CN114361274B - 基于组分渐变硅碳应变层的硅基半导体光电材料与制备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于组分渐变硅碳应变层的硅基半导体光电材料及其制备方法，该材料包括衬底层，以及由下至上依次设于衬底层上的低温缓冲层、组分渐变Si1‑xCx应变层及覆盖层；组分渐变Si1‑xCx应变层由多个依次堆叠设置的Si1‑xCx层组成，多个Si1‑xCx层中C元素掺杂浓度x由下至上依次减小。与现有技术相比，本发明将p区和n区的材料做成组分渐变Si1‑xCx层，利用Si1‑xCx应变层中材料的带隙宽度随C元素掺杂浓度的提高而降低的特点，使组分渐变Si1‑xCx应变层下部区域材料具有较小带隙宽度，可以吸收较长波段的光，组分渐变Si1‑xCx应变层上部区域材料具有较大带隙宽度，可以吸收相对较短波段的光，从而提升材料的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电材料技术领域，涉及一种基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料及其制备方法。
背景技术
由于传统能源如煤炭、石油等存在储量有限、产生污染等问题，各种新型能源逐渐受到重视。其中太阳能清洁且取之不尽，因此利用太阳能转化为电能成为一种有希望的应用方向。硅基材料由于具有稳定、原料充足且无毒无害等优点，也占据了光电转换材料的主要市场。
但是材料对光的转换效率与材料的带隙宽度有关，一种特定的材料其带隙值是固定的，这也就决定了其只能吸收某一波长以下的光，而对于更高波段的光是没有转换作用的。以往人们提出了很多提升光电转换效率的方法，如使用叠层串联结构代替单层结构等。这一技术是将具有不同带隙宽度的材料分层叠加在一起，组成串联结构，不同的带隙对应可吸收的光波段不同，从而使整个结构对于光的吸收转换效率得到提升。但是叠层串联结构存在的一个问题是每一层材料不同，容易出现晶格不匹配等问题从而降低光电材料的性能，且生产叠层串联结构的工艺复杂，实现难度较高。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料及其制备方法，用以解决单一晶体硅材料由于带隙值固定造成光电转换效率不理想的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料，包括衬底层，以及由下至上依次设于衬底层上的低温缓冲层、组分渐变Si1-xCx应变层及覆盖层；
所述的组分渐变Si1-xCx应变层由多个依次堆叠设置的Si1-xCx层组成，多个Si1-xCx层中C元素掺杂浓度x由下至上依次减小。
进一步地，所述的衬底层包括单晶硅、多晶硅或非晶硅。
进一步地，所述的低温缓冲层为硅缓冲层，厚度不大于1000nm。
进一步地，所述的组分渐变Si1-xCx应变层包括设于低温缓冲层与覆盖层之间的n型组分渐变Si1-xCx应变层与p型组分渐变Si1-xCx应变层；即包括依次设于低温缓冲层上的n型组分渐变Si1-xCx应变层与p型组分渐变Si1-xCx应变层，或者依次设于低温缓冲层上的p型组分渐变Si1-xCx应变层与n型组分渐变Si1-xCx应变层。
所述的n型组分渐变Si1-xCx应变层与p型组分渐变Si1-xCx应变层分别由多个依次堆叠设置的Si1-xCx层组成。
进一步地，所述的n型组分渐变Si1-xCx应变层包括1-100层Si1-xCx层，所述的p型组分渐变Si1-xCx应变层包括1-100层Si1-xCx层。
进一步地，所述的Si1-xCx层的厚度为10-2000nm。
进一步地，所述的Si1-xCx层中，x不大于50％，且多个Si1-xCx层之间，x的渐变方式呈阶梯变化、线性变化、对数变化、指数变化或三角函数变化中的一种。
进一步地，所述的覆盖层为硅覆盖层，厚度不大于1000nm。
一种基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料的制备方法，包括采用低温分子束外延技术，在衬底层上依次形成低温缓冲层、组分渐变Si1-xCx应变层及覆盖层。
进一步地，所述的分子束外延技术中，生长温度为50-800℃。
