半导体器件及其制备方法与流程

1.本发明是关于半导体光电技术领域，特别是关于一种半导体器件及其制备方法。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vcsel)作为一种半导体激光器，具有尺寸小、功耗低与易于集成的优点，广泛应用于三维传感、数据中心与光纤通信等领域。垂直腔面发射激光器是从垂直于衬底面射出激光的一种新型结构的半导体激光器。垂直腔面发射激光器可以与光探测器配合使用，由垂直腔面发射激光器发射激光，光探测器感测来自垂直腔面发射激光器发射的激光照射至被探测物后的反射光束。现有技术中的垂直腔面发射激光器与光探测器之间相互独立，不利于系统的集成化及进一步小型化。
3.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种半导体器件及其制备方法，其能够在垂直方向上整合垂直腔面发射激光器与光探测器，增强光探测器的量子效率，增强激光器增益，有利于大功率激光输出。
5.为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种半导体器件，包括激光发射结构以及光探测器。激光发射结构包括发射激光束的有源区以及位于有源区上侧第一类型反射器层和位于有源区下侧的第二类型反射器层；光探测器设置于所述激光发射结构上并探测从所述有源区朝向所述光探测器方向发射至被探测物体后的反射激光束，所述光探测器内形成有空腔，所述光探测器包括自远离所述激光发射结构一侧覆盖所述空腔设置的第三反射器层，所述激光束自所述第三反射器层射出。
6.在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光发射结构还包括设置于所述第一类型反射器层远离所述有源区一侧的第一类型接触层，所述光探测器设置于所述第一类型接触层上。
7.在本发明的一个或多个实施方式中，所述光探测器在所述半导体器件厚度方向的垂直投影完全落于所述第一类型接触层内，所述第一类型接触层上于所述光探测器的外侧形成有第一电极层。
8.在本发明的一个或多个实施方式中，所述光探测器还包括形成于所述第一类型接触层上的第一类型半导体层，形成于所述第一类型半导体层背离所述第一类型接触层一侧的第三类型半导体层，形成于所述第三类型半导体层背离所述第一类型半导体层一侧的第二类型半导体层，以及形成于所述第二类型半导体层背离所述第三类型半导体层一侧的第二类型接触层，所述第二类型接触层上形成有第二电极。
9.在本发明的一个或多个实施方式中，所述空腔贯穿所述第一类型半导体层、所述第三类型半导体层、所述第二类型半导体层以及所述第二类型接触层设置，所述第三反射
器层位于所述第二类型接触层背离所述第二类型半导体层一侧，且完全覆盖所述空腔。
10.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二类型接触层上设置有基板，所述第三反射器层形成于所述基板上，且位于所述基板背离所述第二类型接触层的一侧。
11.在本发明的一个或多个实施方式中，所述基板采用不吸收激光器激射波长的材质，优选为石英基板。
12.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第三反射器层为dbr层，其中，位于最底层的层结构背离所述第二类型接触层的表面至所述第一类型接触层背离所述第一类型半导体层的表面之间的光学厚度a满足：(1/2)*m*λ，其中，m为不为0的自然数，λ为激光发射结构的激射波长。
13.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一类型为p型，所述第二类型为n型，所述第三类型为i型。
14.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一类型为n型，所述第二类型为p型，所述第三类型为i型。
15.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二类型反射器层包括dbr层，所述dbr层的周期数为35-50对。
16.在本发明的一个或多个实施方式中，所述有源区的光学厚度为(1/2+m)*λ，其中，λ为激光发射结构的激射波长，m为自然数。
17.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一类型反射器层包括dbr层，所述dbr层的周期数为3-6对。
18.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一类型接触层的厚度为50-200nm。
