CN117595071A - 层状结构 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种层状结构(200、300)，包括：衬底(110)，包括p型半导体材料；在衬底(110)上的多个半导体层(120)，包括至少一个p‑on‑n结；以及隧道结层(130)，在该衬底(110)和该多个半导体层之间。

Description

层状结构
技术领域
本申请涉及一种层状结构以及制造层状结构的方法。
背景技术
层状半导体结构通常由堆叠外延生长的多个层形成。可以使用诸如化学气相沉积(CVD)、金属有机CVD(MOCVD)、金属有机气相外延(MOVPE)和分子束外延(MBE)之类的多种方法来生长层状结构。通常，在衬底上逐层生长多个层。衬底和层通常包括半导体材料。然而，其他材料也可以被包含在层状结构中。
在衬底上生长层以形成层状结构，其可以被称为晶片。随后可以将晶片制造成电子或光子器件，诸如晶体管、发光二极管(LED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、边缘发射激光器和光检测器之类。
为衬底和为晶片的每个层选择的具体材料可以影响随后从晶片制造出的器件的特性。由于III-V族材料所呈现的一些期望的品质，III-V族半导体材料越来越多地用在用于器件制造的晶片中。通常，III-V族半导体材料按层生长在III-V族半导体衬底上。
发明内容
此外，还探索了在IV族半导体衬底上生长III-V族半导体层。这种层状结构组合可以利用III-V族半导体材料所呈现的一些期望的特性的优势，同时还利用了已用IV族半导体材料(诸如Si和Ge之类)开发的充分发展的互补金属氧化物半导体(CMOS)制造技术。
在IV族半导体衬底上的III-V族半导体材料的组合可以被所使用的材料的晶格常数影响。例如，诸如GaAs和AlAs之类的III-V族半导体材料具有与IV族半导体材料Ge相对相似的晶格常数。因此，在Ge衬底上生长GaAs和AlAs层可以导致外延生长的层状结构，该层状结构可以表现出期望的低应变特性。然而，将理解的是，这是合适的III-V族半导体材料和IV族半导体衬底的一种示例组合，并且本领域技术人员将理解的是，可以使用其他材料组合来形成层状结构。
由诸如外延生长的晶片之类的层状结构制造的许多器件包括p-on-n结结构。例如，VCSEL通常包括n型反射器、在n型反射器上的p型反射器以及位于n型反射器和p型反射器之间的有源层。n型反射器和p型反射器的配置形成p-on-n结。
用于形成包括p-on-n结的器件的层状结构因此可以包括包含p-on-n结的多个半导体层。在这种层状结构中，通常对衬底进行n型掺杂。相对于位于衬底上的p-on-n结的n型部分，n型衬底可以充当低电阻材料。接触因此可以形成在n型衬底上以将电流施加到器件，该接触是低电阻的以及本质上可以是欧姆的。因此，在n型衬底上形成欧姆接触可以导致具有低电阻和低损耗的器件。
然而，在一些材料中，衬底的欧姆接触可能是有挑战的。在一些材料中，衬底材料中可能出现费米能级钉扎效应，这意指在衬底上不容易形成欧姆接触。使用这种衬底材料可能增加器件的电阻和可能导致增加的损耗。此外，使用这种衬底可能涉及精细和限制性的解决方案以在衬底上制造合适的接触。针对n型Ge衬底已观察到费米能级钉扎效应。这个效应因此限制了诸如n型Ge衬底之类的衬底用于生长使用III-V族半导体材料的器件的用途。
本公开的目的是排除或消除与现存技术相关联的上述缺点中的至少一些缺点。
根据第一方面，提供了一种层状结构，包括：衬底，该衬底包括p型半导体材料；在衬底上的多个半导体层，该多个半导体层包括至少一个p-on-n结；以及隧道结层，在该衬底与该多个半导体层之间。
在一些示例中，p型衬底材料可以不遭受费米能级钉扎效应，而等效的n型衬底材料可能遭受费米能级钉扎效应。观察到的是，p型Ge不遭受费米能级钉扎效应，而n型Ge遭受费米能级钉扎效应。因此，在一些示例中，p型等效材料可以更容易地形成欧姆接触。这样，p型半导体材料可以导致欧姆接触被制造在衬底上。然而，如上所述，一些层状结构包括p-on-n结，诸如在用于形成VCSEL的层状结构中。在这种层状结构中，p-on-n结的n型层可以与p型衬底形成n-on-p结。这个n-on-p结因此可以在与层状结构的半导体层的p-on-n结相反的方向上。p-on-n结的(一个或多个)n型层和p型衬底之间的n-on-p结因此可以形成电压势垒，从而抑制由层状结构制造的器件的导电。在一些示例中，p型衬底和(一个或多个)n型半导体层之间的n-on-p结甚至可以形成进一步抑制导电的整流二极管。
