(57)【要約】本明細書に説明されるシステムおよび方法は、第１の格子定数を伴う第１の半導体層と、第１の半導体にわたってエピタキシャルに成長する、希土類プニクタイド緩衝材であって、第１の半導体に隣接する希土類プニクタイド緩衝材の第１の領域は、１％を下回る正味歪みを有する緩衝材と、希土類プニクタイド緩衝材にわたってエピタキシャルに成長する、第２の半導体層であって、第２の半導体に隣接する希土類プニクタイド緩衝材の第２の領域は、所望される歪みである、正味歪みを有する層とを含み得、希土類プニクタイド緩衝材は、１つ以上の希土類元素と、１つ以上の第Ｖ族元素を含み得る。いくつかの実施例では、所望される歪みは、約ゼロである。
2019522359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層構造であって、
第１の格子定数を伴う第１の半導体層と、
前記第１の半導体にわたってエピタキシャルに成長する希土類プニクタイド緩衝材であって、前記第１の半導体に隣接する前記希土類プニクタイド緩衝材の第１の領域は、１％を下回る第１の正味歪みを有する、緩衝材と、
前記希土類プニクタイド緩衝材にわたってエピタキシャルに成長する第２の半導体層であって、前記第２の半導体に隣接する前記希土類プニクタイド緩衝材の第２の領域は、所望される歪みである第２の正味歪みを有する、層と
を含み、前記希土類プニクタイド緩衝材は、
１つ以上の希土類元素と
１つ以上の第Ｖ族元素と
を含む、層構造。
【請求項２】
前記所望される歪みは、１％を下回る、請求項１に記載の層構造。
【請求項３】
前記希土類プニクタイド緩衝材の第１の領域は、
第１の希土類プニクタイド合金を含み、かつ第１の厚さを有する、第１の副層と、
第２の希土類プニクタイド合金を含み、かつ第２の厚さを有する、第２の副層と
を含み、前記第２の厚さに対する前記第１の厚さの比は、１％を下回る前記第１の領域の第１の正味歪みをもたらす、請求項１に記載の層構造。
【請求項４】
前記希土類プニクタイド緩衝材の第２の領域は、
第３の希土類プニクタイド合金を含み、かつ第３の厚さを有する、第３の副層と、
前記第２の希土類プニクタイド合金を含み、かつ前記第２の厚さを有する、第４の副層と
を含み、前記第２の厚さに対する前記第３の厚さの比は、前記所望される歪みである前記第２の領域の第２の正味歪みをもたらす、
請求項３に記載の層構造。
【請求項５】
前記所望される歪みは、１％〜３％である、請求項４に記載の層構造。
【請求項６】
前記第１、第２、および第３の希土類プニクタイド合金は、一般的な希土類元素を含む、請求項４に記載の層構造。
【請求項７】
前記第１の希土類プニクタイド合金は、ＥｒＮを含み、
前記第２の希土類プニクタイド合金は、ＥｒＰを含み、
前記第３の希土類プニクタイド合金は、ＥｒＡｓを含む、
請求項６に記載の層構造。
【請求項８】
前記第１の希土類プニクタイド合金は、ＧｄＮを含み、
前記第２の希土類プニクタイド合金は、ＧｄＡｓを含み、
前記第３の希土類プニクタイド合金は、ＧｄＮを含む、
請求項６に記載の層構造。
【請求項９】
前記第１の希土類プニクタイド合金は、ＥｒＮを含み、
前記第２の希土類プニクタイド合金は、ＥｒＰを含み、
前記第３の希土類プニクタイド合金は、ＧｄＰを含む、
請求項４に記載の層構造。
【請求項１０】
前記第１の半導体は、Ｓｉを含み、前記第２の半導体は、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を含む、請求項１に記載の層構造。
【請求項１１】
前記第１の半導体は、Ｓｉを含み、前記第２の半導体は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙおよびＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ、ｙ≦１）のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の層構造。
【請求項１２】
前記希土類プニクタイド緩衝材の第１の領域は、第１の比率の元素を伴う第１の希土類プニクタイド合金を含み、
前記希土類プニクタイド緩衝材の第２の領域は、第２の比率の元素を伴う前記第１の希土類プニクタイド合金を含む、
請求項１に記載の層構造。
【請求項１３】
前記希土類プニクタイド緩衝材の第２の領域は、第３の比率の元素を伴う第３の希土類プニクタイド合金を含み、前記第３の比率は、前記所望される歪みである前記第２の領域の第２の正味歪みをもたらす、請求項３に記載の層構造。
【請求項１４】
前記第１の半導体層は、基部材料にわたってエピタキシャルに成長し、
上側半導体層は、前記第２の半導体層にわたってエピタキシャルに成長する、
請求項１に記載の層構造。
【請求項１５】
前記第２および前記第３の厚さは、所望される波長の光のブラッグ反射をもたらすように選択される、請求項４に記載の層構造を含む、鏡構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１６年６月２日に出願された米国仮出願第６２／３４４，４３９号、および２０１６年９月９日に出願された米国仮出願第６２／３８５，７４４号に対する優先権を主張するものであり、これらの各々は、全体的に参照により本明細書中に援用される。本願は、２０１７年６月２日に出願された同時係属中の米国出願第１５／６１２，３５５号に関連しており、該出願は、全体的に参照により本明細書中に援用される。
【背景技術】
【０００２】
光子および／または電子デバイスは、多くの場合、ＩＩＩ−Ｖ材料から作製されるが、ＩＩＩ−Ｖ基板は、高価である。シリコン基板は、比較的に安価であるが、ＩＩＩ−Ｖ材料は、それらの上に直接成長することはできない。緩衝層が使用されるときであっても、ＩＩＩ−Ｖ材料は、多くの場合、ＩＩＩ−Ｖ材料とシリコンとの間の格子誤整合に起因する断層と欠陥とを含有し、光子および／または電子デバイスの性能を減損させる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
第１の格子定数を伴う第１の半導体層と第２の半導体材料との間に緩衝材を成長させるために、希土類系プニクタイド合金を使用するためのシステムおよび方法が、本明細書に説明される。説明されるシステムおよび方法は、安定性を維持するために、徐々に、層構造の格子定数を、第１の半導体の格子定数から半導体の格子定数に修正する、変動する格子定数の副層に緩衝材を分割するステップをさらに含む。
【０００４】
本明細書に説明されるシステムおよび方法は、第１の格子定数を伴う第１の半導体層と、第１の半導体にわたってエピタキシャルに成長する、希土類プニクタイド緩衝材であって、第１の半導体に隣接する希土類プニクタイド緩衝材の第１の領域は、１％を下回る正味歪みを有する緩衝材と、希土類プニクタイド緩衝材にわたってエピタキシャルに成長する、第２の半導体層であって、第２の半導体に隣接する希土類プニクタイド緩衝材の第２の領域は、所望される歪みである、正味歪みを有する層とを含み得、希土類プニクタイド緩衝材は、１つ以上の希土類元素と、１つ以上の第Ｖ族元素とを含み得る。いくつかの実施例では、所望される歪みは、１％を下回る。
【０００５】
希土類プニクタイド緩衝材の第１の領域は、第１の希土類プニクタイド合金を含み、かつ第１の厚さを有する、第１の副層と、第２の希土類プニクタイド合金を含み、かつ第２の厚さを有する、第２の副層とを含み得、第２の厚さに対する第１の厚さの比は、１％を下回る第１の領域の第１の正味歪みをもたらす。いくつかの実施例では、希土類プニクタイド緩衝材の第２の領域は、第３の希土類プニクタイド合金を含み、かつ第３の厚さを有する、第３の副層と、第２の希土類プニクタイド合金を含み、かつ第２の厚さを有する、第４の副層とを含み、第２の厚さに対する第３の厚さの比は、所望される歪みである、第２の領域の第２の正味歪みをもたらす。いくつかの実施例では、所望される歪みは、１％〜３％である。
【０００６】
いくつかの実施例では、第１、第２、および第３の希土類プニクタイド合金は、一般的な希土類元素を含み得る。いくつかの実施例では、第１の希土類プニクタイド合金は、ＥｒＮを含み、第２の希土類プニクタイド合金は、ＥｒＰを含み、第３の希土類プニクタイド合金は、ＥｒＡｓを含む。いくつかの実施例では、第１の希土類プニクタイド合金は、ＧｄＮを含み、第２の希土類プニクタイド合金は、ＧｄＡｓを含み、第３の希土類プニクタイド合金は、ＧｄＮを含む。いくつかの実施例では、第１の希土類プニクタイド合金は、ＥｒＮを含み、第２の希土類プニクタイド合金は、ＥｒＰを含み、第３の希土類プニクタイド合金は、ＧｄＰを含む。
【０００７】
いくつかの実施例では、第１の半導体は、Ｓｉを含み、第２の半導体は、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を含む。いくつかの実施例では、第１の半導体は、Ｓｉを含み、第２の半導体は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、Ｇａ１−ｘ−ｙＡｌｘＩｎｙＳｂ１−ｐＡｓｐ、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ、ｙ、およびｐ≦１）のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の層構造。
【０００８】
希土類プニクタイド緩衝材の第１の領域は、第１の比率の元素を伴う第１の希土類プニクタイド合金を含み得、希土類プニクタイド緩衝材の第２の領域は、第２の比率の元素を伴う第１の希土類プニクタイド合金を含み得る。
【０００９】
希土類プニクタイド緩衝材の第２の領域は、第３の比率の元素を伴う第３の希土類プニクタイド合金を含み、第３の比率は、所望される歪みである、第２の領域の第２の正味歪みをもたらす。いくつかの実施例では、第１の半導体層は、基部材料にわたってエピタキシャルに成長し、上側半導体層は、第２の半導体層にわたってエピタキシャルに成長する。
【００１０】