本发明基于同一种材料不同的掺杂浓度进行高光电转换效率的光电材料开发，从而降低由于相邻层材料的物理性质不匹配而使性能降低的风险。其次，本发明可通过同一种工艺完成不同层的生产制造，降低了工艺难度。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明中，由于C掺杂Si晶体的应变特征，使得Si1-xCx应变层中Si晶体的能带结构发生变化，其导带底下移，将导致材料带隙宽度的减少。因此本发明将p区和n区的材料做成组分渐变Si1-xCx层，C元素掺杂浓度由下至上逐渐减小，利用Si1-xCx应变层中材料的带隙宽度随C元素掺杂浓度的提高而降低的特点，使组分渐变Si1-xCx应变层下部区域具有较小带隙宽度，可以吸收较长波段的光，组分渐变Si1-xCx应变层上部区域具有较大带隙宽度，可以吸收较短波段的光，整体上提升材料的光电转换效率，扩大材料吸收光的波段，尤其是能量较低的红外光波段；
2)本发明使用同一种材料，减少了相邻层之间的晶格不匹配问题；
3)本发明通过分子束外延技术完成，不需要复杂的生产工艺和设备，简化了工艺难度。
附图说明
图1为实施例中一种基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料的截面结构示意图；
图2为一种组分渐变Si1-xCx应变层的C掺杂浓度x随层数N的渐变示意图；
图中标记说明：
101-衬底层、102-低温缓冲层、103-n型组分渐变Si1-xCx应变层、104-p型组分渐变Si1-xCx应变层、105-覆盖层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示的一种基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料，包括衬底层101，以及由下至上依次设于衬底层101上的低温缓冲层102、组分渐变Si1-xCx应变层及覆盖层105；组分渐变Si1-xCx应变层由多个依次堆叠设置的Si1-xCx层组成，C元素掺杂浓度由下至上依次减小。
该材料的制备方法包括以下步骤：
S1：衬底的选择与表面处理：
根据实际应用场合选取衬底材料，包括但不限于单晶硅、多晶硅、非晶硅等；之后对衬底材料进行表面处理，处理方法包括但不限于化学处理、热脱氧处理等，以获得高表面平整度的衬底层101；
S2：低温缓冲层102的形成：
利用分子束外延技术在衬底层101上生长硅基低温缓冲层102，低温缓冲层102厚度为0-1000nm，生长温度为50-800℃；
S3：组分渐变Si1-xCx应变层的形成：
S3-1：n型组分渐变Si1-xCx应变层103的形成：
利用分子束外延技术在低温缓冲层102上逐层生长多个n型Si1-xCx层，每个n型Si1-xCx层厚度为10-2000nm，层数为1-100，生长温度为50-800℃，并且多个Si1-xCx层中C元素掺杂浓度x由下至上逐渐减小；x优选取值范围为0<x≤0.5；
S3-2：p型组分渐变Si1-xCx应变层104的形成：
利用分子束外延技术在低温缓冲层102上逐层生长多个p型Si1-xCx层，每个p型Si1-xCx层厚度为10-2000nm，层数为1-100，生长温度为50-800℃，并且多个Si1-xCx层中C元素掺杂浓度x由下至上逐渐减小；x优选取值范围为0<x≤z；其中z为n型组分渐变Si1-xCx应变层103中x的最小取值；
优选的，掺杂浓度x的渐变形式为阶梯变化、线性变化、指数变化、三角函数变化或者如图2所示的变化中的一种；
S4：覆盖层105的形成：
利用分子束外延技术在p型组分渐变Si1-xCx应变层104上生长硅基覆盖层105，覆盖层105厚度为0-1000nm，生长温度为50-800℃；
本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
如图1所示的一种基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料，包括衬底层101，以及由下至上依次设于衬底层101上的低温缓冲层102、组分渐变Si1-xCx应变层及覆盖层105；组分渐变Si1-xCx应变层由多个依次堆叠设置的Si1-xCx层组成，由下至上依次减小。
该材料的制备方法包括以下步骤：
S1：衬底的选择与表面处理：
选取2英寸单晶硅片为衬底材料，将其放入分子束外延设备的生长室并进行热脱氧处理，去氧化温度设置为1300℃，处理时间为10分钟，获得高表面平整度的衬底层101；
S2：低温缓冲层102的形成：
利用低温分子束外延技术在衬底层101上生长硅基低温缓冲层102，Si源由MBE设备电子束蒸发源提供，控制生长时间使得制备缓冲层厚度为60nm，生长温度500℃。
S3：组分渐变Si1-xCx应变层的形成：
S3-1：n型组分渐变Si1-xCx应变层103的形成：
