(57)【要約】光電子デバイスは、緩衝層を介してシリコン基板にわたって成長されるＳｂベースの変成光検出器を含む。本デバイスは、層状構造を含む。層状構造は、シリコン基板と、Ｓｉ基板にわたって形成される緩衝層と、緩衝層にわたって形成される赤外線光検出器とを含むことができる。いくつかの実施形態では、緩衝層は、副層を有する、複合緩衝層を含む。例えば、複合緩衝層は、基板にわたって形成されるＧｅベースの副層と、Ｇｅベースの副層にわたって成長されるＩＩＩ−Ａｓ副層と、ＩＩＩ−Ａｓ副層にわたって形成されるＩＩＩ−Ｓｂ副層とを含む。
2021525961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層状構造であって、
基板と、
前記基板にわたって形成される緩衝層と、
前記緩衝層にわたって形成される光電子デバイスと
を備え、
前記光電子デバイスは、変成エピタキシ形成されたＳｂベースの光電子デバイスであり、
前記緩衝層は、前記基板と前記光電子デバイスとの間で格子定数の遷移を提供する、層状構造。
【請求項２】
前記緩衝層は、前記基板の直上にエピタキシャルに形成された緩衝層である、請求項１に記載の層状構造。
【請求項３】
前記緩衝層は、１つを上回る層を備える、請求項１に記載の層状構造。
【請求項４】
前記１つを上回る層はそれぞれ、エピタキシャルに成長された層である、請求項３に記載の層状構造。
【請求項５】
前記緩衝層は、
前記基板にわたって形成されるＧｅベースの層であって、前記基板は、シリコンベースの基板を備える、Ｇｅベースの層と、
前記Ｇｅベースの層にわたって形成されるＩＩＩ−Ａｓ層と、
前記ＩＩＩ−Ａｓ層にわたって変成エピタキシ形成されるＩＩＩ−Ｓｂ層と
を備える、請求項３に記載の層状構造。
【請求項６】
前記緩衝層は、
前記基板の直上に形成される前記Ｇｅベースの層であって、前記基板は、シリコンベースの基板を備える、前記Ｇｅベースの層と、
前記Ｇｅベースの層の直上に形成される前記ＩＩＩ−Ａｓ層と、
前記ＩＩＩ−Ａｓ層の直上に形成される前記ＩＩＩ−Ｓｂ層と
を備える、請求項５に記載の層状構造。
【請求項７】
前記基板は、結晶学的配向を有するシリコンウエハを備える、請求項１に記載の層状構造。
【請求項８】
前記結晶学的配向は、＜１１１＞配向に向かってミスカットされる（１００）表面である、請求項７に記載の層状構造。
【請求項９】
前記基板は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）互換性回路を備え、前記光電子デバイスは、前記ＣＭＯＳ互換性回路に電気的に結合される赤外線光検出器を備える、請求項１に記載の層状構造。
【請求項１０】
前記光電子デバイスは、Ｖ群元素と、ＩＩＩ群元素とを含む合金を含む、請求項１に記載の層状構造。
【請求項１１】
前記光電子デバイスは、ＩｎＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、およびＧａＡｓｚＳｂ１−ｚから成る群の材料を含み、ｚは、０〜１の範囲内である、請求項１に記載の層状構造。
【請求項１２】
前記光電子デバイスは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚから成る群の材料を含み、ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ、およびｚは、０〜１の範囲内である、請求項１に記載の層状構造。
【請求項１３】
前記光電子デバイスは、赤外線光検出器を備え、前記緩衝層は、前記基板と前記赤外線光検出器のＳｂベースの吸収体層との間で前記格子定数の遷移を提供する、請求項１に記載の層状構造。
【請求項１４】
層状構造を作製するための方法であって、前記方法は、
基板にわたって緩衝層を形成することと、
変成エピタキシによって、前記緩衝層にわたって光電子デバイスを形成することと
を含み、
前記光電子デバイスは、Ｓｂベースの光電子デバイスであり、
前記緩衝層は、前記基板と前記光電子デバイスとの間で格子定数の遷移を提供する、方法。
【請求項１５】
前記緩衝層を形成することは、
前記基板にわたってＧｅベースの層を形成することであって、前記基板は、シリコンベースの基板を備える、ことと、
前記Ｇｅベースの層にわたってＩＩＩ−Ａｓ層を形成することと、
前記ＩＩＩ−Ａｓ層にわたってＩＩＩ−Ｓｂ層を形成することと
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記Ｇｅベースの層を形成することは、化学蒸着（ＣＶＤ）を使用することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ＩＩＩ−Ａｓ層を形成することは、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）を使用することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ＩＩＩ−Ｓｂ層を形成することは、ＭＢＥを使用することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記光電子デバイスを形成することは、ＭＢＥを使用することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記基板にわたって前記Ｇｅベースの層を形成することは、第１の反応プロセスにおいてＧｅ−Ｓｉ基板を形成することを含み、前記Ｇｅベースの層にわたってＩＩＩ−Ａｓ層を形成することは、第２の反応プロセスにおいて前記Ｇｅ−Ｓｉ基板にわたって前記ＩＩＩ−Ａｓ層を形成することを含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本開示は、その開示が参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０１８年５月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／６７７，５６３号の利益を主張する。
