【事件の表示】
　特許第２５８２５０６号「多層材料及びその製造方法」の請求項２ないし５、７、８に係る特許に対する特許異議の申立てについて、次のとおり決定する。
【結　論】
　訂正を認める。
　特許第２５８２５０６号の請求項７、８、２ないし５に係る特許を維持する。
【理　由】
１．手続の経緯
　特許出願　　　　　　　　　　平成４年５月１２日
　（優先権主張：１９９１年５月３１日　米国）
　特許権設定登録　　　　　　　平成８年１１月２１日
　特許異議の申立て　　　　　　平成９年８月１９日
　（申立人：杉山六郎）
　取消理由通知　　　　　　　　平成９年１２月１６日
　訂正請求　　　　　　　　　　平成１０年７月１日
　訂正拒絶理由通知　　　　　　平成１１年６月１７日
　手続補正（訂正請求）　　　　平成１２年１月１２日
　訂正請求取下　　　　　　　　平成１３年１月２５日
　取消理由通知　　　　　　　　平成１３年２月１５日
　訂正請求　　　　　　　　　　平成１３年２月２６日
２．訂正の適否についての判断
（１）訂正の内容
　訂正事項ａ
　請求項１における、「各エピタキシャル層のそれぞれは、」と「実質的に一定の組成を有すると共に、」の間に「３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入し、「約０．０２５から約２％」を「０．０２５から２％」に、「低欠陥の最上エピタキシャル層」を「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上エピタキシャル層」に訂正する。
　訂正事項ｂ
　請求項２における、「各層のそれぞれが・・・複数の層から構成され、」と「最上層を除く複数の格子定数は、」の間に「また各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入し、「２％以下」を「０．０２５から２％の範囲内」に、「低欠陥の最上層」を「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上層」に訂正する。
　訂正事項ｃ
　請求項３における、「第一の基板上に・・・含んでおり、」と「最上エピタキシャル層を・・・変化させることにより、」の間に「各エピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入し、 「２％以下」を「０．０２５から２％の範囲内」に、「欠陥の少ない最上エピタキシャル層」を「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上エピタキシャル層」に訂正する。
　訂正事項ｄ
　請求項４における、「第二のヘテロエピタキシャル層の上に・・・第三番目に形成する工程とを有し、」と「第一のヘテロエピタキシャル層における第二の格子定数、」の間に「各ヘテロエピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、さらに」を挿入し、「２％以下」を「０．０２５から２％の範囲」に訂正する。
　訂正事項ｅ
　請求項５における、「多層材料は、」と「格子定数が平均で・・・」の間に「第一の元素Ａ及び第二の元素ＢのＡｘＢ１−ｘの形で表される組成を有し、」を挿入し、「この複数の層の上に・・・含むものであって、」と「不整合層下の１または２以上の層に、」の間に「各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入し、「２％以下の率だけ」を「０．０２５から２％の範囲内の率で」に、「この不整合層が低欠陥層として」を「この不整合層が１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する低欠陥層として」に訂正する。
　訂正事項ｆ
　請求項７において、「結晶基板上にエピタキシャル層を形成する工程」を「結晶基板上に３５０℃〜６５０℃の温度範囲でエピタキシャル層を形成する工程」に、「このエピタキシャル層における格子定数の変化率を、このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生するような率」を「このエピタキシャル層における格子定数の変化率を、このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生し、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する不整合層が形成されるように、平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内で変化する率」に訂正する。
　訂正事項ｇ
　請求項８において、「結晶基板の上に設けられるエピタキシャル層」を「結晶基板の上に３５０℃〜６５０℃の温度範囲で設けられるエピタキシャル層」に、「第一の格子定数から第二の格子定数に変化し、」を「第一の格子定数から第二の格子定数に平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内で変化し、」に、「このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生すること」を「このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生することにより、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する不整合層が形成されること」に訂正する。
（２）訂正の目的の適否、新規事項の有無及び拡張・変更の存否
　上記訂正事項ａの、請求項１における「各エピタキシャル層のそれぞれは、」と「実質的に一定の組成を有すると共に、」の間に「３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入することは、エピタキシャル層の形成温度範囲を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当し、「約０．０２５から約２％」を「０．０２５から２％」に訂正することおよび「低欠陥の最上エピタキシャル層」を「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上エピタキシャル層」に訂正することは、明りょうでない記載の釈明を目的としたものである。
　そして、「３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」は、願書に添付した明細書（以下、特許明細書という。）の段落３１及び段落６１の記載を根拠とするものであり、「０．０２５から２％」は特許明細書の段落３９の記載を根拠にしたものであり、「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上エピタキシャル層」は特許明細書の段落４０，４１および４４の記載を根拠とするものである。
　したがって、上記訂正事項ａは、特許請求の範囲の減縮および明りょうでない記載の釈明を目的とするものであり、また特許明細書に記載された事項の範囲内のものであり、実質上特許請求の範囲を拡張し又は変更するものではない。
　上記訂正事項ｂの、請求項２における「各層のそれぞれが・・・複数の層から構成され、」と「最上層を除く複数の格子定数は、」の間に「また各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入することは、各層の形成温度範囲を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当し、「２％以下」を「０．０２５から２％の範囲内」に訂正することは、格子定数の変化率の下限を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当し、「低欠陥の最上層」を「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上層」に訂正することは、明りょうでない記載の釈明を目的とするものである。
　そして、「また各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」は、特許明細書の段落３１および段落６１の記載を根拠とするものであり、「０．０２５から２％の範囲内」は特許明細書の段落３９の記載を根拠にしたものであり、「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上層」は特許明細書の段落４０，４１および４４の記載を根拠とするものである。
　したがって、上記訂正事項ｂは、特許請求の範囲の減縮および明りょうでない記載の釈明を目的とするものであり、また特許明細書に記載された事項の範囲内のものであり、実質上特許請求の範囲を拡張し又は変更するものではない。
　上記訂正事項ｃの、請求項３における「第一の基板上に・・・含んでおり、」と「最上エピタキシャル層を・・・変化させることにより、」の間に「各エピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入することは、各エピタキシャル層の形成温度を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当し、「２％以下」を「０．０２５から２％の範囲内」に訂正することは、格子定数の変化率の下限を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当し、「欠陥の少ない最上エピタキシャル層」を「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上エピタキシャル層」に訂正することは、明りょうでない記載の釈明を目的とするものである。
　そして、「各エピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」は、特許明細書の段落３１および段落６１の記載を根拠とするものであり、「０．０２５から２％の範囲内」は特許明細書の段落３９の記載を根拠にしたものであり、「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上エピタキシャル層」は特許明細書の段落４０，４１および４４の記載を根拠とするものである。
　したがって、上記訂正事項ｃは、特許請求の範囲の減縮および明りょうでない記載の釈明を目的とするものであり、また特許明細書に記載された事項の範囲内のものであり、実質上特許請求の範囲を拡張し又は変更するものではない。
　上記訂正事項ｄの、請求項４における「第二のヘテロエピタキシャル層の上に・・・第三番目に形成する工程とを有し、」と「第一のヘテロエピタキシャル層における第二の格子定数、」の間に「各ヘテロエピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、さらに」を挿入することは、各ヘテロエピタキシャル層の形成温度を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当し、「２％以下」を「０．０２５から２％の範囲」に訂正することは、格子定数の変化率の下限を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当する。
　そして、「各ヘテロエピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、さらに」は、特許明細書の段落３１及び段落６１の記載を根拠とするものであり、「０．０２５から２％の範囲」は特許明細書の段落３９の記載を根拠にしたものである。
　したがって、上記訂正事項ｄは、特許請求の範囲の減縮を目的とするものであり、また特許明細書に記載された事項の範囲内のものであり、実質上特許請求の範囲を拡張し又は変更するものではない。
　上記訂正事項ｅの、請求項５における「多層材料は、」と「格子定数が平均で」の間に「第一の元素Ａ及び第二の元素ＢのＡｘＢ１−ｘの形で表される組成を有し、」を挿入することは、多層材料を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当し、「この複数の層の上に・・・含むものであって、」と「不整合層下の１または２以上の層に、」の間に「各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入することは、各層の形成温度を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当し、「２％以下の率だけ」を「０．０２５から２％の範囲内の率で」に訂正することは、格子定数の変化率の下限を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当し、「この不整合層が低欠陥層として」を「この不整合層が１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する低欠陥層として」に訂正することは、明りょうでない記載の釈明を目的としたものである。
