CN109478504A - 用于应变管理的稀土磷属元素化物 - Google Patents

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Abstract

本文所述的系统和方法可以包括具有第一晶格常数的第一半导体层，在第一半导体上外延生长的稀土磷属元素化物缓冲层，其中与第一半导体相邻的稀土磷属元素化物缓冲层的第一区域具有小于1％的净应变，在稀土磷属元素化物缓冲层上外延生长的第二半导体层，其中与第二半导体相邻的稀土磷属元素化物缓冲层的第二区域具有作为所需应变的净应变，并且其中稀土磷属元素化物缓冲层可以包括一种或多种稀土元素以及一种或多种V族元素。在一些示例中，期望的应变近似为零。

Description

用于应变管理的稀土磷属元素化物
相交申请的交叉引用
本申请要求2016年6月2日提交的美国临时申请序列号No.62/344,439和2016年9月9日提交的美国临时申请序列号No.62/385,744的优先权，其全部内容在此引入以供参考。本申请与2017年6月2日提交的共同未决的美国申请No.15/612,355有关，其全部内容在此引入以供参考。
技术领域和背景技术
光子和/或电子器件通常由III-V材料制成，但III-V衬底昂贵。硅衬底相对便宜，但III-V材料不能直接在它们上生长。即使当使用缓冲层时，III-V材料通常包含由于III-V材料和硅之间的晶格失配所导致的位错和缺陷，从而损害光子和/或电子器件的性能。
发明内容
本文描述了用于使用稀土基磷属元素化物合金在具有第一晶格常数的第一半导体层和第二半导体材料之间生长缓冲层的系统和方法。所述的系统和方法进一步包括将缓冲层分成不同晶格常数的子层，其将层结构的晶格常数从第一半导体的晶格常数逐渐改变为半导体的晶格常数，以保持稳定性。
本文所述的系统和方法可以包括具有第一晶格常数的第一半导体层；在所述第一半导体上外延生长的稀土磷属元素化物缓冲层，其中，与所述第一半导体相邻的所述稀土磷属元素化物缓冲层的第一区域具有小于1％的第一净应变；在所述稀土磷属元素化物缓冲层上外延生长的第二半导体层，其中，与所述第二半导体相邻的所述稀土磷属元素化物缓冲层的第二区域具有作为所需应变的第二净应变；以及其中，所述稀土磷属元素化物缓冲层可以包括一种或多种稀土元素，以及一种或多种V族元素。在一些示例中，所需应变小于1％。
所述稀土磷属元素化物缓冲层的第一区域可以包括第一子层和第二子层，所述第一子层包括第一稀土磷属元素化物合金并且具有第一厚度，所述第二子层包括第二稀土磷属元素化物合金并且具有第二厚度；其中，所述第一厚度与所述第二厚度的比率导致所述第一区域的第一净应变小于1％。在一些示例中，所述稀土磷属元素化物缓冲层的第二区域可以包括第三子层和第四子层，所述第三子层包括第三稀土磷属元素化物合金并且具有第三厚度，所述第四子层包括所述第二稀土磷属元素化物合金并且具有所述第二厚度；其中，所述第三厚度与所述第二厚度的比率导致所述第二区域的第二净应变为所需应变。在一些示例中，所需应变在1％与3％之间。
在一些示例中，所述第一、第二和第三稀土磷属元素化物合金包括共同的稀土元素。在一些示例中，所述第一稀土磷属元素化物合金包括ErN；所述第二稀土磷属元素化物合金包括ErP；以及所述第三稀土磷属元素化物合金包括ErAs。在一些示例中，所述第一稀土磷属元素化物合金包括GdN；所述第二稀土磷属元素化物合金包括GdAs；以及所述第三稀土磷属元素化物合金包括GdN。在一些示例中，所述第一稀土磷属元素化物合金包括ErN；所述第二稀土磷属元素化物合金包括ErP；以及所述第三稀土磷属元素化物合金包括GdP。
在一些示例中，所述第一半导体包括Si，并且所述第二半导体包括Si1-xGex(0<x≤1)。在一些示例中，权利要求1的层结构，其中所述第一半导体包括Si，并且所述第二半导体包括InxGa1-xAsyP1-y、AlxGa1-xAs以及Ga1-x-yAlxInySb1-pAsp,和GaxIn1-xNyAs1-y(0≤x，y和p≤1)中的一种或多种。
所述稀土磷属元素化物缓冲层的第一区域可以包括具有第一比例的元素的第一稀土磷属元素化物合金；以及所述稀土磷属元素化物缓冲层的第二区域可以包括具有第二比例的元素的第一稀土磷属元素化物合金。
所述稀土磷属元素化物缓冲层的第二区域可以包括具有第三比例的元素的第三稀土磷属元素化物合金，其中，所述第三比例导致所述第二区域的第二净应变是所需应变。在一些示例中，所述第一半导体层在基底材料上外延生长；以及上半导体层在所述第二半导体层上外延生长。
在一些示例中，一种反射镜结构，包括如权利要求1所述的层结构，其中，选择所述第二厚度和第三厚度以导致所需波长的光的布拉格反射。
附图说明
结合附图考虑下述详细描述，本公开的上述和其他特征将更显而易见，其中：
图1根据示例性实施例，图示了稀土磷属元素化物层上具有第二半导体层的层结构；
图2根据示例性实施例，图示了作为图1所示的层结构的具体示例的层结构；
图3根据示例性实施例，图示了作为图1所示的层结构的具体示例的层结构；
图4根据示例性实施例，图示了示出可以用在本文所述的层结构中的各种材料的晶格常数的曲线图；
图5根据示例性实施例，图示了作为图2所示的层结构的具体示例的层结构；
图6根据示例性实施例，图示了示出可以用在本文所述的层结构中的各种材料的晶格常数的曲线图；
图7根据示例性实施例，图示了作为图5所示的层结构的具体示例的层结构；
图8根据示例性实施例，图示了示出可以用在本文所述的层结构中的各种材料的晶格常数的曲线图；
图9根据示例性实施例，图示了作为图7所示的层结构的具体示例的层结构；
图10根据示例性实施例，图示了示出可以用在本文所述的层结构中的各种材料的晶格常数的曲线图；
图11根据示例性实施例，图示了示出第二半导体层106中的应变诱导的曲线图；
图12根据示例性实施例，图示了作为图1所示的层结构的具体示例的层结构；
图13根据示例性实施例，图示了作为图9所示的层结构的具体示例的层结构；
图14根据示例性实施例，图示了作为图1所示的层结构的具体示例的层结构；
图15根据示例性实施例，图示了作为图9所示的层结构的具体示例的层结构；
图16根据示例性实施例，图示了包括用于光子器件应用的分布式布拉格反射器结构的层结构；
图17根据示例性实施例，图示了示出对应于用于光子器件应用的分布式布拉格反射器的波长集合的曲线图；
图18根据示例性实施例，图示了用于生长图1所示的层结构的方法的流程图；以及
图19根据示例性实施例，图示了用于生长图2所示的层结构的方法的流程图。
具体实施方式
在下述描述中，出于解释的目的阐述了许多细节。然而，本领域普通技术人员将认识到，可以在不使用这些具体细节的情况下实施本文所述的实施例。在其他实例中，以框图形式示出了公知的结构和设备，使得描述不会被不必要的细节所模糊。
