TWI805649B - 應變平衡半導體結構及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本文描述生長分層結構之系統及方法。其分層結構包含第一鍺基板層、第二層及第三層。第一鍺基板層具有第一晶格常數。第二層具有第二晶格常數且磊晶生長在第一鍺基板層上，其中第二層具有第一組成物及第二組成物之複合物，且在第一組成物及第二組成物之間具有第一比率。第三層具有第三晶格常數，且磊晶生長在第二層上，其中第三層具有第三組成物及第四組成物之複合物，且在第三組成物及第四組成物之間具有第二比率，其中選擇第一比率及第二比率，使得第一晶格常數在第二晶格常數及第三晶格常數之間。

Description

應變平衡半導體結構及其製造方法
本案依據35U.S.C.§119(e)主張於2017年11月22日提交之美國專利臨時案第62/589,994號以及於2017年12月19日提交之美國專利臨時案第62/607,857號的優先權，兩者之全部內容納入本文作為參考。
本案是關於利用鍺(Ge)基板或磊晶層(epitaxial layer)以應變平衡半導體結構。
垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)係一種半導體雷射二極體，其雷射光束的發射垂直於半導體結構之上表面。波長範圍介於650nm至1300nm之垂直共振腔面射型雷射典型地形成在砷化鎵(GaAs)基板上，且具有由GaAs及砷化鋁鎵(AlxGa(1-x)As)組成的分佈式布拉格反射器(Distributed Bragg reflector,DBR)。此GaAs-AlGaAs系統已被廣泛使用，因為AlxGa1-xAs(對於廣範圍的x)通常被視為與GaAs基板晶格匹配。設計更為複雜的下一代垂直共振腔面射型雷射將導致較厚的磊晶堆疊以及所增加的堆疊厚度造成的晶圓彎曲，對於上述較厚的磊晶堆疊，且由於較高階的晶體缺陷，所假定的在GaAs-AlGaAs系統中的晶格匹配不再被接受。此情形在合併GaAs及AlAs的設計下更加惡化，這是因為當所期望之波長往較長的波長移動時，增加了層厚度，厚的堆疊增加了晶格 不匹配。厚度的增加增加了在基板及其他生長在基板上的層之間的總晶格不匹配，這導致了在半導體結構中的應變增加。應變及晶格不匹配在半導體晶圓中導致了彎曲，這降低了垂直共振腔面射型雷射的穩定度。
本文描述的分層結構係以鍺(Ge)作為基板或磊晶層以應變平衡半導體結構。分層結構包含具有第一晶格常數之第一鍺基板層，及具有第二晶格常數且磊晶生長在第一鍺基板層之上的第二層。第二層具有第一組成物及第二組成物之複合物，且具有在第一組成物及第二組成物之間的第一比率。第三層具有第三晶格常數且磊晶生長在第二層之上。第三層具有第三組成物及第四組成物之複合物，且具有在第三組成物及第四組成物之間的第二比率。選擇第一比率及第二比率，使得第一晶格常數介在第二晶格常數及第三晶格常數之間。
在某些實施例中，第二層之第一組成物係與第三層之第三組成物相同，且第二層之第二組成物係與第三層之第四組成物相同。在某些實施例中，第一組成物係與第三組成物相異。
在某些實施例中，第三分層結構之第一、第二、第三或第四組成物係選自於由AlP、GaP、InP、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb、及InSb所組成之群組之III-V族二元合金。
在某些實施例中，分層結構之第二層具有第一厚度，且第三層具有第二厚度，且其中選擇第一厚度及第二厚度，使得至少部分地由第一厚度、第二厚度及相鄰層間晶格常數差異所定義的在分層結構中之總應變係接 近零。在某些實施例中，分層結構包含了於第三層上之第二層及第三層之重複結構。
在某些實施例中，分層結構係實現成垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)磊晶晶圓。在某些實施例中，垂直共振腔面射型雷射磊晶晶圓具有小於10μm之彎曲度量測。在某些實施例中，分層結構之第一鍺基板層係單一鍺晶圓，且單一鍺晶圓之上表面之晶格常數係等於主體鍺基板之晶格常數。在某些實施例中，分層結構之第一鍺基板層包含在矽層上之氧化層上的鍺晶圓。鍺晶圓之上表面之晶格常數係等於主體鍺基板之晶格常數。
