RU2690861C2 - Низкотемпературный способ формирования полупроводниковых слоев фосфида галлия и твердых растворов на его основе на подложках кремния - Google Patents
Низкотемпературный способ формирования полупроводниковых слоев фосфида галлия и твердых растворов на его основе на подложках кремния Download PDFInfo
- Publication number
- RU2690861C2 RU2690861C2 RU2016141366A RU2016141366A RU2690861C2 RU 2690861 C2 RU2690861 C2 RU 2690861C2 RU 2016141366 A RU2016141366 A RU 2016141366A RU 2016141366 A RU2016141366 A RU 2016141366A RU 2690861 C2 RU2690861 C2 RU 2690861C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- atoms
- gap
- gallium
- gas
- deposition
- Prior art date
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 37
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 37
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 36
- HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N gallium phosphide Chemical compound [Ga]#P HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 title claims abstract description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 35
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 33
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 claims description 26
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical group [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 22
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 125000004437 phosphorous atom Chemical group 0.000 claims description 14
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 12
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 8
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 7
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 claims description 6
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 6
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 5
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims description 4
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims description 4
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical group [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- HQWPLXHWEZZGKY-UHFFFAOYSA-N diethylzinc Chemical compound CC[Zn]CC HQWPLXHWEZZGKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- KZLUHGRPVSRSHI-UHFFFAOYSA-N dimethylmagnesium Chemical compound C[Mg]C KZLUHGRPVSRSHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 3
- DLPASUVGCQPFFO-UHFFFAOYSA-N magnesium;ethane Chemical compound [Mg+2].[CH2-]C.[CH2-]C DLPASUVGCQPFFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 claims description 3
- YSWYYGKGAYSAOJ-UHFFFAOYSA-N phosphane Chemical compound P.P YSWYYGKGAYSAOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 7
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 5
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 5
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 4
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 3
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N Phosphine Natural products P XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- AXAZMDOAUQTMOW-UHFFFAOYSA-N dimethylzinc Chemical compound C[Zn]C AXAZMDOAUQTMOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910000073 phosphorus hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области полупроводниковой опто- и микроэлектроники и может быть использовано при создании приборов на основе полупроводниковых гетероструктур, в том числе многопереходных фотоэлектрических преобразователей. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является снижение диффузии атомов III и V группы в кремний при формировании полупроводниковых слоев фосфида галлия (GaP) и азотсодержащих твердых растворов на его основе (GaPN) за счет снижения температуры процесса осаждения. Техническим результатом является формирование на поверхности кремния с помощью предлагаемого метода слоев фосфида галлия и его твердых растворов (GaPN) с шероховатостью, не превосходящей 1 нм, и уменьшение концентрации дефектов в кремниевой подложке в приповерхностной области вблизи границы раздела GaP/Si. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой опто- и микроэлектроники и может быть использована при создании приборов на основе полупроводниковых гетероструктур, в т.ч. многопереходных фотоэлектрических преобразователей.
КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечной энергии в среднем составляет 16%, у лучших образцов достигает 25%. ФЭП первого поколения на основе кристаллических пластин монокристаллического или поликристаллического кремния на сегодняшний день получили наибольшее распространение.
Значительное увеличение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую возможно только при использовании структур многопереходных солнечных элементов, из которых наиболее перспективными, как с точки зрения возможности достижения высочайших значений КПД, так и с экономической точки зрения, являются монолитные гетероструктурные солнечные элементы на основе твердых растворов A3B5, получаемые эпитаксиальным выращиванием на полупроводниковой подложке в одном ростовом процессе.
Такие солнечные элементы включают несколько фотоактивных p-n переходов, выполненных из различных материалов и расположенных по убыванию ширины запрещенной зоны от светочувствительной поверхности к подложке. Каждый фотоактивный р-n переход многопереходной структуры преобразует только часть солнечного спектра, что позволяет реализовать близкие к оптимальным условия преобразования солнечного спектра и значительно повысить КПД. При этом технология формирования согласованных по параметру решетки A3B5 гетероструктур на подложках из монокристаллического кремния для создания многопереходных солнечных элементов является чрезвычайно востребованной.
