公共层上的光子器件和电子器件制造技术

一种光子器件具有Al

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】公共层上的光子器件和电子器件
本公开总体上涉及光子器件。本公开还涉及适于具有设置在公共单晶层上的光子器件和半导体电子器件的结构。本公开还涉及具有光子器件和III族-N半导体的结构。
技术介绍
如本领域所已知的，光子器件用于：如同激光器一样生成光子；如同放大器、调制器、开关或电光器件一样修改光子的传播；或者，如同光子检测器一样检测光子。如本领域所已知的，这些光子器件中的许多是使用不同材料的水平设置的层的垂直堆叠层形成的，并且包括：光子波导层，光子通过所述光子波导层生成和/或传播；以及设置在所述光子波导层上的包覆层；包覆层在光子器件的操作波长下具有比光子波导层的折射率低的折射率，以将光子约束在光子波导层内并且抑制光子泄漏到光子波导层外。如本领域所已知的，集成多个光子器件的结构被称为光子集成电路(PIC)或集成光电路。还已知的是，电子集成电路是集成了多个有源电子器件(例如，晶体管)和无源器件(例如，电阻器、电容器和电感器)的结构。因此，光子器件生成、传播和/或控制光子，而电子器件生成、传播和/或控制电子(和/或空穴)。一种理想的结构是将光子器件与电子集成器件集成在一起的一种结构，光子器件和电子集成器件都在公共单晶层上包括III族-氮化物半导体材料。过去已经进行了许多尝试来实施III族-氮化物光子波导层/包覆层：1-在另一纤锌矿晶体(例如，蓝宝石)、或不同于光子波导层并且具有比光子波导层的折射率低的折射率的III-氮化物晶体上外延生长光子波导层，2-将该III-氮化物光子波导层转移并且接合到另一衬底(例如，二氧化硅(SiO2))，3-在SiO2衬底上溅镀III-氮化物，4-在另一晶体族材料(例如，硅)上外延生长III-氮化物光子波导层。在上述方法中，由于晶体光子波导层是在同一族的另一晶体上生长的，因此(1)具有广泛的技术吸引力。然而，主要的挑战是光子波导层与下方的包覆层之间的晶格失配，该晶格失配导致限制光子波导层的生长厚度的高密度晶体位错的生成。虽然方法(2)可以为光子器件提供可行的平台，但是其与III族-N电子器件和电路的集成是困难的。方法(3)可以在生长方向上产生单晶材料；在横向方向上，它是非晶或多晶的，这导致相对高的损耗和电子器件集成困难。当在Si上生长III族-氮化物时，方法(4)遭受高位错密度的影响。另外，硅(Si)具有比GaN和AlGaN更大的折射率，并且因此在许多应用中它不能是用于GaN和AlGaN的有效光学包覆层。如上所述，光子器件包括激光器和调制器，激光器和调制器包括光子波导层和包覆层。一种这样的光子调制器是III族-氮化物量子阱电光调制器(包括平面内(光平行于波导层和包覆层的平面传播)和平面外(光垂直于包覆层的平面传播)导波)，并且一种类型的激光器是III族-氮化物量子阱(平面内和平面外，或者垂直发射激光)。这些量子阱电光调制器包括光子波导层(有时也称为包括量子阱结构的光子波导层)和用于控制光子波导层内的传播模式的包覆层。为了确保光子波导层中的这种传播模式的强控制或约束，光子波导层与包覆层之间的折射率的差需要足够大；例如，＞～0.2，以便在蓝-绿波长下操作。对于基于采用氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)和/或氮化铟(InN)以及它们各自的三元或四元合金的III-氮化物材料的这种器件，使这种差最大化不幸地导致用于光子波导层的层和用于包覆的层在结构上高度失配，从而将这些层的厚度限制为比为了避免在器件中生成任何显著的晶格缺陷和位错所期望/要求的厚度薄得多。这是目前在III族-氮化物材料上构建这种器件的主要的挑战。已经有由这些材料(包括，氮化镓(GaN)和氮化铟镓(InGaN))制成的光调制器和激光器。然而，一些主要挑战限制了它们的效率以及它们对于平面内或平面外操作的兼容性。这些挑战包括：1-形成调制器的量子阱层的堆叠层之间的大晶格失配，这限制了层厚度的增加，并且降低了量子阱与光相互作用的效率。当要达到比蓝色长的波长(例如，绿色)时，这变得特别麻烦，达到比蓝色长的波长需要更厚的量子阱，从而绿色波长激光器和调制器中的效率可能相当快速地下降。2-对于平面内波导调制器以及平面内激光器，对光子波导层的基本要求是具有大于包覆材料的折射率，同时与也是晶体的下方或上方包覆材料紧密晶格匹配。然而，主要的挑战是光子波导层与包覆材料之间的晶格失配，该晶格失配限制光子波导层的生长厚度以避免晶体中的位错生成的发生使调制器和激光器的整体性能劣化。对于平面外调制器和垂直发射激光器，需要分布式布拉格反射器(DBR)层的堆叠层来垂直地约束光，层堆叠层之间的晶格失配限制了DBR层的厚度，使得增加层厚度降低了材料质量并且导致大的光学吸收和散射。因此，特别是随着操作波长的增加，制成具有期望厚度的DBR层变得相当具有挑战性。在现有技术中，由于晶格失配和DBR的有限厚度，基于III族-氮化物结构在较长波长(约500nm及以上)下制成高效激光器一直相当具有挑战性。最近，在文献中已经在理论和实验方面研究了AlScN的一般光学和电学性质(参见M.A.Caro等人，“ScAlN的压电系数和自发极化(PiezoelectricCoefficientsandSpontaneousPolarizationofScAlN)”，J.Phys.Condens.Matter27，245901(2015)；M.A.Moram等人，“ScGaN和ScAlN：新兴氮化物材料(ScGaNandScAlN:EmergingNitrideMaterials)”，J.Mater.Chem.A2，6042(2014)；R.Deng、S.R.Evans和D.Gall，“Al1-xScxN中的带隙(BandgapinAl1-xScxN)”，App.Phys.Lett.102，112103(2013)；以及R.Deng、K.Jiang和D.Gall，“Al1-xScxN中的光学声子模式(OpticalphononmodesinAl1-xScxN)”，J.App.Phys.115，013506(2014))。
技术实现思路
根据本公开，提供一种光子器件，所述光子器件包括钪。在一个实施例中，提供了一种光子器件，所述光子器件具有光子波导层和设置在所述光子波导层上的包覆层，并且其中，所述包覆层是包括钪的材料。在一个实施例中，所述包覆区段是包括Al1-xScxN材料的材料，其中：0＜x≤0.45。在一个实施例中，所述光子波导层是包括AlyGa1-yN层的材料，其中，Al是铝，Ga是镓，N是氮，并且其中：0≤y≤1。在一个实施例中，提供了一种光子器件，所述光子器件具有Al1-xScxN层和AlyGa1-yN层，其中，Al是铝，Sc是钪，N是氮，并且其中：0＜x≤0.45并且0≤y≤1。在一个实施例中，提供了一种光子器件，所述光子器件包括：氮化铝钪包覆层。在一个实施例中，提供了一种结构，所述结构包括：光子波导层；以及设置在所述光子波导层上的氮化铝钪包覆层。在一个实施例中，提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构，包括：在公共单晶结构上的光子器件和电子器件，该单晶结构包括：III族-N化合物和氮化铝钪层，所述氮化铝钪层对于所述光子器件和电子器件是公共的。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180511 US 62/670,261;20180511 US 62/670,273;20181.一种结构，包括：在公共单晶结构上的光子器件和电子器件，该单晶结构包括：III族-N化合物和氮化铝钪层，所述氮化铝钪层对于所述光子器件和电子器件是公共的。