在某些實施例中，第一鍺基板層包含在矽層上的鍺晶圓，且鍺晶圓之上表面之晶格常數等於主體鍺基板之晶格常數。在某些實施例中，第一鍺基板層包含在主體鍺晶圓(bulk germanium wafer)之內的一個或多個多孔(porous)鍺層，且相鄰第二層之主體鍺晶圓之上表面之晶格常數係等於(不具有多孔部分的)主體鍺基板之晶格常數。
在某些實施例中，第一鍺基板層包含圖形化鍺晶圓，圖形化鍺晶圓具有第一鍺部分及與第一鍺部分在空間上不重疊之第二鍺部分，且在圖形化鍺晶圓中，第一區域或第二區域之上表面之晶格常數係等於主體鍺基板之晶格常數。
在某些實施例中，分層結構之第一鍺基板層包含生長在鍺晶圓之上的鍺錫晶圓(GexSn1-x，0
Figure 107141755-A0305-02-0005-1
x
Figure 107141755-A0305-02-0005-2
1)之分層結構。在某些實施例中，在第一鍺基板層上生長磊晶鍺層，其中磊晶鍺層係用於承載嵌入式元件(embedded device)，且其中嵌入式元件係選自於由Ge APD(Ge Avalanche Photo Diode)、GaAs PIN及鍺電晶體所組成之群組。在某些實施例中，分層結構進一步包含第二鍺層， 第二鍺層具有第一晶格常數，第二鍺層係直接或間接在第三層之上，以及第四層，第四層具有磊晶生長在第二鍺層之上的第一組成物及第二組成物，其中選擇在第四層中之第一組成物及第二組成物之間之第三比率，以提供第四層之第四晶格常數用以抵消來自第二鍺層之下的層的總應變。
100:分層結構
102:鍺基板
104:第二層
106:附加層
200:晶格結構
208:第二鍺層
300、302、308、314:數據圖
304、306、310、312、316、318:長條圖
400:示意圖
402、404:三維圖
406:曲線圖
500、502、504、508:示意圖
506、510、512、514:滑線區域
516:水平線
600、602、608、618、626:示例基板結構
604、610、620、628:其他層
606:鍺基板
612、630:鍺層
614:氧化層
616、632:矽層
622:鍺子層
624:多孔鍺部分/子層
634、636、638:基板
700:流程圖
702、704、706:步驟
結合圖式，本揭露的進一步特徵的性質及各種優點在考量以下詳細的描述之下將變得顯而易見，其中：第1圖係繪示根據說明性實施例之在鍺基板上生長應變平衡垂直共振腔面射型雷射之分層結構；第2圖係繪示根據說明性實施例之在鍺基板上生長應變平衡垂直共振腔面射型雷射之分層結構，鍺基板包含中介鍺層；第3圖係繪示根據實施例之示例圖式300，其分別示出了比較不同類型的基板之間的晶格不匹配、晶圓彎曲度及晶圓翹曲度(warp)的數據圖；第4圖係繪示根據說明性實施例之晶圓彎曲度之示意圖；第5圖係繪示根據說明性實施例之各種分層結構之晶格錯位；第6圖係繪示根據說明性實施例之對於以第1圖和第2圖來描述的鍺基板102之各種示例基板結構；以及第7圖係繪示根據說明性實施例之用以生長分層結構100之製程的流程圖700。
本文描述的結構及方法提供了一種應變平衡半導體結構。舉例來說，本文描述的半導體結構可應用於垂直共振腔面射型雷射。本文揭示的結構及方法包含了在鍺基板之上生長GaAsAl層。
第1圖根據說明性實施例繪示分層結構100之示意圖。在第1圖中描述之分層結構100可以單一磊晶製程、分子束磊晶(molecular beam epitaxy,MBE)、金屬有機氣相磊晶(metalorganic vapor phase epitaxy,MOCVD)或其他習知的磊晶沉積技術中的任一種來製造。根據製程之要求，用來沉積材料的沉積工具可以是單一腔室，或可以利用任何習知的集束型設備(cluster tool)形式，於其中，製程的特定部分係在不同的連接腔體中完成，或可以使用多個沉積工具。舉例來說，附加層106可包含IV族層、III-V族半導體層、稀土磷屬化物(rare earth pnictide)層、稀土氧化物(rare earth oxide)層、及/或其他相似的層，但不限於此。
