CN116073232A - 层状结构 - Google Patents

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Abstract

公开了层状结构。一种层状结构包括具有第一变形的基板；此外形成器件并具有第二变形的一个或多个器件层；相对于基板是赝晶的并且具有第三变形的变形控制层。变形控制层被选择以使得第一变形、第二变形和第三变形之和与目标变形水平相匹配。有利地，层状结构具有受控的、已知的变形，该变形可以是压缩的、拉伸的或零。

Description

层状结构
技术领域
一种层状结构，特别是但不限于光电发射器或光电探测器设备。
背景技术
层状的半导体结构通常由在堆叠中外延生长的多个层形成。每个层可以是与先前的层不同的材料或组成，这引入小的晶格失配并因此引入应变。该应变在层堆叠上方累积或增加，并可能导致结构的弯曲和/或翘曲。这种弯曲和/或翘曲可能为后续层生长呈现不均匀的表面；可能导致后续层以变化的厚度生长；由于材料沉积和热传递不均匀，可能导致后续层中的不均匀的性质；并且可能增加器件制作处理的复杂性和成本。
发明内容
本发明试图解决这些缺点中的一些或全部。
本发明提供一种层状结构，包括：具有第一变形的基板；形成器件并具有第二变形的一个或多个器件层；相对于基板是赝晶的变形控制层，该变形控制层具有第三变形；其中，变形控制层被选择以使得第一变形、第二变形和第三变形之和与目标变形水平相匹配。
变形控制层被选择以平衡变形以便匹配目标变形水平是有利的，因为基板中的弯曲或翘曲可以被抵消和/或期望的变形水平可以被引入到层状结构中。可以期望的是，层状结构具有小的、受控的、凸形或凹形的变形水平，以便适应生长温度和操作温度之间的变形中的差异，或者以便优化器件制作处理。例如，可以提高制造产量和/或可靠性。
变形控制层可以用于校正生长温度下的基板的晶片弯曲和/或翘曲。有利地，在其上生长的层更均匀。变形控制层和/或层堆叠可能在其冷却至室温和/或操作温度时变形。有利地，变形中的改变是可预测的并且因此可以被设计到层结构中。
变形控制层可以位于基板和一个或多个器件层之间。有利地，变形控制层可以在生长或沉积附加层之前抵消或补偿由基板的弯曲和/或翘曲表现的一些或全部变形。附加地或可替代地，变形控制层可以抵消或补偿贯穿层结构的厚度累积的变形。附加地或可替代地，变形控制层可以施加变形，随着层结构的生长或构建，该变形被后续层抵消或补偿。
基板可以包括锗(Ge)、硅锗(SiGe)或硅锗锡(SeGiSn)。基板可以包括硅上锗(Si)、硅上锗硅或硅上硅锗锡。第一变形可以在基板的顶表面处测量，该顶表面是其他层生长的表面。有利地，基于Ge的基板在机械上比先前使用的砷化镓(GaAs)基板强，因此可以更薄，由于每个块体晶体锭可以形成更多的晶片，因此更便宜。有利地，当被实现为VCSEL时，基于Ge的基板还具有更接近后续层的晶格常数的晶格常数。
变形控制层可以包括包含磷化铟镓(InGaP)、磷化铝铟(AlInP)、砷化镓铟(InAs)、砷化镓锑(GaAsSb)、砷酸镓(GaAs)、砷化铝镓(AlGaAs)和砷化铝镓锑化物(AlGaAsSb)的组中的任何一个。有利地，可以将第三变形设计为大于或小于第一基板变形和第二器件层变形之和，使得获得目标变形水平。有利地，第三变形可以通过改变所选择的材料的组成来改变，使得对于具有不同变形的不同层状结构的生长，处理输入可以是相同的，并且对于每次生长，仅比例被改变。
变形控制层可以包括单层。有利地，变形控制层可以不显著地增加总的层状结构的高度。结合由变形控制层实现的更薄的基板，层状结构的高度相对于现有技术的层堆叠可以被减小。
变形控制层可以包括多个层。第三变形可以是多个层中的每一层的单独的变形之和。有利地，每一层可引入小的变形，但该组层的总变形可能大于单层可实现的变形。可以存在具有不同组成的两个或更多个相邻的层。有利地，所得的第三变形可以等于具有最小层高度的优选值。
可替代地，多个层可以生长或定位在层状结构内的离散位置处。因此，一个或多个其他层可以位于任何两个变形控制层之间。有利地，每个变形控制层可以被定制以补偿在其下方或上方的层中出现的变形，或以施加额外的变形。一个或多个变形控制层可以位于器件层之间。在VCSEL或谐振腔发光二极管(RC LED)中，一个或多个变形控制层可以位于下反射镜对与有源层之间和/或有源层与上反射镜或反射镜对之间。可替代地，一个或多个变形控制层可以位于反射镜堆叠内、反射镜对之间。有利地，设计参数窗口可以被增加，使得例如波长可以变化。
