斯光束轮廓来说需要将0.1μm量级的波导横截面尺寸的约10%以上对正。这典型地需要付出很大工作才能完成，要使用有源或无源对正方案。结果，生产率和成本因素使得各部件的光学网络化远比半导体集成电路昂贵。已经有且还会有很多努力试图发现低成本的集成组装方案。本发明的各方面可被用于限制组装和对正因素。体现了本发明各方面的系统的光学方面的一种典型构建程序源于在集成电路制造中已经使用过的一些步骤。采用这些现有技术提供了这样的可能性，即用于实现生产率提高和成本降低的成熟方法可被用于光学互连、通信或其它系统。
在单一半导体层中制造集成光学（光子学）系统源于前沿微电子器件制造中目前采用的先进生产线工艺：湿式清理，第四族元素（硅，锗或它们的合金）外延生长，沉积介电薄膜，通过光刻图案化，和通过适宜的湿式和干式蚀刻消减材料，然后是CMP，以及各式各样的步骤来掺杂和实现与光学系统电部件点接触。结合、III/V或II/VI族复合半导体异质外延或沉积非第四族材料，不论是结晶的还是非结晶的，可以补充到这里讨论的光学系统的各方面中，但不是实现集成光子系统的必要特征。一种在半导体晶圆上制造集成光子系统的优选方法对光学部件对正的要求可能很低，不要求自对正。
在一个优选实施例中，本发明提供了一种光学系统，其中至少一些并且在特别优选实施方式中包含发射器、波导和检测器的所有部件由基本相同元素（例如，锗）制成，其中材料被局部应变，并且选择性地以这样的方式，即变为光学活性的，仅在系统设计师要求的地方具有对应于直接带隙半导体频带结构的频带结构，也就是，在激光器的增益介质内，在发光二极管内或在光电检测器内。优选的是，在侧向上部分地由低介电常数材料限定的波导，具有包含一个或多个双轴应变锗区域的增益区域的发射器例如激光器，以及包括一个或多个双轴应变锗区域的检测器例如光电二极管，其中波导、发射器和检测器的有源区域彼此自对正。
在描绘于图12-17的实施例中，如前面所讨论，发射器层叠加应变锗区域可被掺杂非晶或多晶锗或硅或硅锗合金。在这样的实施例中有益的是为发射器层选择厚度和横截面几何形状以使得光强度分布（模式场图案）部分地包含在锗层中且部分地包含在发射器层中，目的是最大化光强度分布的重叠和光学活性双轴应变锗柱或翅片区域体积。锗的双轴应变区域可以位于锗的波导结构的上部。本领域技术人员可设计总体结构以将具有最大光学强度的光学模式与锗的最高应变区域重合。通过这种方式，在应变锗区域中激励发射的光的放大被最优化。这个优选实施例描绘于图19，其中激光器形成在被蚀刻到锗层190中的筋状波导192中。筋在各相邻侧被低介电率介电材料例如氧化硅区域194和196包覆。硅锗张应力源区域被标识为197，并且硅锗应力源之间的柱状锗是双轴应变和光学活性的，以提供辐射复合和激励发射光。发射器区域198以这样的图案被形成在锗筋的发激光区域上面，即可选地重叠在低介电率区域194和196上。在激光器本体内，光学强度分布优选在筋内对中在锗柱的高双轴应变区域，如虚线199所示，该虚线表示锗激光器内的模式场图案。在进一步的改进中，发射器区域198沿锗筋轴向在背离发激光区域的方向上被形成斜面或缩减厚度而形成楔形，以使得光学强度分布（模式场图案）重新定位回到锗筋波导本体中。在这种情况下，除了其中存在光学活性装置例如激光器或光电检测器的部位外，多晶发射器材料不重叠于锗波导。
可以理解，示于图19的结构可在图19中标识为199的大致区域内容纳其它示于图4和12-17的发射器结构，具有类似的操作和优点。此外，大致示于图19的结构还可以被用于提供检测器。光学信号被产生于发射器或激光器区域199，并且传播通过楔形结构而进入筋波导192。这些光学信号可由作为电学总线到光学总线处理结构一部分的硅处理器或存储器电路中的激励电路产生，从而光学信号携带来自处理器或存储器电路的数据。光学信号传播通过筋波导192到达相邻或远离的检测器位置，其中光学信号可被转化成电信号，以便进一步在处理器中处理，存储在存储器或其中期望的过程中。检测器可通过楔体例如示于图19的楔体198被连接到筋波导，并且进入具有双轴张应变锗翅片或柱的区域，构造为示于图4和12-17并且如前所述的检测器。优选地，每个发射器和检测器的有源区域与筋波导自对正且彼此对正。
通过提供光学平面例如锗层，处理器内的电路可被连接到在处理器的分隔部分或远程部分中的电路。处理器中的激励电路并行地输出一组数据到发射器例如激光器的匹配阵列。每个激光器可以具有示于图19的配置，并且产生利用激励电路的输出进行调制后的光学输出，该激励电路耦合到筋波导阵列中。并行传递通过相应筋波导阵列的信号被提供到如前所述具有双轴张应变锗翅片或柱的检测器的相应阵列。检测器阵列的输出被提供至激励电路，该激励电路将回收的信号提供至电学总线，以将信号在处理器内分配。