19.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一类型半导体层的厚度为50-200nm。
20.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二类型半导体层的厚度为50-200nm。
21.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第三类型半导体层的厚度为500-2000nm。
22.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二类型接触层的厚度为100-200nm。
23.在本发明的一个或多个实施方式中，所述半导体器件还包括衬底，所述第二类型反射器层设置于所述衬底上，所述衬底与所述第二类型反射器层之间设置有缓冲层，所述衬底上形成有电性连接所述第二类型反射器层的第三电极。
24.在本发明的一个或多个实施方式中，所述衬底为第二类型衬底，所述缓冲层为第二类型缓冲层。
25.在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光发射结构和光探测器的波长范围在850nm到1000nm之间，所述激光发射结构的激射波长和光探测器的波长保持一致。
26.本发明的实施例还提供了一种半导体器件的制备方法，包括：
27.提供衬底；
28.在所述衬底上生长构成激光发射结构的层结构，所述层结构包括依次形成于所述衬底上的缓冲层，第二类型反射器层、有源区、第一类型反射器层以及第一类型接触层；
29.在所述第一类型接触层上生长构成光探测器的层结构，所述层结构包括依次形成于所述第一类型接触层上的第一类型半导体层、第三类型半导体层、第二类型半导体层以及第二类型接触层；
30.刻蚀所述第二类型接触层、第二类型半导体层、第三类型半导体层以及第一类型半导体层，形成环形台结构；
31.于所述第二类型接触层上设置基板；
32.于所述第一类型接触层上形成电性连接所述第一类型接触层的第一电极层以及于所述第二类型接触层上形成电性连接所述第二类型接触层的第二电极层；
33.于所述衬底上形成电性连接所述第二类型反射器层的第三电极层；
34.在所述基板上形成第三反射器层。
35.在本发明的一个或多个实施方式中，所述基板采用不吸收激光器激射波长的材质，优选为石英基板。与现有技术相比，本发明实施方式的半导体器件，兼顾了激光器尺寸、输出功率等性能的同时，在垂直方向整合探测器，降低封装尺寸，微型化设计，可应用场景更广泛。
36.本发明实施方式的半导体器件，其能够在垂直方向上整合垂直腔面发射激光器与光探测器，增强光探测器的量子效率，增强激光器增益，有利于大功率激光输出。
37.本发明实施方式的半导体器件，降低了器件的封装尺寸，可较大范围应用于激光感应，测距等场景，以较低的代价增加了激光发射结构有源区的腔长，可有效提高激光输出功率，激光发射结构的第一类型反射器层的反射特性，增强投射光束的反射能力，增强探测器的吸收光程，以此可有效增加光探测器的吸收效率。
38.本发明实施方式的半导体器件，通过将光探测器和激光发射结构在垂直方向进行整合，并将光探测器构造成位于激光发射结构上的空腔结构，光探测器的表层通过第三反射器层控制，实现激光输出。激光发射结构顶端的第一类型反射器层，可以实现对透射光探测器的电磁波再次反射，有效增加光探测器吸收光程，利用光探测器内的真空腔实现激光发射结构外腔增长特点，降低激光发射结构第一类型反射器层一侧的串联电阻，提高激光发射结构的增益。
附图说明
39.图1是本发明一实施方式的半导体器件的立体结构示意图；
40.图2是本发明一实施方式的半导体器件的剖面结构示意图；
41.图3是本发明一实施方式的半导体器件的制备方法的流程示意图；
42.图4a～图4f是本发明一实施方式对应的半导体器件的制备方法的过程步骤结构示意图。
具体实施方式
43.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
44.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
45.本发明提供了一种半导体器件，包括激光发射结构以及光探测器。激光发射结构包括发射激光束的有源区以及位于有源区上侧第一类型反射器层和位于有源区下侧的第
二类型反射器层；光探测器设置于所述激光发射结构上并探测从所述有源区朝向所述光探测器方向发射至被探测物体后的反射激光束，所述光探测器内形成有空腔，所述光探测器包括自远离所述激光发射结构一侧覆盖所述空腔设置的第三反射器层，所述激光束自所述第三反射器层射出。
