專利名稱：一種晶格漸變緩沖層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)及制造方法，尤其是一種 晶格漸變緩沖層的制備方法。
背景技術(shù)：
自從20世紀(jì)70年代開始，隨著液相外延(LPE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD)和分子束外延(MBE)等外延設(shè)備的逐漸發(fā)展和成熟，當(dāng)今的各種半導(dǎo)體器件 都是在各種商業(yè)提供的外延襯底上采用外延生長(zhǎng)的方式來制備的。這種生長(zhǎng)方式?jīng)Q定了 在絕大多數(shù)情況下，外延材料必須與外延襯底保持晶格匹配，否則會(huì)由于晶格失配產(chǎn)生 內(nèi)應(yīng)力，造成晶體內(nèi)部出現(xiàn)非常多的失配位錯(cuò)和穿透位錯(cuò)。由于位錯(cuò)破壞了晶體的平移 對(duì)稱性，在全部位錯(cuò)線上有大量的深能級(jí)態(tài)在帶隙中存在，會(huì)對(duì)器件造成非常惡劣的影 響，這種影響主要表現(xiàn)在如下三個(gè)方面①穿透位錯(cuò)周圍的材料是耗盡的，因?yàn)槎鄶?shù)載 流子都落入了深能級(jí)態(tài)；②通常，像深能級(jí)一樣，穿透位錯(cuò)為少數(shù)載流子提供了一個(gè)有 效的非輻射復(fù)合途徑，會(huì)減小少子的壽命；③沿著穿透位錯(cuò)線，跳躍電導(dǎo)現(xiàn)象可能會(huì)發(fā) 生，這會(huì)產(chǎn)生泄漏電流。然而，由于商業(yè)可以提供的襯底材料非常有限，導(dǎo)致了外延材 料的選擇也非常有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足器件的需求。為了控制外延材料與襯底晶格失配對(duì)器件造成的影響，在外延生長(zhǎng)中通常采用 兩種技術(shù)應(yīng)變補(bǔ)償和晶格漸變。但是前者只限于在量子阱等薄膜型材料的應(yīng)用中， 在層厚較厚的材料中，則主要應(yīng)用后者。晶格漸變一般由晶格單調(diào)增大的若干層材料組 成，以實(shí)現(xiàn)晶格從襯底到外延材料的轉(zhuǎn)變。但是，由于漸變層中殘余壓應(yīng)變的存在，漸 變層表面的晶格常數(shù)通常要小于所要控制達(dá)到的晶格常數(shù)，這樣結(jié)構(gòu)和器件表面的穿透 位錯(cuò)密度仍然很大，不能很好地消除失配的影響；同時(shí)，當(dāng)漸變層頂端材料與其上面材 料不同時(shí)，異質(zhì)結(jié)材料界面的差異也會(huì)對(duì)材料和器件的性能造成很大影響。因此，現(xiàn)有晶格匹配的生長(zhǎng)技術(shù)已不能滿足未來以高效太陽電池為代表的各種 新型半導(dǎo)體器件的需要，必須在晶格失配技術(shù)方面尋求技術(shù)創(chuàng)新。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有外延材料因與襯底晶格不匹配造成的器件性能 惡化的影響，提出一種改進(jìn)的、能有效控制器件表面的穿透位錯(cuò)密度的晶格漸變緩沖層 的制備方法。本發(fā)明的目的是通過以下方案來實(shí)現(xiàn)的—種晶格漸變緩沖層的制備方法，步驟是步驟(1)以商用鍺單晶、砷化鎵單晶或磷化銦單晶為襯底；步驟(2):利用外延技術(shù)外延一層與襯底材料晶格匹配的材料作為成核層；步驟(3)在成核層外延生長(zhǎng)晶格漸變層，該晶格漸變層由若干組份逐漸增大 的砷化銦鎵材料組成，直至頂層材料晶格達(dá)到理想晶格或略低于理想晶格；
3
