CN107845695A - 一种晶体外延结构及生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体器件领域，公开了一种晶体外延结构及生长方法，晶体外延生长方法包括以下步骤：在衬底的第一表面形成晶格匹配层；在所述衬底的第二表面形成第一晶格失配层；在所述晶格匹配层上形成第二晶格失配层；所述第一晶格失配层、所述衬底以及所述第二晶格失配层的晶格常数单调递增或单调递减。本发明中第一晶格失配层的形成有效改变了衬底和晶格匹配层的应变状态，从而有效减弱了第二晶格失配层形成时所产生的应变，抑制了位错的产生，提高了晶体外延结构的质量，进而提高半导体器件性能。

Description

一种晶体外延结构及生长方法
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种晶体外延结构及生长方法。
背景技术
外延生长是指在具有一定结晶取向的晶体表面上延伸出并按一定晶体学方向生长单晶薄膜的方法。外延生长可用于生长组分或者杂质分布陡变或渐变的同质、异质外延层薄膜。外延技术的发展对于提高半导体材料质量和器件性能，对于新材料、新器件的开发都具有重要的意义。
近年来，随着化合物半导体器件性能发展的需要，在衬底上生长晶格失配的高质量外延层结构的需求变得越来越迫切。传统的外延生长方式是直接在衬底正面生长晶格失配结构，由于晶格常数不匹配，外延材料层必然会发生应变，应变最终需要通过位错来消除，但位错的出现会显著降低材料的质量和器件的性能。
因此，如何消除不匹配外延材料生长时的应变，对于降低位错密度，提高晶格失配结构的晶体质量，尤为重要。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是如何消除不匹配外延材料生长时的应变。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种晶体外延生长方法，包括以下步骤：
在衬底的第一表面形成晶格匹配层；
在所述衬底的第二表面形成第一晶格失配层；
在所述晶格匹配层上形成第二晶格失配层；
所述第一晶格失配层、所述衬底以及所述第二晶格失配层的晶格常数单调递增或单调递减。
可选地，所述晶格匹配层包括第一子电池层、第一隧穿结、第二子电池层以及第二隧穿结；所述在衬底的第一表面形成晶格匹配层的步骤，包括：
在所述衬底的第一表面形成所述第一子电池层；
在所述第一子电池层上形成所述第一隧穿结；
在所述第一隧穿结上形成所述第二子电池层；
在所述第二子电池层上形成所述第二隧穿结。
可选地，所述第一晶格失配层包括晶格渐变层和晶格稳定层；在所述衬底的第二表面形成第一晶格失配层的步骤，包括：
在所述衬底的第二表面形成所述晶格渐变层；
在所述晶格渐变层上形成所述晶格稳定层。
可选地，所述第二晶格失配层包括晶格过渡层和晶格失配功能层；在所述晶格匹配层上形成第二晶格失配层的步骤，包括：
在所述晶格匹配层上形成所述晶格过渡层；
在所述晶格过渡层上形成所述晶格失配功能层。
可选地，所述在衬底的第一表面形成晶格匹配层的步骤之前，还包括：
在所述衬底上依次形成缓冲层和腐蚀剥离层。
可选地，所述在衬底的第一表面形成晶格匹配层的步骤之前，还包括：
对所述衬底的第一表面和第二表面进行抛光处理。
可选地，所述衬底的厚度为300μm。
本发明还提供一种晶体外延结构，包括：
衬底，具有相对的第一表面和第二表面；
晶格匹配层和第二晶格失配层，依次设置在所述第一表面上；
第一晶格失配层，设置在所述第二表面上；
所述第一晶格失配层、所述衬底以及所述第二晶格失配层的晶格常数单调递增或单调递减。
可选地，所述第一晶格失配层包括晶格渐变层和晶格稳定层。
可选地，所述第二晶格失配层包括晶格过渡层和晶格失配功能层。
本发明的技术方案，具有如下优点：
本发明提供的晶体外延生长方法，在衬底的第一表面形成第二晶格失配层之前，预先在衬底的第二表面形成第一晶格失配层，并且保证第一晶格失配层、衬底以及第二晶格失配层的晶格常数单调递增或单调递减。由此，第一晶格失配层的形成有效改变了衬底和晶格匹配层的应变状态，从而有效减弱了第二晶格失配层形成时所产生的应变，抑制了位错的产生，提高了晶体外延结构的质量，进而提高半导体器件性能。