稀土磷属元素化物材料可以被用作缓冲层，用于在硅衬底上外延生长锗或其他半导体材料。硅和锗或在硅衬底上生长的其他半导体材料的晶格常数之间存在大的失配。这产生层中的高度缺陷。层中的高度缺陷可以会导致层中的相干性丧失。如果晶格常数在位于硅和锗之间的缓冲层中逐渐改变，则可以避免高度缺陷。稀土磷属元素化物缓冲层可以在组成和晶格常数方面分级，以在整个层结构中导致晶格常数的小的或没有的失配和高晶体质量。稀土磷属元素化物层被用来平衡应变并且逐渐减少硅衬底的结构与在硅上生长的锗或其他半导体材料之间的晶格失配。稀土磷属元素化物层还可以在硅衬底上生长的锗或半导体材料中产生应变，以增强电荷载流子的迁移率，从而增加锗或半导体材料的传导性。在一些实施例中，稀土磷属元素化物层可以在硅衬底上生长的锗或半导体材料中产生应变，以改变锗或半导体材料的能带结构，从而提高这类材料中的光子的发射效率。
稀土磷属元素化物是由一种或多种稀土元素和一种或多种V族元素形成的合金的名称。V族元素包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)和铋(Bi)。稀土元素(RE)包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、铼(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)。特别地，包括磷属元素化物合金的稀土磷属元素化物可以使用一种稀土(例如Sc、Er、Gd、Nd)和V族元素(例如N、P、As)中的两种。
图1图示了层结构100，包括第一半导体层102、在第一半导体层102上外延生长的稀土磷属元素化物缓冲层104，以及在稀土磷属元素化物缓冲层104上外延生长的第二半导体层106。第一半导体层102可以是提供用于层结构100的生长的外延模板的任何半导体或绝缘层。第一半导体层102例如是具有<100>的晶体取向的硅衬底。在一些实施例中，第一半导体层102可以是III-V合金，包括来自III族的至少一种元素和来自V族的至少一种元素(诸如AlxGa1-xAs、Ga1-x-yAlxInySb1-pAsp和GaxIn1-xNyAs1-y(例如，0≤x，y和p≤1)。替选地，第一半导体层102是绝缘体层上的硅层，如在SOI衬底中，或者是在另一层上外延生长的硅层。
在一些实施方案中，稀土磷属元素化物缓冲层104包含至少一种稀土元素和至少两种V族元素。稀土磷属元素化物缓冲层104可以包括与第一半导体层102相邻的第一区域108和与第二半导体层106相邻的第二区域110。稀土磷属元素化物缓冲层104的第一区域108具有类似于第一半导体层102的晶格常数并且稀土磷属元素化物缓冲层104的第二区域110具有类似于第二半导体层106的晶格常数。在一些实施例中，第一V族元素在第一区域108中具有第一浓度并且在第二区域110中具有第二浓度。第一V族元素的浓度在稀土磷属元素化物缓冲层104的厚度上以渐变的、逐步的、线性的、次线性的或超线性的方式从第一区域108的第一浓度改变到第二区域110的第二浓度。另外，第二V族元素在第一区域108中具有第三浓度并且第二区域110中具有第四浓度。第二V族元素的浓度在稀土磷属元素化物缓冲层104的厚度上以渐变的、逐步的、线性的、次线性的或超线性的方式从第一区域108的第三浓度改变到第二区域110的第四浓度。第一浓度、第二浓度、第三浓度和第四浓度可以在0％至100％之间变化。在一些实施例中，稀土磷属元素化物缓冲层104的第一区域108可以不包含第二V族元素，除了偶存的杂质外，并且稀土磷属元素化物层104的第二区域110可以不包含第一V族元素，除了偶存的杂质外。逐渐改变第一V族元素和第二V族元素的浓度，使得晶格常数从硅的晶格常数(或基本上与硅的晶格常数匹配的晶格常数)变为第二半导体层的晶格常数(或者基本上与第二半导体层的晶格常数匹配的晶格常数)。因此，层104和106在硅上外延生长，而不会在层102上引入额外的应变。
在一些实施例中，稀土磷属元素化物缓冲层104包括至少两种稀土元素和至少一种V族元素。稀土磷属元素化物缓冲层104可以包括与第一半导体层102相邻的第一区域108和与第二半导体层106相邻的第二区域110。稀土磷属元素化物缓冲层104的第一区域108具有类似于第一半导体层102的晶格常数，以及稀土磷属元素化物缓冲层104的第二区域110具有类似于第二半导体层106的晶格常数。第一稀土元素在第一区域108中具有第一浓度并且在第二区域110具有第二浓度。第一稀土元素的浓度在稀土磷属元素化物缓冲层104的厚度上以渐变的、逐步的、线性的、次线性的或超线性的方式从第一区域的第一浓度改变到第二区域的第二浓度。另外，第二稀土元素在第一区域108具有第三浓度和并且在第二区域具有第四浓度。第二稀土元素的浓度在稀土磷属元素化物缓冲层104的厚度上以渐变的、逐步的、线性的、次线性的或超线性的方式从第一区域的第三浓度改变到第二区域110的第四浓度。第一浓度、第二浓度、第三浓度和第四浓度可以在0％至100％之间变化。因此，除了偶存的杂质之外，稀土磷属元素化物缓冲层104的第一区域108不包含第二稀土元素，并且除了对于偶存的杂质之外，稀土磷属元素化物层104的第二区域110不包含第一稀土元素。引入第一稀土元素和第二稀土元素的浓度变化以逐渐地将晶格常数从硅的晶格常数改变为在硅上外延生长的第二半导体层的晶格常数，而不会在层中引入任何应变。
二半导体层106可以是来自第IV族(例如锗)、硅-锗合金，或第III族和第V族元素的合金(例如砷化镓)的半导体。在一些示例中，III族和V族元素的合金可以是掺杂的或固有的。在一些示例中，除了可能由污染和/或先前沉积工艺导致的偶存杂质之外，第二半导体层106不包含氮。通过提供从第一半导体层102到第二半导体层106的晶格常数的转变，稀土磷属元素化物缓冲层104允许以最小的缺陷水平外延生长第二半导体层106。
图2图示了层结构200，其中，稀土磷属元素化物缓冲层104包括多个子层(212,214,216,218)。层结构200包括第一半导体层102、在稀土磷属元素化物缓冲层104的第一区域108中在第一半导体层102上外延生长的第一稀土磷属元素化物子层212，以及在第一稀土磷属元素化物子层212上外延生长的第二稀土磷属元素化物子层214。层结构200进一步包括在第四稀土磷属元素化物子层218上外延生长的第二半导体层106，第四稀土磷属元素化物子层218在稀土磷属元素化物缓冲层104的第二区域110中的第三稀土磷属元素化物子层216上外延生长。层结构200是图1所示的层结构100的特定示例并且包含稀土磷属元素化物缓冲层104中的多个子层。在一些实施例中，子层212包含离散的RE-V合金，其与子层214基本上晶格匹配，以逐渐改变层200的晶格结构。在一些实施例中，连续层可以包含类似的元素或不同的元素，如本公开中稍后所述。尽管在图2中，将第一区域108和第二区域110分别图示为包括两个子层，但区域108和110可以在多层结构中包括任何数量的附加子层。通过提供从第一半导体层102到第二半导体层106的晶格常数的相对平滑的转变，稀土磷属元素化物缓冲层104允许以最小的缺陷水平外延生长第二半导体层106。
