モノリシックに集積化された半導体材料およびデバイス
単結晶シリコンおよび単結晶非シリコン材料と、デバイスとをモノリシックに集積化するための方法および構造が提供される。ある構造では、半導体構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層とを含み、第1の単結晶半導体層は、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する。半導体構造は、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、第1の領域内の絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層とをさらに含む。第2の単結晶半導体層は、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
(関連出願)
本出願は、2005年11月1日に出願された、発明名称が「INTEGRATED LIGHT ARRAYS」である米国仮特許出願第60/732,442号、および2006年4月7日に出願された、発明名称が「INTEGRATED LIGHT ARRAYS」である米国特許出願第60/790204号に基づく米国特許法第119条第(e)項の優先権の利益を主張するものであり、これらの全体は参考として本明細書に援用される。
【0002】
(発明の分野)
本発明は、概して半導体構造の製造に関する。より具体的には、本発明は、シリコンおよび他の単結晶半導体材料、および/またはデバイスのモノリシックな集積化に関する。
【背景技術】
【0003】
III−V族の材料とシリコンとを組み合わせるという概念は1980年代に生まれた。当時、シリコン技術の進展の程度は予測できず、よって多くの潜在的な用途を詳述することはできなかったが、このような技術は基本的原理に基づいて探求された。基本的な考え方は、光を放射および検出する能力(III−V族の材料)とデジタルロジック(シリコンデジタル回路)を組み合わせることによって、新たな市場がもたらされ、古い市場が崩壊するというものであった。しかし、実際には、実用的な方法でこの目的を達成するには、当初の認識よりも大きな課題のあることが立証されている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0004】
本明細書では、単結晶シリコンおよび単結晶非シリコン材料と、デバイスとをモノリシックに集積化するための方法および構造が提供される。
【0005】
一側面では、半導体構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、第1の領域内の絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層とを含む。
【0006】
別の側面では、半導体構造を形成する方法が提供される。本方法は、シリコン基板を提供するステップと、シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置するステップであって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップと、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置するステップと、第1の領域内の絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置するステップと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って第2の単結晶半導体層を配置するステップであって、第2の単結晶半導体層が第1の領域には存在せず、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有するステップとを含む。
【0007】
一側面では、半導体構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層とを含む。
【0008】
一側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、第1の領域内の絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスとを含む。
【0009】
別の側面では、半導体構造を形成する方法が提供される。本方法は、シリコン基板を提供するステップと、シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置するステップであって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有するステップと、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置するステップと、第1の領域内の絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置するステップと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、第2の単結晶半導体層を配置するステップであって、第2の単結晶半導体層が第1の領域には存在せず、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップとを含む。
【0010】
一側面では、半導体構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層とを含む。
【0011】
一側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、第1の領域内の絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つのシリコンベースの光検出器と、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つの非シリコン光検出器とを含む。
【0012】
別の側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造を形成する方法が提供される。本方法は、シリコン基板を提供するステップと、シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置するステップであって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップと、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置するステップと、第1の領域内の絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置するステップと、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのシリコンベースの光検出器を形成するステップと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層を配置するステップであって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップと、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つの非シリコンベースの光検出器を形成するステップとを含む。
【0013】
一側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つのシリコンベースの光検出器と、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、記第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つの非シリコン光検出器とを含む。
【0014】
一側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、第1の領域内の絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスとを含む。
【0015】
別の側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造を形成する方法が提供される。本方法は、シリコン基板を提供するステップと、シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置するステップであって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップと、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置するステップと、第1の領域内の絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置するステップと、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスを形成するステップと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層を配置するステップであって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップと、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスを形成するステップとを含む。
【0016】
別の方法では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスとを含む。
【0017】
添付の図面は、原寸に比例して描画することを意図したものではない。図面中、種々の形態で示される同一またはほぼ同一の各構成要素は、同様の参照符号で表される。明確にするために、全ての図面において全ての構成要素に参照符号が付されていない場合がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
本明細書に示される実施形態は、シリコンベースの単結晶層と、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する1つ以上の単結晶半導体層とのモノリシックな集積化を容易にする方法および構造の実装例を提供する。いくつかの実施形態では、シリコンベースのデバイスは、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する1つ以上の単結晶半導体層で形成されたアクティブ領域を有するデバイスとモノリシックに集積化される。シリコンベースのデバイスには(これに限定されないが)、n型金属酸化膜半導体(NMOS)およびp型金属酸化膜半導体(PMOS)電界効果トランジスタ(FET)、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)デバイス、およびバイポーラトランジスタのような、シリコンベースの電子部品が挙げられる。シリコンベースのデバイスには、同様に、シリコンベースの光検出器のような光電子デバイスも挙げられる。非シリコン半導体デバイスには(これに限定されないが)、III−V族の発光デバイス(例、発光ダイオード(LED)およびレーザダイオード)、III−V族の光検出器、およびIII−V族の高電子移動度トランジスタ(HEMT)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)、および金属半導体FET(MESFET)のようなIII−V族の電子デバイスが挙げられる。
【0019】
いくつかの実施形態では、シリコンベースの単結晶層と、緩和シリコンとは異なる格子定数を有する単結晶半導体層とのモノリシックな集積化は、発光デバイスと、CMOS回路のようなシリコンベースのデバイスとの集積化を容易にする。発光デバイスは、可視光、赤外線光および/または紫外線光を放射することができるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。これらのデバイスをモノリシックに集積化する能力によって、発光デバイスを、発光デバイスを制御および/または駆動するシリコンCMOS回路とモノリシックに集積化することができる。シリコンCMOS回路は、計算機能を実行することもできる。発光デバイスは、一次元アレイまたは二次元アレイのような発光デバイスのアレイの形態をとることができる。したがって、発光デバイスは、線および/または領域(例、矩形の領域)を覆って配列することができ、モノリシックに集積化したシリコンCMOS回路によって、発光を制御、または選択的に駆動することが可能である。光検出器は、発光デバイスの有無にかかわらず、シリコンCMOSとモノリシックに集積化することもできる。光検出器は、必要に応じてシリコンベースの光検出器とすることが可能であり、発光デバイスによって放射された光を検出するように、発光デバイスに隣接して集積化することが可能である。光検出器からの出力は、シリコンCMOS回路に提供することができ、この回路では、光検出器の出力に少なくとも部分的に基づいて、発光デバイスの駆動を変化させることができる。このような機能を使用して、発光デバイスに提供される駆動電力を調整、および/または所与の発光デバイスが不適切に機能していることを検出したとき(例えば、発光デバイスの出力が停止または低下したとき)に、余剰の発光デバイスを作動させることができる。
【0020】
CMOSのような、発光デバイスとシリコンベースの電子部品とのモノリシックな集積化を用いて、マイクロディスプレイ、高解像度プリンタバーおよび/または領域、撮像バーおよび/または領域、集積化されたマイクロディスプレイを有するコンピュータオンチップ、およびシリコンベースの電子部品用の光相互接続を形成することができる。
【0021】
いくつかの実施形態では、シリコンベースの単結晶層と、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する単結晶半導体層とのモノリシックな集積化は、ゲルマニウムおよび/またはIII−V族の光検出器のような、シリコン光検出器と非シリコン光検出器との集積化を容易にすることができる。シリコンおよび非シリコン光検出器の集積化によって、シリコンおよび非シリコン光検出器のアレイを有する高解像度の撮像チップを、CMOSのようなシリコンベースの電子部品とさらに集積化することができる。
【0022】
いくつかの実施形態では、シリコンベースの単結晶層と、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する単結晶半導体層とのモノリシックな集積化は、シリコンMOSFETおよびバイポーラトランジスタのようなシリコンベースの電子デバイスと、III−V族のHEMT、HBT、および/またはMESFETのような非シリコンベースの半導体電子デバイスとの集積化も容易にする。このような集積化によって、シリコンCMOSによって形成されたデジタル回路と、III−V族の材料で形成されたアナログ/RF回路との集積化が可能となる。
【0023】
示されたいくつかの実施形態は、シリコンと非シリコン材料とのモノリシックな集積化、および緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する1つ以上の単結晶半導体層を備えたシリコンベースの単結晶層を含む、多層出発ウエハを使用したデバイスを達成する。さらに、本明細書に示されるいくつかの技術によって、非シリコン材料を単結晶の非シリコン半導体層の上にエピタキシャル蒸着することができる。エピタキシャルに成長される非シリコン材料には、III−V族の発光デバイス(例、LEDおよびレーザダイオード)のような非シリコン半導体デバイス、III−V族の光検出器、およびIII−V族のHEMT、HBT、およびMESFETのようなIII−V族の電子デバイスのための、デバイスヘテロ構造が挙げられる。多層出発ウエハによって、エピタキシャルに成長した非シリコンデバイス材料の表面を、シリコンベースの単結晶層と実質的に同一平面にすることができ、それによって、シリコンと非シリコンデバイス構造との共処理(例、フォトリソグラフィ、相互接続形成、および他のバックエンド処理)を容易にする。
【0024】
図1は、単結晶シリコンと、単結晶非シリコン半導体層とを含む多層ウエハの一実施形態の図である。多層ウエハ100は、シリコン基板110と、シリコン基板110を覆って配置された単結晶半導体層120と、単結晶半導体層120を覆って配置された絶縁層130と、絶縁層130を覆って配置された単結晶シリコン層140とを含む。
【0025】
単結晶半導体層120は、1つ以上の半導体層を含むことが可能である。単結晶半導体層120の層のうちの少なくとも1つは、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有することができる。単結晶半導体層120は、1つ以上のゲルマニウム層、1つ以上のシリコン−ゲルマニウム層、および/または1つ以上のIII−V族の半導体層を含むことが可能である。単結晶半導体層120は、シリコン−ゲルマニウム傾斜層を含むことが可能である。シリコン−ゲルマニウム傾斜層は、第1のゲルマニウム含有量(例、0%のゲルマニウム)である底部インターフェースを有することが可能であり、第2のゲルマニウム含有量(例、100%のゲルマニウム)である上部インターフェースまで、ゲルマニウム含有量が増加するように傾斜させることが可能である。ゲルマニウム層は、層120の一部として、このようなシリコン−ゲルマニウム傾斜層を覆って配置することが可能である。
【0026】
いくつかの実施形態では、単結晶半導体層120は、1つ以上のIII−V族の半導体層を含むことが可能である。III−V族の半導体層の例には、砒化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、砒化インジウムガリウム、窒化インジウムガリウム、砒化アルミニウムガリウム、窒化アルミニウムガリウム、および/または当業者が既知のIII−V族の半導体層が挙げられる。いくつかの実施形態では、III−V族の半導体層は、ゲルマニウム層を覆って配置することが可能である。さらに、上述のように、ゲルマニウム層は、シリコン−ゲルマニウム傾斜層を覆って配置することが可能である。いくつかの実施形態では、III−V族の半導体層は、シリコン−ゲルマニウム層および/またはシリコン−ゲルマニウム傾斜層を覆って配置することが可能である。
【0027】
いくつかの実施形態では、単結晶半導体層120は、一方が他方を覆って配置され、互いに異なる格子定数を有し、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する2つ以上の単結晶半導体層を含むことが可能である。この2つ以上の単結晶半導体層には、例えば、ゲルマニウム層とリン化インジウム層、ゲルマニウム層と窒化ガリウム層、砒化ガリウム層とリン化インジウム層、および/または砒化ガリウム層と窒化ガリウム層を挙げることができる。単結晶半導体のうちの1つは、発光デバイス内のアクティブ層に好適なものとすることが可能であり、他の単結晶半導体層は、アナログおよび/またはRFデバイス内のチャネル層として好適なものとすることが可能である。
【0028】
絶縁層130には、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、当業者が既知の他の絶縁材料、および/またはそれらのあらゆる組み合わせなどの、あらゆる絶縁材料層が挙げられる。いくつかの実施形態では、層130は、半導体および/または金属層のような非絶縁層である。他の実施形態では、層130を存在させないことも可能である。このような実施形態では、単結晶シリコン層140は、単結晶半導体層120上に(例えば接触させて)配置することが可能である。
【0029】
単結晶シリコン層140は、緩和シリコン層および/または歪みシリコン層を含むことが可能である。歪みシリコン層は、あらゆる所望の歪みを有することが可能であり、例えば、歪みシリコン層は、約1%〜2%の引張歪みを有することが可能である。あるいは、または加えて、シリコン−ゲルマニウム層は、絶縁層130を覆って配置することが可能である。
【0030】
多層ウエハ100は、あらゆる所望の直径を有することができるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、多層ウエハは、少なくとも150mm、少なくとも200mm、またはシリコン基板に使用可能な他の好適な直径を有する。
【0031】
図2A〜2Cは、いくつかの実施形態による、多層ウエハの例を概略的に示す図である。図2A〜2Cは、絶縁層130を覆って配置された単結晶シリコン層140を有する、多層ウエハ201を示す図である。絶縁層130は、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121を覆って配置された1つ以上のゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、および/またはIII−V族の層120を覆って配置される。シリコン−ゲルマニウム傾斜層121は、シリコン基板110を覆って配置される。
【0032】
図2Bは、絶縁層130を覆って配置された単結晶シリコン層140を含む、多層ウエハ202を示す図である。絶縁層130は、シリコン基板110を覆って配置された1つ以上のゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、および/またはIII−V族の層120を覆って配置される。
【0033】
図2Cは、絶縁層130を覆って配置された単結晶シリコン層140を含む、多層ウエハ203を示す図である。絶縁層130は、1つ以上のゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、および/またはIII−V族の層120を覆って配置される。層120は、シリコン基板110を覆って配置された絶縁層135を覆って配置される。いくつかの実施形態では、絶縁層130および/または135は、半導体および/または金属のような非絶縁層に置き換えることが可能である。
【0034】
いくつかの実施形態では、本明細書に示された多層ウエハの単結晶半導体層120は、シリコン基板110の実質的に全てをオーバーレイすることができる。単結晶半導体層120は、シリコン基板110の全てまたは実質的に全てを覆って配置することが可能である。絶縁体130および/または単結晶シリコン層140は、シリコン基板110の実質的に全てを覆って配置することも可能である。このような多層ウエハは、下述するようなウエハ接合技術を使用して作製することが可能である。
【0035】
図3A〜3Dは、図2Aに示された多層ウエハ201のような多層ウエハを作製する方法の一例を示す図である。図3Aに示されるように、本方法は、シリコン基板110を含むことができるハンドルウエハを提供するステップを含むことが可能である。格子不整合シリコン−ゲルマニウム傾斜層121は、当業者が既知の技術を使用して、シリコン基板110上にエピタキシャルに成長させることが可能である。例えば、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121は、化学蒸着(CVD)を使用して成長させることが可能である。シリコン−ゲルマニウム傾斜層121は、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121の表面において、低ゲルマニウム含有量から高ゲルマニウム含有量に増加させた、傾斜ゲルマニウム含有量を有することが可能である。シリコン−ゲルマニウム傾斜層121の低インターフェースでの低ゲルマニウム含有量は、0%ゲルマニウム(例、純シリコン)とすることが可能であり、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121の上面において、所望の最終的なゲルマニウム含有量まで段階的に、連続的に、または他の様態で増加させることが可能である。いくつかの実施形態では、シリコン−ゲルマニウム傾斜層の上面のゲルマニウム含有量は、100%のゲルマニウムであるか、または他の好適な含有量(例、90%を超えるゲルマニウム、75%を超えるゲルマニウム、50%を超えるゲルマニウム)である。シリコン−ゲルマニウム傾斜層は、シリコン基板上への格子不整合シリコン−ゲルマニウムの蒸着中のあらゆるクロスハッチの粗さを削減するように、化学的機械的研磨(CMP)を行うことが可能である。シリコン−ゲルマニウム層121は、エピタキシャル成長中に形成されるあらゆるクロスハッチの粗さを削減し、また最終的な貫通転位密度を低減するように、成長プロセスの中断を経て、段階的にCMPを行うことも可能である。
【0036】
ゲルマニウムおよび/またはシリコン−ゲルマニウム層120は、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121を覆って配置することが可能である。いくつかの実施形態では、ゲルマニウム層は、成長プロセスの後に、化学的機械的に研磨することが可能である。いくつかの実施形態では、1つ以上の層を、1つ以上のIII−V族の層を含む、ゲルマニウム層および/またはシリコン−ゲルマニウム層120を覆って配置することが可能である。あるいは、1つ以上のIII−V族の層を、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121上に直接配置することが可能である。1つ以上のIII−V族の層は、複数のIII−V族の材料(例、砒化ガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウム、あらゆる三元のIII−V族、および/またはそれらの任意の組み合わせ)を含むことが可能である。さらに、1つ以上のIII−V族の層は、砒化インジウムガリウム傾斜層、またはIII−V族の半導体を含む他の傾斜層構造を含むことが可能である。
【0037】
絶縁層130は、ゲルマニウムおよび/またはシリコン−ゲルマニウム層120を覆って配置することが可能である。絶縁層130は、酸化物(例、二酸化ケイ素)、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、または他の好適な絶縁体材料のような、あらゆるタイプの絶縁体を含むことが可能である。あるいは、または加えて、非絶縁層は、ゲルマニウムおよび/またはシリコン−ゲルマニウム層120を覆って蒸着することが可能である。絶縁層130は、例えば化学機械研磨を使用してさらに研磨することが可能である。
【0038】
図3Bは、図3Aに示されたハンドルウエハにウエハ接合することが可能なドナーウエハを示す図である。ドナーウエハは、シリコン基板190とすることが可能である。シリコン基板190は、イオン切断プロシージャを使用して、ウエハ接合および層転写に備えることが可能である。あるいは、または加えて、当業者に既知であるように、接着およびエッチバック層転写を使用することが可能である。イオン切断プロセスでは、シリコン基板の表面から所望の深さにおいて、注入イオンピーク192を形成するように、イオン(例、水素イオン、ヘリウムイオン)がシリコン基板190の表面に注入(矢印191で示す)される。イオンピーク192(本明細書では、シリコン層140と称する)は、ウエハ接合プロセスのための転写層として機能することができる。
【0039】
図3Cは、ウエハ接合プロセスを示す図であり、図3Bのドナーウエハは、図3Aのハンドルウエハに接合される。図に示されるように、ハンドルウエハのシリコン層140は、ドナーウエハの絶縁層130に接合される。あるいは、絶縁層(例、酸化物層)は、ウエハ接合の前に、図3Bに示されるドナーウエハのシリコン層140を覆って配置することが可能である。当該の一実施形態では、ウエハ接合プロセスは、酸化物層を酸化物層に接合するステップを含むことができる。ウエハ接合の後に、接合されたウエハの対は、層140のクラック形成および層間剥離を開始するように、所望の温度でアニールすることが可能である。アニーリングは、転写層のハンドルウエハへの接合を増強することも可能である。得られた多層半導体ウエハ構造を図3Dに示すが、シリコン層140は、図3Aに示されるハンドルウエハを覆って配置される。剥離層140の表面が粗くなる場合があるので、ウエハ表面をその後に、例えば化学機械研磨によって研磨することが可能である。
【0040】
図4は、非シリコンドナー基板を使用して、図2に示される多層ウエハ202を作製する方法を示す図である。非シリコンドナー基板には、砒化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウムまたはガリウムリン化物のような、ゲルマニウム基板またはIII−V族の基板が挙げられる。図4Aは、非シリコン材料で形成されるドナー基板180を示す図である。ドナー基板180は、イオン切断プロセスにおいて使用されるイオンによって注入される(矢印181で示す)。このイオンは、非シリコンドナー基板180の表面から所望の深さ182において、ピーク濃度を形成するような注入エネルギで注入される。材料層120は、注入ピーク182より上に位置する。
【0041】
図4Bは、図4Cに示されるように、ドナー基板180をウエハ接合することが可能な、シリコンハンドル基板110を示す図である。ウエハ接合の後に、ウエハ接合された対は、ドナー基板の注入ピーク182においてクラック形成を開始するようにアニールすることが可能であり、それによって、図4Dに示されるように、非シリコン層120のシリコンハンドル基板110への層転写がもたらされる。アニーリングは、層120とシリコンハンドル基板110との間の接合を増強することも可能である。絶縁層130は、次いで、図4Eに示されるように、非シリコン層120に蒸着することが可能である。
【0042】
シリコン基板190を含む第2のドナーウエハを用意することが可能である。状況に応じて、シリコン基板190は、それ自体(図示せず)を覆って配置された絶縁層を有することが可能である。例えば、このような絶縁層は、酸化シリコンで形成することが可能であり、蒸着する、および/または熱的に成長させることが可能である。シリコン基板190は、次いで、注入イオンが第2のイオン切断プロセスに使用されるように、イオン注入(矢印191で示す)を受けることが可能である。シリコン基板に注入されるイオンは、シリコン基板190の表面から所望の深さにおいてイオン注入ピーク192を形成するように、好適な注入エネルギを備える。このようなプロセスは、その後、シリコン基板190のシリコン層140を画定し、シリコン基板110を含むハンドルウエハへ転写される層となる。図4Gは、シリコン基板190の表面がハンドルウエハの層130に接合される、ウエハ接合プロセスを示す図である。ウエハ接合の後に、ウエハ接合された対は、シリコン基板190のイオン注入ピーク192においてクラック形成を開始するようにアニールすることが可能であり、それによって、図4Hに示されるように、ハンドルウエハの層130上にシリコン層140が層転写される。得られる多層半導体ウエハは、図2Bの多層ウエハ202の層を含む。
【0043】
図5A〜5Hは、シリコン基板上のシリコン−ゲルマニウム傾斜層を覆って配置された、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、および/またはIII−V族の半導体のような、非シリコン材料を含むドナーウエハによって開始する、多層ウエハ212を作製する別の方法を示す図である。図5Aは、シリコン傾斜層121がその上に配置されるシリコン基板110aを含む、当該のドナーウエハを示す図である。ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、および/またはIII−V族の層120aは、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121を覆って配置される。イオンは、層120a内の所望の深さにおいてイオン注入ピーク182を形成するように、ドナーウエハの表面を介して注入することができる。図5Aでは、イオン注入ピークより上の材料を層120として示す。図5の方法の残りのステップは、非シリコンドナー基板180が図5Aに示されるウエハに置き換えられている以外は、図4の方法に対する説明に類似する。
【0044】
図6A〜6Hは、ゲルマニウムまたはIII−V族の基板のような非シリコン基板180によって開始し、図4の方法に類似した方法を使用して、図2Cの多層ウエハ203を作製する方法を示す図である。本方法のステップは、絶縁層135が図6Aの非シリコンドナー基板180および/または図6Bのハンドルウエハ110を覆って配置される以外は、図4の方法に対する説明に類似する。
【0045】
図7A〜図7Hは、シリコン基板110a上に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層121上に配置された、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウムおよび/またはIII−V族の層120aのような、非シリコン層を含む出発ウエハを使用して多層ウエハ203を作製する別の方法を示す図である。絶縁層135は、非シリコン層184上に、および/またはハンドルシリコン基板110上に蒸着することができる。図7のプロセスの残りのステップは、図6のものに類似する。
【0046】
図1に示される多層ウエハ100のような多層ウエハは、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する単結晶半導体層120を含む。このような多層ウエハは、シリコンおよび非シリコンデバイスをモノリシックに集積化するための出発ウエハとして使用することが可能である。シリコンデバイスは、単結晶シリコン層140内に、および/またはこの上に形成することが可能であり、非シリコンデバイスは、単結晶半導体層120を露光させるようにシリコン層140および絶縁層130を除去した領域内に形成することが可能である。露光した単結晶半導体層120上でエピタキシャルに再成長した高品質半導体材料層は、III−V族の、シリコン−ゲルマニウム、および/またはゲルマニウム電子部品、および/または光電子デバイスのような、非シリコンデバイスのための材料層として機能することが可能である。
【0047】
図8は、一実施形態による、出発材料として多層ウエハ100を使用して形成することが可能な、半導体構造800を示す図である。半導体構造800は、第1の領域810および第2の領域820をモノリシックに集積化する。第1の領域810は、単結晶半導体層120を覆ってさらに配置された絶縁層131を覆って配置された単結晶シリコン層141を含むことができ、単結晶半導体層120は、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する。単結晶半導体層120は、シリコン基板110を覆って配置される。
【0048】
半導体構造800は、第2の単結晶半導体層(例、図示した実施形態では層220および222)が、単結晶半導体層120の少なくとも一部を覆って配置される、第2の領域820をさらに含む。第2の単結晶半導体層(例、層220および222)は、半導体構造の第1の領域には存在しない。第2の単結晶半導体層(220および222)は、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有し、単結晶半導体層120の組成とは異なる組成を有することが可能である。
【0049】
単結晶半導体層220は、第1の単結晶半導体層120の少なくとも一部に接触して配置することが可能である。以下に詳述するように、このような構造は、単結晶半導体層120の露光領域上でエピタキシャルに成長させることによって形成することが可能である。いくつかの実施形態では、単結晶半導体層220は、単結晶半導体層120の組成と類似した組成を有するか、あるいは、単結晶半導体層220の一部または全てが、単結晶半導体層120とは異なる組成を有することが可能である。さらに、層220は、対象とするデバイスの用途に望まれるように、部分的に、または全体をドープすることが可能である。
【0050】
単結晶半導体層222は、半導体層220を覆って配置することが可能であり、半導体層222は、対象とするデバイスの領域820内での形成に好適なヘテロ構造を構成することが可能である。いくつかの実施形態では、半導体層222は、III−V族の半導体材料層、シリコン−ゲルマニウム、および/またはゲルマニウム層のうちの1つまたは複数を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、層222は、III−V族の、シリコン−ゲルマニウム、および/またはゲルマニウム材料層上で接触して配置することが可能な、シリコンキャップ層を含むことが可能である。このシリコンキャップ層は、III−V族のおよび/またはゲルマニウムが、このような構造へのデバイスの作製に使用されるあらゆるプロセス環境に晒されないようにする、封入層として機能することが可能である(例、シリコンファウンドリ)。
【0051】
出願人らは、実質的に同一平面上にシリコンデバイス領域および非シリコンデバイス領域を有することの利点を認識している。シリコン領域と非シリコン領域との表面間の共平面性は、フォトリソグラフィプロセスステップを容易にすることが可能であるが、これは、シリコン領域と非シリコン領域の両方が、実質的に同じ高さ(例えば、シリコンおよび非シリコン表面が、実質的に同じ高さである)になり得ることによるものである。このように、ウエハの表面上の大きな高さ変動に影響され得るフォトリソグラフィステップを、容易にすることが可能である。シリコン領域および非シリコン領域内のデバイス間の相互接続の作製も、領域間の実質的な共平面性の結果として容易にすることが可能である。本明細書で使用する場合、共平面性は、用いられるリソグラフィの特徴スケールに依存する場合がある。いくつかの実施形態では、同一平面上の半導体表面は、100ナノメートル未満、200ナノメートル未満、または400ナノメートル未満の間隔である。例えば、70ナノメートルゲート長のCMOSに用いられるフォトリソグラフィを使用する場合、実質的に同一平面上にある表面は、200ナノメートル未満の間隔(例、100ナノメートル未満、50ナノメートル未満)となり得る。
【0052】
