TW202105461A - 集成磊晶金屬電極 - Google Patents

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Abstract

本發明描述的系統和方法包括稀土氧化物和半導體層間的磊晶金屬層。本發明描述了生長層狀結構的系統與方法，包括基板、於基板上磊晶生長的第一稀土氧化物層、於稀土氧化物層上磊晶生長的第一金屬層以及於第一金屬層上磊晶生長第一半導體層。具體地，基板可包括多孔部，其通常與金屬層對齊，且基板的多孔部與金屬層間具有或沒有稀土氧化物層。

Description

集成磊晶金屬電極
本申請涉及半導體設計，更具體地說，涉及集成磊晶金屬電極的層狀結構，其中磊晶金屬被引入下方之磊晶氧化物和上方之磊晶半導體之間。
磊晶、磊晶生長和磊晶沉積是指在結晶的基板上生長或沉積結晶層。結晶層稱為磊晶層。結晶的基板係作為模板來決定結晶層的取向和晶格間距。在某些例子中，結晶層可以是晶格匹配的或晶格共位(coincident)的。晶格匹配的結晶層可以具有與結晶的基板頂部表面相同或非常相似的晶格間距。晶格共位的結晶層的晶格間距可以是結晶的基板中晶格間距的整數倍。磊晶的品質部分取決於結晶層的結晶度。尤其是高品質的磊晶層將是具有最小缺陷和很少或沒有晶界的單晶。傳統上，在上游製程的某個點，在磊晶結構中會用到金屬接觸層。由於當今複雜的磊晶結構常常包含多個元件的功能，這可能需要在具有大量形貌的晶圓片上進行廣泛的金屬蝕刻和沉積。
金屬與半導體之間的相互作用通常對元件的運行至關重要。金屬與半導體相互作用的一個例子發生在薄膜諧振器(如射頻濾波器)中，其中整體聲學性能由電極的聲阻抗和壓電材料的聲阻抗的乘積決定。事實上，要獲得高共振頻率，必須使電極和壓電材料都很薄。這在圖17中進行了總結，圖中顯示了不同厚度金屬電極的共振頻率與AlN厚度的函數關係 (摘自S. Tanifuji et al, Proceedings 2009 IEEE International Ultrasonic Symposium, p. 2170，其全文併入本文做為參考文獻)。在這裡，晶體品質也很重要，因為若晶體品質不佳，在多晶金屬層中，由於缺陷和晶界的增加，電阻率會隨著厚度的減少而增加。
如Zheng et al, Journal of Applied Physics, vol. 111 p. 123112 (2012)中所述，也曾嘗試在矽工程基板(silicon engineered substrate)上金屬層之上生長磷化銦(InP)。然而，Zheng所描述的薄膜是多結晶的，而非磊晶。
金屬在氧化釔穩定化氧化鋯(yttria stabilized zirconia，YSZ)上的磊晶生長，在Gsell et all, Journal of Crystal growth, vol. 311, p. 3731 (2009) 中有描述，其全文併入本文做為參考文獻。Gsell描述了通過使用YSZ將金屬和下方之矽基板分開，因為這可以防止不想要的矽化之任何磊晶金屬。YSZ是一種使用氧化鋯和釔之標靶的濺鍍材料(或用脈衝鐳射沉積)。它不是單晶材料，有晶界，且可以是混合晶相(立方晶和正方晶)。因此，它是金屬磊晶生長的次優模板。此外，YSZ/矽介面的控制在技術上是具有挑戰性的。
因此，在半導體材料上生長具有良好晶體品質的磊晶金屬已被證明是困難的。
本文描述了用於可在其上生長半導體層的層狀結構中使用集成磊晶金屬電極的系統和方法。本發明所述的系統和方法可以包括層狀結構，其包括基板、在基板上磊晶生長的第一稀土氧化物層、在第一稀土氧化物(REO)層上磊晶生長的第一金屬層以及在第一金屬層上磊晶生長的第一半導體層。在一些實施例中，基板包括一個或多個第IV族元素，包括但不限於矽(Si)、鍺(Ge)、絕緣體上矽(SOI)、矽鍺(SiGe)。在一些實施例中，基板的晶格取向若非＜100＞，便是＜111＞，且其錯切度高達10度。在一些實施例中，基板包括來自第III族和第V族的元素，包括但不限於砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、氮化鎵(GaN)。在一些實施例中，基板是另一種金屬氧化物，包括但不限於氧化鎵(Ga2 O3 )、氧化鋁(Al2 O3 )。
在一些實施例中，(第一)稀土氧化物層包括從元素週期表的鑭系元素中選擇的稀土金屬元素、鈧(Sc)和釔(Y)。在一些實施例中，(第一)稀土氧化物層由氧和金屬比在1和2之間的稀土氧化物組成。在一些實施例中，第一金屬層包括從元素週期表的過渡金屬中選擇的金屬元素。在一些實施例中，第一半導體層包括從第III族、第IV族、第V族中選擇的一種元素。在一些實施例中，基板是由矽所組成，(第一)稀土氧化物層由氧金屬比為1.5的氧化鉺(ErO1.5 )所組成，而第一金屬層由鉬(Mo)所組成。在一些實施例中，第一半導體層由Alx Sc1-x N (0 ≤ x ＜ 1)所組成。在一些實施例中，當基板由矽組成，其晶格取向為＜ 100 ＞，當稀土氧化物層由ErO1.5 組成，其晶格取向為＜110＞，以及當第一金屬層由鉬組成，其晶格取向為＜211＞。舉例來說，由矽組成的基板的晶格取向可能為＜111＞，而由ErO1.5 組成的稀土氧化物層的晶格取向可能為＜110＞。在一些實施例中，稀土氧化物層由多個稀有金屬氧化物的成分組成，且多個稀有金屬氧化物成分具有不同的金屬元素或不同的氧金屬比。
在一些實施例中，(第一)稀土氧化物層包括由第一稀土氧化物組成的第一子層和由第二稀土氧化物組成的第二子層。在一些實施例中，稀土氧化物層包括由第一稀土氧化物構成的第一區域和由第二稀土樣化物構成的第二區域，其中所述第一區域以漸變模式過渡到所述第二區域。在一些實施例中，(第一)稀土氧化物層包括由第一稀土氧化物組成的第一子層和由第二稀土氧化物組成的第二子層，其中第一子層和第二子層在超晶格結構中重複。在一些實施例中，第二金屬氧化物進一步包括第III族元素。在一些實施例中，第一金屬層包括由第一金屬構成的第一子層和由第二金屬構成的第二子層。在一些實施例中，第一金屬層包括由第一金屬構成的第一區域和由第二金屬構成的第二區域，其中所述第一區域以漸變模式過渡到所述第二區域。在一些實施例中，金屬層包括由第一金屬構成的第一子層和由第二金屬構成的第二子層，其中第一子層和第二子層在超晶格結構中重複。在一些實施例中，層狀結構進一步包括在(第一)半導體層上磊晶生長的第二金屬層。
