TWI725143B - 用於磊晶iii-v層之緩衝的磊晶金屬氧化物之層結構 - Google Patents

用於磊晶iii-v層之緩衝的磊晶金屬氧化物之層結構 Download PDF

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Abstract

本文描述的系統及方法為成長磊晶金屬氧化物以作為磊晶III-V層之緩衝。層結構包括基底層以及磊晶成長於基底層之上的第一稀土金屬氧化層。第一稀土金屬氧化層包括第一稀土金屬元素和氧，並具有方鐵錳礦晶體結構。層結構也包括金屬氧化層，金屬氧化層直接磊晶成長於第一稀土金屬氧化層之上。金屬氧化層包括從第三族選定的第一陽離子元素以及氧，並具有方鐵錳礦晶體結構。

Description

用於磊晶III-V層之緩衝的磊晶金屬氧化物之層結構
相關申請案的交互參照。
本申請案聲明於西元2016年03月23日向美國智慧財產局申請之美國專利申請號第62/312,058號的優先權，其揭露內容藉由參考併入本文。
通常使用III-V材料做成光子及/或電子裝置，但III-V基板係為昂貴的。矽基板相對為便宜的，但III-V材料未可直接成長於矽基板之上。即使使用緩衝層，III-V材料往往仍包含由於III-V材料和矽之間的晶格不匹配造成的缺陷或錯位，削弱光子及/或電子裝置的性能。
本文描述的系統及方法用於成長磊晶金屬氧化物以作為磊晶III-V層之緩衝。層結構包括基底層以及磊晶成長於基底層之上的第一稀土金屬氧化層。第一稀土金屬氧化層包括第一稀土金屬元素和氧，並具有方鐵錳礦晶體結構。層結構也包括金屬氧化層，金屬氧化層直接磊晶成長於第一稀土金屬氧化層之上。金屬氧化層包括從第三族選定的第一陽離子元素以及氧，並具有 方鐵錳礦晶體結構。
第一稀土金屬元素可包括第二稀土金屬元素。層結構更可包括三第三族氮化層，第三族氮化層磊晶成長於金屬氧化層之上。
在一些實例中，鄰近基底層之第一稀土金屬氧化層的第一區域，其除了意外雜質之外而未包括第二稀土金屬元素。再者，在這些實例中，鄰近金屬氧化層之第一稀土金屬氧化層的第二區域，其除了意外雜質之外而未包括第一稀土金屬元素。
在一些實例中，除了意外雜質之外，第一稀土金屬元素的濃度以漸變方式或階梯方式從第一區域中最大值改變至第二區域中近乎零值。再者，在這些實例中，除了意外雜質之外，第二稀土金屬元素的濃度以漸變方式或階梯方式從第一區域中近乎零值改變至第二區域中最大值。
層結構更可包括第二稀土金屬氧化層，第二稀土金屬氧化層介於第一稀土金屬氧化層和基底層之間。
金屬氧化層可包括從第三族或第四族選定的第二陽離子元素。金屬氧化層可包括鄰近第一稀土金屬氧化層之金屬氧化層的第一區域以及鄰近金屬氧化層頂面之金屬氧化層的第二區域。除了意外雜質之外，第二陽離子元素的濃度可以漸變方式或階梯方式從第一區域中近乎零值改變至第二區域中最大值。
層結構更可包括第一含金屬層，第一含金屬層位於金屬氧化層之上。第一含金屬層包括第二陽離子元素、氧和從第五族選定的第一陰離子元素。 第一含金屬層包括鄰近金屬氧化層之第一含金屬層的第一區域以及鄰近第一含金屬層頂面之第一含金屬層的第二區域。除了意外雜質之外，氧濃度以漸變方 式或階梯方式從第一區域中最大值改變至第二區域中近乎零值。除了意外雜質之外，第一陰離子元素濃度以漸變方式或階梯方式從第一區域中近乎零值改變至第二區域中最大值。
第一陰離子元素包括砷或磷。
層結構可包括第二含金屬層，第二含金屬層位於第一含金屬層之上。第二含金屬層包含內含於第一含金屬層中之陽離子元素、第一陰離子元素以及從第五族選定的第二陰離子元素。第二含金屬層包括鄰近金屬氧化層之第二含金屬層的第一區域以及鄰近第二含金屬層頂面之第二含金屬層的第二區域。 除了意外雜質之外，第一陰離子元素濃度以漸變方式或階梯方式從第一區域中最大值改變至第二區域中近乎零值。除了意外雜質之外，第二陰離子元素濃度以漸變方式或階梯方式從第一區域中近乎零值改變至第二區域中最大值。
層結構更可包括裝置層，裝置層位於第二含金屬層之上，其中裝置層包括第二陰離子元素。
金屬氧化層可包括從方鐵錳礦至第二晶體結構的晶體結構轉變。
層結構更可包括第二稀土金屬氧化層，第二稀土金屬氧化層磊晶成長於金屬氧化層之上。第二稀土金屬氧化層包括第一稀土金屬元素以及氧，並具有方鐵錳礦晶體結構。層結構也更可包括第二金屬氧化層，第二金屬氧化層直接磊晶成長於第二稀土金屬氧化層之上。第二金屬氧化層包括第一陽離子元素以及氧，並具有方鐵錳礦晶體結構。
100、200、300、500、600、700、900、1000、1100、1200:層結構
102、302:基底層
110、210、606、610、706、714、722、1004、1008、1012、1016、1104、1108、1112、1204、1512:稀土金屬氧化層
114、214、314、614、618、710、718、1018、1106、1110、1114、1206、1210、1408、1508、1510:金屬氧化層
202、602、702、1002、1006、1010、1014、1102、1202:矽層
306:第二稀土金屬氧化層
310:第一稀土金屬氧化層
400、800:圖
402、404、406、408、410、802、804、806:曲線
412、414:箭頭
518:第一含金屬層
522:第二含金屬層
526:裝置層、裝置結構
622、1020、1406、1506:含金屬層
626:III-V裝置結構
726、728:多層結構
918:第三族氮化層
1116:三族氮化物結構、三族氮化物射頻裝置
1118、1216:聲鏡結構
1214:緩衝結構
1218:射頻濾波結構
1212:混合氮化物層
1300、1600:光子裝置
1300:電子裝置
1312、1414、1514:頂部接觸點
1314:底部接觸點
1400、1500、1800:裝置
1410:導電金屬氧化層
1604:分散式布拉格反射器
1608a、1608b:金屬接觸點
1612、1616、1618、1710:磷化銦層
1614:多重量子井結構
1620:頂部電極層
1700:雙極性電晶體裝置
1712、1714:p+摻雜區域
1716:射極電極
1718:基極電極
1720:射極電極
1722:集極電極
1724:雙極性電晶體
1810:n- InP層
1812、1814:n+ InP區域
1816:源極電極
1818:閘極介電層
1824:場效電晶體
1826:閘極電極
1830、1832:p型InP區域
1820:源極電極
1828:汲極接觸點
1900、2000:方法
1902、1904、1906、1908、1910、1912、1914、2002、2004、2006、2008、2010、2012、2014:步驟
經由與附加圖式結合考量以下的詳細描述，本揭露的上述及其他特徵將會顯而易見：第1圖係繪示根據例示性實施方式的金屬氧化層位於稀土金屬氧化層之上的層結構；第2圖係繪示根據例示性實施方式的第1圖所示層結構的特定實例之層結構；第3圖係繪示根據例示性實施方式的包括兩層稀土金屬氧化層之層結構；第4圖係繪示根據例示性實施方式的本文描述的層結構中可使用的各種材料的晶格常數之圖；第5圖係繪示根據例示性實施方式的包括含金屬層以及於第3圖所示層結構上成長之可選的裝置結構之層結構；第6圖係繪示根據例示性實施方式的第5圖所示層結構的特定實例之層結構；第7圖係繪示根據例示性實施方式的包括多層結構之層結構；第8圖係繪示根據例示性實施方式的第7圖所示的多層結構的成分隨多層結構的位置函數改變的圖；第9圖係繪示根據例示性實施方式的包括第三族氮化層之層結構；第10圖係繪示根據例示性實施方式的用於光子裝置應用之分散式布拉格反射器結構之層結構； 第11圖係繪示根據例示性實施方式的包括聲鏡及射頻裝置之層結構；第12圖係繪示根據例示性實施方式的包括以混合金屬和稀土金屬合金為基礎的射頻濾波器之層結構；第13圖係繪示根據例示性實施方式的包括層結構之光子或電子裝置；第14圖係繪示根據例示性實施方式的具有晶體外延(epitaxial)的頂部接觸點之裝置；第15圖係繪示根據例示性實施方式的包括於頂面的介電層之裝置；第16圖係繪示根據例示性實施方式的利用稀土金屬氧化物緩衝層磊晶成長於矽<111>上的光子裝置；第17圖係繪示根據例示性實施方式的利用稀土金屬氧化物作為中間層成長於矽上的雙極性電晶體裝置；第18圖係繪示根據例示性實施方式的包括利用稀土金屬氧化物緩衝層成長於矽層上的場效電晶體之裝置；第19圖係繪示根據例示性實施方式的第6圖所示層結構的成長方法之流程圖；以及第20圖係繪示根據例示性實施方式的第11圖所示層結構的成長方法之流程圖。
在下列敘述中，為了解釋用途而列舉許多細節。然而，所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解的是，可未使用特定細節而實施本文描述的實施例。在其他例子中，以方塊圖形式繪示習知結構及裝置，使得敘述將不被不必要細節混淆。
可使用稀土金屬氧化物材料和金屬氧化物材料作為III-V層磊晶成長於矽基板上的緩衝層。可在成份和晶格常數上漸次變化稀土金屬氧化層和金屬氧化層，以造成少量的晶格常數不匹配或無晶格常數不匹配且致使在層結構各處皆高晶格品質。
稀土金屬氧化物(REO)材料為包含一種、兩種或多種稀土金屬(RE)元素和氧的材料。稀土金屬元素包括鑭(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)、鎦(Lu)、鈧(Sc)和釔(Y)。