半導体構造800内には、多数の他の層を導入することが可能であると理解されたい。例えば、単結晶半導体層220および222を含む非シリコン領域820は、絶縁層230によって単結晶シリコン領域141から絶縁することが可能である。図8は、単結晶シリコン層141と、単結晶半導体層222および220との間の全体の間隙を充填するように配置された層230を示すが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。
【0053】
単結晶シリコン領域と単結晶非シリコン領域とを組み合わせた、本明細書に示されるモノリシックに集積化した構造は、出発材料として、多層ウエハ100のような多層ウエハを使用する作製プロセスを使用して形成される。このような方法の一例のフローチャートを図9に示す。本方法は、出発ウエハとして、多層ウエハ(例、多層ウエハ100)を提供するステップを含むことが可能である(ステップ310)。ステップ320で、単結晶シリコン層140の第1の領域内にシリコンデバイスのフロントエンドを形成するように、フロントエンドシリコンデバイスプロセスを行うことが可能である。当該のシリコンデバイスは、シリコントランジスタ(例、CMOS、バイポーラ)、および/または光電子デバイス(例、シリコン光検出器)のような、電子部品および/または光電子デバイスを含むことが可能である。状況に応じて、第1の領域内に作製されたシリコンデバイスのフロントエンドは、これに限定されないが、窒化物、酸化物、オキシナイトライド、それらの組み合わせ、または当業者に既知の他の好適な材料を含む、保護材料の蒸着を経てコーティングすることが可能である。
【0054】
第2の領域内のシリコン単結晶層140では、単結晶半導体層120を露光させるように、シリコン単結晶層140および絶縁層130を除去する(例、エッチングする)ことが可能である(ステップ330)。シリコンおよび/または絶縁体の除去に用いられるエッチングには、化学的または物理的エッチング、および乾式または湿式エッチングが挙げられるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。第2の領域内の単結晶半導体層120が露光すると、エピタキシャル成長プロセスのためのシード層として機能する露光領域上に、あらゆる所望の半導体材料層をエピタキシャルに成長させることが可能である(ステップ340)。このように、単結晶半導体層120に格子整合された半導体材料を成長させることが可能である。単結晶半導体層120上で成長させる半導体層には、ゲルマニウム層、シリコン−ゲルマニウム層、III−V族の層、および/またはあらゆるそれらの組み合わせが挙げられる。このような層のうちの少なくとも1つは、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する。
【0055】
状況に応じて、露光した半導体層120上でのエピタキシャル成長の前に、(例えば、半導体構造800に示されるように)第2の領域内のエッチングによって露光させた単結晶シリコン層141の側壁を囲むように、絶縁(例、誘電体)材料を蒸着することが可能である。このようなプロセスは、図8に示されるような絶縁層230を形成させることが可能である。このようなプロセスは、領域820内に単結晶半導体層を露光させ、一方で、領域820の側壁上に完全な絶縁体を残すように、ウエハ表面全体を覆ってブランケット絶縁層を蒸着するステップと、蒸着下ブランケット絶縁層の一部をエッチングするステップとを含むことが可能である。このような絶縁側壁230は、酸化物、窒化物、オキシナイトライドのような誘電体材料、および/またはあらゆるそれらの組み合わせで形成するか、または他の好適な材料で形成することが可能であると理解されたい。半導体120上の半導体220および222がエピタキシャルに成長すると、側壁230は、選択的なエピタキシャル成長を容易にし、露光した単結晶半導体層120は、以降のエピタキシャル成長のためのシード層として機能する。絶縁体230上での成長は、当業者に既知であるように、適切な成長の化学反応、温度、および/または圧力を使用することによって抑制することが可能である。ブランケット絶縁保護層が、シリコン領域810を覆って存在する場合、半導体の成長は、選択的な成長を使用することによってこれらの領域内で抑制することも可能である。あるいは、選択的な成長を用いない場合、半導体の成長は、シリコン領域810を覆って生じさせることが可能であり、成長後エッチングをおこなって、これらの領域内に蒸着したあらゆる半導体材料を除去することが可能である。
【0056】
ステップ340の半導体のエピタキシャル成長によって、III−V族の層、ゲルマニウム層、および/またはシリコン−ゲルマニウム層を含む所望のデバイス層の成長が可能となる。エピタキシャル成長は、デバイス構造に望まれる、P型、N型、および真性ドーピングを組み込むことも可能である。さらに、シリコンキャッピング層は、単結晶半導体層120上に再成長させたIII−V族の層、ゲルマニウム層、および/またはシリコン−ゲルマニウム層をカプセル化するように、成長プロセスの終わりに蒸着することが可能である(ステップ350)。シリコンキャッピング層を組み込むことで、エピタキシャル成長の後のシリコン作製施設への再導入を容易にすることができる。いくつかの実施形態では、第2の領域内のエピタキシャルに成長した半導体層の表面(例、層222またはシリコンキャッピング層の表面)は、上述のように、第1の領域(例、層141)内のシリコン表面と実質的に同一平面とすることができる。
【0057】
ステップ360では、非シリコンデバイスのフロントエンド処理、および第1の領域内のシリコンデバイスおよびエピタキシャルに成長した第2の領域内の非シリコンデバイスのバックエンド処理を行うことが可能である。バックエンド処理は、ウエハ上のデバイス間に相互接続を形成するステップを含むことが可能である。相互接続は、第1の領域内のシリコンデバイス間に、第2の領域内の非シリコンデバイス間に、およびシリコンデバイス間および非シリコンデバイス間の両方に形成することが可能である。このようなプロセスは、標準的なシリコン作製施設のものと互換であり、さらに、シリコンおよび非シリコン領域が、実質的に同一平面である半導体表面を有する実施形態では、バックエンド処理における相互接続プロセスを大幅に容易にすることが可能である。また、このようなプロセスによって、プロセス全体をシリコンCMOS作製施設内で行うことができる。このプロセスは、バックエンド処理技術がCMOS作製施設に対してより高度であるので、好都合となり得る。
【0058】
記述した作製プロセスは、シリコンCMOSのフロントエンド処理温度が、一般的に、III−V族のデバイス内のドーパント拡散を最小限に抑える温度よりも高いので、シリコンおよび非シリコン(例、III−V族)デバイスのモノリシックな集積化を容易にすることが可能である。したがって、いくつかの実施形態では、III−V族のデバイス層は、シリコンフロントエンド処理が行われたときに、ウエハ内に存在することができない。なお、III−V族層の、ゲルマニウムおよび/またはシリコン−ゲルマニウムを埋設した単結晶半導体層の溶融温度は、これらの層がシリコンのフロントエンド処理を免れ得るために十分に高いものとすることが可能である。また、バックエンド処理(例、相互接続の形成)は、全般的に、熱蓄積がシリコンフロントエンド処理よりも低いので、いかなるIII−V族のデバイス層も、シリコンバックエンド処理を容易に免れることが可能である。
【0059】
このようなモノリシックに集積化した半導体構造、およびこのような構造を形成するための関連する方法を使用して、シリコンデバイス(電子または光電子)、およびIII−V族の、および/またはゲルマニウムデバイス(電子および/または光電子)をモノリシックに集積化することが可能である。
【0060】
図10は、集積デバイス構造1000を示す図であり、一実施形態によれば、シリコン電子部品は、III−V族の発光デバイス(例、LEDまたはレーザダイオード)とモノリシックに集積化される。シリコンデバイス510(例、シリコンCMOS、バイポーラトランジスタ、および/またはシリコン光検出器)は、多層ウエハの第1の領域810内に存在するように作製することが可能であり、III−V族の発光デバイス520は、第2の領域820内の単結晶半導体層120上に成長させることが可能である。領域820内に形成される発光デバイスは、p−nまたはp−i−n構造を形成するようにドープされたIII−V族の層の垂直スタックを含むことが可能である。層222は、アクティブ層(例、1つ以上の量子ウェル)、およびアクティブ層の上下に配置された閉じ込め層を含むことも可能である。層222の表面は、上述のように、シリコンキャッピング層を含むことが可能である。発光デバイス520の層222の上部は、相互接続410を経て、シリコンデバイス510と電気的に接触して相互接続することが可能である。垂直発光デバイス構造の他の側部は、金属重点バイア420を通じて接触することが可能であり、シリコンデバイス510と相互接続することも可能である(図示せず)。これは、接触スキームの1つのタイプに過ぎず、他のものを用いることが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではないと理解されたい。
【0061】
図11は、一実施形態による、発光デバイス構造520’の断面図である。発光デバイス構造520’は、集積デバイス構造1000の発光デバイス520の一具体例である。発光デバイス520’は、ゲルマニウム層とすることが可能な単結晶半導体層220を含む。層220は、p+ドープすることが可能であり、発光デバイスのp側として機能することができる。半導体層220を覆って配置された半導体層222は、発光デバイス閉じ込め層と、クラッド層と、アクティブ層と、キャッピング層(例、シリコンキャッピング層)とを含むことが可能である。層222は、p+ドープした砒化ガリウム層1102を含むことが可能である。底部p型AlInGaP閉じ込め層1104は、層1102を覆って配置することが可能である。量子ウェルアクティブ層1106は、底部閉じ込め層1104を覆って配置することが可能である。量子ウェル1106は、非ドープとすることが可能であり、バンドギャップおよび/または周囲の閉じ込め層とのバンドギャップオフセットによるバンドギャップ閉じ込めを生じさせるように、InGaPで形成することが可能である。上部n型AlInGaP閉じ込め層1108は、アクティブ層1106を覆って配置することが可能である。n+ドープした砒化ガリウム層1110は、閉じ込め層1108を覆って配置することが可能である。n+ドープしたシリコンキャッピング層1112は、層1110を覆って配置することが可能である。
【0062】
砒化ガリウム層1102およびクラッド層1104および1108は、約5×1017ドーパント/cm3でドープすることが可能である。クラッド層1104および1108は、厚さを約200nmとすることが可能であり、アクティブ領域1106は、厚さを約22nmとすることができる。砒化ガリウム層1110は、電流拡散層として機能することが可能であり、また、厚さを約50nmとし、約1×1019ドーパント/cm3でドープすることが可能である。シリコンカプセル化層1112は、厚さを約80nmとし、約1×1021ドーパント/cm3でドープすることが可能である。あるいは、ドーピング順序は、底部層がnドープされ、表面層がpドープされるn−pドープへテロ構造を形成するように逆にすることが可能である。
【0063】
発光デバイス520’は、シリコンキャッピング層1112の上に接触金属層1116を蒸着することによって形成される犠牲層1114を含むことができる。接触金属層1116は、相互接続410と接触して配置することが可能である。接触金属層1116は、発光デバイスの表面の一部だけを覆うことが可能であり、したがって、その領域を通る放射された光を覆わないようにすることができる。例えば、接触金属層1116は、上から見たときにループ形状を成すことが可能である。発光デバイス520’は、ゲルマニウム層220の上への接触金属層1120の蒸着によって形成されるゲルマニサイド(germanicide)層1118を含むことができる。
【0064】
いくつかの実施形態では、III−V族のヘテロ構造およびシリコンキャッピング層は、III−V族およびIV族材料を蒸着することができる、1つのリアクタシステム(例、MOCVDリアクタ)にインシトゥで蒸着される。例えば、発光デバイス520’のIII−V族のヘテロ構造およびキャッピングシリコン層は、低圧MOCVD(例、Thomas Swan社のclose−coupled showerhead reactor)を使用して成長させることが可能である。原料物質には、トリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、III族素子用のトリメチルインジウム(TMIn)、V族素子用のPH3およびAsH3、およびシリコン用のSiH4が挙げられる。ジメチル亜鉛(DMZn)およびB2H6はp型ドーパントソースとして用いることができ、Si2H6はn型ドーパントソースとして用いることが可能である。キャリアガスとしては、窒素が挙げられる。蒸着は、ウエハの温度を650℃、圧力を約100Torrにして行うことが可能である。V族/III族の比率は、発光デバイス層の蒸着に対して約83に設定することができる。
【0065】
発光デバイス520’は、発光デバイスのための導体層構造の一例に過ぎないことを理解されたい。いくつかの実施形態では、発光デバイスはヘテロ構造を含むことが可能であるが、他の実施形態では、発光デバイスはホモ構造を含むことが可能である。他のIII−V族の材料を使用して、異なる波長の光を放射する発光デバイス構造を形成することが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。発光デバイス520’では、AlInGaP層は、GaAs層に格子整合された(AlxGa1−x)0.5In0.5P層(例、x=0.3)とすることが可能であり、可視光スペクトラムの赤色乃至緑色領域における高輝度可視光発光デバイスとして機能することが可能である。
【0066】
図12は、一実施形態による、多層ウエハ100のような多層ウエハ上にモノリシックに集積化された発光デバイスの上面1200を示す図である。例えば、モノリシックに集積化したデバイス構造1000の発光デバイス520は、上面1200を有するように作製することができる。発光デバイスは、絶縁領域230(例、絶縁トレンチ)を含むことができ、これは、酸化物(例、酸化シリコン)、窒化シリコン、またはその組み合わせのような、あらゆる好適な電気的絶縁材料で形成することが可能である。発光デバイスは、その中で発光デバイスのヘテロ構造(またはホモ構造)を、多層出発ウエハ(例、多層ウエハ100)の単結晶半導体層(例、層220および222)上にエピタキシャルに成長させることが可能な、成長ウェル1210を含むことができる。発光デバイスは、発光デバイス内で生成された光を少なくとも部分的にそこから放射することが可能な、放射領域1220を有することができる。発光デバイスは、あらゆる好適な様態で接触させることが可能である。上面1200に示されるように、第1の金属接点1230は、接触バイア1240を介して、発光デバイスの半導体構造の上部と接触させることが可能であり、第2の金属接点420は、接触バイア1250を通じて、発光デバイスの半導体構造の底部と接触させることが可能である。
【0067】
発光デバイスの放射領域は、あらゆる好適な寸法および形状を有することが可能である。図12に示される上面図では、発光デバイスの放射領域は矩形または正方形であるが、他の形状を使用することも可能であり、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。発光デバイスの半導体領域の寸法は、成長ウェルの寸法によって画定され得る。上述のように、成長ウェルは、多層ウエハ100から開始して、発光デバイス(または、他の非シリコンデバイスまたは材料)を、エピタキシャル成長を経て、露光した単結晶半導体層120上に形成することが可能な領域内の、単結晶半導体層140および絶縁層130を除去する(例、エッチングする)ことによって形成することが可能である。したがって、発光デバイス放射領域の寸法は、成長ウェルの形成に使用したリソグラフィプロセスによって画定することが可能である。一実施形態では、発光デバイスの放射領域は、約100×100μm2未満である。放射領域は、成長ウェルの画定に用いたリソグラフィプロセスの分解能によって制限(例、CMOS機能長さのリソグラフィ制限)されうるので、いくつかの実施形態では、発光デバイスの放射領域は、約1×1μm2未満に画定され得る。
【0068】
複数の成長ウェルおよび、したがって別個の発光デバイスを画定することが可能であり、1つ以上の発光デバイスは、絶縁層230によって形成されるような、絶縁トレンチによって絶縁することが可能である。絶縁トレンチは、あらゆる好適な寸法を有することが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、絶縁トレンチおよび接点層を含む発光デバイスユニットそれぞれのピッチは、約100μm未満である。
【0069】
いくつかの実施形態では、発光デバイスの半導体構造の選択的なエピタキシャル蒸着が用いられない場合、成長ウェルの側壁(例、誘電体側壁のような、絶縁側壁)近くの材料の成長は多結晶となり得る。このような実施形態では、成長ウェル内のエピタキシャル成長の後に、エッチングプロセスを用いて、所望の放射領域(例、領域1220)以外の領域内で成長した単結晶半導体を除去することが可能である。
【0070】
発光デバイスのアレイが形成された場合、アレイ内の発光デバイスは、同じ底部接点(例、接点420)を共有することができるものと理解されたい。また、図12に示されるように、上部接点(例、p接点)および/または上部接点バイアは、電流拡散を促進し、一方で、発光デバイスのソースからの光の放射を促進するように、環状の構成とすることが可能である。いくつかの実施形態では、アレイ内の発光デバイスのピッチが小さい(例、放射領域が約20×20μm2未満である)場合、指形の上部接点および/または接合パッドへのファンアウト(fan−out)を、発光デバイスのアレイに組み込むことが可能である。
【0071】
図13は、一実施形態による、多層ウエハ100のような多層ウエハ上にモノリシックに集積化された、発光でビアス構造を製造する方法の一例を示す図である。潜在的に異なるヘテロ構造および/または接触スキームを有するこのようなプロセスを用いて、多層ウエハ上に、他の非シリコン材料のヘテロ構造および/またはデバイスを形成することが可能である。
【0072】
本プロセスは、多層ウエハ100のような多層ウエハを提供するステップを含む。フロントエンドのシリコンデバイスの処理は、多層出発ウエハ100の単結晶シリコン層140上の多層ウエハの第1の領域(領域141)内で行うことが可能である。多層ウエハは、フォトレジストをスピンコーティングし、90℃で30分間、予備焼成することが可能である。次いで、リソグラフィマスクを使用して、発光デバイスを形成する多層ウエハの領域が露光するように、フォトレジストを現像およびパターン化することが可能である。
【0073】
次に、多層ウエハの単結晶シリコン層140および絶縁層130をエッチングして、発光デバイスのアレイの作製に指定された領域内の下層の単結晶半導体層120を露光させることが可能である。エッチマスクとしてのポジ型フォトレジストとともに、電子サイクロトロン共鳴−反応性イオンエッチング(Electron Cyclotron Resonance Reactive Ion Etching:ECR−RIE)を使用して、単結晶シリコン層140を乾式エッチングすることが可能である。プロセスの条件には、SF6:O2(30:5とされる)のエッチング反応、30mTorrの合計圧力、400Wのソース電力、および30Wのバイアス電力が挙げられる。同じエッチマスクを使用して、緩衝酸化物エッチング(BOE)溶液を用いて、絶縁層130をエッチングすることが可能である。
【0074】
次いで、露光した単結晶半導体層120は、エッチマスクとしてのポジ型フォトレジストとともに、上述したものと同様にECR−RIEの手法を使用して絶縁することが可能である。時限エッチングを使用して、絶縁トレンチ1320を画定(例えば、約1μmの深さ)することが可能である。発光デバイスの下に挿入した逆バイアスのp−n接合とともに、トレンチは、一次元内の発光デバイス間の電気的な絶縁を提供するので、発光デバイスの二次元パッシブマトリクスの動作が可能となる。次いで、共形のPECVD酸化物(例、厚さ1.2μm)の層をウエハ上に蒸着することが可能である。酸化物層は、テンプレートをエピタキシに提供することが可能であり、および/または絶縁トレンチ1320を酸化物層1330で満たすことが可能である。エッチマスクとしてポジ型フォトレジストを有するBOE溶液を使用して、エピタキシャル成長のための下層の単結晶半導体層120が露光するように、酸化物層内の成長ウェルをエッチングすることが可能である。
【0075】
次いで、成長させる(例、MOCVD)前に全てのフォトレジストの残留物が無くなるように、ウエハを洗浄することが可能である。1時間の酸素プラズマアッシュプロセスに加えて、市販のフォトレジストストリッパ(例、富士フィルム社のMicrostrip 2001(登録商標))を使用して、発光体デバイスの半導体構造の成長のためのウエハを調製することが可能である。図13Aは、MOCVD成長の直前のパターン化ウエハの概略断面図である。図13Aに示されるように、フロントエンドのシリコンデバイスが作製されたシリコン領域141は、保護層1310で保護することが可能であり、この層は、窒化物、オキシナイトライド、および/または酸化物のようなあらゆる好適な材料層で形成することが可能である。
【0076】
単結晶半導体層120は、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有するあらゆる半導体を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、単結晶半導体層120は、非シリコンへテロ構造の成長に使用することが可能な、ゲルマニウム層を含むことが可能である。このような実施形態では、ゲルマニウムの成長前洗浄を使用することが可能であり、10:1のDI:HFで15秒間洗浄し、その後H2O2で15秒間洗浄し、次いで、10:1のDI:HFで15秒間洗浄する。単結晶半導体層120が成長層として使用することを意図した他の材料を含む他の実施形態では、当業者に既知であるように、他の好適な成長前洗浄を用いることが可能である。前洗浄の後、パターン化ウエハは、リアクタ(例、MOCVDリアクタ)に装填して成長させることが可能である。
【0077】
選択的なエピタキシャル成長を促進するように成長条件が選択される実施形態では、単結晶層は、露光した単結晶半導体層120上で選択的に成長させることが可能であり、成長ウェルの側壁のような誘電体表面上ではいかなる有意な成長も行われない。非選択的な成長が行われた場合は、多結晶材料が任意の絶縁層(例、誘電層)上に蒸着され、一方で、絶縁(例、誘電体)側壁近くの成長ウェルでは、図13Bに示されるように、成長ウェルの中央領域でエピタキシャルに成長し得る。図13Bは、下層の単結晶層120上での特定のヘテロ構造の成長を示す図であるが、他の材料および/またはヘテロ構造も成長させることが可能であり、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。
【0078】
成長の後、成長ウェル内の単結晶エピタキシャル材料は、酸化物ハードマスク(例、厚さ3000ÅのPECVD酸化物)を使用して保護することが可能であり、あらゆる多結晶材料をエッチングすることが可能である。成長層がシリコンキャッピング層を含む実施形態では、シリコンキャッピング層は、SF6/O2プラズマを使用して乾式エッチングすることが可能である。図13Bに示されるヘテロ構造の場合、上部GaAsの電流拡散および底部GaAsのバッファ層は、H3PO4:H2O2:H2O(3:1:50)溶液を使用して湿式化学エッチングすることが可能である。HCl:H3PO4:H2O(1:1:1)溶液を使用して、AlGaInP/InGaP/AlGaInPスタックにエッチングすることが可能である。エッチングの完了後、酸化物ハードマスクは、BOE溶液を使用して剥離させることが可能である。
【0079】
図13Cに示されるように、次いで、共形の酸化物層1340(例、厚さ3000ÅのPECVD酸化物)を蒸着して、発光デバイスのメサ側壁を絶縁することが可能である。側壁絶縁部は、上部接点金属が、メサ側壁において発光デバイスのp−n接合を短絡させないようにすることができ、また、以降の処理ステップ中に、発光デバイスにおいてIII−V族の材料が露光しないようにする。上部および底部の接触バイアは、次いで、(例えば、BOE溶液を使用して)酸化物中でエッチングして、以降のオーミック接触形成のために、シリコンキャッピング層および単結晶半導体層120を露光させることが可能である。金属接点層(例、500ÅのTi/1μmのAl)をウエハ上にスパッタ蒸着して、(例えば、DI:BOE(1000:15)溶液およびPAN(ポリアクリロニトル)でのエッチング(77%のリン酸、20%の酢酸、3%の硝酸)を使用して)発光デバイスの上部1350および底部1360にパターン化することが可能である。
【0080】
プロセスは、次いで、非シリコンデバイス(例、発光デバイス)の成長および作製中に、シリコンのフロントエンドを保護するために使用される保護層1310を除去するステップを含むことが可能である。次いで、シリコンのバックエンド処理を行い、シリコンデバイスの領域141内への作製を完了することが可能である。バックエンド処理は、シリコンと非シリコンデバイスとの間に金属相互接続を形成するステップを含むことが可能である。種々の改良を上述のプロセスに適用することが可能であり、これに限定されないが、下述するように、非シリコン電子デバイス(例、HEMT、HBT、MESFET)および/または光電子デバイス(光検出器、レーザダイオード)のためのヘテロ構造のような、他の非シリコンデバイスのためのヘテロ構造を形成するステップが挙げられる。また、このような方法を使用して多数の非シリコンデバイスを形成することが可能であり、また、モノリシックに集積化されたシリコンおよび非シリコンデバイスの形成に望まれるように相互接続することが可能である。
【0081】
図14は、一実施形態による、発光デバイス1452およびシリコン光検出器1450をモノリシックに集積化した、シリコン電子部品1410を含む集積デバイス構造の上面図である。このような集積デバイス構造は、多層ウエハ100のような多層ウエハを使用して形成することが可能である。集積化された構造は、図10の領域810のような多層ウエハの第1の領域上に形成された、シリコン電子部品と、光電子デバイス(例、シリコン光検出器1450)とを有することが可能である。シリコン電子部品1410およびシリコン光検出器1450は、単結晶シリコン層(例、図10の層141)上に形成することが可能である。発光デバイス1452は、多層ウエハの領域内に形成することが可能であり、この領域では、出発多層ウエハのシリコン単結晶層が除去され、それによって、単結晶シリコン層の下に配置された単結晶半導体層120が露光し、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する。デバイス層、例えば、発光デバイス1452のヘテロ構造層は、上述のように、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、露光した単結晶半導体層(例、図10の層120)上にエピタキシャルに成長させることが可能である。
【0082】
発光デバイス1452は、好適なIII−V族の材料のような所望の波長または波長範囲の光を放射することができる材料を有するアクティブ領域を含む、LEDとすることが可能である。発光デバイス1452の半導体構造層は、図9の方法にて説明したように、エピタキシャルに成長させることが可能である。図14に示される上面図は、発光デバイス1452の上部接触半導体層1422を示す。上述のように、上部接触半導体層1422は、シリコンキャッピング層とすることが可能であり、エピタキシャル成長を経て蒸着することが可能である。発光デバイス1452の上面図は、絶縁領域1423も示し、この領域は、発光デバイスの半導体材料を囲むことが可能であり、シリコン電子部品および/またはオプトエレクトロニクスを形成することが可能なシリコン層から発光デバイスを絶縁することが可能である。発光デバイス1452は、リング状のジオメトリを有することが可能な上部金属接点1402をさらに含むことが可能である。上部金属接点1402は、標準的なシリコン相互接続金属を含むことが可能な相互接続1401に接続することが可能である。相互接続1401は、シリコン電子部品1410との接続を提供することが可能である。発光デバイス1452の底部は、相互接続1403によって接触させることが可能であり、この相互接続は、(図10の断面図に示されるように)絶縁層1423を通って延在する金属充填バイアと接触して配置し、発光デバイス1452の底部半導体層と接触させることが可能である。
【0083】
集積デバイス構造1400は、あらゆる好適な光検出器デバイス構成を有することが可能なシリコン光検出器1450を含むことが可能である。一実施形態では、シリコン光検出器は、外側p−n接合および/またはp−i−n接合である。このような構造は、p型およびn型ドーパントの注入を経て、選択された領域内に形成することが可能である。別の実施形態では、シリコン光検出器1450は、p型および/またはn型ドーパントの注入を経て、および/または選択的なエピタキシャル成長を経て形成される垂直シリコン光検出器である。シリコン光検出器1450のpおよびn領域(図示せず)は、相互接続1404および1405と接触させることが可能であり、シリコン光検出器1450とシリコン電子部品1410との間に相互接続を提供することが可能である。
【0084】
シリコン電子部品1410は、シリコンCMOS、シリコンバイポーラトランジスタ、シリコン−ゲルマニウムHBT、および/またはダイオード、抵抗、コンデンサ、および/またはインダクタのような、関連する回路素子を含むことが可能である。シリコン電子部品1410は、種々の機能を行うことが可能である。シリコン電子部品は、発光デバイス1452に駆動電力を提供することが可能である。シリコン電子部品1410は、表示信号を提供している外部回路のような他の回路(図示せず)によって提供される信号に応えて、発光デバイスによって提供される駆動電力を制御することも可能である。シリコン電子部品1410は、発光デバイス1452の制御を調整することが可能な信号を、光検出器1450から受信することができる。あるいは、または加えて、シリコン光検出器1450からの信号は、シリコン電子部品内のデジタル回路で処理し、発光デバイス1452の制御の調整以外のために使用することが可能である。
【0085】
シリコン光検出器1450を使用して、種々の機能を達成することが可能である。一実施形態では、シリコン光検出器1450を使用して発光デバイス1452が動作可能であるかどうかを監視することが可能であり、シリコン光検出器によって提供された信号を、その信号に対応することができるシリコン電子部品1410に提供する(例えば、発光デバイス1410が故障した場合、および/または発光デバイス1452に供給される駆動電力が変動した場合に、バックアップの発光デバイスをオンにする)。別の実施形態では、シリコン光検出器は、下述するように、光相互接続スキームに使用すること、および/または撮像目的に使用することが可能である。
【0086】
図15Aおよび15Bは、一実施形態による、モノリシックに集積化した光相互接続バスを示す図である。集積デバイスシステム1500は、図1に示される多層ウエハ100のような多層ウエハの別個の領域に位置する、モノリシックに集積化したシリコン電子部品1510および1512を含むことが可能である。シリコン電子部品1510は、図15Aに示されるように、光相互接続バスを経て、シリコン電子部品1512と通信することが可能であり、逆もまた同様である。光相互接続バス1580は、シリコン電子部品1510と電気通信する光トランシーバ1582と、シリコン電子部品1512と電気通信する光トランシーバ1584とを含むことが可能である。光相互接続バスは、光トランシーバ1582と1584との間の光通信を可能にする、1つ以上の導波路を含むことが可能である。光トランシーバ1582は、金属相互接続を経て、シリコン電子部品1510によって制御することが可能な、発光デバイス1552を含むことが可能である。光トランシーバ1582は、シリコン電子部品1510と電気的に相互接続することが可能な、シリコン光検出器1550をさらに含むことが可能である。光トランシーバ1584は、シリコン電子部品1512との相互接続を経て電気通信する、発光デバイス1554を含むことが可能である。光トランシーバ1584は、金属相互接続を経てシリコン電子部品1512と電気通信する、シリコン光検出器1556を含むことも可能である。
【0087】
1つ以上の導波路1583は、光トランシーバ1582と1584との間の光通信を提供することが可能である。1つ以上の導波路1583は、発光デバイス1554からシリコン光検出器1550への光通信チャネルを提供するように配列された、光導波路1570を含むことが可能である。光導波路1572は、発光デバイス1552からシリコン光検出器1556への光通信チャネルを提供することが可能である。
【0088】
光相互接続バス1580によって、シリコン電子部品1510と1512との間の光通信が可能となる。動作中に、シリコン電子部品1510が、シリコン電子部品1512に情報を通信すべきであると判断したときには、少なくとも部分的に導波路1572を通って移動することが可能であり、シリコン光検出器1556で検出することが可能な光を生成するように、変調された駆動電力(例えば、通信すべき所望の情報で符号化される)を発光デバイス1552に提供することが可能である。電気出力信号は、シリコン光検出器1556によってシリコン電子部品1552に提供することが可能であり、その後、この信号は、アナログからデジタルドメインに処理することが可能である。このように、符合化された(例、デジタル的に符合化された)情報を有する信号は、多層ウエハ100のような多層ウエハの異なる領域内のシリコン電子部品間で、電気的に通信することが可能である。同様に、シリコン電子部品1512は、信号を符号化するように、発光デバイス1554に提供された駆動電力を変調することが可能である。発光デバイス1554は、少なくとも部分的に導波路1570に沿って移動することが可能であり、シリコン光検出器1550で検出することが可能な光を放射することが可能である。シリコン検出器1550は、電気出力信号をシリコン電子部品1510に提供することができ、更なる処理のために、シリコン光検出器1550によって提供されたアナログ電気信号を、デジタル信号に変換することが可能である。
【0089】
このような光バスの相互接続は、シリコン電子部品とモノリシックに集積化したときに、チップ上で広く間隔の開いたシリコンデバイス間(例、シリコンデジタルCMOS電子部品間)の通信を容易にすることが可能である。図15Aに示される実施形態では、それぞれのシリコン電子部品領域(例、1510および1512)ごとに1つの発光デバイスおよび1つの光検出器が示されているが、複数の発光デバイスおよび/または複数のシリコン光検出器を、1つのシリコン電気部品(例、シリコン電子部品1510または1512)のモジュールに電気的に結合することが可能であると理解されたい。さらに、異なる発光デバイスは、アクティブ領域に対して異なるバンドギャップを有する異なる材料を使用すること、および/またはアクティブ領域内の異なるサイズの量子ウェルに起因し得るので(例えば、それによって、量子の閉じ込めが変化し、よって放射波長が変化する)、異なる放射波長を有することが可能である。あるいは、または加えて、当業者には理解されるように、光バス1580を経た通信のために情報を符号化するように、時分割および/または周波数分割多重化スキームを使用することが可能である。
【0090】
図15Aの実施形態に示される光バスは、図1に示される多層ウエハ100のような多層ウエハ上に作製することが可能である。図15Bは、このような実施形態の断面図であり、発光デバイス1552は、横方向に放射する発光デバイスとして作製することが可能であり、それによって、少なくとも一部の光が横方向に放射され、その後導波路1572によってシリコン光検出器1556に導くことが可能である。
【0091】
光導波路1572(および/または1570)は、導波路コア1575を含むことが可能である。光導波路は、導波路クラッド層1574および1576を含むことも可能である。導波路コア1575は、導波路クラッド層1574および1576よりも大きな屈折率を有することが可能であり、それによって、発光デバイス1552によって放射された光に対して光閉じ込めを提供する。導波路コア1575は、窒化シリコンおよび/またはシリコンオキシナイトライドを含むことが可能であり、導波路クラッド層1574および/または1576は、酸化シリコンを含むことが可能である。あるいは、導波路コア1575は、シリコン層を含むことが可能であり、クラッド層1574および/または1576は、導波路コアの屈折率よりも小さい屈折率を有するあらゆる材料(例、酸化シリコン、およびシリコンオキシナイトライド、および/または窒化シリコン)を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、導波路コア1575は、多層ウエハ100の単結晶シリコン層140の一部または全体のように、単結晶シリコン層で形成される。クラッド層1574および/または1576は、当業者に既知であるように、(例えば、単結晶シリコン層140の熱酸化を経て)蒸着する、および/または成長させることが可能である。
【0092】
図16は、一実施形態による、シリコン電子部品をモノリシックに集積化した発光デバイスのアレイの上面図である。モノリシックに集積化したデバイスシステム1600は、発光デバイス1652、1654、・・・、1656のアレイを含むことが可能である。発光デバイス1652、1654、・・・、1656は、相互接続1601、1604、・・・、1606によってそれぞれシリコン電子部品1610に電気的に接続された上部接点を有することが可能である。発光デバイス1652、1654、・・・、1656の底部接点は、相互接続1603に電気的に結合することが可能であり、また、シリコン電子部品、供給電圧ソース、またはグラウンドに結合することが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。シリコン電子部品1610を使用して、発光デバイス1652、1654、・・・、1656に供給される駆動電流を制御することが可能であり、発光デバイス1652、1654、・・・、1656は、少なくとも一部の光を垂直に放射することが可能である。
