具体实施方式

本文描述的结构和方法提供了包括基板层、在基板上方的第二层和在第二层上方的外延层的层状结构。第二层被集成在基板层和外延层之间，并包含离散区域以在传输声波的外延层内施加局部应力。

图1示出了根据例示性实施例的例示性层状结构的截面图，该层状结构具有与声学波长的周期匹配的在基板和半导体层之间的第二层。层状结构100可以被用作RF滤波器。层状结构100包括基板102、基板层102上方的第二层104、生长在第二层上方的外延层108以及设置在外延层的顶部上方的电极112。第二层104包括离散区域105。每个离散区域105包括第一子区域104A和第二子区域104B。

基板层102可以是单晶的，并且可以是掺杂或未掺杂的并具有包括轴上或轴外的<111>、<110>或<100>的任何晶体取向。例如，基板102可以包括选自由硅(Si)、锗(Ge)、绝缘体上硅(SOI)和SiGe组成的组中的一个或多个IV族元素。基板层102可以是单片的。

第二层104包括离散区域105。每个离散区域105包括第一子区域104A和第二子区域104B。离散区域在整个第二层中重复，每个离散区域与另一个离散区域相邻。多个离散区域可以具有不同的密度并可以是水平分布的。在一个实施例中，离散区域105的第二子区域104B可以包括穿过第二子区域的深度的孔隙率的周期性变化。在这种情况下，第二子区域的孔隙率可以逐渐变化，并且逐渐增大。第二层的每个离散区域的第一子区域和第二子区域可以生长或沉积在基板102上方，外延层可以生长或沉积在第二层的每个离散区域的第一子区域和第二子区域上方。用于第一层的材料可以选自无孔硅、多孔硅、结晶稀土氧化物(cREO)及其组合。过渡层(未示出)(例如，以基板102的连续子层的形式)可以位于基板102和生长或沉积在基板102上方的任何其它层之间，以将基板102的材料过渡到第二层的材料(在该示例中，包括两种材料的第二层104)。过渡层可以具有5-10nm的厚度。

可替换地，在基板102和第二层104之间可以不存在过渡层。第二层的每个离散区域可以包括cREO和无孔硅、cREO和多孔硅或多孔硅和无孔硅的区域。在这样的示例中，第二层104的每个离散区域的第一子区域和第二子区域直接生长或沉积在基板102上方。

离散区域105可以具有非连续图案，例如，具有彼此不重叠的第一子区域104A和第二子区域104B。第二层的离散区域105的第一子区域104A和第二子区域104B可以采取类似于网格、行、列、点、环或其它不规则形状的形式。离散区域105向后续生长或沉积在第二层104上方的外延层提供局部应力。

在一些实施例中，离散区域的宽度--即第一子区域104A的宽度d_A与第二子区域104B的宽度d_B之和可以被定义为周期λ，该周期λ与要通过外延层传输的声波的波长相关。例如，第一子区域和第二子区域的宽度可以变化，以产生导致声波通过外延层的最有效传输的周期λ。

外延层108可以与第二层104直接接触。外延层108可以是表现出压电响应的任何III-N材料，其中III-N材料包括Al、In和Ga的合金或这些元素的任何组合。在一些实施例中，外延层可以是半导体层、RE-III-N层、外延金属层、结晶稀土氧化物(cREO)层或硅层。在一些实施例中，外延层包括掺杂的III-N合金或RE-III-N合金(III_XRE_1-XN)，其中，稀土(RE)元素包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)。

外延层108的厚度可以基于下面的式1来选择，式1限定了频率、通过外延层的声速与厚度之间的关系。

f_A＝v_S/(2*t_f) [1]

其中，f_A是频率，v_S是通过压电层的声速，并且t_f是压电层厚度。

设置在外延层108上方的电极112是基于层104的周期分布的。例如，在周期是声波的一个周期的情况下，电极可以间隔开，使得两个电极落入层104的一个周期(例如，周期λ2＝2×λ1)内。该层的周期λ可以基于由电极的周期λ2来设定的声波的波长而变化。第二层104的周期λ可以是电极的周期λ2的倍数。第二层的周期λ的倍数可以在电极的周期λ2的从0.5至2的范围内。例如，第二层的周期λ可以近似等于电极的周期λ(周期λ＝周期λ2)。在另一示例中，第二层104的周期λ可以是电极的周期λ2的2倍(周期λ＝2×周期λ2)。

