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TW201813010A - 用於應變管理之稀土磷屬化物 - Google Patents

用於應變管理之稀土磷屬化物 Download PDF

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TW201813010A
TW201813010A TW106118363A TW106118363A TW201813010A TW 201813010 A TW201813010 A TW 201813010A TW 106118363 A TW106118363 A TW 106118363A TW 106118363 A TW106118363 A TW 106118363A TW 201813010 A TW201813010 A TW 201813010A
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semiconductor layer
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安德魯 克拉克
里蒂斯 達吉斯
麥克 雷比
羅迪尼 培賽爾
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英商Ｉｑｅ有限公司
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Abstract

本發明揭露一種系統與方法，其可包含具有第一晶格常數的第一半導體層、磊晶生長在第一半導體層上的稀土磷屬化物緩衝層，其中相鄰於第一半導體層的稀土磷屬化物緩衝層的第一區域具有小於1%的淨應變、磊晶生長於稀土磷屬化物緩衝層上的第二半導體層，其中相鄰於第二半導體層的稀土磷屬化物緩衝層的第二區域具有為所需應變的淨應變，以及其中稀土磷屬化物緩衝層可包含一或多種稀土元素以及一或多種V族元素。在一些例子中，所需應變係近乎於零。

Description

用於應變管理之稀土磷屬化物
相關申請案之互相參照
本申請主張2016年6月2日向美國智慧財產局提交之美國臨時案No.62/344,439與2016年9月9日向美國智慧財產局提交之美國臨時案No.62/385,744之優先權，其各藉由參照而將其全文併入本文中。
光子及/或電子裝置通常由III-V族材料製備，但是III-V族基板昂貴。雖然矽基板相對地便宜，但是III-V族材料不能直接地生長於其上。即使使用緩衝層，由於III-V族材料與矽之間的晶格不匹配，III-V族材料通常包含差排與缺陷，會損害光子及/或電子裝置的性能。
本文描述使用稀土基的磷屬化物合金來生長介於具有第一晶格常數的第一半導體層與第二半導體材料之間的緩衝層的系統與方法。所述之系統與方法進一步包含將緩衝層劃分為不同晶格常數的次層，其將層狀結構的晶格常數從第一半導體的晶格常數逐漸改變至半導體的晶格常數，以保持穩定性。
本文所述的系統與方法可包含具有第一晶格常數的第一半導體層、磊晶生長在第一半導體層上的稀土磷屬化物緩衝層，其中相鄰於第一半導體層的稀土磷屬化物緩衝層的第一區域具有小於1%的第一淨應變、磊晶生長於稀土磷屬化物緩衝層上的第二半導體層，其中相鄰於第二半導體層的稀土磷屬化物緩衝層的第二區域具有為所需應變的淨應變，以及其中稀土磷屬化物緩衝層可包含一或多種稀土元素以及一或多種V族元素。在一些例子中，所需應變小於1%
稀土磷屬化物緩衝層的第一區域可包含含有第一稀土磷屬化物合金且具有第一厚度的第一次層以及含有第二稀土磷屬化物合金且具有第二厚度的第二次層，其中，第一厚度與第二厚度的比例使第一區域的第一淨應變小於1%。在一些例子中，稀土磷屬化物緩衝層的第二區域包含含有第三稀土磷屬化物合金且具有第三厚度的第三次層以及含有第二稀土磷屬化物合金且具有第二厚度的第四次層，其中第三厚度與第二厚度的比例使第二區域的第二淨應變為所需應變。在一些例子中，所需應變介於1%至3%之間。
在一些例子中，第一稀土磷屬化物合金、第二稀土磷屬化物合金以及第三稀土磷屬化物合金可包含常見的稀土元素。在一些例子中，第一稀土磷屬化物合金包含ErN、第二稀土磷屬化物合金包含ErP以及第三稀土磷屬化物合金包含ErAs。在一些例子中，第一稀土磷屬化物合金包含GdN、第二稀土磷屬化物合金包含GdAs以及第三稀土磷屬化物合金包含GdN。在一些例子中，第一稀土磷屬化物合金包含ErN、第二稀土磷屬化物合金包含ErP以及第三稀土磷屬化物合金包含GdP。
在一些例子中，第一半導體層包含Si且第二半導體層包含Si1-x Gex (0＜x≤1)。在一些例子中，申請專利範圍第1項的層狀結構，其中第一半導體層包含Si且第二半導體層包含Inx Ga1-x Asy P1-y 、Alx Ga1-x As、Ga1-x-y Alx Iny Sb1-p Asp 與Gax In1-x Ny As1-y (0≤x、y，且p≤1)中的一或多種。
稀土磷屬化物緩衝層的第一區域可包含具有第一比例的元素的第一稀土磷屬化物合金，且稀土磷屬化物緩衝層的第二區域可包含具有第二比例的元素的第一稀土磷屬化物合金。
稀土磷屬化物緩衝層的第二區域包含具有第三比例的元素的第三稀土磷屬化物，其中第三比例使第二區域的第二淨應變為所需應變。在一些例子中，第一半導體層磊晶生長於基材上，且上半導體層磊晶生長於第二半導體層上。
在一些例子中，一種鏡面結構包含申請專利範圍第1項所述的層狀結構，其中選擇第二厚度與第三厚度以產生所需波長的光的布拉格反射。
在以下說明中，為了說明的目的而描述許多細節。然而，所屬技術領域中具有通常知識者將理解的是，本文所述的實施例可在不使用這些特定細節的情況下實施。在其他情況下，以方塊圖顯示習知的結構與裝置，以使得說明不被不必要的細節所模糊。
稀土磷屬化物材料可被用作緩衝層，其用於鍺或其他半導體材料在矽基板上的磊晶生長。矽與生長在矽基板上的鍺或其他半導體材料的晶格常數之間存在巨大的不匹配。這造成層中的高度缺陷。層中的高度缺陷可導致在層中的一致性(coherence)消失。假如晶格常數在位於矽或鍺之間的整個緩衝層中逐漸地改變，則可避免高度缺陷。稀土磷屬化物緩衝層的組成與晶格常數可以漸變，以導致整個層狀結構中小的晶格常數不匹配或晶格常數沒有不匹配，以及高晶體質量。稀土磷屬化物層係用於平衡應變與逐漸地減少矽基板與生長在矽上的鍺或其他半導體材料的結構之間的晶格不匹配。稀土磷屬化物層也可於生長在矽基板上的鍺或其他半導體材料中產生應變，以增強增加鍺或其他半導體材料的導電性的電荷載流子的遷移率。在一些實施例中，稀土磷屬化物層可於生長在矽基板上的鍺或其他半導體材料中產生應變，以改變鍺或其他半導體材料的能帶結構，以增加在此些材料中的光子的發射效率。
稀土磷屬化物是來自一或多種稀土元素與一或多種V族元素所形成的合金的名稱。V族元素包含氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)以及鉍(Bi)。稀土元素(RE)包含鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉅(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)、鈧(Sc)及釔(Y)。特別是，包含磷屬化物合金的稀土磷屬化物可使用一種稀土元素(例如：Sc、Er、Gd、Nd)與兩種V族元素(例如：N、P、As)。
第1圖描繪層狀結構100，其包含第一半導體層102、磊晶生長於第一半導體層102上的稀土磷屬化物緩衝層104以及磊晶生長於稀土磷屬化物緩衝層104上的第二半導體層106。第一半導體層102可為提供層狀結構100的生長的磊晶模板的任何半導體或絕緣層。第一半導體層102為，舉例而言：具有＜100＞晶向的矽基板。在一些實施例中，第一半導體層102可為包含至少一種來自III族的元素以及至少一種來自V族的元素的III-V族合金(舉例而言，像是Alx Ga1-x As、Ga1-x-y Alx Iny Sb1-p Asp 與Gax In1-x Ny As1-y (0≤x、y且p≤1))。或者，第一半導體層102為像是SOI基板的絕緣層上的矽層或磊晶生長於其他層的矽層。
