特開 2023-23250 結晶作製方法及び結晶作製装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023023250

(43)【公開日】2023-02-16

(54)【発明の名称】結晶作製方法及び結晶作製装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/20 20060101AFI20230209BHJP

   H01L 21/268 20060101ALI20230209BHJP

【ＦＩ】

H01L21/20

H01L21/268 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021128571

(22)【出願日】2021-08-04

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】100168583

【弁理士】

【氏名又は名称】前井 宏之

(72)【発明者】

【氏名】渡部 平司

(72)【発明者】

【氏名】志村 考功

(72)【発明者】

【氏名】細井 卓治

(72)【発明者】

【氏名】國吉 望月

【テーマコード（参考）】

5F152

【Ｆターム（参考）】

5F152BB02

5F152BB06

5F152BB08

5F152CC03

5F152CC04

5F152CD13

5F152CE02

5F152CE15

5F152CE17

5F152CE22

5F152CE24

5F152CF03

5F152CF09

5F152CF13

5F152CF22

5F152CF26

5F152CG09

5F152CG13

5F152FF01

5F152FF11

5F152FF28

5F152FF44

5F152FG01

5F152FG13

5F152FH02

(57)【要約】

【課題】基板上に形成された半導体に効果的に熱を伝達して、半導体を効果的に溶融することの可能な結晶作製方法を提供する。
【解決手段】結晶作製方法において、半導体３の結晶を作製する。結晶作製方法は、基板１上に半導体３を形成する工程と、半導体３の表面を覆うキャップ層５を形成する工程と、キャップ層５上に、電磁波ＬＴを吸収する電磁波吸収層７を形成する工程と、電磁波吸収層７に電磁波ＬＴを照射して、電磁波吸収層７の温度を上昇させる工程とを含む。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体の結晶を作製する結晶作製方法であって、
基板上に前記半導体を形成する工程と、
前記半導体の表面を覆うキャップ層を形成する工程と、
前記キャップ層上に、電磁波を吸収する電磁波吸収層を形成する工程と、
前記電磁波吸収層に前記電磁波を照射して、前記電磁波吸収層の温度を上昇させる工程と
を含む、結晶作製方法。

【請求項2】

前記電磁波吸収層の厚みは、前記基板の厚みよりも小さい、請求項１に記載の結晶作製方法。

【請求項3】

前記キャップ層の厚みは、前記基板の厚みよりも小さい、請求項１又は請求項２に記載の結晶作製方法。

【請求項4】

前記電磁波吸収層を形成する前記工程では、予め定められたパターンを構成するように前記電磁波吸収層を形成し、
前記電磁波吸収層の温度を上昇させる前記工程では、前記電磁波の照射によって、前記予め定められたパターンに対応して、前記基板の主面方向において前記半導体及び／又は前記基板に温度分布を形成する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の結晶作製方法。

【請求項5】

前記電磁波は、レーザー光であり、
前記電磁波吸収層の温度を上昇させる前記工程では、前記電磁波吸収層における前記レーザー光の照射位置を移動しながら、前記電磁波吸収層に前記レーザー光を照射する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の結晶作製方法。

【請求項6】

前記電磁波吸収層の温度を上昇させる前記工程では、前記電磁波吸収層から前記半導体への熱伝導を通じて前記半導体を溶融させることで、前記半導体を結晶化させる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の結晶作製方法。

【請求項7】

前記電磁波吸収層の温度を上昇させる前記工程によって前記半導体が結晶化した後に、前記キャップ層から前記電磁波吸収層を除去する工程と、
前記キャップ層から前記電磁波吸収層を除去する前記工程よりも後に実行される積層工程と
を更に含み、
前記積層工程は、
前記キャップ層上に新たに半導体を形成する工程と、
前記新たな半導体の表面を覆うキャップ層を新たに形成する工程と、
前記新たなキャップ層上に新たに電磁波吸収層を形成する工程と、
前記新たな電磁波吸収層に電磁波を照射して、前記新たな電磁波吸収層の温度を上昇させる工程と
を含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の結晶作製方法。

【請求項8】

半導体の結晶を作製する結晶作製装置であって、
基板上に半導体層を形成する半導体形成部と、
前記半導体層を加工して、前記基板上に前記半導体を形成する半導体加工部と、
前記半導体の表面を覆うキャップ層を形成するキャップ層形成部と、
前記キャップ層上に、電磁波を吸収する電磁波吸収層を形成する電磁波吸収層形成部と、
前記電磁波吸収層に前記電磁波を照射して、前記電磁波吸収層の温度を上昇させるアニール部と
を備える、結晶作製装置。

【請求項9】

前記電磁波吸収層の厚みは、前記基板の厚みよりも小さい、請求項８に記載の結晶作製装置。

【請求項10】

前記キャップ層の厚みは、前記基板の厚みよりも小さい、請求項８又は請求項９に記載の結晶作製装置。

【請求項11】

前記電磁波吸収層形成部は、予め定められたパターンを構成するように前記電磁波吸収層を形成し、
前記アニール部は、前記電磁波の照射によって、前記予め定められたパターンに対応して、前記基板の主面方向において前記半導体及び／又は前記基板に温度分布を形成する、請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の結晶作製装置。

【請求項12】

前記電磁波は、レーザー光であり、
前記アニール部は、前記電磁波吸収層における前記レーザー光の照射位置を移動しながら、前記電磁波吸収層に前記レーザー光を照射する、請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の結晶作製装置。

【請求項13】

前記アニール部は、前記電磁波吸収層から前記半導体への熱伝導を通じて前記半導体を溶融させることで、前記半導体を結晶化させる、請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の結晶作製装置。

【請求項14】

前記アニール部が前記電磁波吸収層の温度を上昇させることによって前記半導体を結晶化した後に、前記キャップ層から前記電磁波吸収層を除去する電磁波吸収層除去部を更に備え、
前記キャップ層から前記電磁波吸収層を除去した後に、前記半導体形成部は、前記キャップ層上に新たに半導体層を形成し、
前記半導体加工部は、前記新たな半導体層を加工して、前記キャップ層上に新たに半導体を形成し、
前記キャップ層形成部は、前記新たな半導体の表面を覆うキャップ層を新たに形成し、
前記電磁波吸収層形成部は、前記新たなキャップ層上に新たに電磁波吸収層を形成し、
前記アニール部は、前記新たな電磁波吸収層に電磁波を照射して、前記新たな電磁波吸収層の温度を上昇させる、請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載の結晶作製装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、結晶作製方法及び結晶作製装置に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１に記載されたフォトダイオードアレイでは、単結晶ＧｅＳｎが、石英基板上に形成されている。具体的には、次のような方法によって、単結晶ＧｅＳｎが形成される。

【0003】

すなわち、まず、石英基板が用意される。次に、非晶質ＧｅＳｎが石英基板上に成膜される。次に、フォトリソグラフィーによって、非晶質ＧｅＳｎからなる複数の線状要素が形成される。具体的には、複数の線状要素が、Ｍ行×Ｎ列に並んでいる。各線状要素は、行方向に延びている。線状要素の長さは３０μｍであり、線状要素の幅は１０μｍである。隣り合う線状要素同士の間隔は、５μｍである。次に、ＳｉＯ₂のキャップ層によって、複数の線状要素を覆う。次に、レーザー光を行方向に走査しながら、キャップ層を介して各線状要素にレーザー光を照射する。よって、レーザー光によって各線状要素が溶融する。その結果、レーザー光の走査にともなって液相結晶化が誘発されて、単結晶ＧｅＳｎが形成される。つまり、非晶質ＧｅＳｎからなる線状要素が、単結晶ＧｅＳｎからなる線状要素へ変化する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】H. Oka et al., "Back-side Illuminated GeSn Photodiode Array on Quartz Substrate Fabricated by Laser-induced Liquid-phase Crystallization for Monolithically-integrated NIR Imager Chip", (米), IEDM （IEEE International Electron Devices Meeting）proceedings 16.3.1 (2017)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載された方法では、レーザー光は、キャップ層及び石英基板を透過する。キャップ層及び石英基板のバンドギャップが、レーザー光の光子エネルギーよりも大きいためである。この場合でも、隣り合う線状要素同士の間隔が５μｍ程度で狭いため、線状要素の熱が隣の線状要素に伝達されたり、線状要素の熱が石英基板内部に蓄熱されたりして、各線状要素が、効果的に加熱されて効果的に溶融する。

【0006】

しかしながら、隣り合う線状要素同士の間隔が小さい場合であっても、例えば、隣り合う線状要素同士の間隔が５μｍ程度であっても、複数の線状要素からなる集団の外縁付近の線状要素（例えば、集団の両端の線状要素）については、加熱が不十分になって、完全に溶融しない場合があり得る。また、隣り合う線状要素同士の間隔が大きくなると、例えば、隣り合う線状要素同士の間隔が１０μｍ以上になると、レーザー光のほとんどが石英基板を透過するだけであり、各線状要素の加熱が不十分になって、各線状要素が完全に溶融しない場合があり得る。ＧｅＳｎからなる線状要素の溶融が不十分であると、ＧｅＳｎの液相結晶化が促進されず、単結晶ＧｅＳｎを形成できない。

