一種生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜，包括生長(zhǎng)在GaAs襯底上的GaAs緩沖層、生長(zhǎng)在GaAs緩沖層上的InGaAsN外延層薄膜。本實(shí)用新型得到的InGaAsN薄膜表面平整、成分均勻，帶寬為1eV，對(duì)半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其是太陽(yáng)電池領(lǐng)域，有著積極的促進(jìn)意義。
【專利說明】一種生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體疊層太陽(yáng)電池材料的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)的迅速發(fā)展，以及在空間飛行器能源系統(tǒng)需求的牽引下，光伏技術(shù)不斷取得重要突破:晶體硅、非晶硅、多晶硅太陽(yáng)電池，II1-V族化合物半導(dǎo)體電池，I1-VI族化合物半導(dǎo)體電池等，越來越多的太陽(yáng)電池技術(shù)日趨成熟，同時(shí)，相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換效率不斷提高，使今天的光伏技術(shù)在空間和地面都得到了越來越廣泛的應(yīng)用?；贕aAs的II1-V族化合物半導(dǎo)體電池技術(shù)的迅速發(fā)展是最引人矚目、里程碑式的突破；并且GaAs基系太陽(yáng)電池效率高、抗輻照性能好、耐高溫、可靠性好，符合空間環(huán)境對(duì)太陽(yáng)電池的要求，因此，GaAs基系太陽(yáng)電池在空間科學(xué)領(lǐng)域正逐步取代硅系列太陽(yáng)電池，成為空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的主電源。目前，基于GaAs襯底的GaAs高效多結(jié)疊層太陽(yáng)電池已經(jīng)獲得>41%的光電轉(zhuǎn)換效率。由于GaAs材料的能帶為1.42eV,而單結(jié)GaAs太陽(yáng)電池只能吸收某一特定波長(zhǎng)的太陽(yáng)光，因此其光電轉(zhuǎn)換效率受到限制。為了提高太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光的利用率，需要采用多結(jié)疊層太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，對(duì)太陽(yáng)光譜進(jìn)行“分割”。
[0003]在此之上，要獲得更高光電轉(zhuǎn)換效率，多結(jié)疊層太陽(yáng)電池的能帶匹配是關(guān)鍵。目前常規(guī)三結(jié)GaAs系太陽(yáng)電池方面，主要是GalnP/InGaAs/Ge (1.84/1.4/0.67)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池，該體系以晶格匹配為首要考慮原則，限制了材料體系的選擇，電池的轉(zhuǎn)換效率提升空間非常有限。為了解決帶隙失配嚴(yán)重制約三結(jié)疊層電池性能的問題，最新技術(shù)嘗試采用GaAs為襯底的晶格匹配，且底電池帶寬變?yōu)镮eV的較理想能帶匹配體系，這樣轉(zhuǎn)換效率會(huì)有所提高。除三結(jié)疊層電池外，通過理論計(jì)算，帶寬為IeV的材料也可作為四結(jié)疊層太陽(yáng)電池的第三結(jié)電池，這樣能帶匹配更為理想(1.8/1.4/1.0/0.67eV)，光的轉(zhuǎn)換效率會(huì)更高。而目前應(yīng)用最多的帶寬為IeV的材料為Ina3Gaa7As,但是，由于Ina3Gaa7As與GaAs晶格失配較大(晶格失配度為2.15%)會(huì)降低薄膜外延質(zhì)量，晶格失配所帶來的穿透位錯(cuò)、應(yīng)力，會(huì)使外延材料體內(nèi)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)、缺陷以及表面起伏，從而惡化器件的性能，造成太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率低。為降低缺陷密度，生長(zhǎng)Ina3Gaa7As需要引入生長(zhǎng)工藝較復(fù)雜的緩沖層環(huán)節(jié)，無(wú)疑增加了不少時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，不利于當(dāng)前太陽(yáng)電池發(fā)展的趨勢(shì)，因此新的IeV材料有待進(jìn)一步開發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)，稀N半導(dǎo)體化合物，即在傳統(tǒng)的II1-V族半導(dǎo)體化合物中，并入少量的N，形成多元半導(dǎo)體化合物，這種材料體系具有獨(dú)特的能帶特性。其中，InGaAsN這種稀N半導(dǎo)體化合物，對(duì)于太陽(yáng)電池，更是有著誘人的研究前景，因?yàn)樵摬牧象w系不僅可大范圍調(diào)節(jié)帶寬(理論上的帶寬可達(dá)到leV)，而且當(dāng)含量比為In/N=2.8時(shí)，InGaAsN晶體材料恰與GaAs襯底晶格完全匹配。這樣的能隙及晶格常數(shù)特點(diǎn)，是太陽(yáng)電池第三結(jié)最為理想的材料。