在一些實施例中，稀土磷屬化物緩衝層104包含至少一種稀土元素與至少兩種V族元素。稀土磷屬化物緩衝層104可包含相鄰於第一半導體層102的第一區域108以及相鄰於第二半導體層106的第二區域110。稀土磷屬化物緩衝層104的第一區域108具有類似於第一半導體層102的晶格常數，且稀土磷屬化物緩衝層104的第二區域110具有類似於第二半導體層106的晶格常數。在一些實施例中，第一V族元素在第一區域108具有第一濃度而在第二區域110具有第二濃度。第一V族元素的濃度在稀土磷屬化物緩衝層104的整體厚度中，以漸變、階梯式、線性、亞線性或超線性的方式，從第一區域108的第一濃度變化成第二區域110的第二濃度。此外，第二V族元素在第一區域108具有第三濃度而在第二區域110具有第四濃度。第二V族元素的濃度在稀土磷屬化物緩衝層104的整體厚度中，以漸變、階梯式、線性、亞線性或超線性的方式，從第一區域108的第三濃度變化成第二區域110的第四濃度。第一濃度、第二濃度、第三濃度與第四濃度可從0%改變至100%。在一些實施例中，稀土磷屬化物緩衝層104的第一區域108除了非故意的雜質以外，可不包含第二V族元素，且稀土磷屬化物緩衝層104的第二區域110除了非故意的雜質以外，可不包含第一V族元素。第一V族元素與第二V族的濃度逐漸地改變，以使晶格常數從矽的晶格常數(或實質上匹配於矽的晶格常數)改變至第二半導體層的晶格常數(或實質上匹配於第二半導體層的晶格常數)。因此，稀土磷屬化物緩衝層104與第二半導體層106磊晶生長於矽上，而不會在第一半導體層102上引入(introducing)其他應變。
在一些實施例中，稀土磷屬化物緩衝層104包含至少兩種稀土元素與至少一種V族元素。稀土磷屬化物緩衝層104可包含相鄰於第一半導體層102的第一區域108以及相鄰於第二半導體層106的第二區域110。稀土磷屬化物緩衝層104的第一區域108具有類似於第一半導體層102的晶格常數，且稀土磷屬化物緩衝層104的第二區域110具有類似於第二半導體層106的晶格常數。第一稀土元素在第一區域108具有第一濃度而在第二區域110具有第二濃度。第一稀土元素的濃度在稀土磷屬化物緩衝層104的整體厚度中，以漸變、階梯式、線性、亞線性或超線性的方式，從第一區域108的第一濃度變化成第二區域110的第二濃度。此外，在稀土磷屬化物緩衝層104的整體厚度中，第二稀土元素在第一區域108具有第三濃度而在第二區域110具有第四濃度。第二稀土元素的濃度在稀土磷屬化物緩衝層104的整體厚度中，以漸變、以階梯式、線性、亞線性或超線性的方式，從第一區域108的第三濃度變化成第二區域110的第四濃度。第一濃度、第二濃度、第三濃度與第四濃度可從0%改變至100%。因此，稀土磷屬化物緩衝層104的第一區域108除了非故意的雜質以外，不包含第二稀土元素，且稀土磷屬化物緩衝層104的第二區域110除了非故意的雜質，以外不包含第一稀土元素。引入第一稀土元素與第二稀土元素的濃度變化，以將晶格常數從矽的晶格常數逐漸地改變至磊晶生長於矽上的第二半導體層的晶格常數而不引入任何應變於該層。
第二半導體層106可為來自IV族(例如：鍺)、矽鍺合金或III族與V族元素的合金(例如：砷化鎵)的半導體。在一些實施例中，III族與V族元素的合金可為摻雜的或本質的。在一些例子中，第二半導體層106除了因為汙染及/或先前的沉積製程可能導致的非故意的雜質以外，不包含氮。藉由提供從第一半導體層102至第二半導體層106的晶格常數的過渡，稀土磷屬化物緩衝層104允許具有最小的缺陷程度的第二半導體層106的磊晶生長。
第2圖描繪稀土磷屬化物緩衝層104包含多個次層(第一稀土磷屬化物次層212、第二稀土磷屬化物次層214、第三稀土磷屬化物次層216、第四稀土磷屬化物次層218)的層狀結構200。層狀結構200包含第一半導體層102、磊晶生長於第一半導體層102上的第一稀土磷屬化物次層212以及在稀土磷屬化物緩衝層104的第一區域108內磊晶生長於第一稀土磷屬化物次層212上的第二稀土磷屬化物次層214。層狀結構200更包含磊晶生長於第四稀土磷屬化物次層218的第二半導體層106，第四稀土磷屬化物次層218在稀土磷屬化物緩衝層104的第二區域110內磊晶生長於第三稀土磷屬化物次層216上。層狀結構200為示於第1圖且在稀土磷屬化物緩衝層104內包含多個次層的層狀結構100的特定實例。在一些實施例中，次層212包含實質上晶格匹配於第二次層214的離散RE-V合金(discrete RE-V alloys)，以逐漸地改變層狀結構200的晶格結構。在一些實施例中，如本揭露後述的，連續層可包含類似的元素或不同的元素。雖然第一區域108與第二區域110於第2圖中個別地被描繪為包含兩個次層，第一區域108與第二區域110可包含的任何數量的附加次層在多層結構內。藉由提供從第一半導體層102至第二半導體層106的晶格常數的相對平滑的過渡，稀土磷屬化物緩衝層104允許具有最小的缺陷程度的第二半導體層106的磊晶生長。
第3圖描繪具有磊晶生長於半導體1(層302)上的多個材料1(層304、層308)與材料2(層306、層310)的交錯層的層狀結構300。在一些實施例中，材料1、材料2與半導體1的晶格結構是不同的。任兩層(例如：材料1與材料2)之間的晶格結構的不匹配引起介於兩層之間的應變。在一些實施例中，大約2-3%的晶格不匹配是可接受的，而超過3%的晶格不匹配會導致在層狀結構300內的高度缺陷。在一些實施例中，使用晶格不匹配以達到第二半導體層106的臨界厚度。厚度小於臨界厚度時，第二半導體層106太薄以至於無法使用。舉例而言，Si上的Ge厚度為2 nm，且Si與Ge之間的不匹配為4%。因此，被選擇以磊晶生長於半導體1上的材料逐漸地改變層狀結構300的晶格常數，並減少或最小化在層狀結構300上的應變。
在一些實施例中，由在層302上的層304引起的晶格應變被表示為層304的層厚與介於層304與302之間的晶格不匹配的產物。層304可在層302上引入拉伸或壓縮應力。拉伸與壓縮應力結合第5圖而詳細地描述。簡而言之，藉由使用不同材料來施加相同與相反量的應力來平衡彼此，可達到應變平衡。如第3圖的右圖所示，材料1與材料2在半導體1上引起相反的應力。特定地，材料1在半導體1上引起拉伸應力314，且材料2在半導體1上引起壓縮應力316。在其他實施例中，材料1引起壓縮應力，且材料2引起拉伸應力。第3圖所示的力為代表性的，且不一定反應材料1與材料2引起的應力的大小。除了方向之外，應力可取決於材料的層的厚度。特別是，層304與層306被稱為對於半導體1的應變平衡，假如： (Δa1 * t1) = (Δa2 * t2) 方程式 1 其中Δa1表示材料1對半導體1的晶格不匹配；t1表示層304的厚度；Δa2表示材料2對半導體1的晶格不匹配；以及t2表示層306的厚度。假如符合方程式1，層304與層306為應變平衡，使得在層302上的這些層的影響彼此抵消。因此，在層302上沒有產生應變。維持機械穩定性的同時，此種堆疊可以些微偏差的晶格結構重複，以使層狀結構300的晶格常數從半導體1(層302)的晶格常數過渡成將沉積在層狀結構300的其他材料的晶格常數。