　そして、「第一の元素Ａ及び第二の元素ＢのＡｘＢ１−ｘの形で表される組成を有し、」は、特許明細書の段落４１，６１の記載を根拠とし、「各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」は、特許明細書の段落３１および段落６１の記載を根拠とし、「０．０２５から２％の範囲内の率で」は特許明細書の段落３９の記載を根拠とし、「この不整合層が１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する低欠陥層として」は、特許明細書の段落４０，４１および４４の記載を根拠とするものである。
　したがって、上記訂正事項ｅは、特許請求の範囲の減縮および明りょうでない記載の釈明を目的とするものであり、また特許明細書に記載された事項の範囲内のものであり、実質上特許請求の範囲を拡張し又は変更するものではない。
　上記訂正事項ｆの、請求項７における「結晶基板上にエピタキシャル層を形成する工程」を「結晶基板上に３５０℃〜６５０℃の温度範囲でエピタキシャル層を形成する工程」に訂正することは、エピタキシャル層の形成温度を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当し、「このエピタキシャル層における格子定数の変化率を、このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生するような率」を「このエピタキシャル層における格子定数の変化率を、このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生し、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する不整合層が形成されるように、平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内で変化する率」に訂正することは、不整合層の貫通転位数とエピタキシャル層の格子定数の変化率を具体的に限定したものであるから特許請求の範囲の減縮に該当する。
　そして、「結晶基板上に３５０℃〜６５０℃の温度範囲でエピタキシャル層を形成する工程」は、特許明細書の段落３１および段落６１の記載を根拠とし、不整合層の貫通転位を１×１０５／ｃｍ２以下とすることは特許明細書の段落４０，４１および４４の記載を根拠とし、格子定数の変化率を平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内とすることは、特許明細書の段落３９の記載を根拠としている。
　したがって、訂正事項ｆは、特許請求の範囲の減縮を目的とするものであり、また特許明細書に記載された事項の範囲内のものであり、実質上特許請求の範囲を拡張し又は変更するものではない。
　上記訂正事項ｇの、請求項８における「結晶基板の上に設けられるエピタキシャル層」を「結晶基板の上に３５０℃〜６５０℃の温度範囲で設けられるエピタキシャル層」に訂正することは、エピタキシャル層を設ける温度範囲を限定したものであるから、特許請求の範囲の減縮に該当し、「第一の格子定数から第二の格子定数に変化し、」を「第一の格子定数から第二の格子定数に平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内で変化し、」に訂正することは、格子定数の変化率を限定するものであるから特許請求の範囲の減縮に該当し、「このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生すること」を「このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生することにより、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する不整合層が形成されること」に訂正することは、不整合層の貫通転位数を限定したものであるから特許請求の範囲の減縮に該当する。
　そして、「結晶基板の上に３５０℃〜６５０℃の温度範囲で設けられるエピタキシャル層」は、特許明細書の段落３１および段落６１の記載を根拠とし、「第一の格子定数から第二の格子定数に平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内で変化し、」は、特許明細書の段落３９の記載を根拠とし、不整合層の貫通転位を１×１０５／ｃｍ２以下とすることは特許明細書の段落４０，４１および４４の記載を根拠としている。
　したがって、訂正事項ｇは、特許請求の範囲の減縮を目的とするものであり、また特許明細書に記載された事項の範囲内のものであり、実質上特許請求の範囲を拡張し又は変更するものではない。
（３）独立特許要件の判断
（本件発明）
　訂正後の請求項１〜５，７，８に係る発明は、訂正明細書の請求項１〜５，７，８に記載された次のとおりのものである。
【請求項１】第一の格子定数を有する第一の元素Ａの単結晶基板上に形成されると共に低欠陥の最上エピタキシャル層を含む多層材料であって、
　多層材料は、第一の元素Ａ及び第二の元素ＢのＡｘＢ１−ｘの形で表される組成を有する複数のエピタキシャル層であり、各エピタキシャル層のそれぞれは、３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、実質的に一定の組成を有すると共に、その厚さが５原子の厚さ以上でその層の有する臨界厚以下の範囲であり、最上エピタキシャル層を除く複数のエピタキシャル層における上記第一及び第二の元素の上記組成は、格子定数が平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内の率で変化するように選択され、そして、この複数のエピタキシャル層の上に不整合な最上エピタキシャル層を形成した時、最上エピタキシャル層下の１または２以上のエピタキシャル層に、この１または２以上のエピタキシャル層のそれぞれの端に移動するミスフィット転位が発生することにより、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上エピタキシャル層が形成されることを特徴とする多層材料。
【請求項２】低欠陥の最上層を含む多層材料であって、
　多層材料は、各層のそれぞれが一定の格子定数を有する実質的に単結晶である層である複数の層から構成され、また各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、最上層を除く複数の層の格子 定数は、平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内の率で変化し、そして、この層の上に不整合な最上層を形成した時、最上層下の１または２以上の層に、この１または２以上の層のそれぞれの端に移動するミスフィット転位が発生することにより、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上層が形成されることを特徴とする多層材料。
【請求項３】任意の格子定数である不整合な最上層エピタキシャル層を形成するための方法であって、
　第一の格子定数及び原子的に清浄な上面を有する単結晶材料の第一の基板を選択する工程と、
　第一の基板上に複数のエピタキシャル層を形成する工程とを含んでおり、
　各エピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、最上エピタキシャル層を除く複数のエピタキシャル層の組成を層毎に変化させることにより、この複数のエピタキシャル層における格子定数を、平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内の率で変化させ、そして、このエピタキシャル層の上に不整合な最上エピタキシャル層を形成した時、最上エピタキシャル層下の１または２以上のエピタキシャル層に、この１または２以上のエピタキシャル層のそれぞれの端に移動するミスフィット転位が発生することにより、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上エピタキシャル層が形成されることを特徴とする方法。
【請求項４】格子定数がそれぞれ異なる複数のエピタキシャル層からなる多層材料を形成するための方法であって、
　第一の格子定数を有する実質的に単結晶の材料の上面を有すると共にこの上面が原子的に清浄である基板を選択する工程と、
　基板の上に第二の格子定数を有する第一のヘテロエピタキシャル層を第一番目に形成する工程と、
　第一のヘテロエピタキシャル層の上に第三の格子定数を有する第二のヘテロエピタキシャル層を第二番目に形成する工程と、
　第二のヘテロエピタキシャル層の上に第四の格子定数を有する第三のヘテロエピタキシャル層を第三番目に形成する工程とを有し、
　各ヘテロエピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、さらに第一のヘテロエピタキシャル層における第二の格子定数、第二のヘテロエピタキシャル層における第三の格子定数及び第三のヘテロエピタキシャル層における第四の格子定数を、それぞれ平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲の率で変化させることを特徴とする方法。
【請求項５】単結晶基板の上に形成されると共に低欠陥層を含む多層材料であって、
　多層材料は、第一の元素Ａ及び第二の元素ＢのＡｘＢ１−ｘの形で表される組成を有し、格子定数が平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲の率で変化する複数の層と、この複数の層の上に設けられる不整合層とを含むものであって、各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、不整合層下の１または２以上の層に、この１または２以上の層のそれぞれの端に移動するミスフィット転位が発生することにより、この不整合層が１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する低欠陥層として形成されることを特徴とする多層材料。
【請求項７】結晶基板とその上に設けられるエピタキシャル層とからなる構造を形成するための方法であって、
　第一の格子定数を有する結晶基板を準備する工程と、
　結晶基板上に３５０℃〜６５０℃の温度範囲でエピタキシャル層を形成する工程とを含んでおり、
　エピタキシャル層の組成を、基板との境界面から厚さ方向に向かって第一の格子定数から第二の格子定数にその格子定数が変化するようなグレーディッド組成とし、そして、このエピタキシャル層における格子定数の変化率を、このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生し、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する不整合層が形成されるように、平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内で変化する率とすることを特徴とする方法。
【請求項８】第一の格子定数を有する結晶基板と、
　結晶基板の上に３５０℃〜６５０℃の温度範囲で設けられるエピタキシャル層からなる構造であって、
　エピタキシャル層の格子定数は、結晶基板との境界面から厚さ方向に向かって第一の格子定数から第二の格子定数に平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内で変化し、そして、このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生することにより、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する不整合層が形成されることを特徴とする構造。
（引用例）