该变形控制层或每个变形控制层可以包括渐变的组成。它可以在其靠近基板的下表面具有第一组成，并且在其远离表面的上表面具有第二组成。渐变可以是线性的、二次的、受高阶多项式函数、对数支配或受任何其他函数支配。可替代地，渐变可以是阶梯式的或以其他方式表示从第一组成到第二组成的非平滑过渡。有利地，渐变的组成减少了层之间的突变应变界面的可能性，该突变应变界面可能作为弛豫的成核点并因此创建位错。
目标变形水平可以是非零的。有利地，变形控制层可用于引入限定的变形水平以满足诸如客户要求之类的要求。目标变形水平可以是一个范围。有利地，该范围可以表示处理容许限制。
变形控制层的晶格参数可以大于基板的晶格参数，导致净压缩应变并因此产生凸变形。有利地，这可以用于补偿或抵消层结构中的其他地方的拉伸应变。
可替代地，变形控制层的晶格参数可以小于基板的晶格参数，导致净拉伸应变并因此产生凹变形。有利地，这可用于补偿或抵消层结构中的其他地方的压缩应变。
器件层可以包括具有相反作用变形的多个子层，这些变形的和为第二变形。因此，第二变形是来自多个子层的所得的变形。器件层可以形成VCSEL或RC LED。多个子层可以包括反射镜对和有源层。在反射镜对中，反射镜对中的一个表现出压缩变形，而另一个表现出拉伸变形。反射镜堆叠的总变形是子层的变形之和。
在层堆叠的所描述的层之间可以存在一个或多个附加层。例如，可以在基板和变形控制层之间存在一个或多个层；可以变形控制层与一个或多个器件层之间存在一个或多个层；或者可以在基板和一个或多个器件层之间存在一个或多个层。在所描述的层上方(远离基板)可以存在附加层，诸如接触层、形成第二设备的层、保护层和/或缓冲层。
本发明还提供了一种包括如所描述的层状结构的光电发射器；包括如所描述的层状结构的光电探测器；或包括如所描述的层状结构的组合的光电发射器和光电探测器。有利地，发射或探测到的光的性能通过层状结构中受控的、已知的变形水平被改善。因此输出功率增加。有利地，因为应变改变带隙，所以发射的波长也可以通过变形控制层来控制。此外，提高了器件的产量和可靠性。
本发明还提供了一种制作层状结构的方法，包括以下步骤：在基板上生长赝晶的变形控制层，该变形控制层具有第三变形并且该基板具有第一变形；在变形控制层上生长一个或多个器件层以形成器件，这些层具有合计的第二变形；其中，变形控制层被选择以使得第一变形、第二变形和第三变形之和与目标变形水平相匹配。
有利地，该方法导致具有受控的、已知的变形的层状结构。有利地，变形可以是压缩的、拉伸的或零。有利地，基板可以比现有技术的层状结构薄，因为它只需要支撑其他层而不需要抵消或补偿在这些层中的引起的变形。
本发明还提供了一种制作层状结构的方法，包括以下步骤：在基板上生长一个或多个器件层，该基板具有第一变形并且这些层具有合计的第二变形；在器件层上生长赝晶的变形控制层，该变形控制层具有第三变形；其中，变形控制层被选择以使得第一变形、第二变形和第三变形之和与目标变形水平相匹配。
有利地，该方法导致具有受控的、已知的变形的层状结构。有利地，变形可以是压缩的、拉伸的或零。有利地，基板可以比现有技术的层状结构薄，因为它只需要支撑其他层而不需要抵消或补偿在这些层中的引起的变形。
还可以存在在变形控制层上生长一个或多个更多的器件层以形成器件的步骤。有利地，变形控制层可以在层状结构内的任何地方并实现这些优点。
一个或多个器件层可以在第二处理、反应器、工具或机器中外延地或以其他方式沉积、接合或溅射。例如，一方可以在基板上制造变形控制层和可选的一个或多个附加的器件层，然后第二方可以在不同的处理和/或不同的机器中沉积、接合、溅射或以其他方式施加一个或多个附加层。
变形控制层和/或器件层可以外延地生长。有利地，变形控制层可以被引入该方法中，而不需要部分形成的层状结构被移出到外延工具之外。有利地，引入缺陷的机制被最小化。
附图说明
将参照附图通过示例的方式更全面地描述本发明，其中：
图1是根据本发明的层状结构的示意性截面；
图2是各种材料的晶格常数与带隙的图；
图3是根据本发明的层状结构的示意性截面；
