专利名称：一种InP衬底生长InGaAs电池层的结构及其方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体生长技术，尤其是一种InP衬底上生长InGaAs电池的结构及其生长方法。
背景技术：
在基于InxGagAs的热光伏(TPV)电池中，InxGagAs禁带宽度范围在0. 5eV_0. 6eV之间，对应的In的组分在0. 65-0. 81之间，与InP衬底的晶格失配介于I. 0-1. 4%之间。所以如直接在InP衬底上生长0. 6eV InGaAs电池，由于晶格失配造成的应力的释放将在InGaAs中产生大量的位错，降低InGaAs的晶体质量，从而很难提高热光伏电池的效率。
发明内容
为解决上述问题，下面提供一种InP衬底生长InGaAs电池层的方法，可以释放
0.6eV InGaAs热光伏电池材料与InP衬底的晶格失配造成的应力。这种方法包括以下步骤
步骤一采用金属有机化合物化学气相沉淀法，在InP衬底上生长一层InP缓冲层；步骤二 采用金属有机化合物化学气相沉淀法，在所述步骤一的InP缓冲层表面从下至上依次生长至少一层InAsP过渡层，每层InAsP过渡层与所述InP衬底存在晶格失配度；步骤三采用金属有机化合物化学气相沉淀法，在所述步骤二的InAsP过渡层上生长InGaAs电池层，获得目标产品。其中，为更好地释放晶格失配造成的应力，所述InAsP过渡层与InP衬底的晶格失配度从下至上逐层增加。所述步骤二中每层所述InAsP过渡层由上补偿层及下补偿层组成；先生长的下补偿层比后生长的上补偿层晶格失配度大，且两者晶格失配度不超过0. 2%。先生长的下补偿层晶格失配度稍大一些，再生长的上补偿层相对晶格失配度小一些，这样上补偿层和下补偿层组成一对应力补偿层，从而实现应力在过渡层中的释放。为保证过渡层间的应力能完全释放，不同的InAsP过渡层之间相邻的上补偿层及下补偿层晶格失配度相差不超过0. 4%。最后一层InAsP过渡层的台阶变化是不同的，与所述InGaAs电池层相邻的InAsP过渡层的上补偿层与下补偿层之间的晶格失配度不超过0. 05%。InAsP过渡层存在一个适当的厚度，超过这个厚度，应力才可以完全释放，所述InAsP过渡层的厚度为30(T400nm。所述InP缓冲层的厚度为5(T500nm，为InAsP过渡层的生长建立了必要的生长气
氛与模板。所述InP衬底与InGaAs电池层的晶格失配度为I. 3%。在晶格失配度固定的情况下，InAsP过渡层的层数是相对固定的。本发明还提供一种InP衬底生长InGaAs电池层的结构，包括底层InP衬底及顶层InGaAs电池层,在InP衬底及InGaAs电池层之间依次层叠InP缓冲层以及至少一层与所述InP衬底存在晶格失配度的InAsP过渡层。进一步地，为更好地释放晶格失配造成的应力，所述InAsP过渡层与InP衬底的晶格失配度从下至上逐层增加。进一步地，所述步骤二中每个所述InAsP过渡层由上补偿层及下补偿层组成；先生长的下补偿层比后生长的上补偿层晶格失配度大，且两者晶格失配度不超过0. 2%。进一步地，与所述InGaAs电池层相邻的InAsP过渡层中上补偿层与下补偿层之间的晶格失配度不超过0. 05%。进一步地，不同的InAsP过渡层之间相邻的上补偿层及下补偿层晶格失配度相差不超过0. 4%。进一步地，，所述InAsP过渡层的厚度为30(T400nm。进一步地，所述InP缓冲层的厚度为5(T500nm。所述InP衬底与InGaAs电池层的晶格失配度为I. 3%。在晶格失配度固定的情况下，InAsP过渡层的层数是相对固定的。本发明的有益效果是本发明利用MOCVD方法生长基于InP衬底的InGaAs热光伏电池。其中引入InP缓冲层和InAsP作为过渡层，每个InAsP过渡层由一对应力补偿层组成，通过InAsP过渡层台阶式渐变，与InP衬底的晶格失配度台阶式递增，以释放InGaAs热光伏电池材料与InP衬底的晶格失配造成的应力。通过这种方法可以获得高质量InGaAs材料，得到高效的热光伏电池。本发明能够在InP衬底上形成“虚拟衬底”生长与InP衬底晶格失配的外延层，突破了晶格常数的限制，具有重要的应用价值。
