CN112204708A - 公共层上的光子器件和电子器件 - Google Patents

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photonic
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alscn
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M·索尔塔尼
E·M·詹贝斯
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Raytheon BBN Technologies Corp
Raytheon Co
Original Assignee
Raytheon BBN Technologies Corp
Raytheon Co
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Abstract

一种光子器件具有Al1‑xScxN和AlyGa1‑yN材料，其中，Al是铝，Sc是钪，Ga是镓，并且N是氮，并且其中，0小于x并且x小于或等于0.45，并且0小于或等于y并且y小于或等于1。

Description

公共层上的光子器件和电子器件
技术领域
本公开总体上涉及光子器件。本公开还涉及适于具有设置在公共单晶层上的光子器件和半导体电子器件的结构。本公开还涉及具有光子器件和III族-N半导体的结构。
背景技术
如本领域所已知的，光子器件用于：如同激光器一样生成光子；如同放大器、调制器、开关或电光器件一样修改光子的传播；或者，如同光子检测器一样检测光子。如本领域所已知的，这些光子器件中的许多是使用不同材料的水平设置的层的垂直堆叠层形成的，并且包括：光子波导层，光子通过所述光子波导层生成和/或传播；以及设置在所述光子波导层上的包覆层；包覆层在光子器件的操作波长下具有比光子波导层的折射率低的折射率，以将光子约束在光子波导层内并且抑制光子泄漏到光子波导层外。如本领域所已知的，集成多个光子器件的结构被称为光子集成电路(PIC)或集成光电路。
还已知的是，电子集成电路是集成了多个有源电子器件(例如，晶体管)和无源器件(例如，电阻器、电容器和电感器)的结构。因此，光子器件生成、传播和/或控制光子，而电子器件生成、传播和/或控制电子(和/或空穴)。一种理想的结构是将光子器件与电子集成器件集成在一起的一种结构，光子器件和电子集成器件都在公共单晶层上包括III族-氮化物半导体材料。
过去已经进行了许多尝试来实施III族-氮化物光子波导层/包覆层：
1-在另一纤锌矿晶体(例如，蓝宝石)、或不同于光子波导层并且具有比光子波导层的折射率低的折射率的III-氮化物晶体上外延生长光子波导层，
2-将该III-氮化物光子波导层转移并且接合到另一衬底(例如，二氧化硅(SiO2))，
3-在SiO2衬底上溅镀III-氮化物，
4-在另一晶体族材料(例如，硅)上外延生长III-氮化物光子波导层。
在上述方法中，由于晶体光子波导层是在同一族的另一晶体上生长的，因此(1)具有广泛的技术吸引力。然而，主要的挑战是光子波导层与下方的包覆层之间的晶格失配，该晶格失配导致限制光子波导层的生长厚度的高密度晶体位错的生成。虽然方法(2)可以为光子器件提供可行的平台，但是其与III族-N电子器件和电路的集成是困难的。方法(3)可以在生长方向上产生单晶材料；在横向方向上，它是非晶或多晶的，这导致相对高的损耗和电子器件集成困难。当在Si上生长III族-氮化物时，方法(4)遭受高位错密度的影响。另外，硅(Si)具有比GaN和AlGaN更大的折射率，并且因此在许多应用中它不能是用于GaN和AlGaN的有效光学包覆层。
如上所述，光子器件包括激光器和调制器，激光器和调制器包括光子波导层和包覆层。一种这样的光子调制器是III族-氮化物量子阱电光调制器(包括平面内(光平行于波导层和包覆层的平面传播)和平面外(光垂直于包覆层的平面传播)导波)，并且一种类型的激光器是III族-氮化物量子阱(平面内和平面外，或者垂直发射激光)。这些量子阱电光调制器包括光子波导层(有时也称为包括量子阱结构的光子波导层)和用于控制光子波导层内的传播模式的包覆层。为了确保光子波导层中的这种传播模式的强控制或约束，光子波导层与包覆层之间的折射率的差需要足够大；例如，＞～0.2，以便在蓝-绿波长下操作。对于基于采用氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)和/或氮化铟(InN)以及它们各自的三元或四元合金的III-氮化物材料的这种器件，使这种差最大化不幸地导致用于光子波导层的层和用于包覆的层在结构上高度失配，从而将这些层的厚度限制为比为了避免在器件中生成任何显著的晶格缺陷和位错所期望/要求的厚度薄得多。这是目前在III族-氮化物材料上构建这种器件的主要的挑战。
已经有由这些材料(包括，氮化镓(GaN)和氮化铟镓(InGaN))制成的光调制器和激光器。然而，一些主要挑战限制了它们的效率以及它们对于平面内或平面外操作的兼容性。这些挑战包括：
1-形成调制器的量子阱层的堆叠层之间的大晶格失配，这限制了层厚度的增加，并且降低了量子阱与光相互作用的效率。当要达到比蓝色长的波长(例如，绿色)时，这变得特别麻烦，达到比蓝色长的波长需要更厚的量子阱，从而绿色波长激光器和调制器中的效率可能相当快速地下降。
2-对于平面内波导调制器以及平面内激光器，对光子波导层的基本要求是具有大于包覆材料的折射率，同时与也是晶体的下方或上方包覆材料紧密晶格匹配。然而，主要的挑战是光子波导层与包覆材料之间的晶格失配，该晶格失配限制光子波导层的生长厚度以避免晶体中的位错生成的发生使调制器和激光器的整体性能劣化。