已知稀土金屬氧化物顯出螢石(fluorite)類型結構。這些結構顯出隨著存在於氧化物的稀土金屬元素的原子量等任意其他因素之函數改變的形態差異。
特別是，包括較輕稀土金屬之氧化物由於+2及/或+3及/或+4之可能的離子狀態而導致形成立方氟化鈣(CaF2)型結晶結構。具有這種結晶結構的氧化物由於其多重可能性的氧化狀態(就稀土金屬氧化物而言)而顯出明顯的淨電荷缺陷。另一方面，較重稀土金屬形成的氧化物(如RE2O3等)由於RE<3+>的離子狀態而顯出歪曲的氟化鈣型結晶結構，已知其為包括陰離子空缺之方鐵錳礦。這些較重稀土金屬元素包括三氧化二鎦(Lu2O3)、三氧化二鐿(Yb2O3)、三氧化二銩(Tm2O3)、三氧化二鉺(Er2O3)、三氧化二鈥(Ho2O3)、 三氧化二鏑(Dy2O3)、三氧化二鋱(Tb2O3)、三氧化二釓(Gd2O3)、三氧化二釤(Sm2O3)。
具有化學式RE2O3的稀土金屬氧化物的例示性實例為Er2O3。Er2O3的單元晶胞的結晶結構為氧空缺衍生的螢石衍生物(即方鐵錳礦結構)。稀土金屬氧化物介電層可包括這些單位晶胞的組合。
陰離子空缺的位置和數目決定RE2O3單位晶胞的結晶形狀。可設計此種晶胞的結晶形狀以提供與下面的半導體基板的晶格常數的適當匹配。沿著體對角線及/或面對角線的氧空缺導致C型立方結構。舉例來說，每螢石單位晶胞兩個陰離子空缺導致氟化鈣型結構變為立方方鐵錳礦之晶體結構轉變，其讓Er2O3具有約為矽的晶格常數兩倍大之晶格常數。反過來說，這允許低應變、單相的Er2O3直接磊晶成長在矽基板之上。
再者，可設計陰離子空缺的位置和數目以引導在介電層及/或過度成長層中之理想的應力(拉伸或壓縮)。舉例來說，在一些實施例中，為了影響載子的遷移率而要求半導體層中的應力。
立方方鐵錳礦結構具有48個金屬陽離子、32個氧陰離子以及沿每每8個子細胞對角設置16個氧空缺，從而使其晶格常數為兩倍，其提供與矽<100>晶格常數的適當匹配。在一些實例中，氧空缺置於面對角線的尾端。在一些其他實例中，氧空缺分布於面對角線和體對角線的尾端之間。
第1圖係繪示金屬氧化層位於稀土金屬氧化層之上的層結構100。層結構100包括基底層102、磊晶成長於基底層102之上的稀土金屬氧化層110以及磊晶成長於稀土金屬氧化層110之上的金屬氧化層114。基底層102可為提供層結構100成長的磊晶模板之任何半導體層或絕緣層。舉例來說，基底層102 為<111>、<110>、<112>、<113>或<114>的晶體方向之矽基板。然而，基底層102也可為矽基板中的絕緣層之上的矽層，或可為磊晶成長於另一層之上的矽層。稀土金屬氧化層110包括至少一種稀土金屬元素和氧，並具有方鐵錳礦晶體結構。在一些實例中，稀土金屬氧化層110也包括第二稀土金屬元素。稀土金屬氧化層110可包括鄰近基底層102的第一區域以及鄰近金屬氧化層114的第二區域。第一稀土金屬元素的濃度在第一區域中為最大值而在第二區域中為近乎零值。遍及金屬氧化層114之第一稀土金屬元素濃度以漸變方式、階梯方式、線性方式、次線性方式或超線性方式從第一區域中最大值改變至第二區域中近乎零值。相反地，第二稀土金屬元素的濃度在第一區域中為近乎零值而在第二區域中為最大值。遍及稀土金屬氧化層110之第二稀土金屬元素濃度以漸變方式、階梯方式、線性方式、次線性方式或超線性方式從第一區域中近乎零值改變至第二區域中最大值。因此，稀土金屬氧化層110的第一區域除了意外雜質之外而未包括第二稀土金屬元素，而稀土金屬氧化層110的第二區域除了意外雜質之外而未包括第一稀土金屬元素。
金屬氧化層114包括從元素週期表的第三族或第四族選定的第一陽離子元素以及氧。金屬氧化層114具有方鐵錳礦晶體結構。在一些實例中，除了汙染及/或先前沉積程序可造成的意外雜質之外，金屬氧化層114未包括氮。
在一些實例中，金屬氧化層114包括從元素週期表的第三族或第四族選定的第二陽離子元素。在這些實例中，第一陽離子元素和第二陽離子元素的濃度在整個金屬氧化層114中變化。金屬氧化層114可包括鄰近稀土金屬氧化層110之第一區域以及鄰近金屬氧化層114頂面之第二區域。第一陽離子元素的濃度在第一區域中為最大值而在第二區域中為近乎零值。遍及金屬氧化層114 之第一陽離子元素濃度以漸變方式、階梯方式、線性方式、次線性方式或超線性方式從第一區域中最大值改變至第二區域中近乎零值。因此，金屬氧化層114的第一區域除了意外雜質之外而未包括第二陽離子元素，而金屬氧化層114的第二區域除了意外雜質之外而未包括第一陽離子元素。隨著第二陽離子元素增加，金屬氧化層114從方鐵錳礦晶體結構轉變成第二晶體結構。第二晶體結構為單斜晶結構、剛玉結構或以尖晶石結構為基之立方結構(spinel-based structure)(也稱為有缺陷的尖晶石結構)。第二晶體結構也可為多晶體。第二陽離子元素可為鎵(gallium)，使得金屬氧化層114的第二區域包括氧化鎵(gallium oxide)。可用超晶格完成、漸變完成或逐步完成從方鐵錳礦晶體結構至第二晶體結構之轉變。
第2圖係繪示層結構100的特定實例之層結構200。層結構200包括矽層202、磊晶成長於矽層202之上的稀土金屬氧化層210以及磊晶成長於稀土金屬氧化層210之上的金屬氧化層214。矽層202包括矽並具有<111>方向。矽層202可為提供層結構200成長的磊晶模板之任何半導體層或絕緣層。舉例來說，矽層202為<111>、<110>、<112>、<113>或<114>的晶體方向之矽基板。然而，矽層202也可為矽基板中的絕緣層之上的矽層，或可為磊晶成長於另一層之上的矽層。稀土金屬氧化層210具有(RE1xRE21-x)aOb,(0
Figure 106109575-A0305-02-0011-1
x
Figure 106109575-A0305-02-0011-2
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0011-3
a
Figure 106109575-A0305-02-0011-4
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0011-5
b
Figure 106109575-A0305-02-0011-6
4)之化學式。陽離子RE1和陽離子RE2為稀土金屬。稀土金屬的相對濃度可改變遍及稀土金屬氧化層210，且因此x可改變遍及稀土金屬氧化層210。可以漸變方式(線性方式、次線性方式或超線性方式)或階梯方式改變係數x。選擇稀土金屬氧化層210內各種位置的x值，以設計於矽層202和金屬氧化層214之間的介面的晶格不匹配。在一個實例中，x從鄰近基底層102的稀土金屬氧化層110的第一區域的 1改變至鄰近金屬氧化層114的稀土金屬氧化層110的第二區域的0。因此，鄰近基底層102的稀土金屬氧化層110的第一區域除了意外雜質之外而未包括第二稀土金屬元素RE2，而鄰近金屬氧化層102的稀土金屬氧化層110的第二區域除了意外雜質之外而未包括第一稀土金屬元素RE1。因此，第一稀土金屬元素RE1除了意外雜質之外而以漸變方式或階梯方式從第一區域中最大值改變至第二區域中近乎零值，而第二稀土金屬元素RE2除了意外雜質之外而以漸變方式或階梯方式從第一區域中近乎零值改變至第二區域中最大值。
在一個實施例中，RE1為鈧(scandium)和RE2為鉺(erbium)，使得稀土金屬氧化物包括(ScxEr1-x)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0012-7
x
Figure 106109575-A0305-02-0012-8
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0012-9
a
Figure 106109575-A0305-02-0012-10
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0012-11
b
Figure 106109575-A0305-02-0012-12
4)。在另一個實例中，RE1為釓(gadolinium)和RE2為鉺，使得稀土金屬氧化物210包括(GdxEr1-x)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0012-13
x
Figure 106109575-A0305-02-0012-14
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0012-15
a
Figure 106109575-A0305-02-0012-16
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0012-17
b
Figure 106109575-A0305-02-0012-18
4)。第4圖所示的例子中，(Sc0.65Er0.35)2O3與氧化銦(In2O3)晶格匹配，而(Sc0.8Er0.2)2O3(111)與氮化銦(InN)(0001)晶格匹配。在其他實例中，稀土金屬氧化層210包括其他對稀土金屬。因為x可為1或0，稀土金屬氧化層210在一些實例中可只包括一種類型的稀土金屬。在一個特定實例中，RE2為鉺，x=0、a=2以及b=3，使得稀土金屬氧化層210包括三氧化二鉺(Er2O3)。
金屬氧化層214包括一種具有(M1zM21-z)aOb,(0
Figure 106109575-A0305-02-0012-19
x
Figure 106109575-A0305-02-0012-20