图3图示了具有在半导体1(层302)上外延生长的多个交替的材料层1(层304,308)和材料层2(层306,310)的层结构300。在一些实施例中，材料1、材料2和半导体1的晶格结构不同。任何两层(例如材料1和材料2)之间的晶格结构的失配引起两层之间的应变。在一些实施例中，大约2-3％的晶格失配是可容忍的，并且大于3％的晶格失配导致层结构300中的高水平缺陷。在一些实施例中，使用晶格匹配来实现第二半导体层106的临界厚度。当厚度小于临界厚度时，第二半导体层106太薄而不能使用。例如，Ge的厚度比Si高2nm，并且Si和Ge之间的失配为4％。因此，被选择在半导体1上外延生长的材料逐渐改变层300的晶格常数并且减小或最小化层结构300上的应变。
在一些实施例中，由在层302上的层304引起的晶格应变被表示为层304的层厚度和层304与层302之间的晶格失配的乘积。层304会在层302上引入拉伸或压缩应变力。相对于图5，详细地描述拉伸和压缩应变力。简言之，通过使用不同的材料来施加相等和相反的量的应变力以实现彼此平衡，从而实现应变平衡。如图3的右图所示，材料1和材料2在半导体1上引起相反的应变力。具体地，材料1在半导体1上引起拉伸应变力314，而材料2在半导体1上引起压缩应变力316。在其他实施例中，材料1引起压缩应变力，而材料2引起拉伸应变力。图3中图示的力是代表性的并且不一定反映由材料1和2引起的应变力的大小。除了方向之外，应变力还可以取决于材料层的厚度。具体地，如果下述方程成立，则层304和层306被认为相对于半导体1应变平衡：
(Δa1*t1)＝(Δa2*t2) 方程式1
其中，Δa1表示材料1与半导体1的晶格失配；t1表示层304的厚度；Δa2表示材料2与半导体1的晶格失配；以及t2表示层306的厚度。假如方程式1成立，则层304与层306为应变平衡，使得这些层对层302的影响彼此抵消。因此，在层302上没有产生应变。维持机械稳定性的同时，通过晶格结构的轻微偏差，可以重复此种堆叠，以使层结构300的晶格常数从半导体1(层302)的晶格常数转变到将被沉积在层结构300上的交替材料的晶格常数。
图4图示了显示可被用在本文所述的层结构中的各种材料的晶格常数的曲线图400。x轴表示稀土金属，且y轴表示以埃为单位测量的晶格参数。水平线412表示硅的晶格常数，且水平线410表示锗的晶格常数。曲线402将稀土氮化物(RE-N)的晶格常数图示为如在x轴上图示的稀土金属的函数。类似地，曲线404图示稀土磷化物(RE-P)的晶格常数，曲线406图示稀土砷化物(RE-As)的晶格常数且曲线408图示稀土锑化物(RE-Sb)的晶格常数。在一个示例中，点1(414)图示稀土金属铒与氮结合以形成氮化铒(ErN)的晶格常数。点2(416)图示稀土金属铒与磷结合以形成磷化铒(ErP)的晶格常数，且点3(418)图示稀土金属铒与砷结合以形成砷化铒(ErAs)的晶格常数。ErN的晶格常数大约为其低于ErP(约为)和ErAs(约为)的晶格常数。ErP与ErAs的晶格常数相对地类似于锗(约为)和硅(约为)的晶格常数。在一些实施例中，为了在硅衬底上外延生长锗，稀土磷属元素化物缓冲层包括各种厚度的ErN、ErP与ErAs的子层，以逐渐地将层的晶格常数从硅改变至锗，而不会引起大量的晶格应变，如下文结合图5所述。
图5是层结构500的示例性图示，其中，将Er-(V族)合金用作稀土磷属元素化物缓冲层504的一部分，在硅502上外延生长锗层506。图5中的表格550包括相对于硅(第二列)与锗(第三列)的ErN、ErP与ErAs的相对晶格失配(Δa)。如图4所示，ErP与ErAs的晶格常数接近锗的晶格常数。使用不同厚度的ErN层、ErP层与ErAs层的组合，以将层结构500的晶格常数逐渐从硅的晶格常数改变成锗的晶格常数。由于ErN具有低于硅的晶格常数，且ErP具有高于硅的晶格常数，所以ErN和ErP的组合足以产生具有接近硅502的晶格常数的晶格常数的合金。逐渐地，在保持晶格稳定性的同时，在稀土磷属元素化物缓冲层504的整个厚度中，降低ErN的浓度且增加ErAs的浓度，以最终达到与锗506相同的晶格常数(或者足够接近于锗506的晶格常数)。在接近硅衬底502的区域508中，可以使用由ErN与ErP施加在硅502上的应力，以确定将外延生长在硅衬底上的两层的厚度。由于ErP具有低于锗的晶格常数，且ErAs具有高于锗的晶格常数，所以ErP与ErAs的组合足以产生具有接近锗506的晶格常数的晶格常数的层。接近锗506的区域510中，使用由ErAs和ErP两者对锗施加的应力，以确定在其上外延生长锗506的两层的厚度。在区域508与区域510之间，ErN的浓度逐渐降低且ErAs的浓度逐渐增加，以维持层结构500的晶格稳定性。
表格550中所示的数值是仅为了示例性的目的的估计值。如表格550所示，ErN具有相对于硅的-10.8％的晶格失配，且ErP具有相对于硅的+3.0％的晶格失配。负失配表示由ErN施加在硅衬底上的拉伸应力。负应变因为ErN的晶格常数低于硅的晶格常数(如图4所示)而被引入。当ErN外延生长于硅上时，Er原子与N原子占据硅的晶格结构中的位置。因为ErN具有比硅小的晶格常数，使得Er原子与N原子占据比ErN的晶格常数指示的更远的点(例如：在图4中的点414，ErN的晶格常数约为且硅的晶格常数约为)，因此在硅衬底上施加拉伸应力。正失配表示由ErP施加在硅衬底上的压缩应力。当ErP外延生长于硅上时，Er原子与P原子占据硅的晶格结构上位置。因为ErP具有比硅大的晶格常数，使得Er原子与P原子占据比ErP的晶格常数指示的更近的点，从而在硅衬底上施加压缩应力。
如图5所示，将一个Er-V合金的厚度维持在恒定的厚度，且改变其他合金的厚度以匹配锗与硅的晶格常数。具体地，ErP(514,518)的厚度在缓冲层504中是固定值(例如：36nm)。图5中的表格550也示出了由ErN施加在硅上的应变(-10.8％)大于ErP在相反方向中施加在硅上的力(+3.0％)的三倍。当ErP的厚度在整个缓冲层504中为固定时，ErN层512的厚度为10nm，以便减小硅层502上的应变。假设两层(512,514)的晶格常数的值是已知的，并且层514的厚度是已知的，则可以使用方程式1来计算层512的厚度。从方程式1，可以推断出ErN层512的厚度几乎是ErP(514,518)层的厚度的三分之一，以抵抗ErN层512的较高的应力。类似地，在接近锗衬底506的区域510中，假定ErP的厚度以及ErP和ErAs的晶格常数为已知，使用方程式1计算ErAs 516的厚度为29nm以便减小锗层506上的应变。由于ErP和ErAs施加的应力类似但方向相反，因此ErAs层516的厚度类似于ErP层(514,518)的厚度。以此方式，层结构500由于晶格常数的变化而具有最小的位错与缺陷。通过提供从硅层502到锗层506的晶格常数的转变，稀土磷属元素化物缓冲层504允许具有降低的或最小的缺陷水平的锗层506的外延生长。