对于平面外调制器和垂直发射激光器，需要分布式布拉格反射器(DBR)层的堆叠层来垂直地约束光，层堆叠层之间的晶格失配限制了DBR层的厚度，使得增加层厚度降低了材料质量并且导致大的光学吸收和散射。因此，特别是随着操作波长的增加，制成具有期望厚度的DBR层变得相当具有挑战性。在现有技术中，由于晶格失配和DBR的有限厚度，基于III族-氮化物结构在较长波长(约500nm及以上)下制成高效激光器一直相当具有挑战性。
最近，在文献中已经在理论和实验方面研究了AlScN的一般光学和电学性质(参见M.A.Caro等人，“ScAlN的压电系数和自发极化(Piezoelectric Coefficients andSpontaneous Polarization of ScAlN)”，J.Phys.Condens.Matter27，245901(2015)；M.A.Moram等人，“ScGaN和ScAlN：新兴氮化物材料(ScGaN and ScAlN:Emerging NitrideMaterials)”，J.Mater.Chem.A 2，6042(2014)；R.Deng、S.R.Evans和D.Gall，“Al1-xScxN中的带隙(Bandgap in Al1-xScxN)”，App.Phys.Lett.102，112103(2013)；以及R.Deng、K.Jiang和D.Gall，“Al1-xScxN中的光学声子模式(Optical phonon modes in Al1-xScxN)”，J.App.Phys.115，013506(2014))。
发明内容
根据本公开，提供一种光子器件，所述光子器件包括钪。
在一个实施例中，提供了一种光子器件，所述光子器件具有光子波导层和设置在所述光子波导层上的包覆层，并且其中，所述包覆层是包括钪的材料。
在一个实施例中，所述包覆区段是包括Al1-xScxN材料的材料，其中：0＜x≤0.45。
在一个实施例中，所述光子波导层是包括AlyGa1-yN层的材料，其中，Al是铝，Ga是镓，N是氮，并且其中：0≤y≤1。
在一个实施例中，提供了一种光子器件，所述光子器件具有Al1-xScxN层和AlyGa1-yN层，其中，Al是铝，Sc是钪，N是氮，并且其中：0＜x≤0.45并且0≤y≤1。
在一个实施例中，提供了一种光子器件，所述光子器件包括：氮化铝钪包覆层。
在一个实施例中，提供了一种结构，所述结构包括：光子波导层；以及设置在所述光子波导层上的氮化铝钪包覆层。
在一个实施例中，提供了一种结构，所述结构包括：包括单晶光子波导层的层；以及设置在所述单晶光子波导层上的单晶氮化铝钪包覆层。
在一个实施例中，所述光子波导层包括III族-氮化物化合物，并且所述包覆层包括氮化铝钪。
在一个实施例中，提供了一种结构，所述结构在公共单晶结构上具有光子器件和电子器件，这种单晶结构包括：III族-N化合物和氮化铝钪层，所述氮化铝钪层对于光子器件和电子器件是公共的。
在一个实施例中，提供了一种具有HEMT和光子器件的结构，所述结构包括：III族-N层光子波导层；Al1-xScxN层，所述Al1-xScxN层设置在所述III族-N层的表面上；其中，所述HEMT包括所述Al1-xScxN层的一部分，并且所述光子波导层包括所述Al1-xScxN层的所述表面的不同部分，其中，0＜x≤0.45。
在一个实施例中，提供了一种具有电子器件和光子器件的结构，所述结构包括：III族-N层；以及在所述III族-N层的表面上的Al1-xScxN层，其中：0＜x≤0.45。
在一个实施例中，所述电子器件具有异质结，载流子在馈送到所述电子器件的控制信号的控制下，通过所述异质结通过沟道在一对区域之间传递。
在一个实施例中，所述电子器件是HEMT。
在一个实施例中，提供了一种光子集成电路平台，所述光子集成电路平台包括：Al1-xScxN的III族-氮化物层；以及AlyGa1-yN的光子波导层，其中：0＜x≤0.45并且0≤y≤1。
在一个实施例中，提供了一种III族-氮化物量子阱电光调制器，所述电光调制器包括包覆层，所述包覆层包括Al1-xScxN。
在一个实施例中，提供了一种III族-氮化物量子阱激光器，所述量子阱激光器包括分布式布拉格反射器(DBR)，这种反射器包括Al1-xScxN。
根据本公开，提供了一种光子器件，所述光子器件具有：量子阱光子波导层，其包括III族-N材料；以及Al1-xScxN包覆层，所述Al1-xScxN包覆层设置在所述量子阱光子波导层上，其中：0＜x≤0.45，所述Al1-xScxN包覆层具有比所述量子阱光子波导层的折射率低的折射率。
在一个实施例中，提供了一种III族-氮化物量子阱波导层，所述III族-氮化物量子阱波导层具有设置在所述III族-氮化物量子阱波导层上的包括Al1-xScxN的包覆层，其中：0＜x≤0.45。
在一个实施例中，提供了一种III族-氮化物量子阱电光调制器，所述III族-氮化物量子阱电光调制器具有：光子波导层；以及设置在所述光子波导层上的包覆层，所述包覆层包括Al1-xScxN，其中：0＜x≤0.45。
在一个实施例中，提供了一种光子器件，所述光子器件具有III族-氮化物量子阱光子波导层和分布式布拉格反射器(DBR)，这种DBR包括Al1-xScxN，其中：0＜x≤0.45。
在一个实施例中，提供一种光子结构器件，所述光子结构器件具有III族-氮化物量子阱光子波导层，并且Al1-xScxN包覆层设置在所述量子阱光子波导层上，其中，0＜x≤0.45并且折射率差≥～0.2，同时还提供到所述量子阱光子波导层的晶格匹配层。
在一个实施例中，提供了一种具有分布式布拉格反射器(DBR)的光子器件，所述分布式布拉格反射器(DBR)包括III族-氮化物层和氮化铝钪层的堆叠层。