【０００２】
本開示は、光電子デバイスを対象とし、より具体的には、本開示は、基板にわたって緩衝層上に形成される光電子デバイスを対象とする。
【背景技術】
【０００３】
アンチモン（Ｓｂ）ベースの合金を使用する従来の赤外線（ＩＲ）検出が、焦点面アレイ（ＦＰＡ）を作成するように、シリコンベースの読出集積回路（ＲＯＩＣ）ウエハに頻繁に接着される、またはインジウム（Ｉｎ）バンプを使用して添着される。従来のＩＲ検出器を接着するためにＳｂベースの合金を使用する、そのような構造を製造するためのプロセスは、ＲＯＩＣプロセスを複雑にし得る、付加的加工ステップを要求する。加えて、Ｉｎバンプに基づく技法はまた、熱管理問題を導入し得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
いくつかの実施形態では、光電子デバイスは、緩衝層を介してシリコン（Ｓｉ）基板にわたって成長されるアンチモン（Ｓｂ）ベースの変成光検出器を含んでもよい。本デバイスは、層状構造を含む。ここで、形容詞「変成」は、２つが異種結晶格子間隔を有する、別の構造の上の１つの結晶構造のエピタキシャル成長を示すために使用される。いくつかの実施形態では、層状構造は、基板と、基板にわたって形成される緩衝層と、緩衝層にわたって形成される赤外線光検出器とを含む。いくつかの実施形態では、緩衝層は、副層を有する、複合緩衝層を含む。例えば、いくつかの実施形態では、複合緩衝層は、基板にわたって形成されるゲルマニウム（Ｇｅ）ベースの副層と、Ｇｅベースの副層にわたって成長されるＩＩＩ−ヒ素（ＩＩＩ−Ａｓ）副層と、ＩＩＩ−Ａｓ副層にわたって形成されるＩＩＩ−Ｓｂ副層とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
１つ以上の種々の実施形態による本開示は、以下の図を参照して詳細に説明される。図面は、例証の目的のためのみに提供され、典型的または例示的実施形態を描写するにすぎない。これらの図面は、本明細書に開示される概念の理解を促進するように提供され、これらの概念の範疇、範囲、または適用可能性の限定と見なされるものとしない。例証を明確かつ容易にするために、これらの図面は、必ずしも一定の縮尺で作製されていないことに留意されたい。
【０００６】
【図１】図１は、本開示のいくつかの実施形態による、基板にわたって光電子デバイスを有する、例証的層状構造の断面図を示す。
【０００７】
【図２】図２は、本開示のいくつかの実施形態による、基板および複合緩衝材にわたって光電子デバイスを有する、例証的層状構造の断面図を示す。
【０００８】
【図３】図３は、本開示のいくつかの実施形態による、例証的層状構造のためのバイアス電圧の関数として量子効率のプロットを示す。
【０００９】
【図４】図４は、本開示のいくつかの実施形態による、例証的層状構造のための波長の関数として量子効率のプロットを示す。
【００１０】
【図５】図５は、本開示のいくつかの実施形態による、例証的層状構造のためのバイアス電圧の関数として暗電流密度のプロットを示す。
【００１１】
【図６】図６は、本開示のいくつかの実施形態による、例証的層状構造のためのＸ線回折スペクトルのプロットを示す。
【００１２】
【図７】図７は、本開示のいくつかの実施形態による、層状構造を作製するための例証的プロセスのフローチャートである。
【００１３】
【図８】図８は、本開示のいくつかの実施形態による、Ｓｂベースの光検出器を有する層状構造を使用して生成される、２つの画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書に説明される構造および方法は、緩衝層を含んで形成される光電子デバイスを対象とする。いくつかの実施形態では、光電子デバイスは、緩衝層を介してシリコン基板にわたって成長されるＳｂベースの変成光検出器を含む。例えば、緩衝層は、複合Ｇｅ／ＩＩＩ−Ａｓ／ＩＩＩ−Ｓｂ緩衝層を含んでもよい。例証的実施例では、ＩＲ光検出器が、分光観察（例えば、望遠鏡システムまたは他の光学システムと併せた）、ＩＲ感知、撮像、またはそれらの組み合わせのために使用され得る、焦点面アレイ（ＦＰＡ）の一部として形成されてもよい。
【００１５】
ＩＲ光検出器等の光電子デバイスは、例えば、ＩＩ型破損ギャップ整合等の豊富なバンドギャップ工学の可能性を提供する、ＧａＳｂ材料に基づいてもよい。これらのバンドギャップ性質は、多くのデバイスアーキテクチャを可能にする。例えば、デバイスアーキテクチャは、「ｎＢｎ」または「ＸＢｎ」と称され得る、単極障壁設計概念に基づいてもよい。ｎＢｎベースのより大きい形式のＦＰＡ検出器を製造することは、例えば、改良されたスループット、体積、および収率のために、より大きい直径のウエハ基板を要求する。いくつかの実施形態では、本開示は、Ｓｂベースの変成光電子デバイスを統合する層状構造を提供する。光電子デバイスは、エピタキシャルスタックが大面積ＦＰＡを支持することを可能にする、単一のエピタキシャルスタック内の単極設計に基づくＩＲ光検出器を含んでもよい。ＩＲ検出器の統合は、Ｓｉベースの電子回路の高レベル大量生産、高速、およびエピタキシャルスタックの一部であり得るＩＩＩ−Ｖ材料の所望の光学的性能という複合利点を提供する。いくつかの実施形態では、シリコン基板は、ウエハの中にすでに処理されている好適な回路（例えば、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）互換性回路）を伴うシリコンウエハを含む。例えば、ＲＯＩＣが、ウエハの中に処理されてもよい。さらなる実施例では、ＲＯＩＣは、光検出器エピタキシの直下または基板の隣接部分内（例えば、緩衝層および光検出器構造に隣接して）のいずれかに配列されてもよい。いくつかの実施形態では、基板上のＲＯＩＣの形成は、エピタキシャルスタックの熱管理を改良する。