图6图示示出了可以用在本文所述的层结构中的各种材料的晶格常数的曲线图600。曲线图600类似于图4的曲线图400，其中x轴示出稀土金属，而y轴示出以埃为单位测量的晶格参数。水平线612图示硅的晶格常数，而水平线610表示锗的晶格常数。曲线602将RE-N的晶格常数表示为如在x轴上图示的稀土金属的函数。类似地，曲线604图示RE-P的晶格常数，曲线606图示RE-As的晶格常数且曲线608图示RE-Sb的晶格常数。在一个示例中，点1(614)图示稀土金属钆与氮结合以形成氮化钆(GdN)的晶格常数。点2(616)图示稀土金属钆与磷结合以形成磷化钆(GdP)的晶格常数。GdN的晶格常数大约为其远低于GdP的晶格常数(约为)和硅的晶格常数(约为)。GdP的晶格常数(约为)接近锗的晶格常数(约为)。例如，在硅上外延生长锗的示例中，因为磷化钆的晶格常数大于锗和硅的晶格常数，且氮化钆的晶格常数小于锗和硅的晶格常数，所以可以使用氮化钆与磷化钆的任意组合来实现硅与锗两者的晶格常数。在邻近硅衬底的区域中，可以存在比磷化钆更多的氮化钆，且在稀土磷属元素化物缓冲层中，氮化钆的浓度可以逐渐地降低，且磷化钆的浓度可以逐渐地增加，以达到相对类似于锗的晶格常数的晶格常数，使得可在稀土磷属元素化物缓冲层上外延生长稳定的锗层，如下文结合图7所述。
图7是层结构700的示例性图示，其中，将Gd-(V族)合金用作稀土磷属元素化物缓冲层704的一部分，在硅702上外延生长锗706。表格750包括相对于硅(第二列)与锗(第三列)的GdN与GdAs的相对晶格失配(Δa)。使用不同厚度的GdN层与GdAs层的组合，以将层700的晶格常数从硅的晶格常数逐渐地改变成锗的晶格常数。如下文所述，GdN与GdAs的组合足以产生具有接近硅702的晶格常数的晶格常数的合金。逐渐地，在保持晶格稳定性的同时，在整个稀土磷属元素化物缓冲层504中，降低GdN的浓度且增加GdAs的浓度，以达到锗706的晶格常数。在接近硅衬底702的区域708中，使用由GdN与GdAs两者施加在硅702上的应力，以确定将在硅衬底上外延生长的两层的厚度。类似地，在接近锗706的区域710中，使用由GdN与GdAs两者施加在锗上的应力，以确定将在其上外延生长锗的两层的厚度。
如图7所示，为了维持层700的晶格稳定性，在稀土磷属元素化物缓冲层704的整个厚度中，逐渐地降低GdN的浓度且逐渐地增加GdAs的浓度。在一些实施例中，减少GdN的浓度会导致GdAs的浓度增加，且可能不需要GdAs的浓度增加。在一些实施例中，可能存在导致GdN的浓度减少的GdAs的浓度的实际增加。在一些实施例中，在层700的稀土磷属元素化物缓冲层704的整个厚度中，存在实际减少GdN的浓度，且实际增加GdAs的浓度。表格750中所示的数值是仅为了示例性的目的的估计值。如表格750所示，GdN具有相对于硅的-7.95％的晶格失配，且GdAs具有相对于硅的4.58％的晶格失配。负失配表示由GdN施加在硅衬底上的拉伸应力。负应变因为GdN的晶格常数低于硅的晶格常数而被引入，如图6所示。当GdN外延生长于硅上时，Gd原子和N原子占据硅的晶格结构中的位置。因为GdN具有比硅小的晶格常数，所以将使得Gd原子和N原子占据比GdN的晶格常数指示的更远的点，因此在硅衬底上施加拉伸应力。正失配表示由GdAs施加在硅衬底上的压缩应力。当GdAs外延生长于硅上时，Gd原子和As原子占据硅的晶格结构上的位置。因为GdAs具有比硅大的晶格常数，所以将使得Gd原子和As原子更接近GdAs的晶格常数指示的点，从而在硅衬底上施加压缩应力。
在一些实施例中，将一个Gd-V合金的厚度维持在恒定的厚度，且改变其他合金的厚度以匹配锗与硅的晶格常数。在该实施例中，如所示，GdAs(714,718)的厚度保持在恒定的32nm。图7的表格750也示出，由GdN施加在硅上的应变为-7.95％，其大于在相反方向中由GdAs施加在硅上的力4.58％。当GdAs的厚度恒定时，GdN层712的厚度被改变成30nm，以便减小硅层702上的应变。GdN层712的厚度几乎与GdAs(714,718)的厚度相同，以对抗GdAs层714的应力。类似地，在接近锗衬底506的区域710中，GdAs 716的厚度恒定在32nm，但GdN的厚度被减小到10nm，以增加锗706附近的GdAs的浓度来匹配锗706的晶格常数。以此方式，层结构700由于晶格常数的变化而具有最小的位错与缺陷。通过提供从硅层702到锗层706的晶格常数的转变，稀土磷属元素化物缓冲层704允许具有最小的缺陷水平的锗层706的外延生长。
图8图示示出可以被用在本文所述的层结构的各种材料的晶格常数的曲线图800。x轴表示稀土金属，且y轴表示以埃为单位测量的晶格参数。水平线812表示硅的晶格常数，且水平线810表示可以生长在硅衬底上的III-V族合金的磷化铟(InP)的晶格常数。曲线802将稀土氮化物(RE-N)的晶格常数图示为如在x轴上图示的稀土金属的函数。类似地，曲线804图示稀土磷化物(RE-P)的晶格常数，曲线806图示稀土砷化物(RE-As)的晶格常数且曲线808图示稀土锑化物(RE-Sb)的晶格常数。在一个示例中，点1(814)图示稀土金属铒与氮结合以形成氮化铒(ErN)的晶格常数。点2(816)图示稀土金属铒与磷结合以形成磷化铒(ErP)的晶格常数，且点3(818)图示稀土金属铒与锑结合以形成锑化铒(ErSb)的晶格常数。ErN的晶格常数大约为其低于ErP的晶格常数(约为)与ErAs的晶格常数(约为)。ErP与ErAs的晶格常数相对地类似于InP的晶格常数(约为)和硅的晶格常数(约为)。在一些实施例中，为了在硅衬底上外延生长InP，稀土磷属元素化物缓冲层包括各种厚度的ErN、ErP与ErAs的多个子层，以将层的晶格常数从硅逐渐地改变成锗，而不会引起大量晶格应变。在一些实施例中，稀土磷属元素化物缓冲层的第一子层包含ErN和ErAs以应变平衡硅，且稀土磷属元素化物缓冲层的第二子层包含ErAs和ErSb以应变平衡InP，如下文结合图15所述。
图9图示四个层结构900、930、960与990，其中，锗外延生长于稀土磷属元素化物缓冲层上。在层结构990中，稀土磷属元素化物缓冲层994包括成对的二元合金，以将晶格结构从硅920逐渐地改变成锗996。在层结构900中，稀土磷属元素化物缓冲层904、934、964包括均质三元合金，而非如层结构990所示的不同的二元合金对。在一些实施例中，可以通过引入三元合金，在稀土磷属元素化物缓冲层中实现与二元合金对相同的效果。稀土磷属元素化物缓冲层994的效果可以通过产生两种三元合金以取代在稀土磷属元素化物缓冲层994的子层998和子层999来实现。当稀土磷属元素化物缓冲层994的每一子层(998和999)结构上稳定时，层990的结构稳定性被实现于层990中。应变平衡稀土磷属元素化物缓冲层994内的子层，以通过最小结构缺陷在硅层902上生长锗层996。使层结构900的稀土磷属元素化物缓冲层904的三元合金化合物908和910分别与硅层902与锗层906晶格匹配，以维持层稳定性。三元合金的化合物的组成的通式为GdNxAs1-x(0＜x＜1)。通过确定包含V族元素的层的厚度与整个层的比例，可以确定三元合金中的V族元素的浓度。
例如，如图9所示，在子层999中，GdN具有30nm的厚度且GdAs具有32nm的厚度。在子层994中，将GdN与包含GdN与GdAs两者的子层994的子集的和的比例计算如下：
从及
1-x＝0.52
即使该示例仅求和子层994的仅一部分，但是GdN与GdAs的集合页代表子层994的比例。基于上述计算，对应于子层999的三元合金可以为分子式GdN0.48As0.52。类似地，在子层998中，GdN与包含GdN和GdAs子层的子集的总和的比例可以计算为：
