JP2018078322A - 格子調整ドメイン−マッチングエピタキシーを用いた化合物半導体のエピタキシャル成長 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶基板の表面上に最終フィルムを直接的に成長させることができない場合において、結晶基板を用いて最終フィルムをエピタキシャル的に成長させる方法を提供する。【解決手段】結晶基板４２の上面４４上に転位層４０を形成することを含む。転位層は、その下面４３と上面との間で変化する格子間隔ａＳを有する。転位層の下面における格子間隔は、７％以内の第１格子不整合において結晶基板の格子間隔に適合する。転位層の上面における格子間隔は、７％以内の第２格子不整合において最終フィルムの格子間隔に適合する。また、方法は、前記転位層の上面上に最終フィルムを形成することを含む。【選択図】図４Ｃ

Description

本開示は、化合物半導体のエピタキシャル成長に関し、特に格子調整ドメイン−マッチングエピタキシーを用いたそのような成長に関する。

種々の半導体化合物のデバイスグレードのヘテロエピタキシャルフィルムをＳｉウェハ上に形成する方法を開発するという強い市場インセティブがある。関心の高い材料には、金属間化合物ＳｉＣ、ならびにＳｉ_ＸＧｅ_１−Ｘ、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰおよびＩｎ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓのようないくつかの連続合金系が含まれる。他の関心の高い材料には、ＺｎＯのような光電子化合物が含まれる。これらの材料はしばしば従前のシリコンよりも優れた電気的および光電子的性質を有するため、これらの材料に対して経済的関心が高まっている。これらの材料は、高出力トランジスタおよびスイッチから高電子移動度トランジスタ、レーザーダイオード、太陽電池および検出器にまで応用されている。

残念ながら、これらの材料は、Ｓｉとは異なり、大量生産することができない。現在、これらの材料を、大結晶ウェハ（例えば、３００ｍｍ）を形成するのに加工し得る大結晶ブールに成長させることはできないからである。このため、現在、結晶シリコンウェハから製造されるシリコンデバイスについて長年発達してきた経済規模化（スケールメリット）や費用削減化の手法を活かすことはできない。

米国特許出願番号６１／８８１，３６９号

したがって、Ｓｉウェハ上で単結晶化合物半導体を成長させる方法、およびこれらを基板として用いてより複合的なヘテロ構造を形成する方法が求められている。そのような方法によって、優れた電子および光電子デバイスを比較的低い費用で製造することができるようになるであろう。

本開示の一局面は、事実上、最終フィルムを結晶基板の表面上に直接的に成長させることができない場合において、結晶基板を用いて最終フィルムをエピタキシャル的に成長させる方法である。前記方法は、結晶基板の前記表面上に転位層を形成することを含む。前記転位層は、その下面と上面との間で変化する格子間隔を有する。前記転位層の下面における格子間隔は、７％以内の第１格子不整合において結晶基板の格子間隔に適合する。前記転位層の上面における格子間隔は、７％以内の第２格子不整合において最終フィルムの格子間隔に適合する。また、前記方法は、前記転位層の前記上面上に前記最終フィルムを形成することを含む。前記方法の種々の実施形態では、前記第１および第２格子不整合は、２％、または１％または実質的に０％であってもよい。

本開示の他の局面は、上面および格子間隔ａ_Ｓを有する結晶基板を用いて格子間隔ａ_Ｆを有する所望の（最終）フィルムをエピタキシャル的に成長させる方法である。本方法は、前記結晶基板の前記上面上に少なくとも一つの転位層を形成することと、前記転位層の前記上面上に前記所望のフィルムを形成することとを含む。前記少なくとも一つの転位層は、下面、上面、厚みｈ、および格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）を有する。前記格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）は、前記少なくとも一つの転位層の前記下面と前記上面との間で変化する。このとき、７％以内の第１格子不整合において前記少なくとも一つの転位層の前記下面における前記格子間隔ａ_Ｔ（０）がｍ・ａ_Ｔ（０）＝ｎ・ａ_Ｓを満たす。ここで、ｎ、ｍは整数である。前記少なくとも一つの転位層の前記上面における格子間隔ａ_Ｔ（ｈ）は、７％以内の第２格子不整合においてｉ・ａ_Ｔ（ｈ）＝ｊ・ａ_Ｆの関係を満たす。ここで、ｉ、ｊは整数である。前記方法の種々の実施形態では、前記第１および第２格子不整合は、２％、または１％または実質的に０％であってもよい。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＣおよびダイアモンドからなる材料群から選択される材料からなる。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板はＳｉからなる。前記転位層を形成することは、Ｓｉ基板にＧｅを注入して、その注入Ｇｅをアニールすることを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板は、合金からなる。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、蒸発、スパッタリング、化学蒸着、金属有機化学蒸着、原子層エピタキシー（堆積）、およびレーザーアシスト原子層エピタキシー（堆積）からなる堆積方法群から選択される堆積方法を用いることを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層は、Ｇｅ_ＸＳｉ_１−Ｘ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＮ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ、およびＩｎ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓからなる材料群から選択される材料からなる。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板と少なくとも一つの転位層とは結晶学的整合性を有する。前記方法は、前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することによって前記結晶学的整合性を改善することをさらに備える。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記方法は、前記少なくとも一つの転位層の形成中に、前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することをさらに含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層は、複数の転位層である。前記複数の転位層のうちの少なくとも一つの転位層は、一定の格子間隔を有する。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、格子調整ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、１から１０の転位層を形成することを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板は、前記少なくとも一つの転位層の形成中に加熱される。

本開示の他の局面は、格子間隔ａ_Ｆを有する所望のフィルムを成長させるためのテンプレート基板を形成する方法である。本方法は、格子間隔ａ_Ｓを有する結晶基板の上面上に少なくとも一つの転位層を形成することを含む。前記少なくとも一つの転位層は、下面、上面、厚みｈ、および格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）を有する。前記格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）は、前記少なくとも一つの転位層の前記下面と前記上面との間で変化する。このとき、７％以内の第１格子不整合において前記少なくとも一つの転位層の前記下面における前記格子間隔ａ_Ｔ（０）がｍ・ａ_Ｔ（０）＝ｎ・ａ_Ｓの関係を満たす。ここで、ｎ、ｍは整数である。前記少なくとも一つの転位層の前記上面における格子間隔ａ_Ｔ（ｈ）は、７％以内の第２格子不整合においてｉ・ａ_Ｔ（ｈ）＝ｊ・ａ_Ｆの関係を満たす。ここで、ｉ、ｊは整数である。前記方法の種々の実施形態では、前記第１および第２格子不整合は、２％、または１％または実質的に０％であってもよい。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＣおよびダイアモンドからなる材料群から選択される材料からなる。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、蒸発、スパッタリング、化学蒸着、金属有機化学蒸着、原子層エピタキシー（堆積）、およびレーザーアシスト原子層エピタキシー（堆積）からなる堆積方法群から選択される堆積方法を用いることを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層は、Ｇｅ_ＸＳｉ_１−Ｘ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＮ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ、Ｉｎ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓおよびＺｎＯからなる材料群から選択される材料からなる。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板と少なくとも一つの転位層とは結晶学的整合性を有する。前記方法は、前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することによって前記結晶学的整合性を改善することをさらに備える。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記方法は、前記少なくとも一つの転位層の形成中に、前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することをさらに含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層は、複数の転位層である。前記複数の転位層のうちの少なくとも一つの転位層は、一定の格子間隔を有する。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、格子調整ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、１から１０の転位層を形成することを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板は、前記少なくとも一つの転位層の形成中に加熱される。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記方法は、前記転位層の前記上面上に前記所望のフィルムを形成することをさらに含む。