　当審が第一回目の取消理由で引用した特開昭６１−２９４８７７号公報（以下、刊行物１という。）には、「基板となる第１の半導体の表面上に、少なくとも、緩衝層となる１層または複数層の半導体層で構成された第２の半導体と、前記第１の半導体とは異種の第３の半導体とが、順次積層された構造の半導体装置において、前記第３の半導体の緩衝層となる前記第２の半導体を構成する半導体各層のうち、少なくとも前記第３の半導体と接する前記第２の半導体を構成する半導体層を、その格子定数が前記第３の半導体の格子定数よりも小なる値を有する半導体材料で形成することを特徴とする半導体装置。」（特許請求の範囲（１））、「第１図は本発明の第２の実施例であり、面方位［１００］のシリコン基板１１上に、組成比ｘを０．０５から０．９５まで０．１ずつステップ状に増加させながら形成した１０層のＳｉ１−ｘＧｅｘ混晶層からなる緩衝層１２，ガリウムひ素結晶１３を順次積層して形成した半導体装置である。本実施例においても、緩衝層１２を構成する各Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層は、各層間の格子不整合が新たに発生する転位によって緩和され得る臨界的厚さ以上に設定する必要があり、ここではその厚さを全て約０．２μｍとした。」（第３頁左下欄第３〜１３行）および「本発明による半導体装置では、異種基板上に形成される半導体結晶に常に圧縮応力が加わるため、半導体結晶を厚く形成した場合でも割れや剥がれ等の問題が回避でき、結晶性の優れたものが得られるという大きな特徴がある。」（第３頁右下欄第１９行〜第４頁左上欄第４行）と記載されている。
　したがって、ＧｅとＳｉの格子定数の不整合は４％であるから、各緩衝層１２の各層は厚さ０．２μｍで０．４％の割合で格子定数が変化するから１０００Å毎に０．２％の率で変化している。
　同じく、特開昭６３−９２０１４号公報（以下、刊行物２という。）には、「格子定数の不一致が原因で、混晶比変化層内に発生した結晶不整合歪は、混晶比変化層内にミスフィット転位と呼ばれる刃状転位を導入する。本発明の課程でＫｉを一定とした場合少数例ではあるが、実験室的にＧａＡｓｘＰ１−ｘを成長させるに際して約８００℃の成長温度に基板を保持し、Ｋｉの値を０．０２／μｍより小さくするときは、ミスフィット転位は［１００］およびこれと直交する［１−１０］の方向に整然と周期性をもって配列し、結晶不整歪を緩和させるとともに、ウェーハのソリを減少させることができた。またこの混晶比変化層の上に成長させた窒素添加混晶比一定層の表面にはクロスハッチパターンと呼ばれる直交する縞模様が生じた。
　しかしながら工業的に製造する場合には、Ｋｉの値がたとえば０．０１／μｍ以下でも結晶不整歪を発生し、かかる材料を用いた発光ダイオードは、発光した光の結晶内での再吸収量が増加して輝度が低下する。
　本発明はかかる研究成果の蓄積と、その検討の結果到達したものであって、Ｋｉの値を変化させ、ＧａＡｓｘＰ１−ｘ混晶率変化層の最終部分を除いた成長層のなかでたとえば０．０４／μｍを超え、以後徐々に減少させて、（これは連続的でもよいしまた断続的でもよい）混晶率変化層の最終段階ではたとえば０．００５／μｍよりも小さくして、発光領域である窒素添加混晶比一定層から結晶歪の大きい領域を遠ざける方法をとると、クロスハッチパターンがより明瞭となり、このエピタキシャルウェーハから作られる発光ダイオードの輝度が向上することがわかった。」（第２頁左下欄第１０行〜右下欄第２０行）、および「以下の方法で第１図（ａ）、（ｂ）に示す、混晶比変化率を不連続的に変化させた橙色発光ダイオード用ＧａＡｓ０．３５Ｐ０．６５エピタキシャルウェーハを製造した。
・・・通常の化学エッチングと機械化学研磨をほどこし、厚さ約３００μｍのＧａＰ鏡面ウェーハを得、これを基板１ａとした。・・・ＧａＰ単結晶基板上に厚さ約２μｍのＧａＰエピタキシャル層１ｂ（第１のエピタキシャル層）を１０分間で成長させた。つぎに・・・混晶比ｘが０から０．１８まで増加する厚さ約１１μｍのＧａＡｓｘＰ１−ｘエピタキシャル層（第２のエピタキシャル層）を５０分間で成長させた。この間の混晶変化率Ｋ１は約０．０１６４／μｍと一定であった。
　ついで・・・混晶比が０．１８から０．３０まで変化する厚さ約１３μｍのＧａＡｓｘＰ１−ｘエピタキシャル層（第３のエピタキシャル層）を５０分間で成長させた。この間の混晶比変化率Ｋ２は約０．００９２／μｍと一定であった。つぎに・・・混晶比ｘが０．３０から０．３５まで増加する厚さ約１１μｍのＧａＡｓｘＰ１−ｘエピタキシャル層（第４のエピタキシャル層）を第３のエピタキシャル層上に４０分間で成長させた。この間の混晶比変化率Ｋ３は約０．００４５／μｍと一定であった。・・・厚さ約１５μｍの混晶比ｘが一定値０．３５である混晶比一定層すなわちＧａＡｓ０．３５Ｐ０．６５層１ｄ（第５のエピタキシャル層）を第４のエピタキシャル層上に５０分間で成長させた。最後に・・・厚さ約４０μｍの窒素添加混晶比一定層１ｅ（第６のエピタキシャル層）を５０分間で成長させ、ＧａＡｓ０．３５Ｐ０．６５エピタキシャル膜の形成を終了して、橙色発光ダイオード用エピタキシャルウェーハを得た。」（第３頁左下欄第１６行〜第４頁左下欄第７行）と記載されている。
　同じく、「化合物半導体デバイス」　ｐ．４４５−４５３，日本産業技術振興協会新材料技術委員会編、財団法人日本産業技術振興協会、１９７３年９月１５日発行（以下、刊行物３という。）には、図１にＧａＡｓＰの格子定数の組成による変化が示されている。
　そして、刊行物３の図１を用いて混晶比から格子定数を求め、刊行物２の第２，第３，第４のエピタキシャル層における、それぞれの格子定数の変化率を計算すると、厚さ１０００Å毎に０．００６７％、０．００２８％、０．００１６％となっている。
（対比・判断）
　本件訂正明細書の請求項１〜５，７，８に係る発明と刊行物１〜３に記載された発明を対比すると、刊行物１〜３には、上記各請求項に係る発明の構成要件である、多層構造を構成する各層または各エピタキシャル層を３５０℃〜６５０℃の温度範囲で形成することについて記載も示唆もされていない。
　そして、上記請求項に係る発明はさらに最上層を除く各層または各エピタキシャル層の格子定数を平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲の率で変化させる構成を有することにより、最上層下の各層または各エピタキシャル層に、この層のそれぞれの端に移動するミスフィット転位を発生させることにより、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上層が形成され、欠陥の少ない不整合層が形成できるという顕著な効果を奏する。
　よって、本件訂正明細書の請求項１〜５，７，８に係る発明は、刊行物１〜３に記載された発明と同一でないばかりでなく、刊行物１〜３に記載された発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものと認めることはできない。
　なお、第２回目の取消理由で指摘した本件明細書の記載不備は、訂正請求により解消された。
（４）むすび
　以上のとおりであるから、上記訂正は特許法等の一部を改正する法律（平成６年法律第１１６号）附則第６条第１項の規定によりなお従前の例によるとされる、平成１１年改正前の特許法第１２０条の４第３項において準用する平成６年法律第１１６号による改正前の特許法第１２６条第１項ただし書、第２項及び第３項の規定に適合するので、当該訂正を認める。
３．特許異議申立についての判断
（１）申立の理由の概要
　申立人は、証拠として、甲第１号証：「エピタキシャル成長技術実用データ集、第１集ＭＢＣとＭＯＣＶＤ／第２分冊ＭＢＥ」　ｐ．１２５−１２６，株式会社サイエンスフォーラム、昭和６２年１１月２０日発行、甲第２号証：特開昭６３−９２０１４号公報（刊行物２に相当）および甲第３号証：「化合物半導体デバイス」　ｐ．４４５−４５３，日本産業技術振興協会新材料技術委員会編、財団法人日本産業技術振興協会、１９７３年９月１５日発行（刊行物３に相当）を提示し、本件請求項２に係る発明は甲第１号証に記載された発明と同一、または甲第１号証に記載された発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものであり、本件請求項３〜５，７，８に係る発明は、甲第２号証に記載の発明と同一または甲第２号証および第３号証に記載の発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたののであるから、本件請求項２〜５，７，８に係る特許は、特許法第２９条第１項第３号または同法第２９条第２項に違反してされたものである旨主張している。
（２）申立についての判断
（本件発明）
　本件請求項２〜５，７，８に係る発明は、本件訂正明細書の特許請求の範囲の請求項２〜５，７，８に記載されたとおりのものである。
（引用例）
　異議申立人が提出した甲第１号証には、「Ｌａｉｄｉｇらは（１００）ＧａＡｓ基板上にＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＧａＡｓＳＬＳ（ｘ＝０．２８およびｘ＝０．３８）を５２０℃で作成し、Ｘ線回折およびＰＬ測定により、層厚と結晶性との関係を評価している３７）、３８）。バルク状態での格子定数差はｘ＝０．２８で２％、ｘ＝０．３８では２．７％に達し、ＳＬＳを形成する場合、ＩｎＧａＡｓは界面に平行な面内で圧縮歪を生じることとなる。図−１８に、個々のＩｎ０．３８Ｇａ０．６２Ａｓ層厚Ｌｚを３２Å〜７７０Åの間で変化させて得た全層厚〜１．６μｍのＳＬＳの（４００）Ｘ線回折パタンを示す３７）。Ｉｎ０．３８Ｇａ０．６２Ａｓ層とＧａＡｓ層との成長時間を等しくしているが、成長速度の違いからＧａＡｓ層厚Ｌｂとの関係はＬｚ／Ｌｂ＝１．６となっている。・・・（ｉ）（Ｌｚ〜７７０Å、Ｌｂ〜４７０Å）より厚膜となると逆に回折ピーク幅がやや減少することから、転位は界面から数１００Å付近に集中しており、界面から離れるに従い転位が減少し結晶性が改善されることを示している。」（第１２５頁左欄第１２行〜右欄１３行）と記載されている。
　したがって、Ｌｚ〜７７０Å、Ｌｂ〜４７０Åの歪超格子の場合、格子定数は厚さ１０００Å毎に、
２．７％÷７７０Å×１０００Å＝３．５％
２．７％÷４７０Å×１０００Å＝５．７％
の率でそれぞれ変化している。
　同じく、甲第２号証及び甲第３号証は、２．（３）で検討した刊行物２及び刊行物３に相当するから、甲第２号証及び甲第３号証には２．（３）で検討したとおりの発明が記載されている。
（対比・判断）
　本件訂正明細書の請求項２に係る発明と甲第１号証に記載の発明を対比すると、甲第１号証には、上記請求項２に係る発明の構成要件である多層材料の最上層を除く各層の格子定数を平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の率で変化させる点について記載も示唆もされていない。そして、上記請求項２に係る発明は、さらに多層材料の各層を３５０℃〜６５０℃の温度で形成する構成を備えることにより、最上層下の各層のそれぞれの端に移動するミスフィット転位を発生させて、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上層が形成され、欠陥の少ない不整合層が形成できるという顕著な効果を奏する。
　よって、本件訂正明細書の請求項２に係る発明は、甲第１号証に記載された発明と同一でないばかりでなく、甲第１号証に記載された発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものと認めることはできない。
　また、甲第２号証及び甲第３号証は２．（３）で検討した刊行物２及び刊行物３に相当するから、本件訂正明細書の請求項３〜５，７，８に係る発明は、２．（３）で検討したと同様の理由により、甲第２号証に記載された発明と同一でないばかりでなく、甲第２号証及び甲第３号証に記載された発明に基づいて当業者が容易に発明をすることができたものと認めることはできない。
４．むすび
　以上のとおりであるから、特許異議申立の理由及び証拠によっては、本件請求項２〜５，７，８に係る発明の特許を取り消すことはできない。
　また、他に本件請求項２〜５，７，８に係る発明についての特許を取り消すべき理由を発見しない。
　よって、結論のとおり決定する。
【異議決定日】
平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【訂正の要旨】
訂正の要旨
　訂正事項ａ