图4是根据本发明的层状结构的示意性截面；
图5是根据本发明的层状结构的示意性截面；
图6是根据本发明的层状结构的示意性截面；
图7是根据本发明的层状结构的示意性截面；
图8是根据本发明的层状结构的示意性截面；
图9是根据本发明的层状结构的示意性截面。
具体实施方式
外延或外延的是指材料的结晶生长，通常经由高温沉积。外延可以在分子束外延(MBE)工具中实现，其中层在超高真空环境中在加热的基板上生长。元素源在熔炉中加热，并在没有载气的情况下朝向基板引导。元素成分在基板表面反应以创建沉积层。在下一层生长之前，每个层被允许达到其最低能量状态，使得在层之间形成键。外延也可以在金属有机气相外延(MOVPE)工具-也称为金属有机化学气相沉积(MOCVD)工具中执行。使用载气(通常为氢气)使复合金属有机物和氢化物源在加热的表面上方流动。外延沉积在比MBE工具中高得多的压力下发生。复合成分在气相中被破坏，然后在表面反应以生长所期望的组成的层。
沉积是指层在另一层或基板上的沉积。沉积涵盖外延、化学气相沉积(CVD)、蒸发、粉末床沉积和用来在层中沉积材料的其他已知技术。
包括来自元素周期表的III族的一种或多种材料与来自V族的一种或多种材料的复合材料被称为III-V材料。这些化合物具有III族和V族的1:1组合，而不管来自每个族的元素数量如何。化合物的化学符号中的下标是指该元素在该族中的比例。因此，Al0.25GaAs是指III族部分包括25％Al，因此75％Ga，而V族部分包括100％As。
结晶是指具有单晶取向的材料或层。在外延生长或沉积中，具有相同或类似晶格常数的后续层遵循先前结晶层的记录(registry)，因此以相同的晶体取向生长。本文中使用的平面内用于意指平行于基板的表面；平面外用于意指垂直于基板的表面。
如本领域技术人员将理解的，贯穿本公开，晶体取向<100>是指立方晶体结构的面并且涵盖使用米勒指数的[100]、[010]和[001]取向。类似地，<0001>涵盖[0001]和[000-1]，除非材料极性是临界的。任何一个或多个指数的整数倍数等效于指数的单位版本。例如，(222)等价于相同的(111)。
基板是指后续层可以在其上沉积或生长的平面晶片。基板可以由单一元素或复合材料形成，并且可以是掺杂的或未掺杂的。例如，常见的基板包括硅(Si)、砷化镓(GaAs)、硅锗(SiGe)、硅锗锡(SiGeSn)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)和锑化镓(GaSb)。
基板可以在轴上，即生长表面与晶面对齐的地方。例如它具有<100>晶体取向。本文中提及的以给定取向的基板还包括朝向另一个结晶方向错切达20°的基板，例如朝向(111)平面错切的(100)基板。
垂直或平面外是指在生长方向上；横向或平面内是指平行于基板表面并垂直于生长方向。
掺杂是指层或材料包含另一种元素(掺杂剂)的少量的杂质浓度，其从母体材料中提供(施主)或提取(受主)电荷载流子并因此改变电导率。电荷载流子可以是电子或空穴。具有额外的电子的掺杂材料被称为n型，而具有额外的空穴(较少电子)的掺杂材料被称为p型。
晶格匹配是指两个结晶层具有相同或类似的晶格间距并且因此第二层将倾向于在第一层上同构(isomorphically)地生长。晶格常数是结晶晶胞的无应变晶格间距。晶格重合是指结晶层具有是或接近于先前层的整数倍的晶格常数，使得原子可以与先前层对齐。晶格失配是两个相邻层的晶格常数既不晶格匹配也不晶格重合。因为第二层采用第一层的面内晶格间距，所以这样的失配将弹性应变引入到结构中，特别是第二层。在第二层具有较大的晶格常数的情况下应变是压缩的，而在第二层具有较小的晶格常数的情况下应变是拉伸的。
在应变太大的情况下，结构通过缺陷生长松弛以最小化能量，缺陷生长通常是称为滑移的位错或附加的间隙键，其每一个都允许层朝向其晶格常数恢复。由于大的晶格失配或由于在许多层上方的小的失配的累积，应变可能太大。松弛层被称为变质的、不连贯的、不相称的或松弛的，这些术语通常也可以互换。