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0012-21
a
Figure 106109575-A0305-02-0012-22
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0012-23
b
Figure 106109575-A0305-02-0012-24
4)之化學式的金屬氧化物材料。從過渡金屬、例如鋁(aluminum)、鎵(gallium)或銦(indium)之第三族金屬、或者例如錫(tin)或鉛(lead)之第四族金屬選擇金屬元素M1和金屬元素M2。在一個實例中，M1為銦(M1)，z=1、a=2以及b=3，使得金屬氧化層214包括氧化銦。在另一個實例中，M1為銦，M2為錫，a=2以及b=3，使得金屬氧化層214包括(InzSn1-z)2O3,(0
Figure 106109575-A0305-02-0012-25
x
Figure 106109575-A0305-02-0012-26
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0012-27
a
Figure 106109575-A0305-02-0012-28
3； 2
Figure 106109575-A0305-02-0013-29
b
Figure 106109575-A0305-02-0013-30
4)。可使用這兩個例子之其一與前述段落中描述的稀土金屬氧化層210的例子之其一結合，或可使用這兩個例子之另一與作為稀土金屬氧化層210之稀土金屬氧化物結合。
第3圖係繪示包括兩層稀土金屬氧化層之層結構300。層結構300包含基底層302、磊晶成長於基底層302之上的第二稀土金屬氧化層306、磊晶成長於第二稀土金屬氧化層306之上的第一稀土金屬氧化層310以及磊晶成長於第一稀土金屬氧化層310之上的金屬氧化層314。除了層結構300包括兩層稀土金屬氧化層而非單層稀土金屬氧化層之外，層結構300與層結構100相同。因此，基底層302與基底層102相同，且金屬氧化層314與金屬氧化層114相同。 類似於稀土金屬氧化層110，第一稀土金屬氧化層310和第二稀土金屬氧化層306包括具有(RE1xRE21-x)aOb,(0
Figure 106109575-A0305-02-0013-31
x
Figure 106109575-A0305-02-0013-32
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0013-33
a
Figure 106109575-A0305-02-0013-34
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0013-35
b
Figure 106109575-A0305-02-0013-36
4)之化學式的稀土金屬氧化物。陽離子RE1和陽離子RE2為稀土金屬。因此，層結構300包括介於第一稀土金屬氧化層310和基底層302之間的第二稀土金屬氧化層306。
第4圖係繪示本文描述的層結構中可使用的各種材料的晶格常數之圖。圖400包括曲線402、曲線404、曲線406、曲線408和曲線410以及箭頭412和箭頭414。曲線402係顯示矽<111>具有約3.84Å的晶格常數。曲線408係顯示氧化銦具有約3.58Å的晶格常數，而曲線410係顯示氮化銦具有約3.54Å的晶格常數。曲線404係顯示(GdxEr1-x)2O3的晶格常數為釓分量x的函數。曲線406的(ScxEr1-x)2O3的晶格常數為鈧分量x的函數。可選定這些合金中的釓分量x和鈧分量x，以讓稀土金屬氧化層310和其他層之間晶格常數匹配。
在一個實例中，基底層302包括矽<111>、a=2以及b=3。在此實例中，在第二稀土金屬氧化層306中RE1為釓和RE2為鉺，使得第二稀土金 屬氧化層306包括(GdxEr1-x)2O3(0
Figure 106109575-A0305-02-0014-37
x
Figure 106109575-A0305-02-0014-38
1)。在此實例中，在第一稀土金屬氧化層310中，RE1為鈧和RE2為鉺，使得第一稀土金屬氧化層310包括(ScxEr1-x)2O3(0
Figure 106109575-A0305-02-0014-39
x
Figure 106109575-A0305-02-0014-40
1)。在此實例中，遍及第二稀土金屬氧化層306的x從與基底層302的矽<111>的交界處的數值1改變至與第一稀土金屬氧化層310的交界處的數值0。因此，第二稀土金屬氧化層306在與基底層302的矽<111>的交界處包括三氧化二釓(Gd2O3)，第二稀土金屬氧化層306於遠離與基底層302的矽<111>的交界處包括(GdxEr1-x)2O3，而第二稀土金屬氧化層306與第一稀土金屬氧化層310的交界處包括三氧化二鉺(Er2O3)。再者，在此實例中，遍及第一稀土金屬氧化層310的x從與第二稀土金屬氧化層306的交界處的數值0改變至與金屬氧化層314的交界處的約為0.64的數值。因此，第一稀土金屬氧化層310於與第二稀土金屬氧化層306的交界處包括三氧化二鉺，第一稀土金屬氧化層310於遠離與第二稀土金屬氧化層306的交界處包括(ScxEr1-x)2O3，而第一稀土金屬氧化層310於與金屬氧化層314的交界處包括三氧化二鈧(Sc2O3)。在此實例中，金屬氧化層包含氧化銦。
在前述段落描述的實例中，所有層結構300晶格常數匹配。基底層302的矽<111>的晶格常數約3.84Å，而於基底層302在與第二稀土金屬氧化層306的交界處的三氧化二釓晶格(Gd2O3)常數約為3.82Å，差距0.5%。隨著第二稀土金屬氧化層306從三氧化二釓經由(GdxEr1-x)2O3成分改變至在與第一稀土金屬氧化層310的交界處的三氧化二鉺，晶格常數從約3.82Å(三氧化二釓)改變至約3.73Å(三氧化二鉺)。隨著第一稀土金屬氧化層310從第二稀土金屬氧化層306介面的三氧化二鉺經由(ScxEr1-x)2O3成分改變至在第一稀土金屬氧化層310介面的三氧化二鈧，晶格常數從約3.73Å(三氧化二鉺)改變 至在金屬氧化層314的氧化銦介面約3.58Å((Sc0.64Er0.36)2O3)。因為氧化銦具有約3.58Å的晶格常數，第一稀土金屬氧化層310和金屬氧化層314相交介面的差值為極小的。雖然在層結構300之中的晶格常數改變為從基底層302中晶格常數3.84Å至金屬氧化層314中晶格常數3.58Å，差距6.7%，晶格常數的改變為連續的且漸變的，而唯一突然的改變只涉及0.5%的差距。在第一稀土金屬氧化層310和第二稀土金屬氧化層306中，係數x可以線性方式、次線性方式、超線性方式或階梯方式改變。於此方法中，由於晶格常數的改變，層結構300具有極小的錯位及缺陷。
第5圖係繪示包含含金屬層以及於層結構300上成長之可選的光子裝置結構之層結構500。層結構500包含磊晶成長於金屬氧化層314之上的第一含金屬層518以及磊晶成長於第一含金屬層518之上的第二含金屬層522。層結構500可選擇性包含裝置層526，裝置層526磊晶成長於第二含金屬層522之上。第一含金屬層518和第二含金屬層522包含陽離子元素，陽離子元素包含一種或多種過渡金屬、例如鋁、鎵及銦之第三族金屬、例如錫或鉛之第四族金屬。 第一含金屬層518和第二含金屬層522包含一種或多種陰離子元素，其來自例如氮(nitrogen)、磷(phosphorus)、砷(arsenic)、銻(antimony)、氧(oxygen)、硫(sulfur)以及硒(selenium)之第五族和第六族。
第6圖係繪示層結構500的特定實例之層結構600。層結構600包含具有<111>方向之矽層602以及磊晶成長於矽層602之上的稀土金屬氧化層606。矽層602可為提供層結構600成長的磊晶模板之任何半導體層或絕緣層。 舉例來說，矽層602為<111>的晶體方向之矽基板。然而，矽層602也可為矽基板中的絕緣層之上的矽<111>層，或可為磊晶成長於另一層之上的矽<111>層。 稀土金屬氧化層606與上述的稀土金屬氧化層210具有相同特性。層結構600可選擇性包含稀土金屬氧化層610，稀土金屬氧化層610磊晶成長於稀土金屬氧化層606之上。稀土金屬氧化層610具有(RE21-yM1y)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0016-41
y
Figure 106109575-A0305-02-0016-42
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0016-43
a
Figure 106109575-A0305-02-0016-44
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0016-45
b
Figure 106109575-A0305-02-0016-46
4)之化學式。元素RE2為稀土金屬，且元素M1為從過渡金屬、例如鋁、鎵及銦之第三族金屬、例如錫或鉛之第四族金屬選定之元素。層結構600也包含金屬氧化層614，金屬氧化層614磊晶成長於稀土金屬氧化層606之上(或相反地，假如包含稀土金屬氧化層610，金屬氧化層614為位於稀土金屬氧化層610之上)。層結構600可選擇性包含金屬氧化層618，金屬氧化層618磊晶成長於金屬氧化層614上。金屬氧化層618包含金屬元素M1和金屬元素M2、氧以及陰離子J1，並具有(M1pM21-p)a(OqJ11-q)b(0