在一些實施例中，所述層狀結構進一步包括磊晶生長於所述第二金屬層上的第二半導體層。在一些實施例中，層狀結構進一步包括多達20個重複之金屬層和半導體層的組合。在一些實施例中，層狀結構進一步包括重複之金屬層和稀土氧化物層的組合。在一些實施例中，層狀結構進一步包括生長在半導體層上的第二稀土氧化物層。在一些實施例中，第二金屬層磊晶生長於第二稀土氧化物層之上。在一些實施例中，請求項1中的層狀結構進一步包括從第一金屬層生長而來的磊晶層，其中磊晶層包括從由二維(2D)材料、覆蓋層和絕緣體所組成的群組中所選擇的一組件。在一些實施例中，2D材料選自石墨烯和過渡金屬的二硫化物所組成的群組。在一些實施例中，覆蓋層由選自由金屬氧化物和金屬矽化物所組成的群組中的一種材料所組成。在一些實施例中，絕緣體由一稀土氧化物組成。在一些實施例中，中間層由第一金屬層過渡到第一半導體層。在一些實施例中，中間層選自由金屬氮化物、金屬磷化物和2D電極模板所組成的群組中的一個或多個成分所組成。
在一些實施例中，中間層從第一稀土氧化物層過渡到第一金屬層。在一些實施例中，中間層由來自第一金屬層的金屬成分和氧生長而成。在一些實施例中，第一金屬層具有非連續模式，且第一金屬層的第一部分與第一金屬層的第二部分之間具有第一間隙，且第一半導體層生長於該間隙和該金屬區域之上。
本發明所述的結構和方法提供一種集成的磊晶金屬電極，該金屬電極將磊晶金屬合併到磊晶堆疊中，從而合併了一埋入接觸層。本發明揭露的結構和方法包括高品質的磊晶金屬層和在磊晶金屬層之上繼續生長半導體材料的能力。例如，結晶的稀土氧化物層可以磊晶生長在基板或半導體上，而金屬層可以磊晶生長在結晶的稀土氧化物層上。磊晶金屬層上可生長半導體層。稀土氧化物層是包含一個或多個稀土(rare earth，RE)元素和氧的層。稀土元素包括鑭(La)、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)、鑥(Lu)、鈧(Sc)和釔(Y)。
眾所周知，稀土氧化物表現出螢石型結構。除其他因素外，這些結構表現出形態上的差異，其係為存在於氧化物中的稀土陽離子原子量的函數。
具體地，由於+2和/或+3和/或+4的可能離子態，包含較輕稀土元素的氧化物形成立方CaF2 型晶體結構。具有這種晶體結構的氧化物由於可能的氧化態(稀土氧化物)的多樣性而表現出明顯的淨電荷缺陷。
另一方面，由較重的稀土元素形成的氧化物 (如RE2 O3 等)呈現出一種扭曲的CaF2 型晶體結構，其中包括由於RE＜3+＞的離子態而產生的陰離子空位。與較重稀土元素所形成之氧化物相關的晶體結構也被稱為「方鐵錳礦(Bixbyite)」。
一個具有RE2 O3 化學式的稀土氧化物的示例為Er2 O3 。Er2 O3 單位晶格的晶體結構是一種氧空位衍生的螢石衍生物(如方鐵錳礦結構)。稀土氧化物介電層可以包括這些單位晶格的組合。
陰離子空位的數目和位置決定了RE2 O3 單位晶格的晶體形狀。該晶格的晶體形狀可被設計成與底層半導體基板的晶格常數相匹配。沿體對角線和/或面對角線的氧空位形成C型立方結構。例如，每個螢石單位晶格有兩個負離子空位，會導致Er2 O3 單位晶格增大到接近矽單位晶格大小的兩倍。這進而使得低應變的單相Er2 O3 能夠直接在矽基板上磊晶生長。
此外，陰離子空位的數目和位置可以被設計成在介電層和/或過度生長層中產生期望的應變(拉伸或壓縮)。例如，在一些實施例中，為了影響載子的遷移率，需要半導體層中的應變。
每個螢石單位晶格有兩個氧空位，其沿著體對角線排列。這兩個氧空位的存在使Er2 O3 的單位晶格大小翻倍，從而使其晶格常數翻倍，並進一步提供了與晶格常數為＜100＞的矽合適匹配。
在一些例子中，氧空位位於面對角線的末端。在其他些例子中，氧空位分佈在面對角線和體對角線的兩端。
埋入金屬接觸層可以使用半導體層上磊晶沉積出的金屬。磊晶金屬層可以直接生長在半導體層和/或直接生長在基板上。在一些示例中，可選的過渡層可位於磊晶金屬層和其下的半導體層之間，和/或位於磊晶金屬層和其下的基板之間。正如埋入接觸層會帶來的電性優勢一樣，金屬和可用之上覆的半導體之間也常常存在相互作用。這些相互作用，例如在射頻濾波器中，當金屬和半導體(以及任何介入的介面)之間的介面是高品質且幾乎沒有缺陷時更有用。此外，磊晶的金屬可以比濺鍍的金屬更薄，同時保持高的薄膜品質。這在一定程度上是因為磊晶層的品質更高，且隨著層的變薄，介面在整個材料中所占的比例更大。因此，厚膜受介面品質差的影響較小，其性能主要受大塊材料性能的影響，而薄膜的性能主要受介面性能的影響。因此，在沉積薄膜時，高品質的介面非常重要。
此外，磊晶金屬層可用於修改磊晶層堆疊的反射率。對於從頂部表面發出光的器件，向基板發出的光通常被認為是總輸出功率的損失。例如，在垂直腔面發射雷射器(vertical cavity surface emitting lasers，VCSELs)中，後反射鏡的反射率必須達到＞99.8%。單靠半導體材料很難做到這一點。
圖18所繪為計算得到的具有和不具有磊晶金屬電極的分散式布拉格反射器(DBR)的反射率，其中，在標準III-N之DBR之下添加結晶的稀土氧化物和金屬可使峰值反射率增加2%。III-N材料是由第III族物質和氮組成的物質。第III族元素可能包括元素週期表第III族的一個或多個元素，包括B、Al、Ga、In及Tl。III-N層可以為包含多個第III族元素的化合物。III-N層可包括二元化合物如氮化鎵(GaN)、三元化合物如Alx Ga1-x N (0≤x≤1)和Inx Ga1-x N (0≤x≤1)、四元化合物如Inx Aly Ga1-x-y N (0≤x,y≤1)和五元化合物如Gax In1-x Asy Sbz N1-y-z (0≤x,y,z≤1)。III-N層可以是未摻雜的，無意中摻雜的，或摻雜了施體或受體。
結晶的稀土氧化物(REO)磊晶層可作為半導體基板(如矽)上之磊晶金屬的模板。可以使用除矽以外的基板，例如鍺、矽鍺合金、藍寶石、二氧化矽、絕緣體上矽(SOI)和半導體上矽(SOS)，具有上述任何一種頂層的基板，以及任何半導體基板。在金屬磊晶的目的方面，與YSZ相比，稀土氧化物晶體是一種優越的材料。首先，結晶的稀土氧化物和基板之間的介面被設置為磊晶製程的一部分。藉由選擇適當的稀土氧化物，結晶的稀土氧化物模板可以磊晶生長達100%(或接近100%)立方體，沒有第二相。有利於整體磊晶堆疊之稀土氧化物的其他參數和製程特性是無任何寄生電荷之氧化物-矽的介面，其密度高於YSZ (8.6-6.1 g/cm3 )，且其導熱係數是YSZ的5倍。除了作為磊晶金屬生長的模版外，結晶的稀土氧化物層還可以防止磊晶金屬層與位於其下的任何基板之間的相互擴散。例如，這可以防止形成不需要的金屬矽化物(當基板是矽時)。
