CN102560634A - 在GaAs衬底上生长InGaAs薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了在GaAs衬底上生长InGaAs薄膜的方法，包括(1)GaAs衬底清洗；(2)GaAs衬底预处理；(3)脱氧化膜；(4)GaAs缓冲层生长；(5)低温单层In0.6Ga0.4As大失配缓冲层的生长；(6)In0.3Ga0.7As外延薄膜的生长；其中In0.6Ga0.4As大失配缓冲层和In0.3Ga0.7As外延层都可采用分子束外延生长或金属有机气相沉积技术制备，通过该大失配缓冲层降低由于失配应力造成的各类缺陷，所制备的In0.3Ga0.7As外延层缺陷密度较低，具有缓冲层结构简单、外延生长过程简便、In0.3Ga0.7As外延薄膜缺陷密度低、晶体质量高等优点。

Description

在GaAs衬底上生长InGaAs薄膜的方法
技术领域
本发明应用在太阳能电池、高电子迁移率晶体管、光电二极管、光电探测器等领域，尤其涉及在GaAs衬底上生长InGaAs薄膜的方法。
背景技术
随着太阳能光伏发电产业和市场的迅速发展，以及在空间飞行器能源系统需求的牵引下，光伏技术不断取得重要突破：晶体硅、非晶硅、多晶硅太阳电池，III-V族化合物半导体电池，II-VI族化合物半导体电池等，越来越多的太阳电池技术日趋成熟，同时，相应的光电转换效率不断提高，使今天的光伏技术在空间和地面都得到了越来越广泛的应用。基于GaAs的III-V族化合物半导体电池技术的迅速发展是最引人瞩目、里程碑式的突破；并且GaAs基系太阳电池效率高、抗辐照性能好、耐高温、可靠性好，符合空间环境对太阳电池的要求，因此，GaAs基系太阳电池在空间科学领域正逐步取代硅系列太阳电池，成为空间太阳能发电系统的主电源。由于GaAs材料的能带为1.42 eV，单结GaAs太阳电池只能吸收某一特定波长的太阳光，因此其光电转换效率受到限制。为了提高太阳能电池对太阳光的利用率，需要采用多结叠层太阳能电池结构，对太阳光谱进行“分割”。目前，基于GaAs衬底的GaAs高效多结叠层太阳电池已经获得＞41％的光电转换效率。
要获得更高光电转换效率，多结叠层太阳电池的能带匹配是关键。目前常规三结GaAs系太阳电池方面，主要是GaInP/InGaAs/Ge(1.84/1.4/0.67)结构太阳电池，该体系以晶格匹配为首要考虑原则，进而限制了材料体系的选择，电池的转换效率提升空间非常有限。为了解决带隙失配严重制约三结叠层电池性能的问题，最新技术尝试采用选择GaAs为衬底的晶格失配体系，底电池带宽为1eV的理想能带匹配体系。四结叠层太阳电池的理想能带匹配是1.8/1.4/1.0/0.67 eV，通过理论计算，尽管1eV GaInNAs材料作为第三结太阳电池的带隙和晶格大小较为合适，但GaInNAs外延材料的少子寿命低，严重限制了四结叠层太阳电池的电流密度，成为制约效率提高的关键因素。因此，根据目前外延生长技术、外延设备的发展及材料的性能，能带为1eV的最佳材料为三元半导体化合物In0.3Ga0.7As。
化合物半导体的光电特性与材料缺陷密度有很密切的联系。因此，制备高质量、低缺陷密度的In0.3Ga0.7As薄膜具有极其重要的意义。In0.3Ga0.7As(1eV，a＝0.57 748nm)与GaAs(a＝0.56 533nm)衬底的晶格失配度为2.15％，如果在GaAs衬底直接生长In0.3Ga0.7As材料，晶格失配所带来的穿透位错、应力，会使外延材料体内产生大量的位错、缺陷以及表面起伏，从而恶化器件的性能，造成太阳能电池光电转换效率低。因此，在GaAs衬底上制备高质量的In0.3Ga0.7As薄膜一直是研究的热点与难点。为了获得缺陷密度低、材料性能好的In0.3Ga0.7As材料，最佳途径是先在GaAs衬底上外延生长缓冲层材料，然后再外延生长In0.3Ga0.7As材料。