Использование кремниевой подложки для производства многопереходных солнечных элементов позволит значительно снизить стоимость производства и позволит использовать существующие возможности кремниевой технологии при сохранении высокого КПД.
Однако, несмотря на то, что решеточно-согласованные A3B5 солнечные элементы на подложках Si являются предметом интенсивных исследований во всем мире, значительных успехов в создании дешевых СЭ с высоким КПД с их помощью достигнуто не было. Основной проблемой является сложность эпитаксиального роста на кремниевых подложках толстых, бездислокационных слоев верхних каскадов. Эпитаксиальный рост A3B5 гетероструктур на кремнии сопровождается тремя основным проблемами:
- различный тип кристаллической решетки;
- различие постоянных решеток;
- различие коэффициентов теплового расширения.
Различный тип кристаллической решетки кремния и A3B5 приводит к возникновению антифазовой границы, которая является центром безызлучательной рекомбинации. Различие постоянных решеток и коэффициентов теплового расширения приводит к возникновению дефектов и дислокаций в верхних каскадах.
В настоящее время существует несколько подходов для формирования многопереходных солнечных элементов на подложках кремния.
В работах [Soga, Т. Photovoltaic Properties of an AlxGal-xAs Solar Cell (x.0-0.22) Grown on Si Substrate by Metalorganic Chemical Vapor Deposition and Thermal Cycle Annealing [Text] / T. Soga, T. Kato, M. Umeno, and T. Jimbo // Journal of Applied Physics. - 79:9375-8. - 1996], [Takano, Y. Reduction of Threading Dislocations by InGaAs Interlayer in GaAS Layers Grown on Si Substrates [Text] / Y. Takano, M. Hisaka, N. Fujii, K. Suzuki, K. Kuwahara, and S. Fuke // Applied Physics Letters 73:2917-19. - 1998.], [Yamaguchi, M. Potential and Present Status of III-V/Si Tandem Solar Cells [Text] / M. Yamaguchi, // In Proc. 40th IEEE Photovoltaic Spec. Conf. - 2014.] и патентах US 20090288703 A1, US 20110023949 A1, RU 2308122 C1 для роста на кремниевой подложке верхних каскадов используется метаморфный переходный буферный слой на основе материалов InAlGaAs или короткопериодных сверхрешеток на основе этих материалов. Рост метаморфного буфера на подложке кремния приводит к возникновению дислокаций, однако использование специальных методов роста позволяет добиться того, что дислокации не прорастают в верхние слои структуры. Используя короткопериодную сверхрешетку в качестве метаморфного буфера удалось получить солнечный элемент с КПД 20% при AM1.5G [Yamaguchi, М. Potential and Present Status of III-V/Si Tandem Solar Cells [Text] / M. Yamaguchi, // In Proc. 40th IEEE Photovoltaic Spec. Conf. - 2014.]. Использование метаморфного буфера не позволяет использовать кремниевую подложку в качестве первого каскада из-за высокой плотности дислокаций в метаморфном буферном слое.