第1圖之分層結構100包含鍺基板102、生長在鍺基板102上的GaAs/AlAs層104，以及生長在GaAs/AlAs層104上的附加層106。在某些實施例中，GaAs/AlAs層104可包含GaAs及AlAs的多個子層。在某些實施例中，若以傳統的GaAs基板來生長GaAs/AlAs層104，在GaAs/AlAs層104中的鋁濃度增加(例如，在垂直共振腔面射型雷射中)會導致晶格不匹配。舉例來說，在垂直共振腔面射型雷射中，GaAs/AlAs層104可具有3μm或大於3μm的厚度，且當加總整個GaAs/AlAs層104的多個子層的不匹配時，存在於GaAs/AlAs層104的AlAs子層以及傳統GaAs基板之間的晶格不匹配可具有顯著影響。此外，由於生長在GaAs基板上的任何層可具有某種程度的晶格不匹配，當生長在GaAs上的層組合造成晶格不匹配增加，或在半導體結構內具有重複的成對GaAs層結構，晶格不匹配可以是顯著的。這樣的晶格不匹配在結構200中可造成彎曲， 例如，與分層結構100對應的未固定晶圓(un-clamped wafer)的中間表面的中心點可從中間表面偏移至參考平面。最終的彎曲可具有隨著晶圓的大小增加的曲率半徑，例如，晶圓越大，對應晶圓的曲率半徑變得更顯著。舉例來說，在200-mm晶圓中對應於彎曲度的曲率半徑將大於在100-mm晶圓中對應於彎曲度的曲率半徑。此彎曲會限制GaAs型雷射結構的可擴展性(scalability)。因此，為了避免或降低因為使用GaAs基板的晶格不匹配所造成的彎曲，在分層結構100中，使用了鍺基板102以在其上生長具有高濃度Al的GaAs/AlAs層104。鍺層的晶格常數與GaAs/AlAs層的晶格常數相當，舉例來說，鍺晶圓的晶格常數通常介於GaAs層以及AlAs層的晶格常數之間。因此，鍺層可以用來降低生長在分層結構100中的GaAs/AlAs層所造成的晶格不匹配。由於鍺的楊氏係數是90x109Pa(大於GaAs的楊氏係數，例如，85x109Pa)，鍺產生比GaAs更佳的機械強度，因此，對於尺寸為200mm且於其上有顯著面積受到彎曲度影響的晶圓，鍺可以提供比使用傳統的GaAs基板更堅固的基板(102)。此外，儘管晶圓可能具有與生俱來的瑕疵，鍺具有遠低於GaAs的蝕刻-間距密度(etch-pitch density)，這使得所生產的晶圓具有較少的雜質。
在某些實施例中，在分層結構100中，鍺基板102以及GaAs/AlAs層104之間可包含一個或多個中介層。在某些實施例中，中介層可以是一般的III-V族層。
第2圖係繪示根據說明性實施例之分層結構200之示意圖。分層結構200可建立在分層結構100上。舉例來說，第二鍺層208可磊晶生長在附加層106的頂部上，使得另一個GaAs/AlAs堆疊層可生長在第二鍺層208上。
在某些實施例中，第二鍺層208(或多個鍺層)生長在分層結構200中。在某些實施例中，第二鍺層208也可以是Ge1-x-ySixSny(0
Figure 107141755-A0305-02-0009-3
x,y
Figure 107141755-A0305-02-0009-4
1)形式的IV族合金，當x=y=0，其等同於鍺層。中介鍺層改善了在GaAs/AlAs層104內的高濃度鋁的晶格匹配。這降低了基板層102(鍺基板102)及GaAs/AlAs層104之間的應變。降低了在鍺基板102及GaAs/AlAs層104之間的應變則提高了結構200的穩定性。應注意在第2圖中所示的二個鍺層102及208只用於說明的目的。可以在分層結構中安排多個(多於二個)鍺層，以在單一分層結構中運用包含有鍺層以及生長於其上的GaAs/AlAs層的重複結構，以提高結構200的穩定性。
在某些實施例中，鍺層102及208的厚度可以不同。第二鍺層208的厚度可取決於在第二鍺層208下方的各種層所引入的晶格不匹配，或是在第二鍺層208上方的各層所引入的晶格不匹配。在某些實施例中，可在晶格結構200中生長不只一個中介鍺層，以增強在晶格結構200中的穩定性。
第3圖係繪示根據實施例之示例圖式300，其分別示出了比較不同類型的基板之間的晶格不匹配、晶圓彎曲度及晶圓翹曲度的數據圖302、308及314。數據圖302利用厚度以及晶格不匹配的乘積作為性能指標(performance metric)，以比較GaAs晶圓及Ge晶圓之間的性能。長條圖304表示具有GaAs晶圓以及在GaAs晶圓上的磊晶膜的分層結構的厚度及晶格不匹配的乘積。長條圖306表示具有Ge晶圓以及在Ge晶圓上的磊晶膜的分層結構(類似第1圖中的分層結構100)的厚度及晶格不匹配的乘積。如第3圖所繪示，在使用GaAs晶圓的情況下，厚度及晶格不匹配的乘積接近0.4，當使用Ge晶圓替代時，厚度及晶格不匹配的乘積降低至-0.05，如長條圖306所示。