根据本公开的示例，隧道结层因此被包括在层状结构中，在衬底和多个半导体层之间。隧道结层可以使得电荷载流子能够隧穿可以存在于p-on-n结的(一个或多个)n型层和p型衬底之间的势垒。这样，隧道结层可以导致具有低损耗的器件并且可以使得能够实现与衬底的欧姆接触。
在一些示例中，隧道结层可以包括n-on-p隧道结。有利地，n-on-p隧道结使得电荷载流子能够隧穿可以存在于p-on-n结的n型层和p型衬底之间的势垒，由此导致具有低电阻和低损耗的器件。
在一些示例中，n-on-p隧道结的n型半导体隧道层可以包括通过从多个半导体层到隧道结层的扩散而形成的扩散层。在一些示例中，n-on-p隧道结可以通过在衬底上生长p型半导体层以及在p型半导体层上生长多个半导体层来形成。在这样的示例中，由于p型半导体层的掺杂，n型原子可以从半导体层向p型层扩散，由此形成n-on-p隧道结的n型层。有利地，这导致具有减少的处理步骤的制造方法，其转而可以减少处理时间。
在一些示例中，衬底的p型半导体材料可以包括Ge。有利地，p型Ge可以形成与接触材料的欧姆接触，以及可以用作用来生长具有低应变特性的III-V族半导体材料层的平台。
在一些示例中，隧道结层可以包括Ge。有利地，包含Ge的隧道结层可以具有相对于衬底和多个半导体层的期望的晶格常数，其可以用于形成具有低应变特性的层状结构。
在一些示例中，隧道结层可以包括第一材料，以及其中衬底可以包括该第一材料。有利地，包括与衬底相同的材料的隧道结层因此可以容易地以低应变生长在衬底上，从而导致具有期望的低应变特性的层状结构。
在一些示例中，隧道结层可以与衬底相邻。有利地，直接在衬底上生长隧道结层可以导致具有期望的低应变特性的层状结构。
在一些示例中，层状结构还可以包括在衬底和隧道结层之间的一个或多个缓冲层。有利地，一个或多个缓冲层可以减轻表面污染物对衬底的影响并光滑衬底的形貌，从而进一步导致具有期望的低应变特性的层状结构。
在一些示例中，至少一个p-on-n结可以包括n型半导体层、p型半导体层以及在n型半导体层和p型半导体层之间的一个或多个中间半导体层。有利地，一个或多个中间半导体层可以使得器件能够执行给定的功能。
在一些示例中，一个或多个中间半导体层可以包括用于发射或吸收光的有源层。有利地，层状结构因此可以用于形成用来发射或吸收光的器件。
在一些示例中，n型半导体层可以与隧道结层相邻。有利地，隧道结层可以使得电荷载流子能够隧穿在p-on-n结的n型半导体层和p型衬底之间的势垒。
在一些示例中，至少一个p-on-n结可以包括n型反射器和p型反射器。有利地，n型反射器和p型反射器用于形成具有低电阻和低损耗的器件。
在一些示例中，多个半导体层可以包括III-V族半导体材料。有利地，层状结构因此可以用于形成利用III-V族半导体材料的期望特性的器件。
在一些示例中，层状结构可以形成以下之一：发光二极管(LED)；垂直腔表面发射激光器(VCSEL)；边缘发射激光器；和光检测器。有利地，LED、VCSEL、边缘发射激光器或光检测器可以包括具有低电阻和低损耗的器件。
根据本公开的另一方面，提供有一种制造层状结构的方法，包括：在衬底上形成隧道结层，其中衬底包括p型半导体材料；以及在隧道结层上生长多个半导体层；其中生长多个半导体层包括生长至少一个p-on-n结。有利地，层状结构可以导致具有低损耗的器件以及可以实现到衬底的欧姆接触。
在一些示例中，生长隧道结层可以包括形成n-on-p隧道结。有利地，n-on-p隧道结使得电荷载流子能够隧穿可以存在于p-on-n结的n型层和p型衬底之间的势垒，由此导致具有低电阻和低损耗的器件。
在一些示例中，形成隧道结层可以包括生长隧道结层，以及形成n-on-p隧道结可以包括在衬底上生长p型半导体层以及在p型半导体层上生长n型半导体。有利地，生长p型半导体层和n型半导体层可以导致具有受控厚度和电阻特性的均匀n-on-p隧道结。
