CN105405757A - 一种提高GaAsN外延薄膜中N的并入量并降低间隙缺陷产生的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高GaAsN外延薄膜中N的并入量并降低间隙缺陷产生的方法，该方法利用外延生长技术将传统[100]外延取向改变为[n11]取向能有效提高N在GaAs中的并入量、并降低间隙缺陷的产生。本发明选择具有高密度表面三键活性位的(n11)B？GaAs材料作为衬底，来外延生长GaAsN材料。本发明利用(n11)B极性面(即As面)能够形成高密度三键Ⅴ位(即N或As位)，并结合N的高电负性特性来构筑N的活性吸附位，这能够有效地提高GaAsN中N的并入量并且可降低间隙缺陷的产生，可获得高质量的GaAsN薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过改变衬底的取向和极性来提高GaAsN外延薄膜中N的并入量并降低间隙缺陷产生的方法，属于半导体三元化合物薄膜材料生长技术领域。
背景技术
近年来，GaAsN材料因其独特的物理特性和潜在的应用价值越来越受到科研人员的关注。由于N原子和As原子在电负性和原子尺寸上存在较大的差异，GaAsN材料体系表现出独特的能带特性：随着N的并入，GaAsN的带隙不是增加而是迅速减小。这一能带特性使GaAsN材料在长波长激光器、高效多结太阳能电池等器件应用中具有独特的优势。例如美国SolarJunction公司将GaAsN材料应用于多结太阳能电池，并在2012年研发了Ga(In)AsN材料的三结电池在947倍聚光下效率达到了44%。
但是，GaAsN材料体系还存在大量的问题：1.由于GaN和GaAs存在较大的晶格失配，导致N在GaAs中的溶混性非常低，从而N的有效并入量很小；2.即使是在N含量比较低的组分范围内，在N并入到GaAs后，它既可能取代As位起替代作用，也可能是以间隙原子存在，部分形成了N-N、N-As填隙杂质，因此在GaAsN材料中会产生一些深能级的复合中心，并产生大量缺陷，而这些复合中心则会导致少子寿命严重下降，进一步影响GaAsN外延层的光电特性。因此，生长出较高质量的GaAsN材料是十分困难的。而目前，优化GaAsN外延层质量的方法较为单一，主要是生长后的热退火处理。虽然热退火处理在实验上被证明能够有效地降低间隙缺陷的密度，在一定程度上改善背景掺杂问题，但有效的热退火温度通常要求达到700℃左右，一方面，这会增加器件制备工艺的复杂程度；另一方面，高的热处理温度会对器件造成不利的影响，如造成多结太阳能电池的pn结界面的宽化。
因此，寻找一种生长高质量GaAsN薄膜的有效途径不仅具有科学价值，而且更具有现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效提高GaAsN外延薄膜中N的并入量并降低间隙缺陷产生的方法。
本发明关键在于解决GaAsN材料在生长过程中N的并入量小，并且存在大量间隙缺陷态的问题。由于N在GaAs中的溶混性非常低，再加上N在GaAs中易形成填隙杂质，产生间隙缺陷态，使得外延生长高质量GaAsN薄膜异常困难。本发明为了解决上述问题，提出了利用外延生长手段将传统的[100]外延取向改变为[n11]取向，利用(n11)B极性面(即As面)能够形成高密度三键Ⅴ位(即N或As位)，并结合N的高电负性特性来构筑N的活性吸附位，以有效提高GaAsN中N的并入量并且降低间隙缺陷的产生。
所述通过将传统的[100]外延取向改变为[n11]取向来提高GaAsN中N的有效并入量和降低间隙缺陷的产生是指在外延过程中将传统的(100)GaAs衬底改变为(n11)BGaAs衬底，外延生长GaAsN材料，其具体步骤如下：
a)选择(n11)B取向的GaAs材料作为衬底，由于(n11)B极性面(即As面)能够形成高密度三键Ⅴ位(即N或As位)，并依据N具有高的电负性，三键Ⅴ位将成为N的有效并入位，并且随着“n”的选择不同，外延面上三键Ⅴ位的密度也会不同；三键Ⅴ位的密度越高，越有利于N的并入；
b)利用外延生长手段来外延生长GaAsN材料。
所述n为2、3或5，即选择(211)B、(311)B或者(511)B取向的GaAs材料作为衬底，相应的外延面上三键活性位的密度依次在下降。
所述外延生长手段为化学束外延(CBE)、分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)。
本发明的机理：以(311)B外延取向为例来具体说明。(n11)晶面可以看作由(100)面和(111)面组合而成，对(311)面来说，相应两个取向晶面的贡献是1:1。根据Ga-As键取向的不同，含[111]Ga取向(311)晶面称为(311)A面，含[111]As取向(311)晶面则称为(311)B面。两种不同极性生长面都存在三键位，该三键位可以看成由(100)面成分上的两个原子和(111)面成分上的一个吸附原子构成的。对于(311)A面来讲，该三键位为Ⅲ位(Ga位)，而对(311)B面来讲，该三键位则为Ⅴ位(As或N位)。由于N原子的电负性(3.04)远大于As原子的电负性(2.18)，三键Ⅴ位将成为N的优先并入位。而对三键Ⅲ位来讲，对N的并入没有贡献。对于传统的(100)GaAs衬底，表面吸附位对Ⅲ族和Ⅴ族元素来讲都是双键位。因此，与传统的(100)外延取向相比，(311)B生长面富含三键Ⅴ位，在外延过程中供给相同的气相源情况下，将有效增加N在GaAs中的并入量。此外，采用(311)BGaAs衬底外延生长GaAsN也能够降低间隙缺陷态的形成。形成间隙复合体需要两个Ⅴ族原子形成N-N或N-As键，并占据Ⅴ位分别与两个Ga原子结合。而(311)B生长面所提供的三键Ⅴ位被N占据后形成三个N-Ga键而占据替位，明显降低了形成间隙原子或间隙复合体的几率。
