TW523809B - Monolithic optical system and process for fabricating same - Google Patents

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523809 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明範_ 本專利申請於2000年7月2 1日提出美國專利申請，專利申 請案號爲09/621，779 〇 發明範疇 本發明廣泛與半導體結構和裝置及其製造方法有關，尤 其，本發明與包含光源及波導的集成單片光學系統有關。 發明背景 絕大部份的半導體離散裝置及積體電路都是以矽爲材料 所製造而成，至少在某種程度上是因爲低成本、高品質單 結晶矽基板的可用性所致。諸如所謂的合成半導體材料之 類的其他半導體材料具有物理屬性包括比矽更寬的帶隙及/ 或更高的遷移率，或是使這些材料非常適用於特定半導體 裝置的直接帶隙。可惜，合成半導體材料的成本通常高於 矽，並且在大型晶圓中，不如矽那樣容易取得。晶圓中可 取得的碎化鎵（Gallium arsenide ; GaAs)(最容易取得的合成 半導體材料）的直徑最大只有大約150毫米（mm)。相反地， 可取得的矽晶圓具有最大大約300毫米（mm)的直徑，並且 最廣泛使用的是200 mm。150 mm GaAs晶圓的成本高於對 應的矽晶圓許多倍。其他的合成半導體材料晶圓更不容易 取得，並且成本比GaAs更高。 因爲希望有合成半導體材料的特性，並且因爲通常目前 其成本高及較無法取得大容積形式，所以許多年來已嘗試 在異質基板上生長合成半導體材料薄膜。然而，爲了實現 最佳的合成半導體材料特性’需要南結晶品質的早結晶膜 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 523809 A7

例如，已嘗試在鍺、矽及各種隔離體上生長單結晶合 、，體材料層。這些嘗試尚未成功，因爲主晶與生長二 的晶格不匹.配，導致所產生的合成半導體材料薄膜的：： 品質不佳。 、'日目 广如果以低成本取得大面積高品質單結晶合成半導體材料 薄膜，則有助於以低成本在該薄膜上製造各種半導體裝置 ，其成本低於在合成半導體材料的大容積晶圓上製造此類 裝置的成本，或是低於在合成半導體材料之大容積晶圓上 此類材料的磊晶膜中製造此類裝置的成·本。此外，如果能 夠在諸如矽晶圓的大容積晶圓上實現高品質單結晶合成= 導體材料的薄膜，則可利时及合成半導體材料的特性來 實現積體裝置結構。 ”因此，需要有一種半導體結構，其能夠提供優於另一種 單結晶材料的高品質單結晶合成半導體膜，以及需要有一 種製造此類結構的方法。 這個結構及方法具有廣泛的應用。這個結構及方法的應 用I一涉及形成包含光源及波導的單片光學系統。使用這 個結構及方法將光源（如雷射或發光二極體（LED))連接至 波導以整體耦合這些裝置，藉此在單一晶片上形成更多裝 置0 圖式簡單描述 本發明將藉由實例及附圖來進行解説，但本發明未限定 在這些實例及附圖内，其中相似的參照代表相似的元件， 並且其中： -5·

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線 本紙張尺錢财國國家標準(CNS) A4規格(21〇1297土1 了 523809

A7 B7 五、發明説明（3 圖1至3顯示根據本發明各種具體實施例之裝置結構的臀 面原理圖； 圖4以圖表顯示可獲得的最大膜厚度與主晶和生長結晶覆 蓋層間晶格不匹配間的關係； 圖5顯示包括單結晶容納緩衝層之結構的高解析度透射式 電子顯微照相（Transmission Electron Micrograph)圖； 圖6顯示包括單結晶容納緩衝層之結構的χ射線繞射譜； 圖7顯示包括非結晶氧化物層之結構的高解析度透射式電 子顯微照相（Transmission Electr〇n Micr〇graph)圖； 圖8顯tf包括非結晶氧化物層之結構的χ射線繞射譜； 圖9至1 1顯tf根據本發明一項示範性具體實施例之單片 光學系統形成的斷面圖； 圖1 2顯tf根據本發明另一項示範性具體實施例之單片光 學系統形成的俯視圖； 圖13顯示根據本發明還有_項示範性具體實施例之單片 光學系統形成的俯視圖； 圖1 4顯示根據本發明還有另一項千r 貝不I已性具體實施例之單 片光學系統形成的俯視圖； 圖15至I8顯示根據圖14所示乏太政ηπ 卜 ^ , 叮不炙本發明示範性具體實施例 之單片光學系統形成的斷面圖；以及 圖19至23顯示根據本發明另一 具不|已性具體實祐你|之簟 片光學系統形成的斷面圖。 早 熟知技藝人士應明白，圖中的元件口 L 1千疋間化的圖解，複且 不需要按比例繪製。例如，相對於甘一，並且 、/、他元件，圖中部份元

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件的尺寸可能過度放大，以利於更容易瞭解本發明的具體 實施例。 圖式詳細説明 圖1顯不根據本發明一項具體實施例之半導體結構2 〇之 一邵份的斷面圖。半導體結構20包括單結晶基板2.2、包含 單結晶材料的容納緩衝層2 4以及單結晶合成半導體材料層 26。在此上下文中，術語「單結晶」應具有半導體產業内 常用的意義。術語「單結晶」應代表屬於單晶體或實質屬 於單晶體的材料，並且應包含具有相當少量缺陷（諸如矽或 矽化鍺或混合物之基板中常發現的位錯等等）的材料，以及 半導體產業中常發現之此類材料的磊晶層。 根據本發明一項具體實施例，結構2〇還包括位於基板22 /、谷、.内緩衝層2 4之間的非結晶中間層2 8。結構2 〇還可包括 位於容納緩衝層與合成半導體層26之間的模板層3〇。如下 文中詳細的説明，模板層有助於在容納緩衝層上開始生長 口成半導體層。非結晶中間層有助於減緩容納缓衝層應變 ，並藉此協助生長高結晶品質容納缓衝層。 s根據本發明一項具體實施例，基板22是單結晶矽晶圓， 取好疋大尺寸單結晶矽晶圓。晶圓可能屬於周期表第…族 材料，並且最好是第IVA族材料。第IV族半導體材料的實 例包括矽、鍺、混合矽與鍺、混合矽與碳、混合矽、鍺與 碳等等。基板22最好是包含矽或鍺的晶圓，並且最好是如 f導體產業中使用的高品質單結晶矽晶圓。容納緩衝層Μ 取好是基礎基板上磊晶生長的單結晶氧化物或氮化物材料

523809 A7 _______B7 五、發明説明（5 ) 。根據本發明一項具體實施例，非結晶中間層2 8係在基板 22上生長，並位於基板22與生長的容納緩衝層24之間，其 方式是在生長容納緩衝層期間氧化基板2 2。非結晶中間層 係用來減緩由於基板與緩衝層間晶格常數差異而導致容納 緩衝層可能會發生的應變。在本文中，晶格常數代表在表 面平面上所測量之細胞原子間的距離。如果非結晶中間層 未減緩此類的應變，則應變會導致容納緩衝層中結晶結構 中的缺陷。接著，容納緩衝層中結晶結構中的缺陷將導致 難以實現單結晶合成半導體層2 6中的高品質結晶結構。 谷納緩衝層2 4最好是選用與基礎基板結晶相容及與覆蓋 合成半導體材料結晶相容的單結晶氧化物或氮化物材料。 例如’此類的材料可能是具有與基板匹配且與後續供應的 半導體材料匹配之晶格結構的氧化物或氮化物。容納緩衝 層所適用的材料包括氧化金屬，諸如鹼土金屬鈦酸鹽、鹼 土金屬錐酸鹽、鹼土金屬铪酸鹽、鹼土金屬鈕酸鹽、鹼土 金屬釘酸鹽、驗土金屬鈮酸鹽、鹼土金屬釩酸鹽、如鹼土 至屬锡基 _ 鈥礦（alkaline earth metal tin-based perovskite)之 類的氧化舞鈥礦、鹼土金屬鋁酸鹽、鑭鋁酸鹽、氧化鑭銳 及氧化乳。另外’容納緩衝層也可使用諸如氮化鎵、氮化 鋁及氮化硼心類的氮化物。這些材料大部份是隔離體，雖 然例如）鳃、釕是導體。一般而言，這些材料是氧化金屬 或氮化金屬’尤其，這些氧化金羼或氮化金屬包括至少兩 2不同的金屬元素。在某些特定應用中，氧化金屬或氮化 至屬包括至少三個或三個以上不同的金屬元素。