目前，GaAs基系高效多结叠层太阳能电池中采用的都是多层的组分渐变、组分跳变、组分逆变等缓冲层结构(如图1所示)，这些多层结构的缓冲层在太阳电池结构中需要外延生长多层较厚的缓冲层，生长步骤繁琐，而且很难精确控制每一层材料的成分、厚度、以及晶体质量，从而影响最终获得的In0.3Ga0.7As薄膜质量。
发明内容
为克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供在GaAs衬底上生长InGaAs薄膜的方法，通过采用低温单层In0.6Ga0.4As大失配缓冲层技术过滤位错和释放压力，并控制合理的生长参数，获得了低缺陷密度、高晶体质量的In0.3Ga0.7As外延薄膜，大幅度简化了该薄膜材料的生长工艺。
本发明目的通过如下技术方案实现：
在GaAs衬底上生长InGaAs薄膜的方法，包含如下步骤：
(1)GaAs衬底清洗
超声去除GaAs衬底表面粘污颗粒；经过三氯乙烯、丙酮、甲醇洗涤，去除表面有机物；将GaAs衬底放在60℃的H2SO4∶H2O2∶H2O(5∶1∶1)溶液中腐蚀2分钟；经HCl清洗去除表面氧化物和有机物；去离子水漂洗；清洗后的GaAs衬底用经过过滤的干燥氮气吹干；
(2)GaAs衬底预处理
GaAs衬底清洗完毕后，送入分子束外延进样室预除气半小时；再送入传递室300-400℃除气1小时，完成除气后送入生长室；
(3)脱氧化膜
GaAs衬底进入生长室后，在砷束流保护下，将衬底温度升至680℃，高温烘烤15分钟，除去衬底表面的氧化膜层；
(4)GaAs缓冲层生长
将GaAs衬底温度降至500℃，在反应室压力在7.2×10-5pa、V/III值为80、生长速度0.5ML/s条件生长100nm的GaAs缓冲层；
(5)低温单层In0.6Ga0.4As大失配缓冲层的生长
将GaAs衬底温度降至300℃，在反应室压力3.0×10-5pa、V/III值30、生长速度0.3ML/s条件下生长2～5nm的大失配的In0.6Ga0.4As缓冲层；本步骤涉及的In0.6Ga0.4As大失配缓冲层的生长温度(300℃)及厚度(2～5nm)对步骤(6)也即最终In0.3Ga0.7As外延薄膜的质量起决定作用。这两个参数应严格遵守。
(6)In0.3Ga0.7As外延薄膜的生长
将GaAs衬底温度升至550℃，在反应室压力4.0×10-5pa、V/III值60、生长速度0.6ML/s条件下，生长In0.3Ga0.7As外延薄膜；可根据所制备器件的实际要求，生长相应厚度的In0.3Ga0.7As外延薄膜。测试表明，当外延薄膜厚度大于30nm时，其缺陷密度低于7.5×106cm-2，(004)面X射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值低于0.04°。表明应用本发明生长出的In0.3Ga0.7As外延薄膜，无论是在缺陷密度还是在结晶质量上，都已经达到或优于应用传统的多层组分渐变缓冲层结构所获得的In0.3Ga0.7As薄膜。
本发明的InGaAs薄膜材料结构可采用分子束外延或金属有机气相沉积方法来制得。
上述方法得到的GaAs衬底上生长InGaAs薄膜，依次包括GaAs衬底和GaAs缓冲层、In0.6Ga0.4As大失配缓冲层，In0.3Ga0.7As薄膜。
以上描述了采用分子束外延，应用大失配单缓冲层技术在GaAs衬底上生长高质量低缺陷密度In0.3Ga0.7As薄膜的详细步骤。实践表明，采用金属有机气相沉积方法，通过控制合理的生长工艺，特别是控制低温单层In0.6Ga0.4As大失配缓冲层的生长温度及厚度，采用如图2所示的结构，同样可以在GaAs衬底上生长出高质量低缺陷密度的In0.3Ga0.7As薄膜。