图2至图4示出了根据例示性实施例的具有各种第二层的层状结构的示例。应该注意，层状结构200、300或400或层状结构200、300或400的任何特征可以设置在图1和图5至图9中示出的任何器件中。例如，第二层204可以在层状结构100(图1)中实现。

在图2中示出的示例中，第二层204包括离散区域205。离散区域205可以包括第一子区域204A和第二子区域204B。第一子区域204A可以是无孔硅。第二子区域204B可以是多孔硅。在一些实施例中，无孔硅的第一子区域204A的宽度与多孔硅的第二子区域204B的宽度之和可以被定义为与预期传播通过外延层的声波的波长相关的周期。根据第一子区域和第二子区域的这种组合，第二层可以促进生长或沉积的附加层上的局部应变。这样的局域应变可以改善附加层的外延生长。

在图3中示出的示例中，第二层304包括离散区域305。离散区域305可以包括第一子区域304A和第二子区域304B。第一子区域304A可以是结晶稀土氧化物。第二子区域304B可以是无孔硅。在一些实施例中，cREO的第一子区域304A的宽度与无孔硅的第二子区域304B的宽度之和可以被定义为与预期传播通过外延层的声波的波长相关的周期。根据第一子区域和第二子区域的这种组合，第二层可以促进生长或沉积的附加层上的局部应变。这样的局域应变可以改善附加层的外延生长。

在图3的示例中，该图描绘了cREO第一子区域。在一些实施例中，cREO第一子区域可以是在基板102上方生长的岛(island)。示意图300的左图描绘了基板层102的表面上的掩模材料部分304A和304B，以限定用于cREO第一子区域304A的离散区域的生长的所期望的间隙。出于本公开的目的，cREO的离散区域也可以被称为cREO岛。在一些实施例中，可以根据需要以特定方式布置离散区域，以按照器件的要求生长或沉积cREO区域/岛。在一些实施例中，导电层包括如同In₂O₃或稀土氮化物或稀土硅化物的III-O材料。这在2017年3月16日提交的PCT申请No.PCT/US2017/022821和2016年9月22日提交的美国临时专利申请No.62,398,416中进行了描述，这些申请的相应全部内容通过引用并入本文。

在图4中示出的示例中，第二层包括离散区域405。离散区域405可以包括第一子区域404A和第二子区域404B。第一子区域404A可以是结晶稀土氧化物。第二子区域404B可以是多孔硅。多孔硅可以是所有自由载流子耗尽的完全耗尽的多孔区域。这在2019年1月25日提交的美国专利申请No.16/257,707、2018年11月1日提交的美国专利申请No.16/178,495、2018年11月13日发布的美国专利No.10,128,350、2016年9月22日提交的美国临时专利申请No.62/398,416中进行了描述，这些申请的每个申请的相应全部内容通过引用并入本文。

在一些实施例中，cREO的第一子区域404A的宽度与多孔硅的第二子区域404B的宽度之和可以被定义为与预期传播通过外延层的声波的波长相关的周期。根据第一子区域和第二子区域的这种组合，第二层可以促进生长或沉积的附加层上的局部应变。这样的局域应变可以改善附加层的外延生长。

图5至图9示出了根据例示性实施例的在第二层上方具有各种外延层的层状结构的示例。应该注意，层状结构500、600、700、800或900或者层状结构500、600、700、800或900的任何特征可以设置在图1至图4中示出的任何器件中。例如，外延层508可以在层状结构100(图1)中实现。