いくつかの実施例では、第２および第３の厚さは、選択され、所望される波長光のＢｒａｇｇ反射をもたらす、請求項１に記載の層構造を含む、鏡構造。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本開示の上記および他の特徴は、添付図面と併せて、以下の詳細な説明を考慮することによって、より明白となるであろう。
【００１２】
【図１】図１は、例証的な実施形態による、希土類プニクタイド層にわたる第２の半導体層を伴う層構造を図示する。
【図２】図２は、例証的な実施形態による、図１に示される層構造の具体的な実施例である層構造を描写する。
【図３】図３は、例証的な実施形態による、図１に示される層構造の具体的な実施例である層構造を描写する。
【図４】図４は、例証的な実施形態による、本明細書に説明される層構造内で使用されることができる種々の材料の格子定数を示すグラフを描写する。
【図５】図５は、例証的な実施形態による、図２に示される層構造の具体的な実施例である層構造を描写する。
【図６】図６は、例証的な実施形態による、本明細書に説明される層構造内で使用されることができる種々の材料の格子定数を示すグラフを描写する。
【図７】図７は、例証的な実施形態による、図５に示される層構造の具体的な実施例である層構造を描写する。
【図８】図８は、例証的な実施形態による、本明細書に説明される層構造内で使用されることができる種々の材料の格子定数を示すグラフを描写する。
【図９】図９は、例証的な実施形態による、図７に示される層構造の具体的な実施例である三層構造を描写する。
【図１０】図１０は、例証的な実施形態による、本明細書に説明される層構造内で使用されることができる種々の材料の格子定数を示すグラフを描写する。
【図１１】図１１は、例証的な実施形態による、第２の半導体層１０６内の歪みの誘起を示すグラフを描写する。
【図１２】図１２は、例証的な実施形態による、図１に示される層構造の具体的な実施例である層構造を描写する。
【図１３】図１３は、例証的な実施形態による、図９に示される層構造の具体的な実施例である層構造を描写する。
【図１４】図１４は、例証的な実施形態による、図１に示される層構造の具体的な実施例である層構造を描写する。
【図１５】図１５は、例証的な実施形態による、図９に示される層構造の具体的な実施例である層構造を描写する。
【図１６】図１６は、例証的な実施形態による、光子デバイス用途のための分散ブラッグ反射器構造を含む層構造を描写する。
【図１７】図１７は、例証的な実施形態による、光子デバイス用途のための分散ブラッグ反射器に対応する波長の集合を示すグラフを描写する。
【図１８】図１８は、例証的な実施形態による、図１に示される層構造を成長させるための方法のフローチャートを描写する。
【図１９】図１９は、例証的な実施形態による、図２に示される層構造を成長させるための方法のフローチャートを描写する。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の説明では、説明の目的のために多数の詳細が述べられる。しかしながら、当業者は、本明細書に説明される実施形態が、これらの具体的な詳細点を使用することなく実践され得ることを理解するであろう。他の事例では、説明が不要な詳細を伴って不明瞭にならないであろうように、周知の構造およびデバイスが、ブロック図の形態で示される。
【００１４】
希土類プニクタイド材料は、シリコン基板上のゲルマニウムまたは他の半導性材料のエピタキシャルな成長のために、緩衝層として使用されることができる。シリコン基板にわたって成長する、シリコンと、ゲルマニウムまたは他の半導性材料との間に、大きい誤整合が、存在する。これは、層内に高レベルの欠陥を作成する。層内の高レベルの欠陥は、層内の一貫性の喪失をもたらし得る。高レベルの欠陥は、格子定数が、徐々に、シリコンとゲルマニウムとの間に位置付けられる緩衝層全体を通して変更される場合、回避され得る。希土類プニクタイド緩衝層は、組成および格子定数内に勾配が付けられ、層全体を通して格子定数ならびに高結晶品質内に小さい誤整合をもたらす、または全くもたらさないことができる。希土類プニクタイド層が、使用され、歪みを平衡に保ち、徐々に、シリコン基板の構造と、シリコン上に成長するゲルマニウムまたは他の半導性材料との間の格子誤整合を低減させる。希土類プニクタイド層はまた、シリコン基板上に成長するゲルマニウムまたは半導性材料内に歪みを作成し、ゲルマニウムもしくは半導性材料の導電性を増加させる、電荷キャリアの移動性を改良させてもよい。いくつかの実施形態では、希土類プニクタイド層は、シリコン基板上に成長するゲルマニウムまたは半導性材料内に歪みを作成し、そのような材料内の光電子放出の効率を増加させるために、ゲルマニウムもしくは半導性材料の帯域構造を修正してもよい。
【００１５】
希土類プニクタイドは、１つ以上の希土類元素と、１つ以上の第Ｖ族元素とから形成される合金に与えられた名称である。第Ｖ族元素は、窒素（Ｎ）と、亜燐酸（Ｐ）と、砒素（Ａｓ）と、アンチモン（Ｓｂ）と、ビスマス（Ｂｉ）とを含む。希土類元素は、ランタン（Ｌａ）と、セリウム（Ｃｅ）と、プラセオジム（Ｐｒ）と、ネオジム（Ｎｄ）と、プロメチウム（Ｐｍ）と、サマリウム（Ｓｍ）と、ユーロピウム（Ｅｕ）と、ガドリニウム（Ｇｄ）と、テルビウム（Ｔｂ）と、ジスプロシウム（Ｄｙ）と、ホルミウム（Ｈｏ）と、エルビウム（Ｅｒ）と、ツリウム（Ｔｍ）と、イッテルビウム（Ｙｂ）と、ルテチウム（Ｌｕ）と、スカンジウム（Ｓｃ）と、イットリウム（Ｙ）とを含む。特に、プニクタイド合金を含む希土類プニクタイドは、１つの希土類（例えば、Ｓｃ、Ｅｒ、Ｇｄ、Ｎｄ）および第Ｖ族元素（例えば、Ｎ、Ｐ、Ａｓ）のうちの２つを使用し得る。
【００１６】
図１は、第１の半導体層１０２と、第１の半導体層１０２にわたってエピタキシャルに成長する希土類プニクタイド緩衝層１０４と、希土類プニクタイド緩衝層１０４にわたってエピタキシャルに成長する第２の半導体層１０６とを含む、層構造１００を描写する。第１の半導体層１０２は、層構造１００の成長のためにエピタキシャルなテンプレートを提供する、任意の半導体または絶縁層であってもよい。第１の半導体層１０２は、例えば、＜１００＞の結晶配列を伴うシリコン基板である。いくつかの実施形態では、第１の半導体層１０２は、第ＩＩＩ族からの少なくとも１つの元素と、（例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、Ｇａ１−ｘ−ｙＡｌｘＩｎｙＳｂ１−ｐＡｓｐ、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ、ｙ、およびｐ≦１）等の）第Ｖ族からの少なくとも１つの元素とを含むＩＩＩ−Ｖ合金であってもよい。代替として、第１の半導体層１０２は、ＳＯＩ基板内におけるもののような、絶縁層にわたるシリコン層である、または他の層にわたってエピタキシャルに成長するシリコン層である。
【００１７】
いくつかの実施形態では、希土類プニクタイド緩衝層１０４は、少なくとも１つの希土類元素と、少なくとも２つの第Ｖ族元素とを含む。希土類プニクタイド緩衝層１０４は、第１の半導体層１０２に隣接する第１の領域１０８と、第２の半導体層１０６に隣接する第２の領域１１０とを含むことができる。希土類プニクタイド緩衝材１０４の第１の領域１０８は、第１の半導体層１０２と同様の結晶格子定数を有し、希土類プニクタイド緩衝層１０４の第２の領域１１０は、第２の半導体層１０６と同様の結晶格子定数を有する。いくつかの実施形態では、第１の第Ｖ族元素は、第１の領域１０８内に第３の濃度と、第２の領域１１０内に第２の濃度とを有する。第１の第Ｖ族元素の濃度は、第１の領域１０８における第３の濃度から第２の領域１１０における第２の濃度に、勾配が付けられる、階段状、線形、劣線形、または超線形の様式で、希土類プニクタイド緩衝層１０４の厚さを横断して変動する。加えて、第２の第Ｖ族元素は、第１の領域１０８内に第３の濃度と、第２の領域１１０内に第４の濃度とを有する。第２の第Ｖ族元素は、第１の領域１０８における第３の濃度から第２の領域１１０における第４の濃度に、勾配が付けられる、階段状、線形、劣線形、または超線形の様式で、希土類プニクタイド緩衝層１０４の厚さを横断して変動する。第１の濃度、第２の濃度、第３の濃度、および第４の濃度は、０％から１００％に変動してもよい。いくつかの実施形態では、希土類プニクタイド緩衝層１０４の第１の領域１０８は、意図しない不純物を除いては、第２の第Ｖ族元素を含有しない場合があり、希土類プニクタイド層１０４の第２の領域１１０は、意図しない不純物を除いては、第１の第Ｖ族元素を含有しない場合がある。第１の第Ｖ族元素および第２の第Ｖ族元素の濃度は、格子定数がシリコンの格子定数から第２の半導体層の格子定数に変動する（または、実質的に、シリコンの格子的数に整合される）（もしくは、実質的に、第２の半導体層の格子定数に整合される）ように、徐々に、変更される。故に、層１０４および１０６は、層１０２上に余分な歪みをもたらすことなく、シリコンにわたってエピタキシャルに成長する。
【００１８】
いくつかの実施形態では、希土類プニクタイド緩衝層１０４は、少なくとも２つの希土類元素と、少なくとも１つの第Ｖ族元素とを含む。希土類プニクタイド緩衝層１０４は、第１の半導体層１０２に隣接する第１の領域１０８と、第２の半導体層１０６に隣接する第２の領域１１０とを含むことができる。希土類プニクタイド緩衝材１０４の第１の領域１０８は、第１の半導体層１０２と同様の結晶格子定数を有し、希土類プニクタイド緩衝層１０４の第２の領域１１９は、第２の半導体層１０６と同様の結晶格子定数を有する。第１の希土類元素は、第１の領域１０８内に第１の濃度と、第２の領域１１０内に第２の濃度とを有する。第１の希土類元素の濃度は、第１の領域における第１の濃度から第２の領域における第２の濃度に、勾配が付けられる、階段状、線形、劣線形、または超線形の様式で、希土類プニクタイド緩衝層１０４の厚さを横断して変動する。加えて、第２の希土類元素は、第１の領域１０８内に第３の濃度と、第２の領域１１０内に第２の濃度とを有する。第２の希土類元素の濃度は、第１の領域内の第３の濃度から第２の領域内の第４の濃度に、勾配が付けられる、階段状、線形、劣線形、または超線形の様式で、希土類プニクタイド緩衝層１０４の厚さを横断して変動する。第１の濃度、第２の濃度、第３の濃度、および第４の濃度は、０％から１００％に変動してもよい。故に、希土類プニクタイド緩衝層１０４の第１の領域１０８は、意図しない不純物を除いては、第２の希土類元素を含有せず、希土類プニクタイド層１０４の第２の領域１１０は、意図しない不純物を除いては、第１の希土類元素を含有しない。第１の希土類元素および第２の希土類元素濃度の変化が、もたらされ、層にいかなる歪みをももたらさずに、徐々に、格子定数をシリコンの格子定数から、シリコンにわたってエピタキシャルに成長している第２の半導体層の格子定数に変更する。