本发明公开的在GaAs衬底上生长高质量低缺陷密度In0.3Ga0.7As薄膜的制备方法，以GaAs为衬底的低温单层In0.6Ga0.4As大失配缓冲层技术，在步骤(5)、(6)所述的结构及厚度下，采用分子束外延或金属有机气相沉积方法外延生长得到低缺陷密度的In0.3Ga0.7As材料，大大简化了缓冲层结构，并大幅度简化了外延生长工艺，可严格控制外延层的厚度、组分、掺杂浓度，获得表面形貌好、缺陷密度低、晶体质量高的In0.3Ga0.7As外延薄膜。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明使用了低温单层In0.6Ga0.4As大失配缓冲层技术，可有效过滤衬底与外延层之间由于晶格失配引起的位错，很好地释放应力。
(2)本发明使用低温单层大失配In0.6Ga0.4As缓冲层，能够有效地抑制界面的起伏，获得光滑平整的表面，进一步提高In0.3Ga0.7As外延层的结晶质量。
(3)本发明使用了单层In0.6Ga0.4As大失配缓冲层，与多层缓冲层相比，该方法简化了缓冲层结构，同时简化了外延生长工艺，可严格控制外延层的厚度、组分、掺杂浓度，从而获得表面形貌好、缺陷密度低、晶体质量高的In0.3Ga0.7As外延薄膜。
综上所述，本发明技术手段简便易行，具有缓冲层结构简单、外延生长过程简便、In0.3Ga0.7As外延薄膜缺陷密度低、晶体质量高等优点，便于推广应用。
附图说明
图1是目前流行采用的多层组分构成的多级缓冲层结构示意图。
图中：GaAs衬底和GaAs缓冲层11；In1-xGaxAs多级缓冲层12；In0.3Ga0.7As薄膜13；
图2是本发明的结构示意图，即采用本发明所述方法在GaAs衬底上生长低缺陷密度高质量In0.3Ga0.7As薄膜材料的结构。
图中：GaAs衬底和GaAs缓冲层21；In0.6Ga0.4As大失配缓冲层22；In0.3Ga0.7As薄膜23。
图3是本发明典型的GaAs/In0.6Ga0.4As/In0.3Ga0.7As高分辨电镜图。
图中：31为GaAs；32为In0.6Ga0.4As；33为In0.3Ga0.7As。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进行说明，但本发明不限于下述实施例。
如图2、图3所示。是本发明在GaAs衬底上生长InGaAs薄膜的方法，包含如下步骤：
(1)GaAs衬底清洗
外延衬底采用(001)晶向的n-GaAs衬底。超声去除GaAs衬底表面粘污颗粒；经过三氯乙烯、丙酮、甲醇洗涤，去除表面有机物；将GaAs衬底放在60℃的H2SO4∶H2O2∶H2O(5∶1∶1)溶液中腐蚀2分钟；经HCl清洗去除表面氧化物和有机物；去离子水漂洗；清洗后的GaAs衬底用经过过滤的干燥氮气吹干；
(2)GaAs衬底预处理
GaAs衬底清洗完毕后，送入分子束外延进样室预除气半小时；再送入传递室300-400℃除气1小时，完成除气后送入生长室；
(3)脱氧化膜
GaAs衬底进入生长室后，在砷束流保护下，将衬底温度升至680℃，高温烘烤15分钟，除去衬底表面的氧化膜层；
(4)GaAs缓冲层生长
将GaAs衬底温度降至500℃，在反应室压力在7.2×10-5pa、V/III值为80、生长速度0.5ML/s条件生长100nm的GaAs缓冲层；
(5)低温单层In0.6Ga0.4As大失配缓冲层22的生长
将GaAs衬底温度降至300℃，在反应室压力3.0×10-5pa、V/III值30、生长速度0.3ML/s条件下生长2～5nm的大失配的In0.6Ga0.4As缓冲层22；此步骤为本发明的核心内容。该步骤涉及的In0.6Ga0.4As低温单缓冲层的生长温度(300℃)及厚度(2～5nm)对步骤(6)也即最终In0.3Ga0.7As外延薄膜22的质量起决定作用。这两个参数应严格遵守。