【００１６】
図１は、本開示のいくつかの実施形態による、基板１０２にわたって光電子デバイス１０６を有する、例証的層状構造１００の断面図を示す。
【００１７】
いくつかの実施形態では、基板１０２は、事前決定された結晶配向を有する、シリコンウエハを含む。例えば、基板１０２は、＜１００＞の結晶配向を有する、結晶シリコン基板を含んでもよい。さらなる実施例では、基板１０２は、緩衝層１０４が形成される表面として、［１１１］配向に向かったミスカット（例えば、６°または任意の他の好適な配向）を伴う（１００）表面を含んでもよい。いくつかの実施形態では、基板１０２は、１つ以上の事前形成された回路またはデバイスを含む。例えば、基板１０２は、ＲＯＩＣまたは他の好適な回路（例えば、ＣＭＯＳ互換性回路）を含んでもよい。基板１０２は、任意の好適な材料、その領域、デバイス、回路、デバイスを含む領域、回路を含む領域、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。
【００１８】
緩衝層１０４が、基板１０２にわたって形成される。図１に示されるように、緩衝材１０４は、基板１０２の直上に形成されてもよい。いくつかの実施形態では、緩衝層１０４は、基板１０２にわたって変成エピタキシによって形成される。いくつかの実施形態では、緩衝層１０４は、１つを上回る層を含み、各層は、好適な材料から形成される。緩衝層１０４は、基板１０２と光電子デバイス１０６との間の遷移を提供するように含まれる。遷移は、化学的遷移、格子定数遷移、材料性質の遷移、任意の他の好適な遷移、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。緩衝層のさらなる詳細が、例えば、図２との関連で説明される。
【００１９】
光電子デバイス１０６は、緩衝層１０４にわたって形成される。いくつかの実施形態では、光電子デバイス１０６は、ＩＩＩ群およびＶ群元素の１つ以上の合金を含む。いくつかの実施形態では、光電子デバイス１０６は、ＩＩＩ群の元素とともにＶ群の１つを上回る元素を含んでもよい。例えば、光電子デバイス１０６は、０≦ｚ≦１である、ＩｎＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＧａＡｓｚＳｂ１−ｚを含んでもよい。いくつかの実施形態では、光電子デバイス１０６は、複数のＶ群元素に加えて、１つを上回るＩＩＩ群元素を含む。例えば、光電子デバイス１０６は、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、および０≦ｚ≦１である、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚを含んでもよい。
【００２０】
図２は、本開示のいくつかの実施形態による、基板２０２および複合緩衝材２０４にわたって光電子デバイス２０６を有する、例証的層状構造２００の断面図を示す。いくつかの実施形態では、層状構造２００は、図１の層状構造１００の実施例であり、複合緩衝層２０４は、緩衝層１０４の実施例である。
【００２１】
いくつかの実施形態では、基板２０２は、事前決定された結晶配向を有する、シリコンウエハを含む。例えば、基板２０２は、＜１００＞の結晶配向を有する、結晶シリコン基板を含んでもよい。いくつかの実施形態では、基板２０２は、１つ以上の事前形成された回路またはデバイスを含む。例えば、基板２０２は、ＲＯＩＣまたは他の好適な回路を含んでもよい。基板２０２は、任意の好適な材料、その領域、デバイス、回路、デバイスを含む領域、回路を含む領域、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。
【００２２】
複合緩衝層２０４が、基板２０２にわたって形成される。図２に示されるように、複合緩衝層２０４は、層毎に基板２０２の直上に形成されてもよい。いくつかの実施形態では、複合緩衝層２０４の１つ以上の層が、基板２０２または複合緩衝層２０４の前の層にわたって変成エピタキシによって形成される。複合緩衝層２０４は、基板２０２と光電子デバイス２０６との間の遷移を提供する。遷移は、化学的遷移、格子定数遷移、材料性質の遷移、任意の他の好適な遷移、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。図示されるように、複合緩衝層２０４は、３つの副層（例えば、層の群に属する層）を含む。ゲルマニウム（Ｇｅ）層２１２が、基板２０２にわたって形成される。例えば、Ｇｅ層２１２は、基板２０２にわたってエピタキシャルに形成されてもよい。さらなる実施例では、Ｇｅ層２１２は、化学蒸着（ＣＶＤ）反応チャンバ内で基板２０２にわたって形成されてもよい。Ａｓベースの層（例えば、ＩＩＩ−Ａｓ層２１４）が、Ｇｅ層２１２にわたって形成される。アンチモンベースの層（例えば、ＩＩＩ−Ｓｂ層２１６）が、ＩＩＩ−Ａｓ層２１４にわたって形成される。例えば、ＩＩＩ−Ｓｂ層２１６が、エピタキシプロセスを介してＩＩＩ−Ａｓ層２１４にわたって形成されてもよい。
【００２３】