以及
1-x＝0.77
即使该示例仅求和子层998的一部分，但是GdN与GdAs的集合也代表子层998的比例。基于上述计算，对应于子层998的三元合金可以为分子式GdN0.23As0.77。
层结构930图示类似于层结构900的结构，但三元合金包括磷而非砷。在一些实施例中，第一区域938中的三元合金的组成GdN0.38P0.62与硅932晶格匹配以使硅932中被引入的应变最小化。在第二区域940内，三元合金的组成GdN0.06P0.94与锗936晶格匹配以减小锗936中被引入的应力。稀土磷属元素化物缓冲层934的晶格常数在中间区域950中，从第一区域938的晶格常数逐渐地改变成第二区域940的晶格常数，以维持层930的结构应变平衡。
层结构960图示类似于层结构900的结构，但三元合金包括铒而非钆。在一些实施例中，第一区域968中的三元合金的组成ErN0.35As0.65与硅962晶格匹配以使在硅932中被引入的应变最小化。在第二区域970中，第一区域970中的三元合金的组成为ErN0.09As0.91，以便与锗966晶格匹配以减小锗966中被引入的应力。稀土磷属元素化物缓冲层964的晶格常数在中间区域980中，从第一区域968的晶格常数逐渐地改变成第二区域970的晶格常数，以维持层960的结构应变平衡。通过提供从硅层(例如：层902、932、962与992)至锗层(例如：层906、936、966与996)的晶格常数的转变，稀土磷属元素化物缓冲层(例如：层904、934、964与994)允许最小缺陷水平的锗层506的外延生长。
图10图示示出可以被用在本文所述的层结构中的各种材料的晶格常数的曲线图1000。x轴示出稀土金属，且y轴示出以埃为单位测量的晶格参数。曲线图1000包含曲线1002、1004、1006、1008、1010、1012，以及交叉点1014、1016和1018。水平线1012表示硅的晶格常数，且曲线1010表示锗的晶格常数。曲线1002将稀土氮化物(RE-N)的晶格常数图示为如在x轴上所示的稀土金属的函数。类似地，曲线1004图示稀土磷化物(RE-P)的晶格常数，曲线1006图示稀土砷化物(RE-As)的晶格常数且曲线1008图示稀土锑化物(RE-Sb)的晶格常数。在一个例子中，点1(1014)图示稀土金属铒与氮结合以形成氮化铒(ErN)的晶格常数。点2(1016)图示稀土金属铒与磷结合以形成磷化铒(ErP)的晶格常数，且点3(1018)图示稀土金属钆与磷结合以形成磷化钆(GdP)的晶格常数。ErN的晶格常数大约为其远低于ErP的晶格常数(约为)和GdP的晶格常数(约为)。ErP与GdP的晶格常数相对地类似于锗的晶格常数(约为)和硅的晶格常数(约为)。在一些实施例中，为了在硅衬底上外延生长锗，稀土磷属元素化物缓冲层包括各种厚度的ErN、ErP与GdP子层，以将层的晶格常数从硅逐渐地改变成锗，而不会引起大量晶格应变，如下文结合图15所述。
在一些实施例中，不是改变V族元素的尝试以改变晶格常数，有可能改变稀土元素的浓度以改变晶格常数。如图10所示，可以使用一组ErN与ErP的二元对以应变平衡硅，如图5所述。这是因为ErP在点2 1016处具有大于硅的晶格常数的晶格常数，且ErN在点1 1014处具有小于锗的晶格常数的晶格常数。可以使用这些元素的组合来晶格匹配硅的晶格常数。可以使用一组ErP与GdP的二元对来应变平衡锗。这是因为GdP在点3 1018具有大于锗的晶格常数的晶格常数，且ErP在点2 1016处具有小于锗的晶格常数的晶格常数。可以使用这些合金的组合来晶格匹配锗的晶格常数。
图11图示曲线图1100和1150来在图7所示的第二半导体层706中引入所需应变。在一些实施例中，通过在第二半导体层706中产生晶格失配以适应特性(诸如电荷载流子的迁移率和改变能带以增加光子器件的光子发射的效率)，故意地引入所需应变。在一些实施例中，半导体层706和子层718的晶格失配小于1％。在一些实施例中，通过稀土磷属元素化物缓冲层704的半导体层706和子层718之间介于1％至3％的晶格失配来产生所需应变。在一些实施例中，为了保持层结构700中的稳定性，优选小于1％的晶格失配。在一些实施例中，优选介于1％至3％的晶格失配来增加半导体层706中的电荷载流子的迁移率或改变能带值以增加光子的发射效率。曲线图1100图示层结构700中的GdN子层716的厚度(t)以及对二元合金而言稀土磷属元素化物缓冲层704对半导体层706的最终影响。在图7所示的示例性层结构中，二元稀土磷属元素化物合金为GdN，但本文所述的相同原理可以被应用于其他稀土磷属元素化物缓冲层。曲线1106表示如果GdN子层716的厚度t大于10nm，则GdN稀土磷属元素化物缓冲层将净压缩应力施加在第二半导体层706(例如：锗)上。曲线1104表示如果GdN子层716的厚度t维持在10nm，则在第二半导体层706(例如：锗)上不存在净应变。曲线1102表示如果GdN子层716的厚度t小于10nm，则在第二半导体层706(例如：锗)上施加净拉伸应力。
曲线图1150图示对三元合金而言区域910的组成对半导体层906的影响。在该实施例中，三元稀土磷属元素化物合金为GdN1-xAsx。在三元合金的情况下，通过三元合金中确定的N和As的部分，确定区域910中的N和As的浓度。曲线1156表示如果区域910内的As的浓度(x)大于0.77，则GdNxAs1-x稀土磷属元素化物缓冲层将净拉伸应力施加在第二半导体层906(例如：锗)上。曲线1104表示如果区域910中的As的浓度维持于0.77，则在第二半导体层906(例如：锗)上不存在净应变。曲线1152表示如果区域910中的As的浓度小于0.77，则在第二半导体层906(例如：锗)上存在净拉伸压缩力。在该图中的合金的选择、曲线图的图示和相关数字仅用于示例性目的，且该原理可以应用于其它材料组合和层结构。
图12图示具有基底层1290和III-V层1295的层结构1200。在一些实施例中，层结构1200可以有多种组分。在一些实施例中，层结构1200中的一种组分可以为类似于图1所示的层结构100的子层。层100包括第一半导体层102、稀土磷属元素化物缓冲层104和第二半导体层106。类似地，层结构1200包含硅层1202、外延生长于硅层1202上的磷属元素化物缓冲层1204以及外延生长于磷属元素化物缓冲层1204上的锗层1206。图12所示的硅-磷属元素化物-锗组合是较大层1200的一部分。在一些实施例中，层1200可以包含硅层1202之下且基底层1290之的不同组分。在一些实施例中，层1200可以包含锗层1206之上且在III-V层1295之下的组分。