【００１９】
第２の半導体層１０６は、第ＩＶ族（例えば、ゲルマニウム）からの半導体、すなわち、シリコンゲルマニウム合金、または第ＩＩＩ族および第Ｖ族元素の合金（例えば、ガリウム砒素）であってもよい。いくつかの実施形態では、第ＩＩＩ族および第Ｖ族元素の合金は、ドープされている、または真性であってもよい。いくつかの実施例では、第２の半導体層１０６は、汚染および／または以前の堆積プロセスから生じ得る意図しない不純物を除いては、窒素を含有しない。格子定数内に第１の半導体層１０２から第２の半導体層１０６への遷移を提供することによって、希土類プニクタイド緩衝層１０４は、最小限の欠陥レベルを伴う第２の半導体層１０６のエピタキシャルな成長を可能にする。
【００２０】
図２は、希土類プニクタイド緩衝層１０４が複数の副層（２１２、２１４、２１６、２１８）を含む層構造２００を描写する。層構造２００は、第１の半導体層１０２と、第１の半導体層１０２にわたってエピタキシャルに成長する第１の希土類プニクタイド副層２１２と、希土類プニクタイド緩衝層１０４の第１の領域１０８内の第１の希土類プニクタイド副層２１２にわたってエピタキシャルに成長する、第２の希土類プニクタイド副層２１４とを含む。層構造２００は、希土類プニクタイド緩衝層１０４の第２の領域１１０内の第３の希土類プニクタイド副層２１６にわたってエピタキシャルに成長する第４の希土類プニクタイド副層２１８にわたってエピタキシャルに成長する、第２の半導体層１０６をさらに含む。層構造２００は、図１に示され、かつ希土類プニクタイド緩衝層１０４内に複数の副層を含有する層構造１００の特定の実施例である。いくつかの実施形態では、副層２１２は、層２００の格子構造を徐々に修正するために実質的に副層２１４に格子整合している、離散ＲＥ−Ｖ合金を含有する。いくつかの実施形態では、連続層は、本開示に後述に説明されるように、同様の元素または異なる元素を含有してもよい。第１の領域１０８および第２の領域１１０はそれぞれ、２つの副層を含むように図２に描写されるが、領域１０８ならびに１１０は、多層構造内に任意の数の付加的な副層を含むことができる。格子定数内に第１の半導体層１０２から第２の半導体層１０６への比較的になだらかな遷移を提供することによって、希土類プニクタイド緩衝層１０４は、最小限の欠陥レベルを伴う第２の半導体層１０６のエピタキシャルな成長を可能にする。
【００２１】
図３は、半導体１（層３０２）にわたってエピタキシャルに成長する材料１（層３０４、３０８）および材料２（層３０６、３１０）の複数の代替層を伴う層構造３００を描写する。いくつかの実施形態では、材料１、材料２、および半導体１の格子構造は、異なる。任意の２つの層（例えば、材料１および材料２）の間の格子構造内の誤整合は、２つの層間に歪みを誘起させる。いくつかの実施形態では、約２〜３％の格子誤整合が、許容可能であり、３％以上の格子誤整合は、層構造３００内に高レベルの欠陥をもたらす。いくつかの実施形態では、格子整合が、使用され、第２の半導体層１０６の臨界層厚を達成する。厚さが臨界層厚を下回る場合、第２の半導体層１０６は、薄すぎて有用ではない。例えば、Ｇｅの厚さがＳｉにわたって２ｎｍである場合、ＳｉとＧｅとの間の誤整合は、４％である。したがって、半導体１にわたってエピタキシャルに成長するように選定された材料は、徐々に、層３００の格子定数を修正し、層構造３００上の歪みを低減または最小限にさせる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、層３０２にわたって層３０４によって誘起された格子歪みは、層３０４の層厚および層３０４と層３０２との間の格子誤整合の積として表される。層３０４は、層３０２上に引張歪力または圧縮歪力をもたらし得る。引張および圧縮歪力は、図５に関連して詳細に説明される。手短に述べると、歪み平衡は、異なる材料を使用して、歪力に等しくかつ正反対の量を印加し、相互を釣り合わせることによって達成され得る。図３の右図に示されるように、材料１および材料２は、半導体１上に正反対の歪力を誘起する。具体的には、材料１は、半導体１上に引張歪力３１４を誘起し、材料２は、半導体１上に圧縮歪力３１６を誘起する。他の実施形態では、材料１は、圧縮歪力を誘起し、材料２は、引張歪力を誘起する。図３に描写される力は、描写的であり、必ずしも材料１および２によって誘起される歪力の大きさを反映するわけではない。方向に加え、歪力は、材料の層厚に依存し得る。特に、層３０４および層３０６は、下記の場合、半導体１に対して歪み平衡の状態であると言われる。
（Δａ１×ｔ１）＝（Δａ２×ｔ２）  方程式１
式中、Δａ１は、半導体１に対する材料１の格子誤整合を表し、ｔ１は、層３０４の厚さを表し、Δａ２は、半導体１に対する材料２の格子誤整合を表し、ｔ２は、層３０６の厚さを表す。方程式１が該当する場合、層３０４および３０６は、層３０２上のこれらの層の効果が相互に相殺するように、歪み平衡の状態となる。故に、層３０２上には結果として生じる歪みは存在しない。このスタックは、格子構造内の僅かなずれを伴って反復されながら、機械的安定性を維持し、層構造３００の格子定数を半導体１（３０２）の格子定数から構造３００上に堆積されるべき代替材料の格子定数に遷移してもよい。
【００２３】
図４は、本明細書に説明される層構造内で使用されることができる種々の材料の格子定数を示すグラフ４００を描写する。Ｘ軸は、希土類金属を示し、Ｙ軸は、測定された格子パラメータをオングストロームで示す。水平線４１２は、シリコンの格子定数を表し、水平線４１０は、ゲルマニウムの格子定数を表す。曲線４０２は、Ｘ軸上に描写されるような希土類金属の関数として、希土類窒化物（ＲＥ−Ｎ）に対する格子定数を描写する。同様に、曲線４０４は、希土類燐化物（ＲＥ−Ｐ）に対する格子定数を描写し、曲線４０６は、希土類砒化物（ＲＥ−Ａｓ）に対する格子定数を描写し、曲線４０８は、希土類アンチモン化物（ＲＥ−Ｓｂ）に対する格子定数を描写する。１つの実施例では、点１（４１４）は、窒素と組み合わせられて窒化エルビウム（ＥｒＮ）を形成する、希土類金属エルビウムの格子定数を描写する。点２（４１６）は、亜燐酸と組み合わせられて燐酸エルビウム（ＥｒＰ）を形成する、希土類金属エルビウムの格子定数を描写し、点３（４１８）は、砒素と組み合わせられて砒化エルビウム（ＥｒＡｓ）を形成する、希土類金属エルビウムの格子定数を描写する。ＥｒＮの格子定数は、ＥｒＰの格子定数（約５．６Å）およびＥｒＡｓの格子定数（約５．７５Å）よりも低い、４．８Åである。ＥｒＰおよびＥｒＡｓの格子定数は、ゲルマニウムの格子定数（約５．７Å）ならびにシリコンの格子定数（約５．５Å）と、比較的に同様である。いくつかの実施形態では、シリコン基板上にゲルマニウムをエピタキシャルに成長させるために、希土類プニクタイド緩衝材は、変動する厚さのＥｒＮ、ＥｒＰ、およびＥｒＡｓの副層を含み、徐々に、図５に関連して下記に説明されるような実質的な量の格子歪みを誘起させることなく、層の格子定数をシリコンからゲルマニウムに修正する。
【００２４】
図５は、ゲルマニウムの層５０６が、希土類プニクタイド緩衝材５０４の一部としてＥｒ（第Ｖ族）合金を使用して、シリコン５０２にわたってエピタキシャルに成長する層構造５００の例示的な描写である。図５の表５５０は、シリコン（第２の列）およびゲルマニウム（第３の列）に対するＥｒＮ、ＥｒＰ、ならびにＥｒＡｓの相対的な格子誤整合（Δａ）を含む。図４に示されるように、ＥｒＰおよびＥｒＡｓの格子定数は、ゲルマニウムの格子定数に近い。変動する厚さのＥｒＮ、ＥｒＰ、およびＥｒＡｓの層の組み合わせが、使用され、徐々に、層構造５００の格子定数をシリコンの格子定数からゲルマニウムの格子定数に修正する。ＥｒＮが、シリコンの格子定数より低い格子定数を有し、かつＥｒＰが、シリコンの格子定数より高い格子定数を有するため、ＥｒＮと、ＥｒＰとの組み合わせは、シリコン５０２の格子定数に近い格子定数を有する合金を生成するために十分である。徐々に、格子安定性を維持しながら、希土類プニクタイド緩衝材５０４の厚さ全体を通して、ＥｒＮの濃度が、低減され、ＥｒＡｓの濃度が、増加され、最終的には、ゲルマニウム５０６として同一の格子定数（すなわち、ゲルマニウム５０６の格子定数に実質的に近い格子定数）を達成する。シリコン基板５０２に近接する領域５０８では、シリコン５０２上にＥｒＮおよびＥｒＰによって及ぼされる歪力は、シリコン基板にわたってエピタキシャルに成長すべき２つの層の厚さを決定するために使用されてもよい。ＥｒＰが、ゲルマニウムの格子定数より低い格子定数を有し、かつＥｒＡｓが、ゲルマニウムの格子定数より高い格子定数を有するため、ＥｒＰと、ＥｒＡｓとの組み合わせは、ゲルマニウム５０６の格子定数に近い格子定数を伴う層を生成するために十分である。ゲルマニウム５０６に近接する領域５１０では、ゲルマニウム上にＥｒＡｓおよびＥｒＰの両方によって及ぼされる歪力は、そこにわたってゲルマニウムがエピタキシャルに成長する、２つの層の厚さを決定するために使用される。領域５０８および５１０との間では、層構造５００の格子安定性を維持するために、ＥｒＮの濃度は、徐々に減少され、ＥｒＡｓの濃度は、徐々に増加される。
【００２５】