第4圖描繪顯示可被用於本文所述的層狀結構的各種材料的晶格常數的圖式400。x軸顯示稀土金屬，且y軸顯示以埃為單位測量的晶格參數。水平線412表示矽的晶格常數，且水平線410表示鍺的晶格常數。曲線402描繪如繪於x軸上的稀土金屬的稀土氮化物(RE-N)的晶格常數的函數。類似地，曲線404描繪稀土磷化物(RE-P)的晶格常數、曲線406描繪稀土砷化物(RE-As)的晶格常數且曲線408描繪稀土銻化物(RE-Sb)的晶格常數。在一實例中，交錯點1(交錯點414)描繪與氮結合以形成氮化鉺(ErN)的稀土金屬鉺的晶格常數。交錯點2(交錯點416)描繪與磷結合以形成磷化鉺(ErP)的稀土金屬鉺的晶格常數，且交錯點3(交錯點418)描繪與砷結合以形成砷化鉺(ErAs)的稀土金屬鉺的晶格常數。ErN的晶格常數大約為4.8 Å，其低於ErP的晶格常數(約為5.6 Å)與ErAs的晶格常數(約為5.75 Å)。ErP與ErAs的晶格常數相對地類似於鍺的晶格常數(約為5.7 Å)與矽的晶格常數(約為5.5 Å)。在一些實施例中，為了在矽基板上磊晶生長鍺，稀土磷屬化物緩衝層包含各種厚度的ErN、ErP與ErAs的次層，以逐漸地將層的晶格常數從矽改變至鍺，而不會引起的大量晶格應變，如結合第5圖而描述於下。
第5圖係例示性描繪層狀結構500，其中鍺層506使用Er-(V族)合金作為稀土磷屬化物緩衝層504的一部分而磊晶生長於矽層502上。第5圖的圖表550包含相對於矽(第二行)與鍺(第三行)的ErN、ErP與ErAs的相對晶格不匹配(Δa)。如第4圖所示，ErP與ErAs的晶格常數接近鍺的晶格常數。使用不同厚度的ErN層、ErP層與ErAs層的組合，以將層狀結構500的晶格常數逐漸從矽的晶格常數改變成鍺的晶格常數。由於ErN具有低於矽的晶格常數，且ErP具有高於矽的晶格常數，所以ErN和ErP的組合足以產生具有接近矽層502的晶格常數的晶格常數的合金。逐漸地，在保持晶格穩定性的同時，在稀土磷屬化物緩衝層504的整個厚度中，降低ErN的濃度且增加ErAs的濃度，以最終達到與鍺層506相同的晶格常數(或者足夠接近於鍺層506的晶格常數)。在接近矽層502的區域508中，可使用由ErN與ErP施加在矽層502上的應力，以決定將磊晶生長在矽基板上的兩層的厚度。由於ErP具有低於鍺的晶格常數，且ErAs具有高於鍺的晶格常數，所以ErP與ErAs的組合足以產生具有接近鍺層506的晶格常數的晶格常數的層。接近鍺層506的區域510中，使用由ErAs和ErP兩者對鍺施加的應力，以決定鍺層506磊晶生長在其上的兩層的厚度。在區域508與區域510之間，ErN的濃度逐漸降低且ErAs的濃度逐漸增加，以維持層狀結構500的晶格穩定性。
圖表550中所示的數值僅為了示例性的目的而估計。如圖表550所示，ErN具有相對於矽-10.8%的晶格不匹配，且ErP具有相對於矽的+3.0%的晶格不匹配。負值的不匹配表示ErN對矽基板施加拉伸應力。負應變因為ErN的晶格常數低於矽的晶格常數(如第4圖所示)而被引入。當ErN磊晶生長於矽上時，Er原子與N原子在矽的晶格結構中佔據位置。因為ErN具有比矽小的晶格常數，所以Er原子與N原子被迫佔據比ErN的晶格常數指示的更遠的點(例如：在第4圖中的交錯點414，ErN的晶格常數約為4.8 Å，且矽的晶格常數約為5.5 Å)，因此在矽基板上施加拉伸應力。正值的不匹配表示ErP對矽基板施加壓縮應力。當ErP磊晶生長於矽上時，Er原子與P原子在矽的晶格結構上佔據位置。因為ErP具有比矽大的晶格常數，所以Er原子與P原子被迫佔據比ErP的晶格常數指示的更緊密的點，從而在矽基板上施加壓縮應力。
如第5圖所示，將一個Er-V合金的厚度維持於固定的厚度，且改變其他合金的厚度以匹配鍺與矽的晶格常數。特別是，ErP層514、518的厚度在整個稀土磷屬化物緩衝層504中是固定值(例如：36 nm)。在第5圖中的圖表550也顯示了，ErN在矽上施加的應變(-10.8%)為ErP(+3.0%)在相反方向於矽上施加的力的三倍以上。當ErP的厚度在整個稀土磷屬化物緩衝層504中固定時，ErN層512的厚度為10 nm，以減小矽層502上的應變。假設兩層(ErN層512、ErP層514)的晶格常數的值是已知的，並且ErP層514的厚度是已知的，則可以使用方程式1來計算ErN層512的厚度。從方程式1中，其可推斷出ErN層512的厚度幾乎是ErP層514、518的厚度的三分之一，以抵抗ErN層512的較高的應力。類似地，在接近鍺層506的區域510中，使用方程式1計算ErAs層516的厚度。給定ErP的厚度以及ErP和ErAs的晶格常數為已知，為了減小鍺層506上的應變，ErAs層516的厚度為29nm。由於ErP和ErAs施加的應力類似但方向相反，因此ErAs層516的厚度類似於ErP層514、518的厚度。以此方式，層狀結構500由於晶格常數的變化而具有最小的差排與缺陷。藉由提供從矽層502到鍺層506的晶格常數的過渡，稀土磷屬化物緩衝層504允許具有降低的或最小的缺陷程度的鍺層506的磊晶生長。
第6圖描繪顯示可被用於本文所述的層狀結構的各種材料的晶格常數的圖式600。圖式600類似於第4圖的圖式400，其中x軸顯示稀土金屬，且y軸顯示以埃為單位測量的晶格參數。水平線612描繪矽的晶格常數，且水平線610表示鍺的晶格常數。曲線602描繪如繪於x軸上的稀土金屬的RE-N的晶格常數的函數。類似地，曲線604描繪RE-P的晶格常數、曲線606描繪RE-As的晶格常數且曲線608描繪RE-Sb的晶格常數。在一例子中，交錯點1(交錯點614)描繪與氮結合以形成氮化釓(GdN)的稀土金屬釓的晶格常數。交錯點2(交錯點616)描繪與磷結合以形成磷化釓(GdP)的稀土金屬釓的晶格常數。GdN的晶格常數大約為4.8 Å，其遠低於GdP的晶格常數(約為5.6 Å)與矽的晶格常數(約為5.45 Å)。GdP的晶格常數(約為5.75 Å)接近鍺的晶格常數(約為5.7 Å)。舉例而言，在矽上磊晶生長鍺的例子中，因為磷化釓的晶格常數大於鍺的晶格常數與矽的晶格常數，且氮化釓的晶格常數小於鍺的晶格常數與矽的晶格常數，所以可利用氮化釓與磷化釓的任何組合，來實現矽與鍺兩者的晶格常數。在鄰近矽基板的區域中，可存在比磷化釓更多的氮化釓，且在稀土磷屬化物緩衝層中，氮化釓的濃度可逐漸地降低，且磷化釓的濃度可逐漸地增加，以達到相對地類似於鍺的晶格常數的晶格常數，使得可在稀土磷屬化物緩衝層上磊晶生長穩定的鍺層，如以下結合第7圖之敘述。
第7圖係例示性描繪層狀結構700，其中鍺層706使用Gd-(V族)合金作為稀土磷屬化物緩衝層704的一部分而磊晶生長於矽層702上。圖表750包含相對於矽(第二行)與鍺(第三行)的GdN與GdAs的相對晶格不匹配(Δa)。使用不同厚度的GdN層與GdAs層的組合，以將層狀結構700的晶格常數逐漸從矽的晶格常數改變成鍺的晶格常數。如下所述，GdN與GdAs的組合足以產生具有接近矽層702的晶格常數的晶格常數的合金。逐漸地，在保持晶格穩定性的同時，在稀土磷屬化物緩衝層504的整個厚度中，降低GdN的濃度且增加GdAs的濃度，以達到鍺層706的晶格常數。在接近矽層702的區域708中，使用由GdN與GdAs兩者施加在矽層702上的應力，以決定將磊晶生長在矽基板上的兩層的厚度。類似地，在接近鍺層706的區域710中，使用由GdN與GdAs兩者施加在鍺層706上的應力，以決定鍺層磊晶生長在其上的兩層的厚度。
如第7圖所示，為了維持層狀結構700的晶格穩定性，在稀土磷屬化物緩衝層704的整個厚度中，逐漸地降低GdN的濃度且逐漸地增加GdAs的濃度。在一些實施例中，減少GdN的濃度可使GdAs的濃度增加，且可不需要增加GdAs的濃度。在一些實施例中，可實際增加GdAs的濃度，使GdN的濃度減少。在一些實施例中，在層狀結構700的稀土磷屬化物緩衝層704的整個厚度中，可實際減少GdN的濃度，且可實際增加GdAs的濃度。如圖表750中所示的數值僅為了示例性的目的而估計。如圖表750所示，GdN具有相對於矽-7.95%的晶格不匹配，且GdAs具有相對於矽4.58%的晶格不匹配。負值的不匹配表示GdN對矽基板施加拉伸應力。負應變因為GdN的晶格常數低於矽的晶格常數(如第6圖所示)而被引入。當GdN磊晶生長於矽上時，Gd原子與N原子在矽的晶格結構中佔據位置。因為GdN具有比矽小的晶格常數，所以Gd原子與N原子將被迫佔據比GdN的晶格常數指示的更遠的點，因此在矽基板上施加拉伸應力。正值的不匹配表示GdAs對矽基板施加壓縮應力。當GdAs磊晶生長於矽上時，Gd原子與As原子在矽的晶格結構上佔據位置。因為GdAs具有比矽大的晶格常數，所以Gd原子與As原子將被迫比GdAs的晶格常數指示的更緊密，從而在矽基板上施加壓縮應力。