图13图示层结构1300，其具有外延生长于稀土磷属元素化物缓冲层1304上的硅层1306以及外延生长于锗层1302上的稀土磷属元素化物缓冲层1304。层1300类似于图9所示的层960，除了在图13中，第一半导体层为锗1302而非硅962，以及第二半导体层为硅1306。当相对于图9，切换第一半导体层和第二半导体层时，稀土磷属元素化物缓冲层1304的组成级配与图9所示的稀土磷属元素化物缓冲层964的组成级配相反。为了维持晶格稳定性，邻近锗的区域1308包含较高浓度的砷(例如：0.91)和较低浓度的氮(例如：0.09)，而邻近硅的区域1310包含较高浓度的氮(例如：0.35)和较低浓度的砷(例如：0.65)。维持晶格稳定性的同时，区域1320中的氮和砷的浓度，对氮来说，从0.09逐渐地改变成0.35，而对砷来说，从0.91逐渐地改变成0.65。通过提供从锗层1302到硅层1306的晶格常数的渐变转变，稀土磷属元素化物缓冲层1304允许最小缺陷水平地在锗层1302上外延生长硅层1306。
图14图示层结构1400和1450，其中，第二半导体层1402是Ⅳ族合金。Ⅳ族合金包含两种或更多种Ⅳ族元素的不同组成。在层结构1400中，第二半导体层1406为式Si1-xGex的硅锗合金。变量x的范围为0＜x≤1。在一些实施例中，x的值为1，且1406中的Ⅳ族合金完全由锗组成，除了偶存的杂质外。在一些实施例中，x为介于0至1之间的数值，在层1406中产生含有硅和锗的IV族合金。一般而言，x的值不允许达到0，因为在这种情况下，IV族合金1406完全由硅组成，且在硅衬底1402和IV族合金1406之间没有差异。如上所述，磷属元素化物缓冲层1404的组成包括相关的合金以维持层1400的晶格稳定性。
在层结构1450中，第二半导体层1456为式Ge1-xSnx的锗锡合金。变量x的范围为0≤x≤1。在一些实施例中，x的值为1，且在1456中的Ⅳ族合金完全地由锡组成，除了偶存的杂质外。在一些实施例中，x的值为0，且1456中的Ⅳ族合金完全由锗组成，除了偶存的杂质外。在一些实施例中，x为介于0至1之间的值，在层1456中产生含有锡与锗的IV族合金。如上所述，磷属元素化物缓冲层1454的组成包括相关的合金，以维持层1450的晶格稳定性。通过提供从硅层(1402,1452)到硅-锗或锗-锡层(1406,1456)的晶格常数的转变，稀土磷属元素化物缓冲层(1404,1454)允许以最小缺陷水平地外延生长锗层706。
图15图示层结构1500，具有在由三元合金GdN1-xAsx组成的稀土磷属元素化物层1504上的磷化铟(InP)层1506的第二半导体层。层结构1500包括锗1502的第一半导体层、外延生长于锗层1502上的稀土磷属元素化物缓冲层1504以及外延生长于稀土磷属元素化物缓冲层1504上的InP层1506。在接近锗层1502的第一区域1508中，为了匹配锗层1502的晶格组成，三元合金的组成大约为GdN0.77As0.23。在接近InP层的区域1510中，稀土磷属元素化物层1504的组成为修改的GdAs。GdAs的晶格常数类似于InP的晶格常数，因此修改稀土磷属元素化物合金的组成以匹配InP的晶格常数。层结构1550包括在由成对的GdN与GdAs二元合金组成的稀土磷属元素化物层1504上的磷化铟(InP)1506的第二半导体层。层结构1550包括锗1552的第一半导体层、外延生长于锗层1552上的稀土磷属元素化物缓冲层1554以及外延生长于稀土磷属元素化物缓冲层1504上的InP层1556。层1550中的稀土磷属元素化物缓冲层包括成对的二元合金。稀土磷属元素化物缓冲层1554中的二元合金的效果与稀土磷属元素化物缓冲层1504中的三元合金的效果相同。GdN和GdAs层的厚度被用来监测稀土磷属元素化物缓冲层1554中的N和As的浓度，以便与InP 1556与锗1552层晶格匹配。在稀土磷属元素化物缓冲层1554的整个厚度中，GdAs层(1564,1568)的厚度维持在恒定32nm。在邻近锗1552的第一区域1558中，GdN 1564的厚度被设定为10nm，以确保稀土磷属元素化物缓冲层1558的第一区域相对于锗1552应变平衡。在邻近InP 1556的第二区域1560中，GdN 1566的厚度被减小至2nm，以确保稀土磷属元素化物缓冲层的第二区域1560相对于InP 1556应变平衡。GdN层的厚度从10nm逐渐地减少至8nm、至2nm，导致邻近InP 1556的第二区域1560中的GdAs的浓度增加。在图5中，更详细地描述被用来实现层的厚度的详细计算的示例。通过提供从锗层(1502,1552)到InP层(1506,1556)的晶格常数的转变，稀土磷属元素化物缓冲层(1504,1554)允许最小缺陷水平的InP层(1506,1556)的外延生长。
图16图示包括用于光子器件应用的分布式布拉格反射器(DBR)结构的层结构1600。层结构1600包括硅层1602、多个稀土磷属元素化物层、以及硅锗合金或含锗层1606。在一些实施例中，层结构1600可以包括用于半导体层1602的不同材料以取代硅，且层结构1600可以包括用于半导体层1606的不同材料以取代锗或锗合金。一般而言，可以使用第一和第二半导体的任意组合来取代层1602和层1606。硅层1602可以是为层结构1600的生长提供外延模板的任意硅层。例如，硅层1602为具有＜100＞晶体取向的硅衬底。然而，硅层1602也可以是如在SOI衬底中，绝缘层上的硅层，或可以为在另一层上外延生长的硅层。层结构1600包括两对稀土磷属元素化物层1612,1614，其分别具有式GdN和GdAs。GdN和GdAs对四分之一波长层(QWL)的每一个具有λ/4的总厚度，其中λ为将由DBR结构反射的光的波长。尽管层结构1600被图示为包括两对稀土磷属元素化物层，但可以预期其他对数，且选择对数以产生足够的反射率。较大的对数将导致较高的反射率。
图17图示示出层结构1600的分布式布拉格反射器的反射率的曲线图。图17包括将DBR的反射率图示为波长的函数的曲线1702、1704和1706。曲线1702对应于三段式反射器(即：具有三对QWL的反射器)，曲线1704对应于六段式反射器(即：具有六对QWL的反射器)，以及曲线1706对应于九段式反射器(即：具有九对QWL的反射器)。DBR中段的递增的数量导致较高的反射率与更急剧的衰减(roll-off)。
图18为根据示例性实施例，用于生长层结构100的过程1800的流程图。过程从提供第一半导体层的1802开始。在1804，该过程外延生长稀土磷属元素化物缓冲层。在1804，该过程生长第二半导体层1806。
在1802，提供第一半导体层。第一半导体层102可以为在其上生长稀土磷属元素化物缓冲层104的硅衬底。在一些实施例中，第一半导体层可以为如图15所示的锗层。
在1804，稀土磷属元素化物缓冲层104外延生长于第一半导体层102上。稀土磷属元素化物缓冲层104的元素的例子包括Er、Gd、In、N、P和As，或它们的任何适当的组合。生长外延生长的稀土磷属元素化物缓冲层104，以将层100的晶格常数从第一半导体层的晶格常数改变为第二半导体层的晶格常数，同时维持整个稀土磷属元素化物缓冲层104的晶格稳定性。
在1806，第二半导体层106外延生长于稀土磷属元素化物缓冲层104上。在一些实施例中，第二半导体106可以为III-V族合金、IV族元素、IV族合金或任何其它适当的材料。