Другим методом роста солнечных элементов на кремниевой подложке является использование переходного слоя германия или SiGe [Diaz, М. Dual-Junction GaAsP/SiGe on Silicon Tandem Solar Cells [Text] / M. Diaz, L. Wang, A. Gerger, A. Lochtefeld, C. Ebert, R. Opila, et al. // In Proc. 40th IEEE Photovoltaic Spec. Conf. - 2014.], [Lueck, M. Dual Junction GalnP/GaAs Solar Cells Grown on Metamorphic SiGe/Si Substrates with High Open Circuit Voltage [Text] / M.R. Lueck, C.L. Andre, A.J. Pitera, M.L. Lee, E.A. Fitzgerald, and S.A. Ringel // IEEE Electron Device Letters. - 27:142-4. - 2006.], патент US 8119904 B2. Полученный на основе GaAsP/SiGe солнечный элемент, выращенный на подложке кремния, имеет FF=72% и КПД 18,9% [Diaz, М. Dual-Junction GaAsP/SiGe on Silicon Tandem Solar Cells [Text] / M. Diaz, L. Wang, A. Gerger, A. Lochtefeld, С. Ebert, R. Opila, et al. // In Proc. 40th IEEE Photovoltaic Spec. Conf. - 2014.]. Однако введение твердого раствора SiGe с шириной запрещенной зонной существенно меньше, чем у кремниевой подложки из-за сильного поглощение в этом слое не позволяют эффективно использовать кремниевую подложку в качестве нижнего перехода.
В связи с этим большой интерес представляют СЭ на основе гетероперехода между фосфидом галлия (GaP) и кремнием. GaP практически согласован по параметру постоянной кристаллической решетке с Si (разница составляет 0.4%), поэтому подходит в качестве переходного слоя между кремниевой подложкой и верхними каскадами солнечного элемента [Lang, J.R. Comparison of GaAsP Solar Cells on GaP and GaP/Si [Text] / J.R. Lang, J. Faucher, S. Tomasulo, K. Nay Yaung, and M. Larry Lee // Applied Physics Letters 103:092102-092102-5. - 2013.], [Yaung, K.N. Towards High Efficiency GaAsP Solar Cells on (001) GaP/Si [Text] / K.N. Yaung, J.R. Lang, and M.L. Lee // In Proc. 40th IEEE Photovoltaic Spec. Conf. - 2014.], [Almosni, S. Evaluation of InGaPN and GaAsPN Materials Lattice-Matched to Si for Multi-Junction Solar Cells [Text] / S. Almosni, C. Robert, T. Nguyen Thanh, C. Cornet, A. Letoublon, T. Quinci, et al. // Journal of Applied Physics 113:123509-123509-6. - 2013.], патент US 20100263707 A1. В патенте US 20100263707 A1 предложена базовая структура полупроводникового прибора на основе полупроводниковых материалов III-V на подложке полупроводниковых материалов IV группы и способ ее изготовления. В патенте используется рост на кремниевой подложке переходного буферного слоя GaP с последующим переходом на рост полупроводниковых материалов AlGaAs. Используя данные материалы для верхних каскадов сложно получить высокое значение КПД солнечного элемента из-за большой разницы в постоянных решетки материала GaP и AlGaAs.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, данного изобретения является способ формирования монокристаллических буферных слоев GaP на подложке Si методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием методики "эпитаксия с повышенной миграцией" на стадии формирования зародышевого слоя описанный в [М.S. Sobolev, A.A. Lazarenko, Е.V. Nikitina, Е.V. Pirogov, A.S. Gudovskikh, A.Yu. Egorov, Semiconductors 49, 559 (2015).] Методика "эпитаксия с повышенной миграцией" представляет собой поочередное периодическое взаимодействие поверхности подложки с потоком молекул галлия и потоком молекул фосфора при температуре (350±25)°C. После формирования зародышевого слоя GaP на поверхности подложки формировался буферный слой GaP стандартным методом молекулярно-пучковой эпитаксии при температуре (575±25)°C. Недостатком данного прототипа является следующее обстоятельство. Используемые высокие температуры роста приводят к диффузии атомов III и V группы в кремний, формируя область в кремнии с высокой концентрации дефектов, что приводит к существенному снижению эффективного времени жизни носителей заряда в кремниевой подложке. Таким образом, становится невозможно сформировать выскоэффективный фотопреобразовательный переход в кремнии.
Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является снижение диффузии атомов III и V группы в кремний при формировании полупроводниковых слоев фосфида галлия (GaP) и азотсодержащих твердых растворов на его основе (GaPN) за счет снижения температуры процесса осаждения.
Техническим результатом является формирование на поверхности кремния слоев фосфида галлия и его твердых растворов (GaPN) с шероховатостью не превосходящей 1 нм и уменьшение концентрации дефектов в кремниевой подложке в приповерхностной области близи границы раздела GaP/Si.
Технический результат достигается за счет использования плазменной стимуляции процесса разложения прекурсоров атомов элементов III и V группы с поочередной сменой их потоков в процессе осаждения полупроводниковых слоев на поверхность кремния при температуре процесса не превышающей 400°C, включающий применение плазмы тлеющего разряда и поочередной смены этапов осаждения атомов галлия и фосфора за счет периодической и поочередной подачи газообразных источников атомов галлия и фосфора, сопровождаемых этапами отжига в плазме. В качестве источника галлия используются металлорганические соединения Ga триметилгаллий (ТМГ) или триэтилгаллий (ТЭГ), подаваемые в рабочую камеру за счет потока газа-носителя: водорода или гелия или аргона или ксенона с концентрацией атомов галлия в газовой смеси 1-3%. В качестве источника атомов фосфора используется гидрид фосфора - фосфин (PH3) с концентрацией 5-100%. Во время подачи в рабочую камеру источников осаждаемых атомов удельная мощность плазмы повышается до уровня 0.01-10 Вт/см2 и поддерживается за счет введения в камеру рабочего газа поддерживающего давление в рабочей камере 0,1-1 Торр после прекращения подачи прекурсоров осаждаемых атомов в течение времени, необходимого для встраивания атомов галлия и фосфора в растущий слой фосфида галлия. В промежутках времени между циклами осаждения атомов галлия и атомов фосфора проводится периодическая полная откачка рабочей камеры и последующая продувка линий подачи газов за счет подачи рабочего газа. Проводится продувка рабочей камеры для смены реагентов за счет потока рабочего газа, поддерживающего постоянное давление и минимальный уровень мощности плазмы необходимый для поддержания горения тлеющего разряда. В промежутки времени между парой циклов осаждения атомов галлия и атомов фосфора, за который происходит осаждение одного монослоя GaP добавляется цикл осаждения атомов легирующей примеси за счет введения газообразных источников атомов легирующей примеси с одновременной подачей мощности тлеющего разряда. Для формирования слоев GaP n-типа используется смесь моносилана (SiH4) с рабочим газом концентрации 0.001-1%. Для формирования слоев GaP р-типа используется металлорганические соединения, содержащие атомы цинка (диметилцинк, диэтилцинк) или магния (диметилмагний, диэтилмагний), подаваемые в камеру с использованием газа-носителя с концентрацией 0.001-1%. В промежутки времени между парой циклов осаждения атомов галлия и атомов фосфора, за который происходит осаждение одного монослоя GaP добавляется цикл осаждения атомов азота за счет введения газообразного азота с одновременной подачей мощности тлеющего разряда. Концентрация азота в газовой смеси составляет 1-10%.
Анализ электронных свойств гетероструктур изготовленных на подложках кремния с аналогичными параметрами (одинаковый тип проводимости, вид и концентрация легирующей примеси 2⋅1016 см-3, одинаковая механическая и химическая обработка поверхности, равные времена жизни неосновных носителей заряда) показал, что сформированные с помощью описанной технологии гетероструктуры GaP/Si обладали существенно меньшей концентрацией дефектов на границе раздела GaP/Si по сравнению со структурами выращенным с помощью метода-прототипа: молекулярно-пучковой эпитаксии «с повышенной миграцией». Для оценки уровня рекомбинации на границе раздела использовалась принятая методика на основе оценки уровня сигнала фотолюминесценции кремниевой подложки. Уровень сигнала фотолюминесценции уменьшается с ростом рекомбинационных потерь на границе раздела GaP/Si. Так уровень сигнала фотолюминесценции, представленный на фиг. 4, более чем в три раза выше для гетероструктур GaP/Si, полученных с помощью предлагаемой технологии по сравнению с уровнем сигнала фотолюминесценции для аналогичных структур, выращенных с помощью метода молекулярно-пучковой эпитаксии.
