半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在光学应用中使用的半导体装置及其制造方法。
【背景技术】
[0002]为了满足未来计算系统的需要，可能需要更高速度和更高能效的电互连的替代，例如，芯片上(on-chip)光学互连和芯片间(chip-to-chip)光学互连。集成光学，特别是硅光子学，可适当地满足这样的需求。为了有成本效益地批量制造具有适合于用于高速装置和/或应用中的执行性能的基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的芯片，要提供具有兼容光源的集成光学互连。在此情况下的问题是，由于硅的间接带隙，没有基于硅的光源是可利用的和/或可被使用的。已经通过采用基于II1-V半导体材料系统设法解决该问题，基于II1-V半导体材料系统典型地提供为结合硅电子学和更一般的基于硅平台的集成光学使用的光源。然而，与此相关的问题由II1-V化合物半导体和硅之间的晶格失配造成，使得在硅平台上直接的单片集成基于II1-V的光源的变得复杂。在前面提出的方法中，为了便于这样的集成，采用接合的基于II1-V的预处理的光源或者毯覆增益材料。这样，在将预处理的基于II1-V的光源接合到给定的波导结构时，实现相对高精度对准可能耗时并具有挑战，特别是因为对准精度可能受到接合工艺的进一步限制。为了在预处理的硅基波导上接合毯覆式的II1-V材料，可采用设置在硅晶片上的对准标记，其设置用于II1-V层的图案化中涉及的光刻步骤。因为基于诸如II1-V材料化合物半导体系统的光源相对于诸如硅波导和/或共振器的对准精度可能相当取决于光刻精度，所以对于一定的应用这样的对准精度可能是不足够的。通常，与单片集成相比，这种异质/混合的集成光学系统固有的具有较低的定位精度。此外，就产量而言，异质/混合的集成可能与集成电子所提供的标准不匹配。对于此，例如对于单个装置，产量特征(yield feature)典型的在90%范围内。
[0003]进一步需要为异质/混合光学系统考虑的问题，特别用于硅光电子的II1-V基光源，该问题涉及如何在这样的系统中定位生成的光。对于此，可能是该光主要位于与具有II1-V材料系统具有相对较小重叠的硅中，这会致使相对低的材料增益以及高阈值电流。或者，光可以主要位于II1-V材料系统中，在这种情形下，与增益部分具有相对好的重叠，并且，失真谐振器的可能性会有助于相对低的光学输出功率。
[0004]在此之前所提出的在硅平台上使用混合/非集成制造设备/系统已经被描述在下列文档中:参见Optics Express,第14卷，第20期，第9203-9210页，2006中出版的，作者为 Fang 等人，标题为 “Electrically pumped hybrid AlGaInAs-Silicon evanescentlaser”的文档，在Optics Express,第15卷，第11期，第6744-6749页，2007中出版的，作者为 Van Campenhout 等人，标题为 “Electrically pumped InP-based microdisk lasersintegrated with a nanophotonic silicon-on-1nsulator waveguide circuit，，的文档。在 IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron,第 5 卷，第 3 期，第 520-529 页，1999 中出版的，作者为 Boucart 等人，标题为 “Metamorphic DBR and tunnel-junct1n inject1n:ACff RT monolithic long-wave length VCSEL” 的文档，以及在 IEEE Journal of selectedtopics in quantum electronics,第 14 卷，n0.4，第 1171-1179 页，2008 中出版的，作者为Mi 等人，标题为“Pseudomorphic and metamorphic quantum dot heterostructures forlong-wave length lasers on GaAs and Si，，的文档。
[0005]在Materials Today,第10卷，第7_8期，第36_43页，2007中出版的，作者为Roelkens 等人，标题为“II1-V/Si photonics by die to wafer bonding” 的文档中，描述了使用聚合物粘合剂的II1-V族层到硅晶片的结合。这篇文献看起来不包含任何关于以下的教导，在光学性质和/或功能上，根据一个光学装置/系统适用于在一个给定的光学应用中，可解决/提供一种与先前提出的如以上所描述的关于混合/异质集成光学系统的光学设备/系统相关联的问题的方案。
[0006]现在参考在Appl.Phys.Lett.，第 96 卷，142106，2010 中出版的，作者为 Yokoyama 等人，标题为“II1-V semiconductor-on-1nsulator n-channelmetal-1nsuIator-semiconductor field-effect transistors with buried A1203layers and sulphur passivat1n:Reduct1n in carrier scattering at the bottominterface”的文档，其中描述了通过接合(bonding)耔晶层以及执行连续增长所制造的II1-V族硅上晶体管。该文档似乎不包含任何在光学性质和/或功能上的教导，使得光学装置/系统适用于在一个给定的光的应用程序能够处理/提供一种对先前提出的关于混合/异质集成光学系统的与光学设备/系统相关联的问题的方案。
