半导体结构、制备半导体结构的方法及其应用
【专利摘要】本发明公开了半导体结构、制备半导体结构的方法及其应用。该方法包括：(1)提供衬底，所述衬底的上表面具有单晶结构；以及(2)在所述衬底的上表面通过溅射沉积，形成稀土氧化物类单晶层，以便获得所述半导体结构。由此，可以降低制备成本，简化制备工艺，并获得具有类单晶结构的稀土氧化物结构。
【专利说明】
半导体结构、制备半导体结构的方法及其应用
技术领域
[0001] 本发明涉及半导体技术以及半导体制造领域，具体而言，本发明涉及半导体结构、 制备半导体结构的方法及其应用。
【背景技术】
[0002] 在半导体技术领域，为了获得高度集成的芯片，采用多层堆叠结构是目前高密度 存储技术的重要发展趋势。多层绝缘介质层以及多层单晶半导体交替堆叠是实现多层堆叠 结构的重要途径。此外，绝缘介质层以及单晶半导体交替堆叠结构也是构建诸如太阳能电 池等半导体器件的重要结构组成单元。目前多采用外延生长的方法在绝缘介质材料表面获 得单晶半导体薄膜，为了通过外延生长获得高质量的单晶半导体薄膜，要求绝缘介质材料 也要具有晶体结构，且与半导体结构之间需要具有良好的晶格匹配。稀土氧化物晶体与常 见的半导体材料同属于立方晶系，稀土氧化物的晶格常数一般约为常见半导体材料如Si、 Ge、III-V族化合物半导体材料的两倍，通过调整稀土氧化物的成分，可以方便地调整其晶 格常数，使其与常见的半导体材料的晶格常数相匹配，即可以形成良好的晶格匹配，因此采 用稀土氧化物作为绝缘介质材料有利于在稀土氧化物表面形成半导体结构，也有利于在半 导体结构上形成稀土氧化物晶体结构，以获得多层堆叠结构。目前主要通过固相外延生长 或者金属有机化学气相沉积(M0CVD)制备稀土氧化物晶体，然而上述方法普遍成本高昂、操 作复杂，且对设备的真空度等反应条件均具有较高要求。
[0003] 因此，目前涉及稀土氧化物晶体的半导体结构及其制备方法仍有待改进。
【发明内容】
[0004] 本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
[0005] 发明人经过深入研究以及大量实验发现，目前制备稀土氧化物晶体的方法普遍存 在成本高、操作复杂等问题，主要是由于需要通过对制备过程中的真空度、沉积速率等条件 的控制，实现对稀土氧化物晶体层晶体结构的控制，以保证其与单晶硅等半导体层具有较 好的晶格匹配程度，从而保证生长在该稀土氧化物晶体层上的半导体层具有较少的缺陷。
[0006] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的 一个目的在于提出一种制备半导体结构的方法，该方法采用溅射沉积的方法，通过对溅射 条件的控制，能够形成具有类单晶结构的稀土氧化物层。与利用固相外延生长技术以及金 属有机化学气相沉积技术相比，溅射沉积具有成本低廉、操作简单等优点。
[0007] 在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备半导体结构的方法。该方法包括： (1)提供衬底，所述衬底的上表面具有单晶结构；以及(2)在所述衬底的上表面通过溅射沉 积，形成稀土氧化物类单晶层，以便获得所述半导体结构。由此，可以降低制备成本，简化制 备工艺，并获得具有类单晶结构的稀土氧化物结构。
[0008] 根据本发明的实施例，步骤(2)进一步包括:通过溅射沉积在所述衬底的上表面形 成稀土氧化物混合体，对所述稀土氧化物混合体进行退火处理，以便获得所述类单晶层。由 此，可以进一步简化溅射沉积过程的制备工艺，降低对沉积设备的要求，从而可以进一步降 低生产成本。
[0009] 根据本发明的实施例，所述溅射沉积为磁控溅射沉积或离子束溅射沉积。利用磁 控溅射或者离子束溅射可以较好地控制沉积速率以及沉积的稀土氧化物的晶体结构，从而 有利于形成类单晶层。