五、發明説明（6 ) "非結晶中間層2 8最好是藉由將基板2 2表面氧化所形成的 氧化物，尤其是由氧化矽所組成。非結晶中間層28的厚度 足以減緩因.基板22與容納缓衝層24的晶格常數間不匹配所 導致的應變。通常，非結晶中間層28的厚度大約是〇 5到5 毫微米（奈米）。 可按照特定半導體結構的需求，從第ΠΙΑ與va族元素 (ΠΙ-V半導體合成物）、混合ΙΠ_ν合成物、第Η(Α盘 VU族元产（II_VI半導體合成物），以及混合^合成物 中選用單結晶合成半導體層26的合成半導體材料。實例包 括砷化鎵（GaAs)、砷化鎵銦（GaInAs)、砷化鎵鋁（(^八1八5) 、磷化銦（InP)、硫化鎘（CdS)、碲化鎘汞（CdHgTe)、硒 =鋅（znSe)、硒化鋅硫（ZnSSe)等等。適合的模板材料以化 :方式鍵合在纟納緩衝層24表面±的選取部&，並提供後 續合成半導體層26系晶生長集結（nucleati〇_部位。;文 中將説明適用於模板層30的材料。 、圖2顯示根據本發明另一項具體實施例之半導體結構4〇 足一邵份的斷面圖。結構4〇類似於前文説明的半導體結構 20，除了介於容納缓衝層24與單結晶合成半 ° =緩物2以外。具體而言，額外緩衝層位:;板6 二”覆蓋合成半導體材料層之間。#容納緩衝層無法適 •I配覆A單結晶合成半導體材料層時，半導體或合成半 導體材料所形成的額外缓衝層係用来提供晶格補償。口 圖3顯示根據本發明另—項示範性具體實施例之半導 構3k-部份的斷面原理圖。結構34類似於結構”，^了°

本紙張尺度 A4規格(210X297公釐) 523809 A7 ----- B7 五、發明説明（7 ) 結構3 4包括非結晶層3 6 (而不是容納緩衝層2 4及非結晶介 面層28)及額外半導體層38以外。 如下文中的詳細説明，可用如上文所述的類似方法來形 成非結晶層3 6 ,其方式是先形成一容納缓衝層及一非結晶 介面層。然後，形成單結晶半導體層2 6，以覆蓋單結晶容 ’、、内緩衝層。然後’將容納缓衝層經過退火處理，以將單結 晶容納緩衝層轉換爲非結晶層。以此方式形成的非結晶層 3 6包括來自於谷納緩衝層及介面層的材料，非結晶層可能 疋或不是混合物（amalgamate)。因此，層36可包括一層或 兩層非結晶層。介於基板22與半導體層38間形成的非結晶 層36(接著層38形成）減緩介於層22與38間的應力，並且 提供眞正合乎標準的基板，以利後續處理—例如，合成半導 體層2 6形成。 前文中配合圖1及2所説明的製程適用於在一單結晶基板 上生長單結晶合成半導體層。然而，配合圖3所説明之包括 將單結晶容納緩衝層轉換成非結晶氧化物層的製造更適合 生長單結晶合成半導體層，因爲其允許減緩層2 6中的任何 應力。 半導體層38可包括整份本説明書中配合合成半導體材料 層26或額外緩衝層32所説明的任何材料。例如，層38可包 括單結晶第IV族或單結晶合成半導體材料。 根據本發明一項具體實施例，半尊體層38於層36形成期 間係作爲退火罩（anneal cap)，並且於後續半導體層26形成 期間作爲模板》因此，層38的厚度最好是足以提供適合生 -10- 523809 A7 B7

五、發明説明（8 ) 長層26之模板的厚度（至少一單層），並且是允許形成作爲 無缺陷單結晶半導體合成物之層38的薄度。 馬 根據本發.明另一項具體實施例，半導體層3 8包括合成半 導體材料（例如，前文中配合合成半導體層26所說明=材料 )，其厚度足以在層38内形成裝置。在此情況下，根據本發 明的半導體結構不包括合成半導體層26。換言之，根據此 項具體實施例的半導體結構只包括佈E於非結晶氧化^ 36上的合成半導體層。 曰 下列非限制性、作例證的實例説明根據本發明各種替代 具體實施例之結構2 0、40與結構34中可用的各種材料組合 。逞些完全是用來説明，並且本發明不限定於這些作例證 的實例。 一 從 實例1 根據本發明一項具體實施例，單結晶基板22係以（1〇〇)方 向爲目的之矽基板。矽基板可能是（例如）用來製造直徑大 約爲200到300 mm之互補金屬氧化物半導體（CM〇s)積體電 路中常用的矽基板。根據本發明的此項具體實施例，容納 緩衝層24是SrzBaNzTi〇3單結晶層，其中z介於〇到i範圍内 ，而非結晶中間層是在介於矽基板與容納緩衝層間之界面 上形成的氧化矽（SiOx)層。所選用的z値是爲了獲得緊密匹 配對應t後續形成層2 6之晶格常數的一個或一個以上晶格 常數。例如，容納緩衝層的厚度大約在2奈米到大約1〇〇奈 米的範圍内，並且最好是大約1〇奈米的厚度。一般而言， 希望容納緩衝層的厚度足以隔離合成半導體層與基板:以 -11 -

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獲得所希望的電子及光學特性。厚度低於1〇〇奈米的層通常 提供較少的額外優點，並增加不必要的成本；然而，若需 要，可製造較厚的層。氧化矽非結晶中間層厚度大約在〇 5 奈米到5奈米的範圍内，並且最好是大約15奈米到25奈米的 厚度。 根據本發明的此項具體實施例，合成半導體材料層2 6是 砷化鎵（GaAs)或砷化鋁鎵（A1GaAs)層，其厚度大約是1奈 米到大約100微米（μιη)，並且最好是大約〇 5 μπ^ιη〇 厚度。厚度通常視所準備之層的應用而·定。爲了促進在單 結晶氧化物上磊晶生長砷化鎵或砷化鋁鎵，將藉由覆蓋氧 化層來形成模板層。模板層最好是Ti-As、Sr_〇-As、s卜 Ga- Ο或S r - A1 - 0的1到1 〇層單分子層（m〇n〇lay⑺。藉由較 佳貫例’已證實T1 - A s或S r - Ga-〇的1到2層單分子層可成 功生長GaAs層。 實例2 根據本發明進一步具體實施例，單結晶基板22是如上文 所述的碎基板。容納緩衝層是立體或斜方晶相之鳃或鋇锆 酸鹽或給的單結晶氧化物，而非結晶中間層是在介於石夕基 板與容納緩衝層間之界面上形成的氧化矽層。容納緩衝層 的厚度大約在2奈米到1〇〇奈米的範圍内，並且最好是至少$ 奈米的厚度，以確保足夠的結晶及表面品質，並且是由單 結晶 SrZiO3、BaZiO3、SrHf03、BaSn03 或BaHf〇3所組成。 例如，可在大約700度C的溫度下生長BaZr〇3單結晶氧化層 。所產生之結晶氧化物的晶格結構呈現相對於基板碎晶格 -12-

523809 A7 B7 五、發明説明（1〇 ) 結構的4 5度旋轉。 由這些鋇锆酸鹽或給材料所形成的容納緩衝層適合在磷 化銦（InP)系統中生長合成半導體材料。合成半導體材料可 能是（例如）厚度大約是L0奈米到1〇 磷化銦（lnp)、砷 化銦鎵（InGaAs)、砷化鋁銦（A1InAs)或磷砷化鋁銦鎵 (AlGalnAsP)。適用於此結構的模板層是锆-砷（Zr-As)、 锆-磷（Zr-P)、給-坤（Hf_As)、給 i(Hf_p)、鳃_氧_砰 (Sr-O-As)、鳃氧.磷（δΓ·〇·ρ)、鋇_氧_砷（Ba_〇_As)、 銦-鳃-氧（In-Sr-〇）或鋇·氧_ — (Βα·〇_ρ)的i到1〇層單分 子層（monolayer)，並且最好是這些材料其中一個的1到2層 單分子層。藉由實例，就鋇锆酸鹽容納緩衝層而言，表面 係以锆的丨到2層單分子層終止，之後接著沈積砷的1到2層 單分子層，以形成2卜八5模板。然後，在模板層上生長以 磷化銦系統爲材料的合成半導體材料的單結晶層。所產生 之合成半導體材料的晶格結構呈現相對於容納緩衝層晶格 結構的45度旋轉，並且不匹配（1〇〇)Inp的晶格小於2 5%， 並且最好小於大約1 0 〇/〇。 實例3 根據本發明進一步具體實施例，假設結構適合生長π_νι 材料磊晶膜，以覆蓋矽基板。如上文所述，基板最好是矽 晶圓。適合的容納緩衝層材料是SrxBaixTi〇3，其中χ介於〇 到1範圍内，厚度大約在2奈米到1〇〇奈米的範園内，並且最 好是大約5奈米到15奈米的厚度。π_νι合成半導體材料可 旎疋（例如）鋅亞硒酸鹽（ZnSe)或鋅硫亞硒酸鹽（ZnSSe)。適 本纸張尺度適财國®家標準(CNS) A4規格(2l〇x297公 -13- 五、發明説明) 用於此材料系統的模板層包括鋅-氧（211_〇)的1到10層單 分子層，之後接著過量的鋅的丨到2層單分子層，之後接著 位於表面上.的鋅亞硒酸鹽。或者，模板層可能是（例如）鳃_ 硫（Sr-s)的1到10層單分子層，之後接著ZnSeS。 實例4 本發明的此項具體實施例是圖2所示之結構4〇的實例。 基板22、單結晶氧化物層24及單結晶合成半導體材料層μ 可能類似於實例1中所説明對應項。此外，額外緩衝層32 係用來減緩應變，其中應變是由於容納·緩衝層晶格與單結 晶半導體材料間不匹配所致。緩衝層32可能是一層鍺^ GaAs、坤化鋁鎵（A1GaAs)、磷化銦鎵（InGap)、砷化銦鎵 (InGaAs)、磷化鋁銦（A1InP)、磷砷化鎵（GaAsp)或磷化銦 鎵（InGaP)應力補償超晶格。根據此具體實施例的一項觀點 ，缓衝層3 2包括GaAsxPNx超晶格，其中χ値介於〇至丨之間 的範圍内。根據另一項觀點，緩衝層32包括InyGaiyp超晶 格，其中y値介於0至1之間的範圍内。藉由看情況來改變X 値或y値，晶格常數會隨之橫跨超晶格從下到上變改，以產 生基礎氧化物與覆蓋合成半導體材料之晶格常數間的匹配 。諸如前面所列出之其他材料的合成物也同樣會改良，以 用相似的方式來處理層32的晶格常數。超晶格的厚度大約 在5 0奈米到500奈米的範圍内，並且最好是大約1〇〇$米到 200奈米的厚度。此結構的模板可能與實例i中説明模板 相同。或者，缓衝層32可能是厚度爲1奈米到5〇奈米的單結 晶鍺，並且最好是大約2奈米到20奈米的厚度。在使用鍺緩 本紙張尺㈣财國B家標準(CNS) A4規格(㈣χ 297公爱) -14· 523809