[0007]在Appl.Phys.Lett.，第91卷，021114，2007中出版的，作者为Li等人，标题为“Defect reduct1n of GaAs epitaxy on Si(001)using selective aspect rat1trapping”文档中，其报道了采用宽高比限制在硅上氧化物沟槽中的II1-V外延。还参考 J.Electrochem.Soc.156, H574, 2009 中出版的，作者为 Li 等人，标题为 “Monolithicintegrat1n of GaAs/InGaAs lasers on virtual Ge substrates via aspect-rat1trapping”的文档，其中示例了凭借宽高比限制和外延横向附晶，GaAs/InGaAs量子讲层通过金属有机化学气相沉积形成在硅上的实质Ge基板上。这些文件分别有关于解决与在硅上制造包括诸如II1-V材料系统的化合物半导体材料系统的结构相关的已知问题，这些问题可导致其中集成了这样的结构的装置的性能劣化。这样的问题涉及III/V材料系统和硅之间的晶格失配和热系数的差别。然而，这些文件中的任何一个都没有设法解决上面讨论的与混合/异质的集成光学系统和/或光源与光学结构(诸如波导，更具体的，光子结构)单片集成且光学耦合相关的问题。
[0008]在下列文档中已经报道了直接在硅平台和/或基于纳米线的发光装置和光学探测器之上的II1-V材料的外延生长:在Appl.Phys.Lett.，第97卷，163501，2010中出版的，作者为 Bjoerk 等人，标题为 “S1-1nAs hetero junct1n Esaki tunnel d1des withhigh current densities”的文档；在 Nature Photonics,第 5 卷，第 170-175 页，2011 中出版的，作者为Chen等人，标题为“Nanolasers grown on silicon”的文档，以及在NanoLetters,第11卷，第385-390页，2011中出版的，作者为Chuang等人，标题为“GaAsbased nanoneedle light-emitting d1de and avalanche photod1de monolithicallyintegrated on a silicon substrate”的文档。这些文档看起来并未解决在娃平台上单片集成II1-V基光源的问题。此外，它们没有解决/提供对于该问题和/或与混合/异质的集成光学系统相关的问题的任何方案/替代方式。
[0009]现参见Optics Express,第19卷，9221，2011中公开的，作者为Hal1ua等人，标题为“Hybrid II1-V semiconductor/silicon nanolaser”的文档，其中光泵浦一维光子空腔激光器垂直耦合到预先构型的直硅波导。激光器相对于硅波导的对准通过采用硅波导中形成的标记的电子束光刻实现，其潜在地实现了好于50nm的覆盖精度。该文档并没有公开任何电泵浦(electrical pumping)和/或光源与无源光学元件/方面的横向親合。此外，该文档看来并未提供如何解决上面所描述的与混合/异质集成的光学系统相关的问题。
[0010]在Journal of Optics,第 12 卷，065003，2010 中出版的，作者为 Baumann 等人，标题为 “Design and optical characterisat1n of photonic crystal lasers withorganic gain material”的文档中，报道了将有机增益材料旋涂至二维光子晶体之上。同时为了适于有机增益材料，旋涂相对于固态增益材料不兼容，因此，以II1-V材料系统为例。此外，该文档并未公开任何电泵浦。
[0011]现转到在Optics Express,第17卷，20998，2009中出版的，作者为Moll等人， 标题 为“Ultra-high quality-factor resonators with perfect azimuthalmodal-symmetry”的文档，该文档描述了环形光栅(circular grating)以及将该所公开的元件用作调制器。并没有提供电泵浦(electrical pumping)以及将II1-V族材料系统与硅相集成的教导。
[0012]US 2008/0128713 Al公开了一种光发射器件，包括:用于注入电子的第一电极单元，用于注入空穴的第二电极单元，以及分别电连接至第一电极单元和第二电极单元的光发射单元，其中，该光发射单元由单晶硅构成，该光发射单元具有第一表面(上部表面)以及相对于该第一表面的第二表面(下部表面)，该第一和第二表面的平面取向(planeorientat1n)被设置到(100)面，该光发射单元的厚度在正交与该第一和第二表面的方向上被制作的极薄。该文档描述了硅光源的制作及使用以及硅激光。光生成的流程看起来是基于冲击电离而不是基于直接带隙转变。进而，这篇文档看来既没有在公开光学活动方面对II1-V族材料的使用，也没有公开与硅的集合和/或对其的使用。看起来所描述的在小于1200纳米的操作使得该公开的器件对于例如采用硅波导的光传播没有吸引力。同样，该文档看来在如何解决与此前描述的混合/异质集成光学系统相关的问题没有提供教导。
[0013]US 2008/0002929A1描述了用于电泵浦混合倏逝激光器的设备和方法。一个示例是，该设备包括设置在硅中的光波导。有源半导体材料设置在光波导之上，限定光波导和有源半导体材料之间的倏逝耦合界面，使光波导要引导的光模与光波导和有源半导体材料二者重叠。电流注入通道限定为通过有源半导体材料并与光模至少部分重叠，使得光响应于有源半导体材料的电泵浦而产生，有源半