Фиг. 1. Временная зависимость потоков прекурсоров атомов галлия (Ga), фосфора (P) и потока рабочего газа, а также ВЧ мощность.
Фиг. 2. Временная зависимость потоков прекурсоров атомов галлия (Ga), фосфора (P), азота (N) и потока рабочего газа, а также ВЧ мощность.
Фиг. 3. Временная зависимость потоков прекурсоров атомов галлия (Ga), фосфора (P), легирующей примеси и рабочего газа, а также ВЧ мощность.
Фиг. 4. Спектры фотолюминесценции для гетероструктур GaP/Si, полученных предлагаемым методом с плазменной стимуляцией (1) и методом-прототипом (2).
Осаждение полупроводниковых слоев GaP проводится на кремниевые подложки n- и p-типа проводимости, ориентацией (100) с разориентированием 0-4° в направлении (011), с использованием оборудования для плазмохимического осаждения с емкостно-связанной плазмой ВЧ разряда (промышленной частоты, например 13.56 МГц). Подложки предварительно повергаются жидкостной химической обработке для снятия органических загрязнений и очистки поверхности от следов металлов. После предварительной химической обработки подложки погружаются в раствор плавиковой кислоты (HF : H2O = 1:3) для снятия слоя окисла и промываются в деионизованной воде. Далее подложки загружаются в ростовую камеру, где они в течение 20-40 минут нагреваются до требуемой температуры роста 250-380°C. Интервал времени между обработкой поверхности подложке в растворе плавиковой кислоты и началом осаждения не должен превышать 40 минут.
Осаждение слоев GaP проводится с использованием временной модуляции, т.е разделения во времени циклов осаждения атомов Ga и P. В качестве источника галлия (Ga) используются металлорганические соединения Ga такие как триметилгаллий (ТМГ) или триэтилгаллий (ТЭГ), подаваемые в ростовую камеру за счет потока газа-носителя. В качестве газа носителя может использоваться водород или инертный газ (гелий, аргон, ксенон). Концентрация атомов галлия в газовой смеси варьируется за счет температуры в испарителе-барботере и входного давления газа-носителя и составляет порядка 1-3%. В качестве источника атомов фосфора (P) используется фосфин (PH3). Для формирования твердых растворов GaPN в ростовую камеру добавляется газообразный азот (N2). Временная диаграмма процесса осаждения отображена на фиг. 1. В рабочую камеру подается поток прекурсора атомов элементов III (Ga) на время t1. При этом зажигается разряд ВЧ плазмы или происходит увеличение ее мощности. В плазме происходит разложение прекурсора атомов III группы, транспорт из газовой фазы и их абсорбция на поверхность подложки. Далее поток прекурсора прекращается, но мощность ВЧ разряда не снижается на протяжении времени t2. За счет мощности разряда происходит повышенная миграция атомов на поверхности, позволяющая занять наиболее энергетически выгодное положение, образуя связи с атомами V группы. Избыточная концентрация атомов III группы десорбируется. Далее мощность плазмы снижается до минимального уровня поддержания горения ВЧ разряда или до нуля. В течение времени t3 происходит откачка реагентов из рабочей камеры с возможной полной откачкой или продувкой с использованием рабочего газа. Затем в камеру подается поток прекурсоров атомов V (P) группы с одновременным поджигом плазмы или увеличением ее мощности на время t4. На этом этапе аналогично описанному выше процессу происходит разложение прекурсора в плазме, транспорт из газовой фазы и абсорбция на растущей поверхности атомов V группы. Далее поток прекурсоров прекращается при сохранении высокого уровня мощности плазмы на протяжении времени t5. Происходит миграция атомов на поверхности, позволяющая занять наиболее энергетически выгодное положение, образуя связи с атомами III группы. Избыточная концентрация атомов V группы десорбируется. Затем мощность плазмы снижается до минимального уровня под держания горения ВЧ разряда или до нуля. Происходит откачка реагентов из рабочей камеры с возможной полной откачкой или продувкой с использованием рабочего газа в течении времени t3. Далее цикл повторяется. За один цикл происходит осаждение одного монослоя.