衝層的過程中，可使用厚度大約一個單分子層的鍺-锶 (Ge-Sr)或鍺.鈦（Ge_Ti)的模板層，以作爲後續生長單結 晶合成半導·體材料層的集結部位。形成氧化層的方式是覆 蓋單分子層鳃或單分子層鈦，以作爲後續沈積單結晶鍺的 集結邵位。單分子層锶或單分子層鈦提供第一單分子層鍺 可鍵合的集結部位。 實例5 此實例還説明圖2所示之結構40中使用的材料。基板材 料22、容納緩衝層24及單結晶合成半導靡材料層26和模板 層30可能與實例2中所説明對應項相同。此外，會在容納 缓衝層與覆蓋單結晶合成半導體材料層之間插入^衝層Η 。緩衝層（進一步的單結晶半導體材料）可能是（例如化 銦鎵（InGaAs)或砷化銦鋁（InAiAs)的粒級層（丨叮^)。 根據此具體實施例的一項觀點，緩衝層32包括hGaAs，其 中銦合成物從0至大約47%間變化。緩衝層的厚度最好大^ 是10到30奈米。將緩衝層成份從GaAs變化成，以提 供基礎單結晶氧化材料與單結晶合成半導體材料覆蓋声 的晶格匹配。如果容纳緩衝層24與單結晶合成半導體^料 層2 6間晶格不匹配，則此類緩衝層的特別有利。 實例6 此實例提供結構34中使用的材料，如圖3所示。基板材 料22、模板層3 0及單結晶合成半導體材料層26可能與實例 1中所説明對應項相同。 非結晶層36是由非結晶中間層材料（例如，如上文所述之 -15 -

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線 五、發明説明（13 層28材料）與容纳缓衝層材科⑼如 料）之组合所適當組成的非結晶 :上又所述之層24材 36可包括叫與Κβ3ι·ζΤι〇3的组;。二如，非結晶層 層=Β= = =6應:而異’並且可依據如期望的 根據本具體實施體材料類型等等的因素。 米至大約_奈米，最好層36厚度爲大約2奈 6奈米最佳。 疋，2至10奈米，並且以大約5至 層3 8包括單結晶合成丰啤 納緩衝層24之材料的單結晶L物二:== = 。根據本發明1具體實施 ::万= :r:r。例如，層26包含…二= 。根據本發明其他具體實施例，層W可包^ ::用：形成層26的材料。根據本發明一項示範性具體實 ，層的厚度爲大約1單分子層至大約100奈米。、 沖請5新參考圖1至3，基板22是諸如單結晶碎基板之類的 :結晶基板。單結晶基板結晶結構的特徵在於晶格常數及 曰曰格方向。在類似的方法中，容納緩衝層24也是單結晶材 料’並且單結晶材料晶格的特徵在於晶格常數及晶體‘ 。容納緩衝層與單結晶基板的必須緊密匹配，或者，必須 某=晶體方向係對著另一晶體方向旋轉，才能達成實質t 格常數匹配。在此上下文中，「實質等於」及「實質匹酉曰己 本紙張尺度適财g S家標準(CNS) M規格(⑽χ挪公寶） -16 - 523809

:丁日曰格系數間有充足的相似點，而能夠在基礎層上生 長鬲品質結晶層。 a圖4曰顯不可達成d结晶品質生長晶體層厚度的關係，作 局王日曰與生長晶的晶格常數之間不匹酉己的函數。曲線U高 結晶品質材料的界限。曲線42右邊的區域代表具有大量缺 ^ I所由於卵格匹配，因此能夠在主晶上生長無限厚度 "貝痴卵層。由於晶格常數不匹配遞增，所以可達成 、南=質結晶層的厚度迅速遞減。例如，作爲參考點，如 、、日曰與生長層間的晶格常數不匹配超過大約2 %，則無法 達成超過大約2 〇奈米的單結晶磊晶層。 /艮據本^明一項具體實施例，基板22是以（100)或（111) 馬万向的早結晶矽晶圓，而容納緩衝層24是鳃鋇鈦酸鹽層 。達成這兩種材料之晶格常數實質匹配的方式冑，將鈦酸 鹽材料晶體方向往相對於硬基板晶圓晶體方向45。旋轉。 ^:^例中’如果厚度夠厚，則非結晶中間層2 8結構中所 ^含的氧切層係用來降錢酸鹽單結晶層應變，因爲钦 =鹽單結晶層應變會導致主矽晶圓與生長鈦酸鹽層的晶格 ^匹配。結果，根據本發明一項具體實施例，可達成 同口口貝、更厚的單結晶層鈦酸鹽層。 叫重新參考圖1至3，層2 6是磊晶生長單結晶材料層，並 且該結晶材料的特徵在於晶格常數及晶體方向。根據本發 明—項具體實施例’層26的晶格常數不同基板22的晶格常 數爲了達成高結晶品質的磊晶生長單結晶層，容納缓衝 層必肩具有咼結晶品質。此外，爲了達成高結晶品質的層 -17-

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線 523809 A7 B7 五、發明説明（15 ) 26，希望主晶（在此情況下，主晶是單結晶容納緩衝層）與 生長晶體的晶格常數之間實質匹配。配合正確選用的材料 ，由於生長.晶體的晶體方向會相對於主晶方向旋轉，所以 可達成晶格常數實質匹配。如果生長晶體是坤化鎵、砷化 鋁鎵、鋅亞硒酸鹽或鋅硫亞硒酸鹽，而容納緩衝層是單結 晶SrxBa^TiC^，則可達成這兩種材料的晶格常數實質匹配 ，其中會將生長層的晶體方向往相對於主單結晶氧化物方 向旋轉4 5。。同樣地，如果主晶材料是鳃或鋇錘酸鹽或鳃 或銷給或鎖锡氧化物，而合成半導體層，是鱗化鋼或坤化嫁 銦或砷化鋁銦，則可達成晶格常數實質匹配，其方式是將 生長晶體層的方向往相對於主氧化物晶體方向旋轉4 5 °。 在某些情況中，主晶氧化物與生長合成半導體層之間的結 晶半導體緩衝層可用來降低生長單結晶合成半導體層的應 變，因爲應變會導致晶格常數的微幅差異。藉此可達成最 佳的生長單結晶合成半導體層結晶品質。 下文説明根據本發明一項具體實施例之製造諸如圖1至3 所示之結構之半導體結構的方法。方法的開始步驟是提供 一種包括矽或鍺的單結晶半導體基板。根據本發明較佳具 體實施例，半導體基板是具有（100)方向的矽晶圓。基板最 好是以軸線爲方向，最多偏離軸線大約6。。半導體基板的 至少一部份具有裸面，然而基板的其他部份可能圍繞著其 他結構，如下文所述。在此上下文中，術語「裸」表示已 清除基板的部份表面，以去除氧化物、致污物或其他異質 材料。眾所皆知，裸矽具有高度反應性，並且很容易形成 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 裝 訂