圖1所示為根據實施例之層狀結構400的示例圖。層狀結構100包括基板102、在基板102上生長的稀土氧化物層104、在稀土氧化物層104上磊晶生長的金屬層106和在金屬層106上磊晶生長的半導體層108。稀土氧化物層104的厚度被定義為tox，其中通常氧化層的厚度被定義為0 ＜ = tox ＜ = 500 nm。圖1中所示的層狀結構100可以在單一磊晶製程中製備，可以是分子束磊晶(molecular beam epitaxy，MBE)、金屬有機氣相磊晶(metalorganic vapor phase epitaxy，MOCVD)或任何其他眾所周知的磊晶沉積技術。根據製程要求，沉積材料的沉積工具可以是單腔，也可以使用任何一種眾所周知的組合設備工具的型式，其中特定的製程部分是在不同的互連腔中完成的，或者可以使用多種沉積工具。結晶的稀土氧化物層104是磊晶金屬層106的模板，磊晶金屬層106可以包含一個或多個分子磊晶金屬層。所述半導體層108可以包括選自由III-N材料、III-V材料和第IV族材料所組成群組的一個或多個材料。III-V材料包括一個或多個來自元素週期表第III族的物種(如B、Al、Ga、In和Tl)和一個或多個選自元素週期表第V族的物種(如N、P、As、Sb和Bi)。III-N材料是一種III-V材料，包括第III族中的一種元素和氮。III-N材料的例子包括GaN、Inx Aly Ga1-x-yN( 0≤x, y≤1)和/或AlN。其他III-V材料的示例包括一個或多個GaAs、InP、InAs、InSb、InGaAs、GaAsP、InGaAsP等。在一些實施例中，稀土氧化物層104的氧和金屬比的範圍為1到2。在一些實施例中，稀土氧化物層104的氧金屬比可在1.4到1.6之間。
圖1的層狀結構100可以生長在基板102 (如矽基板)上。如果濾波器中的半導體材料是磊晶的，那麼它可以將生長在濾波器上方的附加半導體元件(不一定直接與濾波器電連接)整合在一起。例如，電晶體(包括場效電晶體、高電子遷移率電晶體和異質結雙極電晶體)可以在濾波器上生長，從而減少給定系統所需的晶片面積。
圖2係繪示製造如圖1所示之單一磊晶製程之流程圖200。結晶的稀土氧化物層104磊晶生長於基板102上。金屬層106磊晶生長於結晶的稀土氧化物層104之上。半導體層108磊晶生長於金屬層106之上。在一些實施例中，附加的金屬層210可以磊晶生長於半導體層108之上。圖2所示的每一層可以包括一個或多個子層。每一層的組成在圖3-13有更詳細的描述。
所使用的磊晶金屬可以是稀土金屬、釕或鉬等金屬，或下面表1中列出的其他代表性金屬。在選擇用於磊晶金屬層210的金屬元件時，需要考慮的屬性包括電阻率、密度、楊氏係數和折射率，這些屬性決定了該層的光學和聲學特性。表1中沒有列出的其他金屬也可以使用。 表1. 金屬層的金屬示例
金屬 晶體結構 電阻率 (nΩ-m) 密度 (g/cm3 ) 楊氏係數 (GPa) 折射率 @ 635 nm
钌 hcp 71 12.5 447  
鉬 bcc 53 10.3 329 3.71
鉑 fcc 105 21.5 168 2.33
銅 fcc 17 8.9 119 0.23
鋁 fcc 28 2.7 70 1.39
釹 fcc 643 7.0 41  
釓 dhcp 1310 7.9 55  
鉺 hcp 860 9.1 70  
鐿 fcc 250 6.9 24  
鈧 hcp 562 2.9 74  
表1: 有代表性的金屬和選定的性能 (hcp-六方最密堆積，fcc-面心立方，bcc-體心立方，dhcp-雙層六方最密堆積)
例如，基板102可以由矽組成；稀土氧化物層104可能由氧金屬比為1.5的氧化鉺(ErO1.5 )組成以及第一金屬層106可由鉬(Mo)組成。第一半導體層可由Alx Sc1-x N(0≤x ＜1)組成，基板102由矽組成時，其晶格取向可以為＜111＞，第一金屬層由鉬組成時，其晶格取向可以為＜110＞。在本例中，稀土氧化物中的氧-金屬比可在1.4到1.6之間。
另一例子，由矽構成的基板102的晶格取向可為＜100＞，由ErO1.5 構成的稀土氧化物層104的晶格取向可為＜110＞，由鉬構成的第一金屬層106的晶格取向可為＜211＞。在本例中，稀土氧化物中的氧-金屬比可在1.4到1.6之間，半導體層108可有多種成分。
圖3-5描繪的結構包括結晶的稀土氧化物層104上的多個磊晶金屬層。圖3-5中的磊晶金屬層可包括多個金屬層。多個金屬層可以以堆疊的形式生長，如圖3-4所示，例如，從一種金屬到另一種金屬的階段變化，或如圖5所示的漸進變化。僅為說明目的，圖3-5中描述了兩種類型的金屬層，但結構中可採用類似圖3 - 5所示的方式而使用兩種以上的金屬層。
圖3所示為描述根據說明性實施例的層狀結構300的示例圖。層狀結構300包括第一金屬層302磊晶生長在稀土氧化物層104上，第二金屬層304磊晶生長在第一金屬層302上，採用逐步式配置。在一些實施例中，第一金屬層302和第二金屬層304中的金屬可相同。在一些實施例中，第一金屬層302和第二金屬層304中的金屬可能不同。在一些實施例中，第一金屬層302和第二金屬層304可以具有相同的厚度。在一些實施例中，第一金屬層302的厚度可能與第二金屬層304不同。
圖4所示為根據說明性實施例說明層狀結構400的示例圖。在超晶格型配置中，層狀結構400包括第一金屬(402、406層)和第二金屬(404、408層)的多個交替層，它們在稀土氧化物層104上磊晶生長。在一些實施例中，第一金屬層402、406和第二金屬層404、408中的金屬可能是相同的。在一些實施例中，第一層402、406中的金屬和第二層404和406中的金屬可能不同。在一些實施例中，第一金屬層402、406和第二金屬層404、408可能具有相同的厚度。在一些實施例中，第一金屬層402、406的厚度可能與第二金屬層404和408不同。需要注意的是，圖4所示為兩種不同類型的金屬層的重複次數為僅供說明之目的，結構中可使用不同的重複次數(如三次、四次、五次等)。