【0007】

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上に形成された半導体に効果的に熱を伝達して、半導体を効果的に溶融することの可能な結晶作製方法及び結晶作製装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一局面によれば、結晶作製方法において、半導体の結晶を作製する。結晶作製方法は、基板上に前記半導体を形成する工程と、前記半導体の表面を覆うキャップ層を形成する工程と、前記キャップ層上に、電磁波を吸収する電磁波吸収層を形成する工程と、前記電磁波吸収層に前記電磁波を照射して、前記電磁波吸収層の温度を上昇させる工程とを含む。

【0009】

本発明の結晶作製方法において、前記電磁波吸収層の厚みは、前記基板の厚みよりも小さいことが好ましい。

【0010】

本発明の結晶作製方法において、前記キャップ層の厚みは、前記基板の厚みよりも小さいことが好ましい。

【0011】

本発明の結晶作製方法において、前記電磁波吸収層を形成する前記工程では、予め定められたパターンを構成するように前記電磁波吸収層を形成することが好ましい。前記電磁波吸収層の温度を上昇させる前記工程では、前記電磁波の照射によって、前記予め定められたパターンに対応して、前記基板の主面方向において前記半導体及び／又は前記基板に温度分布を形成することが好ましい。

【0012】

本発明の結晶作製方法において、前記電磁波は、レーザー光であることが好ましい。前記電磁波吸収層の温度を上昇させる前記工程では、前記電磁波吸収層における前記レーザー光の照射位置を移動しながら、前記電磁波吸収層に前記レーザー光を照射することが好ましい。

【0013】

本発明の結晶作製方法において、前記電磁波吸収層の温度を上昇させる前記工程では、前記電磁波吸収層から前記半導体への熱伝導を通じて前記半導体を溶融させることで、前記半導体を結晶化させることが好ましい。

【0014】

本発明の結晶作製方法は、前記電磁波吸収層の温度を上昇させる前記工程によって前記半導体が結晶化した後に、前記キャップ層から前記電磁波吸収層を除去する工程と、前記キャップ層から前記電磁波吸収層を除去する前記工程よりも後に実行される積層工程とを更に含むことが好ましい。前記積層工程は、前記キャップ層上に新たに半導体を形成する工程と、前記新たな半導体の表面を覆うキャップ層を新たに形成する工程と、前記新たなキャップ層上に新たに電磁波吸収層を形成する工程と、前記新たな電磁波吸収層に電磁波を照射して、前記新たな電磁波吸収層の温度を上昇させる工程とを含むことが好ましい。

【0015】

本発明の他の局面によれば、結晶作製装置は、半導体の結晶を作製する。結晶作製装置は、半導体形成部と、半導体加工部と、キャップ層形成部と、電磁波吸収層形成部と、アニール部とを備える。半導体形成部は、基板上に半導体層を形成する。半導体加工部は、前記半導体層を加工して、前記基板上に前記半導体を形成する。キャップ層形成部は、前記半導体の表面を覆うキャップ層を形成する。電磁波吸収層形成部は、前記キャップ層上に、電磁波を吸収する電磁波吸収層を形成する。アニール部は、前記電磁波吸収層に前記電磁波を照射して、前記電磁波吸収層の温度を上昇させる。

【0016】

本発明の結晶作製装置において、前記電磁波吸収層の厚みは、前記基板の厚みよりも小さいことが好ましい。

【0017】

本発明の結晶作製装置において、前記キャップ層の厚みは、前記基板の厚みよりも小さいことが好ましい。

【0018】

本発明の結晶作製装置において、前記電磁波吸収層形成部は、予め定められたパターンを構成するように前記電磁波吸収層を形成することが好ましい。前記アニール部は、前記電磁波の照射によって、前記予め定められたパターンに対応して、前記基板の主面方向において前記半導体及び／又は前記基板に温度分布を形成することが好ましい。

【0019】

本発明の結晶作製装置において、前記電磁波は、レーザー光であることが好ましい。前記アニール部は、前記電磁波吸収層における前記レーザー光の照射位置を移動しながら、前記電磁波吸収層に前記レーザー光を照射することが好ましい。

【0020】

本発明の結晶作製装置において、前記アニール部は、前記電磁波吸収層から前記半導体への熱伝導を通じて前記半導体を溶融させることで、前記半導体を結晶化させることが好ましい。

【0021】

本発明の結晶作製装置は、電磁波吸収層除去部を更に備えることが好ましい。電磁波吸収層除去部は、前記アニール部が前記電磁波吸収層の温度を上昇させることによって前記半導体を結晶化した後に、前記キャップ層から前記電磁波吸収層を除去することが好ましい。前記キャップ層から前記電磁波吸収層を除去した後に、前記半導体形成部は、前記キャップ層上に新たに半導体層を形成することが好ましい。前記半導体加工部は、前記新たな半導体層を加工して、前記キャップ層上に新たに半導体を形成することが好ましい。前記キャップ層形成部は、前記新たな半導体の表面を覆うキャップ層を新たに形成することが好ましい。前記電磁波吸収層形成部は、前記新たなキャップ層上に新たに電磁波吸収層を形成することが好ましい。前記アニール部は、前記新たな電磁波吸収層に電磁波を照射して、前記新たな電磁波吸収層の温度を上昇させることが好ましい。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、基板上に形成された半導体に効果的に熱を伝達して、半導体を効果的に溶融することの可能な結晶作製方法及び結晶作製装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の実施形態１に係る半導体構造を示す斜視図である。

【図2】実施形態１に係る結晶作製装置を示すブロック図である。

【図3】（ａ）は、実施形態１に係る結晶作製方法の工程Ｓ１を示す斜視図であり、（ｂ）は、工程Ｓ２を示す斜視図である。

【図4】（ａ）は、実施形態１に係る結晶作製方法の工程Ｓ３を示す斜視図であり、（ｂ）は、工程Ｓ４を示す斜視図である。

【図5】（ａ）は、実施形態１に係る結晶作製方法の工程Ｓ５を示す斜視図であり、（ｂ）は、工程Ｓ６を示す斜視図である。

【図6】実施形態１に係る結晶作製方法の工程Ｓ７を示す斜視図である。

【図7】実施形態１に係る結晶作製方法による液相結晶化を模式的に示す断面図である。

【図8】実施形態１の第１変形例に係る結晶作製方法の工程Ｓ５を示す斜視図である。

【図9】実施形態１の第２変形例に係る結晶作製方法の工程Ｓ５を示す斜視図である。

【図10】本発明の実施形態２に係る半導体構造を示す斜視図である。

【図11】（ａ）は、実施形態２に係る結晶作製方法の積層工程における工程Ｓ１１を示す斜視図であり、（ｂ）は、工程Ｓ１２を示す斜視図である。

【図12】（ａ）は、実施形態２に係る結晶作製方法の積層工程における工程Ｓ１３を示す斜視図であり、（ｂ）は、工程Ｓ１４を示す斜視図である。

【図13】（ａ）は、実施形態２に係る結晶作製方法の積層工程における工程Ｓ１５を示す斜視図であり、（ｂ）は、工程Ｓ１６を示す斜視図である。

【図14】実施形態２に係る結晶作製方法の積層工程における工程Ｓ１７を示す斜視図である。

【図15】（ａ）は、本発明の実施例１に係る線状のＧｅＳｎを示す写真である。（ｂ）は、比較例に係る線状のＧｅＳｎを示す写真である。

【図16】（ａ）は、本発明の実施例１に係る線状のＧｅＳｎを示す写真である。（ｂ）は、本発明の実施例２に係る線状のＧｅＳｎを示す写真である。

【図17】（ａ）は、本発明の実施例１に係る線状のＧｅＳｎを示す写真である。（ｂ）は、本発明の実施例３に係る線状のＧｅＳｎを示す写真である。（ｃ）は、本発明の実施例４に係る線状のＧｅＳｎを示す写真である。

【図18】本発明の実施例１～実施例３に係る線状のＧｅＳｎ及び比較例に係るＧｅのフォトルミネッセンススペクトルを示すグラフである。

【図19】本発明の実施例１に係るＧｅＳｎ及び比較例に係るＧｅのバンド構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一または相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

【0025】

（実施形態１）
図１～図７を参照して、本発明の実施形態１に係る半導体構造１００及び結晶作製方法を説明する。図１は、実施形態１に係る半導体構造１００を示す斜視図である。

【0026】

図１に示すように、半導体構造１００は、基板１と、少なくとも１つの半導体３と、キャップ層５とを備える。図１の例では、半導体構造１００は、複数の半導体３を備える。キャップ層５及び複数の半導体３は、構造体２を構成する。つまり、構造体２は、キャップ層５及び複数の半導体３を含む。