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天然氧化物。術語「裸」包含此類的天然氧化物。還可能 故意在半導體基板上生長薄型氧切，然而此類的生長氧 化物不是根.據本發明之方法的必要項。爲了蓋晶生長單結 晶氧化層以覆蓋單結晶基板，必須先去除天然氧化層，以 暴露基礎基板的結晶結構。下列的方法最好是藉由分子束 磊晶生長（molecular beam epitaxy ; MBE)方法來實現，雖然 根據本發明也可使用其他的磊晶生長方法。藉由先在麵 裝置中熱沈積薄層的鳃、鋇、鳃與鋇的組合或其他鹼土金 屬或鹼土金屬組合，以去除天然氧化物·。在使用鳃的情況 下，接著將基板加熱到大约75〇t，使鳃與天然矽氧化層產 生化學反應。鳃係用來分解氧化矽，而留下無氧化矽表面 。所產生的表面包括鳃、氧及矽，並呈現整齊的2 χ丨結構 。整齊的2x1結構形成模板，用以有序生長單結晶氧化物 的覆蓋層。模板提供必要的化學及物理特性，以集結結晶 生長的覆蓋層。 根據本發明替代具體實施例，可轉換天然氧化矽並準備 基板表面，以生長單結晶氧化層，其方式是在低溫下藉由 MBE在基板表面上沈積如氧化鳃、氧化鳃鋇或氧化鋇之類 的驗土金屬氧化物，接著將結構加熱到大約750°C。在此溫 度下’氧化鳃與天然氧化矽間發生的固態反應導致天然氧 化石夕還原，並在基板表面上留下具有鳃、氧及矽的整齊 2x 1結構。再次，以此方式形成模板，用以接著生長有序 單結晶氧化物層。 根據本發明一項具體實施例，在去除基板表面上的氧化 •19- 本紙張尺度適用中® ®家標準(CNS) A4規格(⑽X 297公爱） 523809 A7 ______ B7___ 五、發明説明（17 ) ' " " ^ 矽後，將基板冷卻到大約200到800°C範圍内的溫度，並且 藉由分子束磊晶生長在模板層上生長鳃鈦酸鹽層。Mbe方 法k MBE裝置中的開孔活閘（opening shuUer)開始，以暴露 鳃、鈦及氧來源。鳃與鈦的比率大約是1:1。氧氣分壓最初 設定在最小値，以利於以每分鐘大約〇3到〇5奈米的生長 速度來生長推測的魏鈥酸鹽。在初步生長總鈥酸鹽後，將 氧氣分壓遞增到大約最初的最小値。氧氣過壓會導致在基 礎基板與生長中之鳃鈦酸鹽層之間的界面上生長非結晶氧 化矽。生長氧化矽層起因於氧氣會通過·生長中之鳃鈦酸鹽 層擴散到位於基礎基板表面上氧氣與矽產生化學反應的表 面。鳃鈦酸鹽生長成爲有序單結晶，並且具有相對於整齊 2 X 1結晶結構之基礎基板旋轉4 5。的結晶方向。否則，鳃鈦 酸鹽層可能存在應變，這是因爲矽基板與生長晶體之間晶 格常數微幅不匹配所致，而在非結晶氧化矽中間層可減緩 此類的應變。 在鳃鈦酸鹽生長到所希望的厚度後，接著藉由模板層來 覆盍單結晶鳃鈦酸鹽，以促進後續生長所希望的合成半導 體材料磊晶層。就後續生長坤化鎵層而言，覆蓋mbe生長 的锶鈦酸鹽單結晶層的方式爲，以i到2層單分子層鈦、工 到2層單分子層鈦-氧或丨到2層單分子層鳃·氧來終止生長 。在形成此覆蓋層後，接著沈積坤，以形成丁“八5鍵合、 Τι-0-As鍵合或Sr-0-As。這些的任一種都可形成適合沈 積及形成砷化鎵單結晶層的模板。在形成模板後，接著導 入鎵，以與坤產生化學反應，並形成砷化鎵。或者，可在 -20- 本紙張尺度適财S ®家標準(CNS) A4規格(21GX297公董)' 523809 A7 B7 五、發明説明（18 ) 覆蓋層上沈積鎵，以形成Sr-O-Ga鍵合，並且接著導入與 鎵反應的坤，以形成GaAs。 圖5顯示根據本發明所製造之半導體材料的高解析度透射 式電子顯微照相（Transmission Electron Micrograph ; TEM) 圖。單晶體SrTi03容納緩衝層24係在矽基板22上磊晶生長 。於此生長製程期間，會形成非結晶介面層2 8以減緩因晶 格不匹配所導致的應力。然後，使用模板層3 0來磊晶生長 GaAs合成半導體層26。 圖6顯示包含使用容納緩衝層24在石夕基板22上生長之 GaAs合成半導體層2 6之結構的X射線繞射譜。光譜的峰値 指示容納緩衝層24及GaAs合成半導體層2 6都是單晶體並且 係以（100)方向爲目的。 藉由如上文所述的方法並加上額外緩衝層沈積步驟，即 可形成如圖2所示的結構。在沈積單結晶合成半導體層之前 ，會先形成覆蓋模板層的緩衝層。如果緩衝層是合成半導 體超晶格，則可在如上文所述的模板上藉由（例如）MBE來 沈積此類的超晶格。如果用錯層來取代緩衝層，則會修改 上述的方法，以最後的鳃層或鈦層來覆蓋鳃鈦酸鹽單結晶 層，然後藉由沈積鍺，以利於與鳃或鈦產生化學反應。然 後，可在此模板上直接沈積鍺緩衝層。 圖3所示之結構3 4的形成方式可能是，生長容納緩衝層 、在基板2 2上形成非結晶氧化物層，以及在容納緩衝層上 生長半導體層3 8，如上文所述。然後，將容納緩衝層及非 結晶氧化物層經過退火製程，使容納緩衝層的結晶結構足 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 523809 A7 _ B7 五、發明説明（19 ) ' "~ 以從單結晶變更成非結晶，藉由形成非結晶層，使非結晶 氧化物層與現在的非結晶容納緩衝層的組合形成單一非結 晶氧化物層3 6。接著在層3 8上生長層2 6。或者，可接著實 行退火製程以生長層2 6。 根據此具體實施例的一項觀點，形成層3 6的方式爲將基 板2 2、容納緩衝層、非結晶氧化物層及半導體層3 8經過迅 速熱退火製程，使用的最高溫度大約7〇(rc至大約1〇〇(rc， 製程時間大約1 〇秒至大約1 〇分鐘。然而，根據本發明，可 採用其他適當的退火製程以將容納緩衝澹轉換爲非結晶層 。例如，可使用雷射退火或Γ傳統」熱退火製程（在適當的 環境中）來形成層36。當採用傳統熱退火來形成層36時， 於退火製程期間需要過壓一層或一層以上結構成分層3〇， 以避免層3 8降級。例如，當層3 8包括GaAs時，退火環境最 好包括過壓砷，以減輕層3.8降級。 如上文所述’結構34的層38可包括適用於層32或26的任 何材料。因此，可採用配合層3 2或26所説明的沈積或生長 方法來沈積層3 8。 圖7顯示根據圖3所示之本發明具體實施例所製造之半導 體材料的高解析度透射式電子顯微照相（Transmissi〇n Electron Micrograph ; TEM)圖。根據本具體實施例，單晶 體SrTi〇3容納緩衝層係在矽基板22上磊晶生長。如上文所 述，於此生長製程期間，非結晶介面層形成。接著，在容 納緩衝層上面形成GaAs層38，並且將容納緩衝層經過退火 處理，以形成非結晶氧化物層3 6。 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 523809 A7 B7 五、發明説明（20 ) 圖8顯示包含GaAs合成半導體層38及形成於矽基板22上 的非結晶氧化物層3 6之結構的X射線繞射譜。光譜的峰値 指示GaAs合成半導體層3 8是單晶體並且係以（100)方向爲 目的，大約4 0至5 0度的無峰値指示層3 6是非結晶。 如上文所述的方法説明一種藉由分子束磊晶生長方法來 形成半導體結構的方法，其中該半導體結構包含一矽基板 、一覆蓋氧化物層及一單結晶砷化鎵合成半導體層。還可 能藉由化學蒸汽化澱積（chemical vapor deposition ; CVD)、 金屬有機化學蒸汽澱積（metal organic chemical vapor deposition ; MOCVD)、遷移率增強型磊晶生長（migration enhanced epitaxy ; MEE)、原子層羞晶生長（atomic layer epitaxy ; ALE)、物理蒸汽化澱積（physical vapor deposition ;PVD)、化學溶劑澱積（chemical solution deposition ; CSD) 、脈衝雷射澱積（pulsed laser deposition ; PLD)等等來實現 此項方法。另外，藉由類似的方法，還可生長其他的單結 晶容納緩衝層，諸如，鹼土金屬鈦酸鹽、鹼土金屬鍅酸鹽 、鹼土金屬铪酸鹽、鹼土金屬妲酸鹽、鹼土金屬釩酸鹽、 驗土金屬釕酸鹽、驗土金屬就酸鹽、如驗土金屬錫基劈鈥 礦（alkaline earth metal tin-based perovskite)之類的氧化妈鈥 礦、鑭鋁酸鹽、氧化鑭銳及氧化釓。另外，藉由諸如MBE 的類似方法，還可沈積其他的第III-V及II-VI族單結晶合 成半導體層，以覆蓋單結晶氧化物容納缓衝層。 合成半導體材料與單結晶氧化物容納缓衝層的每種變化 都是使用適當的模板層，以利於開始生長合成半導體層。 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 5238〇9 A7