在一些示例中，形成n-on-p隧道结可以包括在衬底上生长p型半导体隧道层，以及在p型半导体隧道层上形成n型半导体隧道层可以包括将n型材料从多个半导体层扩散到隧道结层。在这样的示例中，由于p型半导体层的高掺杂，n型原子可以从半导体层朝向p型层扩散，由此形成n-on-p隧道结的n型层。有利地，这导致具有减少的处理步骤的制造方法，其转而可以减少处理时间。
在一些示例中，p型半导体材料可以包括Ge。有利地，p型Ge可以与接触材料形成欧姆接触，并且可以用作用来生长具有低应变特性的III-V族半导体材料层的平台。
在一些示例中，隧道结层可以包括Ge。有利地，包括Ge的隧道结层可以具有相对于衬底和多个半导体层的期望的晶格常数，其可以用于形成具有低应变特性的层状结构。
在一些示例中，隧道结层可以包括第一材料，以及其中衬底可以包括该第一材料。有利地，包括与衬底相同的材料的隧道结层可以容易地以低应变生长在衬底上，从而导致具有期望的低应变特性的层状结构。
在一些示例中，隧道结层可以与衬底相邻。有利地，直接在衬底上生长隧道结层可以导致具有期望的低应变特性的层状结构。
在一些示例中，生长至少一个p-on-n结可以包括：生长n型半导体层；在n型半导体层上生长一个或多个中间半导体层；以及在一个或多个中间半导体层上生长p型半导体层。在一些示例中，生长n型半导体层、生长一个或多个中间半导体层以及生长p型半导体层包括通过外延生长。有利地，一个或多个中间半导体层可以使得器件能够执行给定的功能。
在一些示例中，生长至少一个p-on-n结可以包括生长n型反射器和生长p型反射器。有利地，n型反射器和p型反射器用于形成具有低电阻和低损耗的器件。
根据本公开的另一方面，提供有一种层状结构，包括：衬底，该衬底包括p型半导体材料；一个或多个半导体层，该一个或多个半导体层用于形成器件；以及隧道结层，该隧道结层在该衬底与该一个或多个半导体层之间。有利地，层状结构可以导致具有低损耗的器件以及可以使得能够实现到衬底的欧姆接触。
附图说明
为了更好地理解这些技术，以及为了示出如何可以将其付诸实施，现在将通过示例的方式参考附图，其中：
图1是层状结构的示意性截面；
图2是层状结构的示意性截面；
图3是层状结构的示意性截面；
图4是图示了用于制造层状结构的方法的流程图。
具体实施方式
外延或外延的意指通常经由高温沉积的材料的晶体生长。外延可能受到分子束外延(MBE)工具的影响，其中层在超高真空环境中在加热衬底上生长。元素源在炉中被加热，并在没有载气的情况下被引导向衬底。元素成分在衬底表面反应以产生沉积层。在生长下一层之前，每一层都被允许达到其最低能量状态，使得在层之间形成键合。外延也可以在金属有机气相外延(MOVPE)工具中执行，该工具也被称为金属有机化学气相沉积(MOCVD)工具。使用载气(通常是氢气)使化合物金属有机源和氢化物源流过加热表面。相比MBE工具，外延沉积发生在高得多的压力下。化合物成分在气相中裂解，然后在表面反应以生长期望组成的层。根据本文示例的层状结构可以通过外延来生长。
沉积意指将层沉积在另一层或衬底上，其涵盖外延、化学气相沉积(CVD)、粉末床沉积和在层中沉积材料的其他已知技术。
包括来自周期表III族的一种或多种材料与来自V族的一种或多种材料的化合物材料被称为III-V族材料。这些化合物具有第III族和第V族的1：1组合，而无论来自每组的元素的数量如何。化合物的化学符号中的下标意指该元素在该族中的比例。因此Al0.25GaAs意指III族部分包括25％的Al，和因此75％的Ga，而V族部分包括100％的As。
晶体意指具有单个晶体取向的材料或层。在外延生长或沉积中，具有相同或相似晶格常数的后续层遵循先前晶体层的对准(registry)，并且因此以相同的晶体取向生长。本文使用的“面内”意指平行于衬底的表面；面外用于意指垂直于衬底的表面。
在整个本公开中，如本领域读者将理解的，晶体取向<100>意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，<001>涵盖[001]和[00-1]，除非材料极性是关键的。任何一个或多个指数的整数倍等效于该指数的一元版本。例如，(222)等效于(111)，与(111)相同。
衬底意指其上可以沉积或生长后续层的平面晶片。衬底可以由单一元素或化合物材料形成，并且可以是掺杂的或未掺杂的。例如，衬底可以包括硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、硅锗(SiGe)、硅锗锡(SiGeSn)、磷化铟(InP)和锑化镓(GaSb)。