在图5中示出的示例中，层状结构500包括在第二层104上方的半导体层。半导体是指导电性在绝缘体的导电性和大多数金属的导电性之间的任何固体物质。示例半导体层由硅构成。半导体层可以包括单个本征层或多个子层。具体地，硅半导体层可以包括多个多孔区域。多个多孔区域可以具有不同的密度并且可以是水平分布的。离散区域105的多孔区域104B也可以包括通过第二子区域104B的深度的孔隙率的周期性变化。在这种情况下，第二子区域的孔隙率可以逐渐变化，并且逐渐增大。半导体层108可以包括III族氮化物材料、III-V族材料和IV族材料中的一个或多个。III-V族材料包括来自周期表的III族中的一个或多个物质(诸如，B、Al、Ga、In和Tl)以及来自周期表的V族中的一个或多个物质(诸如，N、P、As、Sb和Bi)。III族氮化物是III-V族材料，并且包括来自III族的物质和氮。III族氮化物材料的示例包括GaN、In_XAl_YGA_1-X-YN(0≤x，y≤1)和/或AlN。其它III-V族材料的示例包括GaAs、InP、InAs、InSb、InGaAs、GaAsP、InGaAsP等中的一个或多个。

如果半导体材料被用在滤波器中并且是外延的，那么它有助于可能在滤波器上方生长的附加半导体元件(不一定直接电连接到滤波器)的集成。例如，晶体管(其示例包括场效应晶体管、高电子迁移率晶体管和异质结双极晶体管)可以在滤波器上方生长，因此减小给定系统所需的芯片面积。

在图6中示出的示例中，层状结构600包括在第二层104上方的RE-III-N层608。在RE-III-N层中，RE代表稀土元素。III代表周期表的III族(诸如，B、Al、Ga、In和Tl)。N代表氮。

在图7中示出的示例中，层状结构700包括在第二层104上方的外延层708。包括结晶REO区域104A的第二层104是用于外延金属层108的模板，这可以包括一个或多个组成的外延金属层。

使用的外延金属可以是稀土金属或诸如钌或钼之类的金属或其它代表性金属。选择用于外延金属层708的金属元素要考虑的属性包括电阻率以及密度、杨氏模量和折射率，这确定该层的光学和声学性质。

可以使用在第二层上方的金属的外延沉积来生长掩埋的金属接触层。外延金属层可以直接生长在第二层上和/或直接生长在基板层上。在一些示例中，可选的过渡层可以在外延金属层和底层的第二层之间，和/或在外延金属层和底层的基板之间。除了掩埋的接触层将带来的电优势之外，金属与可以利用的上覆的半导体之间经常存在相互作用。当金属与半导体之间的界面(以及任何中间界面)是高质量且缺陷较少时，诸如在RF滤波器中的这些相互作用更有用。另外，可以使外延金属比溅射金属薄，同时保留高的膜质量。这是部分地因为外延界面的质量较高，并且随着层变薄，界面在整体材料中的比例变得较大。因此，在厚膜不太受质量差的界面的影响并且其性质由块状材料性质决定时，薄膜的性质更多是由界面性质决定。因此，当沉积薄膜时，高质量的界面是重要的。

另外，外延金属层可以被用于修改层的外延堆叠的反射率。对于光要从顶表面发射的器件，朝向基板发射的光通常被认为是对于总输出功率是损失。例如，在垂直腔面发射激光器(VCSELs)中，后反射镜需要具有大于99.8％的反射率。这难以仅仅通过半导体材料来实现。与声波的波长相关的第二层中的离散区域的间距改善了图案化模板晶片上方的附加材料的外延生长，这导致后续膜的较高质量并提高了通过外延层的声波的反射率。

在图8中示出的示例中，层状结构800包括在第二层104上方的结晶稀土氧化物层808。在一些实施例中，REO层808的氧-金属比在1至2的范围内。

结晶稀土氧化物(REO)外延层可以被用作诸如硅之类的半导体基板上的外延金属的模板。出于金属外延的目的，与YSZ相比，结晶REO是优越的材料。首先，结晶REO与第二层之间的界面被设定为外延处理的一部分。通过合适地选择稀土氧化物，可以外延生长100％(或接近100％)立方的无第二相的结晶REO模板。对整体外延堆叠有利的结晶REO的其它参数和处理特性是没有任何寄生电荷、比YSZ高的密度(8.6至6.1g/cm³)和比YSZ优5倍的热导率的氧化物-硅界面。除了用作用于外延金属生长的模板之外，结晶REO层还可以防止外延金属层与下面的任何基板之间的相互扩散。这防止了例如不需要的金属硅化物(其中基板是硅)的形成。