附图说明
图1为GaAs(n11)生长面与(100)和(111)面之间的关系示意图。
图2为实施例3中N源流量控制在6sccm所生长的(100)和(311)A/B取向的GaAsN外延层的X射线衍射摇摆曲线图。
图3为实施例3中N源流量分别控制在0、4、6和9sccm所生长的(100)和(311)A/B取向GaAsN中N的组分含量随N源流量的变化曲线。
具体实施方式
实施例1
利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法生长GaAsN材料，具体工艺和步骤如下：
(1)选择(n11)BGaAs材料作为衬底。如图1所示，(n11)B晶面富含三键Ⅴ位，有利于N的并入；而(n11)A晶面则富含三键Ⅲ位，对N的并入几乎没有贡献。并且随着(n11)晶面中“n”的选择不同，外延面的(111)和(100)晶面的组分比发生变化，对不同取向的(n11)B晶面，所含三键活性位的密度也是在变化的，三键活性位的密度越高，越有利于N的并入。以(311)BGaAs衬底为例来说明。
(2)将(311)BGaAsn型导电衬底放入金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备中，同时也放置(311)A和(100)GaAs衬底做横向对比，在GaAs衬底上外延生长GaAsN材料。在外延过程中，氢气(H2)作为载气，三乙基镓(TEGa)、砷烷(AsH3)和二甲基肼(DMHy)分别作为Ga源、As源和N源。H2流量控制在17.5slm，Ga源和As源的流量分别控制在1.9×10-5和4.5×10-4mol/min，N源的流量控制在5.7×10-5到2.6×10-3mol/min范围内。GaAsN材料的外延生长温度控制在550-630℃。
实施例2
利用分子束外延(MBE)方法生长GaAsN材料，具体工艺和步骤如下：
(1)选择(n11)B取向的GaAs材料作为衬底，以(311)BGaAs衬底为例来说明。
(2)将(311)BGaAsn型导电衬底放入分子束外延(MBE)生长室，同时也放置(311)A和(100)GaAs衬底做横向对比，来外延生长GaAsN材料。在外延过程中，分别采用固态Ga、固态As和射频等离子N源作为Ga源、As源和N源，射频等离子N源的功率控制在175W，通入的流量控制在0.5sccm，生长温度控制在400-480℃来外延生长GaAsN材料。
实施例3
利用化学束外延(CBE)方法生长GaAsN材料，具体工艺和步骤如下：
(1)同样选择(n11)BGaAs材料作为衬底，以(311)BGaAs衬底为例来说明。
(2)将(311)BGaAsn型导电衬底放入化学束外延(CBE)设备中，同时也放置(311)A和(100)GaAs衬底做横向对比，在GaAs衬底上外延生长GaAsN材料。在外延过程中，三乙基镓(TEGa)、三(二甲胺基)砷(TDMAAs)、一甲基肼(MMHy)和硅烷(SiH4)分别作为Ga源、As源、N源和Si源(掺杂剂)。TEGa和TDMAAs的流量分别控制在0.1，1.0sccm，Si源的流量控制在0.4sccm。N源的流量分别控制在0、4、6和9sccm，通过增加N源的流量，也可增加GaAsN中N的并入量。GaAsN材料的外延生长温度控制在460℃。
按上述生长工艺成功在(100)和(311)A/BGaAs衬底上生长得到n型GaAsN材料，为了确定GaAsN外延薄膜中N的组分含量，对样品进行了X射线衍射(XRD)测试分析(见图2)。图2为实施例3中N源流量控制在6sccm所生长的(100)和(311)A/B取向的GaAsN外延层的X射线衍射摇摆曲线图。在图中可以清晰地看出有两个衍射峰，对于按[100]取向生长的样品，分别对应GaAs和GaAsN的(400)衍射面；而对于沿[311]取向生长的样品，两峰则分别对应GaAs和GaAsN的(311)衍射面。利用这两个衍射峰位的差异可以计算出N组分的含量，其计算结果如图3所示。图3为实施例3中N源流量分别控制在0、4、6和9sccm外延生长的(100)和(311)A/B取向GaAsN中N的组分含量随N源流量的变化曲线。图中可以看出，尽管不同取向的样品都是在平行条件下外延生长的，但衬底的取向和表面极性对N的并入具有重要的影响：相比于(311)A和传统的(100)外延取向，(311)BGaAsN样品中N的并入量明显增强。上述这些结果表明本发明能够有效提高GaAsN薄膜中N的并入量，并能够降低间隙缺陷的产生，是一种生长高质量GaAsN材料的有效途径。
Claims (3)
1.一种提高GaAsN外延薄膜中N的并入量并降低间隙缺陷产生的方法，其特征在于选择(n11)B取向的GaAs材料作为衬底，然后利用外延生长手段来外延生长GaAsN材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述n为2、3或5。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述外延生长手段为化学束外延、分子束外延或金属有机化学气相沉积。
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