【0027】

基板１は、照射される電磁波ＬＴ（図５（ｂ））の波長に対して透明であることが好ましい。透明は、無色透明、有色透明、又は、半透明である。基板１は絶縁体である。基板１は、例えば、石英基板である。基板１の厚みｄ１は、例えば、５０μｍ～１０００μｍ（１ｍｍ）である。厚みｄ１は、基板１の第１方向Ｄ１の長さを示す。第１方向Ｄ１は、基板１の主面Ｆ１及び主面Ｆ２に略直交する方向を示す。主面Ｆ１と主面Ｆ２とは、互いに対向し、略平行である。例えば、主面Ｆ１は、基板１のおもて面を示し、主面Ｆ２は、基板１の裏面を示す。

【0028】

複数の半導体３は、基板１上に形成される。図１の例では、複数の半導体３は、基板１の主面Ｆ１に形成される。半導体３の厚みｄ３は、例えば、２０ｎｍ～２５０ｎｍである。厚みｄ３は、半導体３の第１方向Ｄ１の長さを示す。半導体３は単結晶である。半導体３は、例えば、ＧｅＳｎ（ゲルマニウムスズ）である。

【0029】

図１の例では、複数の半導体３の各々は、基板１上に線状に形成される。つまり、複数の半導体３の各々は、線状要素である。複数の半導体３の各々は、第２方向Ｄ２に沿って延びる。第２方向Ｄ２は、第１方向Ｄ１に交差する方向を示す。図１の例では、第２方向Ｄ２は、第１方向Ｄ１に略直交する方向を示す。複数の半導体３は、第３方向Ｄ３に間隔を空けて並んでいる。第３方向Ｄ３に隣り合う半導体３同士の間隔、つまり、隣り合う半導体３の第３方向Ｄ３の間隔は、半導体３の幅Ｗ以下であってもよいし、半導体３の幅Ｗよりも大きくてもよい。半導体３の幅Ｗは、例えば、０．１μｍ～１０μｍである。幅Ｗは、半導体３の第３方向Ｄ３の長さを示す。第３方向Ｄ３は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に交差する方向を示す。図１の例では、第３方向Ｄ３は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に略直交する。

【0030】

ただし、半導体３の形状は、特に限定されない。例えば、半導体３は、半導体３の目的に応じて任意の形状（例えば、平板形状、正方形状）をとり得る。また、例えば、複数の半導体３の形状は、異なっていてもよいし、同じでもよい。更に、複数の半導体３の間隔は、異なっていてもよいし、同じでもよい。更に、例えば、複数の半導体３が、規則的に配置されていてもよいし（例えば、Ｍ行×Ｎ列に配置）、不規則に配置されていてもよい。Ｍは２以上の整数を示し、Ｎは２以上の整数を示す。

【0031】

半導体３は、例えば、受光素子、発光素子、又は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＦＥＴ）などのスイッチング素子若しくは整流素子として利用される。例えば、半導体３及び基板１は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を形成する。例えば、半導体構造１００からキャップ層５を薬剤等によって除去した後に、半導体３及び基板１を利用することもできる。また、半導体３に不純物をドーピングして利用してもよい。

【0032】

特に、ＧｅＳｎは、Ｇｅと比較して、受光効率及び発光効率が高く、キャリア移動度も大きい。Ｓｎの含有によって、ＧｅＳｎのバンド構造が直接遷移化するからである。従って、半導体３がＧｅＳｎである場合、半導体３は、受光素子、発光素子、又は、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子若しくは整流素子としてより好適である。

【0033】

キャップ層５は、複数の半導体３の表面を覆う。半導体３の表面は、半導体３の外面のうち、基板１に接触及び対向している面と異なる面を示す。図１の例では、キャップ層５は、基板１の主面Ｆ１及び複数の半導体３の表面を覆う。ただし、キャップ層５は、少なくとも、半導体３の表面を覆っていればよい。

【0034】

キャップ層５は、照射される電磁波ＬＴ（図５（ｂ））の波長に対して透明であることが好ましい。透明は、無色透明、有色透明、又は、半透明である。キャップ層５は絶縁体である。キャップ層５は、例えば、ＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）である。キャップ層５の厚みｄ５は、例えば、０．５μｍ～１０μｍである。厚みｄ５は、キャップ層５の第１方向Ｄ１の長さを示す。

【0035】

次に、図２～図６を参照して、半導体３の結晶（具体的には単結晶）を作成する結晶作製装置２００及び結晶作製方法を説明する。図２は、結晶作製装置２００を示すブロック図である。図２に示すように、結晶作製装置２００は、半導体形成装置２０１と、半導体加工装置２０３と、キャップ層形成装置２０５と、電磁波吸収層形成装置２０７と、アニール装置２０９と、電磁波吸収層除去装置２１１とを備える。半導体形成装置２０１は本発明の「半導体形成部」の一例に相当する。半導体加工装置２０３は本発明の「半導体加工部」の一例に相当する。キャップ層形成装置２０５は本発明の「キャップ層形成部」の一例に相当する。電磁波吸収層形成装置２０７は本発明の「電磁波吸収層形成部」の一例に相当する。アニール装置２０９は本発明の「アニール部」の一例に相当する。電磁波吸収層除去装置２１１は本発明の「電磁波吸収層除去部」の一例に相当する。

【0036】

図３～図６は、実施形態１に係る結晶作製方法を示す斜視図である。図３～図６に示すように、結晶作製方法は、工程Ｓ１～工程Ｓ７を含む。結晶作製方法は、図２に示す結晶作製装置２００によって実行され、半導体３の結晶（具体的には単結晶）を作製する。つまり、結晶作製装置２００が、半導体３の結晶（具体的には単結晶）を作製する。

【0037】

まず、図３（ａ）に示すように、工程Ｓ１において、基板１が用意される。基板１は、照射される電磁波ＬＴ（図５（ｂ））の波長に対して透明であることが好ましい。透明は、無色透明、有色透明、又は、半透明である。基板１は絶縁体である。基板１は、例えば、石英基板である。ただし、基板１の素材は、工程Ｓ６（図５（ｂ））の電磁波ＬＴによって変形又は溶融しない限りにおいて、特に限定されない。例えば、基板１は、フレキシブル基板であってもよい。フレキシブル基板は、例えば、合成樹脂によって形成される。合成樹脂は、例えば、ポリイミド又はポリエチレンテレフタレートである。基板１の厚みｄ１は、例えば、５０μｍ～１０００μｍ（１ｍｍ）である。ただし、基板１の厚みｄ１は、基板１上に半導体３を形成できる限りにおいて、特に限定されない。

【0038】

次に、図２及び図３（ｂ）に示すように、工程Ｓ２において、半導体形成装置２０１は、基板１上に（具体的には主面Ｆ１に）半導体層３ａを形成する。半導体層３ａは、非晶質ＡＭＲの半導体である。半導体は、例えば、ＧｅＳｎである。ただし、半導体層３ａを構成する半導体の種類は、特に限定されない。例えば、半導体は、混晶半導体（例えば、ＩＶ族混晶半導体）、化合物半導体（例えば、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体、ＩＩ－ＶＩ族化合物半導体、又は、ＩＶ－ＩＶ化合物半導体）、又は、単元素半導体である。ＧｅＳｎは、混晶半導体の一例である。化合物半導体は、例えば、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）である。単元素半導体は、例えば、Ｇｅ（ゲルマニウム）である。

【0039】

例えば、半導体形成装置２０１は、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）によって、基板１上に半導体層３ａを形成する。ただし、半導体層３ａの形成方法は、特に限定されず、例えば、他の物理蒸着法（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、又は、化学蒸着法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を採用できる。他の物理蒸着法は、例えば、スパッタリングである。

【0040】

半導体層３ａの厚みｄ３は、例えば、２０ｎｍ～２５０ｎｍである。ただし、半導体層３ａの厚みｄ３は、特に限定されない。

【0041】

次に、図２及び図４（ａ）に示すように、工程Ｓ３において、半導体加工装置２０３は、基板１上の半導体層３ａ（図３（ｂ））を加工して、基板１上に複数の半導体３を形成する。以下、非晶質ＡＭＲの半導体３を「半導体３ｂ」と記載する場合がある。

【0042】

図４（ａ）の例では、複数の半導体３ｂの各々は、基板１上に線状に形成される。つまり、複数の半導体３ｂの各々は、線状要素である。工程Ｓ３では、工程Ｓ２と同様に、半導体３ｂは非晶質ＡＭＲである。同様に、半導体３ｂは、例えば、ＧｅＳｎである。

【0043】

複数の半導体３ｂの各々は、第２方向Ｄ２に沿って延びる。複数の半導体３ｂは、第３方向Ｄ３に間隔を空けて並んでいる。第３方向Ｄ３に隣り合う半導体３ｂ同士の間隔、つまり、隣り合う半導体３ｂの第３方向Ｄ３の間隔は、半導体３ｂの幅Ｗ以下であってもよいし、半導体３ｂの幅Ｗよりも大きくてもよい。半導体３ｂの幅Ｗは、例えば、０．１μｍ～１０μｍである。ただし、半導体３ｂの幅Ｗは、特に限定されない。