在一个示例中，结晶REO层可以在第二层上方外延生长，并且附加处理可以包括在结晶REO层上方外延生长金属层。可以在外延金属层上方生长半导体层。REO层是包含一个或多个稀土(RE)物质和氧的层。稀土物质包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)。

已知REO表现出萤石型结构。这些结构表现出随着氧化物中存在的稀土阳离子的原子量的变化(还有任何其它因素)而变化的形貌差异。

另一方面，由较重的稀土(例如，RE₂O₃等)形成的氧化物表现出畸变的CaF₂型晶体结构，该CaF₂型晶体结构包括由于RE<3+>的离子化状态而引起的阴离子空位。与较重的稀土氧化物关联的晶体结构也被称为“方铁锰矿(Bixbyite)”。

具有式RE₂O₃的稀土氧化物的例示性示例是Er₂O₃。Er₂O₃的晶胞的晶体结构是氧空位衍生的萤石衍生物(即，方铁锰矿结构)。REO电介质层可以包括这些晶胞的集合。

阴离子空位的数量和位置确定了RE₂O₃晶胞的晶体形状。该单元的晶体形状可以被设计以提供与底层的半导体基板的晶格常数的合适匹配。沿着体对角线和/或面对角线的氧空位导致C型立方结构。例如，每个萤石晶胞的两个阴离子空位使Er₂O₃的晶胞增大至几乎Si的晶胞大小的两倍。这进而使得在硅基板上能够直接外延生长低应变的单相Er₂O₃。

此外，阴离子空位的数量和位置可以被设计为在电介质层和/或过度生长层中引起所期望的应变(拉伸或压缩)。例如，在一些实施例中，期望半导体层中的应变以便影响载流子迁移率。

每个萤石晶胞具有沿着体对角线的两个氧空位。这些两个氧空位的存在使Er₂O₃晶胞的大小加倍，由此使其晶格常数加倍，这提供了与<100>硅的晶格常数的合适匹配。

在一些示例中，氧空位位于面对角线的端部处。在一些其它示例中，氧空位分布在体对角线和面对角线的端部之间。

在图9中示出的示例中，层状结构900包括在第二层104上方的硅层908。硅层可以存在于第二层下方的基板层和第二层上方的外延层中。层的孔隙率可以从基板层到第二层上方的外延层变化。基板102中的多孔部分可以是非连续的，例如，具有非连续和非重叠的多孔部分102和908。例如，多孔部分的非连续性可以扩展到所有的三个维度，例如，不同的多孔部分可以垂直地或水平地二维分布在基板102中。对于另一个示例，多孔部分的不同部分或区域(例如，102)可以具有不同的孔隙率。

图10是示出了硅上外延cREO的膜应力与氧化物厚度的曲线图。随着氧化物层(例如，cREO)的厚度增大，层表现出增大的应力。这里，氧化物厚度被调整以使后续生长或沉积的外延层受局部应力。

图11描绘了根据例示性实施例的形成层状结构的例示性方法。处理1100在A处开始，其中获得硅基板。硅基板被图案化和刻蚀，以在硅基板的表面形成凹槽并从硅基板形成第二层。如A处的顶视图中所示，第二层的表面可以采取类似于网格、行、列、点、环或其它不规则形状的形式。第二层是通过刻蚀基板层的表面来制备的。在B处，在第二层上方外延生长或沉积第一材料。外延生长或沉积到第二层的凹槽中的材料可以是结晶稀土氧化物。在C处，通过任何合适的技术(例如，化学机械抛光(CMP))来处理层状结构，以制备第二层的表面，以用于在第二层上方生长外延层。在D处，可以通过将第二层的第二子区域处理成多孔硅来进一步处理第二层的第二子区域。