光電子デバイス２０６は、複合緩衝層２０４にわたって形成される。例えば、光電子デバイス２０６は、ＩＩＩ−Ｓｂ層２１６にわたって形成される。いくつかの実施形態では、光電子デバイス２０６は、ＩＩＩ群およびＶ群元素の１つ以上の合金を含む。いくつかの実施形態では、光電子デバイス２０６は、ＩＩＩ群の元素とともにＶ群の１つを上回る元素を含んでもよい。例えば、光電子デバイス２０６は、０≦ｚ≦１である、ＩｎＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＧａＡｓｚＳｂ１−ｚを含んでもよい。いくつかの実施形態では、光電子デバイス２０６は、複数のＶ群元素に加えて、１つを上回るＩＩＩ群元素を含む。例えば、光電子デバイス２０６は、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１、および０≦ｚ≦１である、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚを含んでもよい。いくつかの実施形態では、（例えば、光電子デバイス２０６の）デバイス層が、デバイス動作のために必要に応じて、好適な電子伝導率レベルまでドープされてもよい。例えば、いくつかのそのようなドーパントは、Ｓｉ、ベリリウム（Ｂｅ）、およびテルル（Ｔｅ）を含む。
【００２４】
個別の図３−６のプロット３００、４００、５００、および６００に提示されるデータは、図２の層状構造２００に類似する層状構造に対応する。層状構造は、複合緩衝層および緩衝層にわたって形成されるＳｂベースの光検出器（例えば、フォトダイオード）を伴う、シリコン基板を含む。図３−６に提示されるデータは、不動態化または反射防止コーティングを伴わない大面積メサダイオードに由来する。デバイス性能が、図３のプロット３００に関して、正面照明を用いて１５０Ｋにおいて、かつ３．１μｍ帯域通過フィルタを用いて測定された。
【００２５】
図３は、本開示のいくつかの実施形態による、例証的層状構造のためのバイアス電圧の関数として量子効率のプロット３００を示す。量子効率は、入射光が電気に変換される割合の尺度である。プロット３００は、図２の層状構造２００に類似する例証的構造に関するデータを示す。例えば、プロット３００によって図示されるように、６０％超の量子効率が、約−０．１Ｖまたはそれ未満のバイアス電圧において達成され得る。
【００２６】
図４は、本開示のいくつかの実施形態による、例証的層状構造のための波長の関数として量子効率のプロット４００を示す。波長は、図２の層状構造２００に類似する例証的構造に入射する光の波長に対応する。例えば、プロット４００によって図示されるように、５０％を上回る量子効率が、約２〜４ミクロン（例えば、短−中波長ＩＲ）のスペクトル範囲内で達成され得る。
【００２７】
図５は、本開示のいくつかの実施形態による、例証的層状構造のためのバイアス電圧の関数として暗電流密度のプロット５００を示す。暗電流密度（例えば、入射放射線を伴わない）が、光検出器の電気的雑音のインジケータを提供し得る。プロット５００は、図２の層状構造２００に類似する例証的構造に関する暗電流密度結果を示す。例えば、プロット５００は、−０．２Ｖのバイアス電圧における約２×１０−５／ｃｍ２の暗電流密度を示す。
【００２８】
種々の技法が、層状構造（例えば、図１の層状構造１００または図２の層状構造２００）を評価するために、エピタキシャルレベルで使用されてもよい。例えば、Ｘ線回折（ＸＲＤ）技法が、結晶格子およびその配向を識別するために使用されてもよい。図６は、本開示のいくつかの実施形態による、例証的層状構造のためのＸＲＤスペクトルのプロット６００を示す。プロット６００は、１）ＩＩＩ−Ｓｂ緩衝副層およびｎＢｎ光検出器構造（例えば、マーカ６０１）、２）ＧａＡｓ（例えば、ＩＩＩ−Ａｓ緩衝副層）およびＧｅ緩衝副層（例えば、マーカ６０２）、および３）シリコン基板（例えば、マーカ６０３）から生じる、３つの明確に異なるピークを有する、例証的高分解能ＸＲＤスペクトルを示す。ＩＩＩ−Ｓｂおよび光検出器層からの比較的に急峻なピークは、下層緩衝設計の優れた構造性質および有効性を示す。
【００２９】
図７は、本開示のいくつかの実施形態による、層状構造を作製するための例証的プロセス７００のフローチャートである。例えば、個別の図１−２の例証的層状構造１００および２００は、プロセス７００によって形成されてもよい。
【００３０】
ステップ７０１は、基板を調製するステップを含む。ステップ７０１は、単結晶ウエハを成長させるステップ、シリコンウエハを形成するステップ、基板の表面を処理または別様に調製するステップ、基板上に１つ以上の回路を形成するステップ、基板上に１つ以上のデバイスを形成するステップ、さらなる処理のために基板を調製するための任意の他の好適なアクション、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。基板は、例えば、ミスカット表面（例えば、ミスカット（１００）表面）を伴う結晶基板、ＣＭＯＳ回路を含む基板、シリコンオンインシュレータ、Ｇｅオンインシュレータ、Ｇｅ、シリコンオン格子工学基板（ＳＯＬＥＳ）、関連付けられる格子定数を有する任意の他の好適な基板、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。
【００３１】