发明人已经认识到，虽然III族-氮化物光子器件中的主要挑战是量子阱光子波导层与下方的包覆层之间的晶格匹配导致量子阱光子波导层的大晶体位错和低材料生长质量，但是可以通过提供AlyGa1-yN量子阱光子波导层来避免这种效应，因为这种量子阱光子波导层可以与Al1-xScxN包覆层完美地或紧密地晶格匹配，从而减小结构中的应变和对光子波导层的生长厚度的任何限制。此外，在光子器件的操作波长处，Al1-xScxN的光学折射率可以小于AlyGa1-yN的光学折射率。例如，对于x～0.1和y～0，AlyGa1-yN的折射率差比Al1-xScxN的折射率差大～0.2，这足以使AlGaN光子器件用于紫外到近红外光谱。
在本公开中，发明人因此已经认识到，具有适当材料成分的氮化铝钪(即Al1- xScxN，0＜x≤0.45)包覆可以与AlGaN光子波导层晶格匹配。在光子器件的操作波长处，Al1- xScxN(或等价地AlScN)的折射率可以小于AlGaN的折射率(约小～0.2)。并且最后，由于AlGaN和AlScN都是宽带隙材料，它们可以具有低至UV范围的光学透明性。因此，根据本公开，提供了一种光子集成电路平台或结构，所述光子集成电路平台或结构包括在AlScN包覆层上的AlGaN光子波导层，所述光子波导层适于在从UV到近红外的宽光谱范围上操作。此外，该结构使得光子器件能够与利用AlScN材料的电子器件集成，从而使宽范围的应用受益于同一微芯片上的III族-氮化物的单片电子/光子集成。
此外，利用这种布置，调制以及激光发射的效率显著增加。更特别地，一种光子器件具有夹在由周期性堆叠层GaN/AlScN包覆层区段制成的DBR包覆层之间的用于调制器或激光器的量子阱光子波导层的GaN/InGaN层(GaN/AlScN DBR层的一个堆叠层设置在量子阱光子波导层上方，并且另一个堆叠层设置在量子阱光子波导层下方)。已知Al1-xScxN包覆层区段的光学折射率可以小于量子阱光子波导层的GaN和InGaN的光学折射率，通过全内反射满足对多量子阱平面内导波调制器和多量子阱平面内发射激光器的光学模式传播控制或约束。例如，对于x～0.10-0.20，在调制器或激光器的Al1-xScxN包覆层与光子波导层(量子阱光子波导层)之间可以获得～0.2的折射率差，这足以用于在量子阱光子波导层内的可见频带(例如覆盖蓝-绿)中的大的光谱范围之上的光传播模式控制或约束。GaN与Al1-xScxN之间的晶格匹配允许DBR层的设计厚度灵活性以实现DBR层的期望厚度。这克服了为基于III族-氮化物的垂直腔激光器和调制器制成DBR的有效层的另一长期挑战。III族-氮化物光学包覆层(为氮化铝钪(Al1-xScxN，0＜x≤0.45))可以与GaN/InGaN光子波导层/包覆层晶格匹配。此外，利用这种布置，III族-氮化物量子阱电光调制器(包括平面内导波和平面外导波)和激光器(包括平面内激光发射和垂直发射激光发射)包括Al1-xScxN材料作为包覆层，以向量子阱区域(这里是GaN和InyGa1-yN量子层的堆叠层)提供较低的折射率，同时向量子阱区域提供紧密的晶格匹配，从而显著地提高调制以及激光发射的效率。
此外，利用这种布置，III族氮化物材料可以在从UV到红外的宽波长范围内起作用。此外，使用氮化铝钪(即Al1-xScxN，其中x≤0.45)的III族-氮化物光学包覆并且具有适当的材料成分使得能够与GaN/InGaN光子波导层/包覆层材料晶格匹配。更特别地，利用这种布置：
1-折射率低于GaN/InGaN并且与GaN/InGaN晶格匹配的Al1-xScxN(0＜x＜0.2)使得平面内调制器和平面内激光器能够具有期望的最佳光子波导层和包覆层厚度(例如，对于蓝绿光谱中的波长，～200nm-300nm的光子波导层厚度)。
2-与Al1-xScxN(0＜x＜0.2)晶格匹配的GaN/InGaN量子阱光子波导层具有显著减少的位错，从而导致量子阱光子波导层的效率提高。
3-在垂直调制器和垂直发射激光器中，DBR包括GaN/Al1-xScxN包覆层的堆叠层，并且这样的层可以具有更高材料层质量的期望厚度。由于GaN与Al1-xScxN之间的晶格匹配，使这成为可能，其中，0＜x＜0.2。
因此，利用这种布置，可以显著地提高光子调制器和激光器的效率。
在附图和下面描述中阐述了本公开的一个或多个实施例的细节。本公开的其他特征、目的和优点将从描述和附图以及从权利要求中显而易见。
附图说明
图1是根据本公开的光子器件的侧视图的简化概略图；
图1A是根据本公开的图1的光子器件的截面图的简化概略图，这样的截面是沿着图1中的线1A-1A截取的；
图2是示出平面内晶格常数的图，对于Al1-xScxN，aAlScN为x的函数，对于AlyGa1-yN，aAlGaN为y的函数；
图3A是根据本公开的具有y＝0的AlyGa1-yN光子波导层的光子器件的简化概略图截面图，该光子波导层设置在单晶衬底上外延生长的Al0.89Sc0.11N包覆层上，并且与Al0.89Sc0.11N包覆层晶格匹配；
图3B是示出用于500nm的操作波长的模拟图3A的GaN光子器件的光学模式的结果的图；其中光子器件的宽度和高度分别为700nm和350nm；
图4是根据本公开的光子器件的概略截面图，该光子器件具有与设置在AlyGa1-yN/GaN缓冲层上的包覆层下方的Al0.89Sc0.11N晶格匹配的y＝0的AlyGa1-yN波导层，该缓冲层外延生长在具有AlGaN成核层的SiC、蓝宝石或Si衬底上；
图5是根据本公开的具有光子器件的结构的简化概略截面图，该光子器件具有在包覆层下方的Al0.89Sc0.11N上的GaN光子波导层并且与使用相同Al0.89Sc0.11N的HEMT晶体管集成；
图5A-图5J是示出根据替代实施例的用于形成光子器件的工艺的简化概略截面图，该光子器件具有在包覆层下方的AlScN上的GaN光子波导层并且与HEMT晶体管集成；
图5J’是示出根据替代实施例的光子器件的简化截面图，该光子器件具有在包覆层下方的AlScN上的GaN光子波导层并且与HEMT晶体管集成，这样的截面是在图5I中所示的结构形成之后的公开内容截取的；