图12描绘了根据例示性实施例的形成层状结构的例示性方法。处理1200在A处开始，其中硅基板包括在硅基板上方经由硅外延的被标记为“材料B”的连续硅层。在B处，硅基板上方的连续硅层被图案化和刻蚀，以在连续硅层的表面中形成凹槽。如B处的顶视图中所示，连续硅层的表面可以采取类似于网格、行、列、点、环或其它不规则形状的形式。在C处，经由硅晶片的阳极刻蚀，层被外延生长到连续硅层的凹槽中。外延生长到连续层的凹槽中的层是被标记为“材料A”的多孔硅。这种方法可以在连续硅层中形成多孔区域，从而可以改善在图案化模板晶片上方的附加材料的外延生长。

图13示出了根据例示性实施例的在第二层上方具有各种外延层的层状结构的示例。具体地，图13中的示例包括以上在图2至图4中讨论的第二层的各种示例以及以上在图5至图9中讨论的第二层上方的外延层的各种示例。

图14是绘制了根据例示性实施例的用于生长图1中示出的层状结构的方法的流程图。处理在1402处开始，获得基板102。在1404处，通过刻蚀基板层的表面来制备第二层。在1406处，在基板层、第一子区域104A上方外延生长或沉积第一材料。在1408处，在第二层104上方外延生长外延层108。

在步骤1402处，提供基板。在一些实施例中，可以以特定取向生长或其它方式形成基板层(可选地单片基板层)。在一些实施例中，基板包括选自硅(Si)、锗(Ge)、绝缘体上硅(SOI)和碳化硅(SiC)的组中的IV族元素，其中，在一个示例中，基板具有轴上或高达10度的错切(miscut)的晶体取向。

步骤1404包括刻蚀基板层的表面，以在基板层上方形成第二层。在一些实施例中，第二层形成有离散区域，包括第一子区域和第二子区域。例如，基板的顶子层被刻蚀并可以形成原始子层的第一子区域(例如，空隙)和第二子区域。

步骤1406包括将材料生长到第二层的第一子区域中。例如，cREO材料被外延沉积或生长到第一子区域中。包括cREO材料的第一子区域可以使层状结构局部应变。

在1408处，在第二层上方外延生长外延层(例如，参见图1中的外延层108)。通过采用第二层的局部应力，在第二层上方生长的外延层得以改善。

本文描述的生长和/或沉积可以使用化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、金属有机物气相外延(OMVPE)、原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、卤化物气相外延(HVPE)、脉冲激光沉积(PLD)和/或物理气相沉积(PVD)中的一个或多个来执行。

如本文所述，层是指覆盖表面的基本均匀厚度的材料。层可以是连续或不连续的(即，在材料的区域之间具有间隙)。例如，层可以完全地或部分地覆盖表面，或者被分割成离散区域，这些离散区域共同地限定层(即，使用选择区域外延形成的区域)。

单片集成是指通常通过沉积设置在表面上的层来在基板的表面上形成。

设置在...上是指“存在于”底层的材料或层“上”或在底层的材料或层“上方”。该层可以包括确保合适的表面所需要的诸如过渡层之类的中间层。例如，如果材料被描述为“设置在基板上”或“在基板上方”，则这可以是指(1)该材料与基板紧密接触；或者(2)该材料与位于基板上的一个或多个过渡层接触。

单晶是指包括基本上仅一个类型的晶胞的晶体结构。然而，单晶层可以表现出一些诸如堆叠层错、位错或其它常出现的晶体缺陷之类的晶体缺陷。

单畴是指包括基本上仅一个晶胞结构和基本上仅该晶胞的一个取向的晶体结构。换句话说，单畴晶体没有表现出孪晶或反相畴。

单相是指既是单晶又是单畴的晶体结构。

基板是指形成有沉积层的材料。示例性基板包括而不限于：块状锗晶片、块状硅晶片，其中晶片包括均匀厚度的单晶硅或锗；复合晶片，诸如包括设置在部署在块状硅处理晶片上的二氧化硅层上的硅层的绝缘体上硅晶片；或多孔锗、氧化物和硅上方的锗、硅上方的锗、图案化的锗、锗上方的锗锡和/或类似物；或者用作其上或其中形成有器件的基底层的任何其它材料。随着应用的变化而变化的适合于用作基板层和块状基板的这种其它材料的示例包括而不限于氧化铝、砷化镓、磷化铟、硅胶、二氧化硅、硼硅酸盐玻璃、派热克斯玻璃(pyrex)和蓝宝石。基板可以具有单个块状晶片或多个子层。具体地，基板(例如，硅、锗等)可以包括多个多孔部分。多个多孔部分可以具有不同的密度并且可以是水平分布或垂直分层的。