【0044】

また、半導体３ｂの形状は、特に限定されない。例えば、半導体３ｂは、半導体３の目的に応じて任意の形状（例えば、平板形状、正方形状）をとり得る。また、例えば、複数の半導体３ｂの形状は、異なっていてもよいし、同じでもよい。更に、複数の半導体３ｂの間隔は、異なっていてもよいし、同じでもよい。更に、例えば、複数の半導体３ｂが、規則的に配置されていてもよいし（例えば、Ｍ行×Ｎ列に配置）、不規則に配置されていてもよい。

【0045】

例えば、半導体加工装置２０３は、各種リソグラフィーによって、半導体層３ａから複数の半導体３ｂを形成する。この場合、例えば、半導体加工装置２０３は、レジスト塗布装置、露光装置、現像装置、エッチング装置、及び、レジスト剥離装置を含む。レジスト塗布装置は、半導体層３ａにレジストを塗布する。露光装置は、露光を実行し、レジスト膜に、複数の半導体３ｂに対応するパターンを転写する。現像装置は、現像液によって、レジストの感光部分を除去（ポジ型）、又は、未感光部分を除去（ネガ型）する。エッチング装置は、半導体層３ａのうちレジスト膜で覆われていない露出した部分をエッチングする。エッチングは、ウエットエッチングでもよいし、ドライエッチングでもよい。レジスト剥離装置は、例えば、薬液又はガスによって、レジスト膜を剥離する。その結果、複数の半導体３ｂが形成される。

【0046】

ここで、工程Ｓ２（図３（ｂ））及び工程Ｓ３（図４（ａ））が、「基板上に半導体を形成する工程」の一例に相当する。

【0047】

次に、図２及び図４（ｂ）に示すように、工程Ｓ４において、キャップ層形成装置２０５は、複数の半導体３ｂの表面を覆うキャップ層５を形成する。半導体３ｂの表面は、半導体３ｂの外面のうち、基板１に接触及び対向している面と異なる面を示す。図４（ｂ）の例では、キャップ層５は、基板１の主面Ｆ１及び複数の半導体３ｂの表面を覆う。ただし、キャップ層５は、少なくとも、半導体３ｂの表面を覆っていればよい。

【0048】

キャップ層５は、照射される電磁波ＬＴ（図５（ｂ））の波長に対して透明であることが好ましい。透明は、無色透明、有色透明、又は、半透明である。キャップ層５は絶縁体である。キャップ層５は、例えば、ＳｉＯ₂である。ただし、キャップ層５の素材は、工程Ｓ６（図５（ｂ））の電磁波ＬＴによって変形又は溶融しない限りにおいて、特に限定されない。キャップ層５の厚みｄ５は、基板１の厚みｄ１よりも小さい。キャップ層５の厚みｄ５は、例えば、０．５μｍ～１０μｍである。ただし、キャップ層５の厚みｄ５は、半導体３ｂの表面を覆うことができる限りにおいて、特に限定されない。キャップ層５の機能については、後述する。

【0049】

例えば、キャップ層形成装置２０５は、スパッタリングによって、半導体３ｂの表面を覆うキャップ層５を形成する。ただし、キャップ層５の形成方法は、特に限定されず、例えば、他の物理蒸着法（ＰＶＤ）を採用できる。他の物理蒸着法は、例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）又は化学気相蒸着法（ＣＶＤ）である。

【0050】

次に、図２及び図５（ａ）に示すように、工程Ｓ５において、電磁波吸収層形成装置２０７は、キャップ層５上に電磁波吸収層７を形成する。電磁波吸収層７は、電磁波吸収層７に照射される電磁波を吸収する。例えば、電磁波吸収層７は、電磁波吸収層７に照射される電磁波の一部を吸収する。従って、図５（ｂ）の工程Ｓ６において電磁波吸収層７に電磁波ＬＴが照射されると、電磁波吸収層７は、電磁波ＬＴを吸収して加熱されるため、電磁波吸収層７の温度が上昇する。

【0051】

電磁波吸収層７は、例えば、Ｓｉ（シリコン）である。ただし、電磁波吸収層７の素材は、工程Ｓ６（図５（ｂ））において電磁波ＬＴを吸収できる限りにおいて、特に限定されない。従って、電磁波吸収層７は、半導体に限らず、絶縁体でもよいし、電気導電体でもよい。また、電磁波吸収層７の色彩も特に限定されない。

【0052】

電磁波吸収層７の厚みｄ５は、基板１の厚みｄ１よりも小さい。図５（ａ）の例では、電磁波吸収層７の厚みｄ５は、キャップ層５の厚みｄ５よりも小さい。電磁波吸収層７の厚みｄ７は、例えば、５０ｎｍ～３００ｎｍである。ただし、電磁波吸収層７の厚みｄ７は、工程Ｓ６（図５（ｂ））において電磁波ＬＴを吸収できる限りにおいて、特に限定されない。厚みｄ７は、電磁波吸収層７の第１方向Ｄ１の長さを示す。

【0053】

例えば、電磁波吸収層形成装置２０７は、スパッタリングによって、キャップ層５上に電磁波吸収層７を形成する。ただし、電磁波吸収層７の形成方法は、特に限定されず、例えば、他の物理蒸着法（ＰＶＤ）又は化学蒸着法（ＣＶＤ）を採用できる。

【0054】

次に、図２及び図５（ｂ）に示すように、工程Ｓ６において、アニール装置２０９は、電磁波吸収層７に電磁波ＬＴを照射して、電磁波吸収層７の温度を上昇させる。従って、電磁波吸収層７に熱が発生する。そして、電磁波吸収層７から半導体３ｃ（３ｂ）へ、キャップ層５を介して熱が伝達される。従って、熱によって非晶質ＡＭＲの半導体３ｃ（３ｂ）が溶融する。その結果、液相結晶化が起こり、半導体３の単結晶ＳＣＲが形成される。図５（ｂ）の例では、非晶質ＡＭＲから単結晶ＳＣＲへと変化している状態の半導体３を「半導体３ｃ」と記載している。

【0055】

すなわち、本実施形態に係る結晶作製方法では、電磁波吸収層７をキャップ層５上に設けることで、基板１上に形成された半導体３ｃに効果的に熱を伝達して、半導体３ｃを効果的に溶融することが可能である。その結果、液相結晶化を効果的に促進できて、欠陥の少ない高品質な半導体３の単結晶を作製できる。

【0056】

特に、実施形態１では、隣り合う半導体３ｃ同士の間隔が大きい場合でも、例えば、隣り合う半導体３ｃ同士の間隔が１０μｍ以上の場合でも、半導体３ｃを十分加熱することができて、半導体３ｃを容易に溶融することができる。その結果、隣り合う半導体３ｃ同士の間隔が１０μｍ以上の場合でも、ＧｅＳｎの液相結晶化が効果的に促進されて、欠陥の少ない高品質な半導体３の単結晶を作製できる。また、隣り合う半導体３ｃ同士の間隔が小さい場合、例えば、隣り合う半導体３ｃ同士の間隔が５μｍ程度の場合において、複数の半導体３ｃからなる集団の外縁付近の半導体３ｃ（例えば、集団の両端の半導体３ｃ）についても、十分加熱することができて、容易に溶融することができる。その結果、複数の半導体３ｃからなる集団の外縁付近の半導体３ｃについても、ＧｅＳｎの液相結晶化が効果的に促進されて、欠陥の少ない高品質な単結晶を作製できる。

【0057】

すなわち、実施形態１によれば、複数の半導体３ｃからなるパターンに依存することなく、半導体３ｃを十分加熱することができて、半導体３ｃを容易に溶融することができる。

【0058】

また、実施形態１では、半導体３ｃは、電磁波吸収層７と基板１との間に位置している。従って、半導体に対して基板の反対側に電磁波吸収層（カーボン）を配置する場合と比較して、電磁波吸収層７から半導体３ｃまでの距離を短くできる。その結果、半導体に対して基板の反対側に電磁波吸収層を配置する場合と比較して、半導体３ｃに対して効果的に熱を伝達できる。なお、半導体に対して基板の反対側に電磁波吸収層を配置する場合は、電磁波吸収層からの熱は、比較的厚みの大きな基板を通って半導体に到達する。従って、この場合、熱損失が大きくなる。

【0059】

更に、実施形態１では、電磁波吸収層７からの熱によって半導体３ｃを効果的に加熱できるため、レーザー光源（光源Ａ１）のパワーを小さくしても、効果的に半導体３ｃを溶融できる。従って、基板１が軟化温度の比較的低いフレキシブル基板であっても、液相結晶化によって半導体３ｃの単結晶を作製できる。

【0060】

以上、図５（ｂ）を参照して説明したように、工程Ｓ６では、アニール装置２０９は、電磁波吸収層７への電磁波ＬＴの照射によって、電磁波吸収層７から半導体３ｃへの熱伝導を通じて半導体３ｃを溶融させることで、半導体３ｃを結晶化させる。従って、半導体３ｃを溶融可能な十分な熱を電磁波吸収層７に発生させることが好ましい。例えば、電磁波吸収層７の素材及び厚みｄ７は、電磁波吸収層７が電磁波ＬＴの少なくとも５０％を吸収できるように選択されることが好ましい。つまり、電磁波吸収層７の光吸収係数（ｃｍ^-1）及び厚みｄ７は、電磁波吸収層７が電磁波ＬＴの少なくとも５０％を吸収できるように選択されることが好ましい。ただし、電磁波吸収層７が電磁波ＬＴの一部を吸収して半導体３ｃに熱を伝達できる限りにおいて、電磁波吸収層７の光吸収係数、厚みｄ７、及び、電磁波吸収率は特に限定されない。