　特許請求の範囲の減縮および明りょうでない記載の釈明を目的として、請求項１における、「各エピタキシャル層のそれぞれは、」と「実質的に一定の組成を有すると共に、」の間に「３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入し、「約０．０２５から約２％」を「０．０２５から２％」に、「低欠陥の最上エピタキシャル層」を「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上エピタキシャル層」に訂正する。
　訂正事項ｂ
　特許請求の範囲の減縮および明りょうでない記載の釈明を目的として、請求項２における、「各層のそれぞれが・・・複数の層から構成され、」と「最上層を除く複数の格子定数は、」の間に「また各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入し、「２％以下」を「０．０２５から２％の範囲内」に、「低欠陥の最上層」を「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上層」に訂正する。
　訂正事項ｃ
　特許請求の範囲の減縮および明りょうでない記載の釈明を目的として、請求項３における、「第一の基板上に・・・含んでおり、」と「最上エピタキシャル層を・・・変化させることにより、」の間に「各エピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入し、「２％以下」を「０．０２５から２％の範囲内」に、「欠陥の少ない最上エピタキシャル層」を「１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する最上エピタキシャル層」に訂正する。
　訂正事項ｄ
　特許請求の範囲の減縮を目的として、請求項４における、「第二のヘテロエピタキシャル層の上に・・・第三番目に形成する工程とを有し、」と第一のヘテロエピタキシャル層における第二の格子定数、」の間に「各ヘテロエピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、さらに」を挿入し、「２％以下」を「０．０２５から２％の範囲」に訂正する。
　訂正事項ｅ
　特許請求の範囲の減縮および明りょうでない記載の釈明を目的として、請求項５における、「多層材料は、」と「格子定数が平均で・・・」の間に「第一の元素Ａ及び第二の元素ＢのＡｘＢ１−ｘの形で表される組成を有し、」を挿入し、「この複数の層の上に・・・含むものであって、」と「不整合層下の１または２以上の層に、」の間に「各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、」を挿入し、「２％以下の率だけ」を「０．０２５から２％の範囲内の率で」に、「この不整合層が低欠陥層として」を「この不整合層が１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する低欠陥層として」に訂正する。
　訂正事項ｆ
　特許請求の範囲の減縮を目的として、請求項７において、「結晶基板上にエピタキシャル層を形成する工程」を「結晶基板上に３５０℃〜６５０℃の温度範囲でエピタキシャル層を形成する工程」に、「このエピタキシャル層における格子定数の変化率を、このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生するような率」を「このエピタキシャル層における格子定数の変化率を、このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生し、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する不整合層が形成されるように、平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内で変化する率」に訂正する。
　訂正事項ｇ
　特許請求の範囲の減縮を目的として、請求項８において、「結晶基板の上に設けられるエピタキシャル層」を「結晶基板の上に３５０℃〜６５０℃の温度範囲で設けられるエピタキシャル層」に、「第一の格子定数から第二の格子定数に変化し、」を「第一の格子定数から第二の格子定数に平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内で変化し、」に、「このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生すること」を「このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生することにより、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する不整合層が形成されること」に訂正する。
（５４）【発明の名称】
多層材料及びその製造方法
（５７）【特許請求の範囲】
　【請求項１】　第一の格子定数を有する第一の元素Ａの単結晶基板上に形成されると共に低欠陥の最上エピタキシャル層を含む多層材料であって、
　多層材料は、第一の元素Ａ及び第二の元素ＢのＡｘＢ１−ｘの形で表される組成を有する複数のエピタキシャル層であり、各エピタキシャル層のそれぞれは、
３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、
０．０２５から２％
１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する
　【請求項２】　低欠陥の最上層を含む多層材料であって、
　多層材料は、各層のそれぞれが一定の格子定数を有する実質的に単結晶である層である複数の層から構成され、
また各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、
０．０２５から２％の範囲内
１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する
　【請求項３】　任意の格子定数である不整合な最上層エピタキシャル層を形成するための方法であって、
　第一の格子定数及び原子的に清浄な上面を有する単結晶材料の第一の基板を選択する工程と、
　第一の基板上に複数のエピタキシャル層を形成する工程とを含んでおり、
　
各エピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、
０．０２５から２％の範囲内
１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する
　【請求項４】　格子定数がそれぞれ異なる複数のエピタキシャル層からなる多層材料を形成するための方法であって、　第一の格子定数を有する実質的に単結晶の材料の上面を有すると共にこの上面が原子的に清浄である基板を選択する工程と、
　基板の上に第二の格子定数を有する第一のヘテロエピタキシャル層を第一番目に形成する工程と、
　第一のヘテロエピタキシャル層の上に第三の格子定数を有する第二のヘテロエピタキシャル層を第二番目に形成する工程と、
　第二のヘテロエピタキシャル層の上に第四の格子定数を有する第三のヘテロエピタキシャル層を第三番目に形成する工程とを有し、
　
各ヘテロエピタキシャル層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、さらに
０．０２５から２％範囲
　【請求項５】　単結晶基板の上に形成されると共に低欠陥層を含む多層材料であって、
　多層材料は、
第一の元素Ａ及び第二の元素ＢのＡｘＢ１−ｘの形で表される組成を有し、
０．０２５から２％の範囲内の率で
各層は３５０℃〜６５０℃の範囲の温度で形成され、
１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する
　【請求項６】　第二の材料の第二のエピタキシャル層を含む構造であって、
　第一の格子定数を有する第一の組成の単結晶基板と、
　単結晶基板の上に設けられると共に元素Ａ及び元素ＢのＡｘＢ１−ｘの形で表される組成を有する第一のエピタキシャル層と、
　第一のエピタキシャル層の上に設けられる第二の材料の第二のエピタキシャル層とから構成され、
　第一のエピタキシャル層の格子定数は、単結晶基板と接する境界面において第一の格子定数であり、単結晶基板との境界面から厚さ方向に向かって平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲の率で変化し、最上面において第二の格子定数になっていることを特徴とする構造。
　【請求項７】　結晶基板とその上に設けられるエピタキシャル層とからなる構造を形成するための方法であって、
　第一の格子定数を有する結晶基板を準備する工程と、
　結晶基板上に
３５０℃〜６５０℃の温度範囲で
　エピタキシャル層の組成を、基板との境界面から厚さ方向に向かって第一の格子定数から第二の格子定数にその格子定数が変化するようなグレーディッド組成とし、そして、このエピタキシャル層における格子定数の変化率を、このエピタキシャル層の上に不整合層を形成した時、このエピタキシャル層の端に移動するミスフィット転位がこのエピタキシャル層に発生
し、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する不整合層が形成されるように、平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内で変化する
　【請求項８】　第一の格子定数を有する結晶基板と、
　結晶基板の上に
３５０℃〜６５０℃の温度範囲
　エピタキシャル層の格子定数は、結晶基板との境界面から厚さ方向に向かって第一の格子定数から第二の格子定数に
平均で厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲内で
により、１×１０５／ｃｍ２以下の貫通転位を有する不整合層が形成される
【発明の詳細な説明】
　【０００１】
　【産業上の利用分野】
　この発明は、格子整合はしていないが、最終層が完全に緩和しており、デバイス応用、あるいはデバイス形成層またはデバイス形成層の基板として有用な十分に低い欠陥密度を示す多層構造に組み合わせることができる材料層を含む構造体に関する。より詳しくは、この発明は、そのような構造体及びその製造方法に関し、特に興味ある例は、シリコン基板と、このシリコン基板上に形成され、最高１００％のＧｅを含む最終組成を有するグレーディッド組成のＳｉ：Ｇｅ層とを含み、ＳｉＧｅ（またはＧｅ）層の表面領域をデバイス形成のため、または付加的なエピタキシーのための基板層として使用することができる完全に緩和した構造体に関する。
　【０００２】
　【従来の技術】
　材料科学、特にマイクロエレクトロニクスの分野においては、層構造が形成される状況がしばしば発生する。もし基板とその上に形成される層とが実質的に格子整合していれば、完全に緩和しており、低欠陥密度を示す種々の厚さの層を形成することができる。本明細書においては、低欠陥密度とは、層をデバイスでの使用に適したもの、すなわちその上に形成されるデバイスを含む層の基板としての使用に適したもの、またはデバイスをその中に形成するのに適した欠陥密度と定義される。
　【０００３】
　上述のタイプのエピタキシャル構造の一例としては、ｎまたはｐ型シリコンのエピタキシャル層を下地のシリコン基板上に形成することが良く知られており、ここでは格子整合は変化する厚さのエピタキシャル層を形成することができるようなものである。しかし、この状況に対して、基板とその上に形成される層とが良い格子整合をしていない状況がある。この後者の状況では、エピタキシーを試みることができるが、格子整合の欠如により生じるひずみによって成長エピタキシャル層中に欠陥の核生成が起きる臨界厚さが存在する。これらの欠陥は急速に伝播、増殖する結果、得られるエピタキシャル膜は非常に高いレベルの欠陥を含む。もしエピタキシャル層の厚さが欠陥の核生成が起きる臨界厚さよりも小さければ、このエピタキシャル層の欠陥密度を非常に低くすることができる。しかし、層の最大の厚さが臨界厚さよりも小さくなければならないとすると、著しい制約が生じる。例えば、製造することができるデバイスのタイプに制約が生じたり、得ることができる電気的性質に制約が生じる。
　【０００４】
　格子整合しない基板上に形成されるエピタキシャル層の臨界厚さは、エピタキシャル層と基板との間の不整合の程度に依存する。この不整合の程度が増加するにつれて、エピタキシャル層の臨界厚さは小さくなる。例えば、ＧｅはＳｉに対して約４％の不整合を有する。これは、ＧｅをＳｉ上にエピタキシャルに形成する時に、転位欠陥が発生する前に約５または６原子層のＧｅしか形成することができないことを意味する。一方、もしエピタキシャル層の材料と基板の材料とが非常に小さな不整合しか有さなければ、エピタキシャル層はその中に転位欠陥が形成される前に非常に厚くすることができる。