圖5所示為根據說明性實施例說明層狀結構500的示例圖。層狀結構500包括一金屬層106磊晶生長於稀土氧化物層104上，其中金屬層106具有第一區域502和第二區域504，且第一金屬的濃度和第二金屬的第二濃度為漸進變化。圖5中第一和第二金屬的第一和第二濃度的漸進變化可以是線性的(例如，從第一金屬到第二金屬的成分的線性變化)、超線性的(例如，高階多項式)、次線性的或逐步的(例如，材料成分為不連續的變化)。在一些實施例中，第一濃度可以在第一區域502中具有第一值，在第二區域504中具有第二值。第一金屬的濃度可在金屬層106的整個厚度上變化。同樣地，第二金屬的第二濃度可以在第一區域502中有第三值，以及在第二區域504中有一第四值。第二金屬的濃度可能在金屬層106的整個厚度上變化。
圖3-5中所示的層狀結構300-500可包括在射頻(RF)濾波器中。生長在磊晶金屬層106上的半導體層108可作為耦合機電共振器的壓電材料。第一磊晶金屬層(302,402)可以是射頻濾波器的一第一電極，第二金屬層(304,404)可以是射頻濾波器的一第二電極。磊晶金屬層對於射頻濾波器中的電極特別有用，因為它們提供了具有單晶結構的金屬的高電導率，此單晶結構充當隨後在金屬層上生長單晶層（例如半導體層）的模板。單晶半導體層作為射頻濾波器中的半導體材料是有用的，因為它們提供更高的壓電係數、更窄的頻寬和更低的損耗。在某種程度上，性能的提高是由於磊晶金屬電極品質和晶體註冊(crystalline registry)，讓後續沉積的薄膜具有更高品質。
圖中3-5所示的任何結構可以包括在光學裝置中。其中一個應用就是分散式布拉格反射器(DBR)。對於DBR，一個重要的考慮因素是組成層之間的折射率。折射率越不同，所需的週期越短及阻帶越寬。這提供了一種降低總層厚度且從而降低製造成本/複雜性的方法。例如，在使用半導體AlN和GaN的DBR中，420奈米處的折射率差值為0.34。如果將這兩種材料改為磊晶鉬上的AlN，這種差異將增加到0.85。
在許多光子裝置中，所有的光都不垂直於磊晶表面。當DBRs由折射率差別很小的半導體構成時，反射率與入射角有很強的相關性。與沒有磊晶金屬層106的層狀結構100相比，層狀結構100的反射率性能的例子如圖18-20所示。
圖6-8描繪的結構包括基板102上的多層之結晶的稀土氧化物層。圖6及7中稀土氧化物層106可以包括多個稀土氧化物層。多個稀土氧化物層可以像圖6-7那樣堆疊生長，例如從一種稀土氧化物類型到另一種稀土氧化物類型的階段變化，或如圖8所示的漸進變化。在一些實施例中，可能會出現這樣的情況，第一最佳稀土氧化物被放置在鄰近基板102的位置，以及第二最佳稀土氧化物被放置以支撐金屬層106的磊晶位置。僅為說明目的，圖6-8中描述了兩種類型的稀土氧化物層，但也可以與圖6-8類似的方式，在結構使用兩種以上的稀土氧化物層。
圖6描述了一種層狀結構600，該層狀結構包括在基板102上磊晶生長的第一稀土氧化物層602，在逐步型配置中磊晶生長的第一稀土氧化物層604。在一些實施例中，第一稀土氧化物層602和第二稀土氧化物層604中的稀土金屬可能相同。在一些實施例中，第一稀土氧化物層602和第二稀土氧化物層604中的稀土金屬可能不同。在一些實施例中，第一稀土氧化物層602和第二稀土氧化物層604可以具有相同的厚度。在一些實施例中，第一稀土氧化物層602的厚度可能與第二稀土氧化物層604不同。在一些實施例中，第一稀土金屬可在第一層602中具有一第一濃度，在第二層604中具有一第二濃度。同樣地，第二稀土金屬可能在第一層602中具有一第三濃度，在第二層604中具有一第四濃度。在一些實施例中，第一層602和第二層604中的氧濃度可能不同。
圖7描述了一種層狀結構700，該層狀結構包括超晶格型配置中磊晶生長在基板102上的第一稀土氧化物層(層702、706)和第二稀土氧化物層(層704、708)的多個交替層。在一些實施例中，第一稀土氧化物層702、706和第二稀土金屬氧化物層704、708中的稀土金屬可能是相同的。在一些實施例中，第一層702、706中的稀土金屬和第二層704、706中的稀土金屬可能不同。在一些實施例中，第一稀土氧化物層702、706和第二稀土氧化物層704、708可能具有相同的厚度。在一些實施例中，第一稀土氧化物層702、706的厚度可能與第二稀土氧化物層704和708不同。在一些實施例中，第一稀土金屬可在層702中具有第一濃度，在層704中具有第二濃度。同樣的，第二稀土金屬可能在層702有第三濃度，在層704有第四濃度。在一些實施例中，氧的濃度在層702和層704可能不同。需要注意的是，圖7所示為兩種不同類型稀土氧化物層的重複次數，僅供說明目的，不同次數的重複次數(如3、4、5等)亦可使用於結構中。
圖8所示為根據說明性實施例來說明層狀結構800的示例圖。層狀結構800包括磊晶生長於基板102的稀土氧化物層104，上述稀土氧化物層106具有第一區域802及第二區域804，其中將第一稀土金屬的第一濃度及第二稀土金屬的第二濃度修飾為漸進變化的配置。圖8中第一和第二金屬的第一和第二濃度的漸進變化可以是線性的(例如，從第一金屬到第二金屬的成分的線性變化)、超線性的(例如，高階多項式)、次線性的或逐步的(例如，材料成分的不連續變化)。在一些實施例中，第一稀土金屬的第一濃度可以在第一區域802中具有第一值，以及在第二區域804中具有第二值。第一稀土金屬的濃度可隨金屬層106的厚度而變化。同樣地，第二金屬的第二濃度可以在第一區域802中有第三值，以及在第二區域804中有第四值。第二金屬的濃度可能隨金屬層106的厚度而變化。
圖9所示為根據說明性實施例說明層狀結構900的示例圖。層狀結構800描述了圖1所示的結構的一個例子，其在半導體層108是一個III-N層，特別是一個Al1-x Scx N (0≤x≤1)層，金屬層106是鉬層，稀土氧化物層104是Er2 O3 層以及基板102為矽＜111＞基板。圖9中所示的結構的其他例子是可能的，並且每層可能包括圖3-8中所述的一個或多個子層。
在一些實施例中，如圖1所示的層狀結構100可被修飾為包括介於磊晶金屬層106和半導體層108之間或介於稀土氧化物層104和磊晶金屬層106之間的中間層。這中間層的目的是為了允許從氧化物到金屬或金屬到半導體的化學或結晶學工程轉變。化學工程可包括在半導體或金屬層的初始磊晶沉積過程中促進半導體或金屬原子的成核或轉移。晶體學工程可能包括説明金屬和半導體層之間的晶體結構或晶格常數的轉變。晶體結構轉變的一個例子是由六邊形的晶體結構轉變為立方型的晶體結構。
圖10所示為根據說明性實施例說明層狀結構1000的示例圖。層狀結構1000描述了位於一中間層1002上的一磊晶金屬106，其磊晶生長在晶體稀土氧化層104上。在一些實施例中，中間層1002可以是由磊晶金屬層106中的金屬和氧的組合製成的金屬氧化物1004。