Figure 106109575-A0305-02-0016-47
p
Figure 106109575-A0305-02-0016-48
1；0
Figure 106109575-A0305-02-0016-49
q
Figure 106109575-A0305-02-0016-50
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0016-51
a
Figure 106109575-A0305-02-0016-52
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0016-53
b
Figure 106109575-A0305-02-0016-54
4)之化學式。金屬氧化層618的金屬元素M1與稀土金屬氧化層610的金屬元素M1為相同金屬元素。元素M2為從過渡金屬、例如鋁、鎵及銦之第三族金屬、例如錫或鉛之第四族金屬選定之元素。陰離子元素J1為來自例如氮、磷、砷、銻、氧、硫以及硒之第五族或第六族之元素。
在一個實例中，q從鄰近金屬氧化層614之金屬氧化層618的第一區域之數值1改變至鄰近含金屬層622之金屬氧化層618的第二區域之數值0。 因此，鄰近金屬氧化層614之金屬氧化層618的第一區域除了意外雜質之外而未包含陰離子元素J1，而鄰近含金屬層622之金屬氧化層618的第二區域除了意外雜質之外而未包含氧。因此，除了意外雜質之外，氧濃度以漸變方式或階梯方式從第一區域中最大值改變至第二區域中近乎零值，而除了意外雜質之外，陰離子元素J1濃度以漸變方式或階梯方式從第一區域中近乎零值改變至第二區域中最大值。
層結構600也包括含金屬層622，含金屬層622磊晶成長於金屬氧化層614之上(或相反地，假如包括金屬氧化層618，金屬氧化層622為位於金屬氧化層618之上)。含金屬層622包括與金屬氧化層618所包含的相同元素M1、M2以及J1，且其包括來自例如氮、磷、砷、銻、氧、硫以及硒之第五族或第六族之附加的陰離子元素J2。含金屬層622具有M1rM21-rJ1sJ21-s(0
Figure 106109575-A0305-02-0017-55
r
Figure 106109575-A0305-02-0017-56
1；0
Figure 106109575-A0305-02-0017-57
s
Figure 106109575-A0305-02-0017-58
1)之化學式。層結構600可選擇性包括III-V裝置結構626，III-V裝置結構626磊晶成長於含金屬層622之上。III-V裝置結構626為電子或光子裝置。
在一個實例中，s從鄰近金屬氧化層618之含金屬層622的第一區域之數值1改變至鄰近III-V裝置結構626之含金屬層622的第二區域之數值0。因此，金屬氧化層618之含金屬層622的第一區域除了意外雜質之外而未包括陰離子元素J2，而鄰近III-V裝置結構626之含金屬層622的第二區域除了意外雜質之外而未包括陰離子元素J1。因此，陰離子元素J1濃度除了意外雜質之外而以漸變方式或階梯方式從第一區域中最大值改變至第二區域中近乎零值，而陰離子元素J2濃度除了意外雜質之外而以漸變方式或階梯方式從第一區域中近乎零值改變至第二區域中最大值。
因為層結構600為層結構500的特定實例，層結構600的各層為層結構500中對應層的特定實例。矽層602為基底層302的實例。稀土金屬氧化層606為第二稀土金屬氧化層306的實例。稀土金屬氧化層610為第一稀土金屬氧化層310的實例。金屬氧化層614為金屬氧化層314的實例。金屬氧化層618為第一含金屬層518的實例。含金屬層622為第二含金屬層522的實例。III-V裝置結構626為裝置結構526的實例。III-V裝置結構626包括陰離子元素J2。
第7圖係繪示包括多層結構之層結構700。層結構700包括具有<111>方向之矽層702以及磊晶成長於矽層702之上的多層結構728。提供層結構700成長的磊晶模板之任何半導體層或絕緣層可取代矽層702。舉例來說，矽層702為<111>、<110>、<112>、<113>或<114>的晶體方向之矽基板。然而，矽層702也可為矽基板中的絕緣層之上的矽層，或可為磊晶成長於另一層之上的矽層。多層結構726包括磊晶成長於矽層702上的稀土金屬氧化層706以及磊晶成長於稀土金屬氧化層706之上的金屬氧化層710。層結構也包括磊晶成長於金屬氧化層710之上的稀土金屬氧化層714、磊晶成長於稀土金屬氧化層714之上的金屬氧化層718、磊晶成長於金屬氧化層718之上的稀土金屬氧化層722以及磊晶成長於稀土金屬氧化層722之上的金屬氧化層726。稀土金屬氧化層706、稀土金屬氧化層714和稀土金屬氧化層722具有(RE1xRE21-x)2O3(0
Figure 106109575-A0305-02-0018-59
x
Figure 106109575-A0305-02-0018-60
1)之成分。陽離子RE1和陽離子RE2為稀土金屬。金屬氧化層710、金屬氧化層718和金屬氧化層726具有(M1xM21-x)2O3(0
Figure 106109575-A0305-02-0018-61
x
Figure 106109575-A0305-02-0018-62
1)之成分。稀土金屬氧化層和金屬氧化層交替設置於層結構700中，且層結構700可包含與第7圖所示的不同數目之交替的稀土金屬氧化層和金屬氧化層。層結構700的各層厚度可為均等的，或其可比例縮放，如第8圖所示。因為交替的稀土金屬氧化層和金屬氧化層共有共同的陽離子：陰離子比例(2：3)以及共同氧，多層結構728於各界面中具有化學相容性。層結構700可為電子裝置或光學半導體裝置的一部份，並可為用於高頻及/或高性能操作之特定裝置。層結構700也可包括用於高頻用途之聲鏡。
第8圖係繪示多層結構728的成分隨在多層結構728中的位置函數變化的圖800。圖800包括曲線802、曲線804以及曲線806。曲線802係顯 示多層結構728包含稀土金屬RE1和稀土金屬RE2位於稀土金屬氧化層706、稀土金屬氧化層714和稀土金屬氧化層722中。曲線804係顯示多層結構728包含金屬元素M1和金屬元素M2以及金屬氧化層710、金屬氧化層718和金屬氧化層726。曲線806係顯示多層結構728具有所有結構的氧濃度。經由選擇具有適當厚度的替換的稀土金屬氧化物和金屬氧化物，可平衡多層結構728的應變，使得層可無錯位或無其他缺陷而成長於頂端。
第9圖係繪示包含第三族氮化層之層結構900。層結構900包括磊晶成長於層結構200之上的第三族氮化層918。第三族氮化層918具有<0001>方向，並包含一種或多種第三族元素和氮。三族氮化物材料的實例包含氮化銦、氮化鎵、氮化銦鎵、氮化鋁鎵以及氮化鋁。可選擇層結構900的材料以平衡遍及結構中的應變，使得第三族氮化層918未具有錯位或其他缺陷。為了達成前述目的的一種方法為選擇材料，使得金屬氧化層214的晶格常數小於第三族氮化層918的晶格常數，但其大於稀土金屬氧化層210的晶格常數。除此之外，稀土金屬氧化層210的晶格常數小於矽層202的晶格常數。氮化銦具有如第4圖所示的晶格常數約3.54Å，並為適合這些條件的三族氮化物實例。作為實例。(Sc0.65Er0.35)2O3晶格匹配氧化銦，而(Sc0.8Er0.2)2O3(111)晶格匹配氮化銦(0001)。
在另一個實例，層結構900包括射頻濾波器結構。於此實例中，第三族氮化層918包括氮化鋁。射頻濾波器結構包括第三族氮化層918和金屬氧化層214。稀土金屬氧化層210作為下層的矽層202緩衝。聲鏡結構也可於金屬氧化層214和矽層202之間發生。
第10圖係繪示用於光子裝置應用之包括分散式布拉格反射器(DBR)結構之層結構1000。層結構1000包含矽層1002、複數對稀土金屬氧化層和矽層、一對金屬氧化層和稀土金屬氧化層以及含金屬層1020。矽層1002可為提供層結構1000成長的磊晶模板之任何半導體層或絕緣層。舉例來說，矽層1002為<111>、<110>、<112>、<113>或<114>的晶體方向之矽基板。然而，矽層1002也可為矽基板中的絕緣層之上的矽層，或可為磊晶成長於另一層之上的矽層。層結構1000包括稀土金屬氧化層1004、稀土金屬氧化層1008、稀土金屬氧化層1012以及稀土金屬氧化層1016，其具有(RE1xRE21-x)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0020-63
x
Figure 106109575-A0305-02-0020-64
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0020-65
a
Figure 106109575-A0305-02-0020-66
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0020-67
b
Figure 106109575-A0305-02-0020-68
4)之化學式。層結構1000也包括矽層1006、矽層1010以及矽層1014，其具有<111>晶格方向。層結構1000也包括具有(M1zM21-z)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0020-69
x