图6是根据本公开的光子器件的简化概略截面图，该光子器件具有在包覆层下方的Al0.89Sc0.11N上的GaN光子波导层并且与使用如图5中所示的相同Al0.89Sc0.11N的HEMT晶体管集成，其示意性地示出了光子器件与HEMT之间的电连接；
图7是根据本公开的一个实施例的适于与平面内调制器或平面内激光器一起使用的光子器件的简化概略等距图；
图8是根据本公开的另一实施例的适于与平面外调制器或激光器一起使用的光子器件的简化概略截面图，这种图示出了一对DBR和夹在这对DBR之间的多个量子阱；
图8A是根据本公开的另一实施例的适于与平面外调制器或激光器一起使用的光子器件的简化概略透视图，这种图示出了提供一对DBR和夹在这对DBR之间的多个量子阱的一对包覆层区段；以及
图9是根据本公开的图8的平面外调制器或激光器的DBR对和多个阱的简化的概略截面图。
在各个附图中类似的附图标记表示类似的元件。
具体实施方式
现在参考图1和图1A，示出了光子器件10，这里是光子波导，其具有：衬底11，这里是单晶衬底，例如碳化硅(SiC)；在衬底11上的AlGaN成核层/GaN缓冲层12，层12的AlGaN成核层部分用于允许其上方的GaN缓冲完全松弛。该成核层/缓冲层12适应III-N层与衬底(这里例如是SiC衬底11)的所有失配；在以下述方式形成的AlGaN成核层/GaN缓冲层12的上表面上形成的包覆层14，这里是氮化铝钪(Al1-xScxN)；以及通过外延生长形成的光子波导层16，这里是III族-氮化物单晶化合物，这里是氮化铝镓(AlyGa1-yN)，注意，0＜x≤0.45和0≤y≤1的值，如将在下面描述的，以提供氮化铝钪(Al1-xScxN)包覆层14与氮化铝镓(AlyGa1-yN)光子波导层16之间的晶格匹配；注意，氮化铝钪(Al1-xScxN)包覆层14和氮化铝镓(AlyGa1-yN)光子波导层16具有相同的纤锌矿晶体结构，并且在该结构的操作波长下，氮化铝钪(Al1- xScxN)包覆层14的折射率小于氮化铝镓(AlyGa1-yN)光子波导层16的折射率；这里，光子波导的波长在蓝-绿光谱，从而将箭头18表示的指向光子器件10的激光能量约束在氮化铝镓(AlyGa1-yN)光子波导层16内。应当注意，M.A.Moram等人在上面参考文献“ScGaN和ScAlN：新兴氮化物材料(ScGaN and ScAlN:Emerging Nitride Materials)”J.Mater.Chem.A 2，6042(2014)中已经报道了AlScN，为保持其纤锌矿结构(与其他相关的III族-氮化物材料相同的晶体结构)，钪成分低于40-50％；然而，除此之外，AlScN变为岩盐；这是一种与纤锌矿不相容的非常不同的晶体结构。光子波导层16上方的包覆区域的折射率需要小于光子波导层16的折射率。光子波导层16上方的该包覆区域可以是空气、SiO2或氮化硅，其折射率小于AlGaN光子波导层16的折射率。这里，在该示例中，光子波导层16的顶部和侧面周围的空气用作包覆层。
更特别地，现在还参考图2，示出了AlScN(x)的Sc摩尔分数和AlGaN(y)的Al摩尔分数与它们的平面内晶格常数(AlScN的aAlScN和AlGaN的aAlGaN)之间的关系。更特别地，图2是示出平面内晶格常数的图，对于Al1-xScxN(标记为A的曲线)，aAlScN为x的函数，并且对于AlyGa1-yN(标记为B的曲线)，aAlGaN为y的函数。在图中示出了aAlScN和aAlGaN轴的公共范围，以说明AlScN和AlGaN的x和y范围，该范围使得可能在AlScN与AlGaN之间发生晶格匹配。例如，对于如由标记为C的水平虚线所示的将与具有平面内晶格常数aAlGaN＝a＝3.1541的AlGaN晶格匹配的AlScN，AlGaN和AlScN的成分分别为y＝0.50，x＝0.06。
下表示出了x和y的一些示例性值，其导致基于图2的这两种材料的完美晶格匹配：
表
Al<sub>1-x</sub>Sc<sub>x</sub>N的x Al<sub>y</sub>Ga<sub>1-y</sub>N的y
0.00 0.90
0.05 0.47
0.06 0.50
0.10 0.04
这两种材料的晶格常数表达式为：对于AlScN，aAlScN＝3.111+0.744x(参见R.Deng，S.R.Evans以及D.Gall，“Al1-xScxN中的带隙(Bandgap in Al1-xScxN)”，App.Phys.Lett.102，112103(2013))，并且aAlGaN＝3.189-0.086y(参见H.Morkoc，氮化物半导体和器件手册(Handbook of Nitride Semiconductors and Devices)，第1卷：材料性质、物理和生长(Material Properties,Physics and Growth)，Wiley-VCH，德国2008)。因此，在适当地选择x和y的情况下，光子器件10的光子波导层AlyGa1-yN层16与下方的包覆Al1-xScxN层14晶格匹配。
现在参考图3A和图3B，示出了光子器件，这里是光子波导10’。这里，y＝0，GaN光子波导层16与Al0.89Sc0.11包覆层14晶格匹配。由于目前没有Al0.89Sc0.11N衬底是商业上可用的，这里，在此示例中，AlGaN成核层/GaN缓冲层生长在诸如SiC或蓝宝石的厚度约为2微米的衬底11上，如图3A所示。因此，这里AlGaN成核层/GaN缓冲层12也用作如上结合图1所述的缓冲层。从AlGaN成核层/GaN缓冲层12开始，首先在AlGaN成核层/GaN缓冲层12的顶部或上表面外延生长厚度约为1-2微米的Al0.89Sc0.11N的包覆层14。然后以光子器件10’对于可见波长到近红外波长所需的厚度(例如，约100-500nm)外延生长GaN光子波导层16。常规光刻和刻蚀可以产生光子器件10’。图3B示出了图3A所示的这种光子波导结构的模拟光学模式，以及尺寸为700nm×350nm的示例性光子器件。这里，光子波导层16的顶部和侧面周围的空气用作包覆层；注意，空气具有比光子波导层16的折射率低的折射率。GaN与Al0.89Sc0.11N之间的折射率差在操作波长下(这里为500nm)为～0.2，并且因此对于具有为图3B中的模拟考虑的标称尺寸(例如，宽度700nm和高度350nm)的光子波导，可以在光子波导层16内实现强的光学传播模式控制或约束。