ステップ７０２は、ステップ７０１の基板にわたって緩衝層を形成するステップを含む。いくつかの実施形態では、ステップ７０２は、基板の直上に緩衝層を形成するステップを含む。いくつかの実施形態では、ステップ７０２は、変成エピタキシを使用して、緩衝層を形成するステップを含み、緩衝層は、基板と異なる格子定数を有する、エピタキシャル層である。例えば、いくつかの実施形態では、ステップ７０２は、少なくとも部分的に分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）反応チャンバ内で実施される。さらなる実施例では、いくつかの実施形態において、ステップ７０２は、少なくとも部分的に化学蒸着（ＣＶＤ）反応チャンバ内で実施される。いくつかの実施形態では、ステップ７０２は、１つを上回る副層が形成される、多層緩衝材を形成するステップを含む。例えば、ステップ７０２は、図示されるようなステップ７１２、７１４、および７１６を含んでもよい。さらなる実施例では、副層は、順に、基板および相互の直上に形成されてもよい。いくつかの実施形態では、ステップ７０２は、１つを上回るプロセスを使用して、１つを上回るチャンバ内で構造を処理するステップを含む。
【００３２】
ステップ７１２は、基板にわたって第１の副層を形成するステップを含む。第１の副層は、基板にわたって形成されるＧｅベースの材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ステップ７１２は、基板の直上に第１の副層を形成するステップを含む。いくつかの実施形態では、ステップ７１２は、変成エピタキシを使用して、第１の副層を形成するステップを含む。例証的実施例では、ステップ７１２は、（例えば、０．５〜１．０ミクロンの厚さまたは任意の他の好適な厚さであり得る）基板にわたってＧｅ層を形成するステップを含んでもよい。さらなる例証的実施例では、液相化学蒸着（ＣＶＤ）ツールが、バルクＧｅ層が後に続く、種晶層を形成するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、ステップ７１２は、基板の表面調製を含む。例えば、Ｈ２が、第１の副層の形成に先立って、基板の表面上の自然酸化物を除去するために使用されてもよい。シリコン基板およびＧｅの第１の副層が使用される、例証的実施例では、ステップ７１２に起因する構造は、ゲルマニウムオンシリコン（Ｇｅ−Ｓｉ）基板と称され得る。例証的実施例では、Ｇｅ−Ｓｉ基板は、ＣＶＤ処理から除去され、次いで、さらなる処理のためにＭＢＥ反応チャンバに導入されてもよい。
【００３３】
ステップ７１４は、第１の副層にわたって第２の副層を形成するステップを含む。第２の副層は、第１の層にわたって形成されるＩＩＩ−Ａｓ材料（すなわち、ＩＩＩ群元素およびヒ素）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ステップ７１４は、第１の副層の直上に第２の副層を形成するステップを含む。いくつかの実施形態では、ステップ７１４は、変成エピタキシを使用して、第２の副層を形成するステップを含む。例えば、ステップ７１４は、ＭＢＥを第１の副層の表面に適用し、第２の副層を形成するステップを含んでもよい。例証的実施例では、１つ以上の弁付きクラッカ源が、Ｖ群材料（例えば、Ａｓおよび／またはＳｂ）を提供するために使用されてもよい。さらなる例証的実施例では、１つ以上のＳＵＭＯセルまたは円錐浸出セルが、ＩＩＩ群材料（例えば、Ａｌ、Ｇａ、および／またはＩｎ）を提供するために使用されてもよい。例証すると、第２の副層は、ＧａＡｓ副層であってもよい。
【００３４】
ステップ７１６は、第２の副層にわたって第３の副層を形成するステップを含む。第３の副層は、第２の層にわたって形成されるＩＩＩ−Ｓｂ材料（すなわち、ＩＩＩ群元素およびアンチモン）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ステップ７１６は、第２の副層の直上に第３の副層を形成するステップを含む。いくつかの実施形態では、ステップ７１６は、変成エピタキシを使用して、第２の副層を形成するステップを含む。第３の副層が、アンチモンベースであるため、アンチモンベースの光検出器構造が、より容易に第３の副層にわたってエピタキシャルに形成されてもよい。例えば、第３の副層の格子定数は、ステップ７０４において形成される光電子デバイス構造のものに類似し得る。いくつかの実施形態では、ステップ７１６は、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）を第２の副層の表面に適用し、第３の副層を形成するステップを含んでもよい。例証的実施例では、１つ以上の弁付きクラッカ源が、Ｖ群材料を提供するために使用されてもよい。さらなる例証的実施例では、１つ以上のＳＵＭＯセルまたは円錐浸出セルが、ＩＩＩ群材料（例えば、Ａｌ、Ｇａ、および／またはＩｎ）を提供するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、ステップ７１４および７１６は、同一の反応チャンバ（例えば、ＭＢＥチャンバ）内で実施される。
【００３５】
ステップ７０４は、ステップ７０２の緩衝層にわたって光電子デバイスを形成するステップを含む。ＩＲ光検出器は、緩衝層にわたって形成されるＳｂベースの材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ステップ７０４は、緩衝層（例えば、複合緩衝層の第３の副層）の直上に光電子デバイスを形成するステップを含む。いくつかの実施形態では、ステップ７０４は、変成エピタキシを使用して、ＩＲ光検出器を形成するステップを含む。例えば、ステップ７０４は、厚さ約４ミクロンの吸収体層（例えば、ＩｎＡｓＳｂ吸収体層）を形成し、次いで、吸収体層にわたって障壁層（例えば、ＡｌＡｓＳｂ障壁層）を形成し、次いで、障壁層にわたって上部接触層（例えば、ＳｉをドープしたＩｎＡｓＳｂ接触層）を形成することによって、ＩＲ光検出器を形成するステップを含んでもよい。さらなる実施例では、ＩＲ光検出器は、ＳｂベースのｎＢｎ光検出器であってもよい。いくつかの実施形態では、ＩＲ光検出器は、約４ミクロンのカットオフ波長を有する。
【００３６】