【0093】
このような発光デバイス(例、LED)のアレイは、リソグラフィを使用して発光デバイス間の間隔を画定することができるので、高解像度のプリンタバーとして使用することが可能であり、したがって、発光デバイスのサイズ、および/または発光デバイス間の間隔は、用いるリソグラフィプロセスの解像限度まで小さくすることが可能である(例、20ミクロン未満、10ミクロン未満、1ミクロン未満、0.5ミクロン未満、0.25ミクロン未満、0.1ミクロン未満)。シリコン電子部品をモノリシックに集積化した発光デバイスのアレイは、図1の多層ウエハ100のような多層出発ウエハを使用して製造することが可能である。発光デバイスおよびシリコン電子部品は、図9および10に関連して記述されたプロセスを使用して集積化することが可能である。
【0094】
図17は、一実施形態による、発光デバイスのアレイと、光検出器のアレイと、シリコン電子部品とを含む、モノリシックに集積化したシステム1700の上面図である。集積化システム1700は、多層ウエハ100のような出発ウエハを使用して作製することが可能であり、図14に示された実施形態に類似した構造を有するが、発光デバイスは、シリコン光検出器およびシリコン電子部品と集積化される。モノリシックに集積化したシステム1700は、発光デバイス1752、1754、・・・、1756を含むことが可能である。発光デバイスの上部接点は、相互接続1701、1704、・・・、1706を経て、シリコン電子部品1710に電気的に接触させることが可能である。発光デバイスの底部接点は、相互接続1703に結合することが可能であり、次いで、供給電圧ソース、またはグラウンドに電気的に接続するか、または代替的にシリコン電子部品1710に結合することが可能である。モノリシックに集積化したシステム1700は、シリコン光検出器1750、1753、・・・、1755を含むことが可能である。シリコン光検出器は、相互接続1702、1705、・・・、1707によってシリコン電子部品1710に電気的に結合された1つの端子を有することが可能である。シリコン光検出器の別の端子は、相互接続1708に電気的に接続することが可能であり、供給電圧ソース、グラウンド、またはシリコン電子部品1710に電気的に結合することが可能である。
【0095】
モノリシックに集積化したシステム1700は、画像スキャナとして機能することが可能であり、発光デバイスのアレイ1752は、相互接続1701、1704、・・・、1706を経て、シリコン電子部品1710によって供給された駆動電力の制御を通じて光を放射することが可能である。発光デバイスのアレイによって放射される光は、走査および/または撮像された画像上に当てることが可能であり、反射光は、光検出器1750、1753、・・・、1755のアレイによって検出することが可能である。光検出器は、検出された光の結果として電気信号を放射することが可能であり、この信号は、相互接続1702、1705、・・・、1707を経て、シリコン電子部品1710に伝送することが可能であり、検出器は、当業者に既知であるように、この電気信号を処理して画像の走査を行うことが可能である。したがって、発光デバイスのアレイ内にモノリシックに集積化した発光デバイスは、シリコン光検出器(および/またはIII−V族の光検出器)のアレイによって光反射を検出することが可能な領域を照明するための、局部的な光源として使用することができる。集積化されたアレイを移動することによって、1つのモノリシックに集積化した構成要素だけを使用して、表面を走査(例、撮像)することが可能である。
【0096】
モノリシックに集積化したシステム700は、光検出器のフィードバック制御を含むことが可能な、プリンタバー(例、印刷エンジン)として機能することもできる。プリンタバーは、発光デバイスからの光反射を使用して、紙上に存在する電荷を放電することが可能であり、したがって、トナーを紙の特定の領域内に選択的に配置することができる。プリンタバーは、光検出器1750、1753、・・・、1755が、発光デバイス1752、1754、・・・、1756によってそれぞれ放射された光の少なくとも一部を検出できることを除いて、図16のシステム1600と同様な様態で動作することができる。光検出器は、シリコン電子部品1710に伝送することができる光の検出に応えて、電気信号を提供することができ、この信号は、その後、光の検出に応えて1つ以上の発光デバイスに提供された駆動電力を変更することができる。このようなフィードバック制御システムによって、発光デバイスを適切に機能させるように、また、所望の光量を放射するようにし、そうでない場合は、シリコン電子部品1710が、発光デバイスへの駆動電力を変更する、および/または故障した発光デバイスを交換するように、余剰のバックアップの発光デバイスを作動および制御することが可能である。したがって、発光デバイスとモノリシックに集積化されたシリコン光検出器(および/またはIII−V族の光検出器)によって、プリンタエンジン内のそれぞれの発光デバイスからの光の出力を制御することができる。非モノリシックなデザインでは光束の制御が難しく、よってそれぞれのプリンタのドットが異なる暗さレベルを有する場合があるので、このような制御は好都合となり得る。モノリシックに集積化したシリコンCMOS制御回路および光検出器を使用することで、それぞれの発光デバイスを、所望の光量子束を放出するように正確に制御することができる。
【0097】
図17は、発光デバイスおよび光検出器の1つの例示的な機構を示すが、他の構成も可能である。また、複数の金属化相互接続層を使用した場合、CMOSプロセスに対して可能であるように、金属相互接続層1702、1705、・・・、1707は、それぞれ発光デバイス1752、1754、・・・、1756を覆って配置することが可能である。このような構成によって、記録密度を高めることが可能となり、したがって、発光デバイスのアレイおよび/または光検出器のアレイの分解能を高めることができる。
【0098】
発光デバイスの一次元アレイを有する実施形態は、発光デバイスの領域(例、二次元アレイ)、および/または光検出器の領域(例、二次元アレイの光検出器)を含むように変更することが可能であると理解されたい。このようなシステムは、プリンタ領域および/またはスキャナ領域として機能することが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。
【0099】
図18は、一実施形態による、シリコン電子部品をモノリシックに集積化した二次元アレイの発光デバイスを含む、モノリシックに集積化したシステム1800の上面図である。モノリシック集積化システム1800は、多層ウエハ100のような多層出発ウエハを使用して作製することが可能であり、発光デバイスの半導体構造は、多層ウエハ100の単結晶半導体層120上にエピタキシャルに成長させることが可能である。モノリシックに集積化したシステム1800は、それぞれの横列が複数の発光デバイスを含む、複数の発光デバイスの横列を含むことが可能である。図18に示される実施形態では、第1の横列は、発光デバイス1852、1854、・・・、1856を含む。第2の横列は、発光デバイス1862、1864、・・・、1866を含む。発光デバイスの更なる横列は、連続的に配列することができ、発光デバイスの最後の横列は、発光デバイス1872、1874、・・・、1876を含む。
【0100】
モノリシックに集積化したシステム1800は、発光デバイスのアレイに電気的に結合することが可能な、シリコン電子部品1810および/または1811を含むことが可能である。シリコン電子部品1810および/または1811は、発光デバイスの二次元アレイのためのドライバ回路および/または多重化アドレス回路として機能することが可能である。一実施形態では、横列相互接続1803、1804、・・・、1805は、発光デバイスの底部接点に電気的に結合する横列相互接続として機能することが可能である。相互接続1806、1807、・・・、1808は、発光デバイスの上部接点に電気的に結合された縦列相互接続として機能することが可能である。横列および縦列相互接続は、横列および縦列相互接続が接触しないように、絶縁層によって分離することが可能であると理解されたい。このような相互接続構造は、二次元アレイ内の発光デバイスの横列および縦列のアドレス指定を提供することが可能である。
【0101】
シリコン制御および/または多重化回路(例、シリコン電子部品1810および/または1811)とモノリシックに集積化した発光デバイスの二次元アレイは、プリンタ領域および/または超小型ディスプレイとして機能することが可能である。それぞれの発光デバイスの二次元アレイのそれぞれの発光デバイスは、超小型ディスプレイおよび/またはプリンタ領域内のピクセルとして機能することが可能である。あるいは、複数の発光デバイスを1つのピクセルと関連付けることが可能である。いくつかの実施形態では、1つのピクセルに関連付けられた複数の発光デバイスは、異なる波長の光(例、赤色、緑色、青色)を放射することが可能である。超小型ディスプレイを人間の目に見えるサイズに拡大するように、光学部品を超小型ディスプレイと関連付けて、発光デバイスを覆って配置することが可能である。シリコンリソグラフィプロセスによって非常に小さな発光デバイスを作製することができるので、この方法で、超低コストのディスプレイを作成することができる。小型化はコストに関連し得るので、単位面積当たりのプロセスおよび材料コストを比較的に固定することが可能であることから、ディスプレイを縮小することで、大幅にコストを低減することが可能である。投影式ディスプレイのような超高輝度の用途の場合、発光デバイスは、面発光レーザ(例、垂直共振器型面発光レーザ)を含むことが可能である。
【0102】
更なる実施形態では、1つの領域に対応する(例えば、二次元アレイを形成する)光検出器のアレイは、1つの領域に対応する(例えば、二次元アレイを形成する)発光デバイスによって内部分散させることが可能である。したがって、このようなモノリシックに集積化したシステムを使用することで、領域の印刷および走査を行うことができる。領域全体は、可動部品を用いずに走査することができ、印刷の露光を領域またはページ全体に行うことができる(例えば、発光デバイスのアレイが十分な大きさで構築されているか、または光学部品を使用して拡大できる場合)。
【0103】
他の実施形態では、高解像度の発光デバイスのアレイを含むモノリシックに集積化したシステムは、プログラム可能なリソグラフィシステムのための露光ソースとして使用することができる。このようなシステムでは、処理されるウエハは、フォトレジストでコーティングすることが可能であり、また、高解像度の発光デバイスのアレイを含むモノリシックに集積化したシステムを使用して露光することが可能である。発光デバイスは、少なくとも部分的にプログラム可能なコマンドに基づいて発光デバイスを作動させることができる、集積化されたシリコン電子部品によって駆動することが可能である。プログラム可能なコマンドは、露光すべき領域を画定するマスクファイルに基づいて形成することが可能であり、それによって、作動すべき発光デバイスを指定する。したがって、このようなモノリシックシステムは、発光デバイスのアレイ(例、二次元アレイ)のピッチによってのみ制限される、大型電子部品用のプログラム可能な「リソグラフィ」システムとして機能することが可能である。例えば、0.25ミクロンの発光デバイスで形成された発光デバイスのアレイを使用して、約0.5ミクロン以上のゲート長を有するシリコン回路のフォトリソグラフィの露光を行うことが可能である。
【0104】
他の実施形態では、シリコン電子部品を発光デバイスの二次元アレイとモノリシックに集積化する能力によって、複数の発光デバイスを含む超小型ディスプレイとモノリシックに集積化したシリコンマイクロプロセッサを作製することができる。それぞれの発光デバイスは、基本的に用いたリソグラフィプロセスの最小サイズによって制限されたサイズを有し得るので、超小型ディスプレイは高解像度を有することが可能である。このようなシステムは、集積化された超小型ディスプレイを有するコンピュータオンチップとして機能することが可能である。
【0105】
図19は、モノリシックに集積化したシステム1800の断面図である。断面1900は、モノリシックに集積化したシステム1800の2つの発光デバイス1872および1874の断面を示す。矢印は、発光デバイスからの光の放射を示す。さらに、この断面は、絶縁層1885によって電気的に分離された、横列相互接続1805および縦列相互接続(1806および1807)を示す。絶縁層1885は、これに限定されないが、酸化シリコン、窒化シリコン、および/またはシリコンオキシナイトライドを含む、あらゆる好適な絶縁材料で構成することが可能である。さらに、この断面は、金属層1805とシリコン層141との間に配置された絶縁層1850を示す。本明細書に示される他の実施形態のように、相互接続は、1つ以上の金属層を含むことが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。
【0106】
図20は、一実施形態による、発光デバイスのアレイと、光検出器のアレイと、シリコン半導体とを含む、モノリシックに集積化したシステム2000の上面図である。モノリシックに集積化したシステム2000は、多層ウエハ100のような多層出発ウエハを使用して作製することが可能であり、シリコン電子部品および光検出器は、多層ウエハ100の単結晶シリコン層140の上に作製することが可能である。発光デバイスのアレイは、上述のように、単結晶半導体層120の上のヘテロ構造のエピタキシャルな成長を経て作製することが可能である。
【0107】
モノリシックに集積化したシステム2000は、ピクセルのアレイ(例、二次元アレイ)を含むことが可能であり、それぞれのピクセルは、1つ以上の発光デバイスおよび1つ以上の光検出器を含むことが可能である。明確にするため、図20には、1つのピクセルに対する発光デバイスおよび相互接続だけを示すが、複数のピクセルを配列してピクセルのアレイを形成することが可能であると理解されたい。図20の例示的実施形態では、ピクセル2090は、発光デバイス2052〜2059を含むことが可能であるが、複数の発光デバイスを1つのピクセル内に含めることが可能であると理解されたい。いくつかの実施形態では、それぞれのピクセルは、赤色、緑色、および青色の放射波長のような異なる放射波長を有する発光デバイスを含むことが可能である。ピクセル2090は、光検出器2063のような1つ以上の光検出器を含むことも可能である。発光デバイスのための横列および縦列のアドレスの相互接続、および光検出器のための横列および縦列のアドレスの相互接続を提供することが可能であり、これらによって、発光デバイスのうちのいずれか1つ、および/または光検出器のうちのいずれか1つのシリコン電子部品2010および/または2011への選択可能な電気的結合が可能となる。
【0108】
システム2000の動作中に、それぞれのピクセル内の光検出器は、そのピクセル内で作動する1つ以上の周囲の発光デバイスによって放射された光の少なくとも一部を検出することが可能である。光検出器は、横列および縦列のアドレススキームによって、シリコン電子部品2010および/または2011を経て受信することが可能な、出力信号を提供することが可能である。光検出器の信号は、シリコン電子部品2010および/または2011によって使用され、発光デバイスが適切に機能しているかどうかを判断する、および/または1つ以上の発光デバイスに供給される駆動電力を調整する、またはそれぞれのピクセル内の余剰のバックアップの発光デバイスを動作させることができる。したがって、ピクセル内の発光デバイスが故障した場合に、故障した発光デバイスを交換するために、そのピクセル内の余剰の発光デバイスを動作させることが可能である。このようなシステムは、余剰を提供することが可能であるため、モノリシックに集積化したシステム2000の寿命が長くなる。上述のように、このような集積化システムは、プリンタアレイおよび/または超小型ディスプレイとして使用することが可能である。超小型ディスプレイは、シリコンマイクロプロセッサ電子部品とモノリシックに集積化することが可能であるため、コンピュータオンチップが可能となる。
【0109】
図21は、一実施形態による、少なくとも1つのシリコン光検出器と、少なくとも1つの非シリコン光検出器とを含む、モノリシックに集積化したシステム2100の断面図である。モノリシックに集積化したシステム2100は、多層ウエハ100のような多層出発ウエハを使用して作製することが可能である。少なくとも1つのシリコン光検出器2150は、シリコンベースの光検出器2150が、単結晶シリコン層141内に形成されるアクティブ領域を含むように、単結晶シリコン層141の上に形成することが可能である。
【0110】
モノリシック集積化システム2100は、単結晶半導体層222の少なくとも一部を含む少なくとも1つの非シリコン光検出器を含むことが可能である。光検出器2115は、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する単結晶半導体層120の上に、III−V族の層、ゲルマニウム層、および/またはシリコン−ゲルマニウム層、またはそれらの組み合わせをエピタキシャルに成長させることによって形成することが可能である。いくつかの実施形態では、非シリコン光検出器2115は、III−V族の材料層を含む、アクティブ領域を含む。一実施形態では、非シリコン光検出器は、ゲルマニウム層および/またはシリコン−ゲルマニウム層を含む、アクティブ領域を含む。非シリコン光検出器は、p−n垂直ドーパントプロファイルまたはp−i−n垂直ドーパントプロファイルのような適切なドーパントを含むことが可能であり、層220および222のエピタキシャル成長中に、インシトゥのドーピングを経て形成することが可能である。一実施形態では、非シリコン光検出器は、横方向に画定された領域を有するp型ドーパントおよび/またはn型ドーパントの注入を経て形成された、横方向の光検出器である。垂直非シリコン光検出器を含む実施形態では、金属充填バイア2120は、光検出器2115を形成する半導体構造の底部領域との接点を提供することが可能である。あるいは、非シリコン光検出器が横方向の光検出器である場合、表面接点を使用して、光検出器のn側およびp側両方の領域と接触することが可能である。
【0111】
モノリシックに集積化したシステム2100は、相互接続2152を経てシリコン光検出器2150から、および/または相互接続2112を経て非シリコン光検出器2115から出力信号を受信することが可能な、シリコン電子部品2110をさらに含むことが可能である。シリコン電子部品2110は、受信した信号を処理して、意図する用途に望まれるように信号を出力することが可能である。上述のように、シリコン電子部品は、シリコンおよび/または非シリコン光検出器から受信した信号のアドレス、および/またはデジタル的な処理に使用することが可能な、電子部品(例、CMOS、バイポーラ)を含むことが可能である。
【0112】
いくつかの実施形態では、シリコンおよび非シリコン光検出器のアレイは、多層ウエハ100のような多層ウエハの上にモノリシックに集積化することが可能である。このようなシリコンおよび非シリコン光検出器のアレイは、電磁スペクトラムの異なる波長領域における光の検出を提供することが可能である。一実施形態では、シリコン光検出器は、非シリコン光検出器のアクティブ領域内の材料のバンドギャップとは異なるバンドギャップを有することが可能であり、したがって、シリコンおよび非シリコン光検出器は異なる波長領域に対して高感度となる。いくつかの実施形態では、多層ウエハの上に作製されるこのようなモノリシックに集積化したシステムは、モノリシックに集積化したチップを使用した複数の波長レジームにおける撮像を提供する撮像用途(例、カメラチップ)に使用することが可能である。
【0113】
図22は、一実施形態による、シリコン電子部品および非シリコン電子部品を含む、モノリシックに集積化したシステム2200の断面図である。モノリシックに集積化したシステム2200は、多層ウエハ100のような多層出発ウエハを使用して作製することが可能である。シリコン電子部品2210は、単結晶シリコン層141上に作製することが可能である。非シリコン電子部品2290は、単結晶半導体層222上に作製することが可能である。シリコン電子部品2210としては、NMOS、PMOSのような、およびシリコンCMOSのようなそれらの組み合わせなどの、シリコンMOSFETが挙げられる。シリコン電子部品2110には、シリコンバイポーラ、シリコンダイオード、抵抗、コンデンサ、および/またはインダクタが挙げられる。
【0114】
非シリコン電子部品2290には、III−V族のHBT、HEMT、および/またはMESFETが挙げられる。非シリコン電子部品2290としては、ゲルマニウムおよび/またはシリコン−ゲルマニウムFETのような、ゲルマニウムおよび/または、シリコン−ゲルマニウムベースの電子デバイスが挙げられる。あるいは、または加えて、非シリコン電子部品には、シリコン−ゲルマニウムHBTが挙げられる。シリコン電子部品2210および非シリコン電子部品2290は、相互接続2215を経て相互接続することが可能である。いくつかの実施形態では、相互接続2215は、シリコンの接続に使用される金属相互接続とすることが可能である。このような相互接続は、シリコン電子部品および非シリコン電子部品の両方に対応することが可能である。いくつかの実施形態では、単結晶半導体層222は、シリコンキャッピング層で覆って、シリコン作製施設へのウエハの再導入、および/またはシリコンシリサイド化金属を使用した非シリコンデバイスとの接触を容易にすることが可能である。
【0115】
図9のプロセスにおいて上述したように、非シリコン電子部品材料222(および220)は、シリコン電子部品2210のシリコンフロントエンド処理を行った後に、エピタキシャルに成長させることが可能である。層222の表面でのシリコンキャッピング層の成長を経て、層222(および220)のエピタキシャル成長の後に、ウエハをシリコン作製施設に再導入して、シリコンデバイスおよび/または非シリコンデバイスのバックエンド処理を容易にすることが可能である。このようなバックエンド処理中に、シリコンおよび非シリコン電子部品間に相互接続2215を形成することが可能である。
【0116】
モノリシックに集積化したデバイスシステム2200を使用して、シリコンアナログおよび/またはシリコンデジタル回路を備えた、モノリシックに集積化したIII−V族のアナログ装置を作製することができる。このようなデバイスの集積化によって、モノリシックに集積化した通信回路を作製することが可能となり、III−V族の(例、GaAs、GaN)パワーアンプおよび/またはIII−V族のアナログ回路は、デジタル処理機能を提供することができ、また、III−V族のデバイスの性能を向上させるために使用することができるシリコン回路とモノリシックに集積化することが可能である。いくつかの実施形態では、モノリシックに集積化したシリコン回路は、III−V族のデバイス間の性能の変化を補償することによって、III−V族のデバイスの性能を向上させることが可能である。III−V族のデバイスのシリコンの補償は、(例えば、デバイス間のプロセスの変化に起因し得る)III−V族のデバイス間の電気的性質の変化を補償するように、シリコンロジック回路を使用するステップを伴うことが可能である。
【0117】
したがって、モノリシックに集積化した通信チップは、本明細書に示される技術を使用して作製することができる。代表的なRF(または光学系)では、III−V族のデバイスは、通信システムのフロントエンドとして機能することが可能であり、電磁波と相互に作用し、また、アナログ信号をデジタル信号に変換する。III−V族の回路およびデバイスが使用されるときには、一般的に、別個のチップが、III−V族のチップおよびシリコンチップを含むチップセットに組み込まれる。現在、III−V族のチップは、一般的に、別個の製造インフラストラクチャを使用して作製される。本明細書に記述された技術を使用することで、III−V族のHEMT、HBT、バイポーラ、および/またはMESFETをシリコンCMOS技術とモノリシックに集積化することができ、それによって、シングルチップの通信ソリューションが可能となる。シングルチップのソリューションを構築することによって、使用電力を低減して、帯域幅を増加させることができ、したがって、性能が向上し、同時にコストが削減される。いくつかの実施形態では、III−V族のデバイスは、現在III−V族の作製施設内で作製されているのと同じ方法で製造することができる。他の実施形態では、シリコン作製施設に組み込めば、シリコンプロセスを使用して特殊なIII−V族の処理を置き換えることができる。
【0118】
シングルチップのソリューションによって、セルフォンオンチップおよび/またはコンピュータオンチップが可能となる。本明細書に示された技術によって、パワーアンプ、III−V族のトランシーバ回路、超小型ディスプレイ、および/またはシリコンロジックを、単一のチップの上にモノリシックに集積化することができるので、完全に集積化されたセルフォンオンチップおよび/またはコンピュータオンチップを作製することが可能である。いくつかの実施形態に関しては、本明細書に示された技術を使用して作製されたセルフォンオンチップおよび/またはコンピュータオンチップは、低価格帯の用途に対する作製コストを、約1〜10ドルにすることが可能である。
【0119】
本発明は、配置の詳細に対する適用、および以下の説明で述べられるか、または図面に示される構成要素の構造に限定されるものではない。本発明は、他の実施態様に対応することができ、様々な方法で実施または実行することができる。また、本明細書において用いられる語法および用語は、説明のためのものであり、限定するものとみなすべきではない。本明細書における「含む」、「備える」、または「有する」、「含有する」、「伴う」およびそれらの変形の使用は、以降にリストされる項目およびその均等物、ならびに更なる項目を包括的に含むことを意味する。本明細書で使用する場合、「配置する」という用語は、層、構造、またはデバイスを作成するあらゆる方法を含むものとする。このような方法は、これに限定されないが、蒸着(例、エピタキシャル成長、化学蒸着、物理的蒸着)およびウエハ接合を含むことができる。
【0120】
したがって、本発明の少なくとも1つの実施形態の複数の側面を説明したが、当業者には、種々の変更、修正、および改良が容易に生じるものと理解されたい。このような変更、修正、および改良は、本開示の一部であるとされ、また本発明の精神と範囲内にあるものとされる。したがって、上述の説明および図面は単に例示を目的としたものである。
【図面の簡単な説明】
【0121】
【図1】図1は、一実施形態による、単結晶シリコンと、単結晶非シリコン半導体層とを含む多層ウエハの断面概略図である。
【図2A】図2A〜2Cは、種々の実施形態による、多層ウエハの断面概略図である。
【図2B】図2A〜2Cは、種々の実施形態による、多層ウエハの断面概略図である。
【図2C】図2A〜2Cは、種々の実施形態による、多層ウエハの断面概略図である。
【図3A】図3A〜3Dは、一実施形態による、多層ウエハを作製するためのプロセスを示す断面概略図である。
【図3B】図3A〜3Dは、一実施形態による、多層ウエハを作製するためのプロセスを示す断面概略図である。
【図3C】図3A〜3Dは、一実施形態による、多層ウエハを作製するためのプロセスを示す断面概略図である。
【図3D】図3A〜3Dは、一実施形態による、多層ウエハを作製するためのプロセスを示す断面概略図である。
【図4A】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4B】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4C】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4D】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4E】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4F】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4G】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4H】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5A】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5B】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5C】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5D】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5E】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5F】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5G】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5H】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6A】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6B】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6C】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6D】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6E】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6F】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6G】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6H】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7A】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7B】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7C】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7D】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7E】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7F】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7G】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7H】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図8】図8は、一実施形態による、多層出発ウエハを使用して形成することが可能である、モノリシックに集積化した半導体構造の断面概略図である。
【図9】図9は、一実施形態による、多層出発ウエハを使用した、モノリシックに集積化した半導体構造を形成するための方法のフローチャートである。
【図10】図10は、一実施形態による、シリコン電子部品がIII−V族発光デバイスとモノリシックに集積化された、集積デバイス構造の断面概略図である。
【図11】図11は、一実施形態による、発光デバイス構造の断面概略図である。
【図12】図12は、一実施形態による、発光デバイス構造の上面概略図である。
【図13A】図13A〜13Cは、一実施形態による、多層ウエハ上にモノリシックに集積化された発光デバイス構造を作製する方法を示す断面概略図である。
【図13B】図13A〜13Cは、一実施形態による、多層ウエハ上にモノリシックに集積化された発光デバイス構造を作製する方法を示す断面概略図である。
【図13C】図13A〜13Cは、一実施形態による、多層ウエハ上にモノリシックに集積化された発光デバイス構造を作製する方法を示す断面概略図である。
【図14】図14は、一実施形態による、発光デバイスおよびシリコン光検出器とモノリシックに集積化されたシリコン電子部品を含む、集積デバイス構造の上面概略図である。
【図15A】図15A〜15Bは、一実施形態による、モノリシックに集積化した光相互接続バスの概略図である。
【図15B】図15A〜15Bは、一実施形態による、モノリシックに集積化した光相互接続バスの概略図である。
【図16】図16は、一実施形態による、シリコン電子部品とモノリシックに集積化された発光デバイスのアレイの上面概略図である。
【図17】図17は、一実施形態による、光検出器およびシリコン電子部品のアレイとモノリシックに集積化された発光デバイスのアレイの上面概略図である。
【図18】図18は、一実施形態による、シリコン電子部品とモノリシックに集積化された発光デバイスの二次元アレイの上面概略図である。
【図19】図19は、一実施形態による、図18の集積デバイスシステムの断面概略図である。
【図20】図20は、一実施形態による、シリコン電子部品とモノリシックに集積化された発光デバイスおよび光検出器の二次元アレイの上面概略図である。
【図21】図21は、一実施形態による、少なくとも1つのシリコン光検出器と、少なくとも1つの非シリコン光検出器とを含む、モノリシックに集積化したシステムの断面図である。
【図22】図22は、一実施形態による、シリコン電子部品と、非シリコン電子部品とを含む、モノリシックに集積化したシステムの断面図である。
【技術分野】
【0001】
(関連出願)
本出願は、2005年11月1日に出願された、発明名称が「INTEGRATED LIGHT ARRAYS」である米国仮特許出願第60/732,442号、および2006年4月7日に出願された、発明名称が「INTEGRATED LIGHT ARRAYS」である米国特許出願第60/790204号に基づく米国特許法第119条第(e)項の優先権の利益を主張するものであり、これらの全体は参考として本明細書に援用される。
【0002】
(発明の分野)
本発明は、概して半導体構造の製造に関する。より具体的には、本発明は、シリコンおよび他の単結晶半導体材料、および/またはデバイスのモノリシックな集積化に関する。
【背景技術】
【0003】
III−V族の材料とシリコンとを組み合わせるという概念は1980年代に生まれた。当時、シリコン技術の進展の程度は予測できず、よって多くの潜在的な用途を詳述することはできなかったが、このような技術は基本的原理に基づいて探求された。基本的な考え方は、光を放射および検出する能力(III−V族の材料)とデジタルロジック(シリコンデジタル回路)を組み合わせることによって、新たな市場がもたらされ、古い市場が崩壊するというものであった。しかし、実際には、実用的な方法でこの目的を達成するには、当初の認識よりも大きな課題のあることが立証されている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0004】
本明細書では、単結晶シリコンおよび単結晶非シリコン材料と、デバイスとをモノリシックに集積化するための方法および構造が提供される。
【0005】
一側面では、半導体構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、第1の領域内の絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層とを含む。
【0006】
別の側面では、半導体構造を形成する方法が提供される。本方法は、シリコン基板を提供するステップと、シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置するステップであって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップと、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置するステップと、第1の領域内の絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置するステップと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って第2の単結晶半導体層を配置するステップであって、第2の単結晶半導体層が第1の領域には存在せず、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有するステップとを含む。
【0007】
一側面では、半導体構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層とを含む。
【0008】
一側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、第1の領域内の絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスとを含む。
【0009】
別の側面では、半導体構造を形成する方法が提供される。本方法は、シリコン基板を提供するステップと、シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置するステップであって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有するステップと、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置するステップと、第1の領域内の絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置するステップと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、第2の単結晶半導体層を配置するステップであって、第2の単結晶半導体層が第1の領域には存在せず、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップとを含む。