图4示出了在Al1-xScxN包覆层14上具有AlyGa1-yN光子波导层16的光子波导器件结构10”的实施例的更一般情况，这里对于可见光到近红外，AlyGa1-yN光子波导层16的厚度约为100-500nm。这里，再次如在图3中那样，AlGaN/GaN缓冲层12’形成在衬底11上。然而，这里，如图所示，缓冲层12’具有下层12a、AlGaN成核层/GaN缓冲层(厚度通常大于1微米)和在AlGaN成核层/GaN缓冲层12a上外延形成的AlyGa1-yN的上薄层12b。Al1-xScxN包覆层14外延形成在AlyGa1-yN和AlGaN成核层/GaN缓冲层12’上。该上AlyGa1-yN层12b的目的是提供与Al1- xScxN包覆层14的更好的晶格匹配，并由此降低结构中的应变，该应变可能导致在Al1-xScxN包覆层14中生成位错。只有在层14的x＝0.11时，才不需要上AlyGa1-yN层12b，因为Al0.89Sc0.11N包覆层14可以生长为与AlGaN成核层/GaN缓冲层12a晶格匹配，如图2所示。此外，AlyGa1-yN层12b的Al成分可以从与层12a的GaN缓冲部分接触的层12b的底部部分处的y＝0(其为GaN)到与Al1-xScxN包覆层14晶格匹配的层12b的顶部处的y>0的某一成分渐变。图4中具有AlyGa1-yN光子波导层16的光子波导器件10”的截面可以与下方的Al1-xScxN晶格匹配。该工艺开始于SiC或蓝宝石衬底11上的AlGaN成核层/GaN缓冲层12a。如上所述，首先在AlGaN成核层/GaN缓冲层12a上生长薄的AlyGa1-yN层12b。然后生长与AlyGa1-yN层12b晶格匹配的Al1-xScxN包覆层14。最后，在Al1-xScxN层14上生长顶部光子波导层AlyGa1-yN层16。使用光刻和刻蚀来限定AlyGa1-yN光子波导层的截面，如图4所示。
注意，如果波导层是AlyGa1-yN，其中y不等于0，则包覆层14需要是Al1-xScxN，其中x不同于0.89(参见上文针对y的不同值和它们对应的x值的表)，使得这两层彼此晶格匹配。
图5是具有与HEMT晶体管22集成在公共晶体衬底11上的光子器件10”’的结构20。更特别地，光子器件10”’包括在包覆层14a下方的Al0.89Sc0.11N上的GaN光子波导层16，并且HEMT晶体管22分别包括源极电极26、漏极电极28和栅极电极30，这样的光子器件10”’和HEMT晶体管22使用相同的Al0.89Sc0.11N层14b。
现在参考图5A至图5J，描述了一种用于形成具有光子器件10””(图5J)的结构20’的方法，这样的光子器件10””具有在包覆层14A下方的Al0.89Sc0.11N上的GaN光子波导层16和电连接到光子器件10””的HEMT晶体管22’，这里光子器件10””和HEMT晶体管22’使用相同的Al0.89Sc0.11N层14b。因此，如图所示，成核层/缓冲层结构12形成在衬底11上，随后使用分子束外延(MBE)形成阻挡层部分14b，这里为ScAlN；注意，如图5A所示，ScAlN阻挡层部分14b与GaN缓冲层12之间的异质结在GaN缓冲层12中产生由虚线指示的二维电子气(2DEG)。
接下来，参考图5B，执行光子器件集成再生长工艺。使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)工艺或相关技术来形成电介质刻蚀掩模(例如SiNx，未示出)；掩模被图案化以经由光学光刻在选定区域中限定窗口，以暴露层14的表面的将形成光子器件的部分(这里是图5A中所示的结构的右侧部分)；这里通过分子束外延(MBE)执行外延再生长，以形成包覆层14a(例如，ScAlN)和波导层16(这里为GaN)，如图5C所示。然后，去除上述掩模，留下图5B所示的结构。
接下来，参考图5C，使用工艺来限定用于HEMT的欧姆接触。使用常规光刻和刻蚀技术，刻蚀阻挡层14b的选定部分并刻蚀到GaN缓冲层12的上部部分中，以在阻挡层部分14b中并进入GaN缓冲层12的上部部分形成凹槽21，以用于源极/漏极区域，如图所示。该工艺有时被称为欧姆再生长工艺，参见J.Guo等人，“再生长界面电阻为0.05Ω·mm的InAlN HEMT中的MBE-再生长欧姆(MBE-Regrown Ohmics in InAlN HEMTs With a Regrowth InterfaceResistance of 0.05Ω·mm)”，IEEE Electron Dev.Lett.,vol.33(04),pp.525，2012。这是允许我们在诸如ScAlN/GaN的材料上形成低欧姆接触电阻的工艺，在诸如ScAlN/GaN的材料中，势垒带隙太大以至于不允许常规的欧姆工艺，该常规的欧姆工艺涉及直接金属沉积和剥离Ti/Al、Mo/Al、Ta/Al以及用于势垒上的电极的相关多层金属结构，随后进行高温退火(例如T退火＞600℃)以产生低欧姆接触电阻。在该工艺中，在阻挡层部分14b的顶部上沉积电介质刻蚀掩模(例如SiNx，未示出)。使用光刻胶，对用于源极和漏极的区域进行图案化，其中首先用基于氟的刻蚀剂刻蚀SiNx，随后用基于氯的刻蚀剂刻蚀阻挡层14和GaN缓冲层12的上部部分。一旦完成该蚀刻，晶片回到MBE或MOCVD中，并且在整个晶片之上生长n++-GaN区域17的薄层，除了n++-GaN将填充其并且在侧面接触2DEG的刻蚀区域之外，该薄层将直接在SiNx刻蚀掩模的顶部上。一旦再生长完成，就进行干法和湿法刻蚀的组合以去除(剥离)电介质刻蚀掩模并且在电介质刻蚀掩模的上方再生长n++-GaN，n++-GaN成为多晶的，在源极和漏极区域中留下n++-GaN晶体再生长区域17，如图5C所示。