图Ia为本发明实施例的制作流程示意图。图Ib为本发明实施例的结构示意图。图Ic为本发明样品A、B、C、D的X射线RSM测试图。图Id为本发明样品A、B、C、D的显微镜照片。
具体实施例方式下面，将结合附图对本发明具体实施例作详细说明。本实施例是在InP 衬底 100 上生长 0. 6eV Inci 68Gatl 32As (InGaAs)电池层 200，InP衬底100与InGaAs电池层200的晶格失配度为I. 3%。这种InP衬底100生长InGaAs电池层200的方法，包括以下步骤
步骤一在InP衬底100上生长一层InP缓冲层110，参见图la。具体操作为利用金属有机化合物化学气相沉淀法(M0CVD)，控制生长温度为665°C、速率维持在2 u m/h、V /III比150、载气为氢气、反应室压力lOOmbar，在InP衬底100上生长一层厚度为50nm-500nm的InP缓冲层110。 步骤二 在所述步骤一的InP缓冲层110表面从下至上依次生长若干层InAsP过渡层。由于InAsP其较大的禁带宽度调谐范围(0. 36-1. 35 eV)，使其在红外光电器件和高速电子器件有着广泛应用。另外InAsP晶格常数介于InP与InAs之间，它可以在InP衬底100上形成一个晶格常数介于InP与InAs之间的“虚拟”衬底，在基于InP衬底100的晶格失配器件中作为组分渐变缓冲层有非常广泛的应用。从材料生长方面讲，可以通过调节As/P的比率来控制晶格常数而基本不影响材料的生长速率。此外，InAsP和InGaAs界面复合系数非常小，因此相比其它常用缓冲层如InxAlgAs, InxGagAs等，InAsxPg在材料生长上具有非常独特的优势。在本实施例中，采用InAsP作为缓冲层。过程中采用台阶渐变的方式进行，也就是As/P的比例是台阶式变化的，利用As/P的比例变化导致晶格失配度随之变化，使晶格失配度达到要求。每个InAsP过渡层由上补偿层及下补偿层组成，首先生长一层 晶格失配度较大的下补偿层，再生长一层晶格失配度比下补偿层小一些的上补偿层，这样两层就形成了一对应力补偿层，依次生长不同组分的应力补偿层，从而实现应力在InAsP过渡层中的释放。具体操作为利用MOCVD的方法，控制生长温度为665 °C，速率维持在2 ii m/h、V /III比150、载气为氢气、反应室压力lOOmbar，在已生长好的InP缓冲层110上生长第一 InAsP过渡层120，参见图la。其中，先生长与InP衬底100晶格失配达0. 3%的下补偿层121，厚度为150nm，上补偿层122比下补偿层121晶格失配度小，且两者晶格失配度不超过0. 2%，则在相同条件下在下补偿层121上生长上补偿层122，与InP衬底100的晶格失配度为0. 1%，厚度为150nm。这样上补偿层122与下补偿层121就形成一对应力补偿层，完成第一 InAsP过渡层120的生长。需要说明的是，补偿层厚度一定范围内对应力的释放起着重要作用，存在一适当的厚度为150nm，超过“适当的厚度”后，才能达到应力释放效果。在其他的实施例中，补偿层厚度可以根据具体情况在适当的厚度范围内调节，即厚度介于150nm 200nmo为达到与InGaAs电池层200的晶格匹配，需要继续生长InAsP过渡层。在相同条件下利用MOCVD方法生长第二 InAsP过渡层130。