专利名称：一种晶格渐变缓冲层的制备方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，涉及半导体器件的结构及制造方法，尤其是一种 晶格渐变缓冲层的制备方法。
背景技术：
自从20世纪70年代开始，随着液相外延(LPE)、金属有机化学气相沉积 (MOCVD)和分子束外延(MBE)等外延设备的逐渐发展和成熟，当今的各种半导体器件 都是在各种商业提供的外延衬底上采用外延生长的方式来制备的。这种生长方式决定了 在绝大多数情况下，外延材料必须与外延衬底保持晶格匹配，否则会由于晶格失配产生 内应力，造成晶体内部出现非常多的失配位错和穿透位错。由于位错破坏了晶体的平移 对称性，在全部位错线上有大量的深能级态在带隙中存在，会对器件造成非常恶劣的影 响，这种影响主要表现在如下三个方面①穿透位错周围的材料是耗尽的，因为多数载 流子都落入了深能级态；②通常，像深能级一样，穿透位错为少数载流子提供了一个有 效的非辐射复合途径，会减小少子的寿命；③沿着穿透位错线，跳跃电导现象可能会发 生，这会产生泄漏电流。然而，由于商业可以提供的衬底材料非常有限，导致了外延材 料的选择也非常有限，远远不能满足器件的需求。为了控制外延材料与衬底晶格失配对器件造成的影响，在外延生长中通常采用 两种技术应变补偿和晶格渐变。但是前者只限于在量子阱等薄膜型材料的应用中， 在层厚较厚的材料中，则主要应用后者。晶格渐变一般由晶格单调增大的若干层材料组 成，以实现晶格从衬底到外延材料的转变。但是，由于渐变层中残余压应变的存在，渐 变层表面的晶格常数通常要小于所要控制达到的晶格常数，这样结构和器件表面的穿透 位错密度仍然很大，不能很好地消除失配的影响；同时，当渐变层顶端材料与其上面材 料不同时，异质结材料界面的差异也会对材料和器件的性能造成很大影响。因此，现有晶格匹配的生长技术已不能满足未来以高效太阳电池为代表的各种 新型半导体器件的需要，必须在晶格失配技术方面寻求技术创新。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有外延材料因与衬底晶格不匹配造成的器件性能 恶化的影响，提出一种改进的、能有效控制器件表面的穿透位错密度的晶格渐变缓冲层 的制备方法。本发明的目的是通过以下方案来实现的—种晶格渐变缓冲层的制备方法，步骤是步骤(1)以商用锗单晶、砷化镓单晶或磷化铟单晶为衬底；步骤(2):利用外延技术外延一层与衬底材料晶格匹配的材料作为成核层；步骤(3)在成核层外延生长晶格渐变层，该晶格渐变层由若干组份逐渐增大 的砷化铟镓材料组成，直至顶层材料晶格达到理想晶格或略低于理想晶格；
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步骤(4)在晶格渐变层上外延一层晶格常数大于理想晶格的砷化铟镓材料作 为晶格过冲层；步骤(5)外延一层晶格常数等于理想晶格的、与在其紧邻上层生长材料相同 的材料作为晶格缓冲层。而且，所述衬底包括砷化镓、磷化铟、磷化镓、氮化镓、锑化镓等；衬底表面 可具有(100)、(110)或者(111)结晶学方向，或者其它指数面方向，以及包括在上述方 向上向其它方向有0-15度的偏角。而且，所述外延技术包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延 (MBE)和液相外延(LPE)。而且，所述成核层、晶格渐变层、晶格过冲层和晶格缓冲层的各层材料为砷化 铟镓，或者为磷化铟镓、砷化铟铝镓等各种III-V和II-VI族材料或者它们的组合。而且，所述晶格渐变层的理想晶格的设定标准为设晶格常数为其对应 InGaAs材料铟(In)摩尔组份为4% -90%之间任意一固定值；晶格渐变层为晶格连续线 性渐变，或者为晶格连续非线性渐变，或者为晶格线性阶跃渐变，或者为晶格非线性阶 跃渐变，及以上各种情况的组合。而且，所述晶格过冲层，设定方式为设过冲层晶格常数为a。，则a。>ai，并且 其失配而且，所述晶格缓冲层的设定标准为缓冲层晶格常数为ab，则ab = ai。本发明的优点和积极效果是1、本发明所提出的渐变缓冲层技术，通过在外延衬底上构造晶格渐变层、晶格 过冲层和晶格缓冲层来把衬底的晶格调整到任意想要的晶格，同时保证缓冲层表面的穿 透位错密度保持在可控的范围内，以使在缓冲层上外延生长的器件的性能几乎不受穿透 位错的影响，可以在商用衬底上形成一个具有任意晶格常数的虚拟衬底，同时其表面穿 透位错密度可控，从而大大降低了半导体器件对商用衬底的依赖性。2、本发明所提出的渐变缓冲层技术，可有效控制缺陷密度，克服晶格失配造成 的太阳电池性能下降等影响，有效提高太阳电池的效率，在太阳电池、半导体激光器、 探测器、光发射二极管等各种半导体器件和装置中都有非常大的应用空间。