例証的実施例では、プロセス７００は、Ｇｅ含有緩衝層を使用する、Ｓｉ上の変成光検出器構造全体の全ウエハエピタキシャル成長を含んでもよい。いくつかの実施形態では、プロセス７００は、ＩＲ検出器等のＳｂベースの光電子デバイスを形成するための柔軟で、多重ステップ式の、Ｓｉ−Ｇｅ−ＩＩＩ−ＶのＭ−緩衝アプローチである。
【００３７】
図８は、本開示のいくつかの実施形態による、Ｓｂベースの光検出器を有する層状構造を使用して生成される、画像８００および８５０を示す。両方のＩＲ画像８００および８５０が、Ｇｅ−Ｓｉ基板上に形成される複数のｎＢｎ型ＩＲ光検出器を含む、焦点面アレイを使用して、７７Ｋにおいて生成された。故に、高品質光検出が、本開示の変成エピタキシ形成された構造を使用して達成され得る。画像８００は、参考として可視範囲写真術を用いて撮影された画像を示す、差し込み図を含む。
【００３８】
本開示の全体を通して、「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。
【００３９】
「上に配置される」は、下層料材または層「上に存在する」を意味する。本層は、好適な表面を確実にするために必要な遷移層等の中間層を備えてもよい。例えば、材料が、「基板上に配置される」ことが説明される場合、これは、（１）材料が基板と密接に接触すること、または（２）材料が基板上に存在する１つ以上の遷移層と接触することのいずれかを意味し得る。
【００４０】
単結晶は、実質的に１つのタイプの単位セルのみを備える、結晶構造を意味する。しかしながら、単結晶層は、スタッキング欠陥、転位、または他の一般的に生じる結晶欠陥等のいくつかの結晶欠陥を呈し得る。
【００４１】
単分域は、単位セルの実質的に１つだけの構造と、その単位セルの実質的に１つだけの配向とを備える、結晶構造を意味する。換言すると、単分域結晶は、双晶または逆位相ドメインを呈さない。
【００４２】
単相は、単結晶および単分域の両方である結晶構造を意味する。
【００４３】
基板は、その上に堆積層が形成される材料を意味する。例示的基板は、限定ではないが、ウエハが単結晶シリコンの均一な厚さを含む、バルクシリコンウエハ、バルクシリコンウエハ上に形成される二酸化ケイ素の層上に形成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、またはその上または中にデバイスが形成される、基礎層としての役割を果たす任意の他の好適な材料を含む。基板層およびバルク基板として使用するために、適用に応じ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、ゲルマニウム、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＳｎ、ＧｅＳｎ等の群ＩＶ元素の合金、アルミナ、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、シリカ、二酸化ケイ素、ホウケイ酸ガラス、パイレックス（登録商標）、およびサファイアを含む。いくつかの非限定的実施例では、基板層は、同一または異なる多孔性を伴う多孔質材料の１つ以上の部分または副層を含んでもよい。
【００４４】
ミスカット基板は、基板の結晶構造と関連付けられるものに対してある角度において配向される、表面結晶構造を備える、基板を意味する。例えば、６°ミスカット＜１００＞シリコンウエハは、＜１１１＞等の別の主要な結晶配向に向かって６°だけ＜１００＞結晶配向に対する角度において切断された、＜１００＞シリコンウエハを備える。典型的には、必ずではないが、ミスカットは、最大約２０°であろう。具体的に記述されない限り、語句「ミスカット基板」は、任意の主要な結晶配向を有するウエハを含む。すなわち、＜０１１＞方向に向かってミスカットされる＜１１１＞ウエハ、＜１１０＞方向に向かってミスカットされる＜１００＞ウエハ、および＜００１＞方向に向かってミスカットされる＜０１１＞ウエハである。
【００４５】
第２の層「の上」または「にわたって」として本明細書に説明および／または描写される第１の層は、第２の層に直接隣接し得る、または１つ以上の介在層が、第１の層と第２の層との間にあってもよい。第２の層または基板「の直接上」または「の直上に」として本明細書に説明および／または描写される第１の層は、可能性として、第２の層または基板との第１の層の混合に起因して形成され得る介在合金層以外に介在層が存在せずに第２の層または基板に直接隣接する。加えて、第２の層または基板「の上」、「にわたって」、「の直接上」、または「の直上に」として本明細書に説明および／または描写される第１の層は、第２の層または基板全体、または第２の層または基板の一部を被覆し得る。
【００４６】
基板の頂面は、１つ以上のエピタキシャル層（例えば、「エピレディ」表面）を受容するための表面である。層が、形成されるにつれて、「頂」または「上」面は、基板から最も遠い層である。本明細書に描写および説明される構造のうちのいずれかは、描写されるものの上方および／または下方に付加的層を伴う、より大型の構造の一部であってもよい。明確にするために、本明細書の図は、これらの付加的層を省略し得るが、これらの付加的層は、開示される構造の一部であってもよい。加えて、描写される構造は、本反復が図に描写されていない場合でさえも、単位において反復されてもよい。
【００４７】
前述は、本開示の原理の例証にすぎず、種々の修正が、本開示の範囲から逸脱することなく当業者によって行われ得る。上記に説明される実施形態は、限定ではなくて例証の目的のために提示される。本開示はまた、本明細書に明示的に説明されるもの以外の多くの形態をとることもできる。故に、本開示は、明示的に開示される方法、システム、および装置に限定されず、以下の請求項の精神内に該当する、その変形例および修正を含むことを意図していることが強調される。