本開示の他の局面は、表面および基板格子間隔を有する結晶基板を用いて最終フィルムをエピタキシャル的に成長させる方法である。前記方法は、前記結晶基板の表面上に少なくとも一つの転位層を形成することと、前記転位層の前記上面上に前記最終フィルムを形成することとを含む。前記少なくとも一つの転位層は、格子間隔を有する。前記格子間隔は、前記少なくとも一つの転位層の前記下面と前記上面との間で変化する。このとき、７％以内の第１格子不整合において前記少なくとも一つの転位層の前記下面における前記格子間隔が前記結晶基板の格子間隔に適合する。また、前記少なくとも一つの転位層の前記上面における格子間隔は、７％以内の第２格子不整合において前記最終フィルムの格子間隔に適合する。前記方法の種々の実施形態では、前記第１および第２格子不整合は、２％、または１％または実質的に０％であってもよい。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＣおよびダイアモンドからなる材料群から選択される材料からなる。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板はＳｉからなる。前記転位層を形成することは、Ｓｉ基板にＧｅを注入して、その注入Ｇｅをアニールすることを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板は、合金からなる。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、蒸発、スパッタリング、化学蒸着、金属有機化学蒸着、原子層エピタキシー（堆積）、およびレーザーアシスト原子層エピタキシー（堆積）からなる堆積方法群から選択される堆積方法を用いることを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層は、Ｇｅ_ＸＳｉ_１−Ｘ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＮ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ、およびＩｎ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓからなる材料群から選択される材料からなる。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板と少なくとも一つの転位層とは結晶学的整合性を有する。前記方法は、前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することによって前記結晶学的整合性を改善することをさらに備える。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記方法は、前記少なくとも一つの転位層の形成中に、前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することをさらに含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層は、複数の転位層を有する。前記複数の転位層のうちの少なくとも一つの転位層は、一定の格子間隔を有する。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、格子調整ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記少なくとも一つの転位層を形成することは、１から１０の転位層を形成することを含む。

本開示の他の局面は上述の方法であって、前記結晶基板は、前記少なくとも一つの転位層の形成中に加熱される。

さらなる特徴及び利点は、下記の詳細な説明に明記されている。また、それらの一部は詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識される。上記の背景技術等に関する記載及び下記の詳細な説明に関する記載は、単なる例示であって、特許請求の範囲に記載されている本発明の本質及び特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。

添付図面は、さらなる理解を提供するために含まれており、本明細書の一部を構成すると共に本明細書の一部に組み込まれる。図面は、１または複数の実施形態を示しており、詳細な説明と共に種々の実施形態の原理や動作を説明する役割を担う。このように、本開示は、添付図面と共に以下に示す詳細な説明からより完全に理解されることになるであろう。

半導体基板の一例の断面図である。 図１の半導体基板上にエピタキシャルフィルムを形成する工程中における図１の半導体基板の断面図である。 図２Ａのエピタキシャル堆積処理によって半導体基板上に形成された最終結果フィルムを示している。 材料組成に対する面内格子間隔「ａ」（Å）およびＤＭＥ比（縦軸）のプロット図である。 格子調整ドメインマッチングエピタキシー（ＬＴ−ＤＭＥ）を用いて形成された転位層を示していると共に、ＬＴ−ＤＭＥ処理中に任意にレーザー処理された転位層を示している。 図１の半導体基板から形成され、種々の格子間隔を有する転位層を含むテンプレート基板の一例の断面図であって、レーザー光線で任意にレーザー処理された転位層を示している。 図４Ｂに示されるようなＬＴ−ＤＭＥを用いて半導体基板の表面上に形成された厚みｈの転位層の拡大図であって、転位層内における格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）がｚ＝０からｚ＝ｈまでの間でどのように変化するかを示している。 図４Ｃの転位層の格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）の理想プロット図であって、転位層を形成する複数の材料層の材料組成の変化に相当する方法で転位層においてどのように格子間隔が線形的に変化するかの一例を示している。 出発基板およびその上に形成されるｐ転位層を含むテンプレート基板の一例の断面図である。 図４Ｅと同様の断面図であって、テンプレート基板の最上位の転位層上に形成される最終フィルムを示している。 出発基板および転位層を含むテンプレート基板の一例の断面図であって、ドメイン−マッチングエピタキシー（ＤＭＥ）処理を用いて転位層上に形成された最終フィルムを示している。 図５Ａと同様の図であって、図５Ａに示される処理の最終結果構造を示している。 所望のフィルムを直接的に形成することができない出発基板を使用してテンプレート基板上に所望の最終フィルムを形成する方法の一例のフローチャートである。 出発基板および７つの転位層を含むテンプレート基板の一例の断面図である。 所望のフィルムを直接的に形成することができない出発基板を使用してテンプレート基板上に所望のフィルムを形成する方法の他の例のフローチャートである。

以降、本開示の様々な実施形態、および、添付の図面に示される複数の例について詳述する。可能な限り、同一または類似の部分の図では、同一または類似の参照番号および参照符号が用いられる。図面には決まった縮尺がなく、当業者であれば、図面は本発明の主要な部分を説明するために簡略化されていることに気づくであろう。

特許請求の範囲の記載は、この発明の詳細な説明に組み込まれると共にその一部を構成する。

本願で言及されるいずれの刊行物または特許文献の全開示は、参照により組み込まれる。

いくつかの図面に参照のためにデカルト座標が示されているが、その座標は方向または配向について限定することを意図したものではない。

以下の議論において、パラメータ「ａ」は、一般的に材料の格子間隔または格子定数、すなわち、その材料の結晶構造の単位セル間の距離、また、単位セルを形成する原子または種の間の間隔を示すために用いられている。パラメータａ_Ｓは、基板の格子間隔を示している。パラメータａ_Ｔ（ｚ）は、転位層の可変の（例えば、段階的な）格子間隔を示している。パラメータａ_Ｆは、最上位の転位層上に形成される最終フィルムの格子間隔を示している。

また、以下の議論において、ｍおよびｎは整数であり、ｉおよびｊも同様である。

以下で用いられている頭字語ＤＭＥは「ドメイン−マッチングエピタキシー」の略語であり、頭字語ＬＴ−ＤＭＥは「格子調整ドメイン−マッチングエピタキシー」の略語である。

以下の議論において、「Ｘ％以内」との用語は、「Ｘ％以下」を意味している。

本開示の一局面は、Ｓｉ基板上に単結晶化合物を成長させることに関する。しかしながら、本開示のこの局面は、本開示をＳｉ基板のみに限定するものと解釈すべきではない。本明細書においてＳｉ基板を参照することは、単に、費用対効果の高い製造に関連する実例を示すことを目的としているに過ぎない。製造費用が取るに足りないものである場合、他の結晶基板が用いられてもよい。そのような基板は、Ｇｅ、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧａＮ、ダイアモンドおよびその他を含むが、これらに限定されることはない。本明細書に記載される方法は、非シリコン結晶基板でも同等にうまく機能する。