图1本发明晶格渐变缓冲层的结构示意图。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是 限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。本发明所涉及的晶格渐变缓冲层也可应用于太空和地面的太阳电池，以及半导 体激光器(LD)、半导体光发射二极管(LED)、半导体探测器等装置等。一种晶格渐变缓冲层的制备方法，步骤是步骤(1)以锗(Ge)单晶为衬底11 ；该衬底材料可以为锗、硅，以及III-V和II-VI族材料或者它们的组合，包括砷化镓、磷化铟、磷化镓、氮化镓、锑化镓等；衬底 表面可具有(100)、(110)或者(111)结晶学方向，或者其它指数面方向，以及包括在上 述方向上向其它方向有0-15度的偏角。步骤(2)利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和液相 外延(LPE)等现有外延技术，进行材料的外延生长；为使本发明申请的核心功能层—— 晶格渐变缓冲层结构不受衬底缺陷的影响，首先必须外延一层与衬底材料晶格匹配的材 料作为成核层12。该成核层可以为砷化镓，也可以为砷化铟镓、磷化铟镓、砷化铝镓等 各种III-V和II-VI族材料或者它们的组合。而对于本实施例的Ge单晶衬底，首先外延 GaAs材料作为成核层。步骤(3)在成核层外延生长晶格渐变层13，该晶格渐变层由若干组份逐渐 增大的砷化铟镓(InGaAs)材料组成，直至顶层材料晶格达到理想晶格或略低于理想晶 格，理想晶格的设定标准为设晶格常数为a1;其对应InGaAs材料铟(In)摩尔组份为 4%-90%之间任意一固定值；晶格渐变层可以为晶格连续线性渐变，也可以为晶格连续 非线性渐变，也可以为晶格线性阶跃渐变，也可以为晶格非线性阶跃渐变，及以上各种 情况的组合。可选材料除InGaAs外，也可以为磷化铟镓、砷化铝镓等各种III-V和II-VI 族材料或者它们的组合。步骤(4)在晶格渐变层上外延一层晶格常数大于理想晶格的InGaAs材料作为 晶格过冲层14;外延一层晶格常数大于理想晶格的InGaAs材料作为晶格过冲层，设定
方式为设过冲层晶格常数为a。，则a。>ai，并且其失配5iP <7xlQ—2。可选材料除
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InGaAs外，也可以为磷化铟镓、砷化铝镓等各种III-V和II-VI族材料或者它们的组合。步骤(5)外延一层晶格常数等于理想晶格的、与在其紧邻上层生长的材料相 同的材料作为晶格缓冲层15，设定标准为缓冲层晶格常数为ab，则ab = ai。应用实例对于现有晶格匹配Ina49Gaa51PAncuilGaa99AsziGe三结太阳电池，由于 顶电池InGaP和中间电池InGaAs必须与底电池Ge的晶格保持匹配，导致顶电池、中间 电池和底电池的短路电流不匹配，限制了转换效率的进一步提升。但是通过降低InGaP 和InGaAs子电池的带隙，增加顶电池和中间电池的光谱响应范围，可以使得顶电池、中 间电池和底电池的短路电流相匹配，从而大幅度提高太阳电池的光电转换效率。然而， 这些材料与Ge的晶格并不匹配，这会恶化太阳电池的性能。通过采用本发明提出的晶格 渐变缓冲层结构，可以克服晶格失配造成的穿透位错对太阳电池器件性能的影响，达到 提高太阳电池效率的目的。本发明的工作原理本发明所涉及的渐变缓冲层技术，其最优生长策略为能够使已有位错的滑移最 大化，同时使穿透位错的成核和增殖最小化；可在获得较大的晶格失配的同时，维持较 低的穿透位错密度。