赝晶(pseudomorphic)系统是单晶薄层覆盖在单晶基板上并且层和基板具有类似的晶体结构和几乎相同的晶格常数的系统。在赝晶结构中，薄层的面内晶格间距采用基板的面内晶格常数，并且因此弹性地应变，要么在层具有比基板大的晶格间距时压缩，要么在层具有比基板小的晶格间距时拉伸。赝晶结构在面外方向上不被约束，并且因此该方向上的薄层的晶格间距可能改变，以适应晶格间距之间的失配所生成的应变。薄层可以可替代地被描述为“连贯的”、“相称的”、“应变的”或“不松弛的”，这些术语通常可以互换使用。在赝晶结构中，所有层在它们各自的面内晶格间距中采用基板的晶格间距。
层可以是单片的，即贯穿包括块体材料。可替代地，对于其厚度中的一些或全部可以是多孔的。多孔层包括空气或真空孔，其中孔隙率被定义为由孔而不是块体材料占据的区域的比例。孔隙率可以通过层的厚度而变化。例如，层在一个或多个子层中可以是多孔的。层可以包括多孔的上方部分和无孔的下方部分。可替代地，层可以包括一个或多个离散的、非连续的部分(域)，这些部分是多孔的，而剩余部分是无孔的(具有块体材料性质)。这些部分在子层的平面内和/或贯穿层的厚度(在生长方向意义上水平和/或垂直)可以是不连续的。这些部分可以以规则的阵列或不规则的图案跨层和/或贯穿层分布。孔隙率在多孔区域内可以是恒定的或可变的。在孔隙率可变的情况下，孔隙率可以通过厚度线性地变化，或者可以根据不同的函数(诸如二次函数、对数函数或阶跃函数)变化。
完全耗尽的多孔层是指没有电荷载流子的层。
在本说明书中，“顶部”是指层或层状结构的上表面，并且通常是指具有用于例如中间层或器件层的进一步沉积的适合的表面光洁度的表面。“底部”是指层或层状结构的下表面，并且是指邻接先前层或基板的表面，或基板的背面。通常，外延沉积发生在基板被放置在合适的机器中并且层依次被添加到基板的顶表面的情况下。因此基板的顶部与第一层的底部相邻；第一层的顶部与第二层的底部相邻；等等。
在本说明书中，“层”是指具有顶表面和底表面的层状结构的平面部分，并且在生长方向上具有均匀厚度。它的横向范围通常将与它上方和下方的层的横向范围相匹配。层还可以包括使用掩模或通过后续选择性刻蚀形成的、在部分之间具有间隙的离散部分，尽管如此仍占据层状结构的垂直范围的限定部分并且在单个操作中沉积。层可以贯穿具有均匀的材料性质，或者可以具有贯穿层的厚度-即在从底部到顶部的生长方向上改变的渐变或阶梯式的材料性质。
现在将参照图1更具体地描述本发明，图1示出了根据本发明的层状结构10。层状结构10包括基板12。如将变得清楚的，基板12可以相对薄，因为它的目的是支撑后续层而不是抵消、补偿或校正如现有技术晶片所要求的晶片弯曲或翘曲。基板12具有第一变形，这可能是形成晶片的处理的结果。这也可能是基板12和后续层之间的不同的热膨胀系数导致当基板12被加热到用于层状结构10的层的沉积的适合温度时不同的热运动的结果。例如，基板12可能在生长和室温下经历不同的应变，并且与后续层相比，它可能以不同的速率和/或通过不同的量冷却。
层状结构10还包括器件层14。器件层14可以包括多个子层。器件层14可以形成光电探测器、光电发射器或组合的光电探测器和光电发射器。例如，器件层14可以形成微型发光二极管(μ-LED)、发光二极管(LED)、谐振腔发光二极管(RD-LED)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、边缘发射激光器(EEL)、分布式反馈激光器(DFB)或其他发光设备。可替代地，器件层14可以形成PIN二极管、光伏探测器、雪崩光电探测器(APD)、单光子雪崩光电探测器(SPAD)或其他光探测器。
器件层14具有第二变形，第二变形是其每个子层中的变形的总和。第二变形是由器件层14和基板12之间的晶格失配引起的，并且也可能是由其子层之间的晶格失配引起的。晶格参数是由原子之间的间距设置的晶胞的长度。无应变状态下的晶格参数被称为晶格常数。器件层14中的应变是晶格参数的差除以基板12的晶格参数，并表现为器件层14的变形。
图1图示了示例性VCSEL的器件层14的子层。在基板12上方生长下反射镜18，下反射镜18包括形成反射镜对的两种材料的交替的层。因此，下反射镜18是分布式布拉格反射器(DBR)。例如，反射镜对可以包括GaAs(在300K时晶格常数为
Figure BDA0003919557350000101
)和AlAs(在300K时晶格常数为
Figure BDA0003919557350000102