利用分子束外延技术在低温缓冲层102上逐层生长多个n型Si1-xCx层，n型Si源和C源分别由MBE设备不同的电子束蒸发源提供，控制生长时间使得每个Si1-xCx层厚度在30～60nm之间，层数为5层，控制束流比使n型Si1-xCx层每层的C元素掺杂浓度沿阶梯变化，由最下层的20％逐渐减小为最上层的10％，外延生长温度为500℃。
S3-2：p型组分渐变Si1-xCx应变层104的形成：
利用分子束外延技术在n型组分渐变Si1-xCx应变层103上逐层生长多个p型Si1-xCx层，p型Si源和C源分别由MBE设备不同的电子束蒸发源提供，控制生长时间使得每个Si1-xCx层厚度在30～60nm之间，层数为5层，控制束流比使p型Si1-xCx层每层的C元素掺杂浓度沿阶梯变化，由最下层的10％逐渐减小为最上层的0％，外延生长温度为500℃。S4：覆盖层105的形成：
利用分子束外延技术在p型组分渐变Si1-xCx应变层104上生长硅基低温缓冲层105，Si源由MBE设备电子束蒸发源提供，控制生长时间使得制备缓冲层厚度为100nm，生长温度500℃。
本实施例中光电转换材料中吸光部分由组分渐变Si1-xCx应变层组成。组分渐变Si1-xCx应变层区域C元素掺杂浓度由下至上逐渐减小，从而组分渐变Si1-xCx应变层区域材料的带隙宽度从下至上逐渐增加，并使组分渐变Si1-xCx应变层下部区域具有较小带隙宽度，增大了对1100nm以上波段的光的吸收效率，组分渐变Si1-xCx应变层上部区域具有较大带隙宽度，可以吸收1100nm以下波段的光，整体上提升材料的光电转换效率。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料，其特征在于，该材料包括衬底层（101），以及由下至上依次设于衬底层（101）上的硅缓冲层、组分渐变Si1-xCx应变层及覆盖层（105）；
所述的组分渐变Si1-xCx应变层包括设于硅缓冲层与覆盖层（105）之间的n型组分渐变Si1-xCx应变层（103）与p型组分渐变Si1-xCx应变层（104）；
所述的n型组分渐变Si1-xCx应变层（103）与p型组分渐变Si1-xCx应变层（104）分别由多个依次堆叠设置的Si1-xCx层组成，多个Si1-xCx层中C元素掺杂浓度x由下至上依次减小。
2.根据权利要求1所述的基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料，其特征在于，所述的衬底层（101）包括单晶硅、多晶硅或非晶硅。
3.根据权利要求1所述的基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料，其特征在于，所述的硅缓冲层的厚度不大于1000nm。
4.根据权利要求1所述的基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料，其特征在于，所述的n型组分渐变Si1-xCx应变层（103）包括1-100层Si1-xCx层，所述的p型组分渐变Si1- xCx应变层（104）包括1-100层Si1-xCx层。
5.根据权利要求1所述的基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料，其特征在于，所述的Si1-xCx层的厚度为10-2000nm。
6.根据权利要求1所述的基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料，其特征在于，所述的Si1-xCx层中，x不大于50%，且多个Si1-xCx层之间，x的渐变方式呈阶梯变化、线性变化、对数变化、指数变化或三角函数变化中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料，其特征在于，所述的覆盖层（105）为硅覆盖层，厚度不大于1000nm。
8.一种制备如权利要求1至7中任一项所述的基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料的方法，其特征在于，该方法包括采用分子束外延技术，在衬底层（101）上依次形成低温缓冲层（102）、组分渐变Si1-xCx应变层及覆盖层（105）。
9.根据权利要求8所述的基于组分渐变Si1-xCx应变层的硅基半导体光电材料的制备方法，其特征在于，生长温度为50-800℃。
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