为保证过渡层间的应力能完全释放，先生长的下补偿层比后生长的上补偿层晶格失配度大，两者晶格失配度不超过0. 2%，不同的InAsP过渡层之间相邻的上补偿层及下补偿层晶格失配度相差不超过0. 4%。根据上述的生长条件，先生长第二 InAsP过渡层130中的下补偿层131，与InP衬底100的晶格失配度为0. 5%，厚度为155nm。相应地，上补偿层132与InP衬底100的晶格失配度为0. 3%，厚度为155nm。这样完成第二 InAsP过渡层130的生长。参照上述方法步骤，参见图lb，依次生长第三InAsP过渡层140、第四InAsP过渡
层150.....直到第六InAsP过渡层170，此时第六InAsP过渡层170上补偿层172与
InP衬底100的晶格失配度已达到I. 1%。，则生长最后一层第七InAsP过渡层180。第七InAsP过渡层180与InGaAs电池层200直接连接，补偿层的台阶变化有所不同，补偿层之间的晶格失配度不超过0.05%。则最后一层的InAsP过渡层中先生长的下补偿层与InP衬底的晶格失配度为I. 3%，厚度为200nm，相应地，上补偿层的晶格失配度为
I.25%,厚度为200nm。这样,完成了最后一对应力补偿层生长，至此InAsP过渡层全部生长完毕，此时InGaAs电池层200与其直接连接的InAsP过渡层晶格匹配。步骤三，即为利用MOCVD方法，控制生长温度为665°C，速率维持在2 U m/h、V / III比150、载气为氢气、反应室压力lOOmbar，在第七InAsP过渡层180上生长晶格匹配InGaAs电池层200，此时InGaAs电池层200与InP衬底100的晶格失配度达到I. 3%，最终获得高效的热光伏电池。
本发明InAsP过渡层的台阶变化方式对应力的释放起着重要作用，采用每两层补偿层应力的补偿的方式可以把位错终止在界面处，有利于提高顶层InGaAs晶体质量。另外适当的减小台阶的变化梯度即增加InAsP过渡层的层数，有利于应力的释放，然而太小的组分变化(即过多的InAsP过渡层)增加了太多的界面，反而增加了产生位错的几率，有可能导致InGaAs晶体质量的降低，也就是说在固定的晶格失配下，InAsP过渡层的层数也是相对固定的本发明提出一种利用InAsP过渡层的生长方法，通过改变化合物的组分(如InAsxPg中的As/P比例)可以在InP衬底100与InGaAs电池层200之间形成“虚拟”衬底，
0.6eV的InGaAs电池层200可以在“虚拟”的衬底上共格生长，从而得到高质量的InGaAs，获得高效的热光伏电池。为突出本发明方法和结构的优异性，本发明提供其他制作方法实施例的对比数据，参见表I为四个电池层样品A、B、C、D的特征参数列表，四个样品之间的差别在于InAsP过渡层层数，InAsP过渡层厚度及InAsP过渡层生长的方法不同。样品A与样品B都是采用8个过渡层，每层厚度为150nm，其不同处为样品A的过渡层采用线性增加的方式，样品B采用应力补偿的方式。样品C与样品D共14个过渡层，过渡层采用应力补偿的方式，其不同处为厚度分别为100nm与150nm。表I.样品A、B、C、D的特征参数
权利要求
1.一种InP衬底生长InGaAs电池层的方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一采用金属有机化合物化学气相沉淀法，在InP衬底上生长一层InP缓冲层； 步骤二 采用金属有机化合物化学气相沉淀法，在所述步骤一的InP缓冲层表面从下至上依次生长至少一层InAsP过渡层，每层InAsP过渡层与所述InP衬底存在晶格失配度； 步骤三采用金属有机化合物化学气相沉淀法，在所述步骤二的InAsP过渡层上生长InGaAs电池层，获得目标产品。