【0061】

引き続き図２及び図５（ｂ）を参照して、アニール装置２０９及び工程Ｓ６を詳細に説明する。

【0062】

図２に示すように、アニール装置２０９は、光源Ａ１と、ステージＡ２とを含む。従って、工程Ｓ６（図５（ｂ））において、ステージＡ２には、半導体３ｂ（図５（ａ））、キャップ層５、及び、電磁波吸収層７が積層された基板１が載置される。そして、工程Ｓ６において、光源Ａ１は、電磁波ＬＴを発生して、電磁波ＬＴを電磁波吸収層７に照射する。例えば、電磁波ＬＴの一部が電磁波吸収層７に吸収され、電磁波ＬＴの他の一部が、電磁波吸収層７を透過する。電磁波吸収層７を透過した電磁波ＬＴの一部は、半導体３ｃに吸収され、電磁波吸収層７を透過した電磁波ＬＴの他の一部は、キャップ層５及び基板１を透過する。

【0063】

図５（ｂ）の例では、電磁波ＬＴは、レーザー光である。従って、光源Ａ１は、レーザー光源である。レーザー光は、連続波（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）である。以下、電磁波ＬＴをレーザー光ＬＴと記載する場合がある。レーザー光ＬＴは、例えば、可視光である。なお、レーザー光ＬＴは、不可視光であってもよい。

【0064】

具体的には、工程Ｓ６では、アニール装置２０９は、電磁波吸収層７におけるレーザー光ＬＴの照射位置を移動しながら、電磁波吸収層７にレーザー光ＬＴを照射する。つまり、アニール装置２０９は、レーザー光ＬＴを走査方向ＳＣに走査することで、電磁波吸収層７にレーザー光ＬＴを照射する。従って、実施形態１によれば、１回のレーザー光ＬＴの走査によって、多数の半導体３ｃを結晶化できる。走査方向ＳＣは、第２方向Ｄ２に略平行である。

【0065】

図７は、実施形態１に係る結晶作製方法による液相結晶化を模式的に示す断面図である。図７に示すように、レーザー光ＬＴが電磁波吸収層７に照射されると、レーザー光ＬＴの一部が電磁波吸収層７に吸収される。従って、電磁波吸収層７の温度が上昇する。そして、電磁波吸収層７が発生する熱ＨＴは、キャップ層５を伝わり、半導体３ｃに伝達される。熱ＨＴによって、半導体３ｃの非晶質ＡＭＲの部分が溶融して液体ＬＱになる。レーザー光ＬＴの照射位置が走査方向ＳＣに移動すると、液体ＬＱの温度が下降するので、液体ＬＱが結晶化し単結晶ＳＣＲになる。このようにして、走査方向ＳＣに向かって半導体３ｃの結晶化が進行する。つまり、レーザー光ＬＴの走査に応じて走査方向ＳＣに結晶が成長する。レーザー光ＬＴによる走査が完了すると、半導体３ｃの結晶化が完了し、単結晶の半導体３が形成される。

【0066】

また、電磁波吸収層７の余熱によって、半導体３ｃの液体ＬＱが急冷することを防止できる。その結果、より欠陥の少ない半導体３の単結晶を作製できる。

【0067】

特に、工程Ｓ６（図５（ｂ））では、熱ＨＴによって半導体３ｃが溶融する。そこで、半導体３ｃが溶融した場合であっても、半導体３ｃの形状を維持するために、工程Ｓ４（図４（ｂ））においてキャップ層５が形成される。つまり、キャップ層５は、溶融した半導体３ｃ、つまり、液体ＬＱの半導体３ｃを保持する。その結果、半導体３ｃが変形したり、流動したりすることを防止できて、半導体３ｃの形状を維持できる。ひいては、単結晶の半導体３の形状を維持できる。

【0068】

次に、図２及び図６に示すように、工程Ｓ７において、電磁波吸収層除去装置２１１は、キャップ層５から電磁波吸収層７を除去する。具体的には、アニール装置２０９が電磁波吸収層７の温度を上昇させることによって半導体３ｃを結晶化した後に、電磁波吸収層除去装置２１１は、キャップ層５から電磁波吸収層７を除去する。つまり、電磁波吸収層７の温度を上昇させる工程Ｓ６によって半導体３ｃが結晶化した後に、工程Ｓ７が実行される。工程Ｓ７では、電磁波吸収層除去装置２１１は、例えば、反応性ドライエッチング時のＳｉとＳｉＯ₂との加工速度差を利用したり、又は、薬剤によって、キャップ層５から電磁波吸収層７を除去する。その結果、図１の半導体構造１００の作成が完了する。薬剤は、例えば、ＫＯＨ等である。ただし、電磁波吸収層７を除去できる限りにおいては、薬剤に限らず、例えば、ガスエッチングによって電磁波吸収層７を除去してもよい。工程Ｓ７の完了によって、結晶作製方法が終了する。

【0069】

以上、図３～図７を参照して実施形態１に係る結晶作製方法を説明した。特に、図４（ｂ）を参照して説明したように、実施形態１に係る結晶作製方法では、キャップ層５の厚みｄ５は、基板１の厚みｄ１よりも小さい。従って、半導体に対して基板の反対側に電磁波吸収層（カーボン）を配置する場合と比較して、電磁波吸収層７から半導体３ｃまでの距離が短い。その結果、熱損失が小さいため、半導体３ｃに対して効果的に熱を伝達できる。

【0070】

また、図５（ａ）を参照して説明したように、実施形態１に係る結晶作製方法では、電磁波吸収層７の厚みｄ７は、基板１の厚みｄ１よりも小さい。従って、比較的短時間で電磁波吸収層７を形成できる。また、工程Ｓ７（図６）において、電磁波吸収層７を容易に除去できる。

【0071】

（第１変形例）
図２及び図８を参照して、実施形態１の第１変形例を説明する。第１変形例では、電磁波吸収層７ａがパターニングされている点で、図５（ａ）を参照して説明した実施形態１と主に異なる。以下、第１変形例が実施形態１と異なる点を主に説明する。

【0072】

図８は、実施形態１の第１変形例に係る結晶作製方法の工程Ｓ５を示す斜視図である。図２及び図８に示すように、工程Ｓ５において、キャップ層形成装置２０５は、予め定められたパターンＰＡ１を構成するように電磁波吸収層７ａを形成する。

【0073】

図８の例では、パターンＰＡ１を有する電磁波吸収層７ａは、ジグザグ形状の縁ＥＧを有する。電磁波吸収層７ａは、縁ＥＧの形状に応じて、全ての半導体３ｂのうち２以上の半導体３ｂの各々の一部と第１方向Ｄ１に対向し、当該２以上の半導体３ｂの各々の他の一部とは対向していない。また、電磁波吸収層７ａは、縁ＥＧの形状に応じて、全ての半導体３ｂのうち他の２以上の半導体３ｂの各々の全体と第１方向Ｄ１に対向している。

【0074】

第１変形例の工程Ｓ６では、アニール装置２０９は、電磁波吸収層７ａへの電磁波ＬＴ（レーザー光ＬＴ）の照射によって、予め定められたパターンＰＡ１に対応して、基板１の主面方向において半導体３ｂ及び／又は基板１に温度分布を形成する。従って、例えば、主面方向において、温度を効果的に上昇させる領域（例えば、半導体３ｂ）と、温度の上昇を抑制する領域（例えば、基板１）とを形成できる。また、例えば、半導体３ｂの結晶化の開始位置を制御できる。基板１の主面方向は、基板１の主面Ｆ１に略平行な方向を示す。従って、第２方向Ｄ２及び第３方向Ｄ３は、基板１の主面方向の一例である。

【0075】

（第２変形例）
図２及び図９を参照して、実施形態１の第２変形例を説明する。第２変形例に係る電磁波吸収層７ｂのパターンＰＡ２は、第１変形例のパターンＰＡ１と異なる。以下、第２変形例が第１変形例と異なる点を主に説明する。

【0076】

図９は、実施形態１の第２変形例に係る結晶作製方法の工程Ｓ５を示す斜視図である。図２及び図９に示すように、工程Ｓ５において、キャップ層形成装置２０５は、予め定められたパターンＰＡ２を構成するように電磁波吸収層７ｂを形成する。

【0077】

図９の例では、パターンＰＡ２を有する電磁波吸収層７ｂは、領域ＡＲ１と、領域ＡＲ２とを有する。領域ＡＲ２の面積は、領域ＡＲ１の面積よりも大きい。電磁波吸収層７ｂの領域ＡＲ１は、全ての半導体３ｂのうち２以上の半導体３ｂの各々の一部と第１方向Ｄ１に対向し、当該２以上の半導体３ｂの各々の他の一部とは対向していない。また、電磁波吸収層７ｂの領域ＡＲ２は、全ての半導体３ｂのうち他の２以上の半導体３ｂの各々の全体と第１方向Ｄ１に対向している。