[0010] 根据本发明的实施例，所述溅射沉积为脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积。 由此，可以利用脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积控制沉积的速率，提高获得的稀土 氧化物类单晶层的结晶质量。
[0011] 根据本发明的实施例，所述衬底是由上表面具有单晶结构的硅材料形成的。具有 单晶结构的Si材料廉价且结晶性能好，有利于提高类单晶层与衬底之间的晶格匹配程度， 从而可以进一步提高该半导体结构的性能。
[0012] 根据本发明的实施例，所述稀土氧化 xNdx)2〇3、（Pri-xLax)2〇3、（Pri-xNdx)2〇3、（Pri- xGdx)2〇3、（Eri-xLax)2〇3中的一种或多种，其中x的 取值范围为0-1。本领域技术人员可以根据对该半导体结构的具体要求，从上述范围内选择 适当的稀土氧化物进行沉积，实现对该半导体结构物化性能的调控，从而可以扩展该半导 体结构的应用范围。
[0013] 根据本发明的实施例，所述类单晶层的晶格常数a与所述衬底上表面所述单晶结 构的晶格常数b的关系为:a=(2±c)b，其中c为晶格常数失配率，0<c<15%。部分稀土氧 化物的晶格常数大约是常见半导体材料晶格常数的两倍，且稀土氧化物的晶格常数可通过 组分调节，通过调节稀土氧化物类单晶层以及衬底上单晶结构的晶格常数之间的关系，使a ~2b，可以提高类单晶层以及衬底之间晶格匹配程度。
[0014] 根据本发明的实施例，所述退火处理的温度为600~1200摄氏度。由此，可以进一 步提高稀土氧化物类单晶层的结晶质量。
[0015] 根据本发明的实施例，步骤(2)中，所述溅射沉积时衬底温度不小于400摄氏度。由 此，可以简便地通过对衬底进行加热，获得稀土氧化物类单晶层，从而可以降低沉积步骤对 设备的要求，简化制备工艺，降低生产成本。
[0016] 在本发明的另一方面，本发明提出了一种半导体结构。根据本发明的实施例，该半 导体结构包括:衬底，所述衬底上表面具有单晶结构;和类单晶层，所述类单晶层形成在所 述衬底的上表面，并且所述类单晶层是由稀土氧化物形成的。具有类单晶结构的稀土氧化 物能够提高类单晶层以及衬底之间的晶格匹配程度，且有利于后续利用该半导体结构构成 绝缘介质以及单晶半导体堆叠结构。
[0017] 根据本发明的实施例，所述衬底是由上表面具有单晶结构的Si材料形成的，所述 稀土氧化物包括：（Gdi-xEr x)2〇3、（Gdi-xNdx)2〇3、（Eri-xNdx)2〇3、（Pri-xLax)2〇3、（Pri-xNdx)2〇3、 (Pr xGdx) 2〇3、（ ErxLax) 2〇3中的一种或多种，其中x的取值范围为0-1。本领域技术人员可以 根据对该半导体结构的具体要求，从上述范围内选择适当的稀土氧化物进行沉积，实现对 该半导体结构物化性能的调控，从而可以扩展该半导体结构的应用范围。
[0018] 根据本发明的实施例，所述类单晶层的晶格常数a与所述衬底上表面所述单晶结 构的晶格常数b的关系为:a=(2±c)b，其中c为晶格常数失配率，0<c<15%。部分稀土氧 化物的晶格常数大约是常见半导体材料晶格常数的两倍，且稀土氧化物的晶格常数可通过 组分调节，通过调节稀土氧化物类单晶层以及衬底上单晶结构的晶格常数之间的关系，使a ~2b，可以提高类单晶层以及衬底之间晶格匹配程度。
[0019] 根据本发明的实施例，所述类单晶层(222)晶面的XRD衍射峰的半高宽小于2度。控 制XRD衍射峰的半尚宽有利于提尚该类单晶层的结晶质量。
[0020] 根据本发明的实施例，所述类单晶层是通过溅射沉积形成的。由此，可以在保证类 单晶层质量的同时，降低制备成本，简化制备工艺。