接下来，限定光子器件。图5C所示的结构被涂覆了光刻胶(未示出)；经由光学光刻，对光刻胶进行图案化，以限定用于形成光子器件的波导层16’的区域；这里，在该示例中，利用基于氯(Cl2)的等离子体刻蚀剂去除波导层16’的暴露部分；然后，去除掩模(光刻胶)，留下图5D所示的结构。
接下来，使用工艺来形成光子器件的顶部包覆层。使用例如PECVD、ALD或相关技术在图5D所示的结构之上沉积包覆材料层，这里例如是SiO2；利用光刻(未示出)对沉积层进行图案化，以限定用于在不需要的区域中去除顶部包覆层的区域，从而在去除光刻胶层之后，留下包覆层31，如图5E所示。
接下来，使用工艺来形成HEMT源极/漏极欧姆接触。更特别地，参考图5F，然后形成与再生长n++-GaN区域17欧姆接触的金属源极电极26和漏极电极28(图5F)。
接下来，为HEMT提供表面钝化。参考图5G，在图5F所示的结构之上沉积(这里例如经由PECVD、ALD或相关技术来沉积)表面钝化电介质(例如SiNx)层19；使用光刻胶在钝化层19中图案化出窗口，以限定用于去除不需要的表面钝化的区域；刻蚀掉不需要的钝化电介质钝化层19；以及去除停留在图5G所示的结构中的光刻胶。
接下来，使用工艺以形成HEMT的栅极电极。参考图5H，使用光刻胶(未示出)来限定穿过表面钝化电介质19的用于栅极电极的窗口；刻蚀掉电介质钝化层19的暴露部分，以暴露阻挡层14b的表面的选定部分，从而与栅极金属接触，这里例如与栅极金属肖特基接触；然后在光刻胶之上沉积栅极金属，并且通过窗口将栅极金属沉积到阻挡层14b的表面的暴露的选定部分上，以与阻挡层14b的表面接触；然后剥离光刻胶，去除其中沉积的栅极金属，留下栅极电极30，如图5H所示。
更特别地，在该示例中，通过对电子束抗蚀剂掩模(未示出)进行光刻图案化来形成栅极电极30，这种电子束抗蚀剂掩模例如为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或源极与漏极n++-GaN区域17之间的类似变体。应当理解，这里，在该示例中，栅极电极30是亚微米栅极；然而，对于较大大小的栅极，也可以利用光学光刻形成栅极30。
如上简述，掩模(未示出)在栅极区域之上具有窗口。在掩模之上沉积金属，剥离掩模以去除掩模上的栅极金属，留下栅极电极30。随后，使用例如PECVD或替代技术在如图5H所示的结构的表面之上沉积附加钝化层19’，这里例如SiNx。
接下来，使用工艺来形成用于光子器件的电极。参考图5I，使用光学光刻来对光刻胶层(未示出)进行图案化以在包覆层31上限定将形成用于光子器件的电极的选定区域；在光刻胶之上并在包覆层31上和阻挡层14b上的将形成用于光子器件的电极的选定区域上沉积金属层；然后，将光刻胶层与其上的材料部分一起剥离，留下电极32、32a和32b，产生图5I所示的结构。
接下来，使用工艺来分离HEMT和光子器件。因此，参考图5J，这里HEMT 22’和光子器件10”’由进入缓冲层12的顶部部分的沟槽50分离，如图所示，以使用光学抗蚀剂技术和如图5J所示的刻蚀或者如图5J’所示的使用离子注入到区域50中来形成一对台面结构。应该理解，可以从图5A所示的结构开始执行分离工艺。
不期望替代方法，其中图5A-图5J和图5J’中的层14a和14b首先外延生长以支持光子器件制造，并且然后随后通过常规光刻和刻蚀去除器件的HEMT部分中的14a以限定用于HEMT 22的14b。这是因为14b的所得刻蚀表面可能导致HEMT中的载流子俘获，这会影响整体RF性能和可靠性。由于III族-氮化物材料是极性材料，因此通过极化在HEMT中形成的2DEG是高度表面敏感的。因此，优选地，如图5A-图5G中所述，从较薄的阻挡层14b开始，接着仅为光子器件生长14a，来构建图5的集成器件。
图6是根据本公开的另一实施例的具有在包覆层下方的Al0.89Sc0.11N上的GaN光子波导层并且与使用相同Al0.89Sc0.11N的HEMT晶体管集成并且电连接的结构的简化截面图。这里，光子波导层16是GaN(即，y＝0的AlyGa1-yN)，可以通过从HEMT施加电压对光子波导层16进行电光调谐。GaN波导层16覆盖有顶部包覆层31材料(例如，SiO2)并且与金属电极32、32a和32b集成以在GaN波导层16中引起电光效应。顶部包覆层31将GaN波导层16与金属电极32、32a和32b光学隔离以避免GaN波导层16上的金属损耗。GaN波导层的左侧和右侧的电极32a、32b连接到电接地(未示出)，而GaN波导层16的顶部上、更特别地包覆层31的顶部部分上的中间电极32可以电连接到HEMT 22晶体管以用作光子器件的源极。因此，电极32处的电压产生在电极32与接地电极32a、32b之间通过的电场，这种电场通过波导层。