【0010】
一側面では、半導体構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層とを含む。
【0011】
一側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、第1の領域内の絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つのシリコンベースの光検出器と、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つの非シリコン光検出器とを含む。
【0012】
別の側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造を形成する方法が提供される。本方法は、シリコン基板を提供するステップと、シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置するステップであって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップと、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置するステップと、第1の領域内の絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置するステップと、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのシリコンベースの光検出器を形成するステップと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層を配置するステップであって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップと、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つの非シリコンベースの光検出器を形成するステップとを含む。
【0013】
一側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つのシリコンベースの光検出器と、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、記第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む少なくとも1つの非シリコン光検出器とを含む。
【0014】
一側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、第1の領域内の絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスとを含む。
【0015】
別の側面では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造を形成する方法が提供される。本方法は、シリコン基板を提供するステップと、シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置するステップであって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップと、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置するステップと、第1の領域内の絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置するステップと、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスを形成するステップと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、第1の領域には存在しない第2の単結晶半導体層を配置するステップであって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ステップと、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスを形成するステップとを含む。
【0016】
別の方法では、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造は、シリコン基板と、シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、第1の領域内の第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、第2の領域内の第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、第2の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスとを含む。
【0017】
添付の図面は、原寸に比例して描画することを意図したものではない。図面中、種々の形態で示される同一またはほぼ同一の各構成要素は、同様の参照符号で表される。明確にするために、全ての図面において全ての構成要素に参照符号が付されていない場合がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
本明細書に示される実施形態は、シリコンベースの単結晶層と、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する1つ以上の単結晶半導体層とのモノリシックな集積化を容易にする方法および構造の実装例を提供する。いくつかの実施形態では、シリコンベースのデバイスは、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する1つ以上の単結晶半導体層で形成されたアクティブ領域を有するデバイスとモノリシックに集積化される。シリコンベースのデバイスには(これに限定されないが)、n型金属酸化膜半導体(NMOS)およびp型金属酸化膜半導体(PMOS)電界効果トランジスタ(FET)、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)デバイス、およびバイポーラトランジスタのような、シリコンベースの電子部品が挙げられる。シリコンベースのデバイスには、同様に、シリコンベースの光検出器のような光電子デバイスも挙げられる。非シリコン半導体デバイスには(これに限定されないが)、III−V族の発光デバイス(例、発光ダイオード(LED)およびレーザダイオード)、III−V族の光検出器、およびIII−V族の高電子移動度トランジスタ(HEMT)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)、および金属半導体FET(MESFET)のようなIII−V族の電子デバイスが挙げられる。
【0019】
いくつかの実施形態では、シリコンベースの単結晶層と、緩和シリコンとは異なる格子定数を有する単結晶半導体層とのモノリシックな集積化は、発光デバイスと、CMOS回路のようなシリコンベースのデバイスとの集積化を容易にする。発光デバイスは、可視光、赤外線光および/または紫外線光を放射することができるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。これらのデバイスをモノリシックに集積化する能力によって、発光デバイスを、発光デバイスを制御および/または駆動するシリコンCMOS回路とモノリシックに集積化することができる。シリコンCMOS回路は、計算機能を実行することもできる。発光デバイスは、一次元アレイまたは二次元アレイのような発光デバイスのアレイの形態をとることができる。したがって、発光デバイスは、線および/または領域(例、矩形の領域)を覆って配列することができ、モノリシックに集積化したシリコンCMOS回路によって、発光を制御、または選択的に駆動することが可能である。光検出器は、発光デバイスの有無にかかわらず、シリコンCMOSとモノリシックに集積化することもできる。光検出器は、必要に応じてシリコンベースの光検出器とすることが可能であり、発光デバイスによって放射された光を検出するように、発光デバイスに隣接して集積化することが可能である。光検出器からの出力は、シリコンCMOS回路に提供することができ、この回路では、光検出器の出力に少なくとも部分的に基づいて、発光デバイスの駆動を変化させることができる。このような機能を使用して、発光デバイスに提供される駆動電力を調整、および/または所与の発光デバイスが不適切に機能していることを検出したとき(例えば、発光デバイスの出力が停止または低下したとき)に、余剰の発光デバイスを作動させることができる。
【0020】
CMOSのような、発光デバイスとシリコンベースの電子部品とのモノリシックな集積化を用いて、マイクロディスプレイ、高解像度プリンタバーおよび/または領域、撮像バーおよび/または領域、集積化されたマイクロディスプレイを有するコンピュータオンチップ、およびシリコンベースの電子部品用の光相互接続を形成することができる。
【0021】
いくつかの実施形態では、シリコンベースの単結晶層と、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する単結晶半導体層とのモノリシックな集積化は、ゲルマニウムおよび/またはIII−V族の光検出器のような、シリコン光検出器と非シリコン光検出器との集積化を容易にすることができる。シリコンおよび非シリコン光検出器の集積化によって、シリコンおよび非シリコン光検出器のアレイを有する高解像度の撮像チップを、CMOSのようなシリコンベースの電子部品とさらに集積化することができる。
【0022】
いくつかの実施形態では、シリコンベースの単結晶層と、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する単結晶半導体層とのモノリシックな集積化は、シリコンMOSFETおよびバイポーラトランジスタのようなシリコンベースの電子デバイスと、III−V族のHEMT、HBT、および/またはMESFETのような非シリコンベースの半導体電子デバイスとの集積化も容易にする。このような集積化によって、シリコンCMOSによって形成されたデジタル回路と、III−V族の材料で形成されたアナログ/RF回路との集積化が可能となる。
【0023】
示されたいくつかの実施形態は、シリコンと非シリコン材料とのモノリシックな集積化、および緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する1つ以上の単結晶半導体層を備えたシリコンベースの単結晶層を含む、多層出発ウエハを使用したデバイスを達成する。さらに、本明細書に示されるいくつかの技術によって、非シリコン材料を単結晶の非シリコン半導体層の上にエピタキシャル蒸着することができる。エピタキシャルに成長される非シリコン材料には、III−V族の発光デバイス(例、LEDおよびレーザダイオード)のような非シリコン半導体デバイス、III−V族の光検出器、およびIII−V族のHEMT、HBT、およびMESFETのようなIII−V族の電子デバイスのための、デバイスヘテロ構造が挙げられる。多層出発ウエハによって、エピタキシャルに成長した非シリコンデバイス材料の表面を、シリコンベースの単結晶層と実質的に同一平面にすることができ、それによって、シリコンと非シリコンデバイス構造との共処理(例、フォトリソグラフィ、相互接続形成、および他のバックエンド処理)を容易にする。
【0024】
図1は、単結晶シリコンと、単結晶非シリコン半導体層とを含む多層ウエハの一実施形態の図である。多層ウエハ100は、シリコン基板110と、シリコン基板110を覆って配置された単結晶半導体層120と、単結晶半導体層120を覆って配置された絶縁層130と、絶縁層130を覆って配置された単結晶シリコン層140とを含む。
【0025】
単結晶半導体層120は、1つ以上の半導体層を含むことが可能である。単結晶半導体層120の層のうちの少なくとも1つは、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有することができる。単結晶半導体層120は、1つ以上のゲルマニウム層、1つ以上のシリコン−ゲルマニウム層、および/または1つ以上のIII−V族の半導体層を含むことが可能である。単結晶半導体層120は、シリコン−ゲルマニウム傾斜層を含むことが可能である。シリコン−ゲルマニウム傾斜層は、第1のゲルマニウム含有量(例、0%のゲルマニウム)である底部インターフェースを有することが可能であり、第2のゲルマニウム含有量(例、100%のゲルマニウム)である上部インターフェースまで、ゲルマニウム含有量が増加するように傾斜させることが可能である。ゲルマニウム層は、層120の一部として、このようなシリコン−ゲルマニウム傾斜層を覆って配置することが可能である。
【0026】
いくつかの実施形態では、単結晶半導体層120は、1つ以上のIII−V族の半導体層を含むことが可能である。III−V族の半導体層の例には、砒化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、砒化インジウムガリウム、窒化インジウムガリウム、砒化アルミニウムガリウム、窒化アルミニウムガリウム、および/または当業者が既知のIII−V族の半導体層が挙げられる。いくつかの実施形態では、III−V族の半導体層は、ゲルマニウム層を覆って配置することが可能である。さらに、上述のように、ゲルマニウム層は、シリコン−ゲルマニウム傾斜層を覆って配置することが可能である。いくつかの実施形態では、III−V族の半導体層は、シリコン−ゲルマニウム層および/またはシリコン−ゲルマニウム傾斜層を覆って配置することが可能である。
【0027】
いくつかの実施形態では、単結晶半導体層120は、一方が他方を覆って配置され、互いに異なる格子定数を有し、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する2つ以上の単結晶半導体層を含むことが可能である。この2つ以上の単結晶半導体層には、例えば、ゲルマニウム層とリン化インジウム層、ゲルマニウム層と窒化ガリウム層、砒化ガリウム層とリン化インジウム層、および/または砒化ガリウム層と窒化ガリウム層を挙げることができる。単結晶半導体のうちの1つは、発光デバイス内のアクティブ層に好適なものとすることが可能であり、他の単結晶半導体層は、アナログおよび/またはRFデバイス内のチャネル層として好適なものとすることが可能である。
【0028】
絶縁層130には、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、当業者が既知の他の絶縁材料、および/またはそれらのあらゆる組み合わせなどの、あらゆる絶縁材料層が挙げられる。いくつかの実施形態では、層130は、半導体および/または金属層のような非絶縁層である。他の実施形態では、層130を存在させないことも可能である。このような実施形態では、単結晶シリコン層140は、単結晶半導体層120上に(例えば接触させて)配置することが可能である。
【0029】
単結晶シリコン層140は、緩和シリコン層および/または歪みシリコン層を含むことが可能である。歪みシリコン層は、あらゆる所望の歪みを有することが可能であり、例えば、歪みシリコン層は、約1%〜2%の引張歪みを有することが可能である。あるいは、または加えて、シリコン−ゲルマニウム層は、絶縁層130を覆って配置することが可能である。
【0030】
多層ウエハ100は、あらゆる所望の直径を有することができるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、多層ウエハは、少なくとも150mm、少なくとも200mm、またはシリコン基板に使用可能な他の好適な直径を有する。
【0031】
図2A〜2Cは、いくつかの実施形態による、多層ウエハの例を概略的に示す図である。図2A〜2Cは、絶縁層130を覆って配置された単結晶シリコン層140を有する、多層ウエハ201を示す図である。絶縁層130は、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121を覆って配置された1つ以上のゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、および/またはIII−V族の層120を覆って配置される。シリコン−ゲルマニウム傾斜層121は、シリコン基板110を覆って配置される。
【0032】
図2Bは、絶縁層130を覆って配置された単結晶シリコン層140を含む、多層ウエハ202を示す図である。絶縁層130は、シリコン基板110を覆って配置された1つ以上のゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、および/またはIII−V族の層120を覆って配置される。
【0033】
図2Cは、絶縁層130を覆って配置された単結晶シリコン層140を含む、多層ウエハ203を示す図である。絶縁層130は、1つ以上のゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、および/またはIII−V族の層120を覆って配置される。層120は、シリコン基板110を覆って配置された絶縁層135を覆って配置される。いくつかの実施形態では、絶縁層130および/または135は、半導体および/または金属のような非絶縁層に置き換えることが可能である。
【0034】
いくつかの実施形態では、本明細書に示された多層ウエハの単結晶半導体層120は、シリコン基板110の実質的に全てをオーバーレイすることができる。単結晶半導体層120は、シリコン基板110の全てまたは実質的に全てを覆って配置することが可能である。絶縁体130および/または単結晶シリコン層140は、シリコン基板110の実質的に全てを覆って配置することも可能である。このような多層ウエハは、下述するようなウエハ接合技術を使用して作製することが可能である。
【0035】
図3A〜3Dは、図2Aに示された多層ウエハ201のような多層ウエハを作製する方法の一例を示す図である。図3Aに示されるように、本方法は、シリコン基板110を含むことができるハンドルウエハを提供するステップを含むことが可能である。格子不整合シリコン−ゲルマニウム傾斜層121は、当業者が既知の技術を使用して、シリコン基板110上にエピタキシャルに成長させることが可能である。例えば、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121は、化学蒸着(CVD)を使用して成長させることが可能である。シリコン−ゲルマニウム傾斜層121は、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121の表面において、低ゲルマニウム含有量から高ゲルマニウム含有量に増加させた、傾斜ゲルマニウム含有量を有することが可能である。シリコン−ゲルマニウム傾斜層121の低インターフェースでの低ゲルマニウム含有量は、0%ゲルマニウム(例、純シリコン)とすることが可能であり、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121の上面において、所望の最終的なゲルマニウム含有量まで段階的に、連続的に、または他の様態で増加させることが可能である。いくつかの実施形態では、シリコン−ゲルマニウム傾斜層の上面のゲルマニウム含有量は、100%のゲルマニウムであるか、または他の好適な含有量(例、90%を超えるゲルマニウム、75%を超えるゲルマニウム、50%を超えるゲルマニウム)である。シリコン−ゲルマニウム傾斜層は、シリコン基板上への格子不整合シリコン−ゲルマニウムの蒸着中のあらゆるクロスハッチの粗さを削減するように、化学的機械的研磨(CMP)を行うことが可能である。シリコン−ゲルマニウム層121は、エピタキシャル成長中に形成されるあらゆるクロスハッチの粗さを削減し、また最終的な貫通転位密度を低減するように、成長プロセスの中断を経て、段階的にCMPを行うことも可能である。
【0036】
ゲルマニウムおよび/またはシリコン−ゲルマニウム層120は、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121を覆って配置することが可能である。いくつかの実施形態では、ゲルマニウム層は、成長プロセスの後に、化学的機械的に研磨することが可能である。いくつかの実施形態では、1つ以上の層を、1つ以上のIII−V族の層を含む、ゲルマニウム層および/またはシリコン−ゲルマニウム層120を覆って配置することが可能である。あるいは、1つ以上のIII−V族の層を、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121上に直接配置することが可能である。1つ以上のIII−V族の層は、複数のIII−V族の材料(例、砒化ガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウム、あらゆる三元のIII−V族、および/またはそれらの任意の組み合わせ)を含むことが可能である。さらに、1つ以上のIII−V族の層は、砒化インジウムガリウム傾斜層、またはIII−V族の半導体を含む他の傾斜層構造を含むことが可能である。
【0037】
絶縁層130は、ゲルマニウムおよび/またはシリコン−ゲルマニウム層120を覆って配置することが可能である。絶縁層130は、酸化物(例、二酸化ケイ素)、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、または他の好適な絶縁体材料のような、あらゆるタイプの絶縁体を含むことが可能である。あるいは、または加えて、非絶縁層は、ゲルマニウムおよび/またはシリコン−ゲルマニウム層120を覆って蒸着することが可能である。絶縁層130は、例えば化学機械研磨を使用してさらに研磨することが可能である。
【0038】
図3Bは、図3Aに示されたハンドルウエハにウエハ接合することが可能なドナーウエハを示す図である。ドナーウエハは、シリコン基板190とすることが可能である。シリコン基板190は、イオン切断プロシージャを使用して、ウエハ接合および層転写に備えることが可能である。あるいは、または加えて、当業者に既知であるように、接着およびエッチバック層転写を使用することが可能である。イオン切断プロセスでは、シリコン基板の表面から所望の深さにおいて、注入イオンピーク192を形成するように、イオン(例、水素イオン、ヘリウムイオン)がシリコン基板190の表面に注入(矢印191で示す)される。イオンピーク192(本明細書では、シリコン層140と称する)は、ウエハ接合プロセスのための転写層として機能することができる。
【0039】
図3Cは、ウエハ接合プロセスを示す図であり、図3Bのドナーウエハは、図3Aのハンドルウエハに接合される。図に示されるように、ハンドルウエハのシリコン層140は、ドナーウエハの絶縁層130に接合される。あるいは、絶縁層(例、酸化物層)は、ウエハ接合の前に、図3Bに示されるドナーウエハのシリコン層140を覆って配置することが可能である。当該の一実施形態では、ウエハ接合プロセスは、酸化物層を酸化物層に接合するステップを含むことができる。ウエハ接合の後に、接合されたウエハの対は、層140のクラック形成および層間剥離を開始するように、所望の温度でアニールすることが可能である。アニーリングは、転写層のハンドルウエハへの接合を増強することも可能である。得られた多層半導体ウエハ構造を図3Dに示すが、シリコン層140は、図3Aに示されるハンドルウエハを覆って配置される。剥離層140の表面が粗くなる場合があるので、ウエハ表面をその後に、例えば化学機械研磨によって研磨することが可能である。
【0040】
図4は、非シリコンドナー基板を使用して、図2に示される多層ウエハ202を作製する方法を示す図である。非シリコンドナー基板には、砒化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウムまたはガリウムリン化物のような、ゲルマニウム基板またはIII−V族の基板が挙げられる。図4Aは、非シリコン材料で形成されるドナー基板180を示す図である。ドナー基板180は、イオン切断プロセスにおいて使用されるイオンによって注入される(矢印181で示す)。このイオンは、非シリコンドナー基板180の表面から所望の深さ182において、ピーク濃度を形成するような注入エネルギで注入される。材料層120は、注入ピーク182より上に位置する。
【0041】
図4Bは、図4Cに示されるように、ドナー基板180をウエハ接合することが可能な、シリコンハンドル基板110を示す図である。ウエハ接合の後に、ウエハ接合された対は、ドナー基板の注入ピーク182においてクラック形成を開始するようにアニールすることが可能であり、それによって、図4Dに示されるように、非シリコン層120のシリコンハンドル基板110への層転写がもたらされる。アニーリングは、層120とシリコンハンドル基板110との間の接合を増強することも可能である。絶縁層130は、次いで、図4Eに示されるように、非シリコン層120に蒸着することが可能である。
【0042】
シリコン基板190を含む第2のドナーウエハを用意することが可能である。状況に応じて、シリコン基板190は、それ自体(図示せず)を覆って配置された絶縁層を有することが可能である。例えば、このような絶縁層は、酸化シリコンで形成することが可能であり、蒸着する、および/または熱的に成長させることが可能である。シリコン基板190は、次いで、注入イオンが第2のイオン切断プロセスに使用されるように、イオン注入(矢印191で示す)を受けることが可能である。シリコン基板に注入されるイオンは、シリコン基板190の表面から所望の深さにおいてイオン注入ピーク192を形成するように、好適な注入エネルギを備える。このようなプロセスは、その後、シリコン基板190のシリコン層140を画定し、シリコン基板110を含むハンドルウエハへ転写される層となる。図4Gは、シリコン基板190の表面がハンドルウエハの層130に接合される、ウエハ接合プロセスを示す図である。ウエハ接合の後に、ウエハ接合された対は、シリコン基板190のイオン注入ピーク192においてクラック形成を開始するようにアニールすることが可能であり、それによって、図4Hに示されるように、ハンドルウエハの層130上にシリコン層140が層転写される。得られる多層半導体ウエハは、図2Bの多層ウエハ202の層を含む。
【0043】
図5A〜5Hは、シリコン基板上のシリコン−ゲルマニウム傾斜層を覆って配置された、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、および/またはIII−V族の半導体のような、非シリコン材料を含むドナーウエハによって開始する、多層ウエハ212を作製する別の方法を示す図である。図5Aは、シリコン傾斜層121がその上に配置されるシリコン基板110aを含む、当該のドナーウエハを示す図である。ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、および/またはIII−V族の層120aは、シリコン−ゲルマニウム傾斜層121を覆って配置される。イオンは、層120a内の所望の深さにおいてイオン注入ピーク182を形成するように、ドナーウエハの表面を介して注入することができる。図5Aでは、イオン注入ピークより上の材料を層120として示す。図5の方法の残りのステップは、非シリコンドナー基板180が図5Aに示されるウエハに置き換えられている以外は、図4の方法に対する説明に類似する。
【0044】
図6A〜6Hは、ゲルマニウムまたはIII−V族の基板のような非シリコン基板180によって開始し、図4の方法に類似した方法を使用して、図2Cの多層ウエハ203を作製する方法を示す図である。本方法のステップは、絶縁層135が図6Aの非シリコンドナー基板180および/または図6Bのハンドルウエハ110を覆って配置される以外は、図4の方法に対する説明に類似する。
【0045】
図7A〜図7Hは、シリコン基板110a上に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層121上に配置された、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウムおよび/またはIII−V族の層120aのような、非シリコン層を含む出発ウエハを使用して多層ウエハ203を作製する別の方法を示す図である。絶縁層135は、非シリコン層184上に、および/またはハンドルシリコン基板110上に蒸着することができる。図7のプロセスの残りのステップは、図6のものに類似する。
【0046】
図1に示される多層ウエハ100のような多層ウエハは、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する単結晶半導体層120を含む。このような多層ウエハは、シリコンおよび非シリコンデバイスをモノリシックに集積化するための出発ウエハとして使用することが可能である。シリコンデバイスは、単結晶シリコン層140内に、および/またはこの上に形成することが可能であり、非シリコンデバイスは、単結晶半導体層120を露光させるようにシリコン層140および絶縁層130を除去した領域内に形成することが可能である。露光した単結晶半導体層120上でエピタキシャルに再成長した高品質半導体材料層は、III−V族の、シリコン−ゲルマニウム、および/またはゲルマニウム電子部品、および/または光電子デバイスのような、非シリコンデバイスのための材料層として機能することが可能である。
【0047】
図8は、一実施形態による、出発材料として多層ウエハ100を使用して形成することが可能な、半導体構造800を示す図である。半導体構造800は、第1の領域810および第2の領域820をモノリシックに集積化する。第1の領域810は、単結晶半導体層120を覆ってさらに配置された絶縁層131を覆って配置された単結晶シリコン層141を含むことができ、単結晶半導体層120は、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する。単結晶半導体層120は、シリコン基板110を覆って配置される。
【0048】
半導体構造800は、第2の単結晶半導体層(例、図示した実施形態では層220および222)が、単結晶半導体層120の少なくとも一部を覆って配置される、第2の領域820をさらに含む。第2の単結晶半導体層(例、層220および222)は、半導体構造の第1の領域には存在しない。第2の単結晶半導体層(220および222)は、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有し、単結晶半導体層120の組成とは異なる組成を有することが可能である。
【0049】
単結晶半導体層220は、第1の単結晶半導体層120の少なくとも一部に接触して配置することが可能である。以下に詳述するように、このような構造は、単結晶半導体層120の露光領域上でエピタキシャルに成長させることによって形成することが可能である。いくつかの実施形態では、単結晶半導体層220は、単結晶半導体層120の組成と類似した組成を有するか、あるいは、単結晶半導体層220の一部または全てが、単結晶半導体層120とは異なる組成を有することが可能である。さらに、層220は、対象とするデバイスの用途に望まれるように、部分的に、または全体をドープすることが可能である。
【0050】
単結晶半導体層222は、半導体層220を覆って配置することが可能であり、半導体層222は、対象とするデバイスの領域820内での形成に好適なヘテロ構造を構成することが可能である。いくつかの実施形態では、半導体層222は、III−V族の半導体材料層、シリコン−ゲルマニウム、および/またはゲルマニウム層のうちの1つまたは複数を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、層222は、III−V族の、シリコン−ゲルマニウム、および/またはゲルマニウム材料層上で接触して配置することが可能な、シリコンキャップ層を含むことが可能である。このシリコンキャップ層は、III−V族のおよび/またはゲルマニウムが、このような構造へのデバイスの作製に使用されるあらゆるプロセス環境に晒されないようにする、封入層として機能することが可能である(例、シリコンファウンドリ)。
【0051】
出願人らは、実質的に同一平面上にシリコンデバイス領域および非シリコンデバイス領域を有することの利点を認識している。シリコン領域と非シリコン領域との表面間の共平面性は、フォトリソグラフィプロセスステップを容易にすることが可能であるが、これは、シリコン領域と非シリコン領域の両方が、実質的に同じ高さ(例えば、シリコンおよび非シリコン表面が、実質的に同じ高さである)になり得ることによるものである。このように、ウエハの表面上の大きな高さ変動に影響され得るフォトリソグラフィステップを、容易にすることが可能である。シリコン領域および非シリコン領域内のデバイス間の相互接続の作製も、領域間の実質的な共平面性の結果として容易にすることが可能である。本明細書で使用する場合、共平面性は、用いられるリソグラフィの特徴スケールに依存する場合がある。いくつかの実施形態では、同一平面上の半導体表面は、100ナノメートル未満、200ナノメートル未満、または400ナノメートル未満の間隔である。例えば、70ナノメートルゲート長のCMOSに用いられるフォトリソグラフィを使用する場合、実質的に同一平面上にある表面は、200ナノメートル未満の間隔(例、100ナノメートル未満、50ナノメートル未満)となり得る。
【0052】
半導体構造800内には、多数の他の層を導入することが可能であると理解されたい。例えば、単結晶半導体層220および222を含む非シリコン領域820は、絶縁層230によって単結晶シリコン領域141から絶縁することが可能である。図8は、単結晶シリコン層141と、単結晶半導体層222および220との間の全体の間隙を充填するように配置された層230を示すが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。
【0053】
単結晶シリコン領域と単結晶非シリコン領域とを組み合わせた、本明細書に示されるモノリシックに集積化した構造は、出発材料として、多層ウエハ100のような多層ウエハを使用する作製プロセスを使用して形成される。このような方法の一例のフローチャートを図9に示す。本方法は、出発ウエハとして、多層ウエハ(例、多層ウエハ100)を提供するステップを含むことが可能である(ステップ310)。ステップ320で、単結晶シリコン層140の第1の領域内にシリコンデバイスのフロントエンドを形成するように、フロントエンドシリコンデバイスプロセスを行うことが可能である。当該のシリコンデバイスは、シリコントランジスタ(例、CMOS、バイポーラ)、および/または光電子デバイス(例、シリコン光検出器)のような、電子部品および/または光電子デバイスを含むことが可能である。状況に応じて、第1の領域内に作製されたシリコンデバイスのフロントエンドは、これに限定されないが、窒化物、酸化物、オキシナイトライド、それらの組み合わせ、または当業者に既知の他の好適な材料を含む、保護材料の蒸着を経てコーティングすることが可能である。
【0054】
第2の領域内のシリコン単結晶層140では、単結晶半導体層120を露光させるように、シリコン単結晶層140および絶縁層130を除去する(例、エッチングする)ことが可能である(ステップ330)。シリコンおよび/または絶縁体の除去に用いられるエッチングには、化学的または物理的エッチング、および乾式または湿式エッチングが挙げられるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。第2の領域内の単結晶半導体層120が露光すると、エピタキシャル成長プロセスのためのシード層として機能する露光領域上に、あらゆる所望の半導体材料層をエピタキシャルに成長させることが可能である(ステップ340)。このように、単結晶半導体層120に格子整合された半導体材料を成長させることが可能である。単結晶半導体層120上で成長させる半導体層には、ゲルマニウム層、シリコン−ゲルマニウム層、III−V族の層、および/またはあらゆるそれらの組み合わせが挙げられる。このような層のうちの少なくとも1つは、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する。
【0055】
状況に応じて、露光した半導体層120上でのエピタキシャル成長の前に、(例えば、半導体構造800に示されるように)第2の領域内のエッチングによって露光させた単結晶シリコン層141の側壁を囲むように、絶縁(例、誘電体)材料を蒸着することが可能である。このようなプロセスは、図8に示されるような絶縁層230を形成させることが可能である。このようなプロセスは、領域820内に単結晶半導体層を露光させ、一方で、領域820の側壁上に完全な絶縁体を残すように、ウエハ表面全体を覆ってブランケット絶縁層を蒸着するステップと、蒸着下ブランケット絶縁層の一部をエッチングするステップとを含むことが可能である。このような絶縁側壁230は、酸化物、窒化物、オキシナイトライドのような誘電体材料、および/またはあらゆるそれらの組み合わせで形成するか、または他の好適な材料で形成することが可能であると理解されたい。半導体120上の半導体220および222がエピタキシャルに成長すると、側壁230は、選択的なエピタキシャル成長を容易にし、露光した単結晶半導体層120は、以降のエピタキシャル成長のためのシード層として機能する。絶縁体230上での成長は、当業者に既知であるように、適切な成長の化学反応、温度、および/または圧力を使用することによって抑制することが可能である。ブランケット絶縁保護層が、シリコン領域810を覆って存在する場合、半導体の成長は、選択的な成長を使用することによってこれらの領域内で抑制することも可能である。あるいは、選択的な成長を用いない場合、半導体の成長は、シリコン領域810を覆って生じさせることが可能であり、成長後エッチングをおこなって、これらの領域内に蒸着したあらゆる半導体材料を除去することが可能である。
【0056】