衬底可以是同轴的，也就是说其中生长表面与晶面对准。例如，它具有<100>晶体取向。本文中对给定取向的衬底的提及还涵盖朝向另一结晶方向错切达20°的衬底，例如朝向(111)面错切的(100)衬底。垂直或面外意指在生长方向上；横向或面内意指平行于衬底表面并垂直于生长方向。
掺杂意指层或材料含有小杂质浓度的另一种元素(掺杂剂)，其从母体材料中给予(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。具有额外电子的掺杂材料被称为n型，而具有额外空穴(电子较少)的掺杂材料被称为p型。
晶格匹配意指两个晶体层具有相同或相似的晶格间距，并且因此第二层将倾向于在第一层上同构生长。晶格常数是晶体晶胞的无应变晶格间距。晶格重合意指晶体层具有是或接近前一层的整数倍的晶格常数，使得原子可以与前一层对准。晶格失配意指两个相邻层的晶格常数既不是晶格匹配也不是晶格重合的情况。这种失配将弹性应变引入到结构中，尤其是第二层中，因为第二层采用第一层的面内晶格间距。在第二层具有较大晶格常数的情况下，该应变是压缩的；在第二层具有较小晶格常数的情况下，该应变是拉伸的。
在应变太大的情况下，结构进行弛豫以最小化通过缺陷产生的能量，通常是位错(被称为滑移)，或额外的间隙键合，其中的每一个都允许层朝向该层的晶格常数恢复。由于大的晶格失配或由于许多层上的小失配的累积，应变可能太大。弛豫层已知是变性、不连贯、不相称或松弛的，这些术语通常也可以互换。
在描述器件时，应当理解的是，其通常被形成在4”(100mm)、6”(150mm)、8”(200mm)、12”(300mm)或更大直径的圆形衬底晶片上。在生长、沉积、键合和其他制造步骤之后，通过将晶片和层切成适当尺寸的器件(芯片)来分离器件。通常，从单个晶片上切出数十、数百或数千个器件。
在本说明书中，“顶部”意指层或层状结构的上表面，并且通常指具有用于进一步沉积(例如用于形成器件的中间层或半导体层)的合适表面处理(surface finish)的表面。“底部”意指层或层状结构的下表面，并且意指抵接前一层或衬底的表面，或衬底的背面。一般地，外延沉积是通过将衬底放入合适的机器中并按顺序将层添加到衬底的顶表面而发生的。因此，衬底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”意指层状结构的具有顶表面和底表面并且在生长方向上具有均匀厚度的平面部分。其横向范围通常与其上方和下方的层的横向范围相匹配。层还可以包括在各部分之间具有间隙的分离部分，其使用掩模或通过随后的选择性蚀刻形成，然而其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。层可以具有整体均匀的材料特性，或者可以具有在层的厚度上(即在从底部到顶部的生长方向上)变化的分级或阶梯的材料特性。
图1图示了已知的层状结构100，该层状结构100包括衬底110和在衬底110上的多个半导体层120。在一些示例中，层状结构100可以用于形成器件。在图1的图示示例中，层状结构100可以用于形成VCSEL。
多个半导体层120因此可以包括由多个下反射器层124形成的下反射器122。下反射器122可以生长在衬底110上。下反射器层124可以包括形成反射器对的两种材料的交替层。下反射器122可以是分布式布拉格反射器(DBR)。在一个示例中，下反射器122的镜子对可以包括III-V族半导体材料，诸如GaAs和AlAs之类。
多个半导体层120还包括在下反射器122上生长的有源层126。有源层126可以是体材料，诸如包括高达5％氮原子浓度的稀氮化物材料之类。有源层126可以包括诸如AlInGaP之类的半导体材料。或者，有源层126可以包括量子阱或量子点。有源层126通过注入VCSEL中的电子和空穴的复合来产生和发射光子。可以选择材料和形式，即体、量子阱或量子点，以产生期望的输出波长、功率或高温性能。在一些示例中，期望的输出波长可以在约800nm和约1600nm之间。
在其他示例中，可以形成包括用于吸收光的有源层的层状结构。在这样的示例中，期望的吸收波长可以在约800nm和约1700nm之间。