)，因此每个层对之间存在小的失配。下反射镜18可以例如利用n型掺杂剂被掺杂，以便传导电流。
有源层20生长在下反射镜18上方。有源层20可以是块体材料，诸如包括达5％的氮原子浓度的稀氮化物材料。可替代地，有源层20可以包括量子阱或量子点。有源层20通过注入到VCSEL的电子和空穴的再结合来生成并发射光子。材料和形式，即-块体、量子阱或量子点可以被选择以产生所期望的输出波长、功率或高温性能。
有源层20还包括氧化子层，该氧化子层被氧化以提供孔以引导电荷载流子并用于光的发射。氧化子层可具有高铝含量，使得其以比其他层快的速率被氧化。
上反射镜22在有源层20上方生长。上反射镜22也包括反射镜对中的材料的交替的层。类似于下反射镜18，反射镜对可以包括GaAs和AlAs。示例性VCSEL可以具有多达30个下反射镜对和多达20个上反射镜对，因此合计的晶格失配是相当大的，并且因此变形是相当大的。基板12可以是具有晶格常数
Figure BDA0003919557350000103
的锗(Ge)。在第一器件层14是GaAs或AlAs的情况下，因此在晶格常数之间存在小的失配，这表现为较高的器件层14的变形。上反射镜22可以例如利用p型掺杂剂被掺杂，使得它与下反射镜18相反地掺杂，以传导电流。
在上反射镜22上方可以有遮盖层24。遮盖层24可以对于发射的光是透明的，以便不阻碍其发射。
还可以在有源层20的任一侧提供用于注入电流的触点(未示出)。可以在基板12的背面或正面存在连接到基板12的底部触点。可替代地，底部触点可以是位于层状结构10中的基板12和有源层20之间的层的腔内触点。如果底部触点在下反射镜18上方，则下反射镜18不需要被掺杂。可以存在连接到层状结构10的顶部(例如连接到遮盖层24的顶部)的顶部触点。在此情况下，顶部触点包括至少与氧化的氧化子层中的孔一样大的孔，使得其不阻碍光从有源层20的发射。可替代地，顶部触点可以是位于层状结构10中的有源层20上方的腔内触点。如果顶部触点在有源层20和上反射镜22之间，则上反射镜22不需要被掺杂。
层状结构10还包括赝晶变形控制层16。变形控制层16包括与基板12不同的材料，并且因此通常具有不同的晶格常数。变形控制层16具有第三变形。它相对于基板12是赝晶的，这是指作为晶格参数失配的结果而产生的应变或变形不通过位错或额外的间隙键而松弛。因此，变形控制层16具有与基板12相同的面内晶格参数，但通过在面外方向上的变形来适应晶格失配，其中面内是指平行于基板12的平面。
变形控制层16的厚度和材料被选择以便控制层状结构10的变形。特别地，变形控制层16的变形被选择为使得第一变形、第二变形和第三变形之和与目标变形水平匹配。变形控制层16可以包括InGaP、AlInP、InGaAs、GaAsSb、GaAs、AlGaAs、AlGaAsSb、InGaAsSb、GaAsP、AlGaAsP或其他二元、三元、四元或五元III-V合金。变形控制层16可以被选择以具有大于基板12的晶格参数的晶格参数(参见图2)，以便在层状结构10中产生净压缩变形。可替代地，变形控制层16可以被选择以具有小于基板12的晶格参数的晶格参数以产生净拉伸变形。净压缩变形引起凸弯曲，而拉伸变形引起凹弯曲。
图2是绘制各种IV族和III-V二元材料的晶格常数与其带隙的图。材料对之间的线图示了晶格常数-带隙关系如何随着组成从一种材料渐变到另一种材料而变化。线21是通过作为基板12的优选材料的Ge的晶格常数
Figure BDA0003919557350000111
的垂直线。线21的左侧的材料和组成具有比Ge小的晶格常数，而线21的右侧的材料和组成具有比Ge大的晶格常数。因此，线21的左侧的材料和组成适于表现出拉伸变形的变形控制层16，而线21的右侧的材料和组成适于表现出压缩变形的变形控制层16。将从图2中的图清楚看出，一些诸如AlGaAs和InGaP之类的三元合金取决于它们的构成合金的相对比例(特别是Ga的量以及In/Ga的分别的比例)相对于Ge可以是压缩的或拉伸的。