在一些實施例中，將一個Gd-V合金的厚度維持於固定的厚度，且改變其他合金的厚度以匹配鍺與矽的晶格常數。在此實施例中，如所示，GdAs層714、718的厚度固定地被維持於32 nm。在第7圖中的圖表750也顯示，GdN在矽上施加的應變為-7.95%，其大於GdAs在相反方向於矽上施加的力4.58%。當GdAs的厚度固定時，GdN層712的厚度被改變成30 nm，以減少矽層702上的應變。GdN層712的厚度幾乎與GdAs層714、718的厚度相同，以對抗GdAs層714的應力。類似地，在接近鍺層506的區域710中，GdAs層716的厚度被固定為32nm，但GdN的厚度減少至10nm，以增加鄰近鍺層706的GdAs濃度而匹配鍺層706的晶格常數。以此方式，層狀結構700由於晶格常數的變化而具有最小的差排與缺陷。藉由提供從矽層702到鍺層706的晶格常數的過渡，稀土磷屬化物緩衝層704允許具有最小的缺陷程度的鍺層706的磊晶生長。
第8圖描繪顯示可被用於本文所述的層狀結構的各種材料的晶格常數的圖式800。x軸顯示稀土金屬，且y軸顯示以埃為單位測量的晶格參數。水平線812表示矽的晶格常數，且水平線810表示磷化銦(InP)的晶格常數，其為可生長於矽基板上的III-V族合金。曲線802描繪如繪於x軸上的稀土金屬的稀土氮化物(RE-N)的晶格常數的函數。類似地，曲線804描繪稀土磷化物(RE-P)的晶格常數、曲線806描繪稀土砷化物(RE-As)的晶格常數且曲線808描繪稀土銻化物(RE-Sb)的晶格常數。在一例子中，交錯點1(交錯點814)描繪與氮結合以形成氮化鉺(ErN)的稀土金屬鉺的晶格常數。交錯點2(交錯點816)描繪與磷結合以形成砷化鉺(ErAs)的稀土金屬鉺的晶格常數，且交錯點3(交錯點818)描繪與銻結合以形成銻化鉺(ErSb)的稀土金屬鉺的晶格常數。ErN的晶格常數大約為4.8 Å，其低於ErP的晶格常數(約為5.6 Å)與ErAs的晶格常數(約為5.75 Å)。ErP與ErAs的晶格常數相對地類似於InP的晶格常數(約為5.7 Å)與矽的晶格常數(約為5.5 Å)。在一些實施例中，為了在矽基板上磊晶生長InP，稀土磷屬化物緩衝層包含各種厚度的ErN、ErP與ErAs次層，以將層的晶格常數從矽逐漸地改變成鍺，而不會引起大量晶格應變。在一些實施例中，稀土磷屬化物緩衝層的第一次層包含ErN與ErAs以應變平衡矽，且稀土磷屬化物緩衝層的第二次層包含ErAs與ErSb以應變平衡InP，如結合第15圖敘述於下。
第9圖係例示性描繪四個層狀結構900、930、960與990，其中鍺磊晶生長於稀土磷屬化物緩衝層上。在層狀結構990中，稀土磷屬化物緩衝層994包含成對的二元合金，以將晶格結構逐漸地從矽層920改變至鍺層996。在層狀結構900中，稀土磷屬化物緩衝層904、934、964包含均相三元合金，而非如層狀結構990所示的不同的成對的二元合金。在一些實施例中，藉由引入三元合金，其可能實現與在稀土磷屬化物緩衝層中的成對的二元合金相同的效果。稀土磷屬化物緩衝層994的效果可藉由產生兩種三元合金以取代在稀土磷屬化物緩衝層994的次層998與次層999而達成。當稀土磷屬化物緩衝層994(次層998與次層999)結構上穩定時，層狀結構990的結構穩定性實現於層狀結構990中。在稀土磷屬化物緩衝層994內的次層為應變平衡，以具有最小結構缺陷地在矽層902上生長鍺層996。在層狀結構900的稀土磷屬化物緩衝層904的區域908、910的三元合金化合物分別與矽層902與鍺層906晶格匹配，以維持層的穩定性。三元合金化合物的組成通式為GdNx As1-x (0＜x＜1)。藉由判定包含V族元素的層的厚度的對整個層的比例，可判定在三元合金中的V族元素的濃度。
舉例而言，如第9圖所示，在次層999中，GdN具有30nm的厚度且GdAs具有32nm的厚度。在次層994中，GdN對含有GdN與GdAs兩者的子集的總和的比例可以計算為：= 0.48；以及即使這個例子僅加總次層994的一部分，GdN與GdAs的集合係代表次層994的比例。基於此計算，對應於次層999的三元合金可具有公式GdN0.48 As0.52 。類似地，在次層998中，GdN對含有GdN與GdAs次層的子集的總和的比例可以計算為：；以及即使這個例子僅總和次層998的一部分，GdN與GdAs的集合係代表次層998的比例。基於此計算，對應於次層998的三元合金可具有公式GdN0.23 As0.77 。
層狀結構930描繪類似於層狀結構900的結構，但三元合金包含磷而非砷。在一些實施例中，在第一區域938內的三元合金的組成GdN0.38 P0.62 與矽層932晶格匹配以最小化引入矽層932內的應變。在第二區域940內，三元合金的組成GdN0.06 P0.94 與鍺層936晶格匹配以減少引入鍺層936內的應力。稀土磷屬化物緩衝層934的晶格常數在中間區域950內從第一區域938的晶格常數逐漸地改變成第二區域940的晶格常數，以維持層狀結構930的結構應變平衡。
層狀結構960描繪類似於層狀結構900的結構，但三元合金包含鉺而非釓。在一些實施例中，在第一區域968內的三元合金的組成ErN0.35 As0.65 與矽層962晶格匹配以最小化引入矽層932內的應變。在第二區域970內，在第一區域970內的三元合金的組成為ErN0.09 As0.91 ，以與鍺層966晶格匹配以減少引入鍺層966內的應力。稀土磷屬化物緩衝層964的晶格常數，在中間區域980內從第一區域968的晶格常數逐漸地改變成第二區域970的晶格常數，以維持層狀結構960的結構應變平衡。藉由提供從矽層(例如：矽層902、932、962與992)至鍺層(例如：鍺層906、936、966與996)的晶格常數的過渡，稀土磷屬化物緩衝層(例如：稀土磷屬化物緩衝層904、934、964與994)允許具有最小缺陷程度的鍺層506的磊晶生長。
第10圖描繪顯示可被用於本文所述的層狀結構的各種材料的晶格常數的圖式1000。x軸顯示稀土金屬，且y軸顯示以埃為單位測量的晶格參數。圖式1000包含曲線1002、1004、1006、1008、1010、1012，以及交錯點1014、1016與1018。水平線1012表示矽的晶格常數，且曲線1010表示鍺的晶格常數。曲線1002描繪如繪於x軸上的稀土金屬的稀土氮化物(RE-N)的晶格常數的函數。類似地，曲線1004描繪稀土磷化物(RE-P)的晶格常數、曲線1006描繪稀土砷化物(RE-As)的晶格常數且曲線1008描繪稀土銻化物(RE-Sb)的晶格常數。在一例子中，交錯點1(交錯點1014)描繪與氮結合以形成氮化鉺(ErN)的稀土金屬鉺的晶格常數。交錯點2(交錯點1016)描繪與磷結合以形成磷化鉺(ErP)的稀土金屬鉺的晶格常數，且交錯點3(交錯點1018)描繪與磷結合以形成磷化釓(GdP)的稀土金屬釓的晶格常數。ErN的晶格常數大約為4.8 Å，其遠低於ErP的晶格常數(約為5.6 Å)與GdP的晶格常數(約為5.75 Å)。ErP與GdP的晶格常數相對地類似於鍺的晶格常數(約為5.7 Å)與矽的晶格常數(約為5.5 Å)。在一些實施例中，為了在矽基板上磊晶生長鍺，稀土磷屬化物緩衝層包含各種厚度的ErN、ErP與GdP次層，以從矽逐漸地改變成鍺的晶格常數，而不會引起大量晶格應變，如以下結合第15圖所述。
在一些實施例中，其可能改變稀土元素的濃度以改變晶格常數，來取代改變V族元素的濃度以改變晶格常數。如第10圖所示，可使用一組ErN與ErP的二元對，以如第5圖所示地應變平衡矽。這是因為ErP在交錯點2(交錯點1016)處具有的晶格常數大於矽的晶格常數，且ErN在交錯點1(交錯點1014)處具有的晶格常數小於鍺的晶格常數。可使用此些元素的組合來與矽的晶格常數晶格匹配。可使用一組ErP與GdP的二元對來應變平衡鍺。這是因為GdP在交錯點3(交錯點1018)具有的晶格常數大於鍺的晶格常數，且ErP在交錯點2(交錯點1016)處具有的晶格常數小於鍺的晶格常數。可使用此些合金的組合來與鍺的晶格常數晶格匹配。