步驟(4)在晶格漸變層上外延一層晶格常數(shù)大于理想晶格的砷化銦鎵材料作 為晶格過沖層；步驟(5)外延一層晶格常數(shù)等于理想晶格的、與在其緊鄰上層生長(zhǎng)材料相同 的材料作為晶格緩沖層。而且，所述襯底包括砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、氮化鎵、銻化鎵等；襯底表面 可具有(100)、(110)或者(111)結(jié)晶學(xué)方向，或者其它指數(shù)面方向，以及包括在上述方 向上向其它方向有0-15度的偏角。而且，所述外延技術(shù)包括金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延 (MBE)和液相外延(LPE)。而且，所述成核層、晶格漸變層、晶格過沖層和晶格緩沖層的各層材料為砷化 銦鎵，或者為磷化銦鎵、砷化銦鋁鎵等各種III-V和II-VI族材料或者它們的組合。而且，所述晶格漸變層的理想晶格的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)晶格常數(shù)為其對(duì)應(yīng) InGaAs材料銦(In)摩爾組份為4% -90%之間任意一固定值；晶格漸變層為晶格連續(xù)線 性漸變，或者為晶格連續(xù)非線性漸變，或者為晶格線性階躍漸變，或者為晶格非線性階 躍漸變，及以上各種情況的組合。而且，所述晶格過沖層，設(shè)定方式為設(shè)過沖層晶格常數(shù)為a。，則a。>ai，并且 其失配而且，所述晶格緩沖層的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為緩沖層晶格常數(shù)為ab，則ab = ai。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是1、本發(fā)明所提出的漸變緩沖層技術(shù)，通過在外延襯底上構(gòu)造晶格漸變層、晶格 過沖層和晶格緩沖層來把襯底的晶格調(diào)整到任意想要的晶格，同時(shí)保證緩沖層表面的穿 透位錯(cuò)密度保持在可控的范圍內(nèi)，以使在緩沖層上外延生長(zhǎng)的器件的性能幾乎不受穿透 位錯(cuò)的影響，可以在商用襯底上形成一個(gè)具有任意晶格常數(shù)的虛擬襯底，同時(shí)其表面穿 透位錯(cuò)密度可控，從而大大降低了半導(dǎo)體器件對(duì)商用襯底的依賴性。2、本發(fā)明所提出的漸變緩沖層技術(shù)，可有效控制缺陷密度，克服晶格失配造成 的太陽電池性能下降等影響，有效提高太陽電池的效率，在太陽電池、半導(dǎo)體激光器、 探測(cè)器、光發(fā)射二極管等各種半導(dǎo)體器件和裝置中都有非常大的應(yīng)用空間。


圖1本發(fā)明晶格漸變緩沖層的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實(shí)施例只是描述性的，不是 限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明所涉及的晶格漸變緩沖層也可應(yīng)用于太空和地面的太陽電池，以及半導(dǎo) 體激光器(LD)、半導(dǎo)體光發(fā)射二極管(LED)、半導(dǎo)體探測(cè)器等裝置等。一種晶格漸變緩沖層的制備方法，步驟是步驟(1)以鍺(Ge)單晶為襯底11 ；該襯底材料可以為鍺、硅，以及III-V和II-VI族材料或者它們的組合，包括砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、氮化鎵、銻化鎵等；襯底 表面可具有(100)、(110)或者(111)結(jié)晶學(xué)方向，或者其它指數(shù)面方向，以及包括在上 述方向上向其它方向有0-15度的偏角。步驟(2)利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)和液相 外延(LPE)等現(xiàn)有外延技術(shù)，進(jìn)行材料的外延生長(zhǎng)；為使本發(fā)明申請(qǐng)的核心功能層—— 晶格漸變緩沖層結(jié)構(gòu)不受襯底缺陷的影響，首先必須外延一層與襯底材料晶格匹配的材 料作為成核層12。該成核層可以為砷化鎵，也可以為砷化銦鎵、磷化銦鎵、砷化鋁鎵等 各種III-V和II-VI族材料或者它們的組合。而對(duì)于本實(shí)施例的Ge單晶襯底，首先外延 GaAs材料作為成核層。步驟(3)在成核層外延生長(zhǎng)晶格漸變層13，該晶格漸變層由若干組份逐漸 增大的砷化銦鎵(InGaAs)材料組成，直至頂層材料晶格達(dá)到理想晶格或略低于理想晶 格，理想晶格的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)晶格常數(shù)為a1;其對(duì)應(yīng)InGaAs材料銦(In)摩爾組份為 4%-90%之間任意一固定值；晶格漸變層可以為晶格連續(xù)線性漸變，也可以為晶格連續(xù) 非線性漸變，也可以為晶格線性階躍漸變，也可以為晶格非線性階躍漸變，及以上各種 情況的組合?？蛇x材料除InGaAs外，也可以為磷化銦鎵、砷化鋁鎵等各種III-V和II-VI 族材料或者它們的組合。步驟(4)在晶格漸變層上外延一層晶格常數(shù)大于理想晶格的InGaAs材料作為 晶格過沖層14;外延一層晶格常數(shù)大于理想晶格的InGaAs材料作為晶格過沖層，設(shè)定