図１は、本体１１および上面１４を有する結晶半導体基板（「基板」）１０の断面図である。一例では、基板１０は、Ｓｉウェハである。基板１０は、（１，１，１）配向および３．８４オングストローム（Å）の格子間隔ａ_Ｓを有する立方晶系（正方晶系）結晶構造を有する。以下の議論において、基板１０は、種々の実施例に関してＳｉウェハと称される。また、以下により詳細に説明する通り、本明細書において、基板１０は、テンプレート基板の形成に関して「出発基板」と称される。

基板１０は、図２Ａおよび２Ｂに模式的に示されているように、従前の材料（種）２２の堆積処理により、デバイスグレード（デバイス級の）ヘテロエピタキシャルフィルム２０を成長させるために使用されてもよい。図２Ａの矢印ＡＤは、種２２の堆積方向を示している。ヘテロエピタキシャルフィルム２０と基板１０の上面１４とは、基板−フィルム界面２４を規定している。図２Ａは、基板１０の上面１４における種２２の単一層（「ヘテロ層」）２２Ｌを示している。ヘテロエピタキシャルフィルム２０は、複数のヘテロ層２２Ｌからなっている。

基板１０上に化合物半導体のデバイスグレードヘテロエピタキシャルフィルム２０を形成（すなわち、堆積または成長）させる方法を開発するには、主に２つの課題がある。第１は、堆積フィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０のヘテロ層２２Ｌを、基板１０の単結晶テンプレートと共に比例的に成長させるためには、熱力学的な推進力が必須となることである。これは、典型的には、面内結晶構造を同形とすると共に基板１０の格子間隔とヘテロエピタキシャルフィルム２０の格子間隔とを適合させることによって達成することができ、これにより、基板−フィルム界面２４を横切って高い登録性が得られる。第２の課題は、熱膨張の問題に対処することである。典型的に、ヘテロエピタキシャル成長には、表面移動度を促進すると共に長距離規則度を達成するための高い温度が必要とされる。基板１０および材料２２の熱膨張係数が一致しない場合、ヘテロエピタキシャルフィルム２０が冷却されると、その内部に大きな熱応力が残存し、ヘテロエピタキシャルフィルム２０が変形したり、ひび割れたりし得る。

ヘテロエピタキシャル成長では、基板１０およびヘテロエピタキシャルフィルム２０の表面エネルギーと、基板−フィルム界面２４におけるエネルギーとの間に競合関係が伴う。この競合関係により、ヘテロエピタキシャルフィルム２０に３つのあり得る成長モードが生じる。フランクーファンデルマーヴェ（ＦＭ）成長モードは、界面エネルギーが支配的になると共にヘテロエピタキシャルフィルム２０が共形的に１層ずつ成長するときに観察される。ストランスキー−クラスタノフ（ＳＫ）成長モードは、ヘテロエピタキシャルフィルム２０が、島部分のネットワークからなる三次元形態を形成し始める臨界厚みまで１層ずつ成長する。最後に、ウォリメル−ウェーバー（ＶＷ）成長モードでは、基板１０、すなわちＳｉウェハの上面１４上に直接、島部分が形成される。ＳＫおよびＶＷ成長モードにより、ヘテロ層２２Ｌは、高密度の粒界を有する小ドメインに細分化する。

高品質なヘテロエピタキシャルフィルム２０を成長させるための鍵は、ＦＭモードに適する条件を見つけ出すことにある。その課題は、層成長が基板１０の下層の結晶テンプレートに適合するように基板−フィルム界面２４を設計することである。特に、基板１０の格子と、成長するヘテロエピタキシャルフィルム２０との間にある程度の位置関係（レジストレーション）がなければならない。この条件が成立するための要件は、基板１０の結晶面およびヘテロエピタキシャルフィルム２０の結晶面が同じ対称性を有することである。

関心の高い半導体物質の一例の結晶構造が、以下に示される表１に列挙されている。

Ｇａ−Ａｌ−Ｎ化合物が六方最密（ｈｃｐ）（ウルツ鉱）構造を有することがわかる。ヘテロエピタキシャルフィルム２０は、常に、（００１）配向で成長する。その面内格子は、ｈｃｐ構造を有する。これらのヘテロエピタキシャルフィルム２０がヘテロエピタキシャル的に成長する場合、用いられる基板１０は六方対称性に適合しなければならない。全ての他の材料（Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ）は立方晶構造を有しており、六方対称性は、（１１１）配向で得られる。したがって、表１の全ての材料２２は、任意の配向において面内対称性に適合する。

ヘテロエピタキシャルフィルム２０は、種々の技術（例えば、ＰＶＤ、ＣＶＤ、蒸発、スパッタリング、および原子層エピタキシー（堆積）（ＡＬＤ））により堆積され得るが、強制的にＦＭ成長がなされるため、ＡＬＤ処理が有利である。

典型的な堆積処理において、堆積処理中における種々の層間の界面におけるエネルギーを制御するためには、堆積種２２のエネルギー制御が重要となる。エネルギーおよび堆積種２２が少なすぎれば、下層の基板１０の結晶学的方向を再調整することができない。ＡＬＤにおいて、堆積処理のエネルギー論は、堆積中の基板１０の温度を制御することによって又は堆積処理中もしくは堆積処理後にレーザースパイクアニールを実行することによって制御され得る。短距離秩序は、化学反応によって規定される。長距離秩序は、追加的なエネルギーを含めることによって規定される。これは、昇温することによって又はレーザーアニールによって供給され得る。レーザースパイクアニールを用いることによって、時間と、薄膜ヘテロエピタキシャルフィルム２０に向かうと共に薄膜ヘテロエピタキシャルフィルム２０によって吸収されるエネルギーの大きさとを十分に制御することができる。これによって、堆積材料２２およびそのエネルギーの両方を特有に独立制御することができる。レーザーアシストＡＬＤ（ＬＡ−ＡＬＤ）は、使用可能な唯一の堆積方法であり、これにより成長界面の新規な制御がなされると共に、低温（４００℃未満）堆積が可能となる。これにより、より高温で基板１０に堆積する材料２２の種々の熱膨張係数に関わる問題が軽減される。

ヘテロエピタキシャルフィルム２０のヘテロエピタキシャル成長の他の標準要件は、格子間隔（または格子定数）「ａ」に適合性があるべきであるということである。理想的には、これは、基板−フィルム界面２４を横切る種２２の１対１登録に対応するであろう。基板−フィルム界面２４は、基板１０の上面１４上にヘテロ層２２Ｌを「固定」する役割を果たす。

図３は、材料組成に対する面内格子間隔「ａ」（Å）（縦軸）のプロット図である。水平な実線は、図示される材料２２としての合金の格子間隔を示している。例えば、ＳｉおよびＧｅは、合金の連続体を形成することが可能である。１００％のＳｉにおいて格子間隔は３．８Åであり、１００％のＧｅにおいて格子間隔は４．０Åである。破線矢印は、ＤＭＥを用いた成長の機会を示している。ここでは、ＤＭＥ比が図示されている。例えば、４：３比のＳｉＣは、ＤＭＥを用いてＧａ_０．２Ｉｎ_０．８Ｐ上で成長させることができる。ＧａＩｎＰ組成の調整は、ＬＴ−ＤＭＥを示している。