第11圖描繪圖式1100、1150來引入所需的應變於在如第7圖所示的第二半導體層706內。在一些實施例中，所需的應變係藉由在第二半導體層706中產生晶格不匹配至量身訂製特性(像是電荷載流子的遷移率與改變能帶以增加光子裝置的光子發射效率)而刻意引入。在一些實施例中，半導體層706與次層718的晶格不匹配小於1%。在一些實施例中，藉由在稀土磷屬化物緩衝層704內的半導體層706與次層718之間介於1%至3%的晶格不匹配來產生所需應變。在一些實施例中，為了保持層狀結構700內的穩定性，較佳地為小於1%的晶格不匹配。在一些實施例中，為了增加在半導體層706內的電荷載流子的遷移率或為了改變能帶值以增加光子的發射效率，較佳地為介於1%至3%的晶格不匹配。圖式1100描繪在層狀結構700內的GdN層716的厚度(t)與二元合金的半導體層706上的稀土磷屬化物緩衝層704的所得結果。在如第7圖所示的層狀結構的例子中，二元稀土磷屬化物合金為GdN，但本文所述的相同原理可被應用於其他稀土磷屬化物緩衝層。曲線1106表示，假如GdN層716的厚度t大於10 nm，則GdN稀土磷屬化物緩衝層在第二半導體層706(例如：鍺)上施加淨壓縮應力。曲線1104表示，假如GdN層716的厚度t維持於10 nm，則在第二半導體層706(例如：鍺)上不存在淨應變。曲線1102表示，假如GdN層716的厚度t小於10 nm，則在第二半導體層706(例如：鍺)上施加淨拉伸應力。
圖式1150描繪三元合金的半導體層906上的區域910的組成的效果。在本實施例中，三元稀土磷屬化物合金為GdN1-x Asx 。在三元合金的情況下，藉由三元合金內判定的N部分與As部分判定區域910中的N與As的濃度。曲線1156表示，假如區域910內的As(x)的濃度大於0.77，則GdN1-x Asx 稀土磷屬化物緩衝層在第二半導體層906(例如：鍺)上施加淨拉伸應力。曲線1104表示，假如區域910內的As的濃度維持於0.77，則在第二半導體層906(例如：鍺)上不存在淨應變。曲線1152表示，假如區域910內的As的濃度小於0.77，則在第二半導體層906(例如：鍺)上存在淨拉伸壓縮應力(tensile compressive force)。在此圖式中的合金的選擇、圖式的描繪與相關數字僅用於示例性目的，且此原理可應用於其它材料組合與層狀結構。
第12圖描繪具有基底層1290與III-V族層1295的層狀結構1200。在一些實施例中，層狀結構1200可有多種組分。在一些實施例中，層狀結構1200中的一種組分可為類似於第1圖所示的層狀結構100的次層。層狀結構100包含第一半導體層102、稀土磷屬化物緩衝層104與第二半導體層106。類似地，層狀結構1200包含矽層1202、磊晶生長於矽層1202上的磷屬化物緩衝層1204以及磊晶生長於磷屬化物緩衝層1204上的鍺層1206。第12圖所示的矽-磷屬化物-鍺組合為較大的層狀結構1200的一部分。在一些實施例中，層狀結構1200可包含不同組分在矽層1202之下且在基底層1290之上。在一些實施例中，層狀結構1200可包含組分在鍺層1206之上且在III-V族層1295之下。
第13圖描繪層狀結構1300，其具有磊晶生長於稀土磷屬化物緩衝層1304上的矽層1306與磊晶生長於鍺層1302上的稀土磷屬化物緩衝層1304。層狀結構1300類似於第9圖所示的層狀結構960，除了在第13圖中第一半導體層為鍺層1302而非矽層962，以及第二半導體層為矽層1306。當第一半導體層與第二半導體層相對於第9圖被交換時，稀土磷屬化物緩衝層1304的組成漸層與第圖9所示的稀土磷屬化物緩衝層964的組成漸層相反。為了維持晶格穩定性，鄰近鍺的區域1308含有較高濃度的砷(例如：0.91)與較低濃度的氮(例如：0.09)，而鄰近矽的區域1310含有較高濃度的氮(例如：0.35)與較低濃度的砷(例如：0.65)。維持晶格穩定性的同時，在區域1320中的氮與砷的濃度逐漸地改變，氮的濃度逐漸地從0.09改變成0.35，砷的濃度逐漸地從0.91改變成0.65。藉由提供從鍺層1302至矽層1306的晶格常數的漸變過渡，稀土磷屬化物緩衝層1304允許具有最小缺陷程度的矽層1306在鍺層1302上的磊晶生長。
第14圖描繪層狀結構1400、1450，其中第二半導體層1402是Ⅳ族合金。Ⅳ族合金包含兩種或多種Ⅳ族元素的不同組分。在層狀結構1400中，第二半導體層1406為Si1-x Gex 形式的矽鍺合金。變量x的範圍為0＜x≤1。在一些實施例中，x的數值為1，且在第二半導體層1406內，除了非故意的雜質外，Ⅳ族合金完全由鍺組成。在一些實施例中，x為介於0至1之間的數值，在第二半導體層1406中產生含有矽與鍺的IV族合金。一般而言，x的數值不允許達到0，因為在這種情況下，第二半導體層1406完全由矽組成，且將與矽層1402及第二半導體層1406無異。如上所述，稀土磷屬化物緩衝層1404的組成包含關聯的合金，以維持層狀結構1400的晶格穩定性。
在層狀結構1450中，第二半導體層1456為Ge1-x Snx 形式的鍺錫合金。變量x的範圍為0≤x≤1。在一些實施例中，x的數值為1，且在第二半導體層1456內，除了非故意的雜質外，Ⅳ族合金完全地由錫組成。在一些實施例中，x的數值為0，且在第二半導體層1456內，除了非故意的雜質外，Ⅳ族合金完全由鍺組成。在一些實施例中，x為介於0至1之間的數值，在第二半導體層1456中產生含有錫與鍺的IV族合金。如上所述，稀土磷屬化物緩衝層1454的組成包含關聯的合金，以維持層狀結構1450的晶格穩定性。藉由提供從矽層1402、1452至矽-鍺層或鍺-錫層(第二半導體層1406、1456)的晶格常數的過渡，稀土磷屬化物緩衝層1404、1454允許具有最小缺陷程度的鍺層706的磊晶生長。
第15圖描繪層狀結構1500，其具有在由三元合金GdN1-x Asx 組成的稀土磷屬化物緩衝層1504上的磷化銦(InP)層1506的第二半導體層。層狀結構1500包含鍺層1502的第一半導體層、磊晶生長於鍺層1502上的稀土磷屬化物緩衝層1504以及磊晶生長於稀土磷屬化物緩衝層1504上的InP層1506。在鄰近鍺層1502的第一區域1508內，為了匹配鍺層1502的晶格組成，三元合金的組成大約為GdN0.77 As0.23 。在鄰近InP層1506的區域1510中，稀土磷屬化物緩衝層1504的組成為改過的(modified)GdAs。由於GdAs的晶格常數類似於InP的晶格常數，所以稀土磷屬化物合金的組成被改成匹配InP的晶格常數。層狀結構1550包含在由成對的GdN與GdAs二元合金組成的稀土磷屬化物緩衝層1504上的磷化銦(InP)層1506的第二半導體層。層狀結構1550包含鍺層1552的第一半導體層、磊晶生長於鍺層1552上的稀土磷屬化物緩衝層1554以及磊晶生長於稀土磷屬化物緩衝層1504上的InP層1556。在層狀結構1550內的稀土磷屬化物緩衝層包含成對的二元合金。在稀土磷屬化物緩衝層1554內的二元合金的效果與在稀土磷屬化物緩衝層1504內的三元合金的效果相同。GdN層與GdAs層的厚度被用於監測在稀土磷屬化物緩衝層1554中的N與As的濃度，以與InP層1556與鍺層1552晶格匹配。在稀土磷屬化物緩衝層1554的整個厚度中，GdAs層1564、1568的厚度維持在32 nm的恆定值。在鄰近鍺層1552的第一區域1558中，GdN層1564的厚度被設定為10 nm，以確保稀土磷屬化物緩衝層的第一區域1558相對於鍺層1552為應變平衡。在鄰近InP層1556的第二區域1560中，GdN層1566的厚度被減小至2 nm，以確保稀土磷屬化物緩衝層的第二區域1560相對於InP層1556為應變平衡。GdN層的厚度從10 nm逐漸地減少至8 nm、至2 nm，導致鄰近InP層1556的第二區域1560中的GdAs的濃度增加。用於達到層的厚度的詳細計算的例子，更詳細地描述在第5圖中。藉由提供從鍺層1502、1552至InP層1506、1556的晶格常數的過渡，稀土磷屬化物緩衝層1504、1554允許具有最小缺陷程度的InP層1506、1556的磊晶生長。