例如’如果容納緩衝層是鹼土金屬锆酸鹽，則可藉由薄型 锆層來覆蓋氧化物。沈積錐之後，接著沈積要與锆產生化 學反應的砰.或磷，作爲分別沈積砷化銦鎵、砷化銦鋁或麟 化銦的前導。同樣地，如果單結晶氧化物容納缓衝層是鹼 土金屬給酸鹽，則可藉由薄型铪層來覆蓋氧化層。沈積铪 <後，接著沈積要與铪產生化學反應的砷或磷，作爲分別 生長砷化銦鎵、砷化銦鋁或磷化銦層的前導。在類似的方 法中’可用總或總氧層來覆蓋總鈇酸鹽，並且用鋇或銷簪 氧層來覆盍鋇鈦酸鹽。沈積前述各項之·後，接著沈積要與 覆蓋材料產生化學反應的砷或磷，以形成用來沈積合成半 導體材料層的模板，其中合成半導體材料層包括砷化銦鎵 、砷化銦鋁或磷化銦層。 圖9至1 1顯示根據本發明一項示範性具體實施例之單片 光學系統形成的斷面圖。如前文中參考圖i、2和5的説明 及如圖9所示，容納緩衝層94包含單結晶氧化物（如前文中 參考圖1、2和5所説明層24)，並且是在第w族基板92上 生長。於此生長製程期間，會形成非結晶介面層98以減緩 因晶格不匹配所導致的應力，其中非結晶介面層98如前文 中説明的層28。或者，可藉由如上文所述的退火製程，從 單結晶氧化物層9 4及非結晶介面層9 8形成非結晶氧化物層 ，如前文中配合圖3説明的層3 6。 接著，如圖10所示，藉由在單結晶氧化物層94上蝕刻光 柵1〇〇6以形成波導1004,以構成如全息圖之類的繞射光學 元件（doe)，例如，在希望的光源射束（如發光二極體 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

裝 訂

線 523809 A7 _____B7 五、發明説明（22 ) (LED))或雷射（如垂直凹面發射雷射（verticai cavity surface emitting laser ; VCSEL)的射束位置。也可在波導1004的接 收端上蝕刻·光柵1〇〇6，其中會將光線導向至如光二極體之 類的光檢測器。波導1004包含核 心 1008，其被頂端電鍍層 1010及底端電鏡層1012所環繞。 藉由光學輔助触刻或其他適合的蚀刻裝置，在頂端電鏡 層1010中蝕刻圖樣來形成光柵1006。也可使用藉由離子植 入法或其他適合的裝置，使用週期圖樣雜質來摻雜氧化物 層94表面（如頂端電鍍層1〇1〇)來形成光·栅1006。另外，波 導1004的核心1008可能是用微影法圖樣化氧化物層94所形 成。包含氧化物層1008、1010和1〇 12的氧化物層94最好包 含SrxBa^xTiO3，其中X介於〇到1範圍内，並且其中最好藉 由 MBE、CVD、PVD、PLD 或 CSD來沈積層 1008、1〇10和 1012。 形成波導1004之後，磊晶沈積單結晶合成半導體材料層 1111 ’以覆蓋光拇1006 ’如圖1 1所示。然後，如vcsEL 1112之類的光源及/或如光二極體i i 14之類的光檢測器被至 少部份形成於單結晶合成半導體層ii i内。圖1 1所示的光 學系統1100包括光源（標不爲VCSEL 1112)、波導1〇〇4及光 檢測器（標示爲光二極體1114，並且能夠傳輸波長介於紅外 線與紫外線之間的光線。熟知技藝人士也應明白，光學系 統1100還可包括光源控制單元及介於光源控制單元與光檢 測器之間的電氣連接，以啓用光源回饋控制功能。下文中 將參考圖13所示之本發明示範性具體實施例來詳細解説系 -25-

統1100的額外功能。 波導1004包含核心1008，其被頂端電鍍層1〇1〇及底端電 鍍層1012所環繞。VCSEL 1112將其大部份的功率發射至鄰 近含有波導1004之層mi的内表面，並且波導1〇〇4將光線 引導至核心1008。最好將波導1〇〇4及光柵1〇〇6設計爲，於 光傳輸至光二極體1114期間，使自¥(：紐]11112接收到的實 質所有光線局限在波導1004的核心1〇〇8 ;即，最好在全内 反射的情況下透過波導1 〇〇4傳輸光線。 爲了獲得全内反射或至少實質内反射·，形成核心1〇〇8所 使用I材料的折射率不同於用來形成頂端電鍍層1〇1〇和底 端電鍍層1012之材料的折射率。具體而言，核心1〇〇8的折 射率大於頂端電鍍層1010和底端電鍍層1〇12(可適當地用相 同材料製成）的折射率。根據一項示範性具體實施例，爲核 心1008選用之材料的折射率爲…，爲頂端電鍍層1〇1〇和底 嫂層1012選用之材料的折射率爲“，並且⑴與“之間 的差値約爲0.02。 .如上文所述，波導1004係從使用光栅1〇〇6蝕刻的單結晶 氧化物層94所形成。因此，核心1〇〇8、頂端電鍍層1〇1〇和 底端電鍍層1012所適用的材料包括氧化物，諸如鹼土金屬 鈦酸鹽、鹼土金屬锆酸鹽、鹼土金屬铪酸鹽、鹼土金屬妲 酸鹽、鹼土金屬釕酸鹽、鹼土金屬鈮酸鹽、鈣鈦礦氧化物 、其他適合的氧化物、氮化物等等。例如，核心1〇〇8、頂 端電鍍層1010和底端電鍍層1012的其中一個或多個可包括 如前文中配合圖1至3説明的單結晶氧化物。根據一項特定 -26· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇X297公釐） 523809 A7 B7 五、發明説明（24 ) 實例，核心1008可包括掺雜材料（例如，雜質）的鳃鈦酸鹽 ，而頂端電鍍層1010和底端電鍍層1012可包括未摻雜型鳃 鈦酸鹽，使得頂端電鍍層1010和底端電鍍層1012的折射率 低於核心1008的折射率。 波導1004係形成於非結晶介面層98上，其步驟如下··沈 積底端電鍍層1012所適用的單結晶氧化物材料；沈積核心 所適用的單結晶層，其材料折射率大於用來形成底端電鍍 層1012之材料的折射率；蝕刻底端電鍍層1012以圖樣化核 心1008 ;沈積另一單結晶氧化物層以形-成頂端電鍍層1010 ，其折射率小於用來形成核心1008之材料的折射率；然後 ，在波導1004的核心1008上方的頂端電鍍層1010中蚀刻光 栅1006，以形成DOE，其用來使來自於VCSEL 1112的光射 繞射成能夠耦合光的角度。因此，波導結構包括週期性有 效折射率差。在形成波導1004之後，直接在光栅1006上的 單結晶合成半導體材料上建置VCSEL 1112和光二極體1114。 圖1 2顯示根據本發明另一項示範性具體實施例之單片光 學系統1200形成的俯視圖。單片光學系統1200包含光源 1202(如VCSEL或LED)、光波導1204及檢測器1206。然而， 如這個具體實施例所示，如前文參考圖1 〇和1 1説明的光栅 係用來將光線折射至多重方向。於圖1 2中，位於VCSEL 1202下的DOE將光線導向至四個不同方向。 單片光學系統1100可形成於第IV族基板92上，其可包含 各種裝置，如在其中形成的CMOS電路。圖13顯示根據本 發明還有一項示範性具體實施例之單片光學系統形成的俯 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 裝 訂

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視圖，其包含回饋控制迴路。光學系統1300包括光源13〇2 、光檢測器1304、回饋控制電路13〇6、光源控制單元13〇8 及耦合至光源1302和光檢測器1304的波導131〇。根據本發 明，光源1302、光檢測器1304、電路13〇6、光源控制電路 1308及波導1310都是在第iV族基板上整體集成。 一般而言，光學系統1300被建構以利用回饋迴路1312來 控制來自於光源1302的光線，想要的強度。根據解説的實 例，檢測器1304(具有適當的接收器電路元件）將來自於光 源1302的光線轉換爲電子信號。回饋電^路13〇6使用適當的 增ϋ來操作來自於檢測器13〇4的光線，並且光源控制電路 1308將仏號傳送至光源1302，以響應自回饋電路13〇6接收 到的信號。 檢測器1304電路元件、回饋電路13〇6和光 1308可形成於任何適當的半導體層上。例如，光源控制電 路1308可形成於第IV族（例如，矽）基板内，或在其上沈積 的任何半導體材料内。 〃 < 貝 圖1 4顯tf根據本發明還有另一項示範性具體實施例之單 片光學系統的俯視圖。光學系統14〇〇包含光源14〇2、波導 1404及光檢測器1406。光源14〇2最好是雷射或光二極體， 並且光源1402和光檢測器1406係形成於系統14〇〇的合成半 導體區域内。波導1404係從氧化物層所形成，這可能是單 結日ΕΪ氧化物層或非結晶氧化物層。 圖15至17顯示圖“所示之示範性單片光學系統形成的斷 面圖。如圖15所示，波導1404係在基板92上形成，基板最 -28-