表５５０内に示される値は、例示目的のみのための推定値である。表５５０に示されるように、ＥｒＮは、シリコンに対して−１０．８％の格子誤整合を有し、ＥｒＰは、シリコンに対して＋３．０％の格子誤整合を有する。負の誤整合は、シリコン基板上にＥｒＮによって及ぼされる引張歪力を示す。負の歪みは、（図４に示されるように、）ＥｒＮの格子定数が、シリコンの格子定数より低いため、もたらされる。ＥｒＮが、シリコンにわたってエピタキシャルに成長するとき、ＥｒＮ分子は、シリコンの格子構造内の位置を占める。ＥｒＮが、シリコンより小さい格子定数を有するため、ＥｒＮの分子は、ＥｒＮが示す格子定数より遠くに離れた点を占めるように押進され（例えば、図４の点４１４において、ＥｒＮの格子定数は、約４．８Åであり、シリコンの格子定数は、約５．５Åである）、したがって、シリコン基板上に引張歪力を及ぼす。正の誤整合は、シリコン基板上にＥｒＰによって及ぼされる圧縮歪力を示す。ＥｒＰがシリコンにわたってエピタキシャルに成長するとき、ＥｒＰ分子は、シリコンの格子構造上の位置を占める。ＥｒＰが、シリコンより大きい格子定数を有するため、ＥｒＰの分子は、ＥｒＰが示す格子定数よりともに近接する点を占めるように押進され、したがって、シリコン基板上に圧縮歪力を及ぼす。
【００２６】
図５に示されるように、１つのＥｒ−Ｖ合金の厚さは、一定の厚さに維持され、他の合金の厚さは、ゲルマニウムおよびシリコンの格子定数に整合するように変動される。特に、ＥｒＰ（５１４、５１８）の厚さは、緩衝材５０４を通して固定値（例えば、３６ｎｍ）である。図５の表５５０はまた、シリコン上にＥｒＮによって及ぼされる歪み（−１０．８％）が、シリコン上にＥｒＰによって反対の方向に及ぼされる力（＋３．０％）の３倍以上であることを示す。ＥｒＰの厚さが、緩衝材５０４全体と通して一定であるため、ＥｒＮ層５１２の厚さは、シリコン層５０２上の歪みを低減させるために１０ｎｍである。２つの層（５１２、５１４）の格子定数の値が、既知であり、かつ層５１４の厚さもまた既知であることを前提として、層５１２の厚さは、方程式１を使用して計算されることができる。方程式１から、ＥｒＮ層５１２の厚さは、ＥｒＰ（５１４、５１８）層の厚さの略３分の１であり、ＥｒＮ層５１２のより高い歪力を取り消すことが推測され得る。同様に、ゲルマニウム基板５０６に近接する領域５１０では、ＥｒＰの厚さおよびＥｒＰならびにＥｒＡｓの格子定数が、２９ｎｍであり、ゲルマニウム層５０６上の歪みを低減させるものであることが既知であることを前提として、ＥｒＡｓ５１６の厚さが、方程式１を使用して計算される。ＥｒＡｓ層５１６の厚さは、ＥｒＰおよびＥｒＡｓによって及ぼされる歪力が同様であるが反対方向であるため、ＥｒＰ層（５１４、５１８）の厚さと同様である。このように、層構造５００は、格子定数の変化に起因する最小限の断層と、欠陥とを有する。格子定数内にシリコン層５０２からゲルマニウム層５０６への遷移を提供することによって、希土類プニクタイド緩衝層５０４は、低減される、または最小限の欠陥レベルを伴うゲルマニウム層５０６のエピタキシャルな成長を可能にする。
【００２７】
図６は、本明細書に説明される層構造内で使用されることができる種々の材料の格子定数を示すグラフ６００を描写する。グラフ６００は、Ｘ軸が、希土類金属を示し、Ｙ軸が、測定された格子パラメータをオングストロームで示す、図４のグラフ４００と同様である。水平線６１２は、シリコンの格子定数を表し、水平線６１０は、ゲルマニウムの格子定数を表す。曲線６０２は、Ｘ軸上に描写されるような希土類金属の関数として、ＲＥ−Ｎに対する格子定数を表す。同様に、曲線６０４は、ＲＥ−Ｐに対する格子定数を描写し、曲線６０６は、ＲＥ−Ａｓに対する格子定数を描写し、曲線６０８は、ＲＥ−Ｓｂに対する格子定数を描写する。１つの実施例では、点１（６１４）は、窒素と組み合わせられて窒化ガドリニウム（ＧｄＮ）を形成する、希土類金属ガドリニウムの格子定数を描写する。点２（６１６）は、亜燐酸と組み合わせられて燐酸ガドリニウム（ＧｄＰ）を形成する、希土類金属ガドリニウムの格子定数を描写する。ＧｄＮの格子定数は、ＧｄＰの格子定数（約５．６Å）およびシリコンの格子定数（約５．４５Å）より大幅に低い、約４．８Åである。ＧｄＰの格子定数（約５．７５Å）は、ゲルマニウムの格子定数（約５．７Å）に近い。例えば、シリコンにわたってゲルマニウムをエピタキシャルに成長させる実施例では、燐酸ガドリニウムの格子定数が、ゲルマニウムおよびシリコンの格子定数を上回り、かつ窒化ガドリニウムの格子定数が、ゲルマニウムならびにシリコンの格子定数を下回るため、窒化ガドリニウムと、燐酸ガドリニウムとの任意の組み合わせは、シリコンおよびゲルマニウムの両方の格子定数を達成するために使用され得る。シリコン基板に近接する領域では、ゲルマニウムの安定層が、図７に関連して下記に説明されるような希土類プニクタイド緩衝材にわたってエピタキシャルに成長し得るように、ゲルマニウムの格子定数と比較的に同様の格子定数に到達するために、希土類プニクタイド緩衝材において、燐酸ガドリニウムより多い窒化ガドリニウムが、存在してもよく、窒化ガドリニウムの濃度が、徐々に、減少してもよく、かつ燐酸ガドリニウムの濃度が、徐々に、増加してもよい。
【００２８】
図７は、ゲルマニウムの層７０６が、希土類プニクタイド緩衝材７０４の一部としてＧｄ（第Ｖ族）合金を使用して、シリコン７０２にわたってエピタキシャルに成長する層構造７００の例示的な描写である。表７５０は、シリコン（第２の列）およびゲルマニウム（第３の列）に対するＧｄＮ、ならびにＧｄＡｓの相対的な格子誤整合（Δａ）を含む。変動する厚さのＧｄＮおよびＧｄＡｓの層の組み合わせが、使用され、徐々に、層構造７００の格子定数をシリコンの格子定数からゲルマニウムの格子定数に修正する。ＧｄＮと、ＧｄＡｓとの組み合わせは、下記に説明されるようなシリコン７０２の格子定数に近い格子定数を有する合金を生成するために十分である。徐々に、格子安定性を維持しながら、希土類プニクタイド緩衝材７０４の厚さ全体を通して、ＧｄＮの濃度が、低減され、ＧｄＡｓの濃度が、増加され、ゲルマニウム７０６の格子定数を達成する。シリコン基板７０２に近接する領域７０８では、シリコン７０２上にＧｄＮおよびＧｄＡｓの両方によって及ぼされる歪力は、シリコン基板にわたってエピタキシャルに成長すべき２つの層の厚さを決定するために使用される。同様に、ゲルマニウム７０６に近接する領域７１０では、ゲルマニウム上にＧｄＡｓおよびＧｄＮの両方によって及ぼされる歪力は、そこにわたってゲルマニウムがエピタキシャルに成長する、２つの層の厚さを決定するために使用される。
【００２９】
図７に示されるように、層７００の格子安定性を維持するために、希土類プニクタイド緩衝材７０４の厚さを通して、ＧｄＮの濃度が、徐々に減少され、ＧｄＡｓの濃度が、徐々に増加される。いくつかの実施形態では、ＧｄＮの濃度の低減は、ＧｄＡｓの濃度の増加をもたらし得、ＧｄＡｓの濃度の増加が存在する必要がない場合がある。いくつかの実施形態では、ＧｄＮの濃度の減少をもたらす、ＧｄＡｓの濃度の実質的な増加が存在し得る。いくつかの実施形態では、層７００の希土類プニクタイド緩衝層７０４の厚さを通して、ＧｄＮの濃度の実質的な減少およびＧｄＡｓの濃度の実質的な増加が、存在し得る。表７５０に示される値は、例示目的のみのための推定計算値である。表７５０に示されるように、ＧｄＮは、シリコンに対して−７．９５％の格子誤整合を有し、ＧｄＡｓは、シリコンに対して４．５８％の格子誤整合を有する。負の誤整合は、シリコン基板上にＧｄＮによって及ぼされる引張歪力を示す。負の歪みは、図６に示されるように、ＧｄＮの格子定数が、シリコンの格子定数より低いため、もたらされる。ＧｄＮがシリコンにわたってエピタキシャルに成長するとき、ＧｄＮ原子は、シリコンの格子構造内の位置を占める。ＧｄＮが、シリコンより小さい格子定数を有するため、ＧｄＮの原子は、ＧｄＮが示す格子定数より遠くに離れた点を占めるように押進され、したがって、シリコン基板上に引張歪力を及ぼすであろう。正の誤整合は、シリコン基板上にＧｄＡｓによって及ぼされる圧縮歪力を示す。ＧｄＡｓがシリコンにわたってエピタキシャルに成長するとき、ＧｄＡｓ原子は、シリコンの格子構造上の位置を占める。ＧｄＡｓが、シリコンより大きい格子定数を有するため、ＧｄＡｓの原子は、ＧｄＡｓが示す格子定数よりともに近接する点を占めるように押進され、したがって、シリコン基板上に圧縮歪力を及ぼすであろう。
【００３０】
いくつかの実施形態では、１つのＧｄ−Ｖ合金の厚さは、一定の厚さに維持され、他の合金の厚さは、ゲルマニウムおよびシリコンの格子定数に整合するように変動される。この実施形態では、ＧｄＡｓ（７１４、７１８）の厚さは、示されるように、３２ｎｍで一定に維持される。図７の表７５０はまた、シリコン上にＧｄＮによって及ぼされる歪みが、シリコン上にＧｄＡｓによって反対の方向に及ぼされる力である４．５８を上回る、−７．９５％であることを示す。ＧｄＡｓの厚さが、一定であるため、ＧｄＮ層７１２の厚さは、シリコン層７０２上の歪みを低減させるために３０ｎｍに変動される。ＧｄＮ層７１２の厚さは、ＧｄＡｓ（７１４、７１８）層の厚さと略同一であり、ＧｄＡｓ層７１４の歪力を取り消す。同様に、ゲルマニウム基板５０６に近接する領域７１０では、ゲルマニウム７０６近傍のＧｄＡｓの濃度を増加させ、ゲルマニウム７０６の格子定数に整合させるために、ＧｄＡｓ７１６の厚さは、３２ｎｍで一定であるが、ＧｄＮの厚さは、１０ｎｍに低減される。このように、層構造７００は、格子定数の変化に起因する最小限の断層と、欠陥とを有する。格子定数内にシリコン層７０２からゲルマニウム層７０６への遷移を提供することによって、希土類プニクタイド緩衝層７０４は、最小限の欠陥レベルを伴うゲルマニウム層７０６のエピタキシャルな成長を可能にする。
【００３１】