【0078】

第２変形例の工程Ｓ６では、アニール装置２０９は、電磁波吸収層７ｂへの電磁波ＬＴ（レーザー光ＬＴ）の照射によって、予め定められたパターンＰＡ２に対応して、基板１の主面方向において半導体３ｂ及び／又は基板１に温度分布を形成する。従って、第２変形例では、パターンＰＡ２に対応して、第１変形例と同様の効果を有する。

【0079】

（実施形態２）
図２及び図１０～図１４を参照して、本発明の実施形態２に係る半導体構造１００Ａ及び結晶作製方法を説明する。実施形態２では、構造体２ｎ（ｎは２以上の整数）が積層される点で、構造体２が積層されていない実施形態１と主に異なる。以下、実施形態２が実施形態１と異なる点を主に説明する。

【0080】

図１０は、実施形態２に係る半導体構造１００Ａを示す斜視図である。図１０に示すように、半導体構造１００Ａは、基板１と、複数の構造体２ｎ（ｎは２以上の整数）とを備える。複数の構造体２ｎの各々は、キャップ層５ｎと、複数の半導体３ｎとを含む。構造体２ｎの構成は、図１に示す構造体２の構成と同様である。つまり、構造体２ｎの半導体３ｎ及びキャップ層５ｎの構成は、それぞれ、図１に示す構造体２の半導体３及びキャップ層５の構成と同様である。図１０では、複数の構造体２を識別するために、参照符号「２」に「ｎ」を付している。また、複数の半導体３を識別するために、参照符号「３」に「ｎ」を付している。更に、複数のキャップ層５を識別するために、参照符号「５」に「ｎ」を付している。

【0081】

複数の構造体２ｎは、第１方向Ｄ１において、基板１上に積層されている。図１０の例では、３つの構造体２１～２３が、第１方向Ｄ１において、基板１上に積層されている。ただし、積層数は、「２」であってもよいし、「４」以上であってもよく、特に限定されない。

【0082】

具体的には、構造体２１が基板１上に形成される。更に具体的には、構造体２１は、結晶作製装置２００が図３～図６に示す工程Ｓ１～工程Ｓ７を実行することで形成される。つまり、実施形態２の結晶作製方法は、図３～図６に示す工程Ｓ１～工程Ｓ７を含む。

【0083】

次に、図２及び図１１～図１４を参照して、構造体２１上に構造体２２を積層するための積層工程を説明する。積層工程は、実施形態２に係る結晶作製方法に含まれる。積層工程は、工程Ｓ７（図６）よりも後に実行される。

【0084】

図１１～図１４は、実施形態２に係る結晶作製方法の積層工程における工程Ｓ１１～工程Ｓ１７を示す斜視図である。つまり、積層工程は工程Ｓ１１～工程Ｓ１７を含む。

【0085】

まず、図１１（ａ）に示すように、工程Ｓ１１において、構造体２１が形成された基板１が用意される。

【0086】

次に、図２及び図１１（ｂ）に示すように、工程Ｓ１２において、半導体形成装置２０１は、キャップ層５１上に新たに半導体層３２ａを形成する。具体的には、半導体形成装置２０１は、キャップ層５１から電磁波吸収層７（図６）を除去した後に、キャップ層５１上に新たに半導体層３２ａを形成する。半導体層３２ａは、非晶質ＡＭＲの半導体である。半導体は、例えば、ＧｅＳｎである。その他、半導体層３２ａは、実施形態１の半導体層３ａ（図３（ｂ））と同様である。

【0087】

例えば、半導体形成装置２０１は、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によって、キャップ層５１上に半導体層３２ａを形成する。ただし、半導体層３２ａの形成方法は、特に限定されず、例えば、他の物理蒸着法（ＰＶＤ）又は化学蒸着法（ＣＶＤ）を採用できる。

【0088】

次に、図２及び図１２（ａ）に示すように、工程Ｓ１３において、半導体加工装置２０３は、キャップ層５１上の新たな半導体層３２ａ（図１１（ｂ））を加工して、キャップ層５１上に新たに複数の半導体３２を形成する。以下、非晶質ＡＭＲの半導体３２を「半導体３２ｂ」と記載する場合がある。

【0089】

図１２（ａ）の例では、複数の半導体３２ｂの各々は、キャップ層５１上に線状に形成される。つまり、複数の半導体３２ｂの各々は、線状要素である。工程Ｓ１３では、工程Ｓ１２と同様に、半導体３２ｂは非晶質ＡＭＲである。同様に、半導体３２ｂは、例えば、ＧｅＳｎである。その他、半導体３２ｂは、図４（ａ）の半導体３ｂと同様である。

【0090】

例えば、半導体加工装置２０３は、フォトリソグラフィーによって、半導体層３２ａから複数の半導体３２ｂを形成する。

【0091】

ここで、工程Ｓ１２（図１１（ｂ））及び工程Ｓ１３（図１２（ａ））が、「キャップ層上に半導体を新たに形成する工程」の一例に相当する。

【0092】

次に、図２及び図１２（ｂ）に示すように、工程Ｓ１４において、キャップ層形成装置２０５は、新たな複数の半導体３２ｂの表面を覆うキャップ層５２を新たに形成する。半導体３２ｂの表面は、半導体３２ｂの外面のうち、キャップ層５１に接触及び対向している面と異なる面を示す。図１２（ｂ）の例では、キャップ層５２は、キャップ層５１の主面Ｆ及び複数の半導体３２ｂの表面を覆う。ただし、キャップ層５２は、少なくとも、半導体３２ｂの表面を覆っていればよい。

【0093】

キャップ層５２は、照射される電磁波ＬＴ（図１３（ｂ））の波長に対して透明であることが好ましい。透明は、無色透明、有色透明、又は、半透明である。キャップ層５２は絶縁体である。キャップ層５２は、例えば、ＳｉＯ₂である。その他、キャップ層５２は、図４（ｂ）のキャップ層５と同様である。

【0094】

例えば、キャップ層形成装置２０５は、スパッタリングによって、半導体３２ｂの表面を覆うキャップ層５２を形成する。ただし、キャップ層５２の形成方法は、特に限定されず、例えば、他の物理蒸着法（ＰＶＤ）又は化学蒸着法（ＣＶＤ）を採用できる。

【0095】

ここで、工程Ｓ１４が、「新たな半導体の表面を覆うキャップ層を新たに形成する工程」の一例に相当する。

【0096】

次に、図２及び図１３（ａ）に示すように、工程Ｓ１５において、電磁波吸収層形成装置２０７は、新たなキャップ層５２上に新たに電磁波吸収層７を形成する。電磁波吸収層７は、例えば、Ｓｉ（シリコン）である。その他、電磁波吸収層７は、図５（ａ）の電磁波吸収層７と同様である。

【0097】

例えば、電磁波吸収層形成装置２０７は、スパッタリングによって、キャップ層５２上に電磁波吸収層７を形成する。ただし、電磁波吸収層７の形成方法は、特に限定されず、例えば、他の物理蒸着法（ＰＶＤ）又は化学蒸着法（ＣＶＤ）を採用できる。

【0098】

ここで、工程Ｓ１５が、「新たなキャップ層上に新たに電磁波吸収層を形成する工程」の一例に相当する。

【0099】

次に、図２及び図１３（ｂ）に示すように、工程Ｓ１６において、アニール装置２０９は、新たな電磁波吸収層７に電磁波ＬＴを照射して、新たな電磁波吸収層７の温度を上昇させる。工程Ｓ１６では、電磁波吸収層７から半導体３２ｃ（３２ｂ）への熱伝導を通じて半導体３２ｃ（３２ｂ）を溶融させることで、半導体３２ｃ（３２ｂ）を結晶化させる。図１３（ｂ）の例では、非晶質ＡＭＲから単結晶ＳＣＲへと変化している状態の半導体３２を「半導体３２ｃ」と記載している。電磁波吸収層７の選択については、図５（ｂ）を参照して説明した電磁波吸収層７の選択と同様である。

【0100】

図１３（ｂ）の例では、電磁波ＬＴは、レーザー光である。具体的には、工程Ｓ１６では、アニール装置２０９は、電磁波吸収層７におけるレーザー光ＬＴの照射位置を移動しながら、電磁波吸収層７にレーザー光ＬＴを照射する。その他、レーザー光ＬＴは、図５（ｂ）のレーザー光と同様である。

【0101】

レーザー光ＬＴの一部は、電磁波吸収層７に吸収される。その結果、電磁波吸収層７の温度が上昇する。そして、電磁波吸収層７に熱が発生する。熱は、キャップ層５２を介して、電磁波吸収層７から半導体３２ｃに伝達される。その結果、半導体３２ｃが溶融し、半導体３２ｃが走査方向ＳＣに向かって結晶化する。よって、単結晶ＳＣＲの半導体３２が形成される。液相結晶化の原理は、図７を参照して説明した液相結晶化の原理と同様である。また、キャップ層５２は、キャップ層５１（キャップ層５）と同様に、溶融した半導体３２ｃ、つまり、液体ＬＱの半導体３２ｃを保持する。