なお、Ｓｉ−Ｇｅは、Ｇａ−Ａｌ−Ｎ、Ｇａ−Ａｌ−Ａｓ、Ｉｎ−Ｇａ−Ａｓ、Ｉｎ−Ｇａ−Ｐ、およびＩｎ−Ａｌ−Ａｓ系のように、連続合金を形成する。図３は、Ｓｉウェハ、すなわち基板１０と、材料２２、ＳｉＣおよびＧａ−Ａｌ−Ｎとの間に比較的に大きな（２０％未満）の格子不整合があることを示している。しかしながら、ＤＭＥを用いて格子間隔「ａ」の整数を適合させることによって、依然として長距離秩序が達成され得る。ＤＭＥでは、通常、基板１０が室温から７００℃の温度に加熱される。また、基板１０および堆積材料２２は、堆積後、通常、最高７００℃の温度で最長約３０分の時間、アニールされる。堆積中または堆積後の昇温により、堆積種２２に、基板１０と共にそれら自体を再配列および配向させるのに十分な表面エネルギーを与える。いくつかの堆積方法では、より多量のエネルギーが堆積材料２２に与えられる。このため、これらの方法では、堆積中または堆積後にほとんど（または全く）熱処理を必要としない。

ＤＭＥは、第１および第２格子定数の整数を適合させることによって、異なる（第２）格子定数（ａ_２）を有する材料２２の異なる層が上に堆積されている、第１格子定数（ａ_１）を有する材料２２の１つのヘテロ層２２Ｌのエピタキシャル成長が許容されるように示されている。例えば、ＡｌＮはａ_２＝３．１１Åの格子定数を有し、Ｓｉはａ_１＝３．８４Åの格子定数を有する。偶然にも、ＡｌＮの格子間隔を５倍した値は、Ｓｉの格子間隔を４倍した値に近い。具体的には、（５）・（３．１１）＝１５．５５Åであり、（４）・（３．８４）＝１５．３６Åである。その差は、わずか０．１９Å（１５．５Åに対して）または１．２％である。これは、Ｓｉウェハ、すなわち基板１０上におけるＡｌＮヘテロエピタキシャルフィルム２０のエピタキシャル成長を十分許容できる程度に近似している。ＤＭＥの他の例としては、Ａｌ_２Ｏ_３上におけるＩｎ_２Ｏ_３の成長；Ｓｉ（１００）上におけるＮｄＮｉＯ_３の成長；Ｙ_２Ｏ_３上におけるＺｎＯの成長；ＳｉＧｅ（３０％Ｇｅ）上におけるＧａＮの成長；およびＳｉ上におけるＳｉＣの成長が含まれる。

従来技術において、ＤＭＥは、ある格子間隔ａ_１の倍数が第２格子間隔ａ_２の倍数の７％以内、すなわち格子不整合が７％以内である場合、いくつかの材料に最も機能することが知られている。ＤＭＥは、格子不整合が小さくなるほど、例えば、２％または１％になるほど、よりよく機能することがわかっている。その不整合が小さいほど、転位欠陥が生じにくくなるため第２層が成長しやすくなる。理想的には、格子を完全に適合させて、最も欠陥が少ない層を成長させるのが望ましい。

一例では、一般的なＤＭＥ基準は、閾値ＴＨの範囲内においてｍ・ａ_１＝ｎ・ａ_２である。いくつかの材料では、閾値ＴＨは７％程度であるが、これらの材料は、典型的には多数の転位欠陥と共に成長する。ＤＭＥ基準が２％以内、または１％以内に適合するか、本質的に完全一致すれば（すなわち格子不整合が実質的に０であるか、ＴＨ＝０であれば）、よりよい成長条件が生じる。これは、エピタキシャル的に成長することができる材料２２の数を拡大することが非常に大きな改善であることを表しているが、未だに任意の材料についての成長を可能にするには至っていない。さらに、Ｓｉウェハの遍在性により、出発基板１０をＳｉウェハとすることが商業的に望ましくなる。Ｓｉウェハ、すなわち基板１０では、従来のＤＭＥ処理は、格子定数がＳｉウェハ、すなわち基板１０に対する上記閾値条件を満足する材料に制限される。
格子調整ＤＭＥ（ＬＴ−ＤＭＥ）

本開示の一局面には、本明細書において「格子調整ＤＭＥ」またはＬＴ−ＤＭＥと称される改良版のＤＭＥを使用することが含まれる。図４Ａから４Ｆは、複数のヘテロ層４２Ｌを形成する種４２を用いて転位層４０を形成するために基板１０を用いて行われるＬＴ−ＤＭＥ処理の一例を示している。

ＬＴ−ＤＭＥは、少なくとも一つの材料（フィルムまたは基板）が連続合金系に属する基板１０上における転位層４０のヘテロエピタキシャル成長である。転位層４０の格子間隔を調整するために合金の化学量論が選ばれる。その結果、転位層４０および基板１０の格子間隔が最大で７％の閾値ＴＨに至るまで第１格子適合条件ｍ：ｎを実質的に満たす。これは、その比が１：１であり、格子間隔が等しい特殊な場合を含んでいる。

連続合金系によって与えられた格子間隔が連続することにより、転位層４０の格子間隔が、（格子不整合閾値ＴＨの範囲内となるように）ｉ：ｊの第２格子適合条件を、転位層４０上に形成される最終フィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０に与えるように変化し得る。このように、最終フィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０を形成するためにＤＭＥを用いて成長させることができる可能性がある多くの材料は、非常に強化されている。例えば、第１および第２格子不整合条件（閾値ＴＨにより規定される）は、７％以内または２％以内、または１％以内、または実質的に０％（すなわち、格子不整合がない）である。一実施例では、第１格子不整合条件は、第２格子不整合条件と相違してもよい。

このように、種４２の組成は、ＬＴ−ＤＭＥ処理中に変化する。この結果、転位層４０は、ヘテロ層４２Ｌにより規定される変化合金組成を有する。いくつかのヘテロ層４２Ｌは同一の組成を有し得るが、全てのヘテロ層４２が同一の組成を有するわけではない。転位層４０は、基板１０と、所望の最終、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０（図４Ｆ参照）との間に存在する。ここで、基板１０と、所望のフィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０とは、異なる格子間隔を有する。一般的に、このように格子間隔が異なることにより、従前のＤＭＥを行って、基板１０の上面１４上に直接的に最終フィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０を形成することは不可能である。ＬＴ−ＤＭＥ処理によって、転位層４０の複数のヘテロ層４２Ｌの合金の初期組成をＬＴ−ＤＭＥ適合基板１０に選ぶことができる。（例えば、ヘテロ層４２Ｌの組成を変化させることによって、）転位層４０の厚みで化学量論が変化し、最終層２０に適合するＬＴ−ＤＭＥである組成に達する。

一例では、転位層４０は、連続的に変化する化学量論を有する。すなわち、ヘテロ層４２Ｌは、基板１０から最終フィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０まで、それらの化学量論で連続的に変化する。しかしながら、ヘテロ層４２Ｌを化学量論で合理的に変動させることができ、その結果、最終フィルム２０に適合するＬＴ−ＤＭＥを用いることができる。