变形控制层16可以被选择以抵消、补偿或校正在处理之前存在于基板12中的第一变形，例如由晶片的弯曲或翘曲引起的变形。有利地，这可以导致较少的基板晶片因超出弯曲和/或翘曲的容许限度而不被接受。附加地或可替代地，变形控制层16可以被选择以便在层状结构10中实现期望的总变形水平，即以便引入凸弯曲或凹弯曲。例如，针对在GaAs基板上生长的传统的层状结构设置的工艺线可以被布置成适应比Ge基板被使用时自然存在的变形水平大的变形水平。通过变形控制层16的厚度和/或材料的合适的选择，变形可以被人为地再引入，使得工艺线不需要被重新设计。
变形控制层16的厚度也可以跨层是不恒定的，或者材料组成可以跨层变化。以此方式，弯曲对生长处理的影响可以被补偿。例如，弯曲的基板12将导致后续层在厚度和/或组成和特性上不均匀，因为它们以均匀的方式跨不均匀的表面沉积。例如，层中的掺杂水平可能取决于下面的(一个或多个)层中的弯曲或翘曲的量而在不同的位置处变化。
变形控制层16可以是单层。变形控制层16可以具有渐变的组成，使得其组成和性质在与基板12相邻的表面和与器件层14相邻的表面之间改变。因为已知应变相关的缺陷从高应变区域(诸如具有不同的晶格参数的层之间的突变界面)成核和传播，所以这在电流路径中的界面处可能特别有效。可替代地，如图3所示，变形控制层16可以包括彼此相邻的两个或更多个离散层，使得在变形控制层16的第一部分16a和第二部分16b之间的材料性质中存在突然改变。可替代地，可被实现为两个或更多个离散层16a、16b，其中一个或多个变形控制层16位于器件层14内。例如，如图4所示，变形控制层16可以位于VCSEL的有源层和反射镜对之间或者反射镜对之间。
层状结构10可以通过分子束外延(MBE)或金属有机气相外延(MOVPE，也称为金属有机化学气相沉积，MOCVD)外延生长。首先基板12被放置到相关的外延反应器中。然后，变形控制层16被沉积为具有均匀性质的单层、具有不同的性质的两个或更多个离散层，或者作为随着层16的厚度增加而性质逐渐改变的渐变层。最后，器件层14在变形控制层16上方生长。有利地，变形控制层16补偿或校正基板12中的任何变形，使得器件层14在平坦的前体层上生长，导致更大的均匀性。
在另一版本的生长方法中，器件层14的一个或多个子层被沉积在基板12上。然后变形控制层16沉积在具有均匀性质的单层、两个或更多个离散层中或作为渐变层。最后，器件层14的一个或多个额外的子层在变形控制层16上方沉积。因此存在嵌入的变形控制层16。这在图4中图示出，其中层状结构10是VCSEL并且变形控制层16生长在下反射镜对18和有源层20之间。有利地，变形控制层16补偿来自基板12和器件层14的子层的合计的应变，这意味着最终的器件层14可以在平坦或相对平坦的前体层上生长，而具有更大的均匀性。
在另一版本的生长方法中，第一变形控制层16a被沉积在基板12上。然后器件层14的一个或多个子层被沉积在变形控制层16上。然后第二变形控制层16b在器件层14的一个或多个更多的子层被沉积之前被沉积。这在图5中图示。在此情况下，存在与基板12相邻的第一变形控制层16a，这可以适应或纠正超出容许限度的任何弯曲或翘曲，以及嵌入在器件层14中的第二变形控制层16b，这可以抵消在器件层14中累积的过度变形。第三变形是由第一变形控制层16a和第二变形控制层16b施加的变形之和。有利地，每个变形控制层16a、16b抵消、补偿或校正其下方的一个或多个层中的变形和/或施加在其上方的一个或多个层中被抵消、补偿或校正的变形。
在又一版本的生长方法中，第一变形控制层16a生长在基板12的一侧上作为背面涂层。背面涂层可以改善基板12的介电接触，但通常太薄而不能具有机械效应。通过在基板12上生长能够用作背面涂层的第一变形控制层16a，变形控制层16a在单层中提供了两种功能。例如，变形控制层16a可以是高导电性的，使得它执行接触功能以及变形控制。然后基板12被翻转并且器件层14和可选的第二变形控制层16b以上面讨论的任何配置生长。图6图示了第一变形控制层16a形成在基板12的下侧使得它用作背面涂层的一个示例。在图6中，第二变形控制层16b直接沉积在基板12上方并且器件层14在第二变形控制层16b上方形成。然而，在其他布置中，第二变形控制层16b可以嵌入器件层14中，或者可以存在与基板12相邻的第二变形控制层16b和嵌入在器件层14中的另一变形控制层16c。在另一布置中，存在在基板12的下侧的用作背面涂层的第一变形控制层16a但没有第二变形控制层16b。