図８は、本明細書に説明される層構造内で使用されることができる種々の材料の格子定数を示すグラフ８００を描写する。Ｘ軸は、希土類金属を示し、Ｙ軸は、測定された格子パラメータをオングストロームで示す。水平線８１２は、シリコンの格子定数を表し、水平線８１０は、シリコン基板上で成長し得るＩＩＩ−Ｖ合金である、燐化インジウム（ＩｎＰ）の格子定数を表す。曲線８０２は、Ｘ軸上に描写されるような希土類金属の関数として、希土類窒化物（ＲＥ−Ｎ）に対する格子定数を描写する。同様に、曲線８０４は、希土類燐化物（ＲＥ−Ｐ）に対する格子定数を描写し、曲線８０６は、希土類砒化物（ＲＥ−Ａｓ）に対する格子定数を描写し、曲線８０８は、希土類アンチモン化物（ＲＥ−Ｓｂ）に対する格子定数を描写する。１つの実施例では、点１（８１４）は、窒素と組み合わせられて窒化エルビウム（ＥｒＮ）を形成する、希土類金属エルビウムの格子定数を描写する。点２（８１６）は、亜燐酸と組み合わせられて砒化エルビウム（ＥｒＡｓ）を形成する、希土類金属エルビウムの格子定数を描写し、点３（８１８）は、砒素と組み合わせられてアンチモン化エルビウム（ＥｒＳｂ）を形成する、希土類金属エルビウムの格子定数を描写する。ＥｒＮの格子定数は、ＥｒＰの格子定数（約５．６Å）およびＥｒＡｓの格子定数（約５．７５Å）よりも低い、約４．８Åである。ＥｒＰおよびＥｒＡｓの格子定数は、ＩｎＰの格子定数（約５．７Å）ならびにシリコンの格子定数（約５．５Å）と比較的に同様である。いくつかの実施形態では、シリコン基板上にＩｎＰをエピタキシャルに成長させるために、希土類プニクタイド緩衝材は、変動する厚さのＥｒＮ、ＥｒＰ、およびＥｒＡｓの複数の副層を含み、徐々に、実質的な量の格子歪みを誘起させることなく、層の格子定数をシリコンからゲルマニウムに修正する。いくつかの実施形態では、図１５に関連して下記に説明されるように、希土類プニクタイド緩衝層の第１の副層は、ＥｒＮと、ＥｒＡｓとを含み、シリコンを歪み平衡の状態にし、希土類プニクタイド緩衝層の第２の副層は、ＥｒＡｓと、ＥｒＳｂとを含み、ＩｎＰを歪み平衡の状態にする。
【００３２】
図９は、ゲルマニウムが、希土類プニクタイド緩衝材にわたってエピタキシャルに成長する、４つの層構造９００、９３０、９６０、および９９０を描写する。層構造９９０では、希土類プニクタイド緩衝材９９４は、二元合金の対を含み、徐々に、格子構造をシリコン９９２からゲルマニウム９９６に修正する。層構造９００では、希土類プニクタイド緩衝材９０４、９３４、および９６４は、層構造９９０内に示されるような二元合金の異なる対の代わりとして、同種の３元合金を含む。いくつかの実施形態では、３元合金をもたらすことによって、希土類プニクタイド緩衝材内に二元合金の対の同一の効果を達成することが、可能である。希土類プニクタイド緩衝層９９４の効果は、希土類プニクタイド層９９４内の副層９９８および９９９に取って代わるための２つの３元合金を作成することによって、達成され得る。層９９０の構造的安定性は、希土類プニクタイド緩衝層９９４（９９８および９９９）の各副層が、構造的に安定しているため、層９００の中にもたらされる。希土類プニクタイド緩衝層９９４内の副層は、歪み平衡の状態であり、最小限の構造的欠陥を伴うシリコン層９０２にわたってゲルマニウム層９９６を成長させる。層構造９００の希土類プニクタイド緩衝層９０４内の３元合金化合物９０８および９１０は、それぞれ、シリコン層９０２ならびにゲルマニウム層９０６に整合し、層安定性を維持する。３元合金の化合物の組成は、一般的形式ＧｄＮｘＡｓ１−ｘ（０＜ｘ＜１）のものである。３元合金内の第Ｖ族元素の濃度は、層全体の比に対する、第Ｖ族元素を含有する層の厚さの比を決定することによって、決定されてもよい。
【００３３】
例えば、図９に示されるように、副層９９９では、ＧｄＮは、３０ｎｍの厚さを有し、ＧｄＡｓは、３２ｎｍの厚さを有する。副層９９４における、ＧｄＮおよびＧｄＡｓの両方を含有する副層９９４のサブセットの合計に対するＧｄＮの比率は、以下のように計算され得る。
【化１】
2019522359.tif 000003
この実施例は、副層９９４の一部のみを合計しているが、ＧｄＮおよびＧｄＡｓの集合は、副層９９４の比率を表す。計算に基づいて、副層９９９に対応する３元合金は、化学式ＧｄＮ０．４８Ａｓ０．５２に基づくものであり得る。同様に、副層９９８では、ＧｄＮと、ＧｄＡｓとを含有する副層のサブセットの合計に対するＧｄＮの比率は、以下のように計算される。
【化２】
2019522359.tif 000004
この実施例は、副層９９８の一部のみを合計しているが、ＧｄＮおよびＧｄＡｓの集合は、副層９９４の比率を表す。計算に基づいて、副層９９８に対応する３元合金は、化学式ＧｄＮ０．２３Ａｓ０．７７に基づくものであり得る。
【００３４】
層構造９３０は、層構造９００と同様の構造を描写するが、３元合金は、砒素の代わりに亜燐酸を含む。いくつかの実施形態では、第１の領域９３８内の３元合金ＧｄＮ０．３８Ｐ０．６２の組成は、シリコン９３２に格子整合し、シリコン内にもたらされる歪みを最小限にさせる。第２の領域９４０では、３元合金ＧｄＮ０．０６Ｐ０．９４の組成は、ゲルマニウム９３６に格子整合し、ゲルマニウム９３６内にもたらされる歪力を低減させる。希土類プニクタイド緩衝層９３４の格子定数は、徐々に、第１の領域９３８の格子定数から中央領域９５０内の第２の領域９４０の格子定数に修正され、層９３０の構造的な歪み平衡を維持する。
【００３５】
層構造９６０は、層構造９００と同様の構造を描写するが、３元合金は、ガドリニウムの代わりにエルビウムを含む。いくつかの実施形態では、第１の領域９６８内の３元合金ＥｒＮ０．３５Ａｓ０．６５の組成は、シリコン９６２に格子整合し、シリコン内にもたらされる歪みを最小限にさせる。第２の領域９７０では、３元合金の組成は、第１の領域９７０内のＥｒＮ０．０９Ａｓ０．９１であり、ゲルマニウム９６６に格子整合し、ゲルマニウム９６６内にもたらされる歪力を低減させる。希土類プニクタイド緩衝層９６４の格子定数は、徐々に、第１の領域９６８の格子定数から中央領域９８０内の第２の領域９７０の格子定数に修正され、層９６０の構造的な歪み平衡を維持する。格子定数内にシリコン層（例えば、層９０２、９３２、９６２、および９９２）からゲルマニウム層（例えば、層９０６、９３６、９６６、ならびに９９６）への遷移を提供することによって、希土類プニクタイド緩衝層（例えば、層９０４、９３４、９６４、および９９４）は、最小限の欠陥レベルを伴うゲルマニウム層５０６のエピタキシャルな成長を可能にする。
【００３６】
図１０は、本明細書に説明される層構造内で使用されることができる種々の材料の格子定数を示すグラフ１０００を描写する。Ｘ軸は、希土類金属を示し、Ｙ軸は、測定された格子パラメータをオングストロームで示す。グラフ１０００は、曲線１００２、１００４、１００６、１００８、１０１０、１０１２ならびに交点１０１４、１０１６、１０１８を含む。水平線１０１２は、シリコンの格子定数を表し、曲線１０１０は、ゲルマニウムの格子定数を表す。水平線１００２は、Ｘ軸上に描写されるような希土類金属の関数として、希土類窒化物（ＲＥ−Ｎ）に対する格子定数を描写する。同様に、曲線１００４は、希土類燐化物（ＲＥ−Ｐ）に対する格子定数を描写し、曲線１００６は、希土類砒化物（ＲＥ−Ａｓ）に対する格子定数を描写し、曲線１００８は、希土類アンチモン化物（ＲＥ−Ｓｂ）に対する格子定数を描写する。１つの実施例では、点１（１０１４）は、窒素と組み合わせられて窒化エルビウム（ＥｒＮ）を形成する、希土類金属エルビウムの格子定数を描写する。点２（１０１６）は、亜燐酸と組み合わせられて燐酸エルビウム（ＥｒＰ）を形成する、希土類金属エルビウムの格子定数を描写し、点３（１０１８）は、亜燐酸と組み合わせられて燐酸ガドリニウム（ＧｄＰ）を形成する、希土類金属ガドリニウムの格子定数を描写する。ＥｒＮの格子定数は、ＥｒＰの格子定数（約５．６Å）およびＧｄＰの格子定数（約５．７５Å）より大幅に低い、約４．８Åである。ＥｒＰおよびＧｄＰの格子定数は、ゲルマニウムの格子定数（約５．７Å）ならびにシリコンの格子定数（約５．５Å）と、比較的に同様である。いくつかの実施形態では、シリコン基板上にゲルマニウムをエピタキシャルに成長させるために、希土類プニクタイド緩衝材は、変動する厚さのＥｒＮ、ＥｒＰ、およびＧｄＰの副層を含み、徐々に、図１５に関連して下記に説明されるような実質的な量の格子歪みを誘起させることなく、層の格子定数をシリコンからゲルマニウムに修正する。
【００３７】
いくつかの実施形態では、格子定数を変動させるために第Ｖ族元素の濃度を変動させる代わりに、格子定数を変動させるために希土類元素の濃度を変動させることが可能であってもよい。図１０に示されるように、ＥｒＮおよびＥｒＰの二元対のセットが、使用され、図５に説明されるように、シリコンを歪み平衡の状態にしてもよい。これは、ＥｒＰが、シリコンの格子定数を上回る点２  １０１６において格子定数を有し、かつＥｒＮが、ゲルマニウムの格子定数を下回る点１  １０１４において格子定数を有するためである。これらの元素の組み合わせが、使用され、シリコンの格子定数に格子整合してもよい。ＥｒＰおよびＧｄＰの二元対のセットが、使用され、ゲルマニウムを歪み平衡の状態にしてもよい。これは、ＧｄＰが、ゲルマニウムの格子定数を上回る点３  １０１８において格子定数を有し、かつＥｒＰが、ゲルマニウムの格子定数を下回る点２  １０１６において格子定数を有するためである。これらの合金の組み合わせが、使用され、ゲルマニウムの格子定数に格子整合してもよい。
【００３８】
図１１は、図７に描写される第２の半導体層内の所望される歪みを誘起するようなグラフ１１００および１１５０を描写する。いくつかの実施形態では、第２の半導体層７０６内で、（電荷キャリアの移動性、および光子デバイスに対する光子放出の効率を増加させるためのバンドギャップの修正等の）適合特性に格子誤整合を作成することによって、所望される歪みが、計画的に誘起される。いくつかの実施形態では、半導体層７０６と副層７１８との間の格子誤整合は、１％を下回る。いくつかの実施形態では、所望される歪みが、半導体層７０６と希土類プニクタイド緩衝層７０４の副層７１８との間の１〜３％の格子誤整合によって、作成される。いくつかの実施形態では、層構造７００内の安定性を維持するために、１％を下回る格子誤整合が、好ましい。いくつかの実施形態では、半導体層７０６内の電荷キャリアの移動性を増加させるために、または光子の放出の効率を増加させるためのバンドギャップ値を修正するために、１〜３％の格子誤整合が、好ましい。グラフ１１００は、層構造７００内のＧｄＮ副層７１６に関する厚さ（ｔ）と、二元合金に対する半導体層７０６上の希土類プニクタイド緩衝層７０４の結果として生じる効果とを描写する。図７に描写される例示的な層構造では、二元希土類プニクタイド合金は、ＧｄＮであるが、本明細書に説明される同一の原理が、他の希土類プニクタイド緩衝層に適用されることができる。曲線１１０６は、ＧｄＮ副層７１６の厚さが１０ｎｍを上回る場合、ＧｄＮ希土類プニクタイド緩衝層が、第２の半導体層７０６（例えば、ゲルマニウム）上に正味圧縮歪力を及ぼすことを示す。曲線１１０４は、ＧｄＮ副層７１６の厚さが１０ｎｍに維持される場合、第２の半導体層７０６（例えば、ゲルマニウム）上に正味歪みが存在しないことを示す。曲線１１０２は、ＧｄＮ副層７１６の厚さが１０ｎｍを下回る場合、第２の半導体層（例えば、ゲルマニウム）上に正味引張歪力が存在することを示す。