第16圖描繪包含用於光子裝置應用的分布式布拉格反射器(DBR)結構的層狀結構1600。層狀結構1600包含矽層1602、多個稀土磷屬化物層以及矽鍺合金或含鍺層1606。在一些實施例中，層狀結構1600可包含取代矽的不同材料的半導體層1602。且層狀結構1600可包含取代鍺或鍺合金的不同材料的半導體層1606。一般而言，可使用第一半導體層與第二半導體層的任意組合來取代層1602與層1606。矽層1602可為提供層狀結構1600的生長的磊晶模板的任意矽層。舉例而言，矽層1602為具有＜100＞晶向的矽基板。然而，矽層1602也可為如在SOI基板內之絕緣層上的矽層，或可為磊晶生長於其他層上的矽層。層狀結構1600包含兩對稀土磷屬化物層1612、1614，其分別具有化學式GdN與GdAs。每一對GdN與GdAs的四分之一波長層(quarter-wave layers, QWL)具有λ/4的總厚度，其中λ為將藉由DBR結構反射的光的波長。雖然層狀結構1600被描繪為包含兩對稀土磷屬化物層，但可考慮其他對數，且選擇對數以產生足夠的反射率。較高的對數將導致較高的反射率。
第17圖描繪顯示層狀結構1600的分布式布拉格反射器的反射率的圖式。第17圖包含描繪DBR反射率為波長的函數的曲線1702、1704與1706。曲線1702對應於三週期反射器(即：具有三對QWL的反射器)、曲線1704對應於六週期反射器(即：具有六對QWL的反射器)且曲線1702對應於九週期反射器(即：具有九對QWL的反射器)。在DBR中周期數量的增加導致較高的反射率與更猛烈的衰減(roll-off)。
第18圖為根據例示性實施例，用於生長層狀結構100的製程1800的流程圖。製程從提供第一半導體層的步驟1802開始。在步驟1804，進行(process)磊晶生長稀土磷屬化物緩衝層。在步驟1804，進行生長第二半導體層。
在步驟1802，提供第一半導體層。第一半導體層102可為稀土磷屬化物緩衝層104生長於其上的矽基板。在一些實施例中，第一半導體層可為如第15圖所示的鍺層。
在步驟1804，稀土磷屬化物緩衝層104磊晶生長於第一半導體層102上。稀土磷屬化物緩衝層104的元素的例子包括Er、Gd、In、N、P、As或其的任何合適的組合。生長磊晶生長的稀土磷屬化物緩衝層104，以將層狀結構100的晶格常數從第一半導體層的晶格常數改為第二半導體層的晶格常數，同時維持整個稀土磷屬化物緩衝層104的晶格穩定性。
在步驟1806，第二半導體層106磊晶生長於稀土磷屬化物緩衝層104上。在一些實施例中，第二半導體層106可為III-V族合金、IV族元素、IV族合金或任何其它合適的材料。
第19圖為根據例示性實施例，生長層狀結構200的製程1900的流程圖。製程從提供第一半導體層的步驟1902開始。製程開始磊晶生長稀土磷屬化物緩衝層。在步驟1904，進行磊晶生長第一次層212於第一半導體層102上。在步驟1906，進行生長第二次層214於第一次層212上。在步驟1910，進行磊晶生長第三次層216於稀土磷屬化物緩衝層的中間部分上。在步驟1912，進行磊晶生長第四次層218於第三次層216上。在步驟1906，進行磊晶生長第二半導體層102於第四次層218上。
在步驟1902，提供第一半導體層。第一半導體層102可為稀土磷屬化物緩衝層104生長於其上的矽基板。在一些實施例中，第一半導體層可為如第15圖所示的鍺層。
在步驟1904，稀土磷屬化物緩衝層104的第一次層212磊晶生長於第一半導體層102上。第一次層212與第一半導體層102的晶格常數晶格匹配，且施加特定方向的應力於第一半導體層212上。
在步驟1906，稀土磷屬化物緩衝層106的第二次層214磊晶生長於次層212上。第二次層214與第一次層214的晶格常數晶格匹配，且施加與第一次層212施加的力相反方向的應力。
在步驟1908，中間緩衝層磊晶生長於次層214上。中間緩衝層的一個區域具有接近次層214的晶格常數的第一晶格常數，且中間緩衝層的第二區域具有接近層216的晶格常數的第二晶格常數。在一些實施例中，中間緩衝層的晶格常數從第一晶格常數逐漸地改成第二晶格常數。在一些實施例中，中間緩衝層包含未示於第2圖的其他次層。此結合第7圖詳細地描述。在一些實施例中，中間緩衝層包含由各種濃度的稀土族與V族合金組成的三元合金，如結合第9圖詳細地描述的。
在步驟1910，稀土磷屬化物緩衝層106的第三次層216磊晶生長於中間緩衝層上。第三次層216與中間緩衝層的晶格常數晶格匹配，且施加第一方向的應力於第二半導體層102上。
在步驟1912，稀土磷屬化物緩衝層106的第四次層218磊晶生長於中間緩衝層上。第四次層214與中間緩衝層的晶格常數晶格匹配，且施加與第一方向相反方向的的二方向的應力於第二半導體層102上。
稀土磷屬化物緩衝層104的各種次層的元素部分的例子為Er、Gd、In、N、P與As。
在步驟1914，第二半導體層102磊晶生長於次層218上。第二半導體層102與第一次層218的晶格常數晶格匹配。在一些實施例中，第二半導體層106可為III-V族合金、IV族元素、IV族合金或任何其它合適的材料。
對於所屬技術領域中具有通常知識者，將輕易的對本文為了例示性目的而選用的實施例進行各種變化與修改。在此些修改與變化不脫離本發明的精神的程度下，意圖將其包含在範疇中。
晶格常數、或晶格參數或晶格間距是指晶格中單位晶格的物理尺寸。晶格常數通常為幾埃(Å)的數量級。在半導體材料之間匹配晶格常數允許了層的生長，而不改變結晶結構。
V族元素是屬於週期表的第V族(如使用於半導體物理學)的元素。在本領域中，V族被理解為包含氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)與鉍(Bi)。這族元素被理解為與現代IUPAC命名中的第15族、氮族或氮族元素(pnictogens)為相同的族。
鑭系元素包含金屬鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)以及鎦(Lu)。在本揭露中，其應理解的是，術語稀土元素或稀土金屬包含鈧與釔，以及所有鑭系元素。
本文所述的生長及/或沉積，可使用化學氣相沉積(CVD)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、有機金屬氣相磊晶(OMVPE)、原子層沉積(ALD)、分子束磊晶(MBE)、氫化物氣相磊晶(HVPE)、脈衝雷射沉積(PLD)及/或物理氣相沉積(PVD)中之一或多種來實行。
III族氮化物(III-N)材料為包含氮與一種或多種III族元素的半導體材料。用於形成III族氮化物材料的常見III族元素包含鋁、鎵與銦。III族氮化物材料具有大的直接能隙，使其適用於高電壓裝置、射頻裝置與光學裝置。此外，由於多種III族元素可以不同組成被組合於單個III族氮化物薄膜中，所以III族氮化物薄膜的性質為高度地可調整。
在一些實施例中，在本文所述的層狀結構中所用的III-V族與III族氮化物材料係使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長。在MOCVD中，一或多種III族前驅物與V族前驅物反應，以在基板上沉積III族氮化物薄膜。一些III族前驅物包含作為鎵源的三甲基鎵(TMGa)、作為鋁源的三甲基鋁(TMA)以及作為銦源的三甲基銦(TMI)。氨為可用作為氮源的V族前驅物。叔丁基砷胂(Tert-butylarsine)與胂(arsine)為可用作砷源的V族前驅物。叔丁基膦(Tert-butylphosphine)與膦(phosphine)為可用作磷源的V族前驅物。