图19为根据例示性实施例，生长层结构200的过程1900的流程图。该过程从提供第一半导体层的1902开始。过程开始于外延生长稀土磷属元素化物缓冲层。在1904，该过程在第一半导体层102上外延生长第一子层212。在1906，该过程在第一子层212上生长第二子层214。在1910，该过程在稀土缓冲层的中间部分上外延生长第三子层216。在1912，该过程在第三子层216上外延生长第四子层218。在1906，该过程在第四子层218上外延生长第二半导体层102。
在1902，提供第一半导体层。第一半导体层102可以为在其上生长稀土磷属元素化物缓冲层104的硅衬底。在一些实施例中，第一半导体层可以为图15所示的锗层。
在1904，稀土磷属元素化物缓冲层104的第一子层212外延生长于第一半导体层102上。第一子层212与第一半导体层102的晶格常数晶格匹配，且在特定方向中，将应力施加在第一半导体层212上。
在1906，稀土磷属元素化物缓冲层106的第二子层214外延生长于子层212上。第二子层214与第一子层214的晶格常数晶格匹配，且在与由第一子层212施加的力相反方向中施加应力。
在1908，中间缓冲层外延生长于子层214上。中间缓冲层的一个区域具有接近子层214的晶格常数的第一晶格常数，以及中间缓冲层的第二区域具有接近层216的晶格常数的第二晶格常数。在一些实施例中，中间缓冲层的晶格常数从第一晶格常数逐渐地改变成第二晶格常数。在一些实施例中，中间缓冲层包括图2中未示出的其他子层。这通过结合图7被详细地描述。在一些实施例中，中间缓冲层包括由各种浓度的稀土与V族合金组成的三元合金，这结合图9详细所述。
在1910，稀土磷属元素化物缓冲层106的第三子层216外延生长于中间缓冲层上。第三子层216与中间缓冲层的晶格常数晶格匹配，且在第一方向将应力在第二半导体层102上。
在1912，稀土磷属元素化物缓冲层106的第四子层218外延生长于中间缓冲层上。第四子层214与中间缓冲层的晶格常数晶格匹配，且在与第一方向相反方向的第二方向中，将应力施加在第二半导体层102上。
稀土磷属元素化物缓冲层104的各种子层的元素部分的示例为Er、Gd、In、N、P与As。
在1914，第二半导体层102外延生长于子层218上。第二半导体层102与第一子层218的晶格常数晶格匹配。在一些实施例中，第二半导体106可以为III-V族合金、IV族元素、IV族合金或任何其它合适的材料。
所属技术领域的技术人员容易想到为了示例目的而选用的对本文的实施例的各种变化和改进。在这些修改和变化不脱离本发明的精神的程度下，意图将其包括在其范围内。
晶格常数、或晶格参数或晶格间距是指晶格中单位晶格的物理尺寸。晶格常数通常为几埃的数量级。在半导体材料之间匹配晶格常数允许了层的生长，而不改变结晶结构。
V族元素是属于周期表的第V族(如用在半导体物理学中)的元素。在本领域中，V族被理解为包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)与铋(Bi)。该族元素被理解为与现代IUPAC命名中的第15族、氮族或氮族元素(pnictogens)为相同的族。
镧系元素包含金属铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)以及镏(Lu)。在本公开中，应当理解到，术语稀土元素或稀土金属包含钪与钇，以及所有镧系元素。
本文所述的生长和/或沉积可以使用化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、有机金属气相外延(OMVPE)、原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、卤化物气相外延(HVPE)、脉冲雷射沉积(PLD)和/或物理气相沉积(PVD)中的一种或多种来执行。
III-氮化物(III-N)材料是包括氮与一种或多种III族元素的半导体材料。用于形成III-氮化物材料的常见III族元素包含铝、镓与铟。III-氮化物材料具有大的直接能隙，使其适用于高电压设备、射频设备与光学设备。此外，由于多种III族元素以不同组成被组合于单个III-氮化物薄膜中，所以III-氮化物薄膜的性质可被高度地调整。
在一些实施例中，使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长用在本文所述的层结构中的III-V族与III-氮化物材料。在MOCVD中，一或多种III族前体与V族前体反应，以在衬底上沉积III-氮化物薄膜。一些III族前体包含作为镓源的三甲基镓(TMGa)、作为铝源的三甲基铝(TMA)以及作为铟源的三甲基铟(TMI)。氨为可以被用作氮源的V族前体。叔丁基砷胂(Tert-butylarsine)和胂(arsine)是可以被用作砷源的V族前体。叔丁基磷(Tert-butylphosphine)和磷化氢是可以被用作磷源的V族前体。
在一些实施例中，使用分子束外延(MBE)生长用在本文所述的层结构中的III-V族与III-氮化物材料。MBE是用于在高真空或超高真空中发生的单晶的薄膜沉积的外延方法。在MBE中，在加热的衬底上燃烧精确的气体原子或分子束。当分子落于衬底的表面上时，它们在超薄层中缓慢且系统性地凝结与积聚。
如本文所述，层是指覆盖表面的实质上均匀厚度的材料。层可以是连续的或不连续的(即：在材料的区域之间具有间隙)。例如，层可以完全地覆盖表面，或者被分割成离散区域，其共同地限定层(即：使用选择性地区域外延形成的区域)。层结构是指一组层，且可以是独立结构或较大结构中的一部分。III-氮化物结构是指包含III-氮化物材料的结构，且可以包含除了III-氮化物之外的其它材料，例如为Si、氧化硅(SiOx)、氮化硅(SixNy)和III-V族材料。同样地，III-V结构是指包含III-V族材料的结构，且可包含除了III-V之外的其他材料，其中的一些示例为Si、氧化硅(SiOx)、氮化硅(SixNy)和III-氮化物材料(III-Vs的子集)。
“单片集成”是指形成于衬底的表面上，通常通过沉积在表面上设置的层。
“设置在…上”是指“存在于”下层材料或层之“上”。该层可以包括为确保合适的表面所必需的中间层，例如：过渡层。例如，假如材料被描述为“设置在衬底上”，这可以是指(1)材料与衬底直接接触；或(2)材料与留在衬底上的一或多个过渡层接触。
单晶是指实质上仅包括一种单位晶格形式的晶体结构。然而，单晶层可能呈现一些晶体缺陷，诸如：堆积缺陷、位错或其他经常发生的晶体缺陷。
单畴(或单晶)是指实质上仅包括一种单位晶格结构且实质上该单位晶格仅一种晶体取向的晶体结构。换句话说，单畴晶体不呈现双晶畴或反相畴。
单相是指单晶且单畴的晶体结构。
结晶是指实质上单晶且实质上单畴的晶体结构。结晶度是指晶体结构为单晶且单畴的程度。高度结晶结构几乎完全地或完全地为单晶且单畴。