方式為設(shè)過沖層晶格常數(shù)為a。，則a。>ai，并且其失配5iP <7xlQ—2?？蛇x材料除
aI
InGaAs外，也可以為磷化銦鎵、砷化鋁鎵等各種III-V和II-VI族材料或者它們的組合。步驟(5)外延一層晶格常數(shù)等于理想晶格的、與在其緊鄰上層生長(zhǎng)的材料相 同的材料作為晶格緩沖層15，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為緩沖層晶格常數(shù)為ab，則ab = ai。應(yīng)用實(shí)例對(duì)于現(xiàn)有晶格匹配Ina49Gaa51PAncuilGaa99AsziGe三結(jié)太陽電池，由于 頂電池InGaP和中間電池InGaAs必須與底電池Ge的晶格保持匹配，導(dǎo)致頂電池、中間 電池和底電池的短路電流不匹配，限制了轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。但是通過降低InGaP 和InGaAs子電池的帶隙，增加頂電池和中間電池的光譜響應(yīng)范圍，可以使得頂電池、中 間電池和底電池的短路電流相匹配，從而大幅度提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。然而， 這些材料與Ge的晶格并不匹配，這會(huì)惡化太陽電池的性能。通過采用本發(fā)明提出的晶格 漸變緩沖層結(jié)構(gòu)，可以克服晶格失配造成的穿透位錯(cuò)對(duì)太陽電池器件性能的影響，達(dá)到 提高太陽電池效率的目的。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明所涉及的漸變緩沖層技術(shù)，其最優(yōu)生長(zhǎng)策略為能夠使已有位錯(cuò)的滑移最 大化，同時(shí)使穿透位錯(cuò)的成核和增殖最小化；可在獲得較大的晶格失配的同時(shí)，維持較 低的穿透位錯(cuò)密度。在此基礎(chǔ)上，漸變緩沖層結(jié)構(gòu)可以從三個(gè)方面來有效地增加穿透 位錯(cuò)的相互作用，從而減少穿透位錯(cuò)(1).當(dāng)漸變層生長(zhǎng)時(shí)，新位錯(cuò)的最小能量位置位 于先前沒有位錯(cuò)的區(qū)域。這樣，在均勻?qū)又凶柚勾┩肝诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的釘扎在漸變層中會(huì)被 減少；(2).在接近表面處，組分漸變層有更大的殘留應(yīng)變，相對(duì)于均勻?qū)觼碚f遠(yuǎn)離平衡 態(tài)，這導(dǎo)致對(duì)穿透位錯(cuò)的作用力大大地增加；(3).在緩沖層的深處，由于位錯(cuò)環(huán)的成核，應(yīng)變被極大地減少；而在表面處，成核是被阻止的，這樣通過將現(xiàn)存的穿透位錯(cuò)滑 移到層邊緣，促成應(yīng)變弛豫。經(jīng)過精心地理論設(shè)計(jì)，一個(gè)與漸變緩沖層表面晶格共格生 長(zhǎng)的、包含微弱應(yīng)變的無穿透位錯(cuò)區(qū)域可以在漸變緩沖層的表面存在；并且，隨著表面 的生長(zhǎng)，表面殘留應(yīng)變和無位錯(cuò)區(qū)厚度保持不變。特別地，如果襯底的晶格常數(shù)是％， 最終電池區(qū)的晶格常數(shù)是那么漸變緩沖層最頂端表面的組分應(yīng)該對(duì)應(yīng)于的晶格常數(shù) 為義=^+^^，也就是說，漸變緩沖層的“過沖”組分設(shè)計(jì)是十分必要的(^為漸變緩沖 層表面的殘留應(yīng)變)。
權(quán)利要求