　【０００５】
　非格子整合層を含む構造の形成においては、成長膜の厚さが増加するにつれてミスフィット転位が発生し、そのような転位の貫通部が成長エピタキシャル膜の端に向かって伝播することができることが良く知られている。しかし、「すべり距離」という用語の付いたある限界があり、それ以上ではこの貫通部は成長エピタキシャル膜の端に向かって移動する。６００℃以下の温度では、ほぼ交差転位間の反発的相互作用により、すべりは遅く、すべり距離は例外的に小さくなる。
この結果、最終のエピタキシャル層にピン止めされた多数の貫通転位が発生する。
　【０００６】
　従来の技術においては、ミスフィット転位は、基板と格子整合していないエピタキシャル層にそれが出現するのを減少させるために、ある程度は制御することができることが知られている。一つのそのような技術は、ウエーハの端に貫通転位を曲げるために利用される、ひずみ超格子層の使用である。これは、「転位フィルタリング」として知られており、Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ，２９，２７３（１９７５）にＭａｔｔｈｅｗｓらにより記述されている。この技術は、貫通転位の密度をいくらか減少させるためにＧａＡｓベース系で使用されてきたが、ＳｉＧｅ系では使用されていない。Ｂ．Ｗ．ＤｏｄｓｏｎによるＪ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９，５０３（１９９０）の刊行物には、ＧａＡｓベース系における貫通転位の密度が１／１０４に減少するというこの技術の結果が報告されている。Ｊ．ＡＰＰｌ．Ｐｈｙｓ．，６５，４７２３（１９８９）のＲ．Ｈｕｌｌらによる他の論文には、ＳｉＧｅ合金系における転位フィルタリングの使用が記載されている。この論文に注記されているように、このフィルタリング技術はＳｉＧｅ合金系において欠陥密度を減少させるために使用することはできない。
　【０００７】
　欠陥密度の少ない構造を得るために、格子整合していない二つの層の間に中間層を使用することも従来知られている。さらに、格子整合していない二つの層の間にグレーディッド組成を有する層が使用された構造を形成することも知られている。しかし、これらのアプローチの両方においては、エピタキシャル層が何らかの有用な目的のために適した、十分に低い欠陥密度を有する完全に緩和した構造を形成することは不可能であった。
　【０００８】
　Ｂ．Ｓ．ＭｙｅｒｓｏｎらのＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５３，２５５５（１９８８）においては、超高真空化学気相成長（ＵＨＶ−ＣＶＤ）により形成され、それぞれのＳｉ：Ｇｅ合金層の間に純粋なＳｉの中間層が設けられている一連のＳｉ：Ｇｅ合金の形成について記載されている。これらの層は初期シリコン基板上に形成され、Ｇｅ含有量はそれぞれのＳｉ：Ｇｅ層の形成の間に、約２０％Ｇｅを含有する最上層のＳｉＧｅ層まで増加された。純粋なＳｉの交互層は、後の断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）法のためのマーカ層として使用された。不整合（完全緩和）構造と整合（ひずみ）構造との両方が形成された。整合構造の最上層の欠陥密度は約１０４欠陥／ｃｍ２以下であり、これはひずみ構造に対して予測されるものと一致した数である。不整合構造の最上層の欠陥密度は測定されず、装置の感度により約１０８欠陥／ｃｍ２以下の測定ができなかった。この論文においては、最終構造は基板に存在する欠陥を有するが、ウエーハの端への転位欠陥の運動の貫通機構については何ら述べられていない。加えて、組成グレーディング及びひずみ緩和の割合に関する何らかの臨界条件については何ら述べられておらず、Ｓｉ：Ｇｅ層の最大Ｇｅ含有量は２０％を超えていなかった。
　【０００９】
　従来技術より、この発明までは、欠陥密度がかなりの量減少された、低欠陥密度を有する任意組成の完全緩和非格子整合系の形成のための技術は存在していないことが明らかである。さらに、従来技術は、完全緩和非格子整合系の欠陥密度を減少させるための技術は何ら教示していないが、この技術は多くの異なる種類の材料、実際に非格子整合材料を全く任意に混合したものに適用することができる。さらにまた、従来技術は、種々の格子定数の低欠陥の不整合層の形成のための低温技術については説明していない。ここで、基板と最終エピタキシャル層とは元素、合金または化合物であり、または非格子整合材料は金属、半導体、絶縁体、超伝導体などである。
　【００１０】
　【発明が解決しようとする課題】
　従って、この発明の主要な目的は、非格子整合材料の層を完全に緩和した層構造で低欠陥密度に形成することができる構造及びこの構造を形成するための方法を提供することにある。
　【００１１】
　この発明の他の目的は、デバイス応用に有用な十分に低い欠陥密度を有する不整合層構造を形成するための低温プロセスを提供することにある。
　【００１２】
　この発明の他の目的は、元素、合金または化合物である非格子整合材料の不整合層構造を提供することにある。
　【００１３】
　この発明の他の目的は、格子定数の異なる材料を低欠陥密度が得られるような方法で組み合わせるエピタキシャル層構造を提供することにある。
　【００１４】
　この発明の他の目的は、Ｓｉ及びＧａＡｓベース材料を集積する非格子整合エピタキシャル層を含む不整合層構造を提供することにある。
　【００１５】
　この発明の他の目的は、結晶基板層と、変化する組成の中間層と、上記中間層の上に形成され、上記中間層と実質的に格子整合している第三の層とを含み、第三の層は低欠陥密度を有し、上記基板と格子整合していない構造を提供することにある。
　【００１６】
　この発明の他の目的は、第一のシリコン層と、グレーディッド組成のＳｉ：Ｇｅ層と、中間層の表面と実質的に格子整合している上記Ｓｉ：Ｇｅ層上のＧａＡｓベース層とを含み、ＧａＡｓベース層は低欠陥密度を有する構造及びその形成方法を提供することにある。
　【００１７】
　この発明の他の目的は、シリコン層と、その最上部で最高１００％のＧｅを含有するグレーディッド組成のＳｉ：Ｇｅ層とを含み、この最上部はデバイス層またはその上へのエピタキシーのための基板層として適している構造及びその形成方法を提供することにある。
　【００１８】
　この発明の他の目的は、非格子整合材料の不整合層構造における転位欠陥のすべり距離を最大にするための技術を提供することにある。
　【００１９】
　この発明の他の目的は、非格子整合材料の層状エピタキシャル構造における転位欠陥の核生成に変更を加え、そのような構造における貫通セグメントの移動度
を増加させる技術を提供することにある。
　【００２０】
　この発明の他の目的は、Ｓｉ及びＧｅやＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩ−ＶＩ族の半導体を含む、非整合格子系を用いた不整合層を形成することにある。
　【００２１】
　この発明の他の目的は、一つの材料を他の材料の上に、その格子整合が通常はひずみ整合膜だけを低欠陥密度で形成することができるように設けることが可能な技術を提供することにある。
　【００２２】
　この発明の他の目的は、最上層の欠陥が著しく少ないか、または予想される値、すなわち１０１２／ｃｍ２よりずっと少ない１０５貫通転位／ｃｍ２以下である完全緩和不整合膜を提供することにある。
　【００２３】
　この発明の他の目的は、その上にエピタキシャル格子整合膜が設けられる最終層が低欠陥密度を有する不整合膜、例えばＳｉの上のＧｅの上のＧａＡｓを提供することにある。
　【００２４】
　この発明の他の目的は、バンドギャップのゾーンフォールディングによる直接バンドギャップを有する半導体レーザ媒体を提供することにある。
　【００２５】
　【課題を解決するための手段】
　低欠陥の最上層を有する多層材料が述べられる。一つの試料では、この多層材料は、第一の組の格子定数を有する第一の元素の単結晶基板と、第一の元素（例えば、シリコン）及び第二の元素（例えば、ゲルマニウム）のグレーデイッド組成の複数のエピタキシャル層であって、選択された数の複数のエピタキシャル層における第一及び第二の元素の組成はエピタキシャル層の一つまたはそれ以上の格子定数を厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲で変化させるように選択されているものとから成り、選択された数の複数の層におけるミスフィット転位が形成され、これらの選択された数の複数の層のそれぞれの端に移動してひずみが除去され、それによって選択された数の複数の層の上の層に不整合膜が形成される。
　【００２６】
　この発明はさらに、複数のそれぞれの結晶格子定数を有する変化する組成の複数の実質的に単結晶の層から成る低欠陥層を有する多層材料であって、それぞれの層におけるミスフィット転位は一つの結晶面で東にならず、複数の層の厚さにわたって広がり、貫通部分が複数の層の端に移動することが可能であるものを提供する。
　【００２７】
　この発明はさらに、任意の格子定数の不整合膜を形成する方法であって、第一の組の格子定数及び原子的に清浄な上面を有する単結晶材料、例えばシリコンの第一の基板を選択する工程と、清浄な上面の上に複数のエピタキシャル層を形成する工程であって、選択された数の複数のエピタキシャル層の組成を変化させて選択された数の複数のエピタキシャル層の一つまたはそれ以上の格子定数を厚さ１０００Å毎に２％以下変化させ、選択された数の複数のエピタキシャル層におけるミスフィット転位が選択された数の複数のエピタキシャル層のそれぞれの端に移動し、それによって選択された数の複数のエピタキシャル層の上に不整合膜を形成する工程を有するものとを有する方法を提供する。
　【００２８】
　この発明はさらに、コヒーレントな放射線を発生するための半導体レーザ媒体であって、第一の組の格子定数を有する単結晶基板と、第一の組の格子定数の一つから最上層の上面における第二の格子定数に変化する格子定数を得るためのグレーディッド組成を有する第一の複数の層であって、上記組成は選択された複数の層における格子定数の変化を厚さ１０００Å毎に２％以下に制限するように調節されているものと、最上層の上面の上に形成され、第一の元素から第二の元素への交互組成を有する原子的に薄い第二の複数の層であって、その厚さが所定の第三の格子定数に対応する第一及び第二の元素の組み合わせ組成が得られるように選択され、第三の格子定数は第二の格子定数の１％以内であり、原子的に薄い第二の複数の層のいくつかの層は１０原子の厚さ以下であり、バンドギャップのゾーンフォールディングが起きて直接バンドギャップレーザ媒体が得られる半導体レーザ媒体を提供する。
　【００２９】
　上記及び他の目的、特徴及び利点は、好ましい実施例の以下のより詳細な記述から明らかとなるであろう。
　【００３０】
　【実施例】
　図面、特に図１を参照すると、多層材料１０が示されている。基板１２は、超清浄、原子的に清浄及び原子的にベアな上面１４を有する単結晶基板であってよい。基板１２は、例えば（１００）面の上面を有するシリコン、ゲルマニウム、Ｓｉ：Ｇｅ、ＳｉｘＣ１−ｘ合金のようなＩＶ族材料、例えばヒ化ガリウム、ヒ化ガリウム・インジウム、リン化ガリウム・インジウム、リン化インジウムのようなＩＩＩ−Ｖ族材料、例えばテルル化水銀・カドミウム、テルル化カドミウムのようなＩＩ−Ｖ１族材料などであってよい。基板１２は所定の格子定数を有する。単結晶層１６は、この層１６を形成するための第一及び第二の元素のグレーディッド組成により、基板１２の格子定数よりも大きい格子定数を有する上面１４の上にエピタキシャルに形成される。例えば、もし基板１２がシリコンであれば、単結晶層１６はＳｉ：Ｇｅであってよい。
　【００３１】