本发明提供的晶体外延生长方法，形成第一晶格失配层的步骤包括首先在衬底的第二表面形成晶格渐变层，然后在晶格渐变层上形成晶格稳定层。由此保证第一晶格失配层的晶格常数由晶格渐变层逐渐变化至晶格稳定层的晶格常数，避免第一晶格失配层的晶格常数直接跳跃至晶格稳定层的晶格常数。
本发明提供的晶体外延生长方法，形成第二晶格失配层的步骤包括首先在晶格匹配层上形成晶格过渡层，然后在晶格过渡层上形成晶格失配功能层。由此保证第二晶格失配层的晶格常数由晶格过渡层逐渐过渡至晶格失配功能层的晶格常数，避免了第二晶格失配层的晶格常数直接跳跃至晶格失配功能层的晶格常数。
本发明提供的晶体外延生长方法，在形成晶格匹配层之前还包括在衬底上依次形成缓冲层和腐蚀剥离层的步骤。腐蚀剥离层的形成有利于第二晶格失配层制备完成后，通过腐蚀工艺去除腐蚀剥离层及其远离第二晶格失配层一侧的结构层。
本发明提供的晶体外延生长方法，对衬底的第一表面和第二表面进行抛光处理，有助于在第一表面和第二表面均能够形成结构层，并且，减薄了衬底的厚度。
本发明提供的晶体外延结构，通过在衬底的第二表面设置第一晶格失配层，有效改变了衬底和晶格匹配层的应变状态，从而有效减弱了第二晶格失配层形成时所产生的应变，抑制了位错的产生，提高了晶体外延结构的质量，进而提高半导体器件性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的衬底的结构示意图；
图2为本发明提供的晶体外延生长方法中在衬底上形成晶格匹配层的工艺流程图；
图3为本发明提供的晶体外延生长方法中在衬底第二表面形成第一晶格失配层的工艺流程图；
图4为本发明提供的晶体外延生长方法中在晶格匹配层上形成第二晶格失配层的工艺流程图；
图5为本发明提供的晶体外延生长方法的流程框图；
附图标记：
1-衬底；11-第一表面；12-第二表面；
2-晶格匹配层；21-第一子电池层；22-第一隧穿结；23-第二子电池层；24-第二隧穿结；
3-第一晶格失配层；31-晶格渐变层；32-晶格稳定层；
4-第二晶格失配层；41-晶格过渡层；42-晶格失配功能层；
5-缓冲层；6-腐蚀剥离层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供了一种晶体外延生长方法，用于制备GaInP/GaAs/InGaAs倒装三结太阳能电池。如图1-5所示，具体包括以下步骤：
步骤S11、在衬底1的第一表面11形成晶格匹配层2。其中，晶格匹配层2的晶格常数与衬底1晶格常数相同。
本实施例中，衬底1选自但不限于GaAs，InP，InAs等衬底材料。
作为一种优选实施方式，晶格匹配层2包括第一子电池层21、第一隧穿结22、第二子电池层23以及第二隧穿结24。步骤S11包括以下步骤：
步骤S111、在衬底1的第一表面11形成第一子电池层21。其中，第一子电池层21为GaInP子电池层。
步骤S112、在第一子电池层21上形成第一隧穿结22。其中，第一隧穿结22为GaInP层和AlGaAs层。
步骤S113、在第一隧穿结22上形成第二子电池层23。其中，第二子电池层23为GaAs子电池层。
步骤S114、在第二子电池层23上形成第二隧穿结24。其中，第二隧穿结24为GaInP层和AlGaAs层。
步骤S12、在衬底1的第二表面12形成第一晶格失配层3。其中，衬底1的第二表面12与第一表面11为衬底1上相互背对着的两个表面。
作为一种优选实施方式，第一晶格失配层3包括晶格渐变层31和晶格稳定层32。步骤S12包括以下步骤：
步骤S121、在衬底1的第二表面12形成晶格渐变层31。
其中，晶格渐变层31为In组分渐变的InGaP晶格渐变层31，In组分可以呈增长趋势也可以呈降低趋势。
作为一种优选实施方式，In组分可以由52％降低至16％。
步骤S122、在晶格渐变层31上形成晶格稳定层32。其中，晶格稳定层32为InGaP晶格稳定层32。
由此，保证第一晶格失配层3的晶格常数由晶格渐变层31逐渐变化至晶格稳定层32的晶格常数，避免第一晶格失配层3的晶格常数直接跳跃至晶格稳定层32的晶格常数。
步骤S13、在晶格匹配层2上形成第二晶格失配层4。其中，第二晶格失配层4包括晶格过渡层41和晶格失配功能层42。步骤S13包括以下步骤：
步骤S131、在晶格匹配层2上形成晶格过渡层41。