在數據圖308中，晶圓彎曲度之量測被用作為性能指標，以比較GaAs晶圓及Ge晶圓之間的性能。長條圖310表示在具有GaAs晶圓以及在GaAs晶圓上的磊晶膜的分層結構中所產生的彎曲度的量測。長條圖312表示在具有Ge晶圓以及在Ge晶圓上的磊晶膜的分層結構中(類似於第1圖的分層結構100)所產生的彎曲度的量測。如第3圖所繪示，在以GaAs晶圓作為基板的情況下，所產生的彎曲度接近90μm，而當以Ge晶圓替代，彎曲度降低至-5μm，如長條圖312所示。
數據圖314以晶圓翹曲度的量測作為性能指標，來比較GaAs晶圓以及Ge晶圓的性能。長條圖316表示在具有GaAs晶圓以及在GaAs晶圓上的磊晶膜的分層結構內所產生的翹曲度的量測。長條圖318表示在具有Ge晶圓以及在Ge晶圓上的磊晶膜的分層結構(類似於第1圖的分層結構100)內所產生的翹曲度的量測。如第3圖所繪示，在以GaAs晶圓作為基板的情況下，所產生的翹曲度接近180μm，而當以Ge晶圓替代，所產生的翹曲度降低至約40μm，如長條圖318所示。
在厚度及晶格不匹配的乘積、晶圓彎曲度及晶圓翹曲度的量測中的顯著降低是因為鍺基板具有的晶格常數介於GaAs及AlAs的晶格常數之間，且因此由GaAs層施加在Ge層上的應力方向和由AlAs層施加在Ge層上的應力方向相反，相反的應力因而可在某些程度上互相抵消。在以GaAs作為基板的情形下，GaAs/AlAs層在相同方向上施加了磊晶膜的應力，這是因為GaAs基板相較於其上的材料具有最小的晶格常數或具有與其上材料相同的晶格常數。
第4圖係繪示根據說明性實施例分別使用Ge基板或GaAs基板時的分層結構的三維圖。三維圖402係繪示具有Ge晶圓以及在Ge晶圓上的磊晶 膜的分層結構(類似第1圖的分層結構100)。三維圖404係繪示具有GaAs晶圓以及在GaAs晶圓上的磊晶膜的分層結構。從三維圖404中清楚看出，由GaAs晶圓及磊晶膜所產生的高階彎曲度超過了完成完整的晶圓圖所允許的最大彎曲度。第4圖中的曲線圖406係繪示晶圓彎曲度的量測，其所量測的分層結構包含了由在GaAs基板上的10%的AlGaAs以及在Ge基板上的90%的AlGaAs所組成的磊晶膜。從此曲線中清楚看出，由磊晶膜在GaAs晶圓上產生的彎曲度係遠高於由磊晶膜在Ge基板上產生的彎曲度。因Ge晶圓而降低的彎曲度提高了具有Ge晶圓的分層結構的性能。
第5圖所示的示意圖500繪示了根據說明性實施例之在各種分層結構的晶格錯位(dislocation)(示意圖502、504及508)。以晶圓上的滑線來表示晶格錯位。滑線係在晶圓內部，並導致元件可靠度失效。在某些實施例中，具有大數值彎曲度的晶圓的固有機械力在分層結構內部產生並驅動了錯位，這增加了分層結構的基板上的滑線。因此，降低晶圓彎曲度將減少或消除分層結構的基板上的滑線。示意圖502表示Ge晶圓的快照。Ge晶圓快照包含了橫跨晶圓的水平線516，其為量測的人造物。示意圖504表示Ge晶圓以及在Ge晶圓上的磊晶膜的快照。示意圖504繪示了由在Ge晶圓上的磊晶膜所造成的應變在Ge晶圓中產生的滑線區域。示意圖508表示GaAs晶圓以及在GaAs晶圓上的磊晶膜的快照。示意圖508表示由在GaAs晶圓上生長的磊晶膜在GaAs晶圓中產生的滑線區域510、512及514。從這些快照中清楚看出，在GaAs晶圓中比在Ge晶圓中有更多滑線。這是因為在Ge晶圓上由磊晶膜所產生的應力遠低於在GaAs晶圓上由磊晶膜所產生的應力。
對於以第1圖和第2圖來描述的鍺基板102，第6圖係繪示根據說明性實施例之各種示例基板結構。舉例來說，鍺基板(例如，見第1圖至第2圖中的鍺基板102)可包含單一晶圓或分層結構。在第6圖中所描述的各種基板結構可以具有不同的組合，在不同的組合中包含多個鍺的部份。舉例來說，各種基板可以是鍺晶圓(例如，見示例基板結構602)、具有生長在氧化物以及矽上的鍺的分層結構(例如，見示例基板結構608)、含有多孔鍺部分的鍺層的分層結構(例如，見示例基板結構618)或是具有生長在矽層上的鍺的分層結構(例如，見示例基板結構626)及/或其他類似的結構。在第6圖中所描述的示例基板結構602、608、618及626可作為起始基板(starting template)以生長附加層，且示例基板結構602、608、618及626的上表面具有的晶格常數等於主體鍺基板的晶格常數。各種基板結構可在各種性質上相異，舉例來說，像是機械強度、熱傳導性及蝕刻間距密度，使得各種基板結構由於其組合的方式而得以支持不同的機能。
分層結構602繪示了在鍺晶圓606之上可生長其他層604。鍺晶圓606上表面的晶格常數大致上等於主體鍺基板的晶格常數。