В процессе осаждения возможно поддержание непрерывного потока рабочего газа, обеспечивающего давление в камере 0,1-1 Торр и непрерывное горение ВЧ плазмы. А также условия осаждения с полной промежуточной откачкой. В этом случае поток рабочего газа подается только на период горения плазмы. В качестве рабочего газа возможно использование водорода или инертных газов (гелий, аргон, ксенон).
Удельная мощность плазмы и выбирается исходя из требуемых скоростей роста и уменьшения количества радиационных дефектов и находится в диапазоне 0.01-10 Вт/см2.
Для формирования твердых растворов GaPN с концентрацией азота 0-4% в конце каждого цикла по осаждению одного монослоя на этапе смены газовой смеси в камеру подается азот (фиг. 2) а, в случае использования осаждения с промежуточной откачкой, также рабочий газ, при этом подается ВЧ мощность на время t6. Вариацией концентрации азота в газовой смеси, мощностью ВЧ разряда и временем дополнительного шага производится управление концентрации азота в твердом растворе GaPN.
Для формирования легированных слоев в конце каждого цикла по осаждению одного монослоя на этапе смены газовой смеси в камеру подается газообразный источник атомов легирующей примеси (фиг. 3). Для формирования слоев GaP n-типа используется смесь моносилана (SiH4) с рабочим газом. Для формирования слоев GaP р-типа используется металлорганические соединения, содержащие атомы цинка (диметилцинк, диэтилцинк) магния (диметилмагний, диэтилмагний), подаваемые в камеру с использованием газа-носителя.
Значения времен t1-t8 сильно зависят от используемого оборудования, скорости откачки, температуры, потоков газовой смеси, давления газовой смеси и мощности разряда. Значения времен t1, t2, t4, t5 выбираются исходя из условий формирования одного монослоя за цикл с учетом скорости адсорбции на этапах осаждения t1, t4 и десорбции на этапах отжига в плазме t2, t5 и находятся в диапазоне 1-10 секунд. Значения времен t6-t9 подбираются экспериментально исходя из условий формирования требуемой концентрации атомов азота и легирующей примеси, соответственно, и находятся в диапазоне 0,5-10 секунд. Значение времени t3 выбирается исходя из условий полной откачки газовой смеси и находится в диапазоне от 5 секунд до единиц минут.
Claims (5)
1. Низкотемпературный способ формирования полупроводниковых слоев GaP на подложках кремния при температурах, не превышающих 400°C, отличающийся применением плазмы тлеющего разряда и поочередной сменой этапов осаждения атомов галлия и фосфора за счет периодической и поочередной подачи газообразных источников атомов галлия и фосфора, сопровождаемых этапами отжига в плазме, в качестве источника галлия используются металлоорганические соединения Ga триметилгаллий (ТМГ) или триэтилгаллий (ТЭГ), подаваемые в рабочую камеру за счет потока газа-носителя: водорода, или гелия, или аргона, или ксенона с концентрацией атомов галлия в газовой смеси 1-3%, в качестве источника атомов фосфора используется гидрид фосфора - фосфин (РН3) с концентрацией 5-100%, во время подачи в рабочую камеру источников осаждаемых атомов удельная мощность плазмы повышается до уровня 0.01-10 Вт/см2 и поддерживается за счет введения в камеру рабочего газа, поддерживающего давление в рабочей камере 0,1-1 Торр, после прекращения подачи прекурсоров осаждаемых атомов в течение времени, необходимого для встраивания атомов галлия и фосфора в растущий слой фосфида галлия.