ステップ340の半導体のエピタキシャル成長によって、III−V族の層、ゲルマニウム層、および/またはシリコン−ゲルマニウム層を含む所望のデバイス層の成長が可能となる。エピタキシャル成長は、デバイス構造に望まれる、P型、N型、および真性ドーピングを組み込むことも可能である。さらに、シリコンキャッピング層は、単結晶半導体層120上に再成長させたIII−V族の層、ゲルマニウム層、および/またはシリコン−ゲルマニウム層をカプセル化するように、成長プロセスの終わりに蒸着することが可能である(ステップ350)。シリコンキャッピング層を組み込むことで、エピタキシャル成長の後のシリコン作製施設への再導入を容易にすることができる。いくつかの実施形態では、第2の領域内のエピタキシャルに成長した半導体層の表面(例、層222またはシリコンキャッピング層の表面)は、上述のように、第1の領域(例、層141)内のシリコン表面と実質的に同一平面とすることができる。
【0057】
ステップ360では、非シリコンデバイスのフロントエンド処理、および第1の領域内のシリコンデバイスおよびエピタキシャルに成長した第2の領域内の非シリコンデバイスのバックエンド処理を行うことが可能である。バックエンド処理は、ウエハ上のデバイス間に相互接続を形成するステップを含むことが可能である。相互接続は、第1の領域内のシリコンデバイス間に、第2の領域内の非シリコンデバイス間に、およびシリコンデバイス間および非シリコンデバイス間の両方に形成することが可能である。このようなプロセスは、標準的なシリコン作製施設のものと互換であり、さらに、シリコンおよび非シリコン領域が、実質的に同一平面である半導体表面を有する実施形態では、バックエンド処理における相互接続プロセスを大幅に容易にすることが可能である。また、このようなプロセスによって、プロセス全体をシリコンCMOS作製施設内で行うことができる。このプロセスは、バックエンド処理技術がCMOS作製施設に対してより高度であるので、好都合となり得る。
【0058】
記述した作製プロセスは、シリコンCMOSのフロントエンド処理温度が、一般的に、III−V族のデバイス内のドーパント拡散を最小限に抑える温度よりも高いので、シリコンおよび非シリコン(例、III−V族)デバイスのモノリシックな集積化を容易にすることが可能である。したがって、いくつかの実施形態では、III−V族のデバイス層は、シリコンフロントエンド処理が行われたときに、ウエハ内に存在することができない。なお、III−V族層の、ゲルマニウムおよび/またはシリコン−ゲルマニウムを埋設した単結晶半導体層の溶融温度は、これらの層がシリコンのフロントエンド処理を免れ得るために十分に高いものとすることが可能である。また、バックエンド処理(例、相互接続の形成)は、全般的に、熱蓄積がシリコンフロントエンド処理よりも低いので、いかなるIII−V族のデバイス層も、シリコンバックエンド処理を容易に免れることが可能である。
【0059】
このようなモノリシックに集積化した半導体構造、およびこのような構造を形成するための関連する方法を使用して、シリコンデバイス(電子または光電子)、およびIII−V族の、および/またはゲルマニウムデバイス(電子および/または光電子)をモノリシックに集積化することが可能である。
【0060】
図10は、集積デバイス構造1000を示す図であり、一実施形態によれば、シリコン電子部品は、III−V族の発光デバイス(例、LEDまたはレーザダイオード)とモノリシックに集積化される。シリコンデバイス510(例、シリコンCMOS、バイポーラトランジスタ、および/またはシリコン光検出器)は、多層ウエハの第1の領域810内に存在するように作製することが可能であり、III−V族の発光デバイス520は、第2の領域820内の単結晶半導体層120上に成長させることが可能である。領域820内に形成される発光デバイスは、p−nまたはp−i−n構造を形成するようにドープされたIII−V族の層の垂直スタックを含むことが可能である。層222は、アクティブ層(例、1つ以上の量子ウェル)、およびアクティブ層の上下に配置された閉じ込め層を含むことも可能である。層222の表面は、上述のように、シリコンキャッピング層を含むことが可能である。発光デバイス520の層222の上部は、相互接続410を経て、シリコンデバイス510と電気的に接触して相互接続することが可能である。垂直発光デバイス構造の他の側部は、金属重点バイア420を通じて接触することが可能であり、シリコンデバイス510と相互接続することも可能である(図示せず)。これは、接触スキームの1つのタイプに過ぎず、他のものを用いることが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではないと理解されたい。
【0061】
図11は、一実施形態による、発光デバイス構造520’の断面図である。発光デバイス構造520’は、集積デバイス構造1000の発光デバイス520の一具体例である。発光デバイス520’は、ゲルマニウム層とすることが可能な単結晶半導体層220を含む。層220は、p+ドープすることが可能であり、発光デバイスのp側として機能することができる。半導体層220を覆って配置された半導体層222は、発光デバイス閉じ込め層と、クラッド層と、アクティブ層と、キャッピング層(例、シリコンキャッピング層)とを含むことが可能である。層222は、p+ドープした砒化ガリウム層1102を含むことが可能である。底部p型AlInGaP閉じ込め層1104は、層1102を覆って配置することが可能である。量子ウェルアクティブ層1106は、底部閉じ込め層1104を覆って配置することが可能である。量子ウェル1106は、非ドープとすることが可能であり、バンドギャップおよび/または周囲の閉じ込め層とのバンドギャップオフセットによるバンドギャップ閉じ込めを生じさせるように、InGaPで形成することが可能である。上部n型AlInGaP閉じ込め層1108は、アクティブ層1106を覆って配置することが可能である。n+ドープした砒化ガリウム層1110は、閉じ込め層1108を覆って配置することが可能である。n+ドープしたシリコンキャッピング層1112は、層1110を覆って配置することが可能である。
【0062】
砒化ガリウム層1102およびクラッド層1104および1108は、約5×1017ドーパント/cm3でドープすることが可能である。クラッド層1104および1108は、厚さを約200nmとすることが可能であり、アクティブ領域1106は、厚さを約22nmとすることができる。砒化ガリウム層1110は、電流拡散層として機能することが可能であり、また、厚さを約50nmとし、約1×1019ドーパント/cm3でドープすることが可能である。シリコンカプセル化層1112は、厚さを約80nmとし、約1×1021ドーパント/cm3でドープすることが可能である。あるいは、ドーピング順序は、底部層がnドープされ、表面層がpドープされるn−pドープへテロ構造を形成するように逆にすることが可能である。
【0063】
発光デバイス520’は、シリコンキャッピング層1112の上に接触金属層1116を蒸着することによって形成される犠牲層1114を含むことができる。接触金属層1116は、相互接続410と接触して配置することが可能である。接触金属層1116は、発光デバイスの表面の一部だけを覆うことが可能であり、したがって、その領域を通る放射された光を覆わないようにすることができる。例えば、接触金属層1116は、上から見たときにループ形状を成すことが可能である。発光デバイス520’は、ゲルマニウム層220の上への接触金属層1120の蒸着によって形成されるゲルマニサイド(germanicide)層1118を含むことができる。
【0064】
いくつかの実施形態では、III−V族のヘテロ構造およびシリコンキャッピング層は、III−V族およびIV族材料を蒸着することができる、1つのリアクタシステム(例、MOCVDリアクタ)にインシトゥで蒸着される。例えば、発光デバイス520’のIII−V族のヘテロ構造およびキャッピングシリコン層は、低圧MOCVD(例、Thomas Swan社のclose−coupled showerhead reactor)を使用して成長させることが可能である。原料物質には、トリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、III族素子用のトリメチルインジウム(TMIn)、V族素子用のPH3およびAsH3、およびシリコン用のSiH4が挙げられる。ジメチル亜鉛(DMZn)およびB2H6はp型ドーパントソースとして用いることができ、Si2H6はn型ドーパントソースとして用いることが可能である。キャリアガスとしては、窒素が挙げられる。蒸着は、ウエハの温度を650℃、圧力を約100Torrにして行うことが可能である。V族/III族の比率は、発光デバイス層の蒸着に対して約83に設定することができる。
【0065】
発光デバイス520’は、発光デバイスのための導体層構造の一例に過ぎないことを理解されたい。いくつかの実施形態では、発光デバイスはヘテロ構造を含むことが可能であるが、他の実施形態では、発光デバイスはホモ構造を含むことが可能である。他のIII−V族の材料を使用して、異なる波長の光を放射する発光デバイス構造を形成することが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。発光デバイス520’では、AlInGaP層は、GaAs層に格子整合された(AlxGa1−x)0.5In0.5P層(例、x=0.3)とすることが可能であり、可視光スペクトラムの赤色乃至緑色領域における高輝度可視光発光デバイスとして機能することが可能である。
【0066】
図12は、一実施形態による、多層ウエハ100のような多層ウエハ上にモノリシックに集積化された発光デバイスの上面1200を示す図である。例えば、モノリシックに集積化したデバイス構造1000の発光デバイス520は、上面1200を有するように作製することができる。発光デバイスは、絶縁領域230(例、絶縁トレンチ)を含むことができ、これは、酸化物(例、酸化シリコン)、窒化シリコン、またはその組み合わせのような、あらゆる好適な電気的絶縁材料で形成することが可能である。発光デバイスは、その中で発光デバイスのヘテロ構造(またはホモ構造)を、多層出発ウエハ(例、多層ウエハ100)の単結晶半導体層(例、層220および222)上にエピタキシャルに成長させることが可能な、成長ウェル1210を含むことができる。発光デバイスは、発光デバイス内で生成された光を少なくとも部分的にそこから放射することが可能な、放射領域1220を有することができる。発光デバイスは、あらゆる好適な様態で接触させることが可能である。上面1200に示されるように、第1の金属接点1230は、接触バイア1240を介して、発光デバイスの半導体構造の上部と接触させることが可能であり、第2の金属接点420は、接触バイア1250を通じて、発光デバイスの半導体構造の底部と接触させることが可能である。
【0067】
発光デバイスの放射領域は、あらゆる好適な寸法および形状を有することが可能である。図12に示される上面図では、発光デバイスの放射領域は矩形または正方形であるが、他の形状を使用することも可能であり、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。発光デバイスの半導体領域の寸法は、成長ウェルの寸法によって画定され得る。上述のように、成長ウェルは、多層ウエハ100から開始して、発光デバイス(または、他の非シリコンデバイスまたは材料)を、エピタキシャル成長を経て、露光した単結晶半導体層120上に形成することが可能な領域内の、単結晶半導体層140および絶縁層130を除去する(例、エッチングする)ことによって形成することが可能である。したがって、発光デバイス放射領域の寸法は、成長ウェルの形成に使用したリソグラフィプロセスによって画定することが可能である。一実施形態では、発光デバイスの放射領域は、約100×100μm2未満である。放射領域は、成長ウェルの画定に用いたリソグラフィプロセスの分解能によって制限(例、CMOS機能長さのリソグラフィ制限)されうるので、いくつかの実施形態では、発光デバイスの放射領域は、約1×1μm2未満に画定され得る。
【0068】
複数の成長ウェルおよび、したがって別個の発光デバイスを画定することが可能であり、1つ以上の発光デバイスは、絶縁層230によって形成されるような、絶縁トレンチによって絶縁することが可能である。絶縁トレンチは、あらゆる好適な寸法を有することが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、絶縁トレンチおよび接点層を含む発光デバイスユニットそれぞれのピッチは、約100μm未満である。
【0069】
いくつかの実施形態では、発光デバイスの半導体構造の選択的なエピタキシャル蒸着が用いられない場合、成長ウェルの側壁(例、誘電体側壁のような、絶縁側壁)近くの材料の成長は多結晶となり得る。このような実施形態では、成長ウェル内のエピタキシャル成長の後に、エッチングプロセスを用いて、所望の放射領域(例、領域1220)以外の領域内で成長した単結晶半導体を除去することが可能である。
【0070】
発光デバイスのアレイが形成された場合、アレイ内の発光デバイスは、同じ底部接点(例、接点420)を共有することができるものと理解されたい。また、図12に示されるように、上部接点(例、p接点)および/または上部接点バイアは、電流拡散を促進し、一方で、発光デバイスのソースからの光の放射を促進するように、環状の構成とすることが可能である。いくつかの実施形態では、アレイ内の発光デバイスのピッチが小さい(例、放射領域が約20×20μm2未満である)場合、指形の上部接点および/または接合パッドへのファンアウト(fan−out)を、発光デバイスのアレイに組み込むことが可能である。
【0071】
図13は、一実施形態による、多層ウエハ100のような多層ウエハ上にモノリシックに集積化された、発光でビアス構造を製造する方法の一例を示す図である。潜在的に異なるヘテロ構造および/または接触スキームを有するこのようなプロセスを用いて、多層ウエハ上に、他の非シリコン材料のヘテロ構造および/またはデバイスを形成することが可能である。
【0072】
本プロセスは、多層ウエハ100のような多層ウエハを提供するステップを含む。フロントエンドのシリコンデバイスの処理は、多層出発ウエハ100の単結晶シリコン層140上の多層ウエハの第1の領域(領域141)内で行うことが可能である。多層ウエハは、フォトレジストをスピンコーティングし、90℃で30分間、予備焼成することが可能である。次いで、リソグラフィマスクを使用して、発光デバイスを形成する多層ウエハの領域が露光するように、フォトレジストを現像およびパターン化することが可能である。
【0073】
次に、多層ウエハの単結晶シリコン層140および絶縁層130をエッチングして、発光デバイスのアレイの作製に指定された領域内の下層の単結晶半導体層120を露光させることが可能である。エッチマスクとしてのポジ型フォトレジストとともに、電子サイクロトロン共鳴−反応性イオンエッチング(Electron Cyclotron Resonance Reactive Ion Etching:ECR−RIE)を使用して、単結晶シリコン層140を乾式エッチングすることが可能である。プロセスの条件には、SF6:O2(30:5とされる)のエッチング反応、30mTorrの合計圧力、400Wのソース電力、および30Wのバイアス電力が挙げられる。同じエッチマスクを使用して、緩衝酸化物エッチング(BOE)溶液を用いて、絶縁層130をエッチングすることが可能である。
【0074】
次いで、露光した単結晶半導体層120は、エッチマスクとしてのポジ型フォトレジストとともに、上述したものと同様にECR−RIEの手法を使用して絶縁することが可能である。時限エッチングを使用して、絶縁トレンチ1320を画定(例えば、約1μmの深さ)することが可能である。発光デバイスの下に挿入した逆バイアスのp−n接合とともに、トレンチは、一次元内の発光デバイス間の電気的な絶縁を提供するので、発光デバイスの二次元パッシブマトリクスの動作が可能となる。次いで、共形のPECVD酸化物(例、厚さ1.2μm)の層をウエハ上に蒸着することが可能である。酸化物層は、テンプレートをエピタキシに提供することが可能であり、および/または絶縁トレンチ1320を酸化物層1330で満たすことが可能である。エッチマスクとしてポジ型フォトレジストを有するBOE溶液を使用して、エピタキシャル成長のための下層の単結晶半導体層120が露光するように、酸化物層内の成長ウェルをエッチングすることが可能である。
【0075】
次いで、成長させる(例、MOCVD)前に全てのフォトレジストの残留物が無くなるように、ウエハを洗浄することが可能である。1時間の酸素プラズマアッシュプロセスに加えて、市販のフォトレジストストリッパ(例、富士フィルム社のMicrostrip 2001(登録商標))を使用して、発光体デバイスの半導体構造の成長のためのウエハを調製することが可能である。図13Aは、MOCVD成長の直前のパターン化ウエハの概略断面図である。図13Aに示されるように、フロントエンドのシリコンデバイスが作製されたシリコン領域141は、保護層1310で保護することが可能であり、この層は、窒化物、オキシナイトライド、および/または酸化物のようなあらゆる好適な材料層で形成することが可能である。
【0076】
単結晶半導体層120は、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有するあらゆる半導体を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、単結晶半導体層120は、非シリコンへテロ構造の成長に使用することが可能な、ゲルマニウム層を含むことが可能である。このような実施形態では、ゲルマニウムの成長前洗浄を使用することが可能であり、10:1のDI:HFで15秒間洗浄し、その後H2O2で15秒間洗浄し、次いで、10:1のDI:HFで15秒間洗浄する。単結晶半導体層120が成長層として使用することを意図した他の材料を含む他の実施形態では、当業者に既知であるように、他の好適な成長前洗浄を用いることが可能である。前洗浄の後、パターン化ウエハは、リアクタ(例、MOCVDリアクタ)に装填して成長させることが可能である。
【0077】
選択的なエピタキシャル成長を促進するように成長条件が選択される実施形態では、単結晶層は、露光した単結晶半導体層120上で選択的に成長させることが可能であり、成長ウェルの側壁のような誘電体表面上ではいかなる有意な成長も行われない。非選択的な成長が行われた場合は、多結晶材料が任意の絶縁層(例、誘電層)上に蒸着され、一方で、絶縁(例、誘電体)側壁近くの成長ウェルでは、図13Bに示されるように、成長ウェルの中央領域でエピタキシャルに成長し得る。図13Bは、下層の単結晶層120上での特定のヘテロ構造の成長を示す図であるが、他の材料および/またはヘテロ構造も成長させることが可能であり、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。
【0078】
成長の後、成長ウェル内の単結晶エピタキシャル材料は、酸化物ハードマスク(例、厚さ3000ÅのPECVD酸化物)を使用して保護することが可能であり、あらゆる多結晶材料をエッチングすることが可能である。成長層がシリコンキャッピング層を含む実施形態では、シリコンキャッピング層は、SF6/O2プラズマを使用して乾式エッチングすることが可能である。図13Bに示されるヘテロ構造の場合、上部GaAsの電流拡散および底部GaAsのバッファ層は、H3PO4:H2O2:H2O(3:1:50)溶液を使用して湿式化学エッチングすることが可能である。HCl:H3PO4:H2O(1:1:1)溶液を使用して、AlGaInP/InGaP/AlGaInPスタックにエッチングすることが可能である。エッチングの完了後、酸化物ハードマスクは、BOE溶液を使用して剥離させることが可能である。
【0079】
図13Cに示されるように、次いで、共形の酸化物層1340(例、厚さ3000ÅのPECVD酸化物)を蒸着して、発光デバイスのメサ側壁を絶縁することが可能である。側壁絶縁部は、上部接点金属が、メサ側壁において発光デバイスのp−n接合を短絡させないようにすることができ、また、以降の処理ステップ中に、発光デバイスにおいてIII−V族の材料が露光しないようにする。上部および底部の接触バイアは、次いで、(例えば、BOE溶液を使用して)酸化物中でエッチングして、以降のオーミック接触形成のために、シリコンキャッピング層および単結晶半導体層120を露光させることが可能である。金属接点層(例、500ÅのTi/1μmのAl)をウエハ上にスパッタ蒸着して、(例えば、DI:BOE(1000:15)溶液およびPAN(ポリアクリロニトル)でのエッチング(77%のリン酸、20%の酢酸、3%の硝酸)を使用して)発光デバイスの上部1350および底部1360にパターン化することが可能である。
【0080】
プロセスは、次いで、非シリコンデバイス(例、発光デバイス)の成長および作製中に、シリコンのフロントエンドを保護するために使用される保護層1310を除去するステップを含むことが可能である。次いで、シリコンのバックエンド処理を行い、シリコンデバイスの領域141内への作製を完了することが可能である。バックエンド処理は、シリコンと非シリコンデバイスとの間に金属相互接続を形成するステップを含むことが可能である。種々の改良を上述のプロセスに適用することが可能であり、これに限定されないが、下述するように、非シリコン電子デバイス(例、HEMT、HBT、MESFET)および/または光電子デバイス(光検出器、レーザダイオード)のためのヘテロ構造のような、他の非シリコンデバイスのためのヘテロ構造を形成するステップが挙げられる。また、このような方法を使用して多数の非シリコンデバイスを形成することが可能であり、また、モノリシックに集積化されたシリコンおよび非シリコンデバイスの形成に望まれるように相互接続することが可能である。
【0081】
図14は、一実施形態による、発光デバイス1452およびシリコン光検出器1450をモノリシックに集積化した、シリコン電子部品1410を含む集積デバイス構造の上面図である。このような集積デバイス構造は、多層ウエハ100のような多層ウエハを使用して形成することが可能である。集積化された構造は、図10の領域810のような多層ウエハの第1の領域上に形成された、シリコン電子部品と、光電子デバイス(例、シリコン光検出器1450)とを有することが可能である。シリコン電子部品1410およびシリコン光検出器1450は、単結晶シリコン層(例、図10の層141)上に形成することが可能である。発光デバイス1452は、多層ウエハの領域内に形成することが可能であり、この領域では、出発多層ウエハのシリコン単結晶層が除去され、それによって、単結晶シリコン層の下に配置された単結晶半導体層120が露光し、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する。デバイス層、例えば、発光デバイス1452のヘテロ構造層は、上述のように、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、露光した単結晶半導体層(例、図10の層120)上にエピタキシャルに成長させることが可能である。
【0082】
発光デバイス1452は、好適なIII−V族の材料のような所望の波長または波長範囲の光を放射することができる材料を有するアクティブ領域を含む、LEDとすることが可能である。発光デバイス1452の半導体構造層は、図9の方法にて説明したように、エピタキシャルに成長させることが可能である。図14に示される上面図は、発光デバイス1452の上部接触半導体層1422を示す。上述のように、上部接触半導体層1422は、シリコンキャッピング層とすることが可能であり、エピタキシャル成長を経て蒸着することが可能である。発光デバイス1452の上面図は、絶縁領域1423も示し、この領域は、発光デバイスの半導体材料を囲むことが可能であり、シリコン電子部品および/またはオプトエレクトロニクスを形成することが可能なシリコン層から発光デバイスを絶縁することが可能である。発光デバイス1452は、リング状のジオメトリを有することが可能な上部金属接点1402をさらに含むことが可能である。上部金属接点1402は、標準的なシリコン相互接続金属を含むことが可能な相互接続1401に接続することが可能である。相互接続1401は、シリコン電子部品1410との接続を提供することが可能である。発光デバイス1452の底部は、相互接続1403によって接触させることが可能であり、この相互接続は、(図10の断面図に示されるように)絶縁層1423を通って延在する金属充填バイアと接触して配置し、発光デバイス1452の底部半導体層と接触させることが可能である。
【0083】
集積デバイス構造1400は、あらゆる好適な光検出器デバイス構成を有することが可能なシリコン光検出器1450を含むことが可能である。一実施形態では、シリコン光検出器は、外側p−n接合および/またはp−i−n接合である。このような構造は、p型およびn型ドーパントの注入を経て、選択された領域内に形成することが可能である。別の実施形態では、シリコン光検出器1450は、p型および/またはn型ドーパントの注入を経て、および/または選択的なエピタキシャル成長を経て形成される垂直シリコン光検出器である。シリコン光検出器1450のpおよびn領域(図示せず)は、相互接続1404および1405と接触させることが可能であり、シリコン光検出器1450とシリコン電子部品1410との間に相互接続を提供することが可能である。
【0084】
シリコン電子部品1410は、シリコンCMOS、シリコンバイポーラトランジスタ、シリコン−ゲルマニウムHBT、および/またはダイオード、抵抗、コンデンサ、および/またはインダクタのような、関連する回路素子を含むことが可能である。シリコン電子部品1410は、種々の機能を行うことが可能である。シリコン電子部品は、発光デバイス1452に駆動電力を提供することが可能である。シリコン電子部品1410は、表示信号を提供している外部回路のような他の回路(図示せず)によって提供される信号に応えて、発光デバイスによって提供される駆動電力を制御することも可能である。シリコン電子部品1410は、発光デバイス1452の制御を調整することが可能な信号を、光検出器1450から受信することができる。あるいは、または加えて、シリコン光検出器1450からの信号は、シリコン電子部品内のデジタル回路で処理し、発光デバイス1452の制御の調整以外のために使用することが可能である。
【0085】
シリコン光検出器1450を使用して、種々の機能を達成することが可能である。一実施形態では、シリコン光検出器1450を使用して発光デバイス1452が動作可能であるかどうかを監視することが可能であり、シリコン光検出器によって提供された信号を、その信号に対応することができるシリコン電子部品1410に提供する(例えば、発光デバイス1410が故障した場合、および/または発光デバイス1452に供給される駆動電力が変動した場合に、バックアップの発光デバイスをオンにする)。別の実施形態では、シリコン光検出器は、下述するように、光相互接続スキームに使用すること、および/または撮像目的に使用することが可能である。
【0086】
図15Aおよび15Bは、一実施形態による、モノリシックに集積化した光相互接続バスを示す図である。集積デバイスシステム1500は、図1に示される多層ウエハ100のような多層ウエハの別個の領域に位置する、モノリシックに集積化したシリコン電子部品1510および1512を含むことが可能である。シリコン電子部品1510は、図15Aに示されるように、光相互接続バスを経て、シリコン電子部品1512と通信することが可能であり、逆もまた同様である。光相互接続バス1580は、シリコン電子部品1510と電気通信する光トランシーバ1582と、シリコン電子部品1512と電気通信する光トランシーバ1584とを含むことが可能である。光相互接続バスは、光トランシーバ1582と1584との間の光通信を可能にする、1つ以上の導波路を含むことが可能である。光トランシーバ1582は、金属相互接続を経て、シリコン電子部品1510によって制御することが可能な、発光デバイス1552を含むことが可能である。光トランシーバ1582は、シリコン電子部品1510と電気的に相互接続することが可能な、シリコン光検出器1550をさらに含むことが可能である。光トランシーバ1584は、シリコン電子部品1512との相互接続を経て電気通信する、発光デバイス1554を含むことが可能である。光トランシーバ1584は、金属相互接続を経てシリコン電子部品1512と電気通信する、シリコン光検出器1556を含むことも可能である。
【0087】
1つ以上の導波路1583は、光トランシーバ1582と1584との間の光通信を提供することが可能である。1つ以上の導波路1583は、発光デバイス1554からシリコン光検出器1550への光通信チャネルを提供するように配列された、光導波路1570を含むことが可能である。光導波路1572は、発光デバイス1552からシリコン光検出器1556への光通信チャネルを提供することが可能である。
【0088】
光相互接続バス1580によって、シリコン電子部品1510と1512との間の光通信が可能となる。動作中に、シリコン電子部品1510が、シリコン電子部品1512に情報を通信すべきであると判断したときには、少なくとも部分的に導波路1572を通って移動することが可能であり、シリコン光検出器1556で検出することが可能な光を生成するように、変調された駆動電力(例えば、通信すべき所望の情報で符号化される)を発光デバイス1552に提供することが可能である。電気出力信号は、シリコン光検出器1556によってシリコン電子部品1552に提供することが可能であり、その後、この信号は、アナログからデジタルドメインに処理することが可能である。このように、符合化された(例、デジタル的に符合化された)情報を有する信号は、多層ウエハ100のような多層ウエハの異なる領域内のシリコン電子部品間で、電気的に通信することが可能である。同様に、シリコン電子部品1512は、信号を符号化するように、発光デバイス1554に提供された駆動電力を変調することが可能である。発光デバイス1554は、少なくとも部分的に導波路1570に沿って移動することが可能であり、シリコン光検出器1550で検出することが可能な光を放射することが可能である。シリコン検出器1550は、電気出力信号をシリコン電子部品1510に提供することができ、更なる処理のために、シリコン光検出器1550によって提供されたアナログ電気信号を、デジタル信号に変換することが可能である。
【0089】
このような光バスの相互接続は、シリコン電子部品とモノリシックに集積化したときに、チップ上で広く間隔の開いたシリコンデバイス間(例、シリコンデジタルCMOS電子部品間)の通信を容易にすることが可能である。図15Aに示される実施形態では、それぞれのシリコン電子部品領域(例、1510および1512)ごとに1つの発光デバイスおよび1つの光検出器が示されているが、複数の発光デバイスおよび/または複数のシリコン光検出器を、1つのシリコン電気部品(例、シリコン電子部品1510または1512)のモジュールに電気的に結合することが可能であると理解されたい。さらに、異なる発光デバイスは、アクティブ領域に対して異なるバンドギャップを有する異なる材料を使用すること、および/またはアクティブ領域内の異なるサイズの量子ウェルに起因し得るので(例えば、それによって、量子の閉じ込めが変化し、よって放射波長が変化する)、異なる放射波長を有することが可能である。あるいは、または加えて、当業者には理解されるように、光バス1580を経た通信のために情報を符号化するように、時分割および/または周波数分割多重化スキームを使用することが可能である。
【0090】
図15Aの実施形態に示される光バスは、図1に示される多層ウエハ100のような多層ウエハ上に作製することが可能である。図15Bは、このような実施形態の断面図であり、発光デバイス1552は、横方向に放射する発光デバイスとして作製することが可能であり、それによって、少なくとも一部の光が横方向に放射され、その後導波路1572によってシリコン光検出器1556に導くことが可能である。
【0091】
光導波路1572(および/または1570)は、導波路コア1575を含むことが可能である。光導波路は、導波路クラッド層1574および1576を含むことも可能である。導波路コア1575は、導波路クラッド層1574および1576よりも大きな屈折率を有することが可能であり、それによって、発光デバイス1552によって放射された光に対して光閉じ込めを提供する。導波路コア1575は、窒化シリコンおよび/またはシリコンオキシナイトライドを含むことが可能であり、導波路クラッド層1574および/または1576は、酸化シリコンを含むことが可能である。あるいは、導波路コア1575は、シリコン層を含むことが可能であり、クラッド層1574および/または1576は、導波路コアの屈折率よりも小さい屈折率を有するあらゆる材料(例、酸化シリコン、およびシリコンオキシナイトライド、および/または窒化シリコン)を含むことが可能である。いくつかの実施形態では、導波路コア1575は、多層ウエハ100の単結晶シリコン層140の一部または全体のように、単結晶シリコン層で形成される。クラッド層1574および/または1576は、当業者に既知であるように、(例えば、単結晶シリコン層140の熱酸化を経て)蒸着する、および/または成長させることが可能である。
【0092】
図16は、一実施形態による、シリコン電子部品をモノリシックに集積化した発光デバイスのアレイの上面図である。モノリシックに集積化したデバイスシステム1600は、発光デバイス1652、1654、・・・、1656のアレイを含むことが可能である。発光デバイス1652、1654、・・・、1656は、相互接続1601、1604、・・・、1606によってそれぞれシリコン電子部品1610に電気的に接続された上部接点を有することが可能である。発光デバイス1652、1654、・・・、1656の底部接点は、相互接続1603に電気的に結合することが可能であり、また、シリコン電子部品、供給電圧ソース、またはグラウンドに結合することが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。シリコン電子部品1610を使用して、発光デバイス1652、1654、・・・、1656に供給される駆動電流を制御することが可能であり、発光デバイス1652、1654、・・・、1656は、少なくとも一部の光を垂直に放射することが可能である。
【0093】
このような発光デバイス(例、LED)のアレイは、リソグラフィを使用して発光デバイス間の間隔を画定することができるので、高解像度のプリンタバーとして使用することが可能であり、したがって、発光デバイスのサイズ、および/または発光デバイス間の間隔は、用いるリソグラフィプロセスの解像限度まで小さくすることが可能である(例、20ミクロン未満、10ミクロン未満、1ミクロン未満、0.5ミクロン未満、0.25ミクロン未満、0.1ミクロン未満)。シリコン電子部品をモノリシックに集積化した発光デバイスのアレイは、図1の多層ウエハ100のような多層出発ウエハを使用して製造することが可能である。発光デバイスおよびシリコン電子部品は、図9および10に関連して記述されたプロセスを使用して集積化することが可能である。
【0094】
図17は、一実施形態による、発光デバイスのアレイと、光検出器のアレイと、シリコン電子部品とを含む、モノリシックに集積化したシステム1700の上面図である。集積化システム1700は、多層ウエハ100のような出発ウエハを使用して作製することが可能であり、図14に示された実施形態に類似した構造を有するが、発光デバイスは、シリコン光検出器およびシリコン電子部品と集積化される。モノリシックに集積化したシステム1700は、発光デバイス1752、1754、・・・、1756を含むことが可能である。発光デバイスの上部接点は、相互接続1701、1704、・・・、1706を経て、シリコン電子部品1710に電気的に接触させることが可能である。発光デバイスの底部接点は、相互接続1703に結合することが可能であり、次いで、供給電圧ソース、またはグラウンドに電気的に接続するか、または代替的にシリコン電子部品1710に結合することが可能である。モノリシックに集積化したシステム1700は、シリコン光検出器1750、1753、・・・、1755を含むことが可能である。シリコン光検出器は、相互接続1702、1705、・・・、1707によってシリコン電子部品1710に電気的に結合された1つの端子を有することが可能である。シリコン光検出器の別の端子は、相互接続1708に電気的に接続することが可能であり、供給電圧ソース、グラウンド、またはシリコン電子部品1710に電気的に結合することが可能である。
【0095】
モノリシックに集積化したシステム1700は、画像スキャナとして機能することが可能であり、発光デバイスのアレイ1752は、相互接続1701、1704、・・・、1706を経て、シリコン電子部品1710によって供給された駆動電力の制御を通じて光を放射することが可能である。発光デバイスのアレイによって放射される光は、走査および/または撮像された画像上に当てることが可能であり、反射光は、光検出器1750、1753、・・・、1755のアレイによって検出することが可能である。光検出器は、検出された光の結果として電気信号を放射することが可能であり、この信号は、相互接続1702、1705、・・・、1707を経て、シリコン電子部品1710に伝送することが可能であり、検出器は、当業者に既知であるように、この電気信号を処理して画像の走査を行うことが可能である。したがって、発光デバイスのアレイ内にモノリシックに集積化した発光デバイスは、シリコン光検出器(および/またはIII−V族の光検出器)のアレイによって光反射を検出することが可能な領域を照明するための、局部的な光源として使用することができる。集積化されたアレイを移動することによって、1つのモノリシックに集積化した構成要素だけを使用して、表面を走査(例、撮像)することが可能である。
【0096】
