[发明专利]应变平衡的半导体结构

说明书

本文描述了生长层状结构的体系和方法。该层状结构包含：具有第一晶格常数的第一锗衬底层；具有第二晶格常数且在所述第一锗衬底层上外延生长的第二层，其中所述第二层具有第一成分和第二成分的复合物，并且具有在所述第一成分和所述第二成分之间的第一比例；具有第三晶格常数且在所述第二层上外延生长的第三层，其中所述第三层具有第三成分和第四成分的复合物，并且具有在所述第三成分和所述第四成分之间的第二比例，其中所述第一比例和所述第二比例被选择为使得第一晶格常数在第二晶格常数和第三晶格常数之间。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2017年11月22日提交的美国临时专利申请号62/589,994和于2017年12月19日提交的美国临时专利申请号62/607,857的权益，在此将两者以其整体通过参考并入本文。

技术领域

本申请涉及使用锗(Ge)衬底或外延层来将半导体结构进行应变平衡(strainbalance)。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种激光束发射垂直于半导体结构的上表面的半导体激光二极管。用于650nm至1300nm的波长的VCSEL通常生长于砷化镓(GaAs)衬底上，且具有由GaAs和砷化铝镓(Al_xGa_(1-x)As)形成的分布布拉格反射器(DBR)。由于Al_xGa_(1-x)As(对于宽范围的x)通常被认为与GaAs衬底晶格匹配，这种GaAs-AlGaAs体系被广泛应用。对下一代VCSEL而言，更复杂的设计将导致更厚的外延堆叠，其中GaAs-AlGaAs体系中的被假定的晶格匹配由于更高程度的晶体缺陷和由堆叠体的增加的厚度带来的晶片弯曲度增大而变得不可接受。在引入GaAs和AlAs的设计中，这种情况变得更加复杂。因为想向更长的波长移动会需要增加层厚度，而在厚的堆叠体中会晶格失配增大。厚度的增加可能造成衬底与衬底上生长的其它层之间的总体晶格失配加大，导致半导体结构的应变升高。应变和晶格失配有助于半导体晶片中的弯曲，从而使VCSEL的稳定性降低。

发明内容

本文描述了通过用锗(Ge)作为衬底或外延层来将半导体结构进行应变平衡的层状结构。此层状结构包含具有第一晶格常数的第一锗衬底层、和具有第二晶格常数且在所述第一锗衬底层上外延生长的第二层。所述第二层具有第一成分和第二成分的复合物，并且具有在所述第一成分和所述第二成分之间的第一比例。第三层具有第三晶格常数且在所述第二层上外延生长。所述第三层具有第三成分和第四成分的复合物，并且具有在所述第三成分和所述第四成分之间的第二比例。所述第一比例和所述第二比例被选择为使得第一晶格常数在第二晶格常数和第三晶格常数之间。

在一些实施方式中，第二层的第一成分与第三层的第三成分相同，且第二层的第二成分与第三层的第四成分相同。在一些实施方式中，第一成分与第三成分不同。

在一些实施方式中，所述第三层状结构中的第一成分、第二成分、第三成分或第四成分是选自由AlP、GaP、InP、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb和InSb组成的组中的III-V族二元合金。

在一些实施方式中，所述层状结构中的第二层具有第一厚度，第三层具有第三厚度，并且其中第一厚度和第三厚度被选择为使得至少部分地由第一厚度、第二厚度和相邻层之间的晶格常数差异限定的层状结构中的总应变接近于零。在一些实施方式中，在第三层上生长有第二层和第三层的重复体。

在一些实施方式中，所述层状结构被实现为垂直腔面发射激光器(VCSEL)外延晶片。在一些实施方式中，VCSEL外延晶片的弯曲度测量小于10μm。在一些实施方式中，所述层状结构中的第一锗衬底层为锗单晶片，并且所述锗单晶片的上表面的晶格常数与块状锗衬底相等。在一些实施方式中，所述层状结构的第一锗衬底层包含在硅层上的氧化物层上的锗晶片。所述锗晶片的上表面的晶格常数与块状锗衬底相等。