46.本发明通过在垂直方向上整合垂直腔面发射激光器(激光发射结构)与光探测器，增强光探测器的量子效率，增加单色性，增强激光器增益，有利于大功率激光输出。
47.下面结合具体实施例对本发明的半导体器件进行详细阐述。
48.图1是本发明一实施方式的半导体器件的立体结构示意图；图2是本发明一实施方式的半导体器件的剖面结构示意图。如图1和图2所示，本发明公开了一种半导体器件10，包括激光发射结构11以及光探测器12，光探测器12设置于激光发射结构11上用于探测激光发射结构11发射至被探测物体后的反射激光束。其中，光探测器12内形成有空腔13，光探测器12包括自远离激光发射结构11一侧覆盖空腔13设置的第三反射器层126，激光束在空腔内来回反射后自第三反射器层126射出。
49.激光发射结构11可以包垂直腔面发射激光器(vcsel)，其包括发射激光束的有源区111以及位于有源区111上侧第一类型反射器层112和位于有源区111下侧的第二类型反射器层113。可以理解的是，垂直腔面发射激光器(vcsel)属于公知的激光发射结构，因而，以下对激光发射结构11，特别是垂直腔面发射激光器(vcsel)的详细描述不限制本发明的技术范围。
50.如图2所示，激光发射结构11包括：有源区111，其为产生激光共振的腔；以及位于有源区111上侧的第一类型反射器层112、位于有源区111下侧的第二类型反射器层113。其中，有源区111的光学厚度为(1/2+m)*λ，λ为激光发射结构的激射波长，m为自然数。
51.示例性的，第一类型反射器层112为p型的分布型布拉格反射器(dbr)层，p型的分布型布拉格反射器(dbr)层的周期数为3-6对；第二类型反射器层113为n型的分布型布拉格反射器(dbr)层，n型的分布型布拉格反射器(dbr)层的周期数为35-50对。在其他示例中，第一类型也可以为n型，第二类型为p型。
52.激光发射结构11还包括：设置于第一类型反射器层112远离有源区111一侧的第一类型接触层114。第一类型接触层114的上表面上形成有第一电极层115。示例性的，第一类型接触层114为p型接触层，第一类型接触层114的厚度为50-200nm。在其他示例中，第一类型也可以为n型，第二类型为p型。
53.光探测器12设置于第一类型接触层114上，且光探测器12在半导体器件10厚度方向的垂直投影完全落于第一类型接触层114内。第一电极层115形成于光探测器12的外侧的第一类型接触层114上。
54.光探测器12包括：形成于第一类型接触层114上的第一类型半导体层121，形成于第一类型半导体层121背离第一类型接触层114一侧的第三类型半导体层127，形成于第三类型半导体层127背离第一类型半导体层121一侧的第二类型半导体层122，形成于第二类型半导体层122背离第三类型半导体层127一侧的第二类型接触层123，以及形成于第二类型接触层123上的第二电极层124。光探测器12的空腔13贯穿第一类型半导体层121、第三类型半导体层127、第二类型半导体层122以及第二类型接触层123设置。第二类型接触层123的上方设置有基板125，第二电极层124贯穿基板125设置。基板125上形成有第三反射器层
126，第三反射器层126完全覆盖空腔13设置且第三反射器层126位于基板125背离第二类型接触层123的一侧。
55.第三反射器层126为分布型布拉格反射器(dbr)层，其中，位于最底层(最靠近基板125的一层)的层结构背离基板125的表面至第一类型接触层114背离第一类型半导体层121的表面之间的光学厚度a满足：(1/2)*m*λ，其中，m为不为0的自然数，λ为激光发射结构的激射波长。第三反射器层126的反射率低于第二类型反射器层113的反射率，以保证激光束从第三反射器层126的方向射出。
56.示例性的，基板125采用不吸收激光器激射波长的材质，优选为石英基板。第一类型半导体层121为p型ingaas层，第一类型半导体层121的厚度为50-200nm。第二类型半导体层122为n型ingaas层，第二类型半导体层122的厚度为50-200nm。第三类型半导体层127为i型ingaas层，第三类型半导体层127的厚度为500-2000nm。第三类型半导体层127与第一类型半导体层121和第二类型半导体层122共同形成一pin结。其中，ingaas材料中in组分为0.13。第二类型接触层123为n型接触层，第二类型接触层123的厚度为100-200nm。第三反射器层126的两种材料为sinx/sio2材料。在其他示例中，第一类型也可以为n型，第二类型为p型。