[0021 ]根据本发明的实施例，所述类单晶层是通过溅射沉积和退火处理形成的。由此，可 以进一步简化溅射沉积过程的制备工艺，降低对沉积设备的要求，从而可以进一步降低生 产成本。
[0022]根据本发明的实施例，所述溅射沉积为磁控溅射沉积或离子束溅射沉积。利用磁 控溅射或者离子束溅射可以较好地控制沉积速率以及沉积的稀土氧化物的晶体结构，从而 有利于形成类单晶层。
[0023]根据本发明的实施例，所述溅射沉积为脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积。 由此，可以利用脉冲式溅射沉积或者离子束辅助溅射沉积控制沉积的速率，提高获得的稀 土氧化物类单晶层的结晶质量。
[0024] 根据本发明的实施例，所述溅射沉积时衬底温度大于400摄氏度。由此，可以提高 类单晶层的结晶质量。
[0025] 根据本发明的实施例，所述类单晶层是通过溅射沉积和退火处理形成的。由此，可 以提高类单晶层的结晶质量。
[0026] 在本发明的又一方面，本发明提出了一种太阳能电池。根据本发明的实施例，该太 阳能电池包含前面所述的半导体结构。利用前面描述的半导体结构，有利于后续在该结构 上通过沉积形成III-V半导体，即第三主族至第五主族元素形成的半导体，如GaAs、GaN等， 从而可以降低该太阳能电池的制备成本，简化制备工艺，并保证太阳能电池性能。
【附图说明】
[0027] 图1是根据本发明一个实施例的制备半导体结构的方法的流程图；
[0028] 图2是根据本发明一个实施例的半导体结构的结构示意图；
[0029]图3是根据本发明实施例1形成的半导体结构的X射线衍射图；
[0030] 图4是根据本发明实施例1的半导体结构的透射电子显微图像；
[0031] 图5是根据本发明实施例2的半导体结构的透射电子显微图像；
[0032]图6以及图7是根据本发明实施例2的半导体结构的X射线衍射图；以及
[0033] 图8是根据本发明实施例2的半导体结构的透射电子显微图像。
【具体实施方式】
[0034] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0035] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"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。
[0036]在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备半导体结构的方法。通常，采用溅射 的方法很难形成类单晶结构，一般多形成多晶或无定形结构。发明人经过深入研究以及大 量实验发现，通过降低溅射速率、提高溅射时衬底温度等方式，或者通过后续退火处理，改 善溅射形成的稀土氧化物的结晶质量，从而实现利用溅射获得类单晶结构。本发明中，"类 单晶"是指晶体具有较好的择优取向，即类单晶层中各处的晶体取向趋于一致，也包括单晶 (晶体中各处取向完全一致）。具体地，根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括：
[0037] S100:提供衬底
[0038]根据本发明的实施例，在该步骤中，提供衬底以便形成半导体结构。具体地，该衬 底上表面具有单晶结构。例如，根据本发明的实施例，衬底是由上表面具有单晶结构的硅材 料形成的。具有单晶结构的Si材料廉价且结晶质量非常好，有利于提高类单晶层与衬底之 间的晶格匹配程度，从而可以进一步提高该半导体结构的性能。例如，衬底可以为单晶硅衬 底。本领域技术人员能够理解的是，为了提高制备的半导体结构的质量，在进行后续步骤之 前，单晶硅衬底(在本发明中又可简称为"硅衬底"）除经过标准清洗工艺以外，还可以采用 氢氟酸处理，例如，在进行后续步骤之前通过10 %氢氟酸处理，以便除去硅衬底表面形成的 自然氧化层(如二氧化硅），防止在后续溅射过程中再形成自然氧化层影响结晶效果。