Figure 106109575-A0305-02-0020-70
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0020-71
a
Figure 106109575-A0305-02-0020-72
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0020-73
b
Figure 106109575-A0305-02-0020-74
4)之化學式的金屬氧化層1018。含金屬層1020具有M1rM21-rJ1sJ21-s(0
Figure 106109575-A0305-02-0020-75
r
Figure 106109575-A0305-02-0020-76
1；0
Figure 106109575-A0305-02-0020-77
s
Figure 106109575-A0305-02-0020-78
1)之化學式。複數對稀土金屬氧化層和矽層為1004和1006、1008和1010以及1012和1014。各對稀土金屬氧化層和矽層具有λ/2的總厚度，其中λ為布拉格反射器結構反射的光的波長。最後一對1016層和1018層具有λ/4的總厚度。當層結構1000繪示為包括三對稀土金屬氧化層和矽層時，可以考慮其他數目對，並選定足夠對數以造成足夠的反射。大量數目對將造成高反射。經由替換稀土金屬氧化物和矽材料，層結構1000提供的布拉格反射器可為磊晶成長層1020和後層(future layer)的模板。
第11圖係繪示包括聲鏡及射頻裝置之層結構1100。層結構1100包含具有<111>晶體方向之矽層1102以及磊晶成長於矽層1102之上的聲鏡結構1118。矽層1102可為提供層結構1100成長的磊晶模板之任何矽<111>層。舉例來說，矽層1102為<111>晶體方向之矽基板。然而，矽層1102也可為矽基板中 的絕緣層之上的矽<111>層，或可為磊晶成長於另一層之上的矽<111>層。層結構1100也包括金屬氧化層1114，金屬氧化層1114磊晶成長於聲鏡結構1118上。 層結構1100也包括三族氮化物結構1116，三族氮化物結構1116具有<0001>晶體方向並磊晶成長於金屬氧化層1114之上。三族氮化物結構1116包括射頻裝置或用於製造射頻裝置的層。聲鏡結構1118包括稀土金屬氧化層1104、稀土金屬氧化層1108和稀土金屬氧化層1112以及金屬氧化層1106和金屬氧化層1110。 稀土金屬氧化層1104、稀土金屬氧化層1108和稀土金屬氧化層1112具有(RE1xRE21-x)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0021-79
x
Figure 106109575-A0305-02-0021-80
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0021-81
a
Figure 106109575-A0305-02-0021-82
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0021-83
b
Figure 106109575-A0305-02-0021-84
4)之化學式。金屬氧化層1106、金屬氧化層1110和金屬氧化層1114具有(M1zM21-z)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0021-85
x
Figure 106109575-A0305-02-0021-86
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0021-87
a
Figure 106109575-A0305-02-0021-88
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0021-89
b
Figure 106109575-A0305-02-0021-90
4)之化學式。陽離子RE1和陽離子RE2為稀土金屬。從過渡金屬、例如鋁、鎵及銦之第三族金屬、例如錫或鉛之第四族金屬中選定金屬元素M1和金屬元素M2。因此，金屬氧化層1106磊晶成長於稀土金屬氧化層1104之上，而稀土金屬氧化層1108為磊晶成長於金屬氧化層1106之上的第二稀土金屬氧化層。金屬氧化層1110或中間金屬氧化層為為磊晶成長於第二稀土金屬氧化層1108之上的第二金屬氧化層。稀土金屬氧化層1104、金屬氧化層1106、稀土金屬氧化層1108、金屬氧化層1110、稀土金屬氧化層1112、金屬氧化層1114以及第11圖未繪示的中間的稀土金屬氧化層和金屬氧化層皆具有方鐵錳礦晶體結構。聲鏡結構1118包括類似稀土金屬氧化層1112和金屬氧化層1110的附加對稀土金屬氧化層和金屬氧化層。選定稀土金屬元素RE1和稀土金屬元素RE2以及金屬元素M1和金屬元素M2，使得於金屬氧化物和稀土金屬氧化物之間具有聲波阻抗差量(acoustic impedance delta)。選定聲鏡結構1118的層數目以充分反射聲波。 經由交替設置稀土金屬氧化層和金屬氧化層，層結構1100提供的磊晶成長的第三族氮化層與矽層聲波上隔離(acoustically isolated)。
第12圖係繪示包括以混合金屬和稀土金屬合金為基礎的射頻濾波器之層結構。層結構1200包括具有<111>晶體方向的矽層1202、緩衝結構1214、可選的聲鏡結構1216以及射頻濾波結構1218。矽層1202可為提供層結構1200成長的磊晶模板之任何矽<111>層。舉例來說，矽層1202為<111>晶體方向之矽基板。然而，矽層1202也可為矽基板中的絕緣層之上的矽<111>層，或可為磊晶成長於另一層之上的矽<111>層。緩衝結構1214包括具有(RE1xRE21-x)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0022-91
x
Figure 106109575-A0305-02-0022-92
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0022-93
a
Figure 106109575-A0305-02-0022-94
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0022-95
b
Figure 106109575-A0305-02-0022-96
4)之成分的稀土金屬氧化層1204，以及具有(M1zM21-z)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0022-97
x
Figure 106109575-A0305-02-0022-98
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0022-99
a
Figure 106109575-A0305-02-0022-100
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0022-101
b
Figure 106109575-A0305-02-0022-102
4)之成分的金屬氧化層1206。假如包括聲鏡結構1216，聲鏡結構1216具有聲鏡結構1118的結構。射頻濾波結構1218包括具有(M1zM21-z)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0022-103
x
Figure 106109575-A0305-02-0022-104
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0022-105
a
Figure 106109575-A0305-02-0022-106
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0022-107
b
Figure 106109575-A0305-02-0022-108
4)之成分的金屬氧化層1210，以及具有(RE1yM11-y)N(0
Figure 106109575-A0305-02-0022-109
y
Figure 106109575-A0305-02-0022-110
1)之成分的混合氮化物層1212。RE1為稀土金屬，而金屬元素M1從過渡金屬、例如鋁、鎵及銦之第三族金屬、例如錫或鉛之第四族金屬中選定。(RE1yM11-y)N的例子為AlySc1-yN。假如金屬氧化層1206和稀土金屬氧化層1204之間的聲波阻抗差距足夠高，則可省略聲鏡結構1216。 假如金屬氧化層1206和稀土金屬氧化層1204之間的聲波阻抗差距不夠高，聲鏡結構1216於射頻濾波結構1218和矽層1202之間提供足夠的聲波隔離。層結構1200中各層磊晶於其下層之上成長。藉由於矽層和射頻濾波結構之間提供金屬氧化層和稀土金屬氧化層，層結構1200提供磊晶成長的射頻濾波結構，其與下方的基板聲波上隔離。
第13圖係繪示包括層結構600之光子或電子裝置1300。除了層結構600之外，光子或電子裝置1300包括接觸III-V裝置結構626頂端之頂部接觸點1312以及接觸金屬氧化層614之底部接觸點1314。為了觸及金屬氧化層614，蝕刻III-V裝置結構626及含金屬層622以形成台面(mesa)，因而暴露金屬氧化層614。金屬氧化層614包括例如氧化錫(tin oxide)或氧化銦錫(indium tin oxide)之導電金屬氧化物。雖然第13圖所示的層結構600實例未包括含金屬層618或金屬氧化層610，但裝置1300可包括金屬層618和金屬氧化層610兩者或其中一層。假如裝置1300包括金屬層618和金屬氧化層610，這些層如第6圖所示於層結構600中的相同位置。