1.一種晶格漸變緩沖層的制備方法，其特征在于步驟是步驟(1)以商用鍺單晶、砷化鎵單晶或磷化銦單晶為襯底；步驟(2)利用外延技術(shù)外延一層與襯底材料晶格匹配的材料作為成核層；步驟(3)在成核層外延生長(zhǎng)晶格漸變層，該晶格漸變層由若干組份逐漸增大的砷 化銦鎵材料組成，直至頂層材料晶格達(dá)到理想晶格或略低于理想晶格；步驟(4)在晶格漸變層上外延一層晶格常數(shù)大于理想晶格的砷化銦鎵材料作為晶 格過沖層；步驟(5)外延一層晶格常數(shù)等于理想晶格的、與在其緊鄰上層生長(zhǎng)材料相同的材 料作為晶格緩沖層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶格漸變緩沖層的制備方法，其特征在于所述襯底包 括砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、氮化鎵、銻化鎵等；襯底表面可具有(100)、(110)或者 (111)結(jié)晶學(xué)方向，或者其它指數(shù)面方向，以及包括在上述方向上向其它方向有0-15度 的偏角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶格漸變緩沖層的制備方法，其特征在于所述外延技術(shù) 包括金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)和液相外延(LPE)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶格漸變緩沖層的制備方法，其特征在于所述成核層、 晶格漸變層、晶格過沖層和晶格緩沖層的各層材料為砷化銦鎵，或者為磷化銦鎵、砷化 銦鋁鎵等各種III-V和II-VI族材料或者它們的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的晶格漸變緩沖層的制備方法，其特征在于所述晶格 漸變層的理想晶格的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)晶格常數(shù)為a1;其對(duì)應(yīng)InGaAs材料銦(In)摩爾組份 為4%-90%之間任意一固定值；晶格漸變層為晶格連續(xù)線性漸變，或者為晶格連續(xù)非線 性漸變，或者為晶格線性階躍漸變，或者為晶格非線性階躍漸變，及以上各種情況的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的晶格漸變緩沖層的制備方法，其特征在于所述晶格過 沖層，設(shè)定方式為設(shè)過沖層晶格常數(shù)為a。，則a。>ai，并且其失配5iP <7xlQ—2°aI
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的晶格漸變緩沖層的制備方法，其特征在于所述晶格緩 沖層的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為緩沖層晶格常數(shù)為ab，則ab = ai。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種晶格漸變緩沖層的制備方法，步驟(1)以商用鍺單晶、砷化鎵單晶或磷化銦單晶為襯底；步驟(2)利用外延技術(shù)外延一層與襯底材料晶格匹配的材料作為成核層；步驟(3)在成核層外延生長(zhǎng)晶格漸變層，該晶格漸變層由若干組份逐漸增大的砷化銦鎵材料組成，直至頂層材料晶格達(dá)到理想晶格或略低于理想晶格；步驟(4)在晶格漸變層上外延一層晶格常數(shù)大于理想晶格的砷化銦鎵材料作為晶格過沖層；步驟(5)外延一層晶格常數(shù)等于理想晶格的、與在其緊鄰上層生長(zhǎng)的材料相同的材料作為晶格緩沖層。本發(fā)明解決了現(xiàn)有外延材料因與襯底晶格不匹配造成的器件性能惡化的影響，能有效控制器件表面的穿透位錯(cuò)密度。
文檔編號(hào)C30B25/16GK102011182SQ201010295458
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者劉如彬, 孫強(qiáng), 孫彥錚, 王帥 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所