2. Низкотемпературный способ формирования полупроводниковых слоев GaP на подложках кремния по п. 1, отличающийся тем, что в промежутках времени между циклами осаждения атомов галлия и атомов фосфора проводится периодическая полная откачка рабочей камеры и последующая продувка линий подачи газов за счет подачи рабочего газа.
3. Низкотемпературный способ формирования полупроводниковых слоев GaP на подложках кремния по п. 1, отличающийся тем, что в промежутках времени между циклами осаждения атомов галлия и атомов фосфора проводится продувка рабочей камеры для смены реагентов за счет потока рабочего газа, поддерживающего постоянное давление и минимальный уровень мощности плазмы, необходимый для поддержания горения тлеющего разряда.
4. Низкотемпературный способ формирования полупроводниковых слоев GaP на подложках кремния по пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что в промежуток времени между парой циклов осаждения атомов галлия и атомов фосфора, за который происходит осаждение одного монослоя GaP, добавляется цикл осаждения атомов легирующей примеси за счет введения газообразных источников атомов легирующей примеси с одновременной подачей мощности тлеющего разряда, для формирования слоев GaP n-типа используется смесь моносилана (SiH4) с рабочим газом концентрации 0.001-1%, для формирования слоев GaP р-типа используются металлоорганические соединения, содержащие атомы цинка (диметилцинк, диэтилцинк) или магния (диметилмагний, диэтилмагний), подаваемые в камеру с использованием газа-носителя с концентрацией 0.001-1%.
5. Способ формирования слоев твердых растворов GaPN по пп. 1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что в промежуток времени между парой циклов осаждения атомов галлия и атомов фосфора, за который происходит осаждение одного монослоя GaP, добавляется цикл осаждения атомов азота за счет введения газообразного азота с одновременной подачей мощности тлеющего разряда, концентрация азота в газовой смеси составляет 1-10%.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016141366A RU2690861C2 (ru) | 2016-10-20 | 2016-10-20 | Низкотемпературный способ формирования полупроводниковых слоев фосфида галлия и твердых растворов на его основе на подложках кремния |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016141366A RU2690861C2 (ru) | 2016-10-20 | 2016-10-20 | Низкотемпературный способ формирования полупроводниковых слоев фосфида галлия и твердых растворов на его основе на подложках кремния |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016141366A RU2016141366A (ru) | 2018-04-20 |
| RU2016141366A3 RU2016141366A3 (ru) | 2019-03-12 |
| RU2690861C2 true RU2690861C2 (ru) | 2019-06-06 |
Family
ID=61974530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016141366A RU2690861C2 (ru) | 2016-10-20 | 2016-10-20 | Низкотемпературный способ формирования полупроводниковых слоев фосфида галлия и твердых растворов на его основе на подложках кремния |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2690861C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2822007C1 (ru) * | 2023-12-05 | 2024-06-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" (ННГУ) | Способ получения фоточувствительных пленок оксида галлия |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4180825A (en) * | 1977-09-16 | 1979-12-25 | Harris Corporation | Heteroepitaxial deposition of GaP on silicon substrates |
| US20100263707A1 (en) * | 2009-04-17 | 2010-10-21 | Dan Daeweon Cheong | Base structure for iii-v semiconductor devices on group iv substrates and method of fabrication thereof |
| US20140264446A1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-09-18 | International Business Machines Corporation | Iii-v finfets on silicon substrate |