第14圖係繪示具有晶體外延的頂部接觸點之裝置1400。裝置1400包括層結構600和具有M1rM21-rJ1sJ21-s(0
Figure 106109575-A0305-02-0023-111
r
Figure 106109575-A0305-02-0023-112
1；0
Figure 106109575-A0305-02-0023-113
s
Figure 106109575-A0305-02-0023-114
1)之成分的含金屬層1406，且含金屬層1406磊晶成長於層結構600之上。金屬元素M1和金屬元素M2為從過渡金屬、例如鋁、鎵及銦之第三族金屬、例如錫或鉛之第四族金屬選定。陰離子元素J1和陰離子元素J2為來自例如氮、磷、砷、銻、氧、硫以及硒之第五族或第六族之元素。裝置1400也包括具有(M1pM21-p)a(OqJ11-q)b(0
Figure 106109575-A0305-02-0023-115
p
Figure 106109575-A0305-02-0023-116
1；0
Figure 106109575-A0305-02-0023-117
q
Figure 106109575-A0305-02-0023-118
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0023-119
a
Figure 106109575-A0305-02-0023-120
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0023-121
b
Figure 106109575-A0305-02-0023-122
4)之成分的金屬氧化層1408，且金屬氧化層1408磊晶成長於含金屬層1406之上。金屬氧化層1408中的金屬元素M1、金屬元素M2以及陰離子元素J1與含金屬層1406中的金屬元素M1、金屬元素M2以及陰離子元素J1為相同元素。層結構1400也包括具有(M1zM21-z)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0023-123
x
Figure 106109575-A0305-02-0023-124
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0023-125
a
Figure 106109575-A0305-02-0023-126
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0023-127
b
Figure 106109575-A0305-02-0023-128
4)之成分的導電金屬氧化層1410，且導電金屬氧化層1410磊晶成長於金屬氧化層1408之上。在特定實例中，金屬元素M1為銦以及金屬元素M2為錫，使得導電金屬氧化層1410包括氧化銦錫。層結構1400也包括接 觸導電金屬氧化層1410之頂部接觸點1414。經由含金屬層1406和金屬氧化層1408達成層結構600和導電金屬氧化層1410之間的轉變，使得鄰近層共享共同的陰離子。舉例來說，含金屬層1406和金屬氧化層1408共享陰離子元素J1，而金屬氧化層1408和導電金屬氧化層1410共享氧陰離子。雖然含金屬層1406、金屬氧化層1408和導電金屬氧化層1410三層共用金屬元素M1和金屬元素M2，但各具有不同的元素濃度。經由維持這些層中的至少部分元素的連續性，導電金屬氧化層1410的轉變存在極小的缺陷及錯位。
在一些實例中，金屬氧化層1408中的金屬元素M1、金屬元素M2以及陰離子元素J1可異於含金屬層1406中的金屬元素M1、金屬元素M2以及陰離子元素J1。
第15圖係繪示包括於頂面的介電層之裝置1500。裝置1500包括層結構600以及含金屬層1506，且含金屬層1506磊晶成長於層結構600之上並具有M1rM21-rJ1sJ21-s(0
Figure 106109575-A0305-02-0024-129
r
Figure 106109575-A0305-02-0024-130
1；0
Figure 106109575-A0305-02-0024-131
s
Figure 106109575-A0305-02-0024-132
1)之成分。裝置1500也包括金屬氧化層1508，金屬氧化層1508磊晶成長於含金屬層1506之上並具有(M1pM21-p)a(OqJ11-q)b(0
Figure 106109575-A0305-02-0024-133
p
Figure 106109575-A0305-02-0024-134
1；0
Figure 106109575-A0305-02-0024-135
q
Figure 106109575-A0305-02-0024-136
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0024-137
a
Figure 106109575-A0305-02-0024-138
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0024-139
b
Figure 106109575-A0305-02-0024-140
4)之成分。裝置1500也包括金屬氧化層1510，金屬氧化層1510磊晶成長於金屬氧化層1508之上並具有(M1zM21-z)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0024-141
x
Figure 106109575-A0305-02-0024-142
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0024-143
a
Figure 106109575-A0305-02-0024-144
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0024-145
b
Figure 106109575-A0305-02-0024-146
4)之成分。金屬元素M1和金屬元素M2為從過渡金屬、例如鋁、鎵及銦之第三族金屬、例如錫或鉛之第四族金屬選定。陰離子元素J1和陰離子元素J2為來自例如氮、磷、砷、銻、氧、硫以及硒之第五族或第六族之元素。金屬元素M1和金屬元素M2之其中至少一種與含金屬層1506和金屬氧化層1508中的元素相同，且陰離子元素J1與含金屬層1506和金屬氧化層1508中的元素相同。因此，含金屬層1506和金屬氧化層1508共享至少一種共同陽離 子(M1及/或M2)以及一種共同陰離子(J1)。此外，金屬元素M1和金屬元素M2之其中至少一種與金屬氧化層1508和金屬氧化層1510中的元素相同。因此，金屬氧化層1508和金屬氧化層1510共享至少一種共同陽離子(M1及/或M2)以及一種共同陰離子(氧)。
裝置1500也包含稀土金屬氧化層1512，稀土金屬氧化層1512磊晶成長於金屬氧化層1510之上並具有(RE1xRE21-x)aOb(0
Figure 106109575-A0305-02-0025-147
x
Figure 106109575-A0305-02-0025-148
1；1
Figure 106109575-A0305-02-0025-149
a
Figure 106109575-A0305-02-0025-150
3；2
Figure 106109575-A0305-02-0025-151
b
Figure 106109575-A0305-02-0025-152
4)之成分。元素RE1和元素RE2為稀土金屬元素。猶如含金屬層1406、金屬氧化層1408和導電金屬氧化層1410以及層結構1400於鄰近層的各處共享一種或多種共同元素，含金屬層1506、金屬氧化層1508、金屬氧化層1510以及稀土金屬氧化層1512也於鄰近層的各處共享一種或多種共同元素，並同樣造成無缺陷的及無錯位的磊晶層結構。稀土金屬氧化層1512作為閘極介電層。選定稀土金屬元素RE1和稀土金屬元素RE2的介電特性，以導致稀土金屬氧化層1512具有足夠高的介電常數。經由適當選擇各層的成分並維持鄰近膜的各處之固定元素，導致裝置1500具有高品質且無錯位的磊晶堆疊體。