但是InGaAsN薄膜的獲得是十分困難的:首先，N在GaAs中的并入存在一個(gè)極限值，約為2%，而要實(shí)現(xiàn)InGaAsN材料帶寬為leV，則N的含量必須達(dá)到3%左右，可見要實(shí)現(xiàn)N在材料中的有效并入是十分困難的；其次，要使InGaAsN與GaAs晶格匹配，則材料中In/N=2.8，要精確控制這種比例難度也是很大的；最后，N的并入后，材料也十分容易發(fā)生相分離，尤其是In原子，容易在表面析出，同時(shí)相分離容易發(fā)生，In和N的均勻并入也有一定的難度。因此IeV InGaAsN的外延生長(zhǎng)一直是研究的重點(diǎn)，尤其是在太陽(yáng)電池領(lǐng)域。而根據(jù)目前外延生長(zhǎng)技術(shù)，尤其是低溫MBE技術(shù)的發(fā)展，能帶為IeV的材料InGaAsN已經(jīng)具備了生長(zhǎng)的可行性。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜，表面平整、晶體質(zhì)量好。
[0005]本實(shí)用新型的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]一種生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜，包括生長(zhǎng)在GaAs襯底上的GaAs緩沖層、生長(zhǎng)在GaAs緩沖層上的InGaAsN外延層薄膜。
[0007]所述GaAs緩沖層的厚度為100?150nm。
[0008]所述InGaAsN外延層薄膜的厚度為300nm?I μ m。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0010](I)本實(shí)用新型的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜，先在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs緩沖層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，得到的InGaAsN薄膜表面平整、成分均勻，有利于實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。
[0011](2)本實(shí)用新型的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜，帶寬為leV，在【技術(shù)領(lǐng)域】上是一個(gè)新的突破，能對(duì)半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其是太陽(yáng)電池領(lǐng)域，有著積極的促進(jìn)意義。
[0012](3)本實(shí)用新型的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜，實(shí)現(xiàn)了四種組分均勻并入，有效解決了生長(zhǎng)InGaAsN容易出現(xiàn)相分離的現(xiàn)象，從而得到較高質(zhì)量的四元薄膜材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜的示意圖。
[0014]圖2為本實(shí)用新型的實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜的室溫?zé)晒夤庾V圖。
[0015]圖3為本實(shí)用新型的實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜的掃描電子顯微鏡圖。
[0016]圖4為本實(shí)用新型的實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜二次離子質(zhì)譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0018]實(shí)施例1
[0019]本實(shí)施例的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0020](I)清洗GaAs襯底，具體為:
[0021]采用(001)晶向的n-GaAs襯底；超聲去除GaAs襯底表面粘污顆粒；經(jīng)過三氯乙烯、丙酮、甲醇洗滌，去除表面有機(jī)物；將GaAs襯底放在H2SO4 = H2O2 = H2O溶液(3:1:1)中腐蝕I分鐘；經(jīng)此1清洗去除表面氧化物和有機(jī)物；去離子水漂洗；清洗后的GaAs襯底用經(jīng)過過濾的干燥氮?dú)獯蹈伞?br> [0022](2)對(duì)GaAs襯底進(jìn)行除氣預(yù)處理，具體為:
[0023]將清洗完畢后的GaAs襯底送入分子束外延進(jìn)樣室預(yù)除氣半小時(shí)；再送入傳遞室300°C除氣1.5小時(shí)，完成除氣后送入生長(zhǎng)室；
[0024](3)對(duì)GaAs襯底進(jìn)行脫氧化膜處理，具體為:在砷束流保護(hù)下，將GaAs襯底溫度升至600°C，高溫烘烤15分鐘。
[0025](4)生長(zhǎng)GaAs緩沖層=GaAs襯底溫度為540°C，Ga源溫度為900°C，As源的溫度為2400C，反應(yīng)室壓力I X KT6Torr，V-1II束流比為20，生長(zhǎng)速率為0.7ML/s，生長(zhǎng)厚度為10nm的GaAs緩沖層；本步驟對(duì)InGaAsN外延層薄膜表面的平整度起著重要作用。
[0026](5)生長(zhǎng)InGaAsN外延層薄膜=GaAs襯底溫度為380°C，Ga源溫度為900°C，As源的溫度為240°C，反應(yīng)室壓力為3.0X10_5Torr，在不計(jì)入N的情況下V-1II束流比為20，產(chǎn)生射頻N等離子體的電源功率為180W，N2流量為0.lsccm、生長(zhǎng)速度1.0ML/s，生長(zhǎng)厚度為300nm的InGaAsN外延層薄膜。