2.一种结构，包括：HEMT和光子器件，所述结构包括：III族-N层；Al1-xScxN层，所述Al1-xScxN层设置在所述III族-N层的表面上；其中，所述HEMT包括所述Al1-xScxN层的一个部分，并且所述光子器件包括所述Al1-xScxN层的所述表面的不同部分，并且其中，0＜x≤0.45。


3.一种结构，包括：电子器件和光子器件，所述结构包括：III族-N层；以及Al1-xScxN层，所述Al1-xScxN层设置在所述III族-N层的表面上，并且其中，0＜x≤0.45。


4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述电子器件具有异质结，在馈送到所述半导体器件的控制信号的控制下，载流子通过所述异质结通过沟道在一对区域之间传递。


5.根据权利要求4所述的结构，其中，所述电子器件是HEMT。


6.一种结构，包括：单晶衬底；在所述单晶衬底上的电子器件和光子器件，在所述衬底中的为所述电子器件提供2DEG沟道的层；其中，所述光子器件具有在所述2DEG层之上的包覆层材料，并且其中，所述包覆层与提供2DEG的所述层晶格匹配。


7.根据权利要求6所述的结构，其中，提供所述2DEG沟道的所述层包括GaN。


8.根据权利要求2所述的结构，其中，包括III族-N层波导层，并且其中，所述AlScN层提供阻挡层以形成异质结，从而为所述HEMT提供2DEG沟道。


9.根据权利要求6所述的结构，其中，所述包覆层包括AlScN。


10.根据权利要求6所述的结构，其中，所述包覆层包括Al1-xScxN材料，其中，0＜x≤0.45。


11.根据权利要求7所述的光子器件，其中，所述光子波导层是包括AlyGa1-yN的材料，其中，Al是铝，Ga是镓，N是氮，并且其中，0...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·索尔塔尼，E·M·詹贝斯，
申请(专利权)人：雷神BBN技术公司，雷声公司，
类型：发明
国别省市：美国;US