【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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【手続補正書】
【提出日】令和3年1月28日(2021.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層状構造であって、
シリコンベースの基板と、
前記基板にわたって形成される緩衝層であって、前記緩衝層は、
前記基板にわたって形成されるＧｅベースの層と、
前記Ｇｅベースの層にわたって形成されるＩＩＩ−Ａｓ層と、
前記ＩＩＩ−Ａｓ層にわたって形成されるＩＩＩ−Ｓｂ層と
を備える、緩衝層と、
前記緩衝層にわたって形成される変成エピタキシャルＳｂベース光電子デバイスと
を備え、
前記緩衝層は、前記基板と前記光電子デバイスとの間で格子定数の遷移を提供する、層状構造。
【請求項２】
前記緩衝層は、前記基板の直上に形成されたエピタキシャル緩衝層である、請求項１に記載の層状構造。
【請求項３】
前記緩衝層は、１つを上回る層を備える、請求項１または請求項２に記載の層状構造。
【請求項４】
前記１つを上回る層はそれぞれ、エピタキシャル層である、請求項３に記載の層状構造。
【請求項５】
前記緩衝層は、
前記基板の直上に形成される前記Ｇｅベースの層であって、前記基板は、シリコンベースの基板を備える、前記Ｇｅベースの層と、
前記Ｇｅベースの層の直上に形成される前記ＩＩＩ−Ａｓ層と、
前記ＩＩＩ−Ａｓ層の直上に形成される前記ＩＩＩ−Ｓｂ層と
を備える、前記請求項のいずれかに記載の層状構造。
【請求項６】
前記基板は、結晶学的配向を有するシリコンウエハを備える、請求項１に記載の層状構造。
【請求項７】
前記結晶学的配向は、＜１１１＞配向に向かってミスカットされる＜１００＞表面である、請求項６に記載の層状構造。
【請求項８】
前記基板は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）互換性回路を備え、前記光電子デバイスは、前記ＣＭＯＳ互換性回路に電気的に結合される赤外線光検出器を備える、前記請求項のいずれかに記載の層状構造。
【請求項９】
前記光電子デバイスは、Ｖ群元素と、ＩＩＩ群元素とを含む合金を含む、前記請求項のいずれかに記載の層状構造。
【請求項１０】
前記光電子デバイスは、ＩｎＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、およびＧａＡｓｚＳｂ１−ｚから成る群から選択された材料を含み、ｚは、０〜１の範囲内である、前記請求項のいずれかに記載の層状構造。
【請求項１１】
前記光電子デバイスは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚから成る群の材料を含み、ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ、およびｚは、０〜１の範囲内である、前記請求項のいずれかに記載の層状構造。
【請求項１２】
前記光電子デバイスは、赤外線光検出器を備え、前記緩衝層は、前記基板と前記赤外線光検出器のＳｂベースの吸収体層との間で前記格子定数の遷移を提供する、前記請求項のいずれかに記載の層状構造。
【請求項１３】
層状構造を作製するための方法であって、前記方法は、
シリコンベースの基板にわたって緩衝層を形成することであって、前記緩衝層を形成することは、
前記基板にわたってＧｅベースの層を形成することと、
前記Ｇｅベースの層にわたってＩＩＩ−Ａｓ層を形成することと、
前記ＩＩＩ−Ａｓ層にわたってＩＩＩ−Ｓｂ層を形成することと
を含む、ことと、
変成エピタキシによって、前記緩衝層にわたって光電子デバイスを形成することと
を含み、
前記光電子デバイスは、Ｓｂベースの光電子デバイスであり、
前記緩衝層は、前記基板と前記光電子デバイスとの間で格子定数の遷移を提供する、方法。
【請求項１４】
前記Ｇｅベースの層を形成することは、化学蒸着（ＣＶＤ）を使用することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＩＩＩ−Ａｓ層を形成することは、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）を使用することを含む、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ＩＩＩ−Ｓｂ層を形成することは、ＭＢＥを使用することを含む、請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記光電子デバイスを形成することは、ＭＢＥを使用することを含む、請求項１３〜１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記基板にわたって前記Ｇｅベースの層を形成することは、第１の反応プロセスにおいてＧｅ−Ｓｉ基板を形成することを含み、前記Ｇｅベースの層にわたってＩＩＩ−Ａｓ層を形成することは、第２の反応プロセスにおいて前記Ｇｅ−Ｓｉ基板にわたって前記ＩＩＩ−Ａｓ層を形成することを含む、請求項１３〜１７のいずれかに記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