图7是作为具有基板12、变形控制层16和器件层14的层状结构10的LED。与上述VCSEL一样，变形控制层16可以在基板12和形成在变形控制层16上方的器件层14之间。可替代地，它可以嵌入器件层14内。可替代地，它可以在基板12的下侧并且还可以用作背面涂层。如上所述，可以存在在层状结构10中的不同位置处的第一变形控制层16a和第二变形控制层16b。
在如图7所示的LED的情况下，器件层14不同于先前描述的VCSEL的那些。在基板12上或上方生长的是改善表面形态的缓冲层30。有源层32被选择以在期望的波长下再结合电荷载流子。它可以包括包含具有高达5％的氮(N)原子浓度的稀氮化物材料的块体材料。可替代地，有源层32可以包括量子阱或量子点。
在有源层32的任一侧可以是覆盖层34，覆盖层34限制电荷载流子以便增加有源层32中的光子的创建。因此，覆盖层34提高了光输出功率。覆盖层34通常具有比有源层32宽的带隙。
在上覆盖层34上方是窗口层36，窗口层36在相关的波长下是透明的以便允许光子从有源层32在期望的方向上发射。如所示地，LED是正面发射的。然而，它可以可替代地是反向发射的，在此情况下，窗口层24位于有源层32下方，并且其下方的层在相关的波长下也必须是透明的。
在窗口层36上方是涂层38，涂层38形成窗口层36的保护和/或抗反射涂层。涂层38可以包括导电的铟锡氧化物(ITO)。因此，它形成来自触点的传导路径的一部分。
触点40a、40b被施加到涂层38的顶部和基板12以便注入电荷载流子。如所示地，底部触点40b可以施加到基板12的背面。可替代地，一旦台面已通过变形控制层16和器件层14形成，底部触点40b也可以施加到基板12的正面。顶部触点40a包括允许光从有源层32发射的孔。
可替代地，触点40a、40b中的一个或两个可以被腔内接触层代替，该腔内接触层是可以从侧面而不是其顶表面或底表面接触的器件层14中间的层。触点40中的一个必须在有源层32上方并且一个在其下方。通常，腔内触点被定位成与覆盖层34相邻，要么在覆盖层34和有源层32之间，要么与覆盖层34的和有源层32相对的表面相邻。
本发明的变形控制层16也适用于谐振腔LED，谐振腔LED包括在有源层32的一侧的、通常在缓冲层30和下覆盖层34之间的反射镜，以及诸如金属片或上反射镜之类的反射顶层。
本发明的变形控制层16也适用于具有与LED相同的构造但被切割成较小的器件来使用的微型LED。因此，从单个晶片上切割出的微型LED器件比LED器件多。
图8是具有基板12的PIN二极管，例如PIN光电探测器。在基板12上或上方是第一层42，第一层42是n掺杂半导体。第一层42可以是例如由Si形成的IV族半导体或III-V半导体。在第一层42上或上方是本征层44，本征层44是本征(未掺杂)的III-V半导体。在本征层44上或上方是第二层46，第二层46是p掺杂半导体。第二层46可以是例如由Si形成的IV族半导体或III-V半导体。电荷载流子被注入或收集在用作欧姆接触的第一层42和第二层46中。光子在用作吸收层的本征层44中被吸收，并通过光吸收转化为载流子。当二极管被反向偏置时，载流子被扫入第一层42和第二层46，以创建电流。可替代地，第一层42可以是p掺杂的并且第二层46可以是n掺杂的。
变形控制层16可以被提供在PIN二极管层状结构10中的任意一对层之间。因此，如图8所示，它可以在基板12和第一层42之间；在第一层42和本征层44之间；或者在本征层44和第二层46之间。变形控制层16补偿、抵消或校正先前层中的变形和/或施加预应变以使由后续层校正或补偿的层状结构10变形。
图9是雪崩光电探测器(APD)。它与图8中所示的PIN光电探测器的类似之处在于它具有基板12、第一层42、本征层44和第二层46。第一层42和第二层46是相反掺杂的，一个是n型并且一个是p型。APD包括作为半导体的倍增层48。倍增层48可以是例如由Si形成的IV族半导体或III-V半导体。倍增层48在本征层44与以用于电流提取的层为准的第一层42和第二层46中的一个之间。它通过撞击电离来增加光电流。
变形控制层16可以被提供在APD层状结构10中的任意一对层之间。因此，如图9所示，它可以在基板12和第一层42之间；在第一层42和倍增层48之间；在倍增层48和本征层44之间；或者在本征层44和第二层46之间。变形控制层16补偿、抵消或校正先前层中的变形和/或施加预应变以使由后续层校正或补偿的层状结构10变形。