圖11所示為根據說明性實施例說明層狀結構1100的示例圖。層狀結構1100描述了位於稀土氧化物層104上的磊晶金屬層106、位於磊晶金屬層上的磊晶中間層1104和位於磊晶中間層1104上的磊晶半導體層106。在一些實施例中，中間層可由金屬矽化物組成。在一些實施例中，中間層可由氮化金屬1106構成。在一些實施例中，中間層1104可由稀土磷化物1108組成，通常包括氮化稀土、砷化稀土和磷化稀土。在一些實施例中，中間層1104可由二維(2D)電極1110構成。
在一些實施例中，在另一半導體層108上可磊晶生長更多不同組成/類型的半導體。在一些實施例中，第二金屬可生長在半導體層之上。對於本實施例，任何前述的金屬磊晶方式皆可使用，並且任何前述磊晶生長於金屬與半導體之間的中間層，皆可根據最終磊晶堆疊所需的特性使用。半導體上方的層不必與半導體下方的層匹配。例如，半導體上方的層可能與半導體下方的層相同或不同。
在一些實施例中，磊晶金屬層可生長在半導體層108之上。在一些實施例中，可以在半導體層108和磊晶金屬層之間生長三種可能的磊晶中間層，金屬矽化物、金屬氮化物和稀土磷屬化物可以生長於半導體層108及磊晶金屬層之間。如果選擇在半導體層108上生長n個磊晶金屬層，則可以重複上面的任何一個或所有例子，以便在金屬上磊晶生長另一個半導體層。
圖12所示為根據說明性實施例說明由層狀結構1202和1204的單元所組成的裝置。層狀結構1200描述了一個具有可選中間層的重複金屬/半導體結構的例子。圖12描繪了一個由三個單元組成的堆疊層1204。堆疊層1204可能包含其他數量的單元，但是為了說明起見，這裡顯示了三個單元。每個單元可能是相同的，或者一個堆疊層中的一個或多個單元可能是不同的。層狀結構1202描述了堆疊層1204中的示例單元。本示例單元包括在第一磊晶金屬層上磊晶生長的第一中間層、在第一中間層上磊晶生長的半導體層108、在半導體層上磊晶生長的一第二中間層和在第二中間層上磊晶生長的第二磊晶金屬層。堆疊層中的任何單元都可以不包含、包含其一或包含第一和第二中間層。此外，一個單元中的第二磊晶金屬層可以與上述單元中的第一磊晶金屬層相同。一個單元中的一個或兩個磊晶金屬層可以是單一金屬層、漸變金屬層、具有多個子層的金屬層和/或具有多個金屬層的超晶格。如堆疊層1204所示的堆疊層，其可以用於光子應用。例如，一個堆疊層可以是一個金屬-半導體反射鏡，如DBR。
圖13所示為根據說明性實施例說明層狀結構1302、1304、1306的示例圖。層狀結構1302、1304和1306描述了最終磊晶層的示例，用以匹配下面的層以進行異地處理和/或元件操作。這些包括但不限於如層狀結構1302所示的使用金屬矽化物來保護上金屬層氧化、如層狀結構1304所示的加入石墨烯或其他二維結構提高導電率以及如層狀結構1306所示的添加晶體稀土氧化物層作為介電層或絕緣層以電隔離底層的磊晶堆疊。在一些實施例中，第二磊晶金屬層可生長在稀土氧化物層之上，如同生長在半導體108之上。需注意的是，儘管這三個最上面的層被顯示為單層實體，但可以預期的是，要提供此類複數層可能需要此處未顯示的其他層。
圖14所示為根據說明性實施例對層狀結構100進行修飾的示例圖。層狀結構1402描述為半導體層108上的第二磊晶金屬層1404。層狀結構1406描述了生長在第二磊晶金屬層1404上的第二半導體層1408。在一些實施例中，第二磊晶金屬層1404和第二半導體層1408的組合可以是鏡面。位於第二磊晶金屬層1404之上的層可以用作下一階段磊晶的模板，以提供附加功能。氧化物的生長可使部分的層狀結構1406與層狀結構100電性隔離，以使部分層狀結構1406可生長於其上。
圖15所示為根據說明性實施例說明層狀結構1500的示例圖。層狀結構1500描述了稀土氧化物層104和磊晶金屬層106的組合1502之多次重複模式，以在堆疊上生長半導體108之前構建堆疊層1504。在一些實施例中，在半導體層生長於堆疊層1504之前，組合1502的部分可以是1、2、3……20……次或任何其他次數。
圖16所示為根據說明性實施例說明層狀結構1602和1606的示例圖。層狀結構1602描繪了一個磊晶金屬層106，其通過在反應器內加入遮罩、氧化物表面的圖案或金屬化學的控制，以使磊晶金屬層106生長為三維的而不是二維的，來分割該磊晶金屬層106。在一些實施例中，半導體層108可以在分段的金屬層106上連續地成長。在一些實施例中，半導體第108層也可通過在反應器內加入遮罩、氧化物表面的圖案或控制金屬化學，以使生長為三維的而不是二維的，來分割該半導體層108，如1606所示。在一些實施例中，第二金屬層1604可生長在分割後的半導體層108上，其中金屬層1404生長在半導體層108中各段之間的空腔中。第二金屬層1604可以生長在半導體層108的不同部分上。在一些實施例中，上游製程可以使用第二金屬層的金屬作為後續製程步驟的模板/晶種(例如，厚接墊的電鍍)。在一些實施例中，如果生長在金屬之上或生長在氧化物之上，半導體層108可能具有不同的功能。
圖17根據現有技術的實施例(來自S. Tanifuji et al, Proceedings 2009 IEEE International Ultrasonic Symposium, p. 2170，全部引用)，顯示了共振頻率為不同厚度金屬電極中AlN厚度的函數。在這裡，晶體品質也很重要，因為在多晶金屬層中，由於缺陷和晶界的增加，電阻率會隨著厚度的減少而增加。
圖19描繪了如何由11個週期的AlN及GaN所建構的DBR圖。當入射角增加時，有效層厚度致使阻帶朝向較低波長移動，這意味著在某個角度上，設計波長(本例中為450nm)將落在中心阻帶之外。
在金屬(本例中為鉬)上添加AlN大大降低了對入射角的敏感性。
圖20描繪了對於在單對Mo上之AlN建構11週期的AlN-GaN DBR及10週期的AlN-GaN DBR之在450奈米下計算所得的反射率。從60°入射角可以看出，磊晶金屬層的加入使反射率從30%提高到65%
磊晶金屬層導致更大的晶粒尺寸和更少的晶界，這使得與晶界和缺陷相關的損失變得顯著之前，能使金屬層更薄。此外，金屬層和半導體之間的介面是乾淨且分離的，相較於多晶/濺鍍DBR的結構，這兩者都減少了半導體-金屬DBR的損耗。
