[发明专利]基于RE的集成光子和电子层状结构

说明书

本发明的系统和方法描述了在单个衬底上生长基于RE的集成光子和电子层状结构。所述层状结构包括衬底，在所述衬底的第一区域上的外延扭转稀土氧化物层，和在所述衬底的第二区域上的稀土磷属元素化物层，其中所述第一区域和所述第二区域是非重叠的。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2018年1月19日提交的美国临时申请第62/619,522号和2018年1月29日提交的美国临时申请第62/623,354号的权益，所述临时申请都特此通过引用整体并入本文中。

技术领域和背景技术

光子器件是用于产生、操纵和/或检测光的组件。光子器件可以包括激光二极管、发光二极管、太阳能电池和光伏电池、显示器和/或光放大器。按照惯例，光子器件和电子器件是分开形成的，并且如果需要可以组合成电路。分开的单独的制造过程可能成本高，并且所得的光子器件和电子器件可能各自消耗分开的电路面积。

另外，对于半导体制造来说，不同材料的不同层之间的晶格匹配通常可能是一个问题，因为层之间的晶格失配有时会导致层状结构之间的应变增加。传统上，100取向的SrTiO3缓冲的Si在传统上用作基于钡(Ba)的钙钛矿材料的起始模板，但是经常会发生晶格失配，这会损害半导体层的性能。近来，110晶体取向的稀土氧化物(REO)块状衬底被用作Ba基钙钛矿材料外延的良好选择，因为REO衬底通常与Ba基钙钛矿晶格匹配。然而，块状单晶晶格匹配的REO衬底通常具有有限的尺寸，例如直径最大为32mm，这也极大地限制了可以沉积在晶格匹配的REO衬底上方的钙钛矿的尺寸。

发明内容

系统和方法描述了在单个衬底上生长基于RE的集成光子和电子层状结构。所述层状结构包括衬底，在所述衬底的第一区域上方的外延扭转稀土氧化物层，和在所述衬底的第二区域上方的稀土磷属元素化物层，其中所述第一区域和所述第二区域是非重叠的。

在一些实施方式中，所述衬底是具有(100)的晶体取向的硅衬底，其中所述外延扭转稀土氧化物层具有(110)的晶体取向，并且其中所述稀土磷属元素化物层具有(100)的晶体取向。在一些实施方式中，所述层状结构还包括在所述衬底的第三区域上方的界面层，其中所述第三区域与第一区域和第二区域分开，其中所述界面层由二氧化硅或晶片结合材料构成，在所述界面层上方的硅层。

在一些实施方式中，所述硅层具有(111)的晶体取向，并且所述层状结构还包括在所述硅层上方具有(111)的晶体取向的稀土氧化物层。

在一些实施方式中，所述硅层具有(100)的晶体取向，并且所述层状结构还包括在所述硅层上方具有(100)的晶体取向的另一个稀土磷属元素化物。在一些实施方式中，所述衬底是具有(111)的晶体取向的硅衬底，并且所述层状结构还包括界面层和在所述界面层上方具有(100)的晶体取向的硅层的叠层，其中所述叠层覆盖第一区域和第二区域，并且介于所述衬底与所述外延扭转稀土氧化物层和所述稀土磷属元素化物层之间，以及在衬底的与第一区域或第二区域分开的第三区域上方具有(111)的晶体取向的稀土氧化物层。

在一些实施方式中，所述衬底和所述硅层中的任一者包括多孔硅部分。在一些实施方式中，所述衬底和所述硅层中的任一者包括第一电掺杂类型的第一部分和第二电掺杂类型的第二部分，并且其中通过向衬底或硅层添加额外的硅外延层以改变衬底或硅层的电掺杂来生成不同电掺杂类型的第一部分和第二部分。