现在参考图7，示出了光子器件，这里示出了适于提供作为平面内调制器的光子器件31。注意，光子器件31可以用于激光器中；注意，平面内调制器和激光器具有类似的一般结构。从衬底11开始，AlGaN成核层/GaN缓冲层12如结合图4所述形成，首先在AlGaN成核层/GaN缓冲层12顶部上外延生长AlScN的包覆层14。这里，光子波导层16’包括形成在包覆层14上的由GaN和InzGa1-zN层组成的多个量子阱层的堆叠层，其中0＜z≤1。更特别地，量子阱光子波导层16’包括GaN和InGaN的交替层16a、16b、16c、16d、16e、16f和16g，以提供光子波导器件31的光子波导层16’；应当理解，层的数量可以与所示的不同。更特别地，在AlScN层14上的GaN的底层16a、InGaN的下一层16b、GaN的下一层16c、InGaN的下一层16d、GaN的下一层16e、InGaN的下一层16f和GaN的下一顶层16g。如图所示，第二AlScN包覆层14a形成在量子阱光子波导层16’的顶部。如图所示，一对电极40、42分别形成在AlScN层14和AlScN层14a上。这些电极40、42可以被用于从源80(图7)接收电压以泵浦光子波导层16’，并且从而在用作激光器时，在光子波导层16’内生成光子，或者电压可以被用于泵浦波导层16’，并且通过调制来自源80的控制信号，调制在光子波导层16’中生成的光子，并且然后通过波导层16’传播生成的光子。这里，光子沿平行于层16a-16g的方向传播，要注意，这里为了简单起见，仅示出了GaN/InGaN多量子阱堆叠层的量子阱层区段的两个周期性堆叠层，并且这种光子传播模式控制或约束由柱状结构52中的包覆层14和14a执行，如图所示。
现在参考图8和图8A，示出了光子器件，这里是适于提供平面外调制器的光子波导器件50。应当注意，光子波导器件50可以用作垂直发射激光器，因为如上所述，平面外调制器和激光器具有类似的一般结构。从衬底11开始，形成AlGaN成核层/GaN缓冲层12。在AlGaN成核层/GaN缓冲层上形成柱状结构52。用于光子波导器件50的光子波导层16”设置在一对DBR之间，DBR由GaN/AlScN包覆层区段14a1和14a2的周期性堆叠层提供；注意，这里，为了简单起见，仅示出了包覆层区段的两个周期性堆叠层。光子波导层16”，这里是量子阱结构16”，这里是在下DBR包覆区段14a1上连续外延生长的交替的GaN和InGaN(GaN/InGaN)层的堆叠层；以及上包覆层DBR 14a2，这里是GaN和AlScN(GaN/AlScN)层的交替层的堆叠层，该堆叠层在GaN/InGaN层的光子波导层16”堆叠层上连续地外延生长，如图9中更清楚地示出的。因此，注意，柱状结构52包括光子波导层16”，光子波导层16”具有夹在一对包覆层区段14a1、14a2之间的量子阱结构16”的GaN/InGaN层的堆叠层，包覆层区段14a1、14a2中的每一个具有GaN/AlScN层的堆叠层，从而分别提供上DBR 14a1和下DBR 14a2。
接下来，在上DBR包覆区段14a2上外延生长顶部AlScN包覆层34。随后的离子注入掺杂、光刻、刻蚀和金属化步骤将限定调制器或激光器结构。注意，柱状结构52是垂直调制器，并且可以用于形成垂直发射激光器(两者具有类似的一般结构)。三维结构通常具有柱状结构52的形状。在柱状结构52的顶部是透明电极60(使得具有垂直于柱状结构52的层的方向的光可以进入和离开柱状结构52)，并且其他电极62在柱状结构52的侧面上；更特别地，在柱状结构52外部的AlGaN成核层/GaN缓冲层12的一部分上。这些电极60、62可以用来从电源82(图8)接收电压以泵浦量子阱结构、光子波导层16”，从而在用作激光器时在光子波导层16”内生成光子，或者电压可以用来泵浦波导层16”，并且通过调制来自源82的控制信号，调制在光子波导层16”中生成的光子，并且然后通过光子波导层16”传播生成的光子。这里，如图所示，光子沿垂直于DBR 14a1、14a2的方向传播；注意，GaN/InGaN量子阱光子波导层52夹在GaN/AlScN的DBR 14a1与14a2之间，其提供用于光子波导器件50的包覆层。
注意，如上所述，包覆层14可以是AlScN或GaN。而且，位于顶部DBR 16a2正上方的顶部包覆层34可以是GaN或AlScN。为了制造的通用性，该工艺开始于SiC或蓝宝石衬底上的商用GaN模板。然后生长与GaN紧密晶格匹配的Al1-xScxN(具有合适的x成分)。然后如上所述生长DBR16a1和量子层16”。注意，AlScN顶部包覆层34为可选的。光刻和刻蚀用于限定柱状结构32。制造工艺还涉及对电极40、42进行离子注入掺杂和金属化的步骤，以限定图8A和图9中的最终结构。
现在应当理解，根据本公开的结构包括：在公共单晶结构上的光子器件和电子器件，这种单晶结构包括：III族-N化合物和氮化铝钪层，所述氮化铝钪层对于所述光子器件和电子器件是公共的。该结构可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个，以包括：其中，所述电子器件具有异质结，载流子在馈送到所述半导体器件的控制信号的控制下通过所述异质结通过沟道在一对区域之间传递；其中，所述电子器件是HEMT；其中，所述光子器件电连接到所述电子器件；其中，所述层包括GaN；其中，所述层包括AlGaN；其中，所述包覆层包括AlScN；其中，所述包覆层包括Al1-xScxN材料，其中，0＜x≤0.45。
现在应当理解，根据本公开的结构包括：HEMT和光子器件，所述结构包括：III-族N层；Al1-xScxN层，所述Al1-xScxN层设置在所述III族-N层的表面上；其中，所述HEMT包括所述Al1-xScxN层的一部分，并且所述光子器件包括所述Al1-xScxN层的表面的不同部分，并且其中，0＜x≤0.45。所述结构可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个，以包括：包括III族-N层波导层，并且其中，AlScN层提供阻挡层以形成异质结，从而为HEMT提供2DEG沟道；或包括为电子器件提供2DEG沟道的层。
现在应当理解，根据本公开的结构包括：电子器件和光子器件，所述结构包括：III族-N层；以及Al1-xScxN层，所述Al1-xScxN层设置在所述III族-N层的表面上，并且其中0＜x≤0.45。