裝 訂 線 523809 A7 B7 五、發明説明（26 ) 好是如前文參考圖9至11所示的第IV族基板。第IV族半導 體材料的實例包括矽、鍺、混合矽與鍺、混合矽與碳、混 合石夕、鍺與·碳等等。基板92最好是包含碎或鍺的晶圓，並 且最好是南品質早結晶碎晶圓。 波導1404包含核心1408，其被頂端電鍍層1410及底端電 鍍層1412所環繞。波導1404係從覆蓋基板92的氧化物層所 形成，該氧化物層最好是如鎖鈥酸鹽或總鈥酸鹽之類的氧 化鈥。但是，這層氧化物還包含選自由驗土金屬鈇酸鹽、 驗土金屬錘酸鹽、驗土金屬铪酸鹽、驗-土金屬艇酸鹽、驗 土金屬釕酸鹽及鹼土金屬鈮酸鹽所組成群組的氧化物。波 導1404的核心1408可藉由使用材料（例如，雜質）掺雜或植 入氧化物層所形成，使核心1408的折射率高於頂端電鍍層 1410和底端電鍍層1412的折射率。例如，核心1408可包括 摻雜特定材料的鳃鈦酸鹽，而頂端電鍍層14 10和底端電鍍 層1412可包括未掺雜型鳃鈦酸鹽，使得頂端電鍍層1410和 底端電鍍層1412的折射率低於核心1408的折射率。 雖然頂端電鍍層和底端電鍍層均具有相同的折射率，但 是核心1408的折射率必須大於頂端電鍍層1410和底端電鍍 層1412的折射率。此外，雖然核心1408、頂端電鍍層1410 和底端電鍍層1412可具有不同的折射率，藉此在波導1404 内建立三個折射率，但是核心1408的折射率必須大於頂端 電鍍層1410和底端電鍍層1412的折射率。 爲了能夠導向來自於光源的光線，光源1425 (例如，圖1 6 所示的VCSEL)及/或光檢測器1426(例如，圖1 6所示的光二 -29- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 裝 訂

523809 A7 ____B7 五、發明説明（27 ) 極體）都是至少部份形成於在氧化物層上磊晶生長的單結晶 合成半導體層1424中。然後，形成光鏡，以將自VCSEL 1425輸出的光線往沿著波導1404的方向反射，其方式是使 包含波導1404的氧化物層成爲斜面，使得該氧化物層形成 相對於基板92的角度X，其中角度X是在全内反射的臨界 角範圍内。就本文説明的氧化物層而言，n約爲2 · 5，所以 臨界角約爲2 3度。 例如，如圖1 7所示，使包含波導1404的氧化物層成爲斜 面，以形成相對於基板92的45度，這是在實現如圖1 8所示 之VCSEL 1425光線全内反射所需的臨界角範圍内。另外， 可在波導1404的斜面上塗上金屬，以提供鏡面。 使用光輔助蝕刻（這是配合校準紫外線（UV)光線的溼式蝕 刻）來製造氧化物層的斜面。例如，在此情況下，溼式蝕刻 可能是含有少量氫氟酸的硫酸（或氫氟酸）。硫酸進行遲緩 姓刻’而氫氟酸使表面不易起化學變化，並使蝕刻速度降 低至幾乎爲零。例如，不透光罩幕（例如，光致輔助、多晶 夕或金屬罩幕）係用來圖樣化晶圓表面，然後將晶圓表面曝 光於校準UV光射束。曝光於UV光區域中的蚀刻速度較高 ’並且視光強度及氫氟酸量，選擇性爲100:1。在典型的 光致輔助蝕刻中，υν光垂直於晶圓表面。然而，針對本發 明，會將晶圓傾斜，以爲建立角度在全反射臨界角範圍内 的斜面邊緣。例如，如前文中參考圖1 7的説明，將金屬罩 幕（圖中未顯示）鋪在晶圓表面上，並將11¥光143〇指向晶圓 表面以執行光致輔助蚀刻，使氧化物層成爲相對於基板92 -30-

523809 A7 B7 五、發明説明（28 ) 之角度X的斜面，其中角度X是在全内反射的臨界角範圍内。 如圖18所示，來自於VCSEL 1425的光線（以箭頭1427標 示）進入包含波導1404的氧化物層，並反射偏離氧化物層斜 面邊緣1428，反射進入沿著波導1404的方向。相同的方法 也適用於在直接位於波導1404接收端上之光二極體1426下 方的氧化物層中建立斜面邊緣，以爲將光線1427從波導 1404引導至光二極體1426。例如，如圖1 8所示，藉由執行 光致輔助蚀刻以在光二極體1426下建構光鏡，並且沿著晶 圓表面引導UV光1430，以在光二極體1426下的氧化物層中 形成斜面邊緣1429，藉此在包含波導1404的氧化物層與基 板92之間建立角度Y，其中角度Y是在全内反射的臨界角 範圍内。於圖18中，角度Y是45度角，使光線1427到達斜 面邊緣1429，並將光線1427指向光二極體1426。 熟知技藝人士應明白，可使用其他的方法使氧化物層成 爲钭面，例如，反應性離子蝕刻法、具有適當緩衝器的氣 體蝕刻及其他適合的溼式蚀刻，雖然可能因其他效應而不 希望使用這些方法。另外，製造如圖1 8所示之光學系統的 結構及方法可包括；在基板9 2上蟲晶沈積早結晶乳化物層 、在單結晶氧化物層上磊晶沈積單結晶合成半導體材料 1424，以及退火處理單結晶氧化物層以將之轉換爲非結晶氧 化物層。另夕卜，退火步驟可包括（例如）以介於大約700°C與 大約1000°C之間的溫度，將單結晶氧化物層迅速熱退火。此 外，磊晶生長單結晶氧化物的步驟可包括生長ShBa^TiCb 層，其中X値介於0到1範圍内。磊晶生長單結晶氧化物層 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 523809 A7 ____B7 五、發明説明（29 ) 以構成波導14〇4及磊晶生長合成半導體層1424的步驟可藉 由下列方式實施：分子束磊晶生長、化學蒸汽化澱積、物 理蒸汽化澱積、脈衝雷射澱積及化學溶劑澱積。 圖1 9至2 3顯示根據本發明另一項示範性具體實施例之單 片光學系統的形成。半導體基板92係作用基礎基板，基板 最好是如前文參考圖9至11和圖15至18的基板，以及圖1 至3所説明的層。如圖19所示，在基板92上生長氧化物層 1902，並在氧化物層19〇2上生長單結晶合成半導體材料 1904。然後，在至少氧化物層1902的一·部份中形成邊緣發 射雷射1906，其具有頂端丨9〇8及邊緣1910。 在包括雷射1906之頂端1908和邊緣1910的雷射1906上生 長另一氧化物層1912，如圖20所示。然後，平坦化氧化物 層1912，如圖21所示，以移除位於雷射19〇6之頂端1908上 的氧化物。然後，往大體垂直於基板92的方向，以在電射 1096反射光臨界角範圍内的角度，在雷射19〇6的邊緣191〇 上蝕刻氧化物層1912，如圖22所示。蚀刻步驟可包括光致 輔助蝕刻、側蝕蝕刻或任何其他適當的蝕刻裝置，以建立 臨界角Z。例如，可執行如前文參考圖1 7和丨8説明的光致 輔助蚀刻，使用含有少量氫氟酸之硫酸的溼式蝕刻，曝光 於校準UV光射束。如圖22所示，以45度角將UV光192 5指 向位於雷射1906頂端邊緣上的氧化物層1912，以便建立臨 界角Z(也是45度角），以引導雷射1906的光線。 蝕刻氮化物層1912之後，產生如圖23所示的光學系統 2300。光學系統23包括位於氧化物層1902下的基板92、部 -32- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 523809 A7 __ B7__._ 五、發明説明（3〇 ) 份形成於單結晶合成半導體材料19〇4内的邊緣發射雷射 1906、以及耦合至邊緣發射雷射19〇6的光鏡，光鏡爲已蝕 刻氧化物層1912的形式，並往實質垂直於基板92的方向反 射雷射1906所發射的光，如箭頭1927所示。此外，結構 2300可包含光檢測器1929，其位於在氧化物層1912下的基 板92中。因此，來自於雷射19〇6的光線1927接觸到作爲鏡 之氧化物層1912的邊緣1930。然後，將光線1927向下引導 至氧化物層1902，並進入基板92中的光檢測器1929。 氧化物層1902及1912可能是從單結晶氡化物層所形成的 單結晶乳化物層或非結晶氧化物層。氧化物層1902及1912( 和如前文參考圖15至18説明之形成波導1404的氧化物層一 樣）可包括選自下列群組的氧化物：鹼土金屬鈦酸鹽、驗土 金屬錐酸鹽、鹼土金屬铪酸鹽、鹼土金屬鈀酸鹽、鹼土金 屬釕酸鹽、鹼土金屬鈮酸-鹽及鈣鈦礦氧化物。氧化物層 1902及1912取好包括SrxBai _XT i〇3其中X介於〇至1之間的範 圍内。另外，光學結構2300可進一步包括雷射控制電路， 以及從光檢測器至雷射控制電路的電氣回饋迴路，如前文 參考圖1 3的説明。 於前面的説明書中，已參考特定具體實施例來説明本發 明。然而，熟知技藝人士應明白本發明的各種修改並且容 易修改，而不會脱離如下文中申請專利範圍所提供之本發 明的範疇與精神。因此，説明書及附圖應視爲解説，而不 應視爲限制，並且所有此類的修改皆屬本發明範蜂内。 已説明關於特定具體實施例的優勢、其他優點及問題解 -33-