図４Ａは、ＬＴ−ＤＭＥによりヘテロ層４２Ｌが堆積される際に、ヘテロ層４２Ｌを処理するためにレーザー光線ＬＢが使用される例を示している。なお、ＬＴ−ＤＭＥは、大きい矢印で示されており、以下においてより詳細に説明される。図４Ｂは、Ｓｉウェハ、すなわち出発基板としての基板１０から形成されるテンプレート基板５０の一例の断面図である。テンプレート基板５０は、Ｓｉウェハ、すなわち基板１０の上面１４上に形成される少なくとも一つの転位層４０を含む。また、図４Ｂは、転位層４０の堆積後、転位層４０が、任意にレーザー光線ＬＢによってアニールされる例を示している。矢印ＡＳは、レーザー光線ＬＢが走査される方向を示している。

一例では、レーザー処理には、レーザーアシスト原子層エピタキシー（堆積）（ＬＴ−ＡＬＤ）のようなレーザーアニール処理が含まれる。本明細書に開示される方法において使用に適するＬＡ−ＡＬＤシステムおよび方法の例は、２０１３年９月２２日に出願された「シリコン基板にデバイス品質の窒化ガリウム層を形成する方法および装置」との名称の米国特許出願番号６１／８８１，３６９に開示されている。転位層４０のレーザー処理は、Ｓｉウェハ、すなわち基板１０の上面１４と、転位層４０との結晶学的整合性を改善するために使用され得る。

図４Ｃは、図４Ａに示される材料４２のヘテロ層４２Ｌと共にＳｉウェハ、すなわち基板１０の上面１４上に形成される転位層４０の一例の拡大図である。基板１０は、基板１０の上面１４を規定すると共に基板格子間隔ａ_Ｓを有する原子１２と共に示されている。

転位層４０は、本体４１を有する。本体４１は、下面４３および上面４４を有する。下面４３は、Ｓｉウェハ、すなわち基板１０の上面１４に接しており、ウェハ−層界面４６を規定している。転位層４０は、高さ（厚さ）ｈおよび種々の（例えば、段階的な）構造を有する。この構造は、格子間隔ａ_Ｔを規定する。格子間隔ａ_Ｔは、ｚ方向において、例えば、下面４３におけるｚ＝０から転位層４０の上面４４におけるｚ＝ｈまで、変化する。ｚに伴う転位層４０の格子間隔ａ_Ｔの変動は複数のヘテロ層４２Ｌで別々であるが、便宜上、転位層４０の可変格子間隔は、ａ_Ｔ（ｚ）で示される。

転位層４０は、イオン注入およびアニールにより基板１０の内部に形成され得る。例えば、Ｓｉウェハ、すなわち基板１０にＧｅを注入することができ、それをアニールすれば、ＳｉＧｅの転位層４０を生成することができる。Ｇｅの割合は、ドーパント密度によって決定される。これにより種々の格子間隔を生成することができ、追加の転位層４０を成長させるために用いることができる。

一実施例では、転位層４０の種々の格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）は、材料をヘテロ層４２Ｌとして堆積させるときに、種（材料）４２を構成する元素の混合物を変化させることによって形成される。図４Ｄは、ＬＴ−ＤＭＥ転位層４０内に形成され得る格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）における直線変化の一例の理想プロット図である。ウェハ−層界面４６におけるヘテロ層４２Ｌは、基板１０の格子間隔ａ_Ｓに実質的に適合する（すなわち、第１格子不整合条件の範囲内となるような）格子間隔ａ_Ｔ（０）を有する。この例では、その転位の格子間隔ａ_Ｔは、初期値ａ_Ｓ（０）＝ａ_Ｓから最終値ａ_Ｔ（ｈ）まで増加する。その処理は、格子間隔がその初期値から最終値まで減少する場合においても同様に良好に機能する。

再び図４Ｃに関して述べると、材料４２を構成する元素混合物を変化させることによって、次のヘテロ層または複数のヘテロ層４２Ｌが形成される。これにより、格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）が変化する、例えば、本例では大きくなる。なお、１または複数のヘテロ層４２Ｌは、転位層４０の作製時に、同一の格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）を有することができる。この成長過程は、転位層４０の上面４４において所望の格子間隔ａ_Ｔ（ｈ）が得られるまで絶え間なく続く。また、転位層４０の上面４４における格子間隔ａ_Ｔ（ｈ）は、「表面格子間隔」と称される。

例として、転位層４０は、Ｓｉ元素とＧｅ元素を組み合わせて単結晶材料４２いわゆるシリコン−ゲルマニウムを形成することによって、形成され得る。なお、シリコン−ゲルマニウムは、合金であって、Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘで示される。Ｇｅは、Ｓｉに０％（ｘ＝０）から１００％（ｘ＝１）まで導入することができる。その成果物が、転位層４０内の連続格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）である。連続格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）は、最初のＳｉウェハ格子間隔ａ_Ｓ＝３．８４Å（ｚ＝０における）から最大４．００Å（例えば、ａ_Ｔ（ｈ）、または表面格子間隔）までの範囲内である。なお、４．００Åは、Ｇｅ結晶の格子間隔である。他の例では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を窒化ガリウム（ＧａＮ）と組み合わせて、ＡｌＮ由来の３．１１ÅからＧａＮ由来の３．１９Åまでの連続格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）を有する合金を生成することができる。

図４Ｅは、図４Ｂと同様の図であって、テンプレート基板５０が出発基板および複数（ｐ）の転位層４０、例えば、層４０−１，４０−２，．．．４０−ｐを含む実施例を示している。なお、層４０−１，４０−２，．．．４０−ｐは、それぞれ厚さｈ_１，ｈ_２，．．．ｈ_ｐを有すると共に、それぞれ格子間隔ａ_Ｔ１（ｚ），ａ_Ｔ２（ｚ），．．．ａ_Ｔｐ（ｚ）を有する。そのようなテンプレート基板５０の例を、以下で議論する。図４Ｆは、図４Ｅと同様の図であって、最終フィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０を示している。最終フィルムは、最上位の転位層４０−ｐの上に形成されている。また、図４Ｆには、最終フィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０の格子間隔ａ_Ｆが示されている。

図５Ａおよび５Ｂに関して述べると、一度、テンプレート基板５０が形成されると、それは、（例えば、図３中の破線矢印によって示されるように、ＬＴ−ＤＭＥを用いて）最終格子間隔ａ_Ｆを有する所望の最終フィルム２０を成長させるために使用することができる。なお、再び言うと、最終フィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０は、ａ_Ｓとａ_Ｆの格子寸法の不整合のため、事実上、Ｓｉウェハ、すなわち基板１０の上面１４上に直接的に成長させることはできないであろう。所望のフィルム２０の最終格子間隔ａ_Ｆは、最上位の転位層４０−ｐの表面格子間隔ａ_Ｔｐ（ｈ）に実質的に適合する（すなわち、第２格子不整合条件の範囲内となる）。

図６は、別の方法ではシリコンウェハのような基板１０上に直接的に形成することができない所望のフィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０を形成する方法の一実施例をまとめるフローチャート１００である。ステップＳ１０１では、所望のフィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０の最終基板間隔ａ_Ｆが、閾値ＴＨを超えて基板格子間隔ａ_Ｓと相違することが成立している。閾値ＴＨは、通常、材料に依存し、上述の通り、典型的には約７％であるか、場合によっては２％である。格子不整合の許容差に対する閾基準値は、｜ａ_Ｓ−ａ_Ｆ｜／ａ_Ｓ≦ＴＨの関係でまとめられる。ここで「｜ｘ｜」は、「ｘの絶対値」を表している。