错切基板是指包括以与基板的晶体结构关联的角度取向的表面晶体结构的基板。例如，6°错切的<100>硅晶片包括被朝向诸如<110>之类的另一主晶体取向以与<100>晶体取向成6°的角度切割的<100>硅晶片。通常但不一定，错切将高达约20°。除非特别指出，否则短语“错切基板”包括具有任何主晶体取向的错切晶片。也就是说，朝向<011>方向错切的<111>晶片、朝向<110>方向错切的<100>晶片和朝向<001>方向错切的<011>晶片。

半导体是指导电性在绝缘体的导电性和大多数金属的导电性之间的任何固体物质。示例半导体层由硅构成。半导体层可以包括单个块状晶片或多个子层。具体地，硅半导体层可以包括多个多孔部分。多个多孔部分可以具有不同的密度并且可以是水平分布或垂直分层的。

绝缘体上半导体是指包括单晶半导体层、单相电介质层和基板的合成物，其中，电介质层被插入在半导体层和基板之间。该结构想到现有技术的绝缘体上硅(“SOI”)合成物，这通常包括单晶硅基板、非单相电介质层(例如，非晶二氧化硅等)和单晶硅半导体层。现有技术SOI晶片和本发明的绝缘体上半导体合成物之间的几个重要区别是：

绝缘体上半导体合成物包括具有单相形貌的电介质层，而SOI晶片不包括。事实上，典型的SOI晶片的绝缘体层甚至不是单晶。

绝缘体上半导体合成物包括硅、锗或硅锗“活性(active)”层，而现有技术SOI晶片使用硅活性层。换句话说，示例性绝缘体上半导体合成物包括而不限于：绝缘体上硅、绝缘体上锗和绝缘体上硅锗。

本文中描述和/或描绘为“配置在第二层上”、“在第二层上”或“在第二层上方”的第一层可以与第二层紧邻，或者一个或多个中间层可以在第一层和第二层之间。本文中描述和/或描绘为“直接在第二层或基板上”或“直接在第二层或基板上方”的第一层紧邻第二层或基板而不存在中间层，除了有可能由于第一层与第二层或基板的混合而可能形成的中间合金层之外。另外，本文中描述和/或描绘为“在第二层或基板上”、“在第二层或基板上方”、“直接在第二层或基板上”或“直接在第二层或基板上方”的第一层可以覆盖整个第二层或基板，或者第二层或基板的一部分。

在层生长期间，基板被放置在基板保持器上，因此顶表面或上表面是离基板保持器最远的基板或层的表面，而底表面或下表面是离基板保持器最近的基板或层的表面。本文中描绘和描述的任何结构可以是具有在所描绘结构上方和/或下方的附加层的较大结构的一部分。为了清楚起见，本文的图可以省略这些附加层，尽管这些附加层可以是所公开的结构的一部分。另外，所描绘的结构可以按单元重复，即使在附图中没有描绘这种重复。

如本文和随后的权利要求中所使用的，“A和B中的一个”的构造应指“A或B”。

从上面的描述，清楚的是，在不脱离本公开的范围的情况下，各种技术可以被用于实现本文中描述的构思。所描述的实施例将在所有方面被视为例示性的而非限制性的。还应该理解，本文中描述的技术和结构不限于本文中描述的特定示例，而是可以在不脱离本公开的范围的情况下在其它示例中实现。类似地，虽然在附图中以特定次序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求以所示出的特定次序或以顺序次序执行这些操作，或者执行所有图示的操作以实现所期望的结果。