分層結構608繪示了基板結構634，基板結構634包含了鍺層612、氧化層614以及矽層616。鍺層612生長在氧化層614上，且氧化層614生長在矽層616上。在另一個實施方式中，在氧化層614上的鍺層612的生長可以是接合製程(bonding process)的結果。分層結構608中的其他層610部分則可生長在鍺層612上。鍺晶圓612上表面的晶格常數大致上等於主體鍺基板的晶格常數。
分層結構618繪示了基板結構636，基板結構636包含了多孔鍺部分/子層624。基板結構636可以是具有位於鍺子層622及640之間的多孔鍺子層624的主體鍺晶圓。其他層620可以生長在鍺子層622上。在另一個實施方式中，在分層結構618中，多孔鍺子層624以及鍺子層640的多次重複可用來達成晶格常數的期望水準。鍺子層622可以生長在多次重複的多孔鍺子層624以及鍺子層640的頂部上。主體鍺晶圓636的上表面也是鍺子層622的上表面，其晶格常數大致上等於(不具有多孔部分的)主體鍺基板的晶格常數。
分層結構626繪示了基板結構638，基板結構638包含了鍺層630以及矽層632，其中鍺層630係生長在矽層632上。鍺晶圓630上表面的晶格常數大致上等於主體鍺基板的晶格常數。
在某些實施例中，基板結構634、636及638的晶格常數大約等於分層結構602中的鍺606的晶格常數。在某些實施例中，鍺606可以基板結構634、636及638中的任一個來取代。
在某些實施例中，鍺基板606可包含圖形化的鍺晶圓。舉例來說，鍺晶圓具有空間上不重疊的鍺部分，例如，條紋、格子及/或其他類似的圖案。圖形化鍺晶圓上表面的晶格常數等同於主體鍺基板的晶格常數。
在某些實施例中，鍺基板606可包含生長在鍺晶圓之上的鍺錫晶圓(GexSn1-x，0
Figure 107141755-A0305-02-0013-5
x
Figure 107141755-A0305-02-0013-6
1)。
在某些實施例中，在鍺基板上生長了附加磊晶鍺層。磊晶鍺層可用於承載嵌入式元件，且其中嵌入式元件係選自由鍺APD、GaAs PIN及鍺電晶體所組成的群組中。
第7圖係繪示根據說明性實施例生長分層結構100的製程的流程圖700。流程圖700開始於步驟702，取得具有第一晶格常數的第一鍺基板(例如，第1圖的鍺基板102)。
在步驟704中，具有第二晶格常數的第二層104(例如，GaAs/AlAs層104)被配置在第一鍺基板層102上。第二層具有第一組成物(例如，GaAs)以及第二組成物(例如，AlAs)的複合物，且在第一組成物及第二組成物之間具有第一比率。舉例來說，「配置」意指生長(磊晶)或設置，或藉由任何其他的方法使得附加層存在於層的頂部上。在某些實施例中，第一或第二組成物可以是III-V族二元合金，像是AlP、GaP、InP、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb及InSb，但不受限於這些合金。
在步驟706中，具有第三晶格常數的第三層(例如，在第1圖中的任何附加層)被配置(例如，磊晶生長或設置)在第二層上。第三層具有第三組成物以及第四組成物的複合物，且在第三組成物及第四組成物之間具有第二比率。在某些實施例中，第三或第四組成物可以是III-V族二元合金，像是AlP、GaP、InP、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb及InSb，但不受限於這些合金。選擇第一比率以及第二比率，使得第一晶格常數介在第二晶格常數以及第三晶格常數之間。在這樣的情況下，在第一鍺基板以及第二層之間的晶格不匹配所導致的應變可藉由在第二層以及第三層之間(在相反方向上)的晶格不匹配來抵消。具體地，選擇第二層的厚度以及第三層的厚度，使得至少部分地由各層的厚度以及相鄰的層之間的晶格常數差異來定義的分層結構的總應變接近零。
本文描述的生長及/或沉積可以使用一個或多個化學汽相沉積(chemical vapor deposition,CVD)、金屬有機化學氣相沉積(metalorganic chemical vapor deposition,MOCVD)、有機金屬氣相磊晶(organometallic vapor phase epitaxy,OMVPE)、原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy,MBE)、鹵化物氣相磊晶(halide vapor phase epitaxy,HVPE)、脈衝雷射沉積(pulse laser deposition,PLD)及/或物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)執行。