圖21是根據說明性實施例生長層狀結構100的製造流程圖2100。當得到一個基板102時，本製程從2102開始。在2104，第一稀土氧化物層104生長在基板102上。在2106，第一金屬層106磊晶生長於第一稀土氧化物層104之上。在2108，半導體層108磊晶生長於第一金屬層106之上。
在2102，得到一個基板(如圖1中的基板102)。在一些實施例中，基板包括選自於矽(Si)、鍺(Ge)、絕緣體上矽(SOI)和碳化矽(SiC)所組成的群組中第IV族元素。在一例中，基板的晶格取向為＜100＞或＜111＞，其錯切高達10度。
在2104，第一稀土氧化物層(例如，參見圖1中的稀土氧化物層104)在基板上磊晶生長。
在2106，第一金屬層(例如，參見圖1中的金屬層106)在第一稀土氧化物層上磊晶生長。
在2108，第一半導體層(例如，參見圖1中的半導體層104在第一金屬層上磊晶生長。
圖22A-C所示為根據本發明的實施例，於含有多孔矽部的矽基板建構金屬電極之層狀結構的示例圖。如層狀結構2201-2203所示，基板102可具有多孔部102a。例如，基板102可以是單片基板，可以包含一個或多個第IV族元素，如Si、Ge、絕緣體上矽(SOI)和SiGe。所述多孔部102a的形式可為子層。在2201-2203，多孔子層102a可位於基板102的上部，以使多孔子層102的上表面是直接接觸基板102上的層，且多孔子層102a與其他層間沒有任何過渡層。例如，在2201，一磊晶金屬層直接位於多孔子層102a之上，半導體層108位於磊晶金屬層106之上。在2202所示的另一個例子中，任何附加層都可以直接位於多孔子層102a之上，例如半導體層108。
如2203所示，基板102中的多孔部可以是非連續的，例如，具有非連續和非重疊的多孔部102a和102b。例如，多孔部的不連續性可以擴展到三維全部，例如，在二維中，不同的多孔部可以垂直地或水平地分佈在基板102中。例如，多孔部的不同部分或區域(如102a/b)可能具有不同的孔隙度。
圖23A-B提供依據一實施例之層狀結構建構於如圖22A-C所示之層狀結構的示例圖，且稀土氧化物層支撐金屬層。如2301和2302所示，稀土氧化物層104可以生長或沉積在基板102上，磊晶金屬層106可以生長或沉積在稀土氧化物層104上。具體地說，在2301，過渡層102c (例如，以基板102的連續子層形式) 位於多孔部102和任何其他生長或沉積在基板102上用以過渡多孔矽至另一層的其他層(例如，本例中的稀土氧化物層104)之間。過渡層102c的厚度可以是5-10 nm。
另外，如2302所示，多孔子層102a和稀土氧化物層104之間沒有過渡層。即稀土氧化物層104直接生長或沉積在多孔子層102a上。
圖24A-B和25A-B根據本文描述的實施例提供各種示例圖，顯示使用非連續的稀土氧化物區域來定義基板中多孔部分的位置的層狀結構。如2401所示，稀土氧化物層可具有不連續的圖案，例如互不重疊的第一區域104a和第二區域104b。稀土氧化層的非連續區域104a-b可以採用類似於網格、行、列、點、環或其他不規則形狀的形式。磊晶金屬層106位於非連續區域104a和104b之間的一個空區，且以前述空區為邊界。或者，磊晶金屬層106所在的空區可以被稀土氧化物層的連續部分所包圍。
磊晶金屬層106與基板102直接接觸。第二半導體層109可生長或沉積於第一半導體層108之上，另一稀土氧化物層112可生長或沉積於第二半導體層108之上。
如2402所示，基板102可具有多孔部102a。多孔部102a的邊界與磊晶金屬層106的邊界對齊。因此，多孔部102a的大小也受稀土氧化物區域104a和104b之間的間隙或空間的限制。
如2501所示，非連續的稀土氧化物區域104a-b可能進一步束縛第一半導體層108。即第一半導體層108可以在磊晶金屬層106上沉積或生長，也可以在非連續的稀土氧化物區104a-b之間的空區中生長。
如2502所示，基板中多孔部102a與磊晶金屬層106對齊，即以稀土氧化物區域104a和104b之間的空區為界。
值得注意的是，多孔部102a和非連續稀土氧化物區域104a-b之間的空區僅用於說明。在一些實施例中，在基板102中可以有多個非連續的多孔部，每個多孔部與稀土氧化物層中各自的空區對齊。在稀土氧化物層中每個各自的空區可以填充一磊晶金屬層106(如圖24A-B所示)，或磊晶金屬層106和半導體層108的組合(如圖25A-B所示)。當一層狀結構在稀土氧化物層中包含兩個或兩個以上的空區時，其中一部分空區可能只被磊晶金屬層填充(如圖24A-B所示)，另一部分空區可以用金屬和半導體的組合來填充(如圖25A-B所示)。
圖26所示為依據一實施例之層狀結構示例圖，該層狀結構具有磊晶金屬層，該金屬層用位於金屬層和基板之間的連續稀土氧化物層來定義基板的多孔部分的邊界。在2600，於基板102上生長或沉積了連續的稀土氧化物層104。磊晶金屬層106生長或沉積於稀土氧化物層104之上，但其尺寸小於稀土氧化物層104。基板102的多孔部102a與磊晶金屬層106的邊界對齊，中間是連續的稀土氧化物層104。
在一些實施例中，第一半導體層108生長於或沉積於磊晶金屬層106之上。第一半導體層108的一部分可與稀土氧化物層104接觸。
在一些實施例中，磊晶金屬層106可以包括分佈在稀土氧化物層104上的多個非連續區域。每個所述多個非連續區域都可以與所述基板102中的各自多孔部對齊，所述稀土氧化物層104位於磊晶金屬層106和基板102之間。
圖27提供了根據本發明描述的實施例說明具有多個半導體的層狀結構的示例圖。例如，在本文所述的任何層狀結構中都可以使用多種半導體。如圖27所示，半導體108、109和110可以依次生長或沉積，而半導體108和109可以形成一裝置層，半導體109和110可以形成另一裝置層。例如，該裝置層可以是高電子遷移率電晶體(HEMT)等。所述半導體108-110中的任何一種都可以通過更安全的鍵合操作來提供。
半導體之間的介面可包括加入氧化物、金屬或其組合以作為兩個半導體層108和109，或109和110之間的介面。例如，如圖27所示，稀土氧化物層124可能介於半導體109和半導體110之間。另一個例子，一磊晶金屬層126可能在半導體109和半導體110之間。又另一例子，稀土氧化物層124和磊晶金屬層126的組合可能在半導體109和半導體110之間。又另一例子，一種稀土氧化物層124a、磊晶金屬層126和另一種稀土氧化物層124b的組合可能介於半導體109和半導體110之間。在其他實施例中，重複之稀土氧化物層和磊晶金屬層的組合可做為半導體109和半導體110之間的介面。上述任一介面層也可應用於半導體108和半導體109之間。