| US20160111496A1 (en) * | 2014-10-20 | 2016-04-21 | International Business Machines Corporation | Method and Structure for III-V FinFET |
-
2016
- 2016-10-20 RU RU2016141366A patent/RU2690861C2/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4180825A (en) * | 1977-09-16 | 1979-12-25 | Harris Corporation | Heteroepitaxial deposition of GaP on silicon substrates |
| US20100263707A1 (en) * | 2009-04-17 | 2010-10-21 | Dan Daeweon Cheong | Base structure for iii-v semiconductor devices on group iv substrates and method of fabrication thereof |
| US20140264446A1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-09-18 | International Business Machines Corporation | Iii-v finfets on silicon substrate |
| US20160111496A1 (en) * | 2014-10-20 | 2016-04-21 | International Business Machines Corporation | Method and Structure for III-V FinFET |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| M.S. Sobolev et al. MBE grouth of GaP on a Si substrate. Semiconductors, 2015, v.49, p.559-562. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2822007C1 (ru) * | 2023-12-05 | 2024-06-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" (ННГУ) | Способ получения фоточувствительных пленок оксида галлия |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016141366A3 (ru) | 2019-03-12 |
| RU2016141366A (ru) | 2018-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nguyen et al. | InN pin nanowire solar cells on Si | |
| Soga et al. | High efficiency AlGaAs/Si monolithic tandem solar cell grown by metalorganic chemical vapor deposition | |
| CN103999189B (zh) | 用于光敏器件的稀释氮化物半导体材料的制造方法及相关结构体 | |
| Oshima et al. | Improvement of heterointerface properties of GaAs solar cells grown with InGaP layers by hydride vapor-phase epitaxy | |
| US8529698B2 (en) | Ingan columnar nano-heterostructures for solar cells | |
| KR101892124B1 (ko) | 광활성 장치 및 관련 구조에 이용되는 희석 질화물 물질의 형성방법 | |
| EP2768029B1 (en) | Multi-quantum well solar cell and method of manufacturing multi-quantum well solar cell | |
| Kim et al. | Highly efficient epitaxial Ge solar cells grown on GaAs (001) substrates by MOCVD using isobutylgermane | |
| JP6335784B2 (ja) | 可変バンドギャップ太陽電池 | |
| CN105679898B (zh) | 具有翘曲调节结构层的led外延结构及其生长方法 | |
| RU2690861C2 (ru) | Низкотемпературный способ формирования полупроводниковых слоев фосфида галлия и твердых растворов на его основе на подложках кремния | |
| CN103337570A (zh) | 改善4 inch GaN基外延片内均匀性和波长集中度的方法 | |
| US20110233730A1 (en) | REACTIVE CODOPING OF GaAlInP COMPOUND SEMICONDUCTORS | |
| Shastry et al. | Low pressure organometallic vapor phase epitaxial growth of device quality GaAs directly on (100) Si | |
| Jing et al. | Enhanced performance of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells with patterned sapphire substrate | |
| RU2366035C1 (ru) | Способ получения структуры многослойного фотоэлектрического преобразователя | |
| Honsberg et al. | InGaN–A new solar cell material | |
| CN103022294B (zh) | 一种蓝宝石外延片结构及其制造方法 | |
| Andreev et al. | GaAs/Ge heterostructure photovoltaic cells fabricated by a combination of MOCVD and zinc diffusion techniques | |
| CN111785794A (zh) | 基于ScAlN与InAlN极化插入层增强电场的N极性InGaN基太阳能电池 | |
| Wu et al. | Growth, fabrication, and characterization of InGaAsN double heterojunction solar cells | |
| Jung et al. | Effect of AlGaAs barrier layer on the characteristics of InGaP/InGaAs/Ge triple junction solar cells | |
| Jampana et al. | Realization of InGaN solar cells on (111) silicon substrate | |
| Kim et al. | Epitaxial Ge solar cells directly grown on Si (001) by MOCVD using isobutylgermane | |
| Kang et al. | Improving GaInP/GaAs/Ge triple junction solar cell efficiency with reduced growth temperature of GaAs base layer |