有源层126还可以包括氧化子层，该氧化子层被氧化以提供孔径来引导电荷载流子和用于发射光。氧化子层可以具有高铝含量，使得该子层以比其他层以更快的速率被氧化。
多个半导体层120还包括在有源层126上生长的上反射器128。以与下反射器122类似的方式，上反射器128包括镜子对中的交替材料层。以与下反射器122类似的方式，上反射器128的镜子对可以包括III-V族半导体材料，诸如GaAs和AlAs之类。因此，上反射器128还可以包括DBR。
在一个示例中，上反射器128可以包括20对反射器对，以及下反射器122可以包括30对反射器对。以这种方式，上反射器128可以比下反射器122更透明。上反射器128还可以允许至少一些光穿过上反射器128。以这种方式，多个半导体层120可以形成顶发射VCSEL。因此，多个半导体层120还可以包括在上反射器128上的覆盖层129。覆盖层129对于发射的光可以是透明的，以便不阻碍光发射。
尽管图1中未示出，但是可以在层状结构100上形成接触以将电流施加到由层状结构100形成的器件。在一些示例中，可以在衬底110上形成一个接触和可以在覆盖层129上形成另一个接触。
下反射器122可以是掺杂n型的以及上反射器128可以是掺杂p型的。这样的掺杂取向对于顶发射VCSEL来说是常见的。在一些示例中，在下反射器122主要由诸如GaAs和AlAs之类的III-V族半导体材料形成的情况下，下反射器122可以是添加了Si、Te、S和Se中的一者或多者的n型掺杂。在一些示例中，在上反射器128主要由诸如GaAs和AlAs之类的III-V族半导体材料形成的情况下，上反射器128可以通过添加C、Zn、Mg和Be掺杂为p型。
由于下反射器122和上反射器128的掺杂，两个反射器因此形成p-on-n结，其中有源层126在下反射器122和上反射器128之间。如上所述，许多层状结构可以包括用于器件制造的p-on-n结结构。由于p-on-n结结构，衬底110因此可以是n型掺杂的，以充当耦合到n型下反射器122的低电阻接触材料。
如上进一步所述，有兴趣的是在衬底110中使用IV族半导体材料用于以层状结构生长III-V族半导体材料层。在一个示例中，衬底110可以包括Ge。Ge(300K处晶格常数为)、GaAs(300K处晶格常数为/>)和AlAs(300K处晶格常数为/>)的晶格常数是相对接近的。因此，有兴趣的是在Ge衬底上生长GaAs和AlAs层，因为这可以导致具有期望的低应变特性的层状结构。
由于许多层状结构的p-on-n结构，衬底110通常是n型掺杂的。IV族半导体衬底(诸如Ge之类)可以通过添加V族材料(诸如P、As和Sb之类)掺杂为n型。然而，如上所述，由于这些材料中可能发生费米能级钉扎效应，欧姆接触一些衬底材料(诸如n型Ge之类)可能是挑战性的。使用诸如n型Ge之类的衬底用于生长III-V族半导体层因此可能导致器件具有相对高的电阻和增加的损耗，并且这可能涉及在衬底上制造合适的接触的精细和限制性的解决方案。
图2图示了根据本公开的示例的层状结构200。层状结构200包括与上面参照图1描述的层状结构100相同的元件。这些元件用相应的附图标记来标记，并且可以以与上面描述的基本上对应的方式操作。
层状结构200包括p型掺杂的衬底110。一些p型衬底可以不遭受费米能级钉扎效应，该费米能级钉扎效应可能存在于它们的n型等效物中。一个这样的示例是p型Ge衬底。因此可以在p型Ge衬底上制造接触，该接触是低电阻的以及本质上是欧姆的。IV族半导体衬底(诸如Ge之类)可以通过添加III族材料(诸如Al、Ga和In之类)掺杂为p型。
层状结构200还包括隧道结层130。隧道结层130包括p型层132和p型层132上的n型层134。隧道结层130因此包括通过形成p型层132和n型层134而产生的n-on-p隧道结。在一些示例中，p型层132和n型层134可以分别重掺杂为p++和n++。
如上所述，n-on-p结可以形成在p型衬底110和包括在多个半导体层120中的p-on-n结的n层之间。这样的n-on-p结可以发生在图1中所示的层状结构100的下反射器122和衬底110之间。这样的p-on-n结可以增加电阻和损耗，如上所述。
层状结构200因此包括衬底110和多个半导体层120之间的隧道结层130。因此，隧道结130可以使得电荷载流子能够隧穿在p型衬底110和多个半导体层120的n型下反射器122之间的势垒，由此减少电阻和损耗。