57.半导体器件10还包括衬底14，第二类型反射器层113设置于衬底14上，衬底14与第二类型反射器层113之间设置有缓冲层15，衬底14上形成有电性连接第二类型反射器层113的第三电极16。衬底14和缓冲层15的类型与第二类型反射器层113的类型相同。示例性的，衬底14的材质为砷化镓衬底，缓冲层15的材质为砷化镓缓冲层；当第二类型反射器层113的类型为n型时，衬底14为第二类型n型衬底，缓冲层15为第二类型n型缓冲层。若第二类型反射器层113的类型为p型时，衬底14为第二类型p型衬底，缓冲层15为第二类型p型缓冲层。
58.在本实施方式中，激光发射结构11的激射波长和光探测器12的波长范围均在850nm到1000nm之间，且激光发射结构11的激射波长和光探测器12的波长保持一致。
59.如图3所示，图3是本发明一实施方式的半导体器件的制备方法的流程示意图；请配合参考图4a～图4f所示的过程步骤结构示意图。
60.本发明提供了一种半导体器件的制备方法，其步骤包括：
61.步骤301：提供衬底。如图4a所示，提供第二类型衬底14，第二类型衬底14优选为n型砷化镓衬底。
62.步骤302：在衬底上生长构成激光发射结构的层结构，层结构包括依次形成于衬底上的缓冲层，第二类型反射器层、有源区、第一类型反射器层以及第一类型接触层。如图4a所示，在第二类型衬底14上依次生长第二类型缓冲层15，第二类型反射器层113，有源区111，第一类型反射器层112以及第一类型接触层114。第二类型缓冲层15的厚度为200-1000nm，第二类型反射器层113的周期数为35-50对，有源区111的光学厚度为(1/2+m)*λ，λ为激光发射结构的激射波长，m为自然数，第一类型反射器层112的周期数为3-6对，第一类型接触层114的厚度为50-200nm。
63.步骤303：在第一类型接触层上生长构成光探测器的层结构，层结构包括依次形成于第一类型接触层上的第一类型半导体层、第三类型半导体层、第二类型半导体层以及第二类型接触层。如图4a所示，在第一类型接触层114上依次生长第一类型半导体层121、第三类型半导体层127、第二类型半导体层122以及第二类型接触层123。第一类型半导体层121
的厚度为50-200nm，第一类型半导体层121优选为p型ingaas层。第二类型半导体层122的厚度为50-200nm，第二类型半导体层122优选为n型ingaas层。第三类型半导体层127的厚度为500-2000nm，第三类型半导体层127为i型ingaas层。第三类型半导体层127与第一类型半导体层121和第二类型半导体层122共同形成一pin结。其中，ingaas材料中in组分为0.13。第二类型接触层123为n型接触层，第二类型接触层123的厚度为100-200nm。
64.步骤304：刻蚀第二类型接触层、第二类型半导体层、第三类型半导体层以及第一类型半导体层，形成环形台结构。如图4b所示，将生长好的器件掩膜后利用icp刻蚀出位于中部的中空区域以形成空腔13，同时刻蚀位于外延的区域至第一类型接触层114，以形成光探测器12的台面区域。
65.步骤305：于第二类型接触层上设置基板。如图4c所示，在第二型接触层123上设置基板125，基板125完全覆盖空腔13设置，基板125采用不吸收激光器激射波长的材质，优选为石英基板。
66.步骤306：于第一类型接触层上形成电性连接第一类型接触层的第一电极层以及于第二类型接触层上形成电性连接第二类型接触层的第二电极层。如图4d所示，在基板125上开孔，并在孔内形成电连接第二类型接触层123的第二电极层124。在第一类型接触层114上设置第一电极层115。
67.步骤307：于衬底上形成电性连接第二类型反射器层的第三电极层。如图4e所示，将第二类型衬底14的背面(背离第二类型缓冲层15的一面)减薄至200-500nm左右后，在该面设置第三电极层16，第三电极层16作为激光发射结构的电极。
68.步骤308：在基板上形成第三反射器层。如图4f所示，在基板125背离第二类型接触层123的一侧设置第三反射器层126，第三反射器层126包括多层结构的dbr层。在生长第一层层结构之时，调节第一层层结构的厚度，以保证第一层层结构生长完后的表面距离第一类型接触层114的下表面(靠近第一类型反射器层112)满足0.5*m*λ光学厚度要求，其中m为不为0的自然数，λ为激光发射结构的激射波长。因为第二类型反射器层113的反射率接近100％，因此设计第三反射器层126在激光发射结构的激射波长处的反射率不宜大于99％，以保证半导体器件10顶部出光(第三反射器层126所在侧)。
69.下面通过一具体实施例介绍本发明的半导体器件及其制备方法。