外延、外延生长和外延沉积是指结晶衬底上的结晶层的生长或沉积。结晶层被称为外延层。结晶衬底作为模板，且确定结晶层的方向和晶格间距。在一些示例中，结晶层可以为晶格匹配或晶格重合。晶格匹配的结晶层可以具有与结晶衬底的上表面相同或非常类似的晶格间距。晶格重合的结晶层可以具有为结晶衬底的晶格间距的整数倍或非常类似于整数倍的晶格间距。在一些实施例中，如果数值在整数的0.5％内，则可被认为是整数。例如，介于1.95与2.05之间的数值可被认为是整数2。在一些实施例中，在晶格匹配的结晶结构中的晶格间距可以为约0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％或任何其他合适的百分比。一般而言，晶格匹配的结晶结构中的晶格间距可以小于1％。替选地，结晶衬底的晶格间距可以为晶格重合的结晶层的晶格间距的整数倍或非常类似于整数倍。外延的质量部分地基于结晶层的结晶度。实际上，高质量的外延层将是具有最小缺陷及有很少晶界或没有晶界的单晶。
衬底是指在其上形成沉积层的材料。示例性衬底包括但不限于：块状硅晶片，其中晶片包括均匀厚度的单晶硅；复合晶片，诸如：绝缘体上硅的晶片，包括设置于二氧化硅层上的硅层，该二氧化硅层被设置在块状硅处理晶片上；或用作在其上或其中形成器件的基底层的任何其它材料。根据应用，适合用作衬底与块状衬底的其他材料的示例包括但不限于：氮化镓、碳化硅、氧化镓、锗、氧化铝、砷化镓、磷化铟、硅石、二氧化硅、硼硅酸玻璃、硼玻璃与蓝宝石。
稀土磷属元素化物材料是包含一种或多种V族元素与一种、两种或更多种稀土(RE)元素的材料。稀土元素包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、巨(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)以及钇(Y)
绝缘体上半导体是指包括单晶半导体层、单相介电层和衬底的组成，其中，介电层被设置在半导体层与衬底之间。该结构可以包括绝缘体上硅(SOI)组成。
载流子浓度是指每单位体积的大部分载流子的数量。
电荷载流子密度表示每体积的电荷载流子的数量。
界面是指不同结晶半导体的两个层或区域之间的表面。
绝缘体上半导体组成包括但不限于硅、锗或硅-锗“有源”层。换句话说，示例性的绝缘体上半导体组成包括但不限于：绝缘体上硅、绝缘体上锗和、绝缘体上硅锗。在一些实施例中，可以使用的硅的各种结构为例如：Si＜100＞、Si＜110＞与Si＜111＞。
本文所述和/或图示为在第二层“上”或“上方”的第一层可以紧邻于第二层，或者可以一个或多个中间层存在于第一层和第二层之间。所述和/或图示为“在”第一层和第二层“之间”的中间层可以紧邻于第一层和/或第二层，或者一个或多个另外的中间层存在于该中间层与第一层和第二层之间。本文所述和/或图示为“直接在”第二层或衬底“上”或“上方”的第一层可以除了由于第一层与第二层或衬底的混合而形成的可能的中间合金层之外，不存在中间层地紧邻于第二层或衬底。此外，本文所述和/或图示为在第二层或衬底“上”或“上方”或“直接在”第二层或衬底“上”或“上方”的第一层可以覆盖整个第二层或衬底，或第二层或衬底的一部分。
在层生长期间，衬底被放置在衬底支架上，所以顶面或上表面为离衬底支架最远的衬底或层的表面，而底面或下表面为离衬底支架最近的衬底或层的表面。本文所示与所述的任何结构可以是具有上文和/或下文所示的另外层的较大结构的一部分。为了清楚起见，尽管这些另外层可以是所公开的结构的一部分，本文的图可以省略这些另外的层。此外，即使在图中未示出该重复，所示的结构可以单位重复。
从上述描述中，显然可以使用各种技术来实现本文所述的概念，而不脱离本公开的范围。所述实施例在所有方面将被认为是示例性而非限制性的。还应当理解到，本文所述的技术和结构不限于本文所述的具体示例，而是可以在其它示例中实现而不脱离本公开的范围。类似地，尽管在附图中以特定顺序图示操作，但不应当被理解为要求以所示的特定顺序或按顺序执行这些操作或执行所有所示操作，以实现期望的结果。另外，所述的不同示例不是单个示例，且来自一个示例的特征可以被包括在其他公开的示例内。因此，将理解到，权利要求不限制于本文所公开的示例，而是从上文提供的技术教示中理解，因为这些教导将告知所属技术领域的技术人员。

Claims (15)

1.一种层结构，包括：
具有第一晶格常数的第一半导体层；
在所述第一半导体上外延生长的稀土磷属元素化物缓冲层，其中与所述第一半导体相邻的所述稀土磷属元素化物缓冲层的第一区域具有小于1％的第一净应变；
在所述稀土磷属元素化物缓冲层上外延生长的第二半导体层，其中与所述第二半导体相邻的所述稀土磷属元素化物缓冲层的第二区域具有作为所需应变的第二净应变；
其中所述稀土磷属元素化物缓冲层包括：
一种或多种稀土元素，以及
一种或多种V族元素。
2.如权利要求1所述的层结构，其中所需应变小于1％。
3.如权利要求1所述的层结构，其中所述稀土磷属元素化物缓冲层的第一区域包括：
第一子层，所述第一子层包括第一稀土磷属元素化物合金并且具有第一厚度；
第二子层，所述第二子层包括第二稀土磷属元素化物合金并且具有第二厚度；
其中所述第一厚度与所述第二厚度的比率导致所述第一区域的第一净应变小于1％。
4.如权利要求3所述的层结构，其中所述稀土磷属元素化物缓冲层的第二区域包括：
第三子层，所述第三子层包括第三稀土磷属元素化物合金并且具有第三厚度；
第四子层，所述第四子层包括所述第二稀土磷属元素化物合金并且具有所述第二厚度；
其中所述第三厚度与所述第二厚度的比率导致所述第二区域的第二净应变是所需应变。
5.如权利要求4所述的层结构，其中所需应变在1％与3％之间。
6.如权利要求4所述的层结构，其中所述第一、第二和第三稀土磷属元素化物合金包括共同的稀土元素。
7.如权利要求6所述的层结构，其中：
所述第一稀土磷属元素化物合金包括ErN；
所述第二稀土磷属元素化物合金包括ErP；以及
所述第三稀土磷属元素化物合金包括ErAs。
8.如权利要求6所述的层结构，其中：
所述第一稀土磷属元素化物合金包括GdN；
所述第二稀土磷属元素化物合金包括GdAs；以及
所述第三稀土磷属元素化物合金包括GdN。
9.如权利要求4所述的层结构，其中：
所述第一稀土磷属元素化物合金包括ErN；
所述第二稀土磷属元素化物合金包括ErP；以及
所述第三稀土磷属元素化物合金包括GdP。
10.如权利要求1所述的层结构，其中所述第一半导体包括Si，并且所述第二半导体包括Si1-xGex(0<x≤1)。
11.如权利要求1所述的层结构，其中所述第一半导体包括Si，并且所述第二半导体包括InxGa1-xAsyP1-y和AlxGa1-xAs(0≤x，y≤1)中的一种或多种。
12.如权利要求1所述的层结构，其中：
所述稀土磷属元素化物缓冲层的第一区域包括具有第一比例的元素的第一稀土磷属元素化物合金；以及
所述稀土磷属元素化物缓冲层的第二区域包括具有第二比例的元素的第一稀土磷属元素化物合金。
13.如权利要求3所述的层结构，其中所述稀土磷属元素化物缓冲层的第二区域包括具有第三比例的元素的第三稀土磷属元素化物合金，其中所述第三比例导致所述第二区域的第二净应变是所需应变。
14.如权利要求1所述的层结构，其中：
所述第一半导体层在基底材料上外延生长；以及
上半导体层在所述第二半导体层上外延生长。
15.一种反射镜结构，其包括如权利要求4所述的层结构，其中选择所述第二厚度和第三厚度以导致所需波长的光的布拉格反射。
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