在一些實施例中，用於本文所述的層狀結構的III-V族與III族氮化物材料，係使用分子束磊晶(MBE)生長。MBE係用於在高真空或超高真空中發生的單晶的薄膜沉積的磊晶方法。在MBE中，精確的氣體原子或分子原子束在加熱的基板上燒製。當分子落於基板的表面上時，它們以超薄層緩慢且系統性地凝結與積聚。
如本文所述，層是指覆蓋表面的厚度實質上均勻的材料。層可以是連續的或不連續的(即：在材料的區域之間具有間隙)。舉例而言，層可完全地覆蓋表面，或者被分割成離散區域，其共同地限定層(即：使用選擇性地區域磊晶形成的區域)。層狀結構代表一組層，且可為獨立結構或較大結構中的一部分。III族氮化物結構是指包含III族氮化物材料的結構，且可包含除了III族氮化物之外的其它材料，其中的一些例子為Si、氧化矽(SiOx )、氮化矽(Six Ny )與III-V族材料。同樣地，III-V結構是指包含III-V族材料的結構，且可包含除了III-V之外的其他材料，其中的一些例子為Si、氧化矽(SiOx )、氮化矽(Six Ny )與III族氮化物材料(III-Vs的子集)。
「單片集成(Monolithically-integrate)」指的是形成於基板的表面上，通常藉由沉積在表面上設置的層。
設置於代表「存在於(exists on)」下層材料或層之「上」。此層可包含為確保合適的表面所必需的中間層，例如：過渡層。舉例而言，假如材料被描述為「設置在基板上」，此可代表(1)材料與基板直接接觸；或(2)材料與留在基板上的一或多個過渡層接觸。
單晶代表實質上只包含一種單位晶格形式的晶體結構。然而，單晶層可能出現一些晶體缺陷，例如：堆積缺陷、差排或其他經常發生的晶體缺陷。
單疇(或單晶)指的是實質上僅包含一種單位晶格結構且實質上只有一種單位晶格方向的晶體結構。換句話說，單疇晶體表示無雙晶疇或反相疇。
單相指的是單晶且單疇的晶體結構。
晶體(crystalline)指的是實質上為單晶且實質上為單疇的晶體結構。結晶度(crystallinity)指的是晶體結構為單晶且單疇的程度。高度晶體結構幾乎完全地或完全地為單晶且單疇。
磊晶、磊晶生長與磊晶沉積代表於晶體基板上的晶體層的生長或沉積。晶體層被稱為磊晶層。晶體基板作為模板，且決定晶體層的方向與晶格間距。在一些實例中，晶體層可為晶格匹配或晶格重合(lattice coincident)。晶格匹配的晶體層可具有與晶體基板的上表面相同或非常類似的晶格間距。晶格重合的晶體層可具有為晶體基板的晶格間距的整數倍或非常類似於整數倍的晶格間距。在一些實施例中，如果數值在整數的0.5%內，則可被認為是整數。舉例而言，介於1.95與2.05之間的數值可被認為是整數2。在一些實施例中，在晶格匹配的晶體結構中的晶格間距可為約0.1 %、0.2 %、0.3 %、0.4 %、0.5 %或任何其他合適的百分比。一般而言，晶格匹配的晶體結構中的晶格間距可小於1 %。或者，晶體基板的晶格間距可為晶格重合的晶體層的晶格間距的整數倍或非常類似於整數倍。磊晶的質量一部分是基於晶體層的結晶度的程度。實際上，高質量的磊晶層將為具有最小的缺陷與很少或沒有晶界的單晶。
基板指的是在其上形成沉積層的材料。例示性的基板包含但不限於：塊狀矽晶圓(bulk silicon wafers)，其中晶片包含均勻厚度的單晶矽；複合晶圓，例如：絕緣體上矽(silicon-on-insulator)的矽晶圓，其包含設置於二氧化矽層上的矽層，該二氧化矽層係設置於塊狀矽處理晶圓(bulk silicon handle wafer)上；或用作為在其上或其中形成裝置的基層之任何其它材料。應用的功能適用於作為基板與塊狀基板的其他材料的例子包含但不限於：氮化鎵、碳化矽、氧化鎵、鍺、氧化鋁、砷化鎵、磷化銦、氧化矽(silica)、二氧化矽、硼矽酸玻璃、硼玻璃與藍寶石。
稀土磷屬化物材料為包含一種或多種V族元素與一種、兩種或多種稀土(RE)元素的材料。稀土元素包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉅(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd) 、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)、鈧(Sc)以及釔(Y)
絕緣體上半導體指的是包含單晶半導體層、單相介電層與基板的組合物，其中介電層係設置在半導體層與基板之間。此結構可包含絕緣體上矽 (SOI)組合物。
載流子濃度指的是每單位體積的多數載流子的數量。
電荷載流子密度的表示每單位體積電荷載流子的數量。
介面指的是不相似的晶體半導體的兩層或兩個區域之間的表面。
絕緣體上半導體組合物包含但不限於矽、鍺或矽-鍺「活性」層。換句話說，例示性絕緣體上半導體組合物包含但不限於：絕緣體上矽、絕緣體上鍺(germanium-on-insulator)與絕緣體上矽鍺(silicon-germanium-on-insulator)。在一些實施例中，可被使用的矽的各種結構為，舉例而言：Si＜100＞、Si＜110＞與Si＜111＞。
本文描述及/或描繪為於第二層「上(on)」或「之上(over)」的第一層可緊鄰於第二層，或者可存在一或多個中間層介於第一層或第二層之間。描述及/或描繪為「介於(between)」第一層與第二層「之間」的中間層可緊鄰於第一層及/或第二層，或者可存在一或多個其他中間層於中間層與第一層或第二層之間。本文描述及/或描繪為「直接於(directly)」第二層或基板「上(on)」或「之上(over)」的第一層可除了由於第一層與第二層或基板的混合而形成的可能的中間合金層之外，不存在中間層地緊鄰於第二層或基板。此外，本文描述及/或描繪為於第二層或基板「上(on)」或「之上(over)」或「直接於(directly)」第二層或基板「上(on)」或「之上(over)」的第一層可覆蓋整個第二層或基板，或可覆蓋第二層或基板的部分。
在層的生長期間，基板被放置於基板支架上，所以頂面(top surface)或上表面(upper surface)為最遠離於基板支架的基板或層的表面，而底面(bottom surface)或下表面(lower surface)為最接近於基板支架的基板或層的表面。本文所示與所述的任何結構可為在此所示的結構上方及/或下方具有其他層的較大結構的一部分。為了清楚起見，儘管此些其他層可為被揭露的結構的一部分，本文所示的圖式可省略此些其他層。此外，即使在圖式中未示出重複，所示的結構可以單位重複。
從上述敘述中，顯然可使用各種技術來實現本文所述的概念，而不脫離本揭露的範疇。在所有態樣中的所述實施例都被認為是例示性而非限制性的。亦應理解的是，本文所述的技術與結構不限於本文所述的特定實例，而可於其它例子中實現而不脫離本揭露的範疇。類似地，雖然在附圖中以特定順序描繪操作，但其不應被理解為要求以所示的特定順序或按順序執行此種操作或執行所有所述操作，以達成期望的結果。另外，所述的不同實例非為單個例子，且來自一個例子內的特徵可被包含於其他被揭露的例子內。因此，將理解的是，申請專利範圍不被限制於本文所揭露的實例，而是從上面提供的技術教示中理解，因為這些教示將告知所屬技術領域中具有通常知識者。
100、200、300、500、700、900、930、960、990、1200、1300、1400、1450、1500、1550、1600‧‧‧層狀結構
102‧‧‧第一半導體層
104、504、704、904、934、964、994、1304、1404、1454、1504、1554‧‧‧稀土磷屬化物緩衝層
106、1406、1456‧‧‧第二半導體層
108、938、968、1508‧‧‧第一區域
110、940、970‧‧‧第二區域
212‧‧‧第一次層
214‧‧‧第二次層
216‧‧‧第三次層
218‧‧‧第四次層
302、304、306、308、310‧‧‧層
314‧‧‧拉伸應力
316‧‧‧壓縮應力
400、600、800、1000、1100、1150‧‧‧圖式