【００３９】
グラフ１１５０は、３元合金に対する半導体層９０６上の領域９１０の組成の効果を描写する。この実施形態では、３元希土類プニクタイド合金は、ＧｄＮ１−ｘＡｓｘである。３元合金の場合、領域９１０内のＮおよびＡｓの濃度は、３元合金内で決定されるＮならびにＡｓの一部によって決定される。曲線１１５６は、領域９１０内のＡｓ（ｘ）の濃度が０．７７を上回る場合、ＧｄＮｘＡｓ１−ｘ希土類プニクタイド緩衝層が、第２の半導体層９０２（例えば、ゲルマニウム）上に正味引張歪力を及ぼすことを示す。曲線１１０４は、領域９１０内のＡｓの濃度が０．７７に維持される場合、第２の半導体層９０６（例えば、ゲルマニウム）上に正味歪みが存在しないことを示す。曲線１１５２は、領域９１０内のＡｓの濃度が０．７７を下回る場合、第２の半導体層９０６（例えば、ゲルマニウム）上に正味引張歪力が存在することを示す。この図内の合金の選択、およびグラフならびに関連数の描写は、例示目的のみのためであり、原理は、他の材料組み合わせならびに層構造に適用され得る。
【００４０】
図１２は、基部層１２９０と、ＩＩＩ−Ｖ層１２９５とを伴う層構造１２００を描写する。いくつかの実施形態では、この層構造１２００に対する複数の構成要素が、存在してもよい。いくつかの実施形態では、層構造１２００の構成要素のうちの１つは、図１に描写される層１００と同様の副層であってもよい。層１００は、第１の半導体層１０２と、希土類プニクタイド緩衝層１０４と、第２の半導体層１０６とを含む。同様に、層構造１２００は、シリコン層１２０２と、シリコン層１２０２にわたってエピタキシャルに成長する、プニクタイド緩衝材１２０４と、プニクタイド緩衝層１２０４にわたってエピタキシャルに成長する、ゲルマニウム層１２０６とを含む。図１２に描写されるシリコン／プニクタイド／ゲルマニウムの組み合わせは、より大きい層１２００の部分である。いくつかの実施形態では、層１２００は、シリコン層１２０２の下方および基部層１２９０の上方に、異なる構成要素を含有してもよい。いくつかの実施形態では、層１２００は、ゲルマニウム１２０６の上方およびＩＩＩ−Ｖ層１２９５の下方に、構成要素を含有してもよい。
【００４１】
図１３は、希土類プニクタイド緩衝層１３０４にわたってエピタキシャルに成長する、シリコン層１３０６と、ゲルマニウム層１３０２にわたってエピタキシャルに成長する、希土類プニクタイド緩衝層１３０４とを伴う層構造１３００を描写する。層１３００は、図１３において、第１の半導体層がシリコン９６２の代わりにゲルマニウム１３０２であり、かつ第２の半導体層がシリコン１３０６であることを除いては、図９に描写される層９６０と同様である。図９内のものに対して、第１の半導体層および第２の半導体層が入れ替えられたため、希土類プニクタイド緩衝材１３０４の組成勾配は、図９の希土類プニクタイド緩衝材９６４の組成勾配とは逆である。格子安定性を維持するために、ゲルマニウム近傍の領域１３０８は、より高い濃度（例えば、０．９１）の砒素と、低い濃度（例えば、０．０９）の窒素とを含有し、シリコン近傍の領域１３１０は、より高い濃度（例えば、０．３５）の窒素と、より低い濃度（例えば、０．６５）の砒素とを含有する。領域１３２０内の窒素および砒素の濃度は、徐々に、窒素に関しては、０．０９から０．３５に、砒素に関しては、０．９１から０．６５に変動しながら、格子安定性を維持する。格子定数内にゲルマニウム層１３０２からシリコン層１３０６への徐々の遷移を提供することによって、希土類プニクタイド緩衝層１３０４は、最小限の欠陥レベルを伴うゲルマニウム層１３０２上のシリコン層１３０６のエピタキシャルな成長を可能にする。
【００４２】
図１４は、第２の半導体層１４０２が第ＩＶ族合金である、層構造１４００および１４５０を描写する。第ＩＶ族合金は、２つ以上の第ＩＶ族の元素から成る異なる組成を含有する。層構造１４００では、第２の半導体層１４０６は、形式Ｓｉ１−ｘＧｅｘのシリコンゲルマニウム合金である。変数ｘは、０＜ｘ≦１の範囲に及ぶ。いくつかの実施形態では、ｘの値は、１であり、１４０６内の第ＩＶ族合金は、意図しない不純物を除いては、完全にゲルマニウムから成る。いくつかの実施形態では、ｘは、０〜１の値であり、層１４０６内でシリコンと、ゲルマニウムとを含有する第ＩＶ族合金を作成する。概して、ｘの値は、第ＩＶ族合金１４０６が完全にシリコンで成り、かつシリコン基板１４０２と第ＩＶ族合金１４０６とに差異がないであろう場合におけるように、０に到達することは許容されていない。プニクタイド緩衝材１４０４の組成は、上記に説明されるように、関連合金を含み、層１４００の格子安定性を維持する。
【００４３】
層構造１４５０では、第２の半導体層１４５６は、形状Ｇｅ１−ｘＳｎｘのゲルマニウム錫合金である。変数ｘは、０＜ｘ≦１の範囲に及ぶ。いくつかの実施形態では、ｘの値は、１であり、１４５６内の第ＩＶ族合金は、意図しない不純物を除いては、完全に錫から成る。いくつかの実施形態では、ｘの値は、０であり、１４５６内の第ＩＶ族合金は、意図しない不純物を除いては、完全にゲルマニウムから成る。いくかの実施形態では、ｘは、０〜１の値であり、層１４５６内で錫と、ゲルマニウムとを含有する第ＩＶ族合金を作成する。プニクタイド緩衝材１４５４の組成は、関連合金を含み、上記に説明されるように、層１４５０の格子安定性を維持する。格子定数内にシリコン層（１４０２、１４５２）からシリコンゲルマニウムまたはゲルマニウム錫層（１４０６、１４５６）への遷移を提供することによって、希土類プニクタイド緩衝層（１４０４、１４５４）は、最小限の欠陥レベルを伴うゲルマニウム層７０６のエピタキシャルな成長を可能にする。
【００４４】
図１５は、３元合金ＧｄＮ１−ｘＡｓｘから構成される希土類プニクタイド層１５０４にわたる、燐化インジウム（ＩｎＰ）の第２の半導体層１５０６を伴う、層構造１５００を描写する。層構造１５００は、ゲルマニウムの第１の半導体層１５０２と、ゲルマニウム層１５０２にわたってエピタキシャルに成長する、希土類プニクタイド緩衝層１５０４と、希土類プニクタイド緩衝層１５０４にわたってエピタキシャルに成長する、ＩｎＰ層１５０６とを含む。ゲルマニウム層１５０２に近接する第１の領域１５０８では、３元合金の組成は、略ＧｄＮ０．７７Ａｓ０．２３であり、ゲルマニウム層１５０２の格子組成に整合する。ＩｎＰ層に近接する領域１５１０では、希土類プニクタイド層１５０４の組成は、変性ＧｄＡｓである。ＧｄＡｓの格子定数は、ＩｎＰの格子定数と同様であり、そのため、希土類プニクタイド合金は、変性され、ＩｎＰの格子定数に整合する。層構造１５５０は、ＧｄＮおよびＧｄＡｓの二元合金の対から構成される希土類プニクタイド層１５０４にわたる、燐化インジウム（ＩｎＰ）の第２の半導体層１５０６を含む。層構造１５５０は、ゲルマニウムの第１の半導体層１５５２と、ゲルマニウム層１５５２にわたってエピタキシャルに成長する、希土類プニクタイド緩衝層１５５４と、希土類プニクタイド緩衝層１５０４にわたってエピタキシャルに成長する、ＩｎＰ層１５５６とを含む。層１５５０内の希土類プニクタイド緩衝層は、二元合金の対を含む。希土類プニクタイド緩衝材１５５４内の二元合金の効果は、希土類プニクタイド緩衝層１５０４内の３元合金の効果と同一である。ＧｄＮおよびＧｄＡｓの層の厚さは、希土類プニクタイド緩衝層１５５４内のＮならびにＡｓの濃度を監視し、ＩｎＰ層１５５６およびゲルマニウム１５５２層と格子整合するために使用される。希土類プニクタイド緩衝層１５５４の厚さ全体を通して、ＧｄＡｓの層（１５６４、１５６８）の厚さは、３２ｎｍで一定に保たれる。ゲルマニウム１５５２近傍の第１の領域１５５８では、ＧｄＮ１５６４の厚さが、１０ｎｍに設定され、希土類プニクタイド緩衝材１５５８の第１の領域が、ゲルマニウム１５５２に対して歪み平衡の状態であることを確実にする。ＩｎＰ１５５６近傍の第１の領域１５６０では、ＧｄＮ１５６６の厚さが、２ｎｍに低減され、希土類プニクタイド緩衝材１５６０の第２の領域が、ＩｎＰ１５５６に対して歪み平衡の状態であることを確実にする。ＧｄＮの層の厚さの、１０ｎｍから８ｎｍへ、そこから２ｎｍへの徐々の減少は、ＩｎＰ１５５６近傍の第２の領域１５６０内のＧｄＡｓの濃度の増加をもたらす。層の厚さを達成するために使用される詳細計算の実施例が、図５により詳細に説明される。格子定数内にゲルマニウム層（１５０２、１５５２）からＩｎＰ層（１５０６、１５５６）への遷移を提供することによって、希土類プニクタイド緩衝層（１５０４、１５５４）は、最小限の欠陥レベルを伴うＩｎＰ層（１５０６、１５５６）のエピタキシャルな成長を可能にする。
【００４５】
図１６は、光子デバイス用途のための分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構成を含む層構造１６００を描写する。層構造１６００は、シリコン層１６０２と、いくつかの希土類プニクタイド層と、シリコンゲルマニウム合金またはゲルマニウム含有層１６０６とを含む。いくつかの実施形態では、層構造１６００は、シリコンの代わりに、半導体層１６０２のための異なる材料を含んでもよく、かつゲルマニウムまたはゲルマニウム合金の代わりに、半導体層１６０６のための異なる材料を含んでもよい。概して、層１６０２および１６０６の代わりに、任意の組み合わせの第１ならびに第２の半導体が、使用されてもよい。シリコン層１６０２は、層構造１６００の成長のためにエピタキシャルなテンプレートを提供する、任意のシリコン層であり得る。シリコン層１６０２は、例えば、＜１００＞の結晶配列を伴うシリコン基板である。しかしながら、シリコン層１６０２はまた、ＳＯＩ基板におけるように、絶縁層にわたるシリコン層であり得る、または別の層にわたってエピタキシャルに成長するシリコン層であり得る。層構造１６００は、それぞれ、化学式ＧｄＮおよびＧｄＡｓを有する、希土類プニクタイド層１６１２、１６１４の２つの対を含む。ＧｄＮおよびＧｄＡｓの４分の１波長層（ＱＷＬ）の対はそれぞれ、λ／４の総厚を有する（式中、λは、ＤＢＲ構造によって反射されるべき光の波長である）。層構造１６００は、希土類プニクタイド層の２つの対を含むものとして描写されるが、他の数の対もまた、考えられ、対の数は、十分な反射率をもたらすように選定される。より大きい数の対が、より高い反射率をもたらすであろう。