このように、ステップＳ１０１で、先ず、｜ａ_Ｓ−ａ_Ｆ｜／ａ_Ｓ＞ＴＨの基準が成立すれば、所望の最終フィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０を、事実上、基板１０上に直接的に形成できないことが確認される。格子調整により格子不整合を任意の閾値ＴＨ以下（例えば、７％または２％または１％または実質的に０％）にまで低減すれば、ＤＭＥを用いた成長がかなり改善される。一例では、ＬＴ−ＤＭＥ処理の目的は、転位層４０と、最終フィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０との格子不整合をできるだけ多く減少させることにある。

ステップＳ１０２では、出発基板としての基板１０を用いて、ｐ個の転位層４０（すなわち、転位層４０−１，４０−２，．．．４０−ｐ、ここで、ｐ＝１，２，３，．．．）を有するテンプレート基板５０を形成する。これにより、閾値に基づいた基準、すなわち｜ａ_Ｆ−ａ_Ｔｐ（ｚ_ｐ）｜／ａ_Ｔｐ≦ＴＨを満たすことができる。なお、ここで、ａ_Ｔｐ（ｚ_ｐ）は最上位の転位層４０−ｐの表面格子間隔であり、その表面はｚ＝ｚ_ｐに存在する（図４Ｅ参照）。上述の通り、複数の例では、（格子不整合の程度を示す）閾値ＴＨは、７％または２％または１％または実質的に０％である。

そして、ステップＳ１０３では、格子不整合閾値ＴＨの範囲内に収めながら（すなわち、第２格子不整合条件を満足させながら。図４Ｆ参照。）、最上位の転位層４０−ｐの上に所望の材料層２２のフィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０を成長させる。

再び図３に関して述べると、ある水平線には、ｍ：ｎの比（例えば、４：３）が含まれている。この比は、両端破線矢印で示される通り、下の材料に対する整数適合基準を満たす格子間隔に相当する。種々の元素および化合物の格子間隔は暗線で図示されており、それらの連続合金は、暗線矢印として図示されている。示されるように、ｍ：ｎの比を用いてＤＭＥ処理を使用し得る。例えば、ＡｌＮは、ＳｉＧｅ合金（３０％Ｇｅ）上に５：４の比で（ｍ＝ＧａＮ格子間隔の５倍が、ｎ＝ＳｉＧｅ格子間隔の４倍と適合する）成長し得る。

また、Ｓｉに対するＧａ−Ａｌ−Ｎ系の格子適合も行われ得る。ＡｌＮの場合における最善の整数適合比は、ａ_１＝３．９０Åで５：４である。これは、Ｓｉの間隔ａ_Ｓ＝３．８４Åよりも１．６％大きい。しかしながら、Ｓｉを３０％のＧｅと合金化することによって転位層４０を形成し、ほぼ完全に格子間隔を適合させることにより、格子間隔不整合をなくすことができる。Ｓｉ−Ｇｅ合金の格子間隔は、Ｓｉ−Ｇｅの全組成範囲に渡って極めて直線的に変化する。ＧｅをＳｉに注入してアニールすることによって、テンプレート基板５０に第１転位層４０−１を設けることができる。この第１転位層４０−１は、ＡｌＮヘテロ層２０に完全に適合するように調整された格子間隔ａ_Ｔ１（ｚ＝ｈ１）を有する。第２転位層４０−２はＡｌＮで始まり、その後、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓの化学量論が特定の組成に至るように変化する。このＧａ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓは、格子間隔ａ_Ｔ２（ｚ＝ｈ２）を有し、第３転位層４０−３または所望のフィルム２０の成長表面として機能することができる（図４Ｅ参照）。例えば、第２転位層４０−２の最終組成を、３．９９Åの格子間隔を有するＧａＮとする。これは、ＧａＮまたはＧａＡｓ（ａ＝４．００Å）の最終ヘテロ層２０を成長させるための成長表面となることができる。

このように、本明細書に開示の方法は、一連の転位層４０を形成することを含む。転位層４０が形成されることによって、利用可能な格子間隔につき広範囲の選択肢を有し得るテンプレート基板５０を形成することができる。複数の転位層４０を使用することにより、最上位の転位層４０−ｐが表面格子間隔を有するまで格子間隔の範囲を徐々に変化させることができる。なお、表面格子間隔は、所望のフィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０の材料２２の最終の所望の格子間隔ａ_Ｆに十分に適合される。

１または複数の転位層４０を形成するに際して効果的に採用され得る多数の種々の合金が存在する。そのような合金には、Ｓｉ_ＸＧｅ_１−Ｘ、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ、Ｉｎ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓ、およびＺｎＯが含まれる。化合物ＺｎＯは、ａ＝３．２５２Åの格子間隔を有する。通常、ＺｎＯは、Ｓｉウェハ、すなわち基板１０上で成長することができない。これは、格子不整合がほぼ１７％であるからである。しかしながら、ＬＴ−ＤＭＥを用いることによりＺｎＯヘテロエピタキシャルフィルム２０を成長させる経路を得ることができる。例えば、ＺｎＯは、（ｍ＝６）・（３．２５２Å）≒（ｎ＝５）・（３．９Å）の関係により、Ｓｉ−Ｇｅ結晶（３０％Ｇｅ）と適合することができる。これは、ｍ＝６倍の格子間隔とｎ＝５倍の格子間隔とを組み合わせてＬＴ−ＤＭＥを使用することができることを示している。格子寸法の不整合が大きすぎるため、事実上、ＺｎＯは、基板１０の上面１４上で直接的に成長することができないであろうことが強調される。

なお、材料を種々の方法で組み合わせることによりＤＭＥに適した所望の格子間隔を得ることができる。図７に関して述べると、Ｓｉウェハ、すなわち基板１０から出発し、Ｇｅを注入して、ｚ＝ｚ_１で３０％のＧｅ濃度を有するＳｉＧｅ転位層４０−１を形成し、ａ_Ｔ１（ｈ_１）≒３．９Åの表面格子間隔を規定する。そして、ＡｌＮは、５：４のＤＭＥ比で転位層４０−１上に直接的に成長することができ、その結果、ａ_Ｔ２（ｚ_２）＝３．１１Åの格子間隔を有する第２転位層４０−２を規定する。

次に、ＡｌＮをＧａＮと混ぜて、純ＧａＮが成長するまでｘが連続的に変化するＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮを形成することによって、格子間隔ａ_Ｔ３（ｚ）を有する第３転位層４０−３が第２転位層４０−２上に形成される。そして、この第３転位層４０−３は、自身の第４転位層４０−４を規定する。