402、404、406、408、602、604、606、608、802、804、806、808、1002、1004、1006、1008、1102、1104、1106、1152、1154、1156、1702、1704、1706‧‧‧曲線
410、412、610、612、810、812、1010、1012‧‧‧水平線
414、416、418、614、616、814、816、818、1014、1016、1018‧‧‧交錯點
502、702、902、932、962、992、1202、1306、1402、1452、1602‧‧‧矽層
506、706、906、936、966、996、1206、1302、1502、1552‧‧‧鍺層
508、510、708、710、908、910、1308、1310、1320、1510‧‧‧區域
512‧‧‧ErN層
514、518‧‧‧ErP層
516‧‧‧ErAs層
550、750‧‧‧圖表
712、716、1562、1566‧‧‧GdN層
714、718、1564、1568‧‧‧GdAs層
950、980‧‧‧中間區域
994、998、999‧‧‧次層
1204‧‧‧磷屬化物緩衝層
1290‧‧‧基底層
1295‧‧‧III-V族層
1506、1556‧‧‧磷化銦層
1606‧‧‧含鍺層
1612、1614‧‧‧稀土磷屬化物層
1800、1900‧‧‧製程
1802、1804、1806、1902、1904、1906、1908、1910、1912、1914‧‧‧步驟
t‧‧‧厚度
本揭露的上述與其他特徵將藉由考慮下述詳細說明，結合附圖而更加地清楚，其中：
第1圖是根據例示性實施例，描繪具有第二半導體層在稀土磷屬化物層上的層狀結構的圖式；
第2圖是根據例示性實施例，描繪如第1圖所示的層狀結構的特定例子的層狀結構的圖式；
第3圖是根據例示性實施例，描繪如第1圖所示的層狀結構的特定例子的層狀結構的圖式；
第4圖是根據例示性實施例，描繪顯示可被用於本文所述的層狀結構的各種材料的晶格常數的圖式；
第5圖是根據例示性實施例，描繪如第2圖所示的層狀結構的特定例子的層狀結構的圖式；
第6圖是根據例示性實施例，描繪顯示可被用於本文所述的層狀結構的各種材料的晶格常數的圖式；
第7圖是根據例示性實施例，描繪如第5圖所示的層狀結構的特定例子的層狀結構的圖式；
第8圖是根據例示性實施例，描繪顯示可被用於本文所述的層狀結構的各種材料的晶格常數的圖式；
第9圖是根據例示性實施例，描繪如第7圖所示的層狀結構的特定例子的層狀結構的圖式；
第10圖是根據例示性實施例，描繪顯示可被用於本文所述的層狀結構的各種材料的晶格常數的圖式；
第11圖是根據例示性實施例，描繪顯示第二半導體層106引起的應變(induction of strain)的圖式；
第12圖是根據例示性實施例，描繪如第1圖所示的層狀結構的特定例子的層狀結構的圖式；
第13圖是根據例示性實施例，描繪如第9圖所示的層狀結構的特定例子的層狀結構的圖式；
第14圖是根據例示性實施例，描繪如第1圖所示的層狀結構的特定例子的層狀結構的圖式；
第15圖是根據例示性實施例，描繪如第9圖所示的層狀結構的特定例子的層狀結構的圖式；
第16圖是根據例示性實施例，描繪包含用於光子裝置應用的分布式布拉格反射器結構的層狀結構的圖式；
第17圖是根據例示性實施例，描繪顯示對應於用於光子裝置應用的分布式布拉格反射器的波長集的圖式；
第18圖是根據例示性實施例，描繪生長如第1圖所示的層狀結構的方法的流程圖；以及
第19圖是根據例示性實施例，描繪生長如第2圖所示的層狀結構的方法的流程圖。

Claims (15)

  1. 一種層狀結構，其包含： 一第一半導體層，其具有一第一晶格常數； 一稀土磷屬化物緩衝層，其磊晶生長於該第一半導體層上，其中相鄰於該第一半導體層的該稀土磷屬化物緩衝層的一第一區域具有小於1%的一第一淨應變；以及 一第二半導體層，其磊晶生長於該稀土磷屬化物緩衝層上，其中相鄰於該第二半導體層的該稀土磷屬化物緩衝層的一第二區域具有為一所需應變的一第二淨應變； 其中，該稀土磷屬化物緩衝層包含： 一或多種稀土元素，以及 一或多種V族元素。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之層狀結構，其中該所需應變小於1%。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之層狀結構，其中該稀土磷屬化物緩衝層的該第一區域包含： 一第一次層，其包含一第一稀土磷屬化物合金且具有一第一厚度； 一第二次層，其包含一第二稀土磷屬化物合金且具有一第二厚度； 其中，該第一厚度與該第二厚度的比例使該第一區域的該第一淨應變小於1%。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之層狀結構，其中該稀土磷屬化物緩衝層的該第二區域包含： 一第三次層，其包含一第三稀土磷屬化物合金且具有一第三厚度； 一第四次層，其包含該第二稀土磷屬化物合金且具有該第二厚度； 其中，該第三厚度與該第二厚度的比例使該第二區域的該第二淨應變為該所需應變。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之層狀結構，其中該所需應變係介於1%至3%之間。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之層狀結構，其中該第一稀土磷屬化物合金、該第二稀土磷屬化物合金與該第三稀土磷屬化物合金包含常見稀土元素。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之層狀結構，其中： 該第一稀土磷屬化物合金包含ErN； 該第二稀土磷屬化物合金包含ErP；以及 該第三稀土磷屬化物合金包含ErAs。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之層狀結構，其中： 該第一稀土磷屬化物合金包含GdN； 該第二稀土磷屬化物合金包含GdAs；以及 該第三稀土磷屬化物合金包含GdN。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之層狀結構，其中： 該第一稀土磷屬化物合金包含ErN； 該第二稀土磷屬化物合金包含ErP；以及 該第三稀土磷屬化物合金包含GdP。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之層狀結構，其中該第一半導體層包含Si且該第二半導體層包含Si1-x Gex (0 ＜ x ≤ 1)。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之層狀結構，其中該第一半導體層包含Si且該第二半導體層包含Inx Ga1-x Asy P1-y 與 Alx Ga1-x As (0 ≤ x, y ≤ 1)中的一或多種。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之層狀結構，其中： 該稀土磷屬化物緩衝層的該第一區域包含具有一第一比例的元素的一第一稀土磷屬化物合金；以及 該稀土磷屬化物緩衝層的該第二區域包含具有一第二比例的元素的該第一稀土磷屬化物合金。
  13. 如申請專利範圍第3項所述之層狀結構，其中該稀土磷屬化物緩衝層的該第二區域包含具有一第三比例的元素的一第三稀土磷屬化物合金，其中該第三比例使該第二區域的該第二淨應變為該所需應變。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之層狀結構，其中： 該第一半導體層磊晶生長於一基材上；以及 一上半導體層磊晶生長於該第二半導體層上。
  15. 一種鏡面結構，其包含如申請專利範圍第4項所述之層狀結構，其中選擇該第二厚度與該第三厚度以產生所需波長的光的布拉格反射。
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