[0039] S200:形成类单晶层
[0040]根据本发明的实施例，在该步骤中，在衬底的上表面通过溅射沉积，形成稀土氧化 物类单晶层，以便获得半导体结构。由此，可以降低制备成本，简化制备工艺，并获得具有类 单晶结构的稀土氧化物结构。
[0041 ]下面根据本发明的具体实施例对溅射沉积过程进行详细描述。
[0042] 根据本发明的实施例，稀土氧化物可以包括"Gch-xErxhO^Gch-χΝ(1χ) 2〇3、（Εη一 xNdx)2〇3、（Pri-xLax)2〇3、（Pri-xNdx)2〇3、（Pri- xGdx)2〇3、（Eri-xLax)2〇3中的一种或多种，其中x的 取值范围为0-1。本领域技术人员可以根据对该半导体结构的具体要求，从上述范围内选择 适当的稀土氧化物进行沉积，实现对该半导体结构物化性能的调控，从而可以扩展该半导 体结构的应用范围。
[0043] 发明人经过深入研究以及大量实验发现，通过调节稀土氧化物类单晶层的晶格常 数以及衬底上表面的单晶结构的晶格常数之间的关系，可以提高类单晶层以及衬底之间晶 格匹配程度。具体地，稀土氧化物类单晶层的晶格常数a与衬底上表面的单晶结构的晶格常 数b的关系为:a=(2±c)b，其中c为晶格常数失配率，0<c<15%。例如，根据本发明的具体 实施例，稀土氧化物类单晶层可以为(Gdi- xNdx)2〇3,采用含有Gd2〇3和Nd2〇3两种稀土氧化物 粉末的混合物作为溅射沉积的靶材，即可通过溅射沉积形成与衬底之间具有较好晶格匹配 程度的稀土氧化物类单晶层。靶材中Gd 2〇3以及Nd2〇3的质量比为（7:1)~（5:3)。通过调节 Gd2〇3以及Nd2〇3的质量比在上述范围内，可以调节形成的稀土氧化物类单晶层的晶格常数 及其结晶质量。
[0044] 根据本发明的实施例，可以采用磁控溅射沉积或离子束溅射沉积形成类单晶层。 发明人经过大量实验发现，溅射沉积的速率对形成的稀土氧化物的晶体结构具有重要影 响。溅射沉积速度慢有利于形成类单晶层。利用磁控溅射或者离子束溅射可以较好地控制 沉积速率，从而可以控制沉积的稀土氧化物的晶体结构，形成类单晶层。根据本发明的实施 例，溅射沉积还可以为脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积。脉冲式溅射沉积由于采用 了脉冲电源代替直流电源进行溅射沉积，可以有效控制沉积速度，增强沉积原子的迀移，促 进晶体择优取向的形成;采用离子束辅助溅射沉积，利用离子束辅助轰击沉积基片（即单晶 硅衬底），可以提高沉积凝聚粒子的能量以及稳定性，同时消除沉积表面的缺陷及非择优取 向的晶粒，有利于提高沉积形成的稀土氧化物类单晶层的质量。由此，可以利用脉冲式溅射 沉积或者离子束辅助溅射沉积提高获得的稀土氧化物类单晶层的结晶质量。
[0045] 根据本发明的实施例，在该步骤中，可以通过在溅射过程中对衬底进行加热，形成 类单晶层。具体地，可以通过加热使溅射沉积时衬底温度不小于400摄氏度。发明人经过深 入研究以及大量实验发现，对于稀土氧化物，当沉积时衬底温度低于300摄氏度时，形成的 稀土氧化物层多为多晶结构。当衬底温度升高至300~600摄氏度时，有利于形成立方晶系 的类单晶结构。而继续升高衬底温度，则可能导致六角星系的晶体结构。而一般的半导体结 构，多采用单晶Si作为衬底，因此为了和Si的晶格匹配，可以使衬底温度为400-500摄氏度 左右，优化温度为500摄氏度。由此，可以简便地通过对衬底进行加热，获得稀土氧化物类单 晶层，从而可以降低沉积步骤对设备的要求，简化制备工艺，降低生产成本。