[0027]如圖1所示，本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜，包括生長(zhǎng)在GaAs襯底11上的GaAs緩沖層12、生長(zhǎng)在GaAs緩沖層12上的InGaAsN外延層薄膜13。
[0028]圖2為本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜的室溫?zé)晒夤庾V圖，由圖2可知，InGaAsN外延層薄膜的帶寬為leV，說明本實(shí)用新型的制備方法能成功生長(zhǎng)InGaAsN0
[0029]圖3為本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜的掃描電子顯微鏡圖。由圖3可知，InGaAsN外延層薄膜的表面較平整，不存在In原子的偏析現(xiàn)象，說明本實(shí)用新型制備方法能有效避免InGaAsN相分離，提高薄膜的質(zhì)量。
[0030]圖4為本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜二次離子質(zhì)譜圖。由圖4可知，InGaAsN外延層薄膜各元素在材料中的分布情況。隨著二次離子刻蝕時(shí)間的增大，四種元素的強(qiáng)度信息均比較穩(wěn)定，說明各元素在薄膜的縱向深度上是均勻分布的，尤其對(duì)于In和N原子，這種均勻分布是十分難得的。
[0031]本實(shí)用新型的GaAs緩沖層和InGaAsN外延層薄膜均采用分子束外延生長(zhǎng)方法,不僅可對(duì)N原子實(shí)行有效并入，從而獲得帶寬為IeV的四元半導(dǎo)體材料體系又能提高薄膜表面的平整度，避免In原子的表面偏析現(xiàn)象。
[0032]實(shí)施例2
[0033]本實(shí)施例的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0034](I)清洗GaAs襯底，具體為:
[0035]采用(001)晶向的n-GaAs襯底；超聲去除GaAs襯底表面粘污顆粒；經(jīng)過三氯乙烯、丙酮、甲醇洗滌，去除表面有機(jī)物；將GaAs襯底放在H2SO4 = H2O2 = H2O溶液(3:1:1)中腐蝕2分鐘；經(jīng)!1(:1清洗去除表面氧化物和有機(jī)物；去離子水漂洗；清洗后的GaAs襯底用經(jīng)過過濾的干燥氮?dú)獯蹈伞?br> [0036](2)對(duì)GaAs襯底進(jìn)行除氣預(yù)處理,具體為:
[0037]將清洗完畢后的GaAs襯底送入分子束外延進(jìn)樣室預(yù)除氣半小時(shí)；再送入傳遞室400 C除氣I小時(shí)，完成除氣后送入生長(zhǎng)室；[0038](3)對(duì)GaAs襯底進(jìn)行脫氧化膜處理，具體為:在砷束流保護(hù)下，將GaAs襯底溫度升至650°C，高溫烘烤10分鐘。
[0039](4)生長(zhǎng)GaAs緩沖層=GaAs襯底溫度為580°C，Ga源溫度為950°C，As源的溫度為270°C，反應(yīng)室壓力為3X10_5Torr，V-1II束流比為30，生長(zhǎng)速率為1.5ML/s，生長(zhǎng)厚度為150nm的GaAs緩沖層；本步驟對(duì)InGaAsN外延層薄膜表面的平整度起著重要作用。
[0040](5)生長(zhǎng)InGaAsN外延層薄膜=GaAs襯底溫度在440°C，Ga源溫度為950°C，As源的溫度為270°C，反應(yīng)室壓力2.0X KT5Torr，在不計(jì)入N的情況下V-1II束流比為35，產(chǎn)生射頻N等離子體的電源功率為200W，N2流量為0.2sccm,生長(zhǎng)速度1.6ML/s,生長(zhǎng)厚度為1.0 μ m的InGaAsN外延層薄膜。
[0041]本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜，包括生長(zhǎng)在GaAs襯底上的GaAs緩沖層、生長(zhǎng)在GaAs緩沖層上的InGaAsN外延層薄膜。
[0042]本實(shí)施例制備得到的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜測(cè)試結(jié)果與實(shí)施例1類似，在此不再贅述。
[0043]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜，其特征在于，包括生長(zhǎng)在GaAs襯底上的GaAs緩沖層、生長(zhǎng)在GaAs緩沖層上的InGaAsN外延層薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜，其特征在于，所述GaAs緩沖層的厚度為100?150nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生長(zhǎng)在GaAs襯底上的InGaAsN薄膜，其特征在于，所述InGaAsN外延層薄膜的厚度為300nm?I μ m。
【文檔編號(hào)】H01L31/0304GK203826398SQ201420191792
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】李國(guó)強(qiáng), 李景靈, 高芳亮, 管云芳, 溫雷, 張曙光 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)