在此基础上，渐变缓冲层结构可以从三个方面来有效地增加穿透 位错的相互作用，从而减少穿透位错(1).当渐变层生长时，新位错的最小能量位置位 于先前没有位错的区域。这样，在均勻层中阻止穿透位错运动的钉扎在渐变层中会被 减少；(2).在接近表面处，组分渐变层有更大的残留应变，相对于均勻层来说远离平衡 态，这导致对穿透位错的作用力大大地增加；(3).在缓冲层的深处，由于位错环的成核，应变被极大地减少；而在表面处，成核是被阻止的，这样通过将现存的穿透位错滑 移到层边缘，促成应变弛豫。经过精心地理论设计，一个与渐变缓冲层表面晶格共格生 长的、包含微弱应变的无穿透位错区域可以在渐变缓冲层的表面存在；并且，随着表面 的生长，表面残留应变和无位错区厚度保持不变。特别地，如果衬底的晶格常数是％， 最终电池区的晶格常数是那么渐变缓冲层最顶端表面的组分应该对应于的晶格常数 为义=^+^^，也就是说，渐变缓冲层的“过冲”组分设计是十分必要的(^为渐变缓冲 层表面的残留应变)。
权利要求
1.一种晶格渐变缓冲层的制备方法，其特征在于步骤是步骤(1)以商用锗单晶、砷化镓单晶或磷化铟单晶为衬底；步骤(2)利用外延技术外延一层与衬底材料晶格匹配的材料作为成核层；步骤(3)在成核层外延生长晶格渐变层，该晶格渐变层由若干组份逐渐增大的砷 化铟镓材料组成，直至顶层材料晶格达到理想晶格或略低于理想晶格；步骤(4)在晶格渐变层上外延一层晶格常数大于理想晶格的砷化铟镓材料作为晶 格过冲层；步骤(5)外延一层晶格常数等于理想晶格的、与在其紧邻上层生长材料相同的材 料作为晶格缓冲层。
2.根据权利要求1所述的晶格渐变缓冲层的制备方法，其特征在于所述衬底包 括砷化镓、磷化铟、磷化镓、氮化镓、锑化镓等；衬底表面可具有(100)、(110)或者 (111)结晶学方向，或者其它指数面方向，以及包括在上述方向上向其它方向有0-15度 的偏角。
3.根据权利要求1所述的晶格渐变缓冲层的制备方法，其特征在于所述外延技术 包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和液相外延(LPE)。
4.根据权利要求1所述的晶格渐变缓冲层的制备方法，其特征在于所述成核层、 晶格渐变层、晶格过冲层和晶格缓冲层的各层材料为砷化铟镓，或者为磷化铟镓、砷化 铟铝镓等各种III-V和II-VI族材料或者它们的组合。
5.根据权利要求1或4所述的晶格渐变缓冲层的制备方法，其特征在于所述晶格 渐变层的理想晶格的设定标准为设晶格常数为a1;其对应InGaAs材料铟(In)摩尔组份 为4%-90%之间任意一固定值；晶格渐变层为晶格连续线性渐变，或者为晶格连续非线 性渐变，或者为晶格线性阶跃渐变，或者为晶格非线性阶跃渐变，及以上各种情况的组合。
6.根据权利要求1或4所述的晶格渐变缓冲层的制备方法，其特征在于所述晶格过 冲层，设定方式为设过冲层晶格常数为a。，则a。>ai，并且其失配5iP <7xlQ—2°aI
7.根据权利要求1或4所述的晶格渐变缓冲层的制备方法，其特征在于所述晶格缓 冲层的设定标准为缓冲层晶格常数为ab，则ab = ai。
全文摘要
本发明涉及一种晶格渐变缓冲层的制备方法，步骤(1)以商用锗单晶、砷化镓单晶或磷化铟单晶为衬底；步骤(2)利用外延技术外延一层与衬底材料晶格匹配的材料作为成核层；步骤(3)在成核层外延生长晶格渐变层，该晶格渐变层由若干组份逐渐增大的砷化铟镓材料组成，直至顶层材料晶格达到理想晶格或略低于理想晶格；步骤(4)在晶格渐变层上外延一层晶格常数大于理想晶格的砷化铟镓材料作为晶格过冲层；步骤(5)外延一层晶格常数等于理想晶格的、与在其紧邻上层生长的材料相同的材料作为晶格缓冲层。本发明解决了现有外延材料因与衬底晶格不匹配造成的器件性能恶化的影响，能有效控制器件表面的穿透位错密度。
文档编号C30B25/16GK102011182SQ201010295458
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者刘如彬, 孙强, 孙彦铮, 王帅 申请人:中国电子科技集团公司第十八研究所