【0102】

ここで、工程Ｓ１６は、「新たな電磁波吸収層に電磁波を照射して、新たな電磁波吸収層の温度を上昇させる工程」の一例に相当する。

【0103】

次に、図２及び図１４に示すように、工程Ｓ１７において、電磁波吸収層除去装置２１１は、例えば、薬剤によって、電磁波吸収層７を除去する。その結果、構造体２２が形成される。工程Ｓ１７の完了によって、構造体２２を構造体２１上に積層するための積層工程が終了する。

【0104】

ここで、図１０の構造体２３を構造体２２上に積層するための積層工程は、工程Ｓ１１～Ｓ１７を含む積層工程と同様である。つまり、構造体２ｎの積層数に応じて、積層工程が繰り返される。

【0105】

以上、図１１～図１４を参照して説明したように、実施形態２によれば、複数の構造体２ｎを第１方向Ｄ１に積層できる。従って、半導体３ｎの三次元積層構造を容易に形成できる。例えば、三次元積層構造を有するＩＶ族混晶半導体ベースの光電子集積回路を容易に実現できる。ＩＶ族混晶半導体は、例えば、ＧｅＳｎである。ＧｅＳｎは、Ｇｅと比較して、受光効率及び発光効率が高く、キャリア移動度も大きい。よって、高品質の光電子集積回路を実現できる。

【0106】

次に、本発明が実施例に基づき具体的に説明されるが、本発明は以下の実施例によって限定されない。

【実施例0107】

図１５～図１９を参照して、本発明の実施例１～実施例４を説明する。実施例１～実施例４では、図２に示す結晶作製装置２００及び図３～図６に示す結晶作製方法（工程Ｓ１～Ｓ７）を使用し、単結晶ＧｅＳｎ（単結晶の半導体３）を作製した。比較例では、電磁波吸収層７（工程Ｓ５）を形成しなかった。

【0108】

具体的には、実施例１～４の工程Ｓ１（図３（ａ））では、基板１は石英基板であった。基板１の厚みｄ１は、５００μｍであった。工程Ｓ１は、比較例においても実行された。

【0109】

実施例１～４の工程Ｓ２（図３（ｂ））では、分子線エピタキシー法によって、基板１上に非晶質ＡＭＲの半導体層３ａを形成した。半導体層３ａは、ＧｅＳｎ層であった。半導体層３ａの厚みｄ３は、２００ｎｍであった。半導体層３ａを構成するＧｅＳｎにおいて、Ｇｅの組成は９８％、Ｓｎの組成は２％であった。工程Ｓ２は、比較例においても実行された。

【0110】

実施例１～４の工程Ｓ３（図４（ａ））では、フォトリソグラフィーによって、非晶質ＡＭＲの半導体層３ａから、全長１ｍｍの非晶質ＡＭＲの半導体３ｂを形成した。つまり、全長１ｍｍの非晶質のＧｅＳｎ細線を形成した。工程Ｓ３は、比較例においても実行された。

【0111】

実施例１～４の工程Ｓ４（図４（ｂ））では、スパッタリングによって、キャップ層５を形成した。キャップ層５の厚みｄ５は１μｍであった。工程Ｓ４は、比較例においても実行された。

【0112】

実施例１～４の工程Ｓ５（図５（ａ））では、スパッタリングによって、電磁波吸収層７を形成した。電磁波吸収層７は、Ｓｉであった。電磁波吸収層７の厚みｄ７は１００ｎｍであった。電磁波吸収層７の光吸収係数は１０³ｃｍ^-1であった。比較例では、工程Ｓ５は実行されなかった。

【0113】

実施例１～４の工程Ｓ６（図５（ｂ））では、光源Ａ１としてレーザー光源を使用し、レーザー光ＬＴを走査方向ＳＣに走査した。レーザー光ＬＴの波長は、８０８ｎｍであった。レーザー光ＬＴの走査速度は、０．１ｍｍ／秒であった。レーザー光ＬＴの強度は、１３Ｗであった。電磁波吸収層７の厚みｄ７が１００ｎｍであり、電磁波吸収層７の光吸収係数が１０³ｃｍ^-1であったため、電磁波吸収層７は、レーザー光ＬＴの６３％を吸収した。

【0114】

一方、比較例では、図４（ｂ）に示す状態（電磁波吸収層７なしの状態）において、レーザー光ＬＴを走査方向ＳＣに走査した。比較例では、レーザー光ＬＴの強度は、３５．５Ｗであった。比較例に係るレーザー光ＬＴの波長及び走査速度は、それぞれ、実施例１～４に係るレーザー光ＬＴの波長及び走査速度と同じであった。

【0115】

（実施例１と比較例との対比）
本発明の実施例１及び比較例では、ＧｅＳｎ細線の線幅Ｗが１μｍであり、ＧｅＳｎ細線の間隔Ｓは、１０μｍであった。また、実施例１では、レーザー光ＬＴの強度は１３Ｗであった。一方、比較例では、レーザー光ＬＴの強度は３５．５Ｗであった。

【0116】

図１５（ａ）は、実施例１に係るＧｅＳｎ細線を示す写真である。図１５（ｂ）は、比較例に係るＧｅＳｎ細線を示す写真である。図１５において、黒色部分は、基板１を示す。

【0117】

図１５（ａ）の領域Ａに示すように、実施例１のＧｅＳｎ細線の走査方向ＳＣの端部には、Ｓｎが析出した。白色部分が、析出したＳｎを示す。ＧｅＳｎ細線の走査方向ＳＣの端部にＳｎが析出したことは、ＧｅＳｎの結晶化が走査方向ＳＣに進行することを示した。また、ＧｅＳｎ細線の走査方向ＳＣの端部におけるＳｎの析出は、レーザー光ＬＴの走査に基づく液相結晶化によって、ＧｅＳｎの単結晶が作製されたことを示した。ＧｅＳｎの単結晶が作製されたことは、実施例１のＧｅＳｎ細線のＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）像によっても確認された。つまり、各ＧｅＳｎ細線のＥＢＳＤ像の全域において、特定の結晶方位を示していた。具体的には、各ＧｅＳｎ細線のＥＢＳＤ像の全域が、同系色で表されていた。ＥＢＳＤ像では、色によって結晶方位が示されるため、同系色の領域では、結晶方位が揃っていることを示す。

【0118】

これに対して、図１５（ｂ）に示すように、比較例のレーザー光ＬＴの強度が実施例１のレーザー光ＬＴの強度よりも大きいにもかかわらず、比較例では、ＧｅＳｎ細線の走査方向ＳＣの端部には、Ｓｎは析出しなかった。従って、比較例では、ＧｅＳｎの単結晶が形成されていないことを確認できた。ＧｅＳｎの単結晶が形成されなかったことは、比較例のＧｅＳｎ細線のＥＢＳＤ像によっても確認された。つまり、各ＧｅＳｎ細線のＥＢＳＤ像において、結晶方位が揃っておらず、バラツキがあった。具体的には、各ＧｅＳｎ細線のＥＢＳＤ像が、多数の色で表されていた。

【0119】

比較例において、ＧｅＳｎ細線の走査方向ＳＣの端部にＳｎが析出しなかったことは、比較例のレーザー光ＬＴの強度が実施例１のレーザー光ＬＴの強度よりも大きいにもかかわらず、ＧｅＳｎが溶融しなかったことを示した。

【0120】

以上、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）を参照して説明したように、実施例１では、比較例よりも小さなレーザーパワーで、つまり、比較例の１／２以下のレーザーパワーでＧｅＳｎの単結晶を作製できた。

【0121】

（実施例１、実施例２）
本発明の実施例１のＧｅＳｎ細線の間隔Ｓは１０μｍであり、実施例２のＧｅＳｎ細線の間隔Ｓは、３０μｍであった。

【0122】

図１６（ａ）は、実施例１に係るＧｅＳｎ細線を示す写真である。図１６（ｂ）は、実施例２に係るＧｅＳｎ細線を示す写真である。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すように、細線間隔Ｓの小さな実施例１だけでなく、細線間隔Ｓの大きな実施例２においても、ＧｅＳｎ細線の走査方向ＳＣの端部には、Ｓｎ（白色部分）が析出した。換言すれば、実施例１及び実施例２の比較結果から、細線間隔Ｓの広狭に依存することなく、ＧｅＳｎの単結晶が作製された。更に換言すれば、細線間隔Ｓの広狭に依存することなく、電磁波吸収層７からＧｅＳｎに十分な熱が伝達され、ＧｅＳｎが溶融することで液相結晶化が促進された。

【0123】

（実施例１、実施例３、実施例４）
実施例１のＧｅＳｎ細線の線幅Ｗは１μｍであり、実施例３のＧｅＳｎ細線の線幅Ｗは２μｍであり、実施例４のＧｅＳｎ細線の線幅Ｗは５μｍであった。