【００４６】
図１７は、層構造１６００の分散ブラッグ反射器の反射率を示すグラフを描写する。図１７は、波長の関数として、ＤＢＲの反射率を描写する曲線１７０２、１７０４、および１７０６を含む。曲線１７０２は、３周期反射器（すなわち、３つの対のＱＷＬを伴う反射器）に対応し、曲線１７０４は、６周期反射器（すなわち、６つの対のＱＷＬを伴う反射器）に対応し、曲線１７０２は、９周期反射器（すなわち、９つの対のＱＷＬを伴う反射器）に対応する。ＤＢＲ内の周期の増加数は、より高い反射率およびより急勾配のロールオフをもたらす。
【００４７】
図１８は、例証的な実施形態による、層構造１００を成長させるためのプロセス１８００のフローチャートである。本プロセスは、第１の半導体層が提供される、１８０２において開始する。１８０４では、本プロセスは、希土類プニクタイド緩衝層をエピタキシャルに成長させる。１８０６では、本プロセスは、第２の半導体層１８０６を成長させる。
【００４８】
１８０２では、第１の半導体層が、提供される。第１の半導体１０２層は、それにわたって希土類プニクタイド緩衝層１０４が成長する、シリコン基板であってもよい。いくつかの実施形態では、第１の半導体層は、図１５に説明されるようなゲルマニウム層であってもよい。
【００４９】
１８０４では、希土類プニクタイド緩衝層１０４が、第１の半導体層１０２にわたってエピタキシャルに成長する。希土類プニクタイド緩衝層１０４の元素部分の実施例は、Ｅｒ、Ｇｄ、Ｉｎ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、またはその任意の好適な組み合わせを含む。エピタキシャルに成長する希土類プニクタイド緩衝層１０４が、成長し、層１００の格子定数を第１の半導体の格子定数から第２の層の格子定数に修正しながら、希土類プニクタイド緩衝層１０４全体を通して格子安定性を維持する。
【００５０】
１８０６では、第２の半導体層１０６が、希土類プニクタイド緩衝層１０４にわたってエピタキシャルに成長する。いくつかの実施形態では、第２の半導体１０６は、ＩＩＩ−Ｖ合金、第ＩＶ族元素、第ＩＶ族合金、または任意の他の好適な材料であってもよい。
【００５１】
図１９は、例証的な実施形態による、層構造２００を成長させるプロセス１９００のフローチャートである。本プロセスは、第１の半導体層が提供される、１９０２において開始する。本プロセスは、希土類プニクタイド緩衝層をエピタキシャルに成長させ始める。１９０４では、本プロセスは、第１の副層２１２を第１の半導体層１０２上にエピタキシャルに成長させる。１９０６では、本プロセスは、第２の副層２１４を第１の副層２１２上に成長させる。１９１０では、本プロセスは、第３の副層２１６を希土類緩衝材の中間部分上にエピタキシャルに成長させる。１９１２では、本プロセスは、第４の副層２１８を第３の副層２１６上にエピタキシャルに成長させる。１９０６では、本プロセスは、第２の半導体層１０２を第４の副層２１８にわたってエピタキシャルに成長させる。
【００５２】
１９０２では、第１の半導体層が、提供される。第１の半導体１０２層は、それにわたって希土類プニクタイド緩衝層１０４が成長する、シリコン基板であってもよい。いくつかの実施形態では、第１の半導体層は、図１５に説明されるようなゲルマニウム層であってもよい。
【００５３】
１９０４では、希土類プニクタイド緩衝層１０４の第１の副層２１２が、第１の半導体層１０２にわたってエピタキシャルに成長する。第１の副層２１２は、第１の半導体層１０２の格子定数に格子整合し、第１の半導体層２１２上に、特定の方向に歪力を及ぼす。
【００５４】
１９０６では、希土類プニクタイド緩衝層１０６の第２の副層２１４が、副層２１２にわたってエピタキシャルに成長する。第２の副層２１４は、第１の副層２１４の格子定数に格子整合し、第１の副層２１２によって及ぼされる力と反対の方向に歪力を及ぼす。
【００５５】
１９０８では、中間緩衝層が、副層２１４にわたってエピタキシャルに成長する。中間緩衝層の１つの領域は、副層２１４の格子定数に近い第１の格子定数を有し、中間緩衝層の第２の領域は、層２１６の格子定数に近い第２の格子定数を有する。いくつかの実施形態では、中間緩衝層の格子定数は、徐々に、第１の格子定数から第２の格子定数に修正される。いくつかの実施形態では、中間緩衝層は、図２に示されない他の副層を含む。これは、図７に関連して詳細に説明される。いくつかの実施形態では、中間緩衝層は、図９に関連して詳細に説明されるように、種々の濃度の希土類および第Ｖ族合金から構成される、３元合金を含む。
【００５６】
１９１０では、希土類プニクタイド緩衝層１０６の第３の副層２１６が、中間緩衝層にわたってエピタキシャルに成長する。第３の副層２１６は、中間緩衝材の格子定数に格子整合し、第２の半導体層１０２上に、第１の方向に歪力を及ぼす。
【００５７】
１９１２では、希土類プニクタイド緩衝層１０６の第４の副層２１８が、中間緩衝層にわたってエピタキシャルに成長する。第４の副層２１４は、中間緩衝層の格子定数に格子整合し、第２の半導体層１０２上に、第１の方向の反対の、第２の方向に歪力を及ぼす。
【００５８】
希土類プニクタイド緩衝層１０４の種々の副層の元素部分の実施例は、Ｅｒ、Ｇｄ、Ｉｎ、Ｎ、Ｐ、およびＡｓである。
【００５９】
１９１４では、第２の半導体層１０２が、副層２１８にわたってエピタキシャルに成長する。第２の半導体層１０２は、第１の副層２１８の格子定数に格子整合する。いくつかの実施形態では、第２の半導体１０６は、ＩＩＩ−Ｖ合金、第ＩＶ族元素、第ＩＶ族合金、または任意の他の好適な材料であってもよい。
【００６０】
例証のために選定される、本明細書の実施形態への種々の変更および修正が、当業者に容易に生じるであろう。そのような修正および変形例が本発明の精神から逸脱しない限り、それらが本明細書の範囲内に含まれることが、意図される。
【００６１】
格子定数、格子パラメータ、または格子間隔は、結晶格子内の単位胞の物理的寸法を指す。格子定数は、典型的には、約数オングストローム（Å）である。半導体材料間で整合する格子定数は、層が結晶構造内の変化なく成長することを可能にする。
【００６２】
第Ｖ族元素は、（半導体物理学で使用されるような）元素周期表の第Ｖ族に属する元素である。第Ｖ族は、本分野では、窒素（Ｎ）と、亜燐酸（Ｐ）と、砒素（Ａｓ）と、アンチモン（Ｓｂ）と、ビスマス（Ｂｉ）とを含むと理解される。この元素族は、例えば、現代のＩＵＰＡＣ表記の第１５族、すなわち、窒素族、またはプニクトゲンと称されるものと同一の族であると理解される。
【００６３】
ランタニド系列は、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）等の金属を含む。本開示全体を通して、用語「希土類元素」または「希土類金属」は、スカンジウムおよびイットリウムならびに全てのランタニドを含むことを理解されたい。
【００６４】
本明細書に説明される成長および／または堆積は、化学蒸着（ＣＶＤ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシ（ＯＭＶＰＥ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、ハライド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）、ならびに／もしくは物理蒸着（ＰＶＤ）のうちの１つ以上のものを使用して実施されることができる。
【００６５】
ＩＩＩ族窒化物（ＩＩＩ−Ｎ）材料は、窒素と、１つ以上の第ＩＩＩ族元素とを含む半導性の材料である。ＩＩＩ族窒化物材料を形成するために使用される一般的な第ＩＩＩ族元素は、アルミニウムと、ガリウムと、インジウムとを含む。ＩＩＩ族窒化物材料は、大きい直接バンドギャップを有し、それ自体を高電圧デバイス、無線周波数デバイス、および光学デバイス向けに有用にしている。さらに、複数の第ＩＩＩ族元素は、変動組成内の単一のＩＩＩ族窒化物フィルム内に組み合わせられることができるため、ＩＩＩ族窒化物フィルムの物性は、非常に調整可能である。
【００６６】
いくつかの実施形態では、本明細書に説明される層構造内で使用されるＩＩＩ−ＶおよびＩＩＩ族窒化物材料は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を使用して成長される。ＭＯＣＶＤでは、１つ以上の第ＩＩＩ族前駆体が、第Ｖ族前駆体と反応し、基板上にＩＩＩ族窒化物フィルムを堆積させる。いくつかの第ＩＩＩ族前駆体は、ガリウム源としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）と、アルミニウム源としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、インジウム源としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを含む。アンモニアは、窒素源として使用されることができる第Ｖ族前駆体である。ターシャリーブチルアルシンおよびアルシンは、砒素源として使用されることができる第Ｖ族前駆体である。ターシャリーブチルホスフィンおよびホスフィンは、亜燐酸源として使用されることができる第Ｖ族前駆体である。
【００６７】