　単結晶層１６の上面１７の上に単結晶層１８が形成される。単結晶層１８は単結晶層１６の格子定数よりも大きい格子定数を有する。単結晶層１８の上面２０の上には単結晶層２２が形成される。単結晶層２２の格子定数は単結晶層１８の格子定数よりも大きい。単結晶層２２は上面２４を有する。単結晶層１６、１８及び２２の格子定数は、それらの中のゲルマニウム濃度の大きさを調節することによって調節される。単結晶層１６、１８及び２２は約２００から５００Åの範囲の厚さを有する。単結晶層２２は単結晶層１６及び１８におけるゲルマニウム濃度よりも高いゲルマニウム濃度を有する。層１６から層２２ヘゲルマニウム含有量は、層数に依存して、層毎に約５％から任意の％まで増加される。格子定数の増加は層の厚さ１０００Å毎に約２％以下である必要がある。ゲルマニウムはシリコンの格子定数よりも４％大きい格子定数を有する。従って、５０％のゲルマニウムに達するＳｉ：Ｇｅのグレーディッド組成は、格子定数を２％増加させるためには１０００Åの厚さを必要とする。しかし、この格子定数は好ましくは１０００Å毎に１％の割合で変化される。厚さ１０００Å当たり１％の格子定数の変化では、０から５０％へのＳｉ：Ｇｅのグレーディッド組成は２０００Åの厚さを必要とする。格子定数が１０００Å当たり２％、好ましくは１％以下増加または減少するグレーディッド組成を形成することによって、格子整合によって引き起こされたミスフィット転位はグレーディッド組成のそれぞれの層に多少一様に分布する。これらの層におけるグレーディッド組成及びその結果の格子定数は連続的であるか、あるいは段階的に変化するものであってよく、格子定数の増加から格子定数の変化なし、または格子定数の減少に変化するもの、またはその逆であってよい。このグレーディッド組成また層の温度は、ミスフィット転位の核生成が起きてひずみが除去されるのを可能とするために、少なくとも３５０℃の温度に上昇させなければならない。これらのミスフィット転位は、それらが形成された層に沿って水平に移動し、これらの層の端に移動して消失する。
　【００３２】
　層２２は任意の厚さ、例えば２０００から６０００Åの厚さの５０％Ｓｉ：Ｇｅであってよい。層１６及び１８は、シリコンであってよい基板１２の上のＳｉＧｅの組成が０〜５０％ゲルマニウムに変化する時の２％、好ましくは１％の格子定数の増加に適合する厚さを有してよい。
　【００３３】
　最上層が低い欠陥数を有する層２２に種々のデバイスが形成される。例えば、層２２にはｐ−ｉ−ｎダイオードが形成される。まず、例えば二酸化シリコンの絶縁層２６が上面２４の上に形成される。単結晶層２２中にｐ領域２７及びｎ領域２８が互いに離れて形成され、ｐ−ｉ−ｎダイオード２５が形成される。領域２９はドーピングなし、すなわち真性であってよく、層２２中の領域２９の材料のバンドギャップに調節された所定の波長の入射放射線３０の吸収に応じて電子−正孔対を発生する。ｐ領域２７上のｐ−ｉ−ｎダイオード２５にはリード３１によって電圧Ｖが加えられ、領域２７から領域２８に電流が流れる。領域２９中の電子３２はｐ領域２７に引き寄せられ、領域２９中の正孔３３はｎ領域２８に引き寄せられる。電子はｎ領域２８中の正孔を中和し、ｎ領域２８を正電圧にし、あるいはより多くの電流を流す。ｐ−ｉ−ｎダイオード２５からの電流の正電圧はリード３４を介して金属一酸化物一半導体（ＭＯＳ）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）３６のゲート３５に加えられる。ドーピングされた領域３７はＦＥＴ３６のソースであり、ドーピングされた領域３８はＦＥＴ３６のドレインである。ＦＥＴ３６は領域２９に入射する所定の波長の放射線の強度を示す信号を与える。
　【００３４】
　図２はこの発明の他の実施例の断面図を示す。図２においては、図１の構造に対応する機能に対しては同様な符号が使用される。層４０、４２及び４４は上面２４の上にエピタキシャルに形成された単結晶層であってよい。層４０、４２及び４４の組成は厚さ１０００Å毎に２％以下の割合で変化し、層４４の上面４５において１００％のゲルマニウム組成となるものであってよい。層１６、１８、２２、４０、４２及び４４は５０００Ａの全厚を有し、層１６の下面が０％ゲルマニウム及び１００％シリコンであるものであってよい。
　【００３５】
　基板１２は、その上に層１６が例えば超高真空化学気相成長ＵＨＶ−ＣＶＤまたは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって形成される原子的に清浄な表面１４を有するシリコンであってよい。層１６、１８、２２、４０、４２及び４４の上面はその上への単結晶層の形成前に原子的に清浄であることがわかる。
　【００３６】
　これらの層の組成は厚さ１０００Å毎に約０．０２５％から約２％の範囲の格子不整合を有するように変化させてよい。層１６、１８、２２、４０、４２及び４４内のミスフィット転位の核生成が起き、これらの層のそれぞれの端に移動して格子不整合によるひずみが除去され、それによって不整合膜が末端層に形成される。
　【００３７】
　層４８は層４４の上面４５の上にエピタキシャルに形成され、例えば、１００％ゲルマニウムの層４４の上面４５に格子整合するヒ化ガリウムであってよい。ヒ化ガリウム層４８はドーピングされてよく、層４８を通して基板１２に　流れる電流により層４８にレーザを形成するための電極５０を有する。層４８の端面４９及び５１は研磨してよい。端面４９は放射エネルギを反射するものであってよく、一方、端面５１は矢印５２で示されるように放射エネルギを部分的に反射し、放射エネルギの一部が矢印５３で示されるように端面５１を通過することが可能なものであってよい。
　【００３８】
　格子不整合を有する結晶膜は、この膜が臨界厚さよりも厚い時にミスフィット転位を発生することによってひずみが除去される。もし格子不整合が１０００Å毎に約２％よりも大きいならば、ミスフィット転位は単結晶層及びその次の単結晶層を通って上面に伝播するであろう。図３は単結晶層１６、１８及び２２を通って上面２４まで貫通したミスフィット転位を示し、これらの転位は５４’−５９’で示されている。５４から５４”へのミスフィット転位の経路は貫通欠陥として知られている。もし基板１２及び単結晶層１６、１８及び２２がシリコンであるならば、そしてもし格子不整合が１０００Å毎に約２％よりも大きいならば、貫通エラーは上面２４まで伝播し、約１０１１ｃｍ−２の量存在するであろう。図３においては、図１の構造に対応する機能に対しては同様な符号が使用されている。
　【００３９】
　再び図３を参照すると、もし単結晶基板１２が例えばシリコンであり、単結晶層１６が例えばＳｉ：Ｇｅであるならば、層１６は基板１２の格子定数よりも大きな格子定数を有するであろう。単結晶層１８は例えば単結晶層１６の格子定数よりも大きな格子定数を有するＳｉ：Ｇｅであってよい。単結晶層２２は、例えば、より大きなゲルマニウム組成を有し、単結晶層１８の格子定数よりも大きな格子定数を有するＳｉ：Ｇｅであってよい。もし格子不整合が層の厚さ１０００Å毎に０．０２５から２％の範囲であるならば、層１２、１６、１８及び２２内のひずみは実質的にこれらの層にわたって分布する。
　【００４０】
　基板１２の上面はまた、圧縮されている。単結晶層１６に発生するミスフィット転位は、単結晶層１６または１８内を上方に伝播し、ある点で方向を変え、上記層の端に向かって水平に移動し、層１６または１８内に留まる。例えば、ミスフィット転位５４は、５４から５４’への経路に沿って上方に貫通する代わりに５４から５４”への経路に沿って移動する。同様に、ミスフィット転位５６は単結晶層１６から単結晶層１８への経路に沿って、及び、単結晶層２２から上面２４に移動する代わりに上記層の端において５６から５６”への経路に沿って上方に移動する。全てのミスフィット転位が単結晶層１８内を水平に移動するのではなく、図示はされていないが、あるものは上面２４に移動するであろうことが理解される。しかし、この発明においては、上面２４まで通過するミスフィット転位の数は１０５ｃｍ−２を超えない。従来は、上面２４は１０１１ｃｍ−２またはそれ以上のミスフィット転位を有していた。従って、上面２４の上のミスフィット転位の数の大きさは少なくとも６桁減少する。同様に、ミスフィット転位５５、５７、５８及び５９は上方に、次に５５”、５７”、５８”及び５９”によって示される経路に沿って水平に、それぞれ移動する。これらのミスフィット転位は、単結晶層１８に追加され、または除去された原子面と理解することができる。さらに、通常は上面２４に向かって上方に貫通するミスフィット転位は、下層ではもはや互いに交差せず、互いにピン止めし、これらのミスフィット転位は上面２４に留まる。従って、単結晶層１８では、ミスフィット転位が長い距離に沿ってその端に、例えば１２．７ｃｍ（５インチ）の直径のウエーハの端に向かって水平に移動することが可能である。ミスフィット転位は、単結晶層１８に誘起されるひずみにより、単結晶層１８内を水平に移動することが理解される。単結晶層１８内のミスフィット転位は、ひずみを除去し、あるいはその上の単結晶層２２を完全に緩和させる。従って、単結晶層２２は、その表面における貫通転位の数が１０５ｃｍ−２以下の任意の厚さ、任意のゲルマニウム組成及び任意のバンド構造のものであってよい。
　【００４１】
　層６４はＡｘＢ１−ｘの形の組成を有する。ここで、Ａ及びＢは元素であり、例えばシリコン及びゲルマニウムである。層６４内のゲルマニウムの組成は、下面６７から上面６８に０から２５％ゲルマニウムに直線的に変化する。層６４の厚さは約５０００Åである。上面６８における２５％のゲルマニウム濃度、７５％のシリコン濃度は、１００％シリコンの下面６７に関して１％の格子不整合に対応する。層６４の厚さ１０００Å毎の格子定数の変化は０．１７％である。層６４の最上層または上面６８は緩和しており、基板６６に関して不整合である。図４に示されるように、ひずみを除去する欠陥は最初は組成グレーディッドバッファ層６４に埋め込まれ、これに加えてひずみを除去する転位のあるものは曲線で示されているように基板６６内に深く埋め込まれている。図４に示されている転位のネットワークにおいては、転位７１から７３は層６４内にあり、転位７４から７６は基板６６内にある。転位７４及び７５は層６４内に延びている。図４において、層６４は、（１００）の上面を有するシリコンである基板６６の上面の上に超高真空化学気相成長（ＵＨＶ−ＣＶＤ）によって形成された。なお、転位７１から７３は上面６８の下の層６４内深く位置している。さらに、図４に示されているように、層６４の最上部に貫通欠陥及び／又は転位はなく、上面６８には１０５ｃｍ−２以下の欠陥しかない。
　【００４２】
　試料、例えば、基板６６上の層６４は、ＵＨＶ−ＣＶＤ及びＭＢＥの両方によって約５５０℃の温度で成長された。基板６６上に層６４を形成するための清浄化及び成長の手順は、ＵＨＶ−ＣＶＤ及びＭＢＥの両方について、清浄化及び成長手順を示すためにここに参考として挙げられるＢ．Ｓ．ＭｅｙｅｒｓｏｎらによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５７，１０３４（１９９０）及びＪ．Ｆ．ＭｏｒａｒらによるＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．，３７，２６１８（１９８８）の刊行物に記載されている。さらに、これらの試料は、平面及び断面ＴＥＭのために、約３０μｍまで機械的に薄くした後、電子の透過のためにイオンミリングを行うことによって作製された。観察は３００ｋＶで行われた。
　【００４３】
　以下の例は、無欠陥の末端層を形成するためのこの発明の結果を説明する。
　【００４４】
例：
　図５は（１００）方位の上面を有するシリコン基板８２上にＣＶＤにより成長されたグレーディッド超格子８０の断面図である。この断面図は基板８２の（１１０）面に沿ったものである。８０％のシリコン及び２０％のゲルマニウムを含む厚さ４０００Åの層８４は、ＣＶＤにより超格子８０の上に形成された。グレーディッド超格子８０は次の構造から成る。すなわち、２００ÅのＳｉ９５Ｇｅ５、５０ÅのＳｉ、２００ÅのＳｉ９０Ｇｅ１０、５０ÅのＳｉの３回の繰り返し、Ｓｉ８２Ｇｅ１８及び５０ÅのＳｉである。図５は層８４が無転位であることを示している。転位は曲線で示されているようにグレーディッド超格子８０内にも基板８２内にも位置している。層８４の品質を定量的に調べるために、図５に示される試料に対して平面ＴＥＭも行われた。１０７ｃｍ−２以上の低減が達成され、最上層の転位密度は１０５ｃｍ−２以下となった。ＴＥＭは低転位密度の場合にはかなり鈍感であり、従って転位の上限だけを得ることができる。一方、低密度で非常に精度が高いエッチピット測定により、１０５ｃｍ−２以下の密度であることが確認された。
　【００４５】
図６は基板１０２、層１０４及びグレーディッド超格子１０６の断面図である。基板１０２はシリコンであり、層１０４も分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって形成されたシリコンである。グレーディッド超格子１０６はＭＢＥによって形成され、転位欠陥は存在しない。シリコン層１０４には、クリーニング中に基板１０２の加熱を延長して行った後に現れる粒子が埋め込まれている。図６に示されるようにグレーディッド超格子１０６においてゲルマニウム濃度が段階的に増加したり、図４に示されるように層６４中で連続的に増加したりすることとは独立に、曲線で示されているように同様な転位構造が生じる。