第16圖係繪示利用稀土金屬氧化物緩衝層磊晶成長於矽<111>上的光子裝置1600。光子裝置1600包含層結構1000，以及磊晶成長於層結構1000之上的附加層。光子裝置1600包括具有<111>晶體方向之矽層1002。光子裝置1600也包括磊晶成長於矽層1002上的分散式布拉格反射器1604。分散式布拉格反射器1604包括如第10圖所的之交替的稀土金屬氧化層和交替的矽層1004、1006、1008、1010、1012、1014和1016。因為層結構1000可包括不同於第10圖所示數量的交替的稀土金屬氧化層和矽層，所以分散式布拉格反射器1604可包括不同於第10圖所示數量的交替的稀土金屬氧化層和矽層。光子裝置1600 也包括磊晶成長於分散式布拉格反射器1604之上的金屬氧化層1018。光子裝置1600也包括金屬接觸點1608a和金屬接觸點1608b，金屬接觸點1608a和金屬接觸點1608b沉積於金屬氧化層1018之上。金屬接觸點1608a和金屬接觸點1608b可磊晶成長於氧化層1606之上或其可非磊晶沉積，例如藉由物理氣相沉積或蒸鍍執行非磊晶沉積。光子裝置1600也包括磊晶成長於金屬氧化層1018之上的含金屬層1020。在光子裝置1600中，含金屬層1020包括n+ InP(高度摻雜的n型磷化銦)。光子裝置1600包含磊晶成長於含金屬層1020之上的磷化銦層1612。 磷化銦層1612非有意地摻有磷化銦(InP)。光子裝置1600包括磊晶成長於磷化銦層1612之上的多重量子井(MQW)結構。多重量子井結構1614包括彼此磊晶成長的量子井之交替層形成材料，且為光子裝置1600的光學主動部分。光子裝置1600包括磊晶成長於多重量子井結構1614之上的磷化銦層1616以及磊晶成長於磷化銦層1616之上的磷化銦層1618。當磷化銦層1618包括高度摻雜p型磷化銦(p+ InP)，磷化銦層1616並未摻雜(至少磷化銦層1616並非有意摻雜)。鄰近於含金屬層1020和磷化銦層1618之磷化銦層1612和磷化銦層1616具有與鄰近層相同類型之漸進式摻雜。光子裝置1600也包括含氧化銦之頂部電極層1620，且頂部電極層1620磊晶成長於磷化銦層1618之上。在一些實例中，頂部電極層1620包括氧化銦錫。藉由使用包括稀土金屬氧化層之層結構1000，光子裝置1600於矽基板之上提供磊晶成長的光子裝置。
第17圖係繪示利用稀土金屬氧化物作為中間層成長於矽上的雙極性電晶體裝置1700。雙極性電晶體裝置1700包含層結構600，且層結構600更已透過蝕刻和沉積處理以創建雙極性電晶體1724。在第17圖所示的實例中，雙極性電晶體裝置1700包含層結構600的矽層602、稀土金屬氧化層610、金屬 氧化層614、含金屬層622以及III-V裝置結構626。稀土金屬氧化層606具有<111>晶體方向且用作為金屬氧化層614和後層磊晶成長的緩衝之稀土金屬氧化層，並電性絕緣矽層602和其上層。雙極性電晶體裝置1700包含作為雙極性電晶體的射極的p+摻雜區域1712和p+摻雜區域1714。p+摻雜區域1712和p+摻雜區域1714包含p+ InP(高度摻雜的p型磷化銦)。磷化銦層1710作為雙極性電晶體1724的基極，而金屬氧化層614作為雙極性電晶體1724的集極電極導電層。 金屬氧化層614包含第三族元素。雙極性電晶體1724也包含基極電極1718、射極電極1716、射極電極1720和集極電極1722。在另一個實例中，雙極性電晶體裝置1700包含第17圖所示的複數層，並也包含層結構600的稀土金屬氧化層610和金屬氧化層618。
第18圖係繪示包含利用稀土金屬氧化物層606為緩衝成長於矽層602上的場效電晶體(FET)1824之裝置1800。裝置1800包含層結構600，層結構600包含矽層602、稀土金屬氧化層606、金屬氧化層614、含金屬層622以及III-V裝置結構626。矽層602為具有<111>晶體方向之矽層。稀土金屬氧化層606也具有<111>晶體方向且用以電性絕緣場效電晶體1824和矽層602，並提供用於金屬氧化層614的磊晶成長的緩衝層。金屬氧化層614為例如氧化銦或氧化銦錫之具導電性的第三族氧化物，並作為場效電晶體1824的汲極電極。含金屬層622包含n+ InP(高度摻雜的n型磷化銦)，並作為場效電晶體1824的汲極。III-V裝置結構626包含n- InP層1810、n+ InP區域1812和n+ InP區域1814以及p型InP區域1830和p型InP區域1832。n+ InP區域1812和n+ InP區域1814作為場效電晶體1824的源極。場效電晶體1824也包含含有稀土金屬氧化物材料之閘極介電層1818。此外，場效電晶體1824包含閘極電極1826、源極電極1816 和源極電極1820以及汲極接觸點1828。經由利用稀土金屬氧化層為緩衝，場效電晶體可磊晶成長於矽基板上。
第19圖係繪示層結構600的成長方法1900之流程圖。於1902中，提供例如矽層602的基底層。於1904步驟中，提供稀土金屬元素RE1源和稀土金屬元素RE2源以及氧源。稀土金屬元素RE1源和稀土金屬元素RE2源之實例包含鉺和鈧。氧源的實例包含O2、O3以及電漿激活的氧原子。於1904步驟中，成長稀土金屬氧化層606。於1906步驟中，停止稀土金屬元素RE1源，並提供金屬元素M1源。持續提供稀土金屬元素RE2源和氧源。金屬元素M1源的實例包含銦、鎵及鋁。於1906步驟中，成長稀土金屬氧化層610。
於1908步驟中，停止稀土金屬元素RE2源，且提供金屬元素M2源。持續提供金屬元素M2源和氧源。金屬元素M2源的實例包含錫和鉛。於1908步驟中，成長金屬氧化層614。於1910步驟中，提供元素J1源，並持續提供金屬元素M1源、金屬元素M2源和氧源。元素J1源的實例包含氮。於1910步驟中，成長金屬氧化層618。於1912步驟中，停止氧源，並提供元素J2源。 持續提供金屬元素M1源、金屬元素M2和元素J1源。元素J2源的實例包含砷。 於1912步驟中，成長含金屬層622。於1914步驟中，成長III-V裝置結構。經由維持複數層中各處的一種或多種元素的連續性，可磊晶成長極少缺陷及錯位的層結構600。
第20圖係繪示成長層結構1100的方法2000流程圖。於2002步驟中，提供例如矽層1102的基底層。於2004步驟中，提供稀土金屬元素RE1源和稀土金屬元素RE2源以及氧源。稀土金屬元素RE1源和稀土金屬元素RE2源之實例包含鉺和鈧。氧源的實例包含O2、O3以及電漿激活的氧原子。於2004 步驟中，成長稀土金屬氧化層1104。於2006步驟中，停止稀土金屬元素RE1源和稀土金屬元素RE2源，並提供金屬元素M1源和金屬元素M2源。金屬元素M1源和金屬元素M2源的實例包含銦和錫。於2006步驟中，成長例如金屬氧化層1106和金屬氧化層1110之金屬氧化層。於2008步驟中，停止金屬元素M1源和金屬元素M2源並提供稀土金屬元素RE1源和稀土金屬元素RE2源。持續提供氧源。於2008步驟中，成長例如稀土金屬氧化層1108和稀土金屬氧化層1112之稀土金屬氧化層。
於2010步驟中，假如尚未成長所需求的數量對之金屬氧化層/稀土金屬氧化層，方法2000返回步驟2006。假如已成長所需求的數量對之金屬氧化層/稀土金屬氧化層，方法2000前進至步驟2012。於2012步驟中，停止稀土金屬元素RE1源和稀土金屬元素RE2源，並提供金屬元素M1源和金屬元素M2源。持續提供氧源。於2012步驟中，成長金屬氧化層1114。於2014步驟中，成長例如三族氮化物射頻裝置1116之三族氮化物裝置結構。經由替換稀土金屬氧化層和金屬氧化層，方法2000提供聲鏡以將三族氮化物裝置結構和基底層聲波隔離。
可使用化學氣相沉積(CVD)、有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)、有機金屬氣相磊晶(OMVPE)、原子層沉積(ALD)、分子束磊晶(MBE)、鹵化物氣相磊晶(HVPE)、脈衝雷射沉積(PLD)及/或物理氣相沉積(PVD)之其一種或多種執行本文描述的沉積及/或成長。
三族氮化物材料為包含氮及一種或多種的第三族元素之半導體材料。使用來形成三族氮化物材料之共同第三族元素包含鋁、鎵以及銦。三族氮化物材料具有大直接能隙，讓其在高電壓裝置、射頻裝置及光學裝置上為有 利的。再者，因為多重第三族元素可以不同成分結合於單一三族氮化物膜，三族氮化物膜的特性為高度可調變的。
可使用有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)成長三族氮化物材料或III-V材料。在有機金屬化學氣相沉積中，一種或多種第三族前驅物(precursor)與第五族前驅物反應以於基板上沉積三族氮化物膜。一些第三族前驅物包含作為鎵源的三甲基鎵(trimethylgallium,TMGA)、作為鋁源的三甲基鋁(trimethylaluminum,TMA)以及作為銦源的三甲基銦(trimethylindium,TMI)。 氨(ammonia)為第五族前驅物，其可使用為氮源。叔丁基砷和砷化氫為第五族前驅物，其可使用為砷源。叔丁基磷和磷化氫為第五族前驅物，其可使用為磷源。
如本文描述，層意謂實質上均勻厚度的材料覆蓋表面。層可為連續的或不連續的(即材料的區域之間具有間隙)。舉例來說，層可完全覆蓋表面，或分割成共同定義層之分離區域(即使用選定區域磊晶形成之區域)。層結構意謂層組，以及可為單一結構或大結構的一部分。三族氮化物結構意謂包含三族氮化物材料的結構，並可包含三族氮化物之外的其他附加材料，其以矽、矽氧化物(SiOx)、矽氮化物(SixNy)以及III-V材料為例。同樣地，III-V結構意謂包含III-V材料之結構，並可包含III-V材料之外的其他附加材料，其以矽、矽氧化物(SiOx)、矽氮化物(SixNy)以及三族氮化物材料(III-V材料的子集)為例。
「單片整合(Monolithically-integrated)」意謂形成在基板表面之上，通常藉由沉積層設置於表面之上。
「設置(disposed)」下面材料或層「上(on)」意謂「存在(exists)」於下面材料或層「上(on)」。這些層可包含確保適當表面所需之中間層，例如過渡層。舉例來說，若材料被描述為「設置於基板上」，則此可意謂(1)材料與基板緊密接觸；或(2)材料與在基板上的一種或多種過渡層接觸。