ＧａＮ転位層４０の上面４４は、ａ_Ｔ４（ｚ_４）＝３．１９Åの表面格子間隔を有する。そして、この上面４４は、５：４のＤＭＥ比であらゆるＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ合金を成長させるために用いられ得る。これにより、ａ_Ｔ５（ｚ_５）＝４．０Åの格子間隔を有する第５転位層４０−５が形成される。そして、ＧａＡｓまたはＡｌＡｓが第５転位層４０−５上で成長すると、ＬＴ−ＤＭＥを用いて、これらの材料４２は、ａ_Ｔ６（ｚ）の格子間隔を有する第６転位層４０−６を形成することができ、その結果、連続的にＩｎＡｓおよびそれに関連した格子間隔ａ_Ｔ６（ｚ_６）＝４．２８Åに上級化される。また、第５ＧａＮ転位層４０−５上で、Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐの組成を有する第６転位層４０−６を成長させるために、ＬＴ−ＤＭＥが５：４の比で使用され得る。第７転位層４０−７は、ａ_Ｔ７（ｚ_７）＝４．１５Åの格子間隔を有するＩｎＰに上級化するか、ａ_Ｔ７（ｚ_７）＝３．８５Åの格子間隔を有するＧａＰに下級化する。

一例では、テンプレート基板５０には、１から１０の転位層４０が含まれる。２つ以上の転位層４０が存在する例では、少なくとも一つの転位層４０が一定の格子寸法を有する。一例では、一定の格子寸法を有する少なくとも一つの転位層４０は、ＬＴ−ＤＭＥを用いて形成される。

本明細書に開示される方法の一例では、Ｇｅ_ＸＳｉ_１−Ｘ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＮ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ、およびＩｎ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓの連続合金系が使用される。これらの合金系を用いることによって、テンプレート基板５０の１または複数の転位層４０の格子間隔を、広範囲の正確に特定された値に調整することができ、特に、第２格子適合条件で、最上位の転位層４０−ｐに、所望のフィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０の格子間隔ａ_Ｆに相当する表面格子間隔ａ_Ｔｐ（ｚ_ｐ）を付与することができる。ＬＴ−ＤＭＥを用いることによって、格子間隔を調節（調整）する機構を得ることができる。１または複数の連続合金系を用いてＬＴ−ＤＭＥを使用することによって、基板１０から始まる広範な化合物半導体材料のヘテロエピタキシャル成長経路が見出される。

図８は、Ｓｉウェハ、すなわち基板１０から始まりａ_Ｆの格子間隔を有する所望の（最終の）材料Ａの所望のフィルム、すなわちヘテロエピタキシャルフィルム２０を成長させる方法の一例をまとめるフローチャート２００である。第１ステップＳ２０１では、所望の材料Ａおよび格子間隔を特定する。一例として、所望の最終材料Ａが、ａ_Ｆ＝３．７２Åの格子間隔を有すると考える。

ステップＳ２０２では、材料ＡがＳｉ−Ｇｅ合金に適合するＬＴ−ＤＭＥであり得るかについての問い合わせがなされる。これには、格子間隔の比が１：１である、すなわち、格子間隔が等しい特殊な場合が含まれる。回答がＹＥＳであれば、方法は、ステップＳ２０３に直接進む。ステップＳ２０３では、材料Ａを成長させるためにＳｉ−Ｇｅ合金転位層４０が用いられる。しかしながら、Ｓｉ−Ｇｅ系は格子間隔の範囲がａ_Ｓ＝３．８４−４．００Åと幅広い。このため、適合は不可能であり、本例のステップＳ２０２の問いに対する回答はＮＯである。

ステップＳ２０２の問いに対する回答がＮＯである場合、方法はステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、「最終材料が、合金の一つがＳｉ−Ｇｅ合金とＬＴ−ＤＭＥ格子適合性を有するような連続合金Ａ−Ｂを形成する系にあるか？」が問われる。回答がＹＥＳであれば、方法は、ステップＳ２０５へ進む。ステップＳ２０５では、Ｓｉ−Ｇｅを用いて第１転位層４０−１を形成し、ＬＴ−ＤＭＥによってＳｉ−Ｇｅ上に材料の合金Ａ−Ｂを成長させることができる。組成を（連続して段階的に）変化させて、材料Ａの格子間隔を適合させる。今回の場合、材料Ａは、連続合金系中にはないと仮定される。その結果、回答はＮＯとなり、方法はステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６では、材料Ａ−Ｂが、連続合金系中の異なる材料Ｃ−Ｄに適合するＬＴ−ＤＭＥであり得るかが問われる。回答がＹＥＳである場合、ＧａＮは、ＤＭＥ７：６で３．７２Åの格子間隔を有する。そして、方法は、ステップＳ２０７に進み、そこで、Ａｌ−Ｇａ−Ｎ合金系がＳｉ−ＧｅにＬＴ−ＤＭＥ適合するかが問われる。事実、ＡｌＮ合金は、ＤＭＥ５：４で３．８９Åの格子間隔を有し、Ｓｉ_０．７Ｇｅ_０．３に適合する。

Ｓ２０７の問いに対する回答がＹＥＳであるので、方法は、ステップＳ２０８に進み、そこで、次に示すように材料Ａを成長させるためにＬＴ−ＤＭＥ処理が実行される。先ず、Ｓｉ−Ｇｅ転位層４０−１を成長させる。次に、純ＡｌＮから純ＧａＮまで組成変化するＡｌ−Ｇａ−Ｎの転位層を堆積させる。最後に、ＧａＮ基板１０上に関心の高い（目的とする）材料Ａを堆積させる。

なお、ステップＳ２０６およびＳ２０７では、問いに対する回答がＮＯであれば、適切な適合がなく、方法はステップＳ２１０で終了する。

当業者には明白であるが、添付の特許請求の範囲に記載される本開示の精神および範囲を逸脱することなく、ここに記述される本開示の好ましい実施形態に対して様々な修正を加えることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等範囲内において本開示の修正および変更を包含する。

Claims (44)