　【００４６】
　図７は図４の実施例の（１１０）面に対して垂直に見た断面ＴＥＭ試料である。図７において、転位１１０及び１１２が基板６６中深くに示されている。図８は図７に示されるＴＥＭ試料と比較して［１１０］方向の回りに３０°傾斜した断面ＴＥＭ試料である。転位１１２及び１１３が基板６６中深くに示されている。以前に電子ビームに平行に走っていた転位１１２及び１１３は図８に示される線として見えるようになっている。転位１１２及び１１３はシリコン基板６６内深くに位置しており、単一の（１１１）面に沿って滑った転位の「パイルアップ」の部分である。これらの転位は「パイルアップ」の最上部に位置した核生成源に典型的なものである。　「パイルアップ」における転位のバーガース（Ｂｕｒｇｅｒｓ）ベクトルを決定するためにｇ・ｂベクトル解析が行われた。この解析は、一つの「パイルアップ」における全ての転位が同一のバーガースペクトルを有し、１／２（１０１）型、すなわち（１１１）面上での滑りのものであることを証明している。図４及び図５に示されるようにシリコン基板６６への「ループ」として観察される転位は同一の性質を有するが、図７及び図８に撮影されている転位、特に「パイルアップ」における転位１１２及び１１３に対して垂直な方向に撮影されている。
　【００４７】
　実験的な観察を説明する二段階の機構が提案されている。すなわち、まず、平衡臨界厚さよりも著しく大きい厚さで、数個の転位が、表面からのハーフループとして、あるいは例えばＥａｇｌｅｓｈａｍらによるＰｈｉｌ．Ｍａｇ．，５９，１０５９（１９８９）に記載されているダイアモンド形状の欠陥のような膜中の欠陥において核生成したループとして導入される。第二に、こうして形成されたネットワーク、そして特に、交差転位によって形成された節がフランク・リード源として働き始め、グレーディッド層または超格子の増加するひずみを除去するために必要に応じて、付加的な転位を発生する。フランク・リード転位源は、Ｊ．Ｐ．Ｈｉｒｔｈｅ及びＪ．ＬｏｔｈｅによるＴｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ、第二版、Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ（１９８２）及びＲ．ＨｕｎらによるＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．，４０，１６８１（１９８９）の文献に記載されている。図９から図１４はこの第二段階の図である。この機構は、最終的な微細構造の二つの著しい特徴、すなわち基板内深くにおける転位の存在及び最上層内における貫通転位の欠如を説明する。
　【００４８】
　基板の内側深くにおける転位の存在は、ミスフィットを除去するために新たな転位を発生する機構としてのフランク・リード源の活性化の直接的な結果である。単結晶シリコン基板１２０とひずみエピタキシャルＳｉ：Ｇｅ最上層または緩和した状態における格子定数と異なる格子定数を有する薄膜の超格子１２２との界面において図９に示される交差転位により二つの節１２４及び１２６でピン止めされた界面転位のセグメントを考えよう。それは図１０に示される基板１２０内に曲線１２８で示されるように湾曲することによりフランク・リード源として働き始める。次にそれは、それが表面１２３に到達し、事実上、図１１及び図１２において曲線１３２により示されるハーフループになるまで、曲線１２０によって示されるように、薄膜１２２内にループを形成する。このようにして形成される第一のハーフループは、基板１２０内に非常に深く侵入することは期待されない。それは、全ての実用的な目的に対してひずんでいない基板内に転位を導入することはエネルギ的にかなり損であるからである。
　【００４９】
　従って、上述の文献に記載されている典型的なフランク・リード源と異なり、この第一のループ１３２及び１３４は、図１３に示されるように、界面１２５に沿って及び薄膜１２２中に非常に長く延びている。しかし結局、より多くのループ１２６及び１２８が形成されるにつれて、それぞれの新たなループ１３６及び１３８は前のループ１３４をさらに下に押し、図７、図８及び図１３に観察される非常に深い典型的なパイルアップが生じる。Ｓｉ基板１２０中への初期転位の曲がりを説明するためには、膜１２２及びその近傍の転位における圧縮応力により、転位のピン止めされたセグメントに加わる力の注意深い計算を行わなければならない。
　【００５０】
　次に、この成長モードの第二の特徴、すなわち薄膜１２２の最上部における貫通転位の欠如について考える。いったんループが十分に大きく成長して成長表面１２３と交差すると、それは図１２において曲線１３２で示されるようなハーフループになり、Ｍａｔｔｈｅｗｓ及びＢｌａｋｅｓｌｅｅによるＪ．Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ，２９，２７３（１９７５）に記載されていると全く同様な方法でミスフィットの除去を開始することができる。ここで、ハーフループのそれぞれの貫通部分は応力の影響の下で移動することができる。曲線１３２及び１３４で示されるこれらの貫通転位の移動は、図１２及び図１３に示されるミスフィット転位１２４及び１２６を背後に残す。ここで顕著なことは、典型的な微細構造において生じる貫通転位のピン止めがどの点でも生じないことである。従って、それぞれの貫通セグメントは基板１２０上の薄膜１２２の端１３５まで移動したと結論せざるを得ない。ここで述べられた実験のいくつかにおいては、１２．７ｃｍ（５インチ）の直径のウエーハまたは基板上に成長が行われたため、転位は約１０μｍ／ｓｅｃの速さで運動しなければならなかったが、この速さは５５０℃の成長温度では先の測定から期待されるものよりも６桁速い。先の実験は成長後の準安定のひずんだ試料をアニールすることによって行われたが、ここでは転位は成長プロセスの間移動している。Ｒ．Ｈｕｌｌらの先に挙げた論文で指摘されているように、成長表面１２２の存在は転位の移動をかなり高めることができる。さらに、Ｓｉ：Ｇｅのグレーディングプロファイルは転位の核生成を著しく遅延させ、いったん転位が形成されると移動の駆動力をより高くする。
　【００５１】
　これに対して、「通常」の成長中には、転位はピン止めされ、薄膜には欠陥が残される。Ｒ．ＨｕｎらによるＪ．Ａｐｐｌｌ．Ｐｈｙｓ．，６６，５８３７（１９８９）はこの疑問を提起し、運動する貫通転位と垂直な転位との間の斥力が貫通部分をピン止めするに十分であることを示した。貫通転位が垂直な転位を迂回するためには、ある「余分な応力」を加える必要がある。すなわち、薄膜は平衡臨界厚さをはるかに超えて成長させる必要がある。現在理解されているように、界面のグレーディングは貫通欠陥の数を二つの方法で低減させるのを助ける。第一に、おそらく薄膜と基板との間の組成の違いが小さい時には完全な界面を成長させることが容易であることにより、転位の初期核生成が遅延される。従って、転位の初期ネットワークが形成された時には、ウエーハの端までずっと貫通転位を移動させるための非常に高い駆動力が存在する。付加的な転位が形成されるが、応力はこうして減少し、この駆動力もまた減少し、結局、貫通部分はピン止めされる。これはグレーディングがその第二の最も重要な役割を果たすところである。すなわち、それぞれの新たな転位ループが形成されるにつれて、そしてそれぞれの新たな貫通部分がウエーハの端に向かって移動するにつれて、グレーディングは貫通部分がピン止めされる転位が前もってほとんど存在しない「新鮮な」界面を提供する。もし直線的なグレーディッド膜の場合を考えると、エネルギを最小にするためには薄膜中のそれぞれの原子層はそれ自身の格子定数を達成する必要がある。従って、原理的には、転位の一つの「層」はそれぞれの原子面で必要とされ、それは事実上、全転位ネットワークを図１４に示される組成グレーディッド領域にわたって広げる。この結果、それぞれの層には、ずっと少ない転位が存在し、従って貫通セグメントが交差転位によってピン止めされる機会はずっと少ない。
　【００５２】
　この現象はグレーディングの勾配に依存する。すなわち、それ以上では転位の相互作用が貫通部分をピン止めするに十分に強い「臨界勾配」が多分存在する。グレーディッド超格子の場合は、転位ネットワークの「グレーディング」はここでは連続的ではなく段階的に生じることを除いて、同様である。交差転位は転位をピン止めする唯一の方法ではない。もしバッファ層で覆われていなければ、界面における粒子が同一の役割を果たすことができ、交差転位よりもピン止め貫通セグメントで実際により効率的である。同様な欠陥、またはＥａｇｌｅｓｈａｍらによるＰｈｉｌ．Ｍａｇ．，５９，１０５９（１９８９）により記載された欠陥も、多数の低エネルギ核生成サイトを提供することによって、この機構が働くのを防止する。ここで述べられたフランク・リード型の転位源は、他の核生成サイトが提供されない場合に働くことは明らかである。これは、なぜこの現象が以前に観察されなかったかを説明する。
　【００５３】
　図１５は図１に示される層２２のようなＳｉ：Ｇｅのグレーデイッド層の電子移動度対温度のグラフを示す。図１５において、縦軸はｃｍ２／ｖ・ｓｅｃ単位での移動度を表し、横軸はケルビン単位での温度を表す。データ点１４３〜１４６を通って引かれた曲線１４２によって示されるように、温度が増加するにつれて移動度は増加する。層２２はひずみが除去され、高度に完全である。層２２は３０％ゲルマニウムのＳｉ：Ｇｅ合金であり、バルクの移動度は以前に報告された値よりもずっと高いことが証明された。その一例は、図１５において曲線１４２上に示されている、２７３Ｋで１８００ｃｍ２／ｖ・ｓｅｃの電子移動度である。さらに、高度に完全、すなわち無欠陥の層２２はそのゲルマニウム状の性質により減少した正孔質量を有し、また層２２は熱的に安定である。
　【００５４】
　この発明の他の特徴は、Ｓｉ：Ｇｅの組成よりも小さい格子定数を有するために高い引っ張り応力下にある、Ｓｉ：Ｇｅの組成の最上面の上に純粋なシリコンを成長させることである。高い引っ張り応力下での低欠陥の純粋なシリコン層の成長は、高電子移動度デバイスの作製を可能とする。シリコン層は高い引っ張り応力下にあるので、シリコンの伝導帯はＳｉ：Ｇｅの伝導帯の下にあり、高電子移動度デバイスのための正確な不連続を生じる。
　【００５５】
　さらに、Ｓｉ：Ｇｅの層を利用することによって、これらの層を無欠陥でしかもシリコンとゲルマニウムとの間の任意のバンド幅を有する材料で形成することができると仮定するならば、集積光学も可能になる。これらの材料は、高い光吸収率が得られ、しかも欠陥によるキャリアのトラッピング及び欠陥からのキャリアの放出がこれらの材料に基づく光検出器の応答周波数を制限しない十分に高い完全性を有するものに調製することができる。
　【００５６】
　さらに、最も重要なことは、これらの低欠陥層の熱的安定性である。含有量が２０％以上のゲルマニウムとシリコンとから成る厚さ４０００Åの層でキャッピングされた層が９００℃で２時間アニールされたが、無欠陥のままであった。この極めて高い熱的安定性は、そのような膜を用いる従来のデバイス製造方法の使用を可能にするのに適当であるばかりでなく、これらの層が実際に緩和していることを保証する。
　【００５７】
　図１６を参照すると、半導体レーザ１７２が示されている。レーザ１７２は矢印１７５で示されるコヒーレントな放射線を発生するための半導体レーザ媒体１７４を有する。半導体レーザ媒体１７４は端面１７６及び１７７を有する。端面１７６は研磨されて全反射のものとしてよく、一方、端面１７７は端面１７６及び１７７の間に形成された共振キャビティを放射線が通過することができるように研磨されて部分反射のものとしてよい。図１６においては、例えばシリコンである単結晶基板１７８は基板材料の第一の組の格子定数特性を有する。第一の層１７９は、上記第一の組の格子定数の一つから層１７９の上面１８１の上における第二の格子定数に格子定数を変化させるためにグレーディッド組成を有する。層１７９における格子定数の変化は、厚さ１０００Å毎に約０．０２５から約２％の範囲内にある。第一の層１７９は基板１７８の上面１８０の上に形成される。層１７９はシリコン及びゲルマニウムのグレーディッド組成を有し、上面１８１における組成は６０％ゲルマニウム及び４０％シリコンである。
　【００５８】