いくつかの実施形態では、光電子デバイスは、緩衝層を介してシリコン（Ｓｉ）基板にわたって成長されるアンチモン（Ｓｂ）ベースの変成光検出器を含んでもよい。本デバイスは、層状構造を含む。ここで、形容詞「変成」は、２つが異種結晶格子間隔を有する、別の構造の上の１つの結晶構造のエピタキシャル成長を示すために使用される。いくつかの実施形態では、層状構造は、基板と、基板にわたって形成される緩衝層と、緩衝層にわたって形成される赤外線光検出器とを含む。いくつかの実施形態では、緩衝層は、副層を有する、複合緩衝層を含む。例えば、いくつかの実施形態では、複合緩衝層は、基板にわたって形成されるゲルマニウム（Ｇｅ）ベースの副層と、Ｇｅベースの副層にわたって成長されるＩＩＩ−ヒ素（ＩＩＩ−Ａｓ）副層と、ＩＩＩ−Ａｓ副層にわたって形成されるＩＩＩ−Ｓｂ副層とを含む。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
層状構造であって、
基板と、
上記基板にわたって形成される緩衝層と、
上記緩衝層にわたって形成される光電子デバイスと
を備え、
上記光電子デバイスは、変成エピタキシ形成されたＳｂベースの光電子デバイスであり、
上記緩衝層は、上記基板と上記光電子デバイスとの間で格子定数の遷移を提供する、層状構造。
（項目２）
上記緩衝層は、上記基板の直上にエピタキシャルに形成された緩衝層である、項目１に記載の層状構造。
（項目３）
上記緩衝層は、１つを上回る層を備える、項目１に記載の層状構造。
（項目４）
上記１つを上回る層はそれぞれ、エピタキシャルに成長された層である、項目３に記載の層状構造。
（項目５）
上記緩衝層は、
上記基板にわたって形成されるＧｅベースの層であって、上記基板は、シリコンベースの基板を備える、Ｇｅベースの層と、
上記Ｇｅベースの層にわたって形成されるＩＩＩ−Ａｓ層と、
上記ＩＩＩ−Ａｓ層にわたって変成エピタキシ形成されるＩＩＩ−Ｓｂ層と
を備える、項目３に記載の層状構造。
（項目６）
上記緩衝層は、
上記基板の直上に形成される上記Ｇｅベースの層であって、上記基板は、シリコンベースの基板を備える、上記Ｇｅベースの層と、
上記Ｇｅベースの層の直上に形成される上記ＩＩＩ−Ａｓ層と、
上記ＩＩＩ−Ａｓ層の直上に形成される上記ＩＩＩ−Ｓｂ層と
を備える、項目５に記載の層状構造。
（項目７）
上記基板は、結晶学的配向を有するシリコンウエハを備える、項目１に記載の層状構造。
（項目８）
上記結晶学的配向は、＜１１１＞配向に向かってミスカットされる（１００）表面である、項目７に記載の層状構造。
（項目９）
上記基板は、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）互換性回路を備え、上記光電子デバイスは、上記ＣＭＯＳ互換性回路に電気的に結合される赤外線光検出器を備える、項目１に記載の層状構造。
（項目１０）
上記光電子デバイスは、Ｖ群元素と、ＩＩＩ群元素とを含む合金を含む、項目１に記載の層状構造。
（項目１１）
上記光電子デバイスは、ＩｎＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、およびＧａＡｓｚＳｂ１−ｚから成る群の材料を含み、ｚは、０〜１の範囲内である、項目１に記載の層状構造。
（項目１２）
上記光電子デバイスは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚから成る群の材料を含み、ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ、およびｚは、０〜１の範囲内である、項目１に記載の層状構造。
（項目１３）
上記光電子デバイスは、赤外線光検出器を備え、上記緩衝層は、上記基板と上記赤外線光検出器のＳｂベースの吸収体層との間で上記格子定数の遷移を提供する、項目１に記載の層状構造。
（項目１４）
層状構造を作製するための方法であって、上記方法は、
基板にわたって緩衝層を形成することと、
変成エピタキシによって、上記緩衝層にわたって光電子デバイスを形成することと
を含み、
上記光電子デバイスは、Ｓｂベースの光電子デバイスであり、
上記緩衝層は、上記基板と上記光電子デバイスとの間で格子定数の遷移を提供する、方法。
（項目１５）
上記緩衝層を形成することは、
上記基板にわたってＧｅベースの層を形成することであって、上記基板は、シリコンベースの基板を備える、ことと、
上記Ｇｅベースの層にわたってＩＩＩ−Ａｓ層を形成することと、
上記ＩＩＩ−Ａｓ層にわたってＩＩＩ−Ｓｂ層を形成することと
を含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
上記Ｇｅベースの層を形成することは、化学蒸着（ＣＶＤ）を使用することを含む、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
上記ＩＩＩ−Ａｓ層を形成することは、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）を使用することを含む、項目１５に記載の方法。
（項目１８）
上記ＩＩＩ−Ｓｂ層を形成することは、ＭＢＥを使用することを含む、項目１５に記載の方法。
（項目１９）
上記光電子デバイスを形成することは、ＭＢＥを使用することを含む、項目１５に記載の方法。
（項目２０）
上記基板にわたって上記Ｇｅベースの層を形成することは、第１の反応プロセスにおいてＧｅ−Ｓｉ基板を形成することを含み、上記Ｇｅベースの層にわたってＩＩＩ−Ａｓ層を形成することは、第２の反応プロセスにおいて上記Ｇｅ−Ｓｉ基板にわたって上記ＩＩＩ−Ａｓ層を形成することを含む、項目１５に記載の方法。
【国際調査報告】
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2021525961.tif 000012
2021525961.tif 000013