【0124】

図１７（ａ）は、実施例１に係るＧｅＳｎ細線を示す写真である。図１７（ｂ）は、実施例３に係るＧｅＳｎ細線を示す写真である。図１７（ｃ）は、実施例４に係るＧｅＳｎ細線を示す写真である。

【0125】

図１７（ａ）～図１７（ｃ）に示すように、線幅Ｗに依存することなく、ＧｅＳｎ細線の走査方向ＳＣの端部にＳｎ（白色部分）が析出した。換言すれば、実施例１～３の比較結果から、線幅Ｗの大小に依存することなく、ＧｅＳｎの単結晶が作製された。更に換言すれば、線幅Ｗの大小に依存することなく、電磁波吸収層７からＧｅＳｎに十分な熱が伝達され、ＧｅＳｎが溶融することで液相結晶化が促進された。

【0126】

以上、図１６及び図１７における実施例１～４から明らかなように、ＧｅＳｎのパターンに依存することなく、電磁波吸収層７からＧｅＳｎへ効果的に熱が伝達されることで、ＧｅＳｎの単結晶を作製できることを確認できた。

【0127】

なお、実施例１～４では、結晶化を確認するために、敢えてＳｎを多めに含有させた。実際には、Ｓｎが析出しないように、Ｓｎの含有量が調整される。

【0128】

（実施例１～３及び比較例のフォトルミネッセンススペクトル）
実施例１～３及び比較例のフォトルミネッセンススペクトルを計測した。具体的には、実施例１～３のＧｅＳｎ細線及び比較例のＧｅに対して、励起光を照射して、ＧｅＳｎ細線及び比較例のＧｅが発光した光のスペクトルを計測した。

【0129】

図１８は、実施例１、実施例２、及び、実施例３に係るＧｅＳｎ細線及び比較例に係るＧｅのフォトルミネッセンススペクトルを示すグラフである。図１８において、縦軸は、スペクトル強度（ａ．ｕ．）を示し、下横軸は、光の波長（ｎｍ）を示し、上横軸は、光の光子エネルギー（ｅＶ）を示す。

【0130】

曲線Ｇ１は、実施例１のＧｅＳｎ細線のフォトルミネッセンススペクトルを示し、曲線Ｇ２は、実施例２のＧｅＳｎ細線のフォトルミネッセンススペクトルを示し、曲線Ｇ３は、実施例３のＧｅＳｎ細線のフォトルミネッセンススペクトルを示す。曲線Ｇ０は、比較例のＧｅのフォトルミネッセンススペクトルを示す。ただし、曲線Ｇ０によって示される比較例については、縦軸のスペクトル強度のスケールを１０倍にしている。

【0131】

曲線Ｇ１に示すように、実施例１のＧｅＳｎ細線の発光強度が最も大きかった。曲線Ｇ２に示すように、実施例２のＧｅＳｎ細線の発光強度が、実施例１のＧｅＳｎ細線の発光強度の次に大きかった。曲線Ｇ３に示すように、実施例３のＧｅＳｎ細線の発光強度が、最も小さかった。

【0132】

ただし、実施例１～実施例３のいずれの発光強度も、比較例の発光強度よりも大きかった。例えば、実施例１のＧｅＳｎ細線の最大発光強度は、比較例のＧｅの最大発光強度の約１００倍であった。従って、一例ではあるが、実施例１～３のＧｅＳｎが発光素子として効果的に機能できることを推測できた。また、実施例１～実施例３では、近赤外領域での発光強度が大きかった。従って、一例ではあるが、実施例１～３のＧｅＳｎが近赤外領域の発光素子として効果的に機能できることを推測できた。また、実施例１～３のＧｅＳｎの発光強度のピークは、比較例のＧｅの発光強度のピークＰＫよりも、長波長側に位置した。

【0133】

（実施例１及び比較例のバンド構造）
図１９は、実施例１に係るＧｅＳｎ細線及び比較例に係るＧｅのバンド構造を示す図である。図１９において、縦軸はエネルギーＥを示し、横軸は波数ｋを示す。バンド曲線Ｂ１は、実施例１のＧｅＳｎ細線のバンド構造を示し、バンド曲線Ｂ０は、比較例のＧｅのバンド構造を示す。特に、バンド曲線Ｂ１は、実施例１のＧｅＳｎ細線のバンド構造においてＬ点に対してΓ点のエネルギー位置が急激に低下することを模式的に示している。つまり、ＧｅのΓ点に対するＧｅＳｎ細線のΓ点のエネルギー位置の低下幅は、ＧｅのＬ点に対するＧｅＳｎ細線のＬ点のエネルギー位置の低下幅よりも大きい。また、重い正孔のバンド曲線ＨＨと、軽い正孔のバンド曲線ＬＨとが示される。

【0134】

バンド曲線Ｂ０に示されるように、比較例のＧｅは、間接遷移型の半導体であった。

【0135】

これに対して、バンド曲線Ｂ１に示すように、実施例１がＳｎを含有しているため、バンド構造が疑似的に直接遷移化した。つまり、Γ点のエネルギーがＬ点に対して急激に低下した。従って、実施例１のＧｅＳｎでは、間接遷移型のＧｅと比較して、発光強度が増大することを推測できた。この点は、図１８に示すグラフによって実証された。また、実施例１のＧｅＳｎでは、比較例の間接遷移型のＧｅよりも、バンドギャップが縮小した。その結果、実施例１のＧｅＳｎでは、発光する光の波長が、比較例のＧｅよりも、長波長側にシフトすることを推測できた。この点は、図１８に示すグラフによって実証された。なお、「疑似的な直接遷移化」とは、Ｌ点のエネルギー位置とΓ点のエネルギー位置とが同程度又は近接した状態を示す。

【0136】

以上、図面を参照して本発明の実施形態について説明した。ただし、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施できる。また、上記の実施形態に開示される複数の構成要素は適宜改変可能である。例えば、ある実施形態に示される全構成要素のうちのある構成要素を別の実施形態の構成要素に追加してもよく、または、ある実施形態に示される全構成要素のうちのいくつかの構成要素を実施形態から削除してもよい。

【0137】

また、図面は、発明の理解を容易にするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の厚さ、長さ、個数、間隔等は、図面作成の都合上から実際とは異なる場合もある。また、上記の実施形態で示す各構成要素の構成は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることは言うまでもない。

【0138】

（１）図２に示すアニール装置２０９の光源Ａ１は、レーザー光源に限定されず、ランプであってもよい。また、電磁波ＬＴが電磁波吸収層７に照射される限りにおいて、光源Ａ１の位置は、特に限定されない。例えば、光源Ａ１が、電磁波吸収層７の上方に配置されていてもよいし、基板１の下方に配置されていてもよいし、基板１の側方に配置されていてもよい。

【0139】

（２）図５（ｂ）及び図１３（ｂ）において、各半導体３、３ｎへのレーザー光ＬＴの照射開始位置は、走査方向ＳＣの反対方向における半導体３、３ｎの端部であることが好ましい。この好ましい例によれば、各半導体３、３ｎの全体を結晶化できる。

【0140】

（３）図４（ｂ）に示す基板１と半導体３との間に１又は２以上の層を形成してもよい。例えば、濡れ性を改善するために、基板１と半導体３との間に窒化ケイ素の層を形成してもよい。また、図５（ａ）に示すキャップ層５と電磁波吸収層７との間に１又は２以上の層を形成してもよい。

【0141】

（４）電磁波吸収層７は、キャップ層５、５ｎの側面に形成されてもよい。この場合、電磁波吸収層７が、キャップ層５、５ｎの主面と側面との双方に形成されてもよいし、キャップ層５、５ｎの側面だけに形成されてもよい。

【0142】

（５）実施形態２における電磁波吸収層７（図１３（ａ））は、図８及び図９に示すパターンＰＡ１、ＰＡ２を取り得る。実施形態１、２において、電磁波吸収層７のパターンは、図８及び図９に示すパターンＰＡ１、ＰＡ２に限定されず、基板１の主面方向における所望の温度分布に応じて任意の形状を取り得る。

【産業上の利用可能性】

【0143】

本発明は、結晶作製方法及び結晶作製装置を提供するものであり、産業上の利用可能性を有する。

【符号の説明】

【0144】

１ 基板
３、３ｂ、３ｃ、３ｎ、３１～３２、３２ｂ、３２ｃ 半導体
５、５ｎ、５１～５３ キャップ層
７、７ａ、７ｂ 電磁波吸収層
２００ 結晶作製装置
２０１ 半導体形成装置（半導体形成部）
２０３ 半導体加工装置（半導体加工部）
２０５ キャップ層形成装置（キャップ層形成部）
２０７ 電磁波吸収層形成装置（電磁波吸収層形成部）
２０９ アニール装置（アニール部）
２１１ 電磁波吸収層除去装置（電磁波吸収層除去部）
ＬＴ 電磁波（レーザー光）
ＰＡ１、ＰＡ２ パターン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】