モノリシックに集積化したシステム700は、光検出器のフィードバック制御を含むことが可能な、プリンタバー(例、印刷エンジン)として機能することもできる。プリンタバーは、発光デバイスからの光反射を使用して、紙上に存在する電荷を放電することが可能であり、したがって、トナーを紙の特定の領域内に選択的に配置することができる。プリンタバーは、光検出器1750、1753、・・・、1755が、発光デバイス1752、1754、・・・、1756によってそれぞれ放射された光の少なくとも一部を検出できることを除いて、図16のシステム1600と同様な様態で動作することができる。光検出器は、シリコン電子部品1710に伝送することができる光の検出に応えて、電気信号を提供することができ、この信号は、その後、光の検出に応えて1つ以上の発光デバイスに提供された駆動電力を変更することができる。このようなフィードバック制御システムによって、発光デバイスを適切に機能させるように、また、所望の光量を放射するようにし、そうでない場合は、シリコン電子部品1710が、発光デバイスへの駆動電力を変更する、および/または故障した発光デバイスを交換するように、余剰のバックアップの発光デバイスを作動および制御することが可能である。したがって、発光デバイスとモノリシックに集積化されたシリコン光検出器(および/またはIII−V族の光検出器)によって、プリンタエンジン内のそれぞれの発光デバイスからの光の出力を制御することができる。非モノリシックなデザインでは光束の制御が難しく、よってそれぞれのプリンタのドットが異なる暗さレベルを有する場合があるので、このような制御は好都合となり得る。モノリシックに集積化したシリコンCMOS制御回路および光検出器を使用することで、それぞれの発光デバイスを、所望の光量子束を放出するように正確に制御することができる。
【0097】
図17は、発光デバイスおよび光検出器の1つの例示的な機構を示すが、他の構成も可能である。また、複数の金属化相互接続層を使用した場合、CMOSプロセスに対して可能であるように、金属相互接続層1702、1705、・・・、1707は、それぞれ発光デバイス1752、1754、・・・、1756を覆って配置することが可能である。このような構成によって、記録密度を高めることが可能となり、したがって、発光デバイスのアレイおよび/または光検出器のアレイの分解能を高めることができる。
【0098】
発光デバイスの一次元アレイを有する実施形態は、発光デバイスの領域(例、二次元アレイ)、および/または光検出器の領域(例、二次元アレイの光検出器)を含むように変更することが可能であると理解されたい。このようなシステムは、プリンタ領域および/またはスキャナ領域として機能することが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。
【0099】
図18は、一実施形態による、シリコン電子部品をモノリシックに集積化した二次元アレイの発光デバイスを含む、モノリシックに集積化したシステム1800の上面図である。モノリシック集積化システム1800は、多層ウエハ100のような多層出発ウエハを使用して作製することが可能であり、発光デバイスの半導体構造は、多層ウエハ100の単結晶半導体層120上にエピタキシャルに成長させることが可能である。モノリシックに集積化したシステム1800は、それぞれの横列が複数の発光デバイスを含む、複数の発光デバイスの横列を含むことが可能である。図18に示される実施形態では、第1の横列は、発光デバイス1852、1854、・・・、1856を含む。第2の横列は、発光デバイス1862、1864、・・・、1866を含む。発光デバイスの更なる横列は、連続的に配列することができ、発光デバイスの最後の横列は、発光デバイス1872、1874、・・・、1876を含む。
【0100】
モノリシックに集積化したシステム1800は、発光デバイスのアレイに電気的に結合することが可能な、シリコン電子部品1810および/または1811を含むことが可能である。シリコン電子部品1810および/または1811は、発光デバイスの二次元アレイのためのドライバ回路および/または多重化アドレス回路として機能することが可能である。一実施形態では、横列相互接続1803、1804、・・・、1805は、発光デバイスの底部接点に電気的に結合する横列相互接続として機能することが可能である。相互接続1806、1807、・・・、1808は、発光デバイスの上部接点に電気的に結合された縦列相互接続として機能することが可能である。横列および縦列相互接続は、横列および縦列相互接続が接触しないように、絶縁層によって分離することが可能であると理解されたい。このような相互接続構造は、二次元アレイ内の発光デバイスの横列および縦列のアドレス指定を提供することが可能である。
【0101】
シリコン制御および/または多重化回路(例、シリコン電子部品1810および/または1811)とモノリシックに集積化した発光デバイスの二次元アレイは、プリンタ領域および/または超小型ディスプレイとして機能することが可能である。それぞれの発光デバイスの二次元アレイのそれぞれの発光デバイスは、超小型ディスプレイおよび/またはプリンタ領域内のピクセルとして機能することが可能である。あるいは、複数の発光デバイスを1つのピクセルと関連付けることが可能である。いくつかの実施形態では、1つのピクセルに関連付けられた複数の発光デバイスは、異なる波長の光(例、赤色、緑色、青色)を放射することが可能である。超小型ディスプレイを人間の目に見えるサイズに拡大するように、光学部品を超小型ディスプレイと関連付けて、発光デバイスを覆って配置することが可能である。シリコンリソグラフィプロセスによって非常に小さな発光デバイスを作製することができるので、この方法で、超低コストのディスプレイを作成することができる。小型化はコストに関連し得るので、単位面積当たりのプロセスおよび材料コストを比較的に固定することが可能であることから、ディスプレイを縮小することで、大幅にコストを低減することが可能である。投影式ディスプレイのような超高輝度の用途の場合、発光デバイスは、面発光レーザ(例、垂直共振器型面発光レーザ)を含むことが可能である。
【0102】
更なる実施形態では、1つの領域に対応する(例えば、二次元アレイを形成する)光検出器のアレイは、1つの領域に対応する(例えば、二次元アレイを形成する)発光デバイスによって内部分散させることが可能である。したがって、このようなモノリシックに集積化したシステムを使用することで、領域の印刷および走査を行うことができる。領域全体は、可動部品を用いずに走査することができ、印刷の露光を領域またはページ全体に行うことができる(例えば、発光デバイスのアレイが十分な大きさで構築されているか、または光学部品を使用して拡大できる場合)。
【0103】
他の実施形態では、高解像度の発光デバイスのアレイを含むモノリシックに集積化したシステムは、プログラム可能なリソグラフィシステムのための露光ソースとして使用することができる。このようなシステムでは、処理されるウエハは、フォトレジストでコーティングすることが可能であり、また、高解像度の発光デバイスのアレイを含むモノリシックに集積化したシステムを使用して露光することが可能である。発光デバイスは、少なくとも部分的にプログラム可能なコマンドに基づいて発光デバイスを作動させることができる、集積化されたシリコン電子部品によって駆動することが可能である。プログラム可能なコマンドは、露光すべき領域を画定するマスクファイルに基づいて形成することが可能であり、それによって、作動すべき発光デバイスを指定する。したがって、このようなモノリシックシステムは、発光デバイスのアレイ(例、二次元アレイ)のピッチによってのみ制限される、大型電子部品用のプログラム可能な「リソグラフィ」システムとして機能することが可能である。例えば、0.25ミクロンの発光デバイスで形成された発光デバイスのアレイを使用して、約0.5ミクロン以上のゲート長を有するシリコン回路のフォトリソグラフィの露光を行うことが可能である。
【0104】
他の実施形態では、シリコン電子部品を発光デバイスの二次元アレイとモノリシックに集積化する能力によって、複数の発光デバイスを含む超小型ディスプレイとモノリシックに集積化したシリコンマイクロプロセッサを作製することができる。それぞれの発光デバイスは、基本的に用いたリソグラフィプロセスの最小サイズによって制限されたサイズを有し得るので、超小型ディスプレイは高解像度を有することが可能である。このようなシステムは、集積化された超小型ディスプレイを有するコンピュータオンチップとして機能することが可能である。
【0105】
図19は、モノリシックに集積化したシステム1800の断面図である。断面1900は、モノリシックに集積化したシステム1800の2つの発光デバイス1872および1874の断面を示す。矢印は、発光デバイスからの光の放射を示す。さらに、この断面は、絶縁層1885によって電気的に分離された、横列相互接続1805および縦列相互接続(1806および1807)を示す。絶縁層1885は、これに限定されないが、酸化シリコン、窒化シリコン、および/またはシリコンオキシナイトライドを含む、あらゆる好適な絶縁材料で構成することが可能である。さらに、この断面は、金属層1805とシリコン層141との間に配置された絶縁層1850を示す。本明細書に示される他の実施形態のように、相互接続は、1つ以上の金属層を含むことが可能であるが、本明細書に示された技術はこれに限定されるものではない。
【0106】
図20は、一実施形態による、発光デバイスのアレイと、光検出器のアレイと、シリコン半導体とを含む、モノリシックに集積化したシステム2000の上面図である。モノリシックに集積化したシステム2000は、多層ウエハ100のような多層出発ウエハを使用して作製することが可能であり、シリコン電子部品および光検出器は、多層ウエハ100の単結晶シリコン層140の上に作製することが可能である。発光デバイスのアレイは、上述のように、単結晶半導体層120の上のヘテロ構造のエピタキシャルな成長を経て作製することが可能である。
【0107】
モノリシックに集積化したシステム2000は、ピクセルのアレイ(例、二次元アレイ)を含むことが可能であり、それぞれのピクセルは、1つ以上の発光デバイスおよび1つ以上の光検出器を含むことが可能である。明確にするため、図20には、1つのピクセルに対する発光デバイスおよび相互接続だけを示すが、複数のピクセルを配列してピクセルのアレイを形成することが可能であると理解されたい。図20の例示的実施形態では、ピクセル2090は、発光デバイス2052〜2059を含むことが可能であるが、複数の発光デバイスを1つのピクセル内に含めることが可能であると理解されたい。いくつかの実施形態では、それぞれのピクセルは、赤色、緑色、および青色の放射波長のような異なる放射波長を有する発光デバイスを含むことが可能である。ピクセル2090は、光検出器2063のような1つ以上の光検出器を含むことも可能である。発光デバイスのための横列および縦列のアドレスの相互接続、および光検出器のための横列および縦列のアドレスの相互接続を提供することが可能であり、これらによって、発光デバイスのうちのいずれか1つ、および/または光検出器のうちのいずれか1つのシリコン電子部品2010および/または2011への選択可能な電気的結合が可能となる。
【0108】
システム2000の動作中に、それぞれのピクセル内の光検出器は、そのピクセル内で作動する1つ以上の周囲の発光デバイスによって放射された光の少なくとも一部を検出することが可能である。光検出器は、横列および縦列のアドレススキームによって、シリコン電子部品2010および/または2011を経て受信することが可能な、出力信号を提供することが可能である。光検出器の信号は、シリコン電子部品2010および/または2011によって使用され、発光デバイスが適切に機能しているかどうかを判断する、および/または1つ以上の発光デバイスに供給される駆動電力を調整する、またはそれぞれのピクセル内の余剰のバックアップの発光デバイスを動作させることができる。したがって、ピクセル内の発光デバイスが故障した場合に、故障した発光デバイスを交換するために、そのピクセル内の余剰の発光デバイスを動作させることが可能である。このようなシステムは、余剰を提供することが可能であるため、モノリシックに集積化したシステム2000の寿命が長くなる。上述のように、このような集積化システムは、プリンタアレイおよび/または超小型ディスプレイとして使用することが可能である。超小型ディスプレイは、シリコンマイクロプロセッサ電子部品とモノリシックに集積化することが可能であるため、コンピュータオンチップが可能となる。
【0109】
図21は、一実施形態による、少なくとも1つのシリコン光検出器と、少なくとも1つの非シリコン光検出器とを含む、モノリシックに集積化したシステム2100の断面図である。モノリシックに集積化したシステム2100は、多層ウエハ100のような多層出発ウエハを使用して作製することが可能である。少なくとも1つのシリコン光検出器2150は、シリコンベースの光検出器2150が、単結晶シリコン層141内に形成されるアクティブ領域を含むように、単結晶シリコン層141の上に形成することが可能である。
【0110】
モノリシック集積化システム2100は、単結晶半導体層222の少なくとも一部を含む少なくとも1つの非シリコン光検出器を含むことが可能である。光検出器2115は、緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する単結晶半導体層120の上に、III−V族の層、ゲルマニウム層、および/またはシリコン−ゲルマニウム層、またはそれらの組み合わせをエピタキシャルに成長させることによって形成することが可能である。いくつかの実施形態では、非シリコン光検出器2115は、III−V族の材料層を含む、アクティブ領域を含む。一実施形態では、非シリコン光検出器は、ゲルマニウム層および/またはシリコン−ゲルマニウム層を含む、アクティブ領域を含む。非シリコン光検出器は、p−n垂直ドーパントプロファイルまたはp−i−n垂直ドーパントプロファイルのような適切なドーパントを含むことが可能であり、層220および222のエピタキシャル成長中に、インシトゥのドーピングを経て形成することが可能である。一実施形態では、非シリコン光検出器は、横方向に画定された領域を有するp型ドーパントおよび/またはn型ドーパントの注入を経て形成された、横方向の光検出器である。垂直非シリコン光検出器を含む実施形態では、金属充填バイア2120は、光検出器2115を形成する半導体構造の底部領域との接点を提供することが可能である。あるいは、非シリコン光検出器が横方向の光検出器である場合、表面接点を使用して、光検出器のn側およびp側両方の領域と接触することが可能である。
【0111】
モノリシックに集積化したシステム2100は、相互接続2152を経てシリコン光検出器2150から、および/または相互接続2112を経て非シリコン光検出器2115から出力信号を受信することが可能な、シリコン電子部品2110をさらに含むことが可能である。シリコン電子部品2110は、受信した信号を処理して、意図する用途に望まれるように信号を出力することが可能である。上述のように、シリコン電子部品は、シリコンおよび/または非シリコン光検出器から受信した信号のアドレス、および/またはデジタル的な処理に使用することが可能な、電子部品(例、CMOS、バイポーラ)を含むことが可能である。
【0112】
いくつかの実施形態では、シリコンおよび非シリコン光検出器のアレイは、多層ウエハ100のような多層ウエハの上にモノリシックに集積化することが可能である。このようなシリコンおよび非シリコン光検出器のアレイは、電磁スペクトラムの異なる波長領域における光の検出を提供することが可能である。一実施形態では、シリコン光検出器は、非シリコン光検出器のアクティブ領域内の材料のバンドギャップとは異なるバンドギャップを有することが可能であり、したがって、シリコンおよび非シリコン光検出器は異なる波長領域に対して高感度となる。いくつかの実施形態では、多層ウエハの上に作製されるこのようなモノリシックに集積化したシステムは、モノリシックに集積化したチップを使用した複数の波長レジームにおける撮像を提供する撮像用途(例、カメラチップ)に使用することが可能である。
【0113】
図22は、一実施形態による、シリコン電子部品および非シリコン電子部品を含む、モノリシックに集積化したシステム2200の断面図である。モノリシックに集積化したシステム2200は、多層ウエハ100のような多層出発ウエハを使用して作製することが可能である。シリコン電子部品2210は、単結晶シリコン層141上に作製することが可能である。非シリコン電子部品2290は、単結晶半導体層222上に作製することが可能である。シリコン電子部品2210としては、NMOS、PMOSのような、およびシリコンCMOSのようなそれらの組み合わせなどの、シリコンMOSFETが挙げられる。シリコン電子部品2110には、シリコンバイポーラ、シリコンダイオード、抵抗、コンデンサ、および/またはインダクタが挙げられる。
【0114】
非シリコン電子部品2290には、III−V族のHBT、HEMT、および/またはMESFETが挙げられる。非シリコン電子部品2290としては、ゲルマニウムおよび/またはシリコン−ゲルマニウムFETのような、ゲルマニウムおよび/または、シリコン−ゲルマニウムベースの電子デバイスが挙げられる。あるいは、または加えて、非シリコン電子部品には、シリコン−ゲルマニウムHBTが挙げられる。シリコン電子部品2210および非シリコン電子部品2290は、相互接続2215を経て相互接続することが可能である。いくつかの実施形態では、相互接続2215は、シリコンの接続に使用される金属相互接続とすることが可能である。このような相互接続は、シリコン電子部品および非シリコン電子部品の両方に対応することが可能である。いくつかの実施形態では、単結晶半導体層222は、シリコンキャッピング層で覆って、シリコン作製施設へのウエハの再導入、および/またはシリコンシリサイド化金属を使用した非シリコンデバイスとの接触を容易にすることが可能である。
【0115】
図9のプロセスにおいて上述したように、非シリコン電子部品材料222(および220)は、シリコン電子部品2210のシリコンフロントエンド処理を行った後に、エピタキシャルに成長させることが可能である。層222の表面でのシリコンキャッピング層の成長を経て、層222(および220)のエピタキシャル成長の後に、ウエハをシリコン作製施設に再導入して、シリコンデバイスおよび/または非シリコンデバイスのバックエンド処理を容易にすることが可能である。このようなバックエンド処理中に、シリコンおよび非シリコン電子部品間に相互接続2215を形成することが可能である。
【0116】
モノリシックに集積化したデバイスシステム2200を使用して、シリコンアナログおよび/またはシリコンデジタル回路を備えた、モノリシックに集積化したIII−V族のアナログ装置を作製することができる。このようなデバイスの集積化によって、モノリシックに集積化した通信回路を作製することが可能となり、III−V族の(例、GaAs、GaN)パワーアンプおよび/またはIII−V族のアナログ回路は、デジタル処理機能を提供することができ、また、III−V族のデバイスの性能を向上させるために使用することができるシリコン回路とモノリシックに集積化することが可能である。いくつかの実施形態では、モノリシックに集積化したシリコン回路は、III−V族のデバイス間の性能の変化を補償することによって、III−V族のデバイスの性能を向上させることが可能である。III−V族のデバイスのシリコンの補償は、(例えば、デバイス間のプロセスの変化に起因し得る)III−V族のデバイス間の電気的性質の変化を補償するように、シリコンロジック回路を使用するステップを伴うことが可能である。
【0117】
したがって、モノリシックに集積化した通信チップは、本明細書に示される技術を使用して作製することができる。代表的なRF(または光学系)では、III−V族のデバイスは、通信システムのフロントエンドとして機能することが可能であり、電磁波と相互に作用し、また、アナログ信号をデジタル信号に変換する。III−V族の回路およびデバイスが使用されるときには、一般的に、別個のチップが、III−V族のチップおよびシリコンチップを含むチップセットに組み込まれる。現在、III−V族のチップは、一般的に、別個の製造インフラストラクチャを使用して作製される。本明細書に記述された技術を使用することで、III−V族のHEMT、HBT、バイポーラ、および/またはMESFETをシリコンCMOS技術とモノリシックに集積化することができ、それによって、シングルチップの通信ソリューションが可能となる。シングルチップのソリューションを構築することによって、使用電力を低減して、帯域幅を増加させることができ、したがって、性能が向上し、同時にコストが削減される。いくつかの実施形態では、III−V族のデバイスは、現在III−V族の作製施設内で作製されているのと同じ方法で製造することができる。他の実施形態では、シリコン作製施設に組み込めば、シリコンプロセスを使用して特殊なIII−V族の処理を置き換えることができる。
【0118】
シングルチップのソリューションによって、セルフォンオンチップおよび/またはコンピュータオンチップが可能となる。本明細書に示された技術によって、パワーアンプ、III−V族のトランシーバ回路、超小型ディスプレイ、および/またはシリコンロジックを、単一のチップの上にモノリシックに集積化することができるので、完全に集積化されたセルフォンオンチップおよび/またはコンピュータオンチップを作製することが可能である。いくつかの実施形態に関しては、本明細書に示された技術を使用して作製されたセルフォンオンチップおよび/またはコンピュータオンチップは、低価格帯の用途に対する作製コストを、約1〜10ドルにすることが可能である。
【0119】
本発明は、配置の詳細に対する適用、および以下の説明で述べられるか、または図面に示される構成要素の構造に限定されるものではない。本発明は、他の実施態様に対応することができ、様々な方法で実施または実行することができる。また、本明細書において用いられる語法および用語は、説明のためのものであり、限定するものとみなすべきではない。本明細書における「含む」、「備える」、または「有する」、「含有する」、「伴う」およびそれらの変形の使用は、以降にリストされる項目およびその均等物、ならびに更なる項目を包括的に含むことを意味する。本明細書で使用する場合、「配置する」という用語は、層、構造、またはデバイスを作成するあらゆる方法を含むものとする。このような方法は、これに限定されないが、蒸着(例、エピタキシャル成長、化学蒸着、物理的蒸着)およびウエハ接合を含むことができる。
【0120】
したがって、本発明の少なくとも1つの実施形態の複数の側面を説明したが、当業者には、種々の変更、修正、および改良が容易に生じるものと理解されたい。このような変更、修正、および改良は、本開示の一部であるとされ、また本発明の精神と範囲内にあるものとされる。したがって、上述の説明および図面は単に例示を目的としたものである。
【図面の簡単な説明】
【0121】
【図1】図1は、一実施形態による、単結晶シリコンと、単結晶非シリコン半導体層とを含む多層ウエハの断面概略図である。
【図2A】図2A〜2Cは、種々の実施形態による、多層ウエハの断面概略図である。
【図2B】図2A〜2Cは、種々の実施形態による、多層ウエハの断面概略図である。
【図2C】図2A〜2Cは、種々の実施形態による、多層ウエハの断面概略図である。
【図3A】図3A〜3Dは、一実施形態による、多層ウエハを作製するためのプロセスを示す断面概略図である。
【図3B】図3A〜3Dは、一実施形態による、多層ウエハを作製するためのプロセスを示す断面概略図である。
【図3C】図3A〜3Dは、一実施形態による、多層ウエハを作製するためのプロセスを示す断面概略図である。
【図3D】図3A〜3Dは、一実施形態による、多層ウエハを作製するためのプロセスを示す断面概略図である。
【図4A】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4B】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4C】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4D】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4E】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4F】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4G】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図4H】図4A〜4Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5A】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5B】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5C】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5D】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5E】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5F】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5G】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図5H】図5A〜5Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6A】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6B】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6C】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6D】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6E】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6F】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6G】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図6H】図6A〜6Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7A】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7B】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7C】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7D】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7E】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7F】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7G】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図7H】図7A〜7Hは、一実施形態による、多層ウエハを作製するための別のプロセスを示す断面概略図である。
【図8】図8は、一実施形態による、多層出発ウエハを使用して形成することが可能である、モノリシックに集積化した半導体構造の断面概略図である。
【図9】図9は、一実施形態による、多層出発ウエハを使用した、モノリシックに集積化した半導体構造を形成するための方法のフローチャートである。
【図10】図10は、一実施形態による、シリコン電子部品がIII−V族発光デバイスとモノリシックに集積化された、集積デバイス構造の断面概略図である。
【図11】図11は、一実施形態による、発光デバイス構造の断面概略図である。
【図12】図12は、一実施形態による、発光デバイス構造の上面概略図である。
【図13A】図13A〜13Cは、一実施形態による、多層ウエハ上にモノリシックに集積化された発光デバイス構造を作製する方法を示す断面概略図である。
【図13B】図13A〜13Cは、一実施形態による、多層ウエハ上にモノリシックに集積化された発光デバイス構造を作製する方法を示す断面概略図である。
【図13C】図13A〜13Cは、一実施形態による、多層ウエハ上にモノリシックに集積化された発光デバイス構造を作製する方法を示す断面概略図である。
【図14】図14は、一実施形態による、発光デバイスおよびシリコン光検出器とモノリシックに集積化されたシリコン電子部品を含む、集積デバイス構造の上面概略図である。
【図15A】図15A〜15Bは、一実施形態による、モノリシックに集積化した光相互接続バスの概略図である。
【図15B】図15A〜15Bは、一実施形態による、モノリシックに集積化した光相互接続バスの概略図である。
【図16】図16は、一実施形態による、シリコン電子部品とモノリシックに集積化された発光デバイスのアレイの上面概略図である。
【図17】図17は、一実施形態による、光検出器およびシリコン電子部品のアレイとモノリシックに集積化された発光デバイスのアレイの上面概略図である。
【図18】図18は、一実施形態による、シリコン電子部品とモノリシックに集積化された発光デバイスの二次元アレイの上面概略図である。
【図19】図19は、一実施形態による、図18の集積デバイスシステムの断面概略図である。
【図20】図20は、一実施形態による、シリコン電子部品とモノリシックに集積化された発光デバイスおよび光検出器の二次元アレイの上面概略図である。
【図21】図21は、一実施形態による、少なくとも1つのシリコン光検出器と、少なくとも1つの非シリコン光検出器とを含む、モノリシックに集積化したシステムの断面図である。
【図22】図22は、一実施形態による、シリコン電子部品と、非シリコン電子部品とを含む、モノリシックに集積化したシステムの断面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と
を含む、半導体構造。
【請求項2】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項3】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶半導体層の前記少なくとも一部と接触して配置される、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項4】
前記第2の単結晶半導体層の上面は、前記単結晶シリコン層の上面と実質的に同一平面上にある、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項5】
前記第2の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層で構成される、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項6】
前記III−V族の半導体層を覆って配置されたシリコン層をさらに含む、請求項5に記載の半導体構造。
【請求項7】
前記シリコン層は、前記III−V族の半導体層と接触して配置される、請求項6に記載の半導体構造。
【請求項8】
前記単結晶シリコン層は、緩和シリコン層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項9】
前記単結晶シリコン層は、歪みシリコン層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項10】
前記絶縁層は、酸化物層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項11】
前記酸化物層は、シリコン酸化物を含む、請求項10に記載の半導体構造。
【請求項12】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記第1の単結晶半導体層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項1の半導体構造。
【請求項13】
前記第1の単結晶半導体層は、互いに異なる格子定数を有し、また、前記緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、互いに覆って配置された少なくとも2つの単結晶半導体層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項14】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、InP層とを含む、請求項13に記載の半導体構造。
【請求項15】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、GaN層とを含む、請求項13に記載の半導体構造。
【請求項16】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、InP層とを含む、請求項13に記載の半導体構造。
【請求項17】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、GaN層とを含む、請求項13に記載の半導体構造。
【請求項18】
前記第1の単結晶半導体層は、ゲルマニウム層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項19】
前記第1の単結晶半導体層は、前記ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項18に記載の半導体構造。
【請求項20】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項18に記載の半導体構造。
【請求項21】
前記ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項20に記載の半導体構造。
【請求項22】
前記第1の単結晶半導体層は、シリコン−ゲルマニウム層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項23】
前記第1の単結晶半導体層は、前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項22に記載の半導体構造。
【請求項24】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項22に記載の半導体構造。
【請求項25】
前記シリコン−ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項24に記載の半導体構造。
【請求項26】
前記第1の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項27】
前記III−V族の半導体層は、GaN層を含む、請求項26に記載の半導体構造。
【請求項28】
前記III−V族の半導体層は、GaAs層を含む、請求項26に記載の半導体構造。
【請求項29】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたゲルマニウム層をさらに含む、請求項26に記載の半導体構造。
【請求項30】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム層をさらに含む、請求項26に記載の半導体構造。
【請求項31】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項26に記載の半導体構造。
【請求項32】
前記シリコン基板は、少なくとも150ミリメートルの直径を有する、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項33】
前記シリコン基板は、少なくとも200ミリメートルの直径を有する、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項34】
半導体構造を形成する方法であって、該方法は、
シリコン基板を提供することと、
該シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置することであって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ことと、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置することと、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置することと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って第2の単結晶半導体層を配置することであって、該第2の単結晶半導体層が該第1の領域には存在せず、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ことと
を含む、方法。
【請求項35】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項34に記載の半導体構造。
【請求項36】
前記単結晶シリコン層を、前記絶縁層を覆って配置することは、
ドナー基板と、該ドナー基板の実質的に全てを覆って配置されたオーバーレイ単結晶シリコン層とを含むドナーウエハを提供することであって、該オーバーレイ単結晶シリコン層が前記第1の領域内の該単結晶シリコン層を含む、ことと、
前記第1の単結晶半導体層をその上に配置された前記シリコン基板を含むハンドルウエハを提供することと、
該ドナーウエハおよび該ハンドルウエハをウエハ接合することであって、ウエハ接合の後に、接合された一対のウエハは、該単結晶シリコン層および該第1の単結晶半導体層が、該シリコン基板と該ドナー基板との間に配置されるように形成される、ことと
を含む、請求項34に記載の方法。
【請求項37】
前記第1の単結晶半導体層を覆って前記絶縁層を配置することは、前記ウエハ接合することの前に、前記ハンドルウエハの該第1の単結晶半導体層の実質的に全てを覆って、オーバーレイ絶縁層を配置することを含む、請求項36に記載の方法。
【請求項38】
前記第1の単結晶半導体層を覆って前記絶縁層を配置することは、前記ウエハ接合することの前に、前記ドナーウエハの前記オーバーレイ単結晶シリコン層の実質的に全てを覆って、オーバーレイ絶縁層を配置することを含む、請求項36に記載の方法。
【請求項39】
ウエハ接合することの後に、前記オーバーレイ単結晶シリコン層を露光させるように、ドナー基板を除去することをさらに含む、請求項37または38に記載の方法。
【請求項40】