如本文描述，「層」意指覆蓋一表面的厚度大致上均勻的材料。層可以是連續的或者不連續的(亦即，材料的區域之間有間隙)。舉例來說，層可以完全地或部分地覆蓋一表面，或分割成離散區域，這些離散區域則共同地定義這個層(亦即，使用選擇性區域磊晶所形成的區域)。
通常藉由設置在表面上之沉積層，形成在基板之表面上的單晶整合(Monolithically-integrated)。
「設置在...上」指的是「存在於底下的材料或層上」。此層可包含中介層，像是過渡層，設置中介層是為了確保提供合適的表面。舉例來說，當材料被描述成「設置在基板上」，這可以指的是(1)此材料與基板係緊密接觸或(2)此材料係藉由存在於基板上之一個或多個過渡層與基板接觸。
單晶(Single-crystal)指的是大致上只有包含一種晶胞的晶體結構。然而，單晶層可能表現某些晶體缺陷，像是疊差(stack faults)、錯位或其他常見的晶體缺陷。
單域(Single-domain)所指的是晶體結構則大致上只包含一種晶胞結構，且該晶胞大致上只有一個方位(orientation)。換句話說，單域晶體不表現出雙晶或反相域。
單相(Single-phase)所指的是晶體結構則是單晶且單域的。
基板指的是在其上形成有沉積層的材料。例示性基板包含：主體鍺晶圓以及主體矽晶圓，其中的晶圓包含了厚度均勻的單晶矽或鍺；複合晶圓，像是絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator)晶圓，其包含了設置在主體矽操作晶圓(bulk silicon handle wafer)上的二氧化矽層，以及設置在二氧化矽層上的矽層；或多孔鍺、氧化物及矽上的鍺、矽上的鍺、圖形化鍺、鍺上的鍺錫、及/或其他類似的材料，如與第6圖相關的描述；或任何在其上或其內形成元件且可作為基底層的其他材料，但不受限於這些材料。所述適合的其他材料的示例，作為應用的功能，包含作為基板層及主體基板可以是鋁、砷化鎵、磷化銦、矽石(silica)、二氧化矽、硼矽酸鹽玻璃(borosilicate glass)、耐火玻璃(pyrex)及藍寶石，但不受限於這些材料。基板可具有單一主體晶圓，或多個子層。具體地，基板(例如，矽、鍺等等)可包含多個不連續的多孔部分。多個不連續的多孔部分可具有不同密度，且可以是水平分佈的或垂直分層的。
錯切基板(miscut substrate)指的是該基板包含了以與該基板的晶體結構相關聯的一角度指向的表面晶格結構。舉例來說，6°錯切<100>矽晶圓包含了被以相對於<100>晶體方向6°角切割而朝向另一個主要晶體方向，像是方向<110>，的<100>矽晶圓。通常，但不必須，錯切將達到接近20°。除非特別指出，慣用語「錯切基板」包含具有任意主要晶體方向的錯切晶圓。也就是 說，<111>晶圓朝向<011>方向錯切、<100>晶圓朝向<110>方向錯切，以及<011>晶圓朝向<001>方向錯切。
半導體指的是任何具有介於絕緣體之導電性及大部分金屬的導電性之間的導電性的固體物質。示例半導體層係由矽組成。半導體層可包含單一主體晶圓或多個子層。具體地，矽半導體層可包含多個不連續的多孔部分。多個不連續的多孔部分可具有不同密度，且可以是水平分佈的或垂直分層的。
絕緣層上覆半導體(Semiconductor-on-Insulator)指的是包含單晶半導體層、單相介電層及基板的複合物，其中介電層放置在半導體層及基板層之間。此結構係使人聯想到先前技術絕緣層上覆矽(「SOI」)複合物，其通常包含單晶矽基板、非單相介電層(例如，非晶二氧化矽等等)及單晶矽半導體層。介於先前技術絕緣層上覆矽晶圓及具進步性的絕緣層上覆半導體複合物之間的幾個重要的區別是：絕緣層上覆半導體複合物包含具有單相型態的介電層，而絕緣層上覆矽晶圓沒有。實際上，典型絕緣層上覆矽晶圓的絕緣層甚至不是單晶。
絕緣層上覆半導體複合物包含矽、鍺或矽鍺「主動」層，而先前技術絕緣層上覆矽晶圓使用的是矽主動層。換句話說，示例絕緣層上覆半導體包含絕緣層上覆矽、絕緣層上覆鍺、以及絕緣層上覆矽鍺，但其所包含的物質並不受限於這些。