在一些示例中，隧道结层130可以通过在衬底110上外延生长p型层132以及在p型层132上外延生长n型层来形成。以这种方式，可以形成厚度为约10nm的相对薄的隧道结。
在一些示例中，可以通过在衬底110上外延生长p型层132来形成隧道结层130。随后可以在p型层134上生长多个半导体层120。在一些示例中，由于p型层132的高p++掺杂，这可能导致n型原子从多个半导体层120中的半导体层扩散到与p型层130相邻的区域。n型原子向邻近p型层132的区域的扩散因此可以有效地形成邻近p型层132的n型层134，由此形成隧道结层130。在这样的示例中，n型层134可以包括通过从多个半导体层120中的半导体层扩散而形成的扩散层。在这样的示例中，其中n型层134通过扩散形成，隧道结可以是相对厚的以及可以包括约0.3μm的厚度。
在一些示例中，隧道结层130可以由与衬底110相同的材料形成。例如，衬底110可以包括Ge，以及隧道结层130的p型层132和n型层134可以各自包括Ge。
如图2中图示的，隧道结层130与衬底110相邻。然而，在其他示例中，一个或多个缓冲层可以存在于衬底110和隧道结层130之间。在一些示例中，一个或多个缓冲层可以减轻表面污染物对衬底110的影响和使衬底110的形貌平滑，由此导致具有期望的低应变特性的层状结构200。
如图2中图示的，下n型反射器122与隧道结层130相邻。因此，在一些示例中，多个半导体层120的p-on-n结的n型层可以与隧道结层130相邻。在其他示例中，一个或多个缓冲层可以存在于下n型反射器122和隧道结层130之间。因此，在一些示例中，一个或多个缓冲层可以存在于多个半导体层120的p-on-n结的n型层和隧道结层130之间。
图3图示了根据本公开的示例的层状结构300。层状结构300包括与上面参考图1和图2描述的层状结构100、200相同的元件。这些元件用相应的附图标记来标记，并且可以以与上面描述的基本上对应的方式操作。
层状结构300还包括制造在衬底110上的第一接触层140。层状结构300还包括制造在覆盖结构129上的第二接触层150。第二接触层150包括第一接触节点152和第二接触节点154。
如上所述，多个半导体层120可以用于形成VCSEL。因此，经由接触层140、150向VCSEL施加电流可以导致被注入到VCSEL中的电子和空穴在有源层126中复合，从而导致从VCSEL的顶侧发射光160。在一些示例中，光可以包括约800nm和约1600nm之间的波长。
P型衬底110可以由不遭受费米能级钉扎效应的材料形成，诸如p型Ge之类。因此，第一接触层140可以容易地以欧姆性质接触p型衬底110，而不需要使用精细或限制性的制造方案。因此，到p型衬底110的欧姆接触可以减小在衬底110和第一接触层140之间耦合的电阻，从而导致减小的电阻和减小的损耗。此外，隧道结层130的存在使得电荷载流子能够从p型衬底110隧穿至多个半导体层120的半导体层。隧道结130因此进一步减小电阻和损耗。
图4是图示了根据本公开的示例的用于制造层状结构的方法400中的处理步骤的流程图。方法400因此可以用于制造如上所述的层状结构200、300中的任一者。
该方法包括，在第一步骤410中，在衬底上形成隧道结层，其中衬底包括p型半导体材料。如上所述，一些p型衬底可以使得能够在衬底上制造欧姆接触。在一些示例中，p型半导体材料可以包括Ge。
该方法还包括，在第二步骤420中，生长多个半导体层；其中生长多个半导体层包括生长至少一个p-on-n结。在一些示例中，生长多个半导体层可以包括外延生长多个半导体层。
在一些示例中，生长隧道结层可以包括形成n-on-p隧道结。在一些示例中，形成n-on-p隧道结可以包括生长隧道结层，以及形成n-on-p隧道结包括在衬底上生长p型半导体层和在p型半导体层上生长n型半导体层。在一些示例中，生长隧道结层可以包括外延生长隧道结层。外延生长n-on-p隧道结可以允许对n-on-p隧道结的高水平控制，从而产生具有完好特性的n-on-p隧道结。例如，n-on-p隧道结可以是相对薄的以及可以是约10nm。
在一些示例中，形成n-on-p隧道结包括在衬底上生长p型半导体隧道层和在p型半导体层上形成n型半导体隧道层，在p型半导体层上形成n型半导体隧道层包括将n型材料从多个半导体层扩散到隧道结层。在这样的示例中，层状结构的形成可以更快，因为可以不需要在隧道结上生长n型半导体的步骤，因为n型层可以通过从多个半导体层扩散来形成。然而，在这样的示例中，隧道结层可以是相对厚的以及可以是约0.3μm。