图20示出了组合有前面讨论的应变锗增益结构之一的激光器的另一配置。如图所示，应变锗结构202，例如任何前面讨论的优选地具有通过结构202的至少一部分呈现的足够张应变的锗，被提供而与光学结构200接触。例如，光学结构200可以是用于激光器的波导或光学腔，具有反射镜204、206形成在光学结构200的相对两侧表面上。光学结构可以例如是硅波导、硅氧化物波导或其它用于激光器腔的适当结构。位于光学结构任一端的反射镜204、206例如可以是分布式布拉格反射器，其结构和制造是众所周知的。在所示出的配置中，各种激光器模式中的一种可以耦合到通过区域的增益而被放大的结构202的应变锗部分中。结构200和202之间的耦合可以例如是消散波耦合（evanescent coupling）。优选通过耦合于相邻增益介质的模式实现足够的增益以向激光器腔提供增益。其它用于激光器结构的配置也可使用，包括那些具有直接形成在应变锗结构上的反射镜的结构。各种反射镜，包括反射或局部反射表面。可被使用，如本领域所知。类似的方案可被用于提供波导和光电二极管结构之间的消散波耦合，如前面示出和讨论的，以提供用于受引到光学信号的有效的检测器。
前面针对一些优选实施例描述了本发明。本领域技术人员可以理解，在不脱离本发明披露内容的前提下，可以对特定优选实施例做出修改和替换。因此，本发明不应认为局限于所描述的特定优选实施例，相反本发明在权利要求中被限定。

Claims (18)

1.一种光学装置，包括：
第一和第二锗区域，所述第一锗区域与第一应力源相接触从而所述第一锗区域至少在所述第一锗区域的第一部分中具有双轴张应变，所述第二锗区域与第二应力源相接触从而所述第二锗区域至少在所述第二锗区域的第二部分中具有双轴张应变；
光学元件，其限定出穿过所述第一和第二锗区域的光学路径；
定位在所述第一锗区域的第一部分内或附近的结，所述结具有第一多数载流子型的第一侧和第二多数载流子型的第二侧；以及
第一和第二触头，分别耦合到所述结的第一侧和所述结的第二侧。
2.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一锗区域至少在所述第一锗区域的一部分所具有的双轴张应变足以导致所述第一锗区域的第一部分具有直接带隙。
3.如权利要求2所述的光学装置，其中，所述第一和第二张应力源是硅锗。
4.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述光学元件包括限定出激光器腔的第一反射镜和第二反射镜。
5.如权利要求4所述的光学装置，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜形成在所述激光器腔的端面上，并且，所述激光器腔通过消散波耦合光学耦合于所述第一和第二锗区域。
6.如权利要求4所述的光学装置，其中，所述激光器腔至少部分地布置在波导中。
7.如权利要求4所述的光学装置，其中，所述激光器腔至少部分地布置在硅或二氧化硅波导内。
8.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述应力源区域包括施加了压应力的材料。
9.如权利要求8所述的光学装置，其中，所述应力源区域包括氮化硅。
10.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一和第二应力源定位在所述第一锗区域的相反两侧。
11.如权利要求1所述的光学装置，其中，第一和第二应力源定位在锗翅片的一侧，还有第三和第四应力源定位在锗翅片的相反侧，并且，所述锗翅片包括所述第一锗区域的第一部分。
12.如权利要求11所述的光学装置，其中，所述锗翅片的厚度在大约40纳米和80纳米之间，所述锗翅片的宽度小于一微米，并且，所述应力源是氮化硅。
13.一种制造光学装置的方法，包括：
提供基板，其具有锗区域；
向锗区域中蚀刻出开口；以及
在这些开口中形成应力源区域，以产生围绕所述锗区域的第一部分的嵌入应力源区域图案，其中，所述锗区域的第一部分中具有平面双轴张应变。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述锗区域是锗层，其与基板其它部分通过绝缘层分开。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述方法形成至少四个具有双轴张应变的附加锗区域部分。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一和附加锗区域部分中的双轴张应变足以至少在锗区域部分的一些部位中提供直接带隙。
17.如权利要求13所述的方法，还包括形成激光器腔，从而在所述激光器腔中放大的光穿过所述锗区域的第一部分。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所述应力源区域是硅锗。
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