此處所述的增長和/或沉積可為執行藉由化學汽相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、金屬有機化學汽相沉積(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)、有機金屬汽相磊晶(organometallic vapor phase epitaxy，OMVPE)、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy，MBE)、鹵汽相磊晶(halide vapor phase epitaxy，HVPE)、脈衝鐳射沉積(pulsed laser deposition，PLD)和/或物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)。
如本文所述，一個層是指覆蓋在表面上具有實質均勻厚度的材料。一個層可以是連續的，也可以是不連續的(例如，材料區域之間有間隙)。例如，一個層可以完全或部分覆蓋一個表面，或被分割成獨立的區域，這些區域共同定義了該層(即，區域形成使用選擇區域磊晶)。
單片集成是指在基板表面形成的，通常是通過在基板表面沉積多層而形成的。
「沉積於…上」的意思是存在於底部材料或底層之上或在底部材料或底層之上。這底層可包括中間層，如過渡層，以確保合適的表面。例如，如果一種材料被描述為「沉積於基板上」或「於基板之上」，這意味著(1)該材料與基板有親密接觸；或(2)該材料與位於基板上的一個或多個過渡層接觸。
單晶是指實質上只包含一種單位晶格的晶體結構。然而，單晶層可能會出現一些晶體缺陷，如堆積缺陷、錯位或其他常見的晶體缺陷。
單晶域(domain)是指晶體結構基本上只包含一種單位晶格的結構和基本上只包含一種單位晶格的取向。換句話說，單域晶體沒有雙相晶域或反相晶域。
單相(phase)是指同時為單晶和單晶域結構的晶體結構。
基板是指在其上形成沉積層的材料。示例基板包括但不限於：大塊鍺晶圓片、大塊矽晶圓片，其中晶圓片包含均勻厚度的單晶矽或鍺；複合晶圓片，如絕緣體上矽晶圓片，其包括一層矽，該矽層設置在一層二氧化矽上，該二氧化矽設置在一大塊矽晶圓上；或者多孔鍺、氧化物和矽上的鍺、矽上鍺、圖案化的鍺、鍺上的鍺錫合金和/或類似的材料；或作為基礎層的任何其他材料，在基礎層之上或之中可形成元件。作為應用的一種功能，適用於用作基板層和大塊基板的其他材料包括但不限於氧化鋁、砷化鎵、磷化銦、氧化矽(silica)、二氧化矽(silicon dioxide)、硼矽酸鹽玻璃、耐熱玻璃和藍寶石。基板可以有單個大塊晶圓片，也可以有多個子層。具體地說，基板(如矽、鍺等)可以包括多個非連續的多孔部分。所述多個非連續多孔部分可具有不同密度，可水平分佈或垂直分層。
錯切基板是指包括表面晶體結構的基板，該表面晶體結構以與基板的晶體結構相關的角度定向。例如，一個6°錯切＜100＞的矽晶圓包含一個＜100＞的矽晶圓，該矽晶圓被切割成與＜100＞的晶體方向成6°的角度，朝向另一個主要的晶體方向，如＜110＞。通常，但不必然，錯切將高達20°左右。除非特別註明，「錯切基板」一詞包括具有任何主要晶格取向的錯切晶圓片。也就是說，一個＜111＞晶圓片朝＜011＞方向錯切，一格＜100＞晶圓片朝＜110＞方向錯切，一個＜011＞晶圓片朝＜001＞方向錯切。
半導體是指在絕緣體和大多數金屬之間具有導電性的任何固體物質。例如，一個半導體層是由矽構成的。所述半導體層可以包括單塊晶圓片或多個子層。具體地說，矽半導體層可以包括多個非連續的多孔部。多個非連續的多孔部可能具有不同的密度，可能是水平分佈的，也可能是垂直分層的。
絕緣體上的半導體是指包括單晶半導體層、單相介電層和基板的組合物，其中介電層夾在半導體層和基板之間。這種結構讓人聯想到習知的絕緣體上矽(SOI)的組成，它通常包括單晶矽基板、非單相介電層(如非晶二氧化矽等)和單晶矽半導體層。習知SOI晶圓片與發明的半導體-絕緣體組合物之間的幾個重要區別是:
絕緣體上半導體組合物包括具有單相態樣的介電層，而絕緣體上半導體的晶圓片不具有。事實上，典型絕緣體上的晶圓片的絕緣層甚至不是單晶。
絕緣體上半導體元件包括矽、鍺或矽鍺「主動層」，而習知的絕緣體上矽的晶圓片使用矽主動層。換句話說，示例型的絕緣體上半導體組合物包括但不限於：絕緣體上矽、絕緣體上鍺和絕緣體上矽鍺。
在此描述和/或描繪為「配置在第二層上」、「在第二層上面」或「第二層之上」的第一層，其可以直接與第二層相鄰，或者在第一層和第二層之間有一個或多個中間層。在此描述和/或描繪為「直接在第二層或基板上面」或「直接在第二層或基板之上」的第一層，其可以直接與第二層或基板無中間層地直接相鄰。除了可能是一種中間合金層，其可能由於混合的第一層與第二層或基板而形成。此外，在此描述和/或描繪為「在第二層或基板上面」、「在第二層或基板之上」、「直接在第二層或基板上面」或「直接第二層或基板之上」的第一層可覆蓋整個第二層或基板，或第二層或基板的一部分。
當層生長時基板放置在基板架上，所以頂面或上表面是基板或離基板支架最遠的層之表面，而底面或更低的表面是基板或離基板支架最近的層之表面。這裡描述和描述的任何結構都可以是更大結構的一部分，且在這些結構的上面和/或下面可有附加的層。為了清楚，這裡的圖可以省略這些額外的層，儘管這些額外的層可以是公開結構的一部分。此外，所描述的結構可以以單位重複之，即使這種重複沒有在圖中描述。
從上述描述中可以明顯看出，可以使用各種技術來實現本文所描述的概念，而不偏離本揭露的範圍。所描述的實施例將被視為在所有方面都是說明性的，而不是限制性的。還應該理解，本文中描述的技術和結構並不侷限於本文中描述的特定示例，而是可以在不偏離本皆露範圍的情況下在其他示例中實現。類似地，雖然圖中所描述的操作是按照特定的順序進行的，但不應將此理解為要求按照所示的特定順序或順序進行此類操作，或要求執行所有已說明的操作以獲得所需的結果。