上面的公开已基本上呈现了根据本公开的示例的用于形成VCSEL的层状结构。因此，VCSEL可以包括至少一个p-on-n结，其包括n型反射器、p型反射器以及在n型反射器和p型反射器之间的有源层。然而，在其他示例中，根据本公开的示例的层状结构可以形成另一器件，其中层状结构包括至少一个p-on-n结。所述器件可以包括以下之一：LED、边缘发射激光器和光电检测器。
根据本公开的这种层状结构的p-on-n结因此可以包括n型半导体层和p型半导体层。在一些示例中，p-on-n结可以包括在n型半导体层和p型半导体层之间的一个或多个中间半导体层，诸如有源层之类。
应当注意的是，上面提到的实施例说明了而不是限制了该思想，并且本领域技术人员将能够设计许多替代实施例而不背离所附权利要求的范围。词语“包括”不排除权利要求中列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一(a/an)”不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列出的多个单元的功能。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。

Claims (15)

1.一种层状结构，包括：
衬底，所述衬底包括p型半导体材料；
在所述衬底上的多个半导体层，所述多个半导体层包括至少一个p-on-n结；和
隧道结层，所述隧道结层在所述衬底和所述多个半导体层之间。
2.根据权利要求1所述的层状结构，其中所述隧道结层包括n-on-p隧道结。
3.根据权利要求2所述的层状结构，其中所述n-on-p隧道结的n型半导体隧道层包括通过从所述多个半导体层到所述隧道结层的扩散而形成的扩散层。
4.根据权利要求1所述的层状结构，其中所述衬底的p型半导体材料包括Ge。
5.根据权利要求1所述的层状结构，其中所述隧道结层包括Ge。
6.根据权利要求1所述的层状结构，其中所述隧道结层包括第一材料，以及其中所述衬底包括所述第一材料。
7.根据权利要求1所述的层状结构，还包括在所述衬底和所述隧道结层之间的一个或多个缓冲层。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的层状结构，其中所述至少一个p-on-n结包括n型反射器、p型反射器以及用于在所述n型反射器与所述p型反射器之间发射或吸收光的有源层。
9.根据权利要求8所述的层状结构，其中所述n型反射器与所述隧道结层相邻。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的层状结构，其中所述多个半导体层包括III-V族半导体材料。
11.一种制造层状结构的方法，包括：
在衬底上形成隧道结层，其中所述衬底包括p型半导体材料；和
在所述隧道结层上生长多个半导体层；其中生长所述多个半导体层包括生长至少一个p-on-n结。
12.根据权利要求11所述的方法，其中生长所述隧道结层包括形成n-on-p隧道结。
13.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述隧道结层包括生长所述隧道结层，以及形成所述n-on-p隧道结包括在所述衬底上生长p型半导体层和在所述p型半导体层上生长n型半导体层。
14.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述n-on-p隧道结包括在所述衬底上生长p型半导体隧道层和在所述p型半导体隧道层上形成n型半导体隧道层，在所述p型半导体隧道层上形成n型半导体隧道层包括将n型材料从所述多个半导体层扩散到所述隧道结层。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，其中生长至少一个p-on-n结包括：
生长n型反射器；
在所述n型反射器上生长用于发射或吸收光的有源层；和
在所述有源层上生长p型反射器。
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