　原子的に薄い第二の複数の層１８６〜１９５は半導体レーザ媒体１７４を形成する。層１８６は層１７９の上面１８１の上に形成される。薄い層１８６〜１９５の厚さは、その格子定数の一つが所定の第三の格子定数に対応し、この第三の格子定数は上面１８１における層１７９の格子定数である第二の格子定数の１％以内である構造を形成するために、第一及び第二の元素、例えばシリコン及びゲルマニウムの組み合わせ組成が得られるように選択される。層１８６〜１９５のうちのいくつかは１０原子層の厚さ以下であり、バンドギャップのゾーンフォールディングが起きて直接バンドギャップレーザ媒体が得られる。原子的に薄い層１８６〜１９５の全数は約１０から約１０００層の範囲内にある。第一の元素から第二の元素、例えばシリコンからゲルマニウムヘの交互組成は、６／４、５／５、４／６、２／８、８／２、７／３及び３／７から成る群がら選択された比率での第一の元素から第二の元素への原子層厚さに対応する。例えば、これらの交互層は、６原子層厚さのシリコンと４原子層厚さのゲルマニウムとを多層繰り返したものである。これらの層は、バンドギャップのゾーンフォールディングを得るために、例えば１０原子層厚さ以下に原子的に薄い。
　【００５９】
　導電材料の層１９８は薄い層１９５の上に形成される。層１９８はリード１９９を介して、所定量の電流を導体１９８に、そしてレーザ媒体１７４を通して基板１７８に供給する電圧Ｖに接続される。基板１７８はリード２０１によって接地電位に接続される。レーザ媒体１７４を通る電流はこのレーザ媒体のポンピングを行って反転分布を実現し、レーザ動作を生じる。
　【００６０】
　図１７はＳｉｘＧｅ１−ｘの形のシリコン及びゲルマニウムの選択された組成を有する層２０８に沿って矢印２０７で示される放射エネルギを伝搬するための導波路２０６を示す。層２０８の上には、放射エネルギを反射して層２０８に戻すようにするための異なる屈折率を有する材料の層２０９がある。層２０９はシリコン、酸化シリコンまたはゲルマニウムから成る。層２０８の下には、例えば、３０から１００Åの範囲の厚さを有するシリコンである層２１０がある。層２１０の下には、所定の％のゲルマニウムを有する最上面と１００％シリコンの最下面を得るためにグレーディッド組成を有する層２１２がある。層２１２の組成は、厚さ１０００Å毎に約０．０２５から２％の範囲内で格子定数が変化し、この層内における転位が形成され、これがこの層の端に移動してひずみが除去されるように選択される。層２１２の下には、例えば単結晶シリコンである基板２１５がある。層２１２、２１０及び２０８はエピタキシャルである。層２０８は層２１２の上面２１１と格子整合している。層２１２の上面は完全に緩和しており、従ってシリコン基板２１５に対して不整合である。矢印２１７で示される放射エネルギが入射する露出した端面２１６によって層２０８に放射エネルギを導入することができる。層２０８における放射エネルギは図１に示されるｐ−ｉ−ｎ検出器２５によって検出される。導波路２０６の一方の側に溝２２１及び２２２を層２０８を通して形成した後、層２０８の露出した側壁２１９及び２２０をコーティングまたは酸化することによって、導波路２０６に対して、図１８に示される垂直な側壁２１９、２２０を形成することができる。これによって、その内部の放射エネルギを反射するために層２０８を取り囲むコーティング２２３及び２２４並びにシース２２６が形成される。
　【００６１】
　この発明の実施例において、組成グレーディッド層は、変化する組成の層を順次形成することによって、連続的または段階的に組成を変化させることができることが見い出された。この層の格子定数が、ミスフィット転位を成長層の端（またはその中に規定された島に）に追いやり、欠陥を基板内に移動させるのに十分な速さで変化する限り、低欠陥密度の層が得られるであろう。この発明の実施例においては、転位の核生成に修正を加え、貫通セグメントの移動度を増加させる技術が述べられている。これは、多くの異なる材料の組み合わせＡ−Ｂに使用することができる低温プロセス（６５０℃以下）とすることができる。ここで、非格子整合材料Ａ及びＢは元素、合金または化合物である。さらに、組成グレーディングは、グレーディッド層の格子定数を増加させ、またはグレーディッド層の格子定数を減少させるようなものであってよい。さらにまた、この発明により、中間層の組成グレーディングが小さな厚さの中間層に対して特定の組成で停止し、その後再び変化する、完全に緩和したエピタキシャル層構造を得ることが可能である。すなわち、グレーディングにおける固定された単調な変化またはグレーディングにおける段階的な変化の固定された繰り返しは正確に必要なものではない。さらに、グレーディッド組成層は、所望の電気的性質を達成することを含む何らかの目的で（その場でまたは形成後に）ドーピングすることができる。
　【００６２】
　この発明はＳｉ−Ｓｉ：Ｇｅ−ＧａＡｓ系及び他の系で非常に完全に説明されたが、この発明の概念は多くの異なる材料の組み合わせに対しても適用することができる。例えば、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘのような超伝導体がＳｒＴｉＯ３の上にエピタキシャルに成長される高Ｔｃ超伝導体系が知られている。もしこれらの材料をシリコン基板上に形成することを望むならば、ＳｒＴｉＯ３層の形成に先立って、グレーディッド組成のＳｉ：Ｇｅの中間層を形成することができる。これによって、ＳｒＴｉＯ３層に対する格子整合が良くなる。完全に緩和した状態においては、超伝導体層は非常に低い転位欠陥密度を有する。
　【００６３】
　他の例としては、エピタキシャルな金属シリサイド（遷移金属及び高融点金属シリサイドのような）を、この金属シリサイドとシリコン基板との間にＳｉ：Ｇｅのグレーディッド組成層を用いてシリコン上に形成することができる。例えば、基板はＳｉとすることができ、中間層は、ＮｉまたはＣｏのシリサイドのような金属シリサイドに対して良好な格子整合を有するＳｉ：Ｇｅ層の上面領域を得るためにＧｅ含有量が増加するグレーディッド組成のＳｉ：Ｇｅ層とすることができる。金属シリサイドの形成後には、変化する組成の他のＳｉ：Ｇｅ層を形成し、その後にＳｉ層をエピタキシャルに形成することも可能である。これによって、埋め込まれた金属シリサイド導体によって分離された、デバイス形成に有用なシリコン層を含む三次元構造が形成される。
　【００６４】
　他の例は、中間のグレーディッド組成の層の使用によってシリコン層に対してより良好に格子整合させることができる絶縁材料である。ＣａＦ２と非常に近似した格子整合を有する最上層を得るために、変化するＧｅ含有量のＳｉ：Ｇｅ層がシリコン基板上に形成される。ＣａＦ２層の形成によって、完全に緩和し、低欠陥密度の構造が得られ、その上の他のＳｉ層よりも変化する組成の他のＳｉ：Ｇｅ層の形成が可能となる。従って、ＣａＦ２層から成る絶縁層によって分離された高品質のシリコン層が得られる三次元構造が得られるであろう。
　【００６５】
　この発明により組み合わせることができる種々のタイプの材料のさらに他の例として、基板はＧａＡｓとすることができる。この上に、Ｉｎを含むＧａＡｓ層が形成される。ここで、Ｉｎ含有量は、中間層の最終表面領域がＩｎＡｓになるまで層の厚さとともに増加する。このＩｎＡｓ組成は厚さとともに増加させることができ、デバイス層、または後のＩｎベース層（長波長ダイオードレーザに対して使用されるもののような）の形成のための基板層として使用することができる。
　【００６６】
　この発明の有用性を説明するもう一つの他の構造は、基板としてＧａＡｓベース層を使用する。この上に、基板と格子整合した純粋なＧｅ層が形成され、その後に、最終的に純粋なＳｉになるまで、中間のＳｉ：Ｇｅ層の組成グレーディングを起こさせるためにＳｉが添加される。この上に、エピタキシャルＳｉ層またはＳｉに対して良好なエピタキシャル整合を有する他の層を形成することができる。この付加的なＳｉ層はその中へのデバイス形成のために使用することができ、それによってＧａＡｓデバイスとＳｉデバイスとが集積される。
　【００６７】
　他の例として、この発明は、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅのようなＩＩ−ＶＩ族半導体及びこれらのＩＩ−ＶＩ族半導体と格子整合しない材料に対して利用することができる。例えば、この基板はＣｄＴｅとすることができ、変化する組成の中間層ＨｇｘＣｄｙＴｅｚは、基板との界面における０から、この中間層の上にエピタキシャルに形成される他の層（ＨｇＴｅのような）との整合のために所望の格子定数を得るに必要なＨｇ量まで増加するＨｇ含有量を有するものとすることができる。
　【００６８】
　従って、この発明の技術は、非格子整合材料を含む構造を得るために使用することができ、完全に緩和した低欠陥密度の不整合構造を形成することができることが明らかである。組成グレーディングの変化の割合は、ミスフィット転位のすべり距離が問題としている大きさより大きく、中間層の端（または他の特定の領域）への完全な移動が生じ、欠陥が基板内に形成されるように選ばれる。これは、中間層の最上層が実質的に無欠陥であり、この最上層をデバイス形成またはその後に形成されるエピタキシャル層のための基板として使用することができることを意味する。この構造は完全に緩和しているので、それは熱的に安定であり、従ってその後の処理に好適である。
　【００６９】
　この発明は、基板の直径が非常に大きい時、例えば３インチ以上の時に特に有用である。この発明の実施例においては、ミスフィット転位の平均すべり距離を問題としている大きさ、すなわち結晶基板の直径よりも数桁大きくするために、貫通セグメントの移動度を増加させることが望ましい。これらのすべり距離は、従来の技術では、温度を非常に高くしなければ達成することができないものであり、またそのようにしても数十または数百μｍのオーダの最大値を得ることができるだけであった。この発明の実施例において、このすべり距離は、６〜８インチのような大きな直径の基板に適合させることができるように増加させることができる。従って、この技術は、従来知られている半導体系に対する使用に特に好適なものである。
　【００７０】
　以上この発明を特定の実施例について説明したが、当業者ならば、この発明の主旨及び範囲から逸脱することなく種々の変形を行うことが可能であることは明らかである。例えば、特に挙げたものに加えての材料の組み合わせ、ＵＨＶ−ＣＶＤ及びＭＢＥに加えてのエピタキシャル層形成プロセス、及び、例として説明されたもの以外の共鳴トンネルデバイスのようなデバイス構造を包含する。
　【００７１】
　【発明の効果】
　この発明により、非格子整合材料の層を完全に緩和した層構造で低欠陥密度に形成することができる構造及びこの構造を形成するための方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
　【図１】
　この発明の一実施例の断面図である。
　【図２】
　この発明の第一の他の実施例の断面図である。
　【図３】
　ミスフィット転位の移動を示す多層構造の断面図である。
　【図４】
　この発明の第二の他の実施例の断面図である。
　【図５】
　この発明の第三の他の実施例の断面図である。
　【図６】
　この発明の第四の他の実施例の断面図である。
　【図７】
　図４の実施例の（１１０）面に垂直に採られた試料の断面ＴＥＭ写真に基づいて描かれた図である。
　【図８】
　図７に示されているＴＥＭ試料に関して［１１０］方向の回りに３０度傾斜させた試料の断面ＴＥＭ写真に基づいて描かれた図である。
　【図９】
　交差転位により二つの節にピン止めされた界面転位のセグメントの略線図である。
　【図１０】
　フランク・リード源として働く図９に示されている二つの節にピン止めされた界面転位の略線図である。
　【図１１】
　フランク・リード源として働く図９に示されている二つの節にピン止めされた界面転位の略線図である。
　【図１２】
　フランク・リード源として働く図９に示されている二つの節にピン止めされた界面転位の略線図である。
　【図１３】
　フランク・リード源として働く図９に示されている二つの節にピン止めされた界面転位の略線図である。
　【図１４】
　フランク・リード源として働く図９に示されている二つの節にピン止めされた界面転位の略線図である。
　【図１５】
　低欠陥のグレーディッド層の電子移動度対温度のグラフである。
　【図１６】
　この発明の第五の他の実施例の断面図である。
　【図１７】
　この発明の第六の他の実施例の断面図である。
　【図１８】
　図１７の線２１−２１に沿っての断面図である。
　【符号の説明】
　１０　多層材料
　１２　基板
　１４、２４、４５　上面
　１６、１８、２２、４０、４２、４４　単結晶層