いくつかの実施形態では、本明細書に説明される層構造内で使用されるＩＩＩ−ＶおよびＩＩＩ族窒化物材料は、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）を使用して成長される。ＭＢＥは、高真空または超高真空内で生じる、単一結晶の薄膜蒸着のためのエピタキシ方法である。ＭＢＥでは、ガス状の原子または分子の精密なビームが、加熱された基板において発射される。分子は、基板表面に到達すると、緩徐かつ体系的に濃縮し、超薄層に堆積する。
【００６８】
本明細書に説明されるように、層は、表面を被覆する略一様な厚さの材料を意味する。層は、連続的または不連続的（すなわち、材料の領域の間に間隙を有する）のいずれか一方であり得る。例えば、層は、表面を完全に被覆する、または集合的に層（すなわち、選択領域エピキタシを使用して形成される領域）を画定する、不連続領域に分割されることができる。層構造は、層のセットを意味し、独立型構造またはより大きな構造の部分であり得る。ＩＩＩ族窒化物構造は、ＩＩＩ族窒化物材料を含有する構造を意味し、Ｓｉ、酸化硅素（ＳｉＯｘ）、窒化硅素（ＳｉｘＮｙ）、およびＩＩＩ−Ｖ材料であるいくつかの実施例等の、ＩＩＩ族窒化物以外の付加的な材料を含有し得る。同様に、ＩＩＩ−Ｖ構造は、ＩＩＩ−Ｖ材料を含有する構造を意味し、Ｓｉ、酸化硅素（ＳｉＯｘ）、窒化硅素（ＳｉｘＮｙ）、およびＩＩＩ族窒化物材料（ＩＩＩ−Ｖのサブセット）であるいくつかの実施例等の、ＩＩＩ−Ｖ以外の付加的な材料を含有し得る。
【００６９】
「モノリシックに統合される」は、典型的には、表面上に配置される層を堆積させることによって、基板の表面上に形成されることを意味する。
【００７０】
「〜上に配置される」とは、下層の材料または層の「上に存在する」ことを意味する。この層は、好適な表面を確実にするために必要である、転位層等の中間層を含んでもよい。例えば、材料が「基板上に配置される」ように説明される場合、これは、（１）材料は、基板と直接接触している、または（２）材料は、基板上に存在する１つ以上の転位層と接触しているのいずれか一方を意味し得る。
【００７１】
単結晶は、略１つのタイプの単位胞のみを含む結晶構造を意味する。しかしながら、単結晶層は、積層欠陥、断層、または他の一般的に発生する結晶欠陥等のいくつかの結晶欠陥を示し得る。
【００７２】
単一ドメイン（すなわち、単結晶）は、実質的に単位胞の１つの構造のみかつ実質的にその単位胞の１つの配向のみを含む結晶質構造を意味する。言い換えると、単一ドメイン結晶は、双ドメインまたは反位相ドメインを示さない。
【００７３】
単一位相は、単結晶および単一ドメインの両方である結晶構造を意味する。
【００７４】
結晶質は、実質的に単結晶および実質的に単一ドメインである結晶構造を意味する。結晶化度は、結晶構造が、単結晶および単一ドメインである程度を意味する。高結晶質構造は、略完全に、または完全に、単結晶かつ単一ドメインであるであろう。
【００７５】
エピタキシ、エピタキシャルな成長、およびエピタキシャルな堆積は、結晶性基板上の結晶層の成長または堆積を指す。結晶層は、エピタキシャル層と称される。結晶性基板は、テンプレートとして作用し、結晶層の配向および格子間隔を決定する。結晶層は、いくつかの実施例では、格子整合または格子一致の状態であり得る。格子整合結晶層は、結晶性基板の上面と同一または非常に同様の格子間隔を有し得る。格子一致結晶層は、結晶性基板の格子間隔の整数倍、またはその整数倍と非常に同様である格子間隔を有し得る。いくつかの実施形態では、数は、整数の０．５％以内である場合、整数と見なされてもよい。例えば、１．９５〜２．０５の数は、整数２であると見なされてもよい。いくつかの実施形態では、格子整合結晶構造内の格子間隔は、約０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、または任意の他の好適な割合であってもよい。概して、格子整合結晶構造内の格子間隔は、１％を下回ってもよい。代替として、結晶性基板の格子間隔は、格子一致結晶層の格子間隔の整数倍、またはその整数倍に非常に同様であり得る。エピタキシの品質は、部分的に、結晶層の結晶化度の程度に基づく。実際に、高品質なエピタキシャル層は、最小限の欠陥を伴う、かつ結晶粒界が殆どまたは全くない単結晶であるであろう。
【００７６】
基板は、その上に堆積層が形成される材料を意味する。例示的な基板は、限定ではないが、ウエハが均一な厚さの単結晶シリコンを含むバルクシリコンウエハ、バルクシリコンハンドルウエハ上に配置される二酸化硅素の層上に配置されるシリコンの層を含むシリコン・オン・インシュレータウエハ等の複合ウエハ、またはその上もしくはその中でデバイスが形成される基部層の役割を果たす任意の他の材料を含む。基板層およびバルク基板として使用するための用途の機能として好適である、そのような他の材料の実施例は、限定ではないが、窒化ガリウムと、炭化硅素と、酸化ガリウムと、ゲルマニウムと、アルミナと、ガリウム砒素と、燐化インジウムと、珪土と、二酸化硅素と、硼珪酸ガラスと、パイレックス（登録商標）ガラスと、サファイアとを含む。
【００７７】
希土類プニクタイド材料は、１つ以上の第Ｖ族元素と、１つ、２つ、もしくはそれを上回る希土類（ＲＥ）元素とを含有する材料である。希土類元素は、ランタン（Ｌａ）と、セリウム（Ｃｅ）と、プラセオジム（Ｐｒ）と、ネオジム（Ｎｄ）と、プロメチウム（Ｐｍ）と、サマリウム（Ｓｍ）と、ユーロピウム（Ｅｕ）と、ガドリニウム（Ｇｄ）と、テルビウム（Ｔｂ）と、ジスプロシウム（Ｄｙ）と、ホルミウム（Ｈｏ）と、エルビウム（Ｅｒ）と、ツリウム（Ｔｍ）と、イッテルビウム（Ｙｂ）と、ルテチウム（Ｌｕ）と、スカンジウム（Ｓｃ）と、イットリウム（Ｙ）とを含む。
【００７８】
セミコンダクタ・オン・インシュレータは、単結晶半導体層と、単相誘電層と、基板とを含む組成を意味し、誘電層は、半導体層と基板との間に挿入される。この構造は、シリコン・オン・インシュレータ（「ＳＯＩ」）組成を含んでもよい。
【００７９】
キャリア濃度は、単位体積あたりのバルクキャリアの数を意味する。
【００８０】
電荷キャリア密度は、体積あたりの電荷キャリアの数を示す。
【００８１】
界面は、異種結晶性半導体の２つの層の層または領域の間の表面を意味する。
【００８２】
セミコンダクタ・オン・インシュレータ組成は、限定ではないが、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウムの「活性」層を含む。言い換えると、例示的なセミコンダクタ・オン・インシュレータ組成は、限定ではないが、シリコン・オン・インシュレータと、ゲルマニウム・オン・インシュレータと、シリコンゲルマニウム・オン・インシュレータとを含む。いくつかの実施形態では、使用され得るシリコンの種々の構造は、例えば、Ｓｉ＜１００＞、Ｓｉ＜１１０＞、Ｓｉ＜１１１＞である。
【００８３】
本明細書において第２の層「上に存在する」またはそれ「にわたる」ものとして説明ならびに／もしくは描写される第１の層は、第２の層に直接的に隣接し得る、または第１の層と第２の層との間に存在し得る１つ以上の介在層であり得る。第１の層と第２の層「との間」に存在するものとして説明および／または描写される介在層は、第１の層ならびに／もしくは第２の層に直接的に隣接し得る、または第１の層と第２の層との間の介在層であり得る１つ以上の付加的な介在層であり得る。本明細書において「直接的に」第２の層または基板「上に存在する」もしくはそれ「にわたる」ものとして説明および／または描写される第１の層は、可能性として第１の層の、第２の層もしくは基板との混合に起因して形成し得る介在合金層以外の、介在層を伴わない第２の層または基板に直接的に隣接する。加えて、本明細書において第２の層または基板「上に存在する」、それ「にわたる」、「直接的に」その「上に存在する」、もしくは「直接的に」それ「にわたる」ものとして説明および／または描写される第１の層は、第２の層もしくは基板全体、または第２の層もしくは基板の一部を被覆し得る。
【００８４】
基板は、層成長の間に基板ホルダ上に設置され、そのため、上面または上側表面は、基板ホルダから最も遠い基板もしくは層の表面である一方、底部表面または下側表面は、基板ホルダに最も近い基板もしくは層の表面である。本明細書に描写かつ説明される任意の構造は、描写された構造の上方および／または下方に付加的な層を伴うより大きな構造の部分であり得る。明確化のために、本明細書における図は、これらの付加的な層を省略し得るが、これらの付加的な層は、開示された構造の部分であり得る。加えて、描写される構造は、たとえ反復が図内に描写されていなくても、その単位で反復され得る。
【００８５】
上記の説明から、種々の技術が、本開示の範囲から逸脱することなく、本明細書に説明される概念の実装のために使用され得ることが、明白である。説明される実施形態は、全ての点で、例証的でありかつ制限的ではないと見なされるべきである。本明細書に説明される技術および構造は、本明細書に説明される特定の実施例に限定されるものではないが、本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施例に実装され得ることもまた、理解されたい。同様に、動作は、図面内に特定の順序に描写されるが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が示される特定の順序またはシーケンシャル順序で実施されること、もしくは全ての図示される動作が示される特定の順序またはシーケンシャル順序で実施されることを要求するものではないことを理解されたい。加えて、説明される異なる実施例は、１つの実施例ではなく、１つの実施例の特徴は、他の開示実施例内にも含まれ得る。故に、請求項は、本明細書に開示される実施例に限定されるものではないが、それらの教示が当業者に通知するであろうように、上記に提供される技術的教示から理解され得ることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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