(6)In0.3Ga0.7As外延薄膜的生长
将GaAs衬底温度升至550℃，在反应室压力4.0×10-5pa、V/III值60、生长速度0.6ML/s条件下，生长In0.3Ga0.7As外延薄膜23；可根据所制备器件的实际要求，生长相应厚度的In0.3Ga0.7As外延薄膜23。
本发明InGaAs薄膜材料结构可采用分子束外延或金属有机气相沉积方法来制得。
本发明所述方法得到的GaAs衬底上生长的InGaAs薄膜，依次包括GaAs衬底和GaAs缓冲层21、In0.6Ga0.4As大失配缓冲层22，In0.3Ga0.7As外延薄膜23；具体说，In0.6Ga0.4As大失配缓冲层22位于GaAs衬底和GaAs缓冲层21之上，In0.3Ga0.7As外延层23位于In0.6Ga0.4As大失配缓冲层22之上。本专利中In0.3Ga0.7As薄膜材料结构中的In0.6Ga0.4As低温大失配缓冲层和In0.3Ga0.7As外延层都可以采用分子束外延生长或者金属有机气相沉积技术制备，其中，In0.6Ga0.4As大失配缓冲层22的厚度控制在2～5nm，生长温度控制在300℃，才能通过该大失配缓冲层降低由于失配应力造成的各类缺陷，使得所制备的In0.3Ga0.7As外延层缺陷密度较低，晶体质量高。
从图3中可以看出。应用本发明生长出的In0.3Ga0.7As外延薄膜，无论是在缺陷密度还是在结晶质量上，都已经达到或优于应用传统的多层组分渐变缓冲层结构所获得的In0.3Ga0.7As薄膜。
如上所述便可较好地实现本发明。以上所述仅为本发明较佳实施方式，即依本发明申请专利范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims (3)

1.在GaAs衬底上生长InGaAs薄膜的方法，其特征在于包含如下步骤：
(1)GaAs衬底清洗
超声去除GaAs衬底表面粘污颗粒；经过三氯乙烯、丙酮、甲醇洗涤，去除表面有机物；将GaAs衬底放在60℃的H2SO4∶H2O2∶H2O(5∶1∶1)溶液中腐蚀2分钟；经HCl清洗去除表面氧化物和有机物；去离子水漂洗；清洗后的GaAs衬底用经过过滤的干燥氮气吹干；
(2)GaAs衬底预处理
GaAs衬底清洗完毕后，送入分子束外延进样室预除气半小时；再送入传递室300-400℃除气1小时，完成除气后送入生长室；
(3)脱氧化膜
GaAs衬底进入生长室后，在砷束流保护下，将GaAs衬底温度升至680℃，高温烘烤15分钟，除去衬底表面的氧化膜层；
(4)GaAs缓冲层生长
将GaAs衬底温度降至500℃，在反应室压力在7.2×10-5pa、V/III值为80、生长速度0.5ML/s条件生长100nm的GaAs缓冲层；
(5)低温单层In0.6Ga0.4As大失配缓冲层的生长
将GaAs衬底温度降至300℃，在反应室压力3.0×10-5pa、V/III值30、生长速度0.3ML/s条件下生长2～5nm的大失配的In0.6Ga0.4As缓冲层；
(6)In0.3Ga0.7As外延薄膜的生长
将GaAs衬底温度升至550℃，在反应室压力4.0×10-5pa、V/III值60、生长速度0.6ML/s条件下，生长In0.3Ga0.7As外延薄膜。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：本发明InGaAs薄膜结构采 用分子束外延或金属有机气相沉积方法来制得。
3.根据权利要求1所述方法得到的GaAs衬底上生长的InGaAs薄膜，其特征在于：依次包括GaAs衬底和GaAs缓冲层、In0.6Ga0.4As大失配缓冲层、In0.3Ga0.7As外延薄膜。 
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