现在应当理解，根据本公开的结构包括：单晶衬底；在所述单晶衬底上的电子器件和光子器件，在所述衬底中的为所述电子器件提供2DEG沟道的层；其中，所述光子器件具有在所述2DEG层之上的包覆层材料，并且其中，所述包覆层与所述2DEG提供层晶格匹配。所述结构可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个，以包括：其中，提供所述2DEG沟道的所述层包括GaN；其中，所述包覆层包括AlScN；其中，所述包覆层包括Al1-xScxN的材料，其中，0＜x≤0.45；其中，所述光子波导层是包括AlyGa1-yN的材料，其中，Al是铝，Ga是镓，N是氮，并且其中，0≤y≤1；其中，所述层是成核层/缓冲层；其中，所述层包括GaN；其中，所述层包括AlGaN；其中，所述包覆层包括AlScN；其中，所述包覆层包括Al1-xScxN材料，其中，0＜x≤0.45；其中，所述光子波导层是包括AlyGa1-yN的材料，其中，Al是铝，Ga是镓，N是氮，并且其中，0≤y≤1；其中，所述光子器件电连接到所述电子器件；或III族-N层波导层，并且其中，所述AlScN层提供阻挡层以形成异质结，从而为HEMT提供2DEG沟道。
已经描述了本公开的多个实施例。然而，将理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，一些修改包括改变AlxSc1-xN和AlyGa1-yN中的x和y和/或改变这些材料层的厚度以便在具体波长范围下最佳操作。此外，应当理解，短语“设置在…上”包括任何布置；例如，短语“波导层设置在Al1-xScxN包覆层上”包括波导层与Al1- xScxN包覆层之间的任何布置，包括Al1-xScxN包覆层在波导层的任何表面上，该任何表面包括例如波导层的顶表面、底表面或侧表面。因此，其他实施例也在所附权利要求的范围内。

Claims (30)

1.一种结构，包括：在公共单晶结构上的光子器件和电子器件，该单晶结构包括：III族-N化合物和氮化铝钪层，所述氮化铝钪层对于所述光子器件和电子器件是公共的。
2.一种结构，包括：HEMT和光子器件，所述结构包括：III族-N层；Al1-xScxN层，所述Al1- xScxN层设置在所述III族-N层的表面上；其中，所述HEMT包括所述Al1-xScxN层的一个部分，并且所述光子器件包括所述Al1-xScxN层的所述表面的不同部分，并且其中，0＜x≤0.45。
3.一种结构，包括：电子器件和光子器件，所述结构包括：III族-N层；以及Al1-xScxN层，所述Al1-xScxN层设置在所述III族-N层的表面上，并且其中，0＜x≤0.45。
4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述电子器件具有异质结，在馈送到所述半导体器件的控制信号的控制下，载流子通过所述异质结通过沟道在一对区域之间传递。
5.根据权利要求4所述的结构，其中，所述电子器件是HEMT。
6.一种结构，包括：单晶衬底；在所述单晶衬底上的电子器件和光子器件，在所述衬底中的为所述电子器件提供2DEG沟道的层；其中，所述光子器件具有在所述2DEG层之上的包覆层材料，并且其中，所述包覆层与提供2DEG的所述层晶格匹配。
7.根据权利要求6所述的结构，其中，提供所述2DEG沟道的所述层包括GaN。
8.根据权利要求2所述的结构，其中，包括III族-N层波导层，并且其中，所述AlScN层提供阻挡层以形成异质结，从而为所述HEMT提供2DEG沟道。
9.根据权利要求6所述的结构，其中，所述包覆层包括AlScN。
10.根据权利要求6所述的结构，其中，所述包覆层包括Al1-xScxN材料，其中，0＜x≤0.45。
11.根据权利要求7所述的光子器件，其中，所述光子波导层是包括AlyGa1-yN的材料，其中，Al是铝，Ga是镓，N是氮，并且其中，0≤y≤1。
12.根据权利要求7所述的结构，其中，所述层是成核层/缓冲层。
13.根据权利要求7所述的结构，其中，所述层包括GaN。
14.根据权利要求7所述的结构，其中，层包括AlGaN。
15.根据权利要求7所述的结构，其中，所述包覆层包括AlScN。
16.根据权利要求7所述的结构，其中，所述包覆层包括Al1-xScxN材料，其中，0＜x≤0.45。
17.根据权利要求6所述的光子器件，其中，所述光子波导层是包括AlyGa1-yN的材料，其中，Al是铝，Ga是镓，N是氮，并且其中，0≤y≤1。
18.根据权利要求1所述的结构，其中，所述光子器件电连接到所述电子器件。
19.根据权利要求6所述的结构，其中，所述光子器件电连接到所述电子器件。
20.根据权利要求18所述的结构，其中，所述层包括GaN。
21.根据权利要求18所述的结构，其中，层包括AlGaN。
22.根据权利要求18所述的结构，其中，所述包覆层包括AlScN。
23.根据权利要求18所述的结构，其中，所述包覆层包括Al1-xScxN材料，其中，0＜x≤0.45。
24.根据权利要求19所述的结构，其中，所述层包括GaN。
25.根据权利要求19所述的结构，其中，所述层包括AlGaN。
26.根据权利要求19所述的结构，其中，所述包覆层包括AlScN。
27.根据权利要求19所述的结构，其中，所述包覆层包括Al1-xScxN材料，其中，0＜x≤0.45。
28.根据权利要求2所述的结构，包括为所述电子器件提供2DEG沟道的层。
29.一种光子集成电路，包括：包括Al1-xScxN的III族-氮化物化合物材料；以及AlyGa1-yN的光子波导层，其中，0＜x≤0.45，并且0≤y≤1。
30.根据权利要求6所述的结构，包括III族-N层波导层，并且其中，所述AlScN层提供阻挡层以形成异质结，从而为所述HEMT提供2DEG沟道。
CN201980030204.0A 2018-05-11 2019-04-30 公共层上的光子器件和电子器件 Pending CN112204708A (zh)

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