本文描述及/或描繪的第一層「配置在第二層上」、「在第二層上」或「在第二層之上」可指第一層緊鄰第二層，或可以是指有一個或多個中間層在第一層及第二層之間。本文描述及/或描繪的第一層「直接在第二層或基板上」或「直接在第二層或基板之上」係指第一層緊鄰第二層或基板，而不具有中間 層的存在，除了可能的由於第一層與第二層或基板的混合而形成的中間合金層。此外，本文描述及/或描繪的第一層「在第二層或基板上」、「在第二層或基板之上」、「直接在第二層或基板上」或「直接在第二層或基板之上」係指第一層可完全覆蓋第二層或基板，或是部分覆蓋第二層或基板。
在層生長期間，基板係放置在基板座上，基板或層的表面中離基板座最遠的就是頂表面或上表面，而基板或層的表面中離基板座最近的就是底表面或下表面。本文描述及描繪的任何結構可以是較大的結構的一部分，且所描述的結構之上及/或之下具有附加層。為清楚起見，儘管這些附加層可以是揭露的結構的一部分，本文之圖式可省略這些附加層。此外，所描述的結構可以單元式地重複，即使此重複未在圖式中描述。
從以上描述中顯而易見的是，在不脫離本揭露的範圍的情況下，可以使用各種技術來實現本文描述的概念。所描述的實施例在所有態樣都被認為是說明性的而非限制性的。還應當理解，本文描述的技術和結構不限制於本文描述的特定示例，而是可以在不脫離本揭露的範圍的情況下以其他示例實現。類似地，雖然在圖式中以特定順序描繪了操作，但是這不應該被理解為要求以所示的特定順序或按順序執行這些操作，或者執行所有示出的操作以實現期望的結果。
100:分層結構
102:鍺基板
104:第二層
106:附加層

Claims (20)

  1. 一種分層結構，其包含：一第一鍺基板層，其具有一第一晶格常數及一第一厚度；一第二層，其具有一第二晶格常數及一第二厚度且磊晶生長在該第一鍺基板層上，其中該第二層為一第一組成物及一第二組成物之一複合物，且具有該第一組成物及該第二組成物之一第一比率；以及一第三層，其具有一第三晶格常數及一第三厚度且磊晶生長在該第二層上，其中該第三層為一第三組成物及一第四組成物之一複合物，且具有該第三組成物及該第四組成物之一第二比率；其中：選擇該第一比率及該第二比率，使得該第一晶格常數介於該第二晶格常數及該第三晶格常數之間；該第一鍺基板層和該第二層之間的第一晶格不匹配被該第一鍺基板層和該三層之間的第二晶格不匹配所抵銷，以減少該分層結構之一總應變，選擇該第二厚度及該第三厚度，使得該分層結構中之該總應變相對於該第一鍺基板層為接近於零，該總應變至少部分地由以下定義：(a)該第二厚度，(b)該第三厚度，和(c)相鄰層之間的晶格常數差異，以及在整個該分層結構中，該分層結構具有單一的面內晶格間距。
  2. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一組成物係與該第三組成物相同，且該第二組成物與該第四組成物相同。
  3. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一組成物係與該第三組成物相異。
  4. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一組成物、該第 二組成物、該第三組成物或該第四組成物係選自於由AlP、GaP、InP、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb、以及InSb所組成之群組之III-V族二元合金。
  5. 如請求項1所述之分層結構，其進一步包含：於該第三層上之該第二層及該第三層之一重複結構。
  6. 如請求項1所述之分層結構，其中該分層結構係實現成一垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)磊晶晶圓。
  7. 如請求項6所述之分層結構，其中該垂直共振腔面射型雷射磊晶晶圓具有小於10μm之一彎曲度量測。
  8. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一鍺基板層係一單一鍺晶圓，且該單一鍺晶圓之一上表面之一晶格常數係等於一主體鍺基板之一晶格常數。
  9. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一鍺基板層包含一鍺晶圓，該鍺晶圓在一矽層上的一氧化層上；並且其中該鍺晶圓之一上表面之一晶格常數係等於一主體鍺基板之一晶格常數。