其中，晶格过渡层41为In组分渐变的InGaP晶格过渡层41，In组分可以呈降低趋势也可以呈增长趋势。但需保证InGaP晶格过渡层41的In组分渐变趋势与InGaP晶格渐变层31的In组分渐变趋势相反。
作为一种优选实施方式，当上述InGaP晶格渐变层31的In组分由52％降低至16％时，InGaP晶格过渡层41的In组分由52％增加至81％。
步骤S132、在晶格过渡层41上形成晶格失配功能层42。其中，晶格失配功能层42为InGaAs子电池层。
由此保证第二晶格失配层4的晶格常数由晶格过渡层41逐渐过渡至晶格失配功能层42的晶格常数，避免了第二晶格失配层4的晶格常数直接跳跃至晶格失配功能层42的晶格常数。
本实施例中，第一晶格失配层3、衬底1以及第二晶格失配层4三者的晶格常数呈单调递增或单调递减趋势。
本发明实施例提供的晶体外延生长方法，在衬底1的第一表面11形成第二晶格失配层4之前，预先在衬底1的第二表面12形成第一晶格失配层3，并且保证第一晶格失配层3、衬底1以及第二晶格失配层4的晶格常数单调递增或单调递减。由此，第一晶格失配层3的形成有效改变了衬底1和晶格匹配层2的应变状态，从而有效减弱了第二晶格失配层4形成时所产生的应变，抑制了位错的产生，提高了晶体外延结构的质量，进而提高半导体器件性能。
需要说明的是，第一晶格失配层3的厚度可以根据实际情况进行调整，通过对厚度的调控，也可以改变衬底1和晶格匹配层2的应变状态，进一步实现对第二晶格失配层4形成时所产生的应变的减弱。
作为一种优选实施方式，在步骤S11之前还包括：
步骤S10B、在衬底1上依次形成缓冲层5和腐蚀剥离层6。
其中，缓冲层5为GaAs层，腐蚀剥离层6为AlGaAs层。腐蚀剥离层6的形成有利于第二晶格失配层4制备完成后，通过腐蚀工艺去除腐蚀剥离层6及其远离第二晶格失配层4一侧的结构层。
作为一种优选实施方式，在步骤S11之前，还包括：
步骤S10A、对衬底1的第一表面11和第二表面12进行抛光处理。如此有助于在第一表面11和第二表面12均能够形成结构层，并且减薄了衬底1的厚度。
作为一种优选实施方式，衬底1的厚度为300μm。作为可替换实施方式，衬底1的厚度也可以为其他数值，均可以实现本发明的目的，属于本发明保护范围。
需要说明的是，本实施例中各层的制备可以通过金属有机化学气相外延(MOVPE)设备或分子束外延(MBE)设备完成。
实施例2
本发明实施例提供了一种晶体外延结构，具体为GaInP/GaAs/InGaAs倒装三结太阳能电池结构。如图1-4所示，包括衬底1、晶格匹配层2、第一晶格失配层3以及第二晶格失配层4。其中，
衬底1具有相对的第一表面11和第二表面12，即第一表面11和第二表面12是衬底1上相互背对着的两个表面。并且，第一表面11和第二表面12为抛光面。
作为一种优选实施方式，衬底1的厚度为300μm。
本实施例中，衬底1选自但不限于GaAs，InP，InAs等衬底材料。
晶格匹配层2和第二晶格失配层4依次设置在第一表面11上。其中，晶格匹配层2的晶格常数与衬底1晶格常数相同。
作为一种优选实施方式，晶格匹配层2包括第一子电池层21、第一隧穿结22、第二子电池层23以及第二隧穿结24。第一子电池层21为GaInP子电池层，第一隧穿结22为GaInP层和AlGaAs层，第二子电池层23为GaAs子电池层，第二隧穿结24为GaInP层和AlGaAs层。
作为一种优选实施方式，第二晶格失配层4包括依次堆叠设置于晶格匹配层2上的晶格过渡层41和晶格失配功能层42。其中，晶格过渡层41为In组分渐变的InGaP晶格过渡层41，In组分可以呈降低趋势也可以呈增长趋势。晶格失配功能层42为InGaAs子电池层。
作为一种优选实施方式，InGaP晶格过渡层41的In组分由52％增加至81％。
由此保证第二晶格失配层4的晶格常数由晶格过渡层41逐渐过渡至晶格失配功能层42的晶格常数，避免了第二晶格失配层4的晶格常数直接跳跃至晶格失配功能层42的晶格常数。
第一晶格失配层3设置在第二表面12上。第一晶格失配层3包括依次堆叠设置于第二表面12上的晶格渐变层31和晶格稳定层32。其中，
晶格渐变层31为In组分渐变的InGaP晶格渐变层31，In组分可以呈增长趋势也可以呈降低趋势。但是需要保证InGaP晶格渐变层31的In组分渐变趋势与InGaP晶格过渡层41的In组分渐变趋势相反。
作为一种优选实施方式，当InGaP晶格过渡层41的In组分由52％增加至81％时，InGaP晶格渐变层31的In组分由52％降低至16％。