70.首先，使用mocvd设备在n型砷化镓衬底上外延一层si掺杂2e18的n型gaas缓冲层500nm；接着放置n型dbr层，38个周期；接着在n型dbr层上生长有源区谐振腔，总厚度满足3/2*λ的要求；接着在有源区上放置5个周期p型dbr层；然后生长c掺杂为1e19的p型gaas接触层100nm，接着在p型gaas接触层上面依次放置c掺杂5e18的p型ingaas层200nm，非掺杂的i型ingaas层1500nm，si掺杂5e18的n型ingaas以及si掺杂的1e19的n型gaas接触层200nm，其中选择ingaas中in材料组分为0.13。
71.将生长好的器件掩膜后利用icp刻蚀中空区域及台面区域至p型gaas接触层，台面区域顶层放置镀膜基板，镀膜基板开孔后在顶部设置金属电极在p型gaas接触层设置金属电极将n型砷化镓衬底背面利用cmp减薄至200nm，设置背面金属电极
72.在顶层镀膜基板上交替镀sio2/sin
x
材料薄膜，镀膜第一层sio2表层至p型dbr下表层厚度符合1/2*m*λ关系，然后周期镀膜sinx/sio2材料5个周期dbr，以保证镀膜基板上的薄膜材料在λ处的反射率不高于99％，λ为激光发射结构的激射波长。
73.与现有技术相比，本发明实施方式的半导体器件，兼顾了激光器尺寸、输出功率等性能的同时，在垂直方向整合探测器，降低封装尺寸，微型化设计，可应用场景更广泛。
74.本发明实施方式的半导体器件，其能够在垂直方向上整合垂直腔面发射激光器与光探测器，增强光探测器的量子效率，增加单色性，增强激光器增益，有利于大功率激光输出。
75.本发明实施方式的半导体器件，降低了器件的封装尺寸，可较大范围应用于激光感应，测距等场景，以较低的代价增加了激光发射结构有源区的腔长，可有效提高激光输出功率，激光发射结构的第一类型反射器层的反射特性，增强投射光束的反射能力，增强探测器的吸收光程，以此可有效增加光探测器的吸收效率。
76.本发明实施方式的半导体器件，通过将光探测器和激光发射结构在垂直方向进行整合，并将光探测器构造成位于激光发射结构上的空腔结构，光探测器的表层通过第三反射器层控制，实现激光输出。激光发射结构顶端的第一类型反射器层，可以实现对透射光探测器的电磁波再次反射，有效增加光探测器吸收光程，利用光探测器内的真空腔实现激光发射结构外腔增长特点，降低激光发射结构第一类型反射器层一侧的串联电阻，提高激光发射结构的增益。
77.本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
78.在本技术案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
79.在本技术案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
80.在本技术案中，在将元件或组件称为包含于及/或选自所叙述元件或组件列表之处，应理解，所述元件或组件可为所叙述元件或组件中的任一者且可选自由所叙述元件或组件中的两者或两者以上组成的群组。此外，应理解，在不背离本发明教示的精神及范围的情况下，本文中所描述的组合物、设备或方法的元件及/或特征可以各种方式组合而无论本文中是明确说明还是隐含说明。
81.除非另外具体陈述，否则术语“包含”、“具有”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。
82.除非另外具体陈述，否则本文中单数的使用包含复数(且反之亦然)。此外，除非上下文另外清楚地规定，否则单数形式“一”及“所述”包含复数形式。另外，在术语“约”的使用在量值之前之处，除非另外具体陈述，否则本发明教示还包括特定量值本身。
83.应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
84.应理解，本发明的各图及说明已经简化以说明与对本发明的清楚理解有关的元件，而出于清晰性目的消除其它元件。然而，所属领域的技术人员将认识到，这些及其它元件可为合意的。然而，由于此类元件为此项技术中众所周知的，且由于其不促进对本发明的更好理解，因此本文中不提供对此类元件的论述。应了解，各图是出于图解说明性目的而呈现且不作为构造图式。所省略细节及修改或替代实施例在所属领域的技术人员的范围内。
85.可了解，在本发明的特定方面中，可由多个组件替换单个组件且可由单个组件替换多个组件以提供一元件或结构或者执行一或若干给定功能。除了在此替代将不操作以实践本发明的特定实施例之处以外，将此替代视为在本发明的范围内。
86.尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。