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決方案。但是，可導致任何優勢、 受顧荽的很敎 β ☆ 炎4及解決方案發生或 文”肩耆的優勢、優點、問題解決方 鉉4 采及任何元件不應被理 =任何或.所有中請專利範圍的關鍵、必要項或基本功能 或疋件。本文中所使用的術語「包括」、「包含」或其任 何八他的變化都是用來涵盖非專有内含項，使得包括元件 清單的方法、方法、物品或裝置不僅包括這些元件，而且 還包括未明確列出或此類方法、物品或裝置原有的其他元 件。 ' -34- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐)

Claims (1)

1. 一種光學結括： .一早結晶__體基板； 一氧化物其形成以覆蓋該基板； 一合成半導體光源，其形成於一磊晶生長以覆蓋該氧 化物層<單結晶合成半導體層中，並且能夠發射一光輸 出；以及 一繞射光學元件，其建構以將來自於該光源的光輸出 耦合至該氧化物層。 2 .如申叫專利範圍第1項之結構，其中·該單結晶半導體基 板包含矽。 3·如申請專利範圍第1項之結構，其中該氧化物層包含一 選自由驗土金屬鈦酸鹽、鹼土金屬錘酸鹽、鹼土金屬铪 酸鹽、驗土金屬短酸鹽、驗土金屬釕酸鹽、驗土金屬說 酸鹽及鈣飲礦氧化物所組成群組的氧化物。 4 .如申請專利範圍第3項之結構，其中該氧化物層包括 SrxBaleXTi03，其中X値介於〇到1範圍内。 5 .如申請專利範園第1項之結構，其中該光源包括一選自 由雷射及發光二極體所組成之群組的裝置。 6 ·如申請專利範圍第5項之結構，其中該光源包含一垂直 凹面發射雷射。 7 ·如申請專利範圍第6項之結構，其中該垂直凹面發射雷 射被建構以朝向該繞射光學元件的方向發射大部份的光 輸出。 8 ·如申請專利範圍第1項之結構，其中該繞射光學元件包 -35- 523809

含一钱刻於該氧化物層表面上的光柵。 9 ·如申請專利範圍第8項之結構，其中該光柵被建構以往 一預先決定方向繞射一具有一特定波長之光輸出的一部 份。 1 0 .如申請專利範圍第1項之結構，該結構進一步包括一光 檢測器，其形成於覆蓋該氧化物層的該單結晶合成半導 體層上。 1 1 ·如申請專利範圍第1 0項之結構，其中該氧化物層被蚀刻 以構成一對齊該光源及該光檢測器的光波導，並且被建 構以將該光輸出從該光源引導至該光檢測器。 1 2 ·如申請專利範圍第η項之結構，該結構進一步包括一第 二繞射光學元件，其被建構以將該光輸出從該光波導耦 合至該光檢測器。 1 3 ·如申請專利範圍第丨2項_之結構，其中該繞射光學元件及 該第二繞射光學元件都包含一光柵。 1 4 ·如申請專利範圍第i 1項之結構，其中該光波導被蝕刻以 形成發源自並對齊該光源的複數個光波導。 1 5 ·如申請專利範圍第1 4項之結構，其中該繞射光學元件包 括一光柵，該光柵被建構以將該光輸出繞射至該等複數 個光波導的每一個光波導。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之結構，該結構進一步包括一光 源控制電路，其形成於該基板中並耦合至該光源以控制 該光輸出。 1 7 ·如申請專利範圍第1 6項之結構，該結構進一步包括一光 -36- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐）

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形成於對齊該光源之該氧化物層上的斜面邊緣。 24·.如申請專利範圍第23項之光學結構，其中該光源包含一 垂直凹面發射雷射，其被建構以將該光輸出向下發射朝 向該氧化物層。 2 5 .如申叫專利範圍第2 3項之光學結構，其中該斜面邊緣具 有在全内反射臨界角範圍内的角度。 2 6 .如申请專利範圍第2 〇項之光學結構，其中該氧化物層包 含一鹼土金屬氧化物。 27·如申請專利範圍第2〇項之光學結構，·其中該氧化物層包 口選自由鹼土金屬鈦酸鹽、鹼土金屬锆酸鹽、驗土金 屬給酸鹽、鹼土金屬鋰酸鹽、鹼土金屬釕酸鹽、鹼土金 屬鈮酸鹽及鈣鈦礦氧化物所組成群組的氧化物。 28·如申請專利範圍第2〇項之光學結構，其中該光波導包含 選自由鹼土金屬鈦酸-鹽、鹼土金屬锆酸鹽、鹼土金屬 給酸鹽、鹼土金屬妲酸鹽、鹼土金屬釕酸鹽、鹼土金屬 銳酸鹽及鈣鈦礦氧化物所組成群組的氧化物。 2 9 ·如申4專利範圍第2 0項之光學結構，其中該氧化物層包 括一選自由鹼土金屬結酸鹽及鹼土金屬铪酸鹽所組成之 群組的氧化物。 30·如申請專利範圍第29項之光學結構，其中該合成半導體 層包括一選自由磷化銦和砷化鎵銦所組成之群組的單結 晶合成半導體材料。 31.如申請專利範圍第20項之光學結構，其中該氧化物層包 含一鹼土金屬鈦酸鹽。 •38· 523809 A8 B8 C8 申請專利範圍 3 2 ·如申請專利範圍第3 1項之光學結構，其中該合成半導體 .層包括一選自由坤化鎵、坤化鎵铭、締化鋅、涵化硫鋅 所組成之群組的單結晶合成半導體材料。 3 3 ·如申請專利範圍第2 〇項之光學結構，該光學結構進一步 包括： 一光檢測器，其形成於覆蓋該氧化物層之該單結晶合 成半導體層中；以及 一第二光鏡，其建構以將來自於該波導的光輸出反射 至該光檢測器。 3 4 ·如申請專利範圍第3 3項之光學結構，其中該第二光鏡包 含一形成於對齊該光檢測器之該氧化物層上的第二斜面 邊緣。 3 5 .如申請專利範圍第2 〇項之光學結構，其中該合成半導體 光源包括一選自由雷射-及發光二極體所組成之群組的裝 置。 3 6 ·如申請專利範圍第2 〇項之光學結構，該光學結構進一步 包括： 一光檢測器，其形成於該單結晶半導體基板中； 一弟一光鏡’其建構以將來自於該波導的光輸出反射 至該光檢測器。 3 7 ·如申請專利範圍第3 6項之光學結構，其中該第二光鏡包 含一形成於對齊該光檢測器之該波導上的第二斜面邊緣。 3 8 _如申請專利範圍第2 〇項之光學結構，其中該光波導包含 一具有第一折射率的第一電鍍層、一具有第二折射率的 -39- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐）

第核心層及一具有第三折射率的第二電鍍層。 39..—種！學結鱗- —單結晶體基板，其具有一表面； 氧化物^4其形成以覆蓋該基板表面； —邊緣發射雷射，其至少部份形成於覆蓋該氧化物層 之该單結晶合成半導體層中；以及 一光鏡’其耦合至該雷射的發射邊緣，該光鏡被建構 以將Μ雷射所發射的光線往實質垂直於該基板表面的方 向反射。 40·如申請專利範圍第39項之光學結構，其中該氧化物層包 含一選自由鹼土金屬鈦酸鹽、鹼土金屬鍺酸鹽、鹼土金 屬铪酸鹽、鹼土金屬妞酸鹽、鹼土金屬釕酸鹽、鹼土金 屬起酸鹽及鈣鈦礦氧化物所組成群組的氧化物。 4 1 ·如申請專利範圍第3 9項_之光學結構，其中該氧化物層包 含一單結晶氧化物層。 42 ·如申請專利範圍第3 9項之光學結構，其中該氧化物層包 含一從一單結晶氧化物層所形成的非結晶氧化物層。 4 3.如申請專利範圍第39項之光學結構，其中該氧化物層包 括SrxBai-xTi03 ’其中X値介於〇到1範圍内。 4 4 ·如申請專利範圍第3 9項之光學結構，其中該光鏡包含一 沈積於該雷射邊緣上的鈣鈦礦氧化物，並且被蝕刻使其 具有小於臨界角之角度的斜面逢緣。 4 5 ·如申請專利範圍第3 9項之光學結構，該光學結構進一步 包括一形成於該基板中的光檢測器。 -40- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱)

46·如申請專利範圍第45項之光學結構，其中該光鏡被建構 .以將該雷射所發射的光線往照射該光檢測器的方向反射。 47·如申請專利範圍第45項之光學結構，該光學結構進一步 包括： 一雷射控制電路，其形成於該基板中；以及 私氧回饋回路’其從該光檢測器至該雷射控制電路。 4 8 .種製造光學結構之方法，該方法包括下列步驟： 提供一單結晶半導體基板； 形成一氧化物層，其具有覆蓋該基板的表面； 於该氧化物層表面形成一光柵； 羞晶沈積一該合成半導體材料層，以覆蓋該光柵；以及 形成一光源，其至少部份位於該單結晶合成半導體材 料層内。 4 9 ·如申請專利範圍第4 8項之方法，其中形成一光源的步驟 包含以微影法圖樣化與該光柵對齊的單結晶合成半導體 材料層。 5 0 ·如申凊專利範圍第4 8項之方法，其中形成一光栅的步驟 包含於该氧化物層表面上蚀刻一圖樣的步驟。 5 1 ·如申請專利範圍第4 8項之方法，其中形成一光柵的步驟 包含於該氧化物層表面上形成一週期性摻雜雜質之圖樣 的步驟。 5 2 ·如申請專利範圍第5 1項之方法，其中形成一圖樣的步驟 包括離子植入法步驟。 5 3 ·如申請專利範圍第4 8項之方法，其中形成一氧化物層的 -41 -