晶格稳定层32为InGaP晶格稳定层32。
由此保证第一晶格失配层3的晶格常数由晶格渐变层31逐渐变化至晶格稳定层32的晶格常数，避免第一晶格失配层3的晶格常数直接跳跃至晶格稳定层32的晶格常数。
本实施例中，第一晶格失配层3、衬底1以及第二晶格失配层4三者的晶格常数呈单调递增或单调递减趋势。
需要说明的是，本实施例中，第一晶格失配层3是在第二晶格失配层4形成之前形成。
本发明提供的晶体外延结构，通过在衬底1的第二表面12设置第一晶格失配层3，有效改变了衬底1和晶格匹配层2的应变状态，从而有效减弱了第二晶格失配层4形成时所产生的应变，抑制了位错的产生，提高了晶体外延结构的质量，进而提高该GaInP/GaAs/InGaAs倒装三结太阳能电池的性能。
作为一种优选实施方式，衬底1的第一表面11和晶格匹配层2之间还依次设置有缓冲层5和腐蚀剥离层6。其中，缓冲层5为GaAs层，腐蚀剥离层6为AlGaAs层。腐蚀隔离层的设置有助于后续通过腐蚀工艺去除腐蚀剥离层6及其远离第二晶格失配层4一侧的结构层。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种晶体外延生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底(1)的第一表面(11)形成晶格匹配层(2)；
在所述衬底(1)的第二表面(12)形成第一晶格失配层(3)；
在所述晶格匹配层(2)上形成第二晶格失配层(4)；
所述第一晶格失配层(3)、所述衬底(1)以及所述第二晶格失配层(4)的晶格常数单调递增或单调递减。
2.根据权利要求1所述的晶体外延生长方法，其特征在于，所述晶格匹配层(2)包括第一子电池层(21)、第一隧穿结(22)、第二子电池层(23)以及第二隧穿结(24)；所述在衬底(1)的第一表面(11)形成晶格匹配层(2)的步骤，包括：
在所述衬底(1)的第一表面(11)形成所述第一子电池层(21)；
在所述第一子电池层(21)上形成所述第一隧穿结(22)；
在所述第一隧穿结(22)上形成所述第二子电池层(23)；
在所述第二子电池层(23)上形成所述第二隧穿结(24)。
3.根据权利要求1所述的晶体外延生长方法，其特征在于，所述第一晶格失配层(3)包括晶格渐变层(31)和晶格稳定层(32)；在所述衬底(1)的第二表面(12)形成第一晶格失配层(3)的步骤，包括：
在所述衬底(1)的第二表面(12)形成所述晶格渐变层(31)；
在所述晶格渐变层(31)上形成所述晶格稳定层(32)。
4.根据权利要求1所述的晶体外延生长方法，其特征在于，所述第二晶格失配层(4)包括晶格过渡层(41)和晶格失配功能层(42)；在所述晶格匹配层(2)上形成第二晶格失配层(4)的步骤，包括：
在所述晶格匹配层(2)上形成所述晶格过渡层(41)；
在所述晶格过渡层(41)上形成所述晶格失配功能层(42)。
5.根据权利要求1所述的晶体外延生长方法，其特征在于，所述在衬底(1)的第一表面(11)形成晶格匹配层(2)的步骤之前，还包括：
在所述衬底(1)上依次形成缓冲层(5)和腐蚀剥离层(6)。
6.根据权利要求1所述的晶体外延生长方法，其特征在于，所述在衬底(1)的第一表面(11)形成晶格匹配层(2)的步骤之前，还包括：
对所述衬底(1)的第一表面(11)和第二表面(12)进行抛光处理。
7.根据权利要求1所述的晶体外延生长方法，其特征在于，所述衬底(1)的厚度为300μm。
8.一种晶体外延结构，其特征在于，包括：
衬底(1)，具有相对的第一表面(11)和第二表面(12)；
晶格匹配层(2)和第二晶格失配层(4)，依次设置在所述第一表面(11)上；
第一晶格失配层(3)，设置在所述第二表面(12)上；
所述第一晶格失配层(3)、所述衬底(1)以及所述第二晶格失配层(4)的晶格常数单调递增或单调递减。
9.根据权利要求8所述的晶体外延结构，其特征在于，所述第一晶格失配层(3)包括晶格渐变层(31)和晶格稳定层(32)。
10.根据权利要求8所述的晶体外延结构，其特征在于，所述第二晶格失配层(4)包括晶格过渡层(41)和晶格失配功能层(42)。
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