100:層狀結構 102:基板 104:晶狀稀土氧化物層 106:金屬層 108:半導體層 200:單一磊晶製程之製程圖 210:磊晶金屬層 300:層狀結構 302:第一金屬層 304:第二金屬層 400:層狀結構 402:第一金屬層 404:第二金屬層 406:第一金屬層 408:第二金屬層 500:層狀結構 502:第一區域 504:第二區域 600:層狀結構 602:第一稀土氧化物層 604:第二稀土氧化物層 700:層狀結構 702:第一稀土氧化物層 704:第二稀土氧化物層 706:第一稀土氧化物層 708:第二稀土氧化物層 800:層狀結構 802:第一區域 804:第二區域 900:層狀結構 1000:層狀結構 1002:中間層 1004:金屬氧化物 1100:層狀結構 1104:磊晶中間層 1106:氮化金屬 1108:稀土磷化物 1110:二維電極 1200:層狀結構 1202:層狀結構 1204:堆疊層 1302:層狀結構 1304:層狀結構 1306:層狀結構 1402:層狀結構 1404:第二磊晶金屬層 1406:層狀結構 1408:第二半導體層 1500:層狀結構 1502:組合 1504:堆疊層 1602:層狀結構 2100:製程圖 2102-2108:步驟 2201:層狀結構 102a:多孔部 2202:層狀結構 2203:層狀結構 102b:多孔部 102c:過渡層 104a:第一區域 104b:第二區域 109:第二半導體層 110:第三半導體層 124:稀土氧化物層 124a:第一稀土氧化物層 124b:第二稀土氧化物層 126:磊晶金屬層
本揭露的進一步特徵、性質和各種優點將根據以下詳細描述變得明顯，並一併參考附圖，其中: 圖1係繪示依據一實施例之描述用於在基板和半導體層之間生長磊晶金屬層的層狀結構； 圖2係繪示依據一實施例之如圖1生長上述層狀結構的流程圖； 圖3-16係繪示依據一實施例之描述各種層狀結構的例子，且每一個都是圖1所示層狀結構的具體例子； 圖17係繪示依據先前技術實施例之將共振頻率描述為不同厚度金屬電極的AlN厚度函數； 圖18係繪示計算得到的帶有和不帶有磊晶金屬電極的分散式布拉格反射器(DBR)的反射率，其中在標準III-N之DBR下添加結晶的稀土氧化物和金屬可使峰值反射率增加2%； 圖19係繪示依據一實施例之DBR如何由AlN及GaN的11個週期建構的圖； 圖20係繪示依據一實施例之標準AlN-GaN DBR及建構於單對AlN/Mo之AlN-GaN DBR在450奈米下計算的反射率； 圖21係繪示依據一實施例之如圖1層狀結構的生長方法流程圖； 圖22A-C係繪示依據一實施例之層狀結構的金屬電極建構於含有多孔矽部的矽基板的示例圖； 圖23A-B係繪示依據一實施例之層狀結構建構於如圖22A-C所示之層狀結構的示例圖，且稀土氧化物層係支撐金屬層； 圖24A-B及25A-B係繪示依據一實施例之使用非連續的稀土氧化物區域來定義基板中多孔部分位置的層狀結構的各種示例圖； 圖26係繪示依據一實施例之層狀結構示例圖，該層狀結構具有金屬層，該金屬層用中間的連續稀土氧化物層定義基板的多孔部分的邊界；以及 圖27係繪示依據一實施例之具有多個半導體的層狀結構的示例圖。例如，多種半導體都可以使用於本文所述的任何層狀結構中。
無
100:層狀結構
102:基板
104:晶狀稀土氧化物層
106:金屬層
108:半導體層

Claims (20)

  1. 一層狀結構，包括： 一單片基板，具有一連續部及一多孔部； 一第一磊晶金屬層，位於該單片基板上；以及 一第一半導體層，位於該第一磊晶金屬層上。
  2. 如請求項1所述之層狀結構，其中該單片基板係由矽、鍺、矽絕緣體以及矽鍺所組成的群組中選擇的一個或多個第四族元素。
  3. 如請求項1所述之層狀結構，其中該單片基板包括一過渡層，該過渡層由介於該單片基板上之該多孔部及一第一層間之連續材料所組成。
  4. 如請求項1所述之層狀結構，其中該多孔部與一層相鄰，該層直接位於該單片基板上，且該層與該單片基板間沒有任何過渡層。
  5. 如請求項1所述之層狀結構，其中該第一磊晶金屬層直接位於該單片基板上，且該第一磊晶金屬層直接接觸該單片基板之該多孔部。
  6. 如請求項1所述之層狀結構，其中該多孔部具有至少一第一區域及一第二區域，其分佈在水平、垂直或不同維度之位置上，其中該第一區域及該第二區域具有不同的孔隙度。
  7. 如請求項1所述之層狀結構，其更包括一第一稀土氧化物層，位於於該單片基板及該第一金屬層之間。
  8. 如請求項7所述之層狀結構，其中該第一金屬層覆蓋該第一稀土氧化物層之一上表面之一部分， 其中該第一金屬層與該單片基板之該多孔部對齊，且該第一稀土氧化物層介於該第一金屬層與該單片基板之該多孔部之間。
  9. 如請求項1所述之層狀結構，其更包括： 一第二半導體層，位於該第一半導體層之上；以及 一第二金屬層，位於該第二半導體層之上。
  10. 如請求項1所述之層狀結構，其更包括： 一非連續稀土氧化物層，位於該單片基板上， 其中該非連續稀土氧化物層在該非連續稀土氧化物層之其他部份之間具有至少一空區。
  11. 如請求項10所述之層狀結構，其中該第一磊晶金屬層由該空區填充。
  12. 如請求項11所述之層狀結構，其中該第一半導體層位於被該第一磊晶金屬層填充的該空區及該非連續稀土氧化物層的其他部分之上，且該層狀結構更包括位於該第一半導體層上之一第二半導體層。
  13. 如請求項10所述之層狀結構， 其中該第一半導體層位於該空區內，並位於該第一磊晶金屬層上；且 該層狀結構更包括一第二半導體層，該第二半導體層位於該空區及該非連續稀土氧化物層的其他部分之上，該空區被位於該第一磊晶金屬層上之該第一半導體層所填入。
  14. 如請求項11所述之層狀結構，其中該單片基板之該多孔部與該第一金屬層對齊。
  15. 如請求項1所述之層狀結構，更包括： 一第二半導體層，位於該第一半導體層上；以及 一第三半導體層，位於該第二半導體層上。
  16. 如請求項15所述之層狀結構，其中介於該第一半導體層與該第二半導體層間，或介於該第二半導體層與該第三半導體層間之一界面包括一第一稀土氧化物子層。
  17. 如請求項16所述之層狀結構，其中該界面更包括位於該第一稀土氧化物層上之一磊晶金屬層。
  18. 如請求項17所述之層狀結構，其中該界面更包括位於該磊晶金屬層上之一第二稀土氧化物層。
  19. 如請求項15所述之層狀結構，其中介於該第一半導體層與該第二半導體層間，或介於該第二半導體層與該第三半導體層間之該界面更包括一磊晶金屬層。
  20. 如請求項15所述之層狀結構，其中： 該第一半導體層及該第二半導體層共同形成一第一裝置層；以及 該第二半導體層及該第三半導體層共同形成一第二裝置層。
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