前記第2の領域内の前記オーバーレイ単結晶シリコン層の一部、および該第2の領域内の前記オーバーレイ絶縁層の一部を除去することによって、該第2の領域内の前記第1の単結晶半導体層を露光させて、該第2の領域を画定することをさらに含む、請求項39に記載の方法。
【請求項41】
前記第2の領域内の前記第1の単結晶半導体層の前記少なくとも一部を覆って前記第2の単結晶半導体層を配置することは、該第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の該少なくとも一部を覆って、該第2の単結晶半導体層をエピタキシャルに配置することを含む、請求項40に記載の方法。
【請求項42】
前記第2の単結晶半導体層の上面は、前記単結晶シリコン層の上面と実質的に同一平面上にある、請求項41に記載の方法。
【請求項43】
前記第2の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層で構成される、請求項41に記載の方法。
【請求項44】
前記III−V族の半導体層上にシリコン層を蒸着することをさらに含む、請求項43に記載の方法。
【請求項45】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
前記第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と
を含む、半導体構造。
【請求項46】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の層をさらに含む、請求項45に記載の構造。
【請求項47】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、非絶縁層である、請求項46に記載の構造。
【請求項48】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、絶縁層である、請求項46に記載の構造。
【請求項49】
前記第2の単結晶半導体層の少なくとも一部は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項45に記載の構造。
【請求項50】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項51】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項50に記載の構造。
【請求項52】
前記少なくとも1つの電子デバイスは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを含む、請求項50に記載の構造。
【請求項53】
前記少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスは、発光ダイオードを含む、請求項50に記載の構造。
【請求項54】
前記少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスは、複数の発光ダイオードを含む、請求項50に記載の構造。
【請求項55】
前記複数の発光ダイオードは、一次元アレイに配列される、請求項54に記載の構造。
【請求項56】
前記複数の発光ダイオードは、二次元アレイに配列される、請求項54に記載の構造。
【請求項57】
前記に次元アレイは、矩形の領域を覆う、請求項56に記載の構造。
【請求項58】
少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、前記少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスとを結合する電気的相互接続をさらに含む、請求項50に記載の構造。
【請求項59】
前記少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスは、前記少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスを駆動するように構成される、請求項58に記載の構造。
【請求項60】
前記単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのシリコンベースの光検出器をさらに含む、請求項50に記載の構造。
【請求項61】
前記少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスと、前記少なくとも1つのシリコンベースの光検出器との間に配置された光導波管であって、該少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスによって放射された光の少なくとも一部を、該少なくとも1つのシリコンベースの光検出器に導くように構成された、光導波路をさらに含む、請求項50に記載の構造。
【請求項62】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶半導体層の前記少なくとも一部に接触して配置される、請求項50に記載の構造。
【請求項63】
前記第2の単結晶半導体層の上面は、前記単結晶シリコン層の上面と実質的に同一平面上にある、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項64】
前記第2の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層で構成される、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項65】
前記III−V族の半導体層を覆って配置されたシリコン層をさらに含み、該シリコン層が該III−V族の半導体層と接触して配置される、請求項64に記載の半導体構造。
【請求項66】
前記単結晶シリコン層は、緩和シリコン層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項67】
前記単結晶シリコン層は、歪みシリコン層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項68】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記第1の単結晶半導体層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項50の半導体構造。
【請求項69】
前記第1の単結晶半導体層は、互いに異なる格子定数を有し、また、前記緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、互いに覆って配置された少なくとも2つの単結晶半導体層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項70】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、InP層とを含む、請求項69に記載の半導体構造。
【請求項71】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、GaN層とを含む、請求項69に記載の半導体構造。
【請求項72】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、InP層とを含む、請求項69に記載の半導体構造。
【請求項73】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、GaN層とを含む、請求項69に記載の半導体構造。
【請求項74】
前記第1の単結晶半導体層は、ゲルマニウム層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項75】
前記第1の単結晶半導体層は、前記ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項74に記載の半導体構造。
【請求項76】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項74に記載の半導体構造。
【請求項77】
前記ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項27に記載の半導体構造。
【請求項78】
前記第1の単結晶半導体層は、シリコン−ゲルマニウム層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項79】
前記第1の単結晶半導体層は、前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項78に記載の半導体構造。
【請求項80】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項78に記載の半導体構造。
【請求項81】
前記シリコン−ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項80に記載の半導体構造。
【請求項82】
前記第1の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項83】
前記III−V族の半導体層は、GaN層を含む、請求項82に記載の半導体構造。
【請求項84】
前記III−V族の半導体層は、GaAs層を含む、請求項82に記載の半導体構造。
【請求項85】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたゲルマニウム層をさらに含む、請求項82に記載の半導体構造。
【請求項86】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム層をさらに含む、請求項82に記載の半導体構造。
【請求項87】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項82に記載の半導体構造。
【請求項88】
前記シリコン基板は、少なくとも150ミリメートルの直径を有する、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項89】
前記シリコン基板は、少なくとも200ミリメートルの直径を有する、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項90】
シリコン基板を提供することと、
該シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置することであって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有することと、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置することと、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置することと、
前記単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスを形成することと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層を配置することであって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有することと、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスを形成することと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造を形成する方法。
【請求項91】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
前記第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項92】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された、前記第1の領域内の層をさらに含む、請求項91に記載の半導体構造。
【請求項93】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、非絶縁層である、請求項92に記載の半導体構造。
【請求項94】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、絶縁層である、請求項92に記載の半導体構造。
【請求項95】
前記第2の単結晶半導体層の少なくとも一部は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項91に記載の半導体構造。
【請求項96】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのシリコンベースの光検出器と、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つの非シリコン光検出器と
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項97】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項98】
前記単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスをさらに含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項99】
前記少なくとも1つの電子デバイスは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを含む、請求項98に記載の半導体構造。
【請求項100】
前記少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスが、前記少なくとも1つのシリコンベースの光検出器および前記少なくとも1つの非シリコン光検出器から、光検出信号を受信するように構成されるように、前記少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスを、前記少なくとも1つのシリコンベースの光検出器および前記少なくとも1つの非シリコン光検出器と結合する電気的相互接続をさらに含む、請求項98に記載の半導体構造。
【請求項101】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶半導体層の前記少なくとも一部と接触して配置される、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項102】
前記第2の単結晶半導体層の上面は、前記単結晶シリコン層の上面と実質的に同一平面上にある、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項103】
前記第2の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層で構成される、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項104】
前記III−V族の半導体層を覆って配置されたシリコン層をさらに含む、請求項103に記載の半導体構造。
【請求項105】
前記シリコン層は、前記III−V族の半導体層と接触して配置される、請求項104に記載の半導体構造。
【請求項106】
前記単結晶シリコン層は、緩和シリコン層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項107】
前記単結晶シリコン層は、歪みシリコン層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項108】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記第1の単結晶半導体層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項96の半導体構造。
【請求項109】
前記第1の単結晶半導体層は、互いに異なる格子定数を有し、また、前記緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、互いに覆って配置された少なくとも2つの単結晶半導体層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項110】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、InP層とを含む、請求項109に記載の半導体構造。
【請求項111】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、GaN層とを含む、請求項109に記載の半導体構造。
【請求項112】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、InP層とを含む、請求項109に記載の半導体構造。
【請求項113】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、GaN層とを含む、請求項109に記載の半導体構造。
【請求項114】
前記第1の単結晶半導体層は、ゲルマニウム層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項115】
前記第1の単結晶半導体層は、前記ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項114に記載の半導体構造。
【請求項116】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項114に記載の半導体構造。
【請求項117】
前記ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項116に記載の半導体構造。
【請求項118】
前記第1の単結晶半導体層は、シリコン−ゲルマニウム層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項119】
前記第1の単結晶半導体層は、前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項118に記載の半導体構造。
【請求項120】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項118に記載の半導体構造。
【請求項121】
前記シリコン−ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項120に記載の半導体構造。
【請求項122】
前記第1の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項123】
前記III−V族の半導体層は、GaN層を含む、請求項122に記載の半導体構造。
【請求項124】
前記III−V族の半導体層は、GaAs層を含む、請求項122に記載の半導体構造。
【請求項125】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたゲルマニウム層をさらに含む、請求項122に記載の半導体構造。
【請求項126】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム層をさらに含む、請求項122に記載の半導体構造。
【請求項127】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項122に記載の半導体構造。
【請求項128】
前記シリコン基板は、少なくとも150ミリメートルの直径を有する、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項129】
前記シリコン基板は、少なくとも200ミリメートルの直径を有する、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項130】
シリコン基板を提供することと、
該シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置することであって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ことと、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置することと、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置することと、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのシリコンベースの光検出器を形成することと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層を配置することであって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ことと、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つの非シリコンベースの光検出器を形成することと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造を形成する方法。
【請求項131】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
該第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのシリコンベースの光検出器と、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つの非シリコン光検出器と
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項132】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された、前記第1の領域内の層をさらに含む、請求項131に記載の半導体構造。
【請求項133】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、非絶縁層である、請求項132に記載の構造。
【請求項134】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、絶縁層である、請求項132に記載の半導体構造。
【請求項135】
前記第2の単結晶半導体層の少なくとも一部は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項131に記載の半導体構造。
【請求項136】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項137】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項138】
前記少なくとも1つの電子デバイスは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項139】
前記少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスは、III−V族の高電子移動度トランジスタ(HEMT)を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項140】
前記少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスは、III−V族のヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項141】
前記少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスを、前記少なくともIII−V族の電子デバイスと結合する電気的相互接続をさらに含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項142】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶半導体層の前記少なくとも一部と接触して配置される、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項143】
前記第2の単結晶半導体層の上面は、前記単結晶シリコン層の上面と実質的に同一平面上にある、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項144】
前記第2の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層で構成される、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項145】
前記III−V族の半導体層を覆って配置されたシリコン層をさらに含む、請求項144に記載の半導体構造。
【請求項146】
前記シリコン層は、前記III−V族の半導体層と接触して配置される、請求項145に記載の半導体構造。
【請求項147】
前記単結晶シリコン層は、緩和シリコン層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項148】
前記単結晶シリコン層は、歪みシリコン層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項149】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記第1の単結晶半導体層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項136の半導体構造。
【請求項150】
前記第1の単結晶半導体層は、互いに異なる格子定数を有し、また、前記緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、互いに覆って配置された少なくとも2つの単結晶半導体層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項151】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、InP層とを含む、請求項150に記載の半導体構造。
【請求項152】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、GaN層とを含む、請求項150に記載の半導体構造。
【請求項153】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、InP層とを含む、請求項150に記載の半導体構造。
【請求項154】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、GaN層とを含む、請求項150に記載の半導体構造。
【請求項155】
前記第1の単結晶半導体層は、ゲルマニウム層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項156】
前記第1の単結晶半導体層は、前記ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項155に記載の半導体構造。
【請求項157】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項155に記載の半導体構造。
【請求項158】
前記ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項157に記載の半導体構造。
【請求項159】
前記第1の単結晶半導体層は、シリコン−ゲルマニウム層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項160】
前記第1の単結晶半導体層は、前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項159に記載の半導体構造。
【請求項161】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項159に記載の半導体構造。
【請求項162】
前記シリコン−ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項161に記載の半導体構造。
【請求項163】
前記第1の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項164】
前記III−V族の半導体層は、GaN層を含む、請求項163に記載の半導体構造。
【請求項165】
前記III−V族の半導体層は、GaAs層を含む、請求項163に記載の半導体構造。
【請求項166】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたゲルマニウム層をさらに含む、請求項163に記載の半導体構造。
【請求項167】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム層をさらに含む、請求項163に記載の半導体構造。
【請求項168】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項163に記載の半導体構造。
【請求項169】
前記シリコン基板は、少なくとも150ミリメートルの直径を有する、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項170】
前記シリコン基板は、少なくとも200ミリメートルの直径を有する、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項171】
シリコン基板を提供することと、
該シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置することであって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有することと、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置することと、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置することと、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスを形成することと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層を配置することであって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ことと、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスを形成することと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造を形成する方法。
【請求項172】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
前記第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項173】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された、前記第1の領域内の層をさらに含む、請求項172に記載の半導体構造。
【請求項174】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、非絶縁層である、請求項173に記載の半導体構造。
【請求項175】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、絶縁層である、請求項173に記載の半導体構造。
【請求項176】
前記第2の単結晶半導体層の少なくとも一部は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項172に記載の半導体構造。
【請求項1】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と
を含む、半導体構造。
【請求項2】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項3】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶半導体層の前記少なくとも一部と接触して配置される、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項4】
前記第2の単結晶半導体層の上面は、前記単結晶シリコン層の上面と実質的に同一平面上にある、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項5】
前記第2の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層で構成される、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項6】
前記III−V族の半導体層を覆って配置されたシリコン層をさらに含む、請求項5に記載の半導体構造。
【請求項7】
前記シリコン層は、前記III−V族の半導体層と接触して配置される、請求項6に記載の半導体構造。
【請求項8】
前記単結晶シリコン層は、緩和シリコン層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項9】
前記単結晶シリコン層は、歪みシリコン層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項10】
前記絶縁層は、酸化物層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項11】
前記酸化物層は、シリコン酸化物を含む、請求項10に記載の半導体構造。
【請求項12】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記第1の単結晶半導体層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項1の半導体構造。
【請求項13】
前記第1の単結晶半導体層は、互いに異なる格子定数を有し、また、前記緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、互いに覆って配置された少なくとも2つの単結晶半導体層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項14】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、InP層とを含む、請求項13に記載の半導体構造。
【請求項15】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、GaN層とを含む、請求項13に記載の半導体構造。
【請求項16】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、InP層とを含む、請求項13に記載の半導体構造。
【請求項17】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、GaN層とを含む、請求項13に記載の半導体構造。
【請求項18】
前記第1の単結晶半導体層は、ゲルマニウム層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項19】
前記第1の単結晶半導体層は、前記ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項18に記載の半導体構造。
【請求項20】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項18に記載の半導体構造。
【請求項21】
前記ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項20に記載の半導体構造。
【請求項22】
前記第1の単結晶半導体層は、シリコン−ゲルマニウム層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項23】
前記第1の単結晶半導体層は、前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項22に記載の半導体構造。
【請求項24】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項22に記載の半導体構造。
【請求項25】
前記シリコン−ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項24に記載の半導体構造。
【請求項26】
前記第1の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層を含む、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項27】
前記III−V族の半導体層は、GaN層を含む、請求項26に記載の半導体構造。
【請求項28】
前記III−V族の半導体層は、GaAs層を含む、請求項26に記載の半導体構造。
【請求項29】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたゲルマニウム層をさらに含む、請求項26に記載の半導体構造。
【請求項30】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム層をさらに含む、請求項26に記載の半導体構造。
【請求項31】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項26に記載の半導体構造。
【請求項32】
前記シリコン基板は、少なくとも150ミリメートルの直径を有する、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項33】
前記シリコン基板は、少なくとも200ミリメートルの直径を有する、請求項1に記載の半導体構造。
【請求項34】
半導体構造を形成する方法であって、該方法は、
シリコン基板を提供することと、
該シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置することであって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ことと、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置することと、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置することと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って第2の単結晶半導体層を配置することであって、該第2の単結晶半導体層が該第1の領域には存在せず、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ことと
を含む、方法。
【請求項35】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項34に記載の半導体構造。
【請求項36】
前記単結晶シリコン層を、前記絶縁層を覆って配置することは、
ドナー基板と、該ドナー基板の実質的に全てを覆って配置されたオーバーレイ単結晶シリコン層とを含むドナーウエハを提供することであって、該オーバーレイ単結晶シリコン層が前記第1の領域内の該単結晶シリコン層を含む、ことと、
前記第1の単結晶半導体層をその上に配置された前記シリコン基板を含むハンドルウエハを提供することと、
該ドナーウエハおよび該ハンドルウエハをウエハ接合することであって、ウエハ接合の後に、接合された一対のウエハは、該単結晶シリコン層および該第1の単結晶半導体層が、該シリコン基板と該ドナー基板との間に配置されるように形成される、ことと
を含む、請求項34に記載の方法。
【請求項37】
前記第1の単結晶半導体層を覆って前記絶縁層を配置することは、前記ウエハ接合することの前に、前記ハンドルウエハの該第1の単結晶半導体層の実質的に全てを覆って、オーバーレイ絶縁層を配置することを含む、請求項36に記載の方法。
【請求項38】
前記第1の単結晶半導体層を覆って前記絶縁層を配置することは、前記ウエハ接合することの前に、前記ドナーウエハの前記オーバーレイ単結晶シリコン層の実質的に全てを覆って、オーバーレイ絶縁層を配置することを含む、請求項36に記載の方法。
【請求項39】
ウエハ接合することの後に、前記オーバーレイ単結晶シリコン層を露光させるように、ドナー基板を除去することをさらに含む、請求項37または38に記載の方法。
【請求項40】
前記第2の領域内の前記オーバーレイ単結晶シリコン層の一部、および該第2の領域内の前記オーバーレイ絶縁層の一部を除去することによって、該第2の領域内の前記第1の単結晶半導体層を露光させて、該第2の領域を画定することをさらに含む、請求項39に記載の方法。
【請求項41】
前記第2の領域内の前記第1の単結晶半導体層の前記少なくとも一部を覆って前記第2の単結晶半導体層を配置することは、該第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の該少なくとも一部を覆って、該第2の単結晶半導体層をエピタキシャルに配置することを含む、請求項40に記載の方法。
【請求項42】
前記第2の単結晶半導体層の上面は、前記単結晶シリコン層の上面と実質的に同一平面上にある、請求項41に記載の方法。
【請求項43】
前記第2の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層で構成される、請求項41に記載の方法。
【請求項44】
前記III−V族の半導体層上にシリコン層を蒸着することをさらに含む、請求項43に記載の方法。
【請求項45】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
前記第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と
を含む、半導体構造。
【請求項46】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の層をさらに含む、請求項45に記載の構造。
【請求項47】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、非絶縁層である、請求項46に記載の構造。
【請求項48】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、絶縁層である、請求項46に記載の構造。
【請求項49】
前記第2の単結晶半導体層の少なくとも一部は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項45に記載の構造。
【請求項50】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項51】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項50に記載の構造。
【請求項52】
前記少なくとも1つの電子デバイスは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを含む、請求項50に記載の構造。
【請求項53】
前記少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスは、発光ダイオードを含む、請求項50に記載の構造。
【請求項54】
前記少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスは、複数の発光ダイオードを含む、請求項50に記載の構造。
【請求項55】
前記複数の発光ダイオードは、一次元アレイに配列される、請求項54に記載の構造。
【請求項56】
前記複数の発光ダイオードは、二次元アレイに配列される、請求項54に記載の構造。
【請求項57】
前記に次元アレイは、矩形の領域を覆う、請求項56に記載の構造。
【請求項58】
少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、前記少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスとを結合する電気的相互接続をさらに含む、請求項50に記載の構造。
【請求項59】
前記少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスは、前記少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスを駆動するように構成される、請求項58に記載の構造。
【請求項60】
前記単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのシリコンベースの光検出器をさらに含む、請求項50に記載の構造。
【請求項61】
前記少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスと、前記少なくとも1つのシリコンベースの光検出器との間に配置された光導波管であって、該少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスによって放射された光の少なくとも一部を、該少なくとも1つのシリコンベースの光検出器に導くように構成された、光導波路をさらに含む、請求項50に記載の構造。
【請求項62】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶半導体層の前記少なくとも一部に接触して配置される、請求項50に記載の構造。
【請求項63】
前記第2の単結晶半導体層の上面は、前記単結晶シリコン層の上面と実質的に同一平面上にある、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項64】
前記第2の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層で構成される、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項65】
前記III−V族の半導体層を覆って配置されたシリコン層をさらに含み、該シリコン層が該III−V族の半導体層と接触して配置される、請求項64に記載の半導体構造。
【請求項66】
前記単結晶シリコン層は、緩和シリコン層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項67】
前記単結晶シリコン層は、歪みシリコン層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項68】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記第1の単結晶半導体層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項50の半導体構造。
【請求項69】
前記第1の単結晶半導体層は、互いに異なる格子定数を有し、また、前記緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、互いに覆って配置された少なくとも2つの単結晶半導体層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項70】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、InP層とを含む、請求項69に記載の半導体構造。
【請求項71】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、GaN層とを含む、請求項69に記載の半導体構造。
【請求項72】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、InP層とを含む、請求項69に記載の半導体構造。
【請求項73】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、GaN層とを含む、請求項69に記載の半導体構造。
【請求項74】
前記第1の単結晶半導体層は、ゲルマニウム層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項75】
前記第1の単結晶半導体層は、前記ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項74に記載の半導体構造。
【請求項76】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項74に記載の半導体構造。
【請求項77】
前記ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項27に記載の半導体構造。
【請求項78】
前記第1の単結晶半導体層は、シリコン−ゲルマニウム層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項79】
前記第1の単結晶半導体層は、前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項78に記載の半導体構造。
【請求項80】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項78に記載の半導体構造。
【請求項81】
前記シリコン−ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項80に記載の半導体構造。
【請求項82】
前記第1の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層を含む、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項83】
前記III−V族の半導体層は、GaN層を含む、請求項82に記載の半導体構造。
【請求項84】
前記III−V族の半導体層は、GaAs層を含む、請求項82に記載の半導体構造。
【請求項85】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたゲルマニウム層をさらに含む、請求項82に記載の半導体構造。
【請求項86】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム層をさらに含む、請求項82に記載の半導体構造。
【請求項87】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項82に記載の半導体構造。
【請求項88】
前記シリコン基板は、少なくとも150ミリメートルの直径を有する、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項89】
前記シリコン基板は、少なくとも200ミリメートルの直径を有する、請求項50に記載の半導体構造。
【請求項90】
シリコン基板を提供することと、
該シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置することであって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有することと、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置することと、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置することと、
前記単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスを形成することと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層を配置することであって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有することと、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスを形成することと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造を形成する方法。
【請求項91】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
前記第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのIII−V族の発光デバイスと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項92】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された、前記第1の領域内の層をさらに含む、請求項91に記載の半導体構造。
【請求項93】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、非絶縁層である、請求項92に記載の半導体構造。
【請求項94】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、絶縁層である、請求項92に記載の半導体構造。
【請求項95】
前記第2の単結晶半導体層の少なくとも一部は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項91に記載の半導体構造。
【請求項96】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのシリコンベースの光検出器と、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つの非シリコン光検出器と
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項97】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項98】
前記単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスをさらに含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項99】
前記少なくとも1つの電子デバイスは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを含む、請求項98に記載の半導体構造。
【請求項100】
前記少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスが、前記少なくとも1つのシリコンベースの光検出器および前記少なくとも1つの非シリコン光検出器から、光検出信号を受信するように構成されるように、前記少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスを、前記少なくとも1つのシリコンベースの光検出器および前記少なくとも1つの非シリコン光検出器と結合する電気的相互接続をさらに含む、請求項98に記載の半導体構造。
【請求項101】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶半導体層の前記少なくとも一部と接触して配置される、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項102】
前記第2の単結晶半導体層の上面は、前記単結晶シリコン層の上面と実質的に同一平面上にある、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項103】
前記第2の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層で構成される、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項104】
前記III−V族の半導体層を覆って配置されたシリコン層をさらに含む、請求項103に記載の半導体構造。
【請求項105】
前記シリコン層は、前記III−V族の半導体層と接触して配置される、請求項104に記載の半導体構造。
【請求項106】
前記単結晶シリコン層は、緩和シリコン層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項107】
前記単結晶シリコン層は、歪みシリコン層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項108】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記第1の単結晶半導体層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項96の半導体構造。
【請求項109】
前記第1の単結晶半導体層は、互いに異なる格子定数を有し、また、前記緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、互いに覆って配置された少なくとも2つの単結晶半導体層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項110】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、InP層とを含む、請求項109に記載の半導体構造。
【請求項111】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、GaN層とを含む、請求項109に記載の半導体構造。
【請求項112】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、InP層とを含む、請求項109に記載の半導体構造。
【請求項113】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、GaN層とを含む、請求項109に記載の半導体構造。
【請求項114】
前記第1の単結晶半導体層は、ゲルマニウム層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項115】
前記第1の単結晶半導体層は、前記ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項114に記載の半導体構造。
【請求項116】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項114に記載の半導体構造。
【請求項117】
前記ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項116に記載の半導体構造。
【請求項118】
前記第1の単結晶半導体層は、シリコン−ゲルマニウム層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項119】
前記第1の単結晶半導体層は、前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項118に記載の半導体構造。
【請求項120】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項118に記載の半導体構造。
【請求項121】
前記シリコン−ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項120に記載の半導体構造。
【請求項122】
前記第1の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層を含む、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項123】
前記III−V族の半導体層は、GaN層を含む、請求項122に記載の半導体構造。
【請求項124】
前記III−V族の半導体層は、GaAs層を含む、請求項122に記載の半導体構造。
【請求項125】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたゲルマニウム層をさらに含む、請求項122に記載の半導体構造。
【請求項126】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム層をさらに含む、請求項122に記載の半導体構造。
【請求項127】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項122に記載の半導体構造。
【請求項128】
前記シリコン基板は、少なくとも150ミリメートルの直径を有する、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項129】
前記シリコン基板は、少なくとも200ミリメートルの直径を有する、請求項96に記載の半導体構造。
【請求項130】
シリコン基板を提供することと、
該シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置することであって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ことと、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置することと、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置することと、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのシリコンベースの光検出器を形成することと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層を配置することであって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ことと、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つの非シリコンベースの光検出器を形成することと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造を形成する方法。
【請求項131】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
該第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つのシリコンベースの光検出器と、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含むアクティブ領域を含む、少なくとも1つの非シリコン光検出器と
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項132】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された、前記第1の領域内の層をさらに含む、請求項131に記載の半導体構造。
【請求項133】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、非絶縁層である、請求項132に記載の構造。
【請求項134】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、絶縁層である、請求項132に記載の半導体構造。
【請求項135】
前記第2の単結晶半導体層の少なくとも一部は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項131に記載の半導体構造。
【請求項136】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された絶縁層と、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項137】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項138】
前記少なくとも1つの電子デバイスは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項139】
前記少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスは、III−V族の高電子移動度トランジスタ(HEMT)を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項140】
前記少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスは、III−V族のヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項141】
前記少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスを、前記少なくともIII−V族の電子デバイスと結合する電気的相互接続をさらに含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項142】
前記第2の単結晶半導体層は、前記第1の単結晶半導体層の前記少なくとも一部と接触して配置される、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項143】
前記第2の単結晶半導体層の上面は、前記単結晶シリコン層の上面と実質的に同一平面上にある、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項144】
前記第2の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層で構成される、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項145】
前記III−V族の半導体層を覆って配置されたシリコン層をさらに含む、請求項144に記載の半導体構造。
【請求項146】
前記シリコン層は、前記III−V族の半導体層と接触して配置される、請求項145に記載の半導体構造。
【請求項147】
前記単結晶シリコン層は、緩和シリコン層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項148】
前記単結晶シリコン層は、歪みシリコン層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項149】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記第1の単結晶半導体層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項136の半導体構造。
【請求項150】
前記第1の単結晶半導体層は、互いに異なる格子定数を有し、また、前記緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、互いに覆って配置された少なくとも2つの単結晶半導体層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項151】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、InP層とを含む、請求項150に記載の半導体構造。
【請求項152】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、ゲルマニウム層と、GaN層とを含む、請求項150に記載の半導体構造。
【請求項153】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、InP層とを含む、請求項150に記載の半導体構造。
【請求項154】
前記少なくとも2つの単結晶半導体層は、GaAs層と、GaN層とを含む、請求項150に記載の半導体構造。
【請求項155】
前記第1の単結晶半導体層は、ゲルマニウム層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項156】
前記第1の単結晶半導体層は、前記ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項155に記載の半導体構造。
【請求項157】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項155に記載の半導体構造。
【請求項158】
前記ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項157に記載の半導体構造。
【請求項159】
前記第1の単結晶半導体層は、シリコン−ゲルマニウム層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項160】
前記第1の単結晶半導体層は、前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項159に記載の半導体構造。
【請求項161】
前記シリコン基板を覆って、かつ前記シリコン−ゲルマニウム層の下に配置された第2の絶縁層をさらに含む、請求項159に記載の半導体構造。
【請求項162】
前記シリコン−ゲルマニウム層は、前記第2の絶縁層と接触して配置される、請求項161に記載の半導体構造。
【請求項163】
前記第1の単結晶半導体層は、III−V族の半導体層を含む、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項164】
前記III−V族の半導体層は、GaN層を含む、請求項163に記載の半導体構造。
【請求項165】
前記III−V族の半導体層は、GaAs層を含む、請求項163に記載の半導体構造。
【請求項166】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたゲルマニウム層をさらに含む、請求項163に記載の半導体構造。
【請求項167】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム層をさらに含む、請求項163に記載の半導体構造。
【請求項168】
前記第1の単結晶半導体層は、前記III−V族の半導体層の下に配置されたシリコン−ゲルマニウム傾斜層をさらに含む、請求項163に記載の半導体構造。
【請求項169】
前記シリコン基板は、少なくとも150ミリメートルの直径を有する、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項170】
前記シリコン基板は、少なくとも200ミリメートルの直径を有する、請求項136に記載の半導体構造。
【請求項171】
シリコン基板を提供することと、
該シリコン基板を覆って第1の単結晶半導体層を配置することであって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有することと、
第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って絶縁層を配置することと、
該第1の領域内の該絶縁層を覆って単結晶シリコン層を配置することと、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスを形成することと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部を覆って、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層を配置することであって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、ことと、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスを形成することと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造を形成する方法。
【請求項172】
シリコン基板と、
該シリコン基板を覆って配置された第1の単結晶半導体層であって、該第1の単結晶半導体層が緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第1の単結晶半導体層と、
前記第1の領域内の該第1の単結晶半導体層を覆って配置された単結晶シリコン層と、
該単結晶シリコン層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのシリコンベースの電子デバイスと、
第2の領域内の該第1の単結晶半導体層の少なくとも一部の上に配置され、該第1の領域には存在しない、第2の単結晶半導体層であって、該第2の単結晶半導体層が該緩和シリコンの格子定数とは異なる格子定数を有する、第2の単結晶半導体層と、
該第2の単結晶半導体層の少なくとも一部を含む素子を含む、少なくとも1つのIII−V族の電子デバイスと
を含む、モノリシックに集積化した半導体デバイス構造。
【請求項173】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された、前記第1の領域内の層をさらに含む、請求項172に記載の半導体構造。
【請求項174】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、非絶縁層である、請求項173に記載の半導体構造。
【請求項175】
前記単結晶シリコン層と前記第1の単結晶半導体層との間に配置された前記第1の領域内の前記層は、絶縁層である、請求項173に記載の半導体構造。
【請求項176】
前記第2の単結晶半導体層の少なくとも一部は、前記第1の単結晶層の組成とは異なる組成を有する、請求項172に記載の半導体構造。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図4G】
【図4H】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図5F】
【図5G】
【図5H】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図6G】
【図6H】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図7F】
【図7G】
【図7H】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図4G】
【図4H】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図5F】
【図5G】
【図5H】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図6G】
【図6H】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図7F】
【図7G】
【図7H】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【公表番号】特表2009−514252(P2009−514252A)
【公表日】平成21年4月2日(2009.4.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−538998(P2008−538998)
【出願日】平成18年11月1日(2006.11.1)
【国際出願番号】PCT/US2006/042654
【国際公開番号】WO2007/053686
【国際公開日】平成19年5月10日(2007.5.10)
【出願人】(596060697)マサチューセッツ・インスティテュート・オブ・テクノロジー (233)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成21年4月2日(2009.4.2)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年11月1日(2006.11.1)
【国際出願番号】PCT/US2006/042654
【国際公開番号】WO2007/053686
【国際公開日】平成19年5月10日(2007.5.10)
【出願人】(596060697)マサチューセッツ・インスティテュート・オブ・テクノロジー (233)
【Fターム(参考)】
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