尽管基板12已被描述为Ge，但它可以可替代地包括Ge的合金，例如SiGe或SiGeSn。第一变形在基板12的顶表面测量，该顶表面是器件层14生长的表面。基板12可以包括两个或更多个离散的子层，每个子层具有不同的性质并且在子层之间在性质中有突然改变。例如，基板12可以包括Ge子层生长在其上方的SiGe子层。可替代地，基板12可以在生长方向上贯穿其厚度具有渐变的组成。例如，基板12可以在其底表面处包括SiGe，并且贯穿其厚度在组成中具有减少的Si量，直到顶表面是Ge或者是具有最少的Si的SiGe。
可替代地，基板12可以包括沉积在Si上的Ge、SiGe、SiGeSn或GaP，这形成高度压缩应变的化合物基板12。在此情况下，除上述III-V化合物之外，变形控制层16可以包括SiGe或SiGeSn。

Claims (15)

1.一种层状结构(10)，包括：
·基板(12)，具有第一变形；
·一个或多个器件层(14)，形成器件并具有第二变形；
·变形控制层(16)，相对于所述基板(12)是赝晶的，所述变形控制层(16)具有第三变形；其中，变形控制层(16)被选择以使得第一变形、第二变形和第三变形之和与目标变形水平相匹配。
2.如权利要求1所述的层状结构(10)，其中所述变形控制层(16)位于所述基板(12)和所述一个或多个器件层(14)之间。
3.如权利要求1或权利要求2所述的层状结构(10)，其中所述基板(12)包括Ge、SiGe、SiGeSn、Si上Ge、Si上SiGe或Si上SiGeSn，并且其中所述第一变形是在其他层生长的所述基板(12)的表面处测量的。
4.如任何前述权利要求中所述的层状结构(10)，其中所述变形控制层(16)包括包含InGaP、AlInP、InGaAs、GaAsSb、GaAs、AlGaAs、GaAsP、AlGaAsP、AlGaAsSb的组中的任一个。
5.如任何前述权利要求中所述的层状结构(10)，其中所述变形控制层(16)包括单层。
6.如权利要求1至5中任一项所述的层状结构(10)，其中所述变形控制层(16)包括多个层；并且其中所述变形控制层(16)在所述层状结构(10)内的离散位置处生长。
7.如权利要求6所述的层状结构(10)，其中所述变形控制层(16)中的一个或多个位于器件层(14)之间。
8.如任何前述权利要求中所述的层状结构(10)，其中所述变形控制层(16)或每个变形控制层(16)包括渐变的组成，所述渐变的组成在其靠近所述基板(12)的表面处具有第一组成，并且在其远离所述基板(12)的表面处具有第二组成。
9.如任何前述权利要求中所述的层状结构(10)，其中所述目标变形水平是非零的。
10.如任何前述权利要求中所述的层状结构(10)，其中所述目标变形水平是一个范围。
11.如任何前述权利要求中所述的层状结构(10)，其中所述变形控制层(16)的晶格参数大于所述基板(12)的晶格参数，导致净压缩变形。
12.如任何前述权利要求中所述的层状结构(10)，其中所述变形控制层(16)的晶格参数小于所述基板(12)的晶格参数，导致净拉伸变形。
13.如任何前述权利要求中所述的层状结构(10)，其中所述器件层(14)包括具有相反作用的变形的多个子层，所述相反作用的变形总计为第二变形。
14.一种制作层状结构(10)的方法，包括以下步骤：
·在基板(12)上生长赝晶的变形控制层(16)，所述变形控制层(16)具有第三变形并且所述基板(12)具有第一变形；
·在所述变形控制层(16)上生长一个或多个器件层(14)以形成器件，所述层具有合计的第二变形；
其中所述变形控制层(16)被选择以使得第一变形、第二变形和第三变形之和与目标变形水平相匹配。
15.一种制作层状结构(10)的方法，包括以下步骤：
·在基板(12)上生长一个或多个器件层(14)，所述基板(12)具有第一变形并且所述层具有合计的第二变形；
·在所述器件层(14)上生长赝晶的变形控制层(16)，所述变形控制层(16)具有第三变形；
其中所述变形控制层(16)被选择以使得第一变形、第二变形和第三变形之和与目标变形水平相匹配。
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