步驟包括下列步驟： .沈積一^一單結晶氧化物層，其具有-第-折射率； 沈積第一單結晶氧化物層以覆蓋該第一層，其該第 -層特徵$具有-大於該第_折射率的第二折射率·以及 一沈積-第三單結晶氧化物層以覆蓋該第二層，其該第 二層特徵爲具有-小於該第二折射率的第三折射率。 54·如申蜻專利範圍第53項之方法，該方法進一步包括以微 影法圖樣化該第二層，以形成具有-預先決定圖樣之波 導核心的步驟。 55·如申請專利範圍第54項之方法，其中以微影法圖樣化的 v驟G括以彳政影法圖樣化該第二層，以形成具有複數 個波導核心，每個波導核心具有一末端，並且形成一光 柵的步驟包括形成複數個光栅，該等複數個光柵的每個 一光柵的形成係對齊該等複數個波導之一個區段。 5 6 .如申請專利範圍第5 5項之方法，其中形成一光源的步驟 包含以微影法圖樣化對齊並覆蓋該等複數個光柵的第四 層0 5 7 ·如申請專利範圍第5 3項之方法，其中沈積一第一層、沈 積一第二層及沈積一第三層的步驟均包括沈積一包含 SrxBUi〇3之層，其中X値介於0到1範圍内，所使用 的方法係選自由分子束蟲晶生長、化學蒸汽化殺積、物 理蒸汽化澱積、脈衝雷射澱積尽化學溶劑澱積所組成的 群組。 5 8 ·如申請專利範圍第5 7項之方法，其中沈積一第一層、沈 -42- I紙張尺度適财® ®家鮮(CNS) A4規格(21DX 297公董） 523809 A8 B8 C8 D8

、申請專利範圍 積一第二層及沈積一第三層的步驟均包括沈積一包含 •S r XB a丨·ΧΤ i 0 3與一雜質的層，以決定該折射率。 5 9 ·如申請專利範圍第5 3項之方法，其中形成—光柵的步碟 包括於該第三層中形成一光拇。 60.如申請專利範圍第59項之方法，其中形成一光栅的步驟 包含藉由光致輔助蚀刻方法蝕刻該氧化物層表面的步驟。 6 1 ·如申請專利範圍第4 8項之方法，該方法進一步包括至少 部份於該單結晶合成半導體材料層内形成一光檢測器裝 置的步驟。 · 62·如申請專利範圍第48項之方法，該方法進一步包括於該 基板上形成一光源控制電路。 6 3 .如申請專利範圍第6 2項之方法，該方法進一步包括下列 步驟： 形成一光檢測器裝置-，其至少部份位於該單結晶合成 半導體材料層内·，以及 電氣互相連接’其介於該光檢測器装置與該光源控 制電路之間。 6 4.如申請專利範圍第48項之方法，其中該磊晶沈積步驟包 括沈積一單結晶層的步驟，所使用的方法係選自由分子 束羞晶生長、化學蒸汽化澱積、物理蒸汽化澱積、脈衝 雷射澱積及化學溶劑澱積所組成的群組。 6 5 ·如申凊專利範圍第4 §項之方法，其中形成一光源的步驟 包括形成一垂直凹面發射雷射。 6 6 ·如申请專利範圍第4 §項之方法，其中形成一光源的步驟

裝 •線 -43- 523809 A8 B8 申請專利範圍 包括形成一發光二極體。 6 7 ..如申請專利範圍第4 8項之方法，其中形成一氧化物層的 步驟包括下列步驟： 磊晶沈積一單結晶氧化物層；以及 於磊晶沈積一單結晶合成半導體材料層的步驟之後， 退火處理該單結晶氧化物層，以將該單結晶氧化物層轉 換爲非結晶氧化物層。 68·如申請專利範圍第67項之方法，其中退火步驟包括迅速 熱退火步驟。 69.如申请專利範圍第67項之方法，其中退火步驟包括以介 於大約700 C與大約1〇〇〇。〇之間的溫度進行熱退火。 7 0 · —種製造光學裝置之方法，該方法包括下列步驟： 提供一具有一表面的單結晶基板； 蟲晶生長一第一單結晶氧化物層，以覆蓋該表面； 系晶生長一第二單結晶合成半導體材料層，以覆蓋該 第一層； 形成一發光裝置，其至少部份位於該第二層内；以及 傾斜蚀刻該第一層，以側蚀該發光裝置。 71·如申請專利範園第70項之方法，其中該提供一單結晶基 板的步驟包括提供一包含;5夕的單結晶半導體基板。 7 2 ·如申請專利範圍第7 1項之方法，其中該磊晶生長一第一 層的步驟包括磊晶生長一包含一氧化物，該氧化物係選 自由驗土金屬鈦酸鹽、鹼土金屬結酸鹽、鹼土金屬铪酸 鹽、驗土金屬起酸鹽、鹼土金屬釕酸鹽、鹼土金屬鈮酸 * 44 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 523809 A8 B8 C8 ___21__ 、中請專利範圍 ^ - 鹽及鈣飲礦氧化物所組成的群組，所使用的方法係選自 ，由分子束磊晶生長·、化學条汽化澱積、物理蒸汽化澱積 、脈衝雷射澱積及化學溶劑澱積所組成的群組。 7 3 ·如申請專利範圍第7 1項之方法，其中該磊晶生長_第一 層的步驟包括提供一包含SrxBai_xTi〇3的層，其中χ値介 於0到1範圍内。 74·如申請專利範圍第70項之方法，其中該磊晶生長一第二 層的步驟包括生長一合成半導體層，所使用的方法係選 自由分子束磊晶生長、化學蒸汽化藏積、物理蒸汽化殿 積、脈衝雷射澱積及化學溶劑澱積所組成的群組。 7 5 ·如申請專利範圍第7 0項之方法，其中蝕刻步驟藉由光致 輔助蚀刻方法蚀刻該第一層。 76·如申請專利範圍第75項之方法，其中蝕刻步驟包括下列 的步驟： _ 提供一不透光罩幕，以覆蓋該第一層；以及 在杈準光射束位置將該第一層曝露於蚀刻劑。 77·如申請專利範圍第76項之方法，其中提供一不透光罩幕 的步驟包括提供一金屬罩幕，而將該第一層曝露於蝕刻 劑的步驟包括將該第一層曝露於包含硫酸或氫氟酸的蝕 刻劑。 78·如申請專利範圍第76項之方法，其中曝露步驟包括在校 準紫外線射束以約45度角度照射該第一層的位置，將謗 第一層曝露於蝕刻劑。 79·如申請專利範圍第70項之方法，該方法進一步包括至少 -45-

523809 A8 B8 C8 -------D8 六、申請專利範圍 部份於該第二層内形成一光檢測器裝置的步驟。 80 · ‘如申請專利範圍第79項之方法，該方法進一步包括頻斜 蝕刻該第一層，以側蝕該光檢測器裝置。 8 1 ·如申請專利範圍第7 9項之方法，該方法進一步包括姓刻 該第一層，以形成一對齊並且從該發光裝置延伸至該光 檢測器裝置的波導。 这2 ·如申请專利範圍弟7 0項之方法，該方法進一步包括於系 晶生長一第二層之後退火處理該第一層，以將該第一單 結晶氧化物層轉換爲一非結晶氧化物層。 8 3 . —種製造光學裝置之方法，該方法包括下列步驟： 提供一半導體基板； 磊晶生長一第一鈣鈦礦氧化物層，以覆蓋該基板； 生長一第二單結晶合成半導體材料層，以覆蓋該第一 層； - 形成一邊緣發射雷射，其至少部份形成於該第二層中 ，該雷射具有一頂端及一邊緣； 蟲晶生長一第二#5歛礦氧化物層，以覆蓋包含該頂端 及該邊緣的該雷射； 平坦化該第三層，以移除該雷射頂端的鈣鈦礦氧化物 ;以及 以該臨界角内的角度蝕刻位於該雷射邊緣的鈣鈦礦氧 化物。 8 4 ·如申請專利範圍第8 3項之方法，其中蝕刻步驟包括光致 輔助蚀刻。 -46- 本紙張尺度適用中國國家標準(CMS) A4規格(210 X 297公董） 523809

85.如申請專利範圍第”項之方法，其中蝕刻步驟包括側蝕 .触刻。 8 6，如申请專利範圍第8 3項之方法，其中独刻步驟包括蚀刻 孩_飲礦氧化物的上層表面。 8 7 .如申请專利範圍第8 6項之方法，該方法進一步包括在位 於已蝕刻鈣鈦礦氧化物下的基板中形成一光檢測器裝置 的步驟。 8 8 ·如申請專利範圍第8 3項之方法，其中生長一第一層的步 驟包括生長一第一單結晶層。 · 89.如申請專利範圍第88項之方法，該方法進一步包括退火 處理該第一單結晶層的步驟，用以將該第一單結晶層轉 換爲一非結晶層。 -47- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)