「單晶(single crystal)」意謂實質上僅包含一種單位晶胞的結晶結構。然而，單晶層可顯出一些結晶缺陷，例如堆疊缺陷、錯位或其他通常發生的結晶缺陷。
「單晶域(single domain)」意謂包含實質上只有一種結構的單位晶胞或實質上只有一種方向的單位晶胞的結晶結構。換句話說，單晶域結晶展現無雙晶域或反相晶域。
「單相(single phase)」意謂單晶且單晶域的結晶結構。
「結晶(crystalline)」意謂實質上單晶且實質上單晶域的結晶結構。結晶度意謂結晶結構為單晶及單晶域的程度。高結晶結構將是全部或幾乎全部為單晶且單晶域。
「磊晶(Epitaxy)」、「磊晶成長(epitaxial growth)」以及「磊晶沉積(epitaxial deposition)」意指結晶層成長或沉積於結晶基板之上。「結晶層(crystalline layer)」意指磊晶層。「結晶基板(crystalline substrate)」作為模板，並決定結晶層的晶格方向和晶格間距。在一些例子中，結晶層可為晶格匹配或晶格共位。晶格匹配的結晶層可具有與結晶基板頂面相同或非常相似的晶格間距。晶格共位的結晶層可具有為結晶基板的晶格間距的整數倍或近似整數倍之晶格間距。或者，晶格基板的晶格間距可為晶格共位的結晶層的晶格間 距的整數倍或近似整數倍。磊晶的品質部分根據結晶層的結晶度。實際上，高品質磊晶層將是具有低缺陷及鮮少或無晶粒邊界的單晶。
「基板(Substrate)」意謂形成沉積層在其上的材料。例示性基板包含但不限於：矽塊材晶圓，其中晶圓包含單晶矽的均勻厚度；組成晶圓，例如矽在絕緣體之上的晶圓，其包含設置於二氧化矽層之上的矽層，二氧化矽層設置於矽塊材操作晶圓之上；或用作為在其中或其上形成裝置之基底層的任何其他材料。適合作為應用用途以作為基板層及塊材基板的此類其他材料之例子包含但不限於氮化鎵(gallium nitride)、碳化矽(silicon carbide)、氧化鎵(gallium oxide)、鍺(germanium)、氧化鋁(alumina)、砷化鎵(gallium-arsenide)、磷化銦、矽石(silica)、二氧化矽(silicon dioxide)、硼矽玻璃(borosilicate glass)、耐熱玻璃(pyrex)及藍寶石。
稀土金屬氧化物基板意謂包含單晶稀土金屬氧化層之成分以及基板。稀土金屬氧化物的實例為三氧化二釓(Gd2O3)、三氧化二鉺(Er2O3)以及三氧化二鐿(Yb2O3)。基板由矽<100>、矽<111>或其他適當材料組成。稀土金屬氧化層磊晶沉積於基板之上。
「絕緣體上的半導體(Semiconductor-on-Insulator)」意謂包含單晶半導體層、單相介電層及基板的組成，其中介電層介於半導體層和基板之間。 這結構使人聯想到先前技術的絕緣體上的矽(“SOI”)組成，其通常包含單晶矽基板、非單相的介電層(如非晶二氧化矽等)及單晶矽半導體層。
絕緣體上的半導體組成包含具有單相形態(morphology)的介電層，然而SOI晶圓則無。事實上，通常SOI晶圓的絕緣層甚至不是單晶。
絕緣體上的半導體組成包含矽、鍺或矽-鍺「主動(active)」層，然而先前技術的SOI晶圓使用矽主動層。換句話說，例示性之絕緣體上的半導體組成包含但不限於：絕緣體上的矽、絕緣體上的鍺及絕緣體上的矽-鍺。
本文繪示及/或描述為在第二層「上(on)」或「之上(over)」的第一層可緊密相鄰於第二層，或可有一個或多個中間層在第一層和第二層之間。本文繪示及/或描述之「在」第一層和第二層「之間(between)」的中間層可緊密相鄰於第一層及/或第二層，或一個或多個附加中間層可介於中間層和第一層和第二層之間。除了可因為第一層和第二層或基板混合而形成的之可能的中間合金層以外，本文繪示及/或描述為「直接(directly)」在第二層或基板「上(on)」或「之上(over)」的第一層係無中間層存在地緊密相鄰於第二層或基板。除此之外，本文的及/或描述之在第二層或基板「上(on)」、「之上(over)」、「直接(directly)」在第二層或基板「上(on)」、「之上(over)」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。
基板在層成長期間被放置在基板座上，及頂面或上面為離基板座最遠的基板或層的表面，而底面或下面為離基板座最近的基板或層的表面。本文描述及繪示的任何結構可為具有其他層於所繪的這些結構之上/之下的較大結構的一部分。雖然這些其他層可為所揭露結構的一部分，但為了清楚起見，本文圖式可省略這些其他層。除此之外，所繪之結構可為重複單元，即使此些重複未繪示於圖式中。
從上述說明顯而易見的是可使用各種技術來執行本文描述的概念而未悖離本揭露的範圍。所述的實施例在所有方面上皆被認為係說明性而非限制性的。應理解的是本文描述的技術與結構不限於本文所述的特定實例，而 是可以其他實例執行而未悖離本揭露的範圍。同樣地，雖然操作在圖式中以特定順序繪示，然而此不應被理解為要求以特定順序或依序執行此些操作或需執行所有所示的操作來達到理想的結果。此外，本文描述的不同實例非為單一實例，而其他揭露的實例可包含單一實例的特徵。因此，將理解的是，申請專利範圍不限制於本文揭露的實例，但所屬技術領域中具有通常知識者將從前述提供的技術性教示理解而得知這些技術性教示。
100:層結構
102:基底層
110:稀土金屬氧化層
114:金屬氧化層

Claims (15)

  1. 一種層結構，其包含：一基底層；一第一稀土金屬氧化層，磊晶成長於該基底層之上，其包含：一第一稀土金屬元素；以及氧，其中該第一稀土金屬氧化層具有一方鐵錳礦晶體結構；以及一金屬氧化層，直接磊晶成長於該第一稀土金屬氧化層之上，其包含：一第一陽離子元素，從第三族選出；一第二陽離子元素，從第三族或第四族選定；以及氧，其中，該金屬氧化層具有一方鐵錳礦晶體結構，且包含鄰近該第一稀土金屬氧化層之該金屬氧化層的一第一區域以及鄰近該金屬氧化層頂面之該金屬氧化層的一第二區域；以及該第二陽離子元素的一濃度以一漸變方式或一階梯方式從該第一區域中近乎零值改變至該第二區域中一最大值。
  2. 如請求項1所述之層結構，其中該第一稀土金屬氧化層更包含一第二稀土金屬元素。
  3. 如請求項1所述之層結構，更包含一第三族氮化層，該第三族氮化層磊晶成長於該金屬氧化層之上。
  4. 如請求項1所述之層結構，更包含一第二稀土金屬氧化層，該第二稀土金屬氧化層介於該第一稀土金屬氧化層和該基底層之間。
  5. 如請求項1所述之層結構，其中該金屬氧化層包含從方鐵錳礦至一第二晶體結構的一晶體結構轉變。
  6. 如請求項1所述之層結構，更包含：一第二稀土金屬氧化層，磊晶成長於該金屬氧化層之上，其包含：該第一稀土金屬元素，以及氧，其中該第二稀土金屬氧化層具有一方鐵錳礦晶體結構；以及一第二金屬氧化層，直接磊晶成長於該第二稀土金屬氧化層之上，其包含：該第一陽離子元素，以及氧，其中該第二金屬氧化層具有一方鐵錳礦晶體結構。
  7. 一種層結構，其包含： 一基底層；一第一稀土金屬氧化層，磊晶成長於該基底層之上並具有(RE1xRE21-x)aOb(0
    Figure 106109575-A0305-02-0039-153
    x
    Figure 106109575-A0305-02-0039-154
    1；1
    Figure 106109575-A0305-02-0039-155
    a
    Figure 106109575-A0305-02-0039-156
    3；2
    Figure 106109575-A0305-02-0039-157
    b
    Figure 106109575-A0305-02-0039-158
    4)之一成分，其中RE1和RE2分別代表一第一稀土金屬元素和一第二稀土金屬元素；以及一金屬氧化層，直接磊晶成長於該第一稀土金屬氧化層之上，其包含：一第一陽離子元素，從第三族或第四族選定；一第二陽離子元素，從第三族或第四族選定；以及氧，其中，該金屬氧化層包含鄰近該第一稀土金屬氧化層之該金屬氧化層的一第一區域以及鄰近該金屬氧化層頂面之該金屬氧化層的一第二區域；以及該第二陽離子元素的一濃度以一漸變方式或一階梯方式從該第一區域中近乎零值改變至該第二區域中一最大值。
  8. 如請求項7所述之層結構，更包含一第三族氮化層，該第三族氮化層磊晶成長於該金屬氧化層之上。
  9. 如請求項7所述之層結構，更包含一第二稀土金屬氧化層，該第二稀土金屬氧化層介於該第一稀土金屬氧化層和該基底層之間。
  10. 如請求項7所述之層結構，其中該金屬氧化層包含從方鐵 錳礦至一第二晶體結構的一晶體結構轉變。
  11. 如請求項7所述之層結構，更包括：一第二稀土金屬氧化層，磊晶成長於該金屬氧化層之上，其包含：該第一稀土金屬元素；以及氧，其中該第二稀土金屬氧化層具有一方鐵錳礦晶體結構；以及一第二金屬氧化層，直接磊晶成長於該第二稀土金屬氧化層之上，其包含：該第一陽離子元素；以及氧，其中該第二金屬氧化層具有一方鐵錳礦晶體結構。
  12. 如請求項11所述之層結構，其中該第二稀土金屬氧化層更包括一第二稀土金屬元素。
  13. 如請求項11所述之層結構，更包含一第三族氮化物，該三族氮化物磊晶成長於該第二金屬氧化層之上。
  14. 如請求項6所述之層結構，其中該第二稀土金屬氧化層更包括一第二稀土金屬元素。
  15. 如請求項6所述之層結構，更包括一三族氮化物，該三族氮化物磊晶成長於該第二金屬氧化層之上。
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