1. 上面および格子間隔ａ_Ｓを有する結晶基板を用いて格子間隔ａ_Ｆを有する所望のフィルムをエピタキシャル的に成長させる方法であって、
   前記結晶基板の上面上に少なくとも一つの転位層を形成することと、
   前記転位層の前記上面上に前記所望のフィルムを形成することと
   を備え、
   前記少なくとも一つの転位層は、下面、上面、厚みｈ、および格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）を有し、
   前記格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）は、前記少なくとも一つの転位層の前記下面と前記上面との間で変化し、このとき、
   ７％以内の第１格子不整合において前記少なくとも一つの転位層の前記下面における前記格子間隔ａ_Ｔ（０）がｍ・ａ_Ｔ（０）＝ｎ・ａ_Ｓ（ここで、ｎ、ｍは整数である）を満たし、かつ、
   前記少なくとも一つの転位層の前記上面における格子間隔ａ_Ｔ（ｈ）は、７％以内の第２格子不整合においてｉ・ａ_Ｔ（ｈ）＝ｊ・ａ_Ｆの関係（ここで、ｉ、ｊは整数である）を満たす
   方法。
2. 前記第１および第２格子不整合の少なくとも一方は２％以内である
   請求項１に記載の方法。
3. 前記第１および第２格子不整合の少なくとも一方は１％以内である
   請求項２に記載の方法。
4. 前記結晶基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＣおよびダイアモンドからなる材料群から選択される材料からなる
   請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記結晶基板はＳｉからなり、
   前記転位層を形成することは、Ｓｉ基板にＧｅを注入して、その注入Ｇｅをアニールすることを含む
   請求項１から３のいずれかに記載の方法。
6. 前記結晶基板は合金からなる
   請求項１から３のいずれかに記載の方法。
7. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、蒸発、スパッタリング、化学蒸着、金属有機化学蒸着、原子層エピタキシー（堆積）、およびレーザーアシスト原子層エピタキシー（堆積）からなる堆積方法群から選択される堆積方法を用いることを含む
   請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記少なくとも一つの転位層は、Ｇｅ_ＸＳｉ_１−Ｘ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＮ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ、およびＩｎ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓからなる材料群から選択される材料からなる
   請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記結晶基板と少なくとも一つの転位層とは結晶学的整合性を有し、
   前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することによって前記結晶学的整合性を改善することをさらに備える
   請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 前記少なくとも一つの転位層の形成中に、前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することをさらに備える
    請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記少なくとも一つの転位層は複数の転位層であり、
    前記複数の転位層のうちの少なくとも一つの転位層は一定の格子間隔を有する
    請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む
    請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、格子調整ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む
    請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
14. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、１から１０の転位層を形成することを含む
    請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記結晶基板は、前記少なくとも一つの転位層の形成中に加熱される
    請求項１から１４のいずれかに記載の方法。
16. 格子間隔ａ_Ｆを有する所望のフィルムを成長させるためのテンプレート基板を形成する方法であって、
    格子間隔ａ_Ｓを有する結晶基板の上面上に少なくとも一つの転位層を形成することを備え、
    前記少なくとも一つの転位層は、下面、上面、厚みｈ、および格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）を有し、
    前記格子間隔ａ_Ｔ（ｚ）は、前記少なくとも一つの転位層の前記下面と前記上面との間で変化し、このとき、
    ７％以内の第１格子不整合において前記少なくとも一つの転位層の前記下面における前記格子間隔ａ_Ｔ（０）がｍ・ａ_Ｔ（０）＝ｎ・ａ_Ｓ（ここで、ｎ、ｍは整数である）を満たし、かつ、
    前記少なくとも一つの転位層の前記上面における格子間隔ａ_Ｔ（ｈ）は、７％以内の第２格子不整合においてｉ・ａ_Ｔ（ｈ）＝ｊ・ａ_Ｆの関係（ここで、ｉ、ｊは整数である）を満たす
    方法。
17. 前記第１および第２格子不整合の少なくとも一方は２％以内である
    請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１および第２格子不整合の少なくとも一方は１％以内である
    請求項１７に記載の方法。
19. 前記結晶基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＣおよびダイアモンドからなる材料群から選択される材料からなる
    請求項１６から１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、蒸発、スパッタリング、化学蒸着、金属有機化学蒸着、原子層エピタキシー（堆積）、およびレーザーアシスト原子層エピタキシー（堆積）からなる堆積方法群から選択される堆積方法を用いることを含む
    請求項１６から１９のいずれかに記載の方法。
21. 前記少なくとも一つの転位層は、Ｇｅ_ＸＳｉ_１−Ｘ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＮ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ、Ｉｎ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓおよびＺｎＯからなる材料群から選択される材料を含むからなる
    請求項１６から２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記結晶基板と少なくとも一つの転位層とは結晶学的整合性を有し、
    前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することによって前記結晶学的整合性を改善することをさらに備える
    請求項１６から２１のいずれかに記載の方法。
23. 前記少なくとも一つの転位層の形成中に、前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することをさらに備える
    請求項１６から２２のいずれかに記載の方法。
24. 前記少なくとも一つの転位層は複数の転位層であり、
    前記複数の転位層のうちの少なくとも一つの転位層は一定の格子間隔を有する
    請求項１６から２３のいずれかに記載の方法。
25. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む
    請求項１６から２４のいずれかに記載の方法。
26. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、格子調整ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む
    請求項１６から２４のいずれかに記載の方法。
27. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、１から１０の転位層を形成することを含む
    請求項１６から２６のいずれかに記載の方法。
28. 前記結晶基板は、前記少なくとも一つの転位層の形成中に加熱される
    請求項１６から２７のいずれかに記載の方法。
29. 前記転位層の前記上面上に前記所望のフィルムを形成することをさらに備える
    請求項１６から２８のいずれかに記載の方法。
30. 表面および基板格子間隔を有する結晶基板を用いて最終フィルムをエピタキシャル的に成長させる方法であって、
    前記結晶基板の表面上に少なくとも一つの転位層を形成することと、
    前記転位層の前記上面上に前記所望のフィルムを形成することと
    を備え、
    前記少なくとも一つの転位層は、格子間隔を有し、
    前記格子間隔は、前記少なくとも一つの転位層の前記下面と前記上面との間で変化し、このとき、
    ７％以内の第１格子不整合において前記少なくとも一つの転位層の前記下面における前記格子間隔が前記結晶基板の格子間隔に適合し、
    前記少なくとも一つの転位層の前記上面における格子間隔は、７％以内の第２格子不整合において前記最終フィルムの格子間隔に適合する
    方法。
31. 前記第１および第２格子不整合の少なくとも一方は２％以内である
    請求項３０に記載の方法。
32. 前記第１および第２格子不整合の少なくとも一方は１％以内である
    請求項３１に記載の方法。
33. 前記結晶基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＣおよびダイアモンドからなる材料群から選択される材料からなる
    請求項３０から３２のいずれかに記載の方法。
34. 前記結晶基板はＳｉからなり、
    前記転位層を形成することは、Ｓｉ基板にＧｅを注入して、その注入Ｇｅをアニールすることを含む
    請求項３０から３２のいずれかに記載の方法。
35. 前記結晶基板は合金からなる
    請求項３０から３２のいずれかに記載の方法。
36. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、蒸発、スパッタリング、化学蒸着、金属有機化学蒸着、原子層エピタキシー（堆積）、およびレーザーアシスト原子層エピタキシー（堆積）からなる堆積方法群から選択される堆積方法を用いることを含む
    請求項３０から３５のいずれかに記載の方法。
37. 前記少なくとも一つの転位層は、Ｇｅ_ＸＳｉ_１−Ｘ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＮ、Ｇａ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＰ、およびＩｎ_ＸＡｌ_１−ＸＡｓからなる材料群から選択される材料からなる
    請求項３０から３６のいずれかに記載の方法。
38. 前記結晶基板と少なくとも一つの転位層とは結晶学的整合性を有し、
    前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することによって前記結晶学的整合性を改善することをさらに備える
    請求項３０から３７のいずれかに記載の方法。
39. 前記少なくとも一つの転位層の形成中に、前記少なくとも一つの転位層をレーザー処理することをさらに備える
    請求項３０から３８のいずれかに記載の方法。
40. 前記少なくとも一つの転位層は複数の転位層であり、
    前記複数の転位層のうちの少なくとも一つの転位層は一定の格子間隔を有する
    請求項３０から３９のいずれかに記載の方法。
41. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む
    請求項３０から４０のいずれかに記載の方法。
42. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、格子調整ドメインマッチングエピタキシーを行うことを含む
    請求項３０から４０のいずれかに記載の方法。
43. 前記少なくとも一つの転位層を形成することは、１から１０の転位層を形成することを含む
    請求項３０から４２のいずれかに記載の方法。
44. 前記結晶基板は、前記少なくとも一つの転位層の形成中に加熱される
    請求項３０から４３のいずれかに記載の方法。
    

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