2.根据权利要求I所述的InP衬底生长InGaAs电池层的方法，其特征在于，所述InAsP过渡层的晶格失配度逐层增加。
3.根据权利要求2所述的InP衬底生长InGaAs电池层的方法，其特征在于，所述步骤二中每个所述InAsP过渡层由上补偿层及下补偿层组成；先生长的下补偿层比后生长的上补偿层晶格失配度大，且两者晶格失配度不超过0. 2%。
4.根据权利要求3所述的InP衬底生长InGaAs电池层的方法，其特征在于，不同的InAsP过渡层之间相邻的上补偿层及下补偿层晶格失配度相差不超过0. 4%。
5.根据权利要求3所述的InP衬底生长InGaAs电池层的方法，其特征在于，与所述InGaAs电池层相邻的InAsP过渡层其上补偿层与下补偿层之间的晶格失配度不超过0. 05%。
6.根据权利要求5所述的InP衬底生长InGaAs电池层的方法，其特征在于，所述上补偿层或下补偿层的厚度为15(T200nm。
7.根据权利要求6所述的InP衬底生长InGaAs电池层的方法，其特征在于，所述InP缓冲层的厚度为5(T500nm。
8.根据权利要求7所述的InP衬底生长InGaAs电池层的方法，其特征在于，所述InP衬底与InGaAs电池层的晶格失配度为I. 3%。
9.一种InP衬底生长InGaAs电池层的结构，包括底层InP衬底及顶层InGaAs电池层，其特征在于，在InP衬底及InGaAs电池层之间依次层叠InP缓冲层以及至少一层与所述InP衬底存在晶格失配度的InAsP过渡层。
10.根据权利要求9所述的InP衬底生长InGaAs电池层的结构，其特征在于，所述InAsP过渡层的晶格失配度逐层增加。
11.根据权利要求10所述的InP衬底生长InGaAs电池层的结构，其特征在于，所述步骤二中每层InAsP过渡层由上补偿层及下补偿层组成；先生长的下补偿层比后生长的上补偿层晶格失配度大，且两者晶格失配度不超过0. 2%。
12.根据权利要求11所述的InP衬底生长InGaAs电池层的结构，其特征在于，不同的InAsP过渡层之间相邻的上补偿层及下补偿层晶格失配度相差不超过0. 4%。
13.根据权利要求10所述的InP衬底生长InGaAs电池层的结构，其特征在于，与所述InGaAs电池层相邻的InAsP过渡层的上补偿层与下补偿层之间的晶格失配度不超过0. 05%。
14.根据权利要求12所述的InP衬底生长InGaAs电池层的结构，其特征在于，所述补偿层的厚度为15(T200nm。
15.根据权利要求14所述的InP衬底生长InGaAs电池层的结构，其特征在于，所述InP缓冲层的厚度为5(T500nm。
16.根据权利要求15所述的InP衬底生长InGaAs电池层的结构，其特征在于，所述InP衬底与InGaAs电池层的晶格失配度为I. 3%。
全文摘要
本发明涉及一种InP衬底生长InGaAs电池层的结构及其方法，包括以下步骤一、采用金属有机化合物化学气相沉淀法，在InP衬底上生长一层InP缓冲层；二、采用金属有机化合物化学气相沉淀法，在所述步骤一的InP缓冲层表面从下至上依次生长至少一层InAsP过渡层；三、采用金属有机化合物化学气相沉淀法，在所述步骤二的InAsP过渡层上生长InGaAs电池层，获得目标产品。本发明能够在InP衬底上生长与InP衬底晶格失配的外延层，突破了晶格常数的限制，可以获得高质量InGaAs材料，得到高效的热光伏电池，具有重要的应用价值。
文档编号H01L31/0352GK102623575SQ20121011192
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者何巍, 季莲, 李奎龙, 李鹏, 杨辉, 董建荣, 赵勇明, 陆书龙 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所