  10. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一鍺基板層包含在一矽層上之一鍺晶圓；以及其中該鍺晶圓之一上表面之一晶格常數係等於一主體鍺基板之一晶格常數。
  11. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一鍺基板層包含在兩個鍺子層之間之一或多個多孔鍺子層；以及其中相鄰該第二層的該第一鍺基板層之一上表面之一晶格常數係等於一主體鍺基板之一晶格常數。
  12. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一鍺基板層包含一圖形化鍺晶圓，該圖形化鍺晶圓具有一第一鍺部分及與該第一鍺部分在空間上不重疊之一第二鍺部分；以及其中在該圖形化鍺晶圓中，一第一區 域或一第二區域之一上表面之一晶格常數係等於一主體鍺基板之一晶格常數。
  13. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一鍺基板層包含生長在一鍺晶圓上的一鍺錫晶圓(GexSn1-x，0
    Figure 107141755-A0305-02-0022-7
    x
    Figure 107141755-A0305-02-0022-8
    1)之一分層結構。
  14. 如請求項1所述之分層結構，其進一步包含：一磊晶鍺層，該磊晶鍺層生長在該第一鍺基板層上，其中該磊晶鍺層係用於承載一嵌入式元件，且其中該嵌入式元件係選自於由Ge APD、GaAs PIN以及鍺電晶體所組成之群組。
  15. 如請求項1所述之分層結構，其進一步包含：一第二鍺層，其具有該第一晶格常數，該第二鍺層係直接或間接在該第三層上；以及一第四層，其具有在該第二鍺層上磊晶生長之該第一組成物及該第二組成物；其中選擇在該第四層中之該第一組成物及該第二組成物之間之一第三比率，以提供該第四層之一第四晶格常數用以抵消來自該第二鍺層下的層的一總應變。
  16. 如請求項1所述之分層結構，其中該第一晶格不匹配製造該第一鍺基板層和該第二層之間的第一應變，該第二晶格不匹配製造該第一鍺基板層和該第三層之間的第二應變，以及該第一應變與該第二應變的方向相反，使該第二應變抵銷該第一應變。
  17. 一種分層結構之生長方法，其包含： 取得一第一鍺基板層，該第一鍺基板層具有一第一晶格常數及一第一厚度；配置一第二層，該第二層磊晶生長在該第一鍺基板層上且具有一第二晶格常數及一第二厚度，其中該第二層為一第一組成物及一第二組成物之一複合物，且具有在該第一組成物及該第二組成物之一第一比率；以及配置一第三層，該第三層磊晶生長在該第二層上且具有一第三晶格常數及一第三厚度，其中該第三層為一第三組成物及一第四組成物之一複合物，且具有在該第三組成物及該第四組成物之一第二比率；其中選擇該第一比率及該第二比率，使得該第一晶格常數介於該第二晶格常數及該第三晶格常數之間；該第一鍺基板層和該第二層之間的第一晶格不匹配被該第一鍺基板層和該三層之間的第二晶格不匹配所抵銷，以減少該分層結構之一總應變，選擇該第二厚度及該第三厚度，使得該分層結構中之該總應變相對於該第一鍺基板層為接近於零，該總應變至少部分地由以下定義：(a)該第二厚度，(b)該第三厚度，和(c)相鄰層之間的晶格常數差異，以及在整個該分層結構中，該分層結構具有單一的面內晶格間距。
  18. 如請求項17所述之分層結構之生長方法，其進一步包含：配置一第二鍺層，該第二鍺層具有該第一晶格常數，且該第二鍺層係直接或間接在該第三層上；以及配置一第四層，具有磊晶生長在該第二鍺層上的該第一組成物及該第二組成物； 其中在該第四層中，選擇該第一組成物及該第二組成物之間之一第三比率，以提供該第四層之一第四晶格常數用以抵消來自該第二鍺層下的層的一總應變。
  19. 如請求項17所述之分層結構之生長方法，其中該第一鍺基板層包含一圖形化鍺晶圓，該圖形化鍺晶圓具有一第一鍺部分及與該第一鍺部分在空間上不重疊之一第二鍺部分；以及其中在該圖形化鍺晶圓中，一第一區域或一第二區域之一上表面之一晶格常數係等於一主體鍺基板之一晶格常數。
  20. 如請求項17所述之分層結構之生長方法，其中該第一晶格不匹配製造該第一鍺基板層和該第二層之間的第一應變，該第二晶格不匹配製造該第一鍺基板層和該第三層之間的第二應變，以及該第一應變與該第二應變的方向相反，使該第二應變抵銷該第一應變。
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