[0046] 根据本发明的另一些实施例，在该步骤中，也可以通过在常温下对靶材进行溅射 沉积，例如，进行磁控溅射，衬底不加热，在衬底的上表面沉积形成具有多晶或非晶结构的 稀土氧化物混合体。需要说明的是，在本发明中，术语"稀土氧化物混合体"特指常温或低温 下对稀土氧化物靶材进行溅射沉积形成的、具有多晶结构，但无较好的择优取向，即晶格取 向不趋于一致的结构。然后，对形成的稀土氧化物混合体进行退火处理，使其转化为类单晶 结构，从而可以提高稀土氧化物混合体的结晶质量，获得类单晶层。发明人经过大量实验发 现，退火的时间越长，则类单晶层的晶体质量越好，甚至可以成为单晶结构。由此，可以简便 地通过退火获得类单晶层，有利于进一步降低沉积步骤对设备的要求，简化制备工艺，降低 生产成本。根据本发明的再一些实施例，在该步骤中，通过在高温下对靶材进行溅射沉积， 例如，在磁控溅射的过程中对衬底加热，可以使衬底温度为400-500摄氏度左右，在衬底的 上表面沉积形成具有类单晶结构的稀土氧化物类单晶层。为了进一步提高稀土氧化物类单 晶层的质量，根据本发明的实施例，还可以对形成的稀土氧化物类单晶层进行退火处理，从 而可以进一步改善稀土氧化物类单晶层的结晶质量，获得高质量的类单晶结构甚至高质量 的单晶结构。在溅射沉积过程中，在衬底(如Si衬底）以及类单晶层之间，会形成一层无定形 的衬底材料相关的结构，例如，当衬底为Si衬底时，在Si衬底以及类单晶层之间会形成一层 无定形的稀土硅酸盐结构。发明人意外地发现，后续的退火处理，不仅可以提高稀土氧化物 类单晶层的结晶质量，还能够除去该无定形的稀土硅酸盐层。根据本发明的一些实施例，退 火处理的温度可以为600~1200摄氏度。根据本发明的另一些实施例，退火处理的温度还可 以为800~1000摄氏度。由此，可以进一步提高稀土氧化物类单晶层的结晶质量。
[0047] 利用该方法获得的半导体结构，类单晶层具有较好的结晶质量，类单晶层(222)晶 面的XRD衍射峰的半高宽可以小于2度，保证了稀土氧化物具有较好的结晶质量。并且，该方 法具有工艺简单、成本低廉的优点。
[0048] 在本发明的另一方面，本发明提出了一种半导体结构。根据本发明的实施例，参考 图2,该半导体结构包括:衬底100和类单晶层200。类单晶层200形成在衬底100的上表面，并 且类单晶层是由稀土氧化物形成的。具有类单晶结构的稀土氧化物能够提高类单晶层以及 衬底之间的晶格匹配程度，且有利于后续利用该半导体结构构成绝缘介质以及单晶半导体 堆叠结构。
[0049] 根据本发明的实施例，衬底100上表面具有单晶结构。例如，根据本发明的实施例， 衬底1〇〇是由上表面具有单晶结构的硅材料形成的。具有单晶结构的Si材料廉价且结晶质 量很好，有利于提高类单晶层200与衬底之间的晶格匹配程度，从而可以进一步提高该半导 体结构的性能。例如，衬底1 〇〇可以为单晶硅衬底。稀土氧化物包括(GcU-xErx) 2〇3、（ GcU-xNdx) 2〇3、（Eri-xNdx)2〇3、（Pri-xLa x)2〇3、（Pri-xNdx)2〇3、（Pri-xGdx)2〇3、（Eri-xLa x)2〇3中的一种或多种， 其中X的取值范围为0-1。本领域技术人员可以根据对该半导体结构的具体要求，从上述范 围内选择适当的稀土氧化物进行沉积，实现对该半导体结构物化性能的调控，从而可以扩 展该半导体结构的应用范围。发明人经过深入研究以及大量实验发现，通过调节稀土氧化 物的晶格常数以及衬底上表面的单晶结构的晶格常数之间的关系，可以提高类单晶层以及 衬底之间晶格匹配程度。具体地，稀土氧化物的晶格常数a与衬底上表面的单晶结构的晶格 常数b的关系为:a=(2±c)b，其中c为晶格常数失配率，0<c<15%。例如，根据本发明的具 体实施例，稀土氧化物类单晶层可以为(Gdi- xNdx)2〇3,采用含有Gd2〇3和Nd2〇3两种稀土氧化 物粉末的混合物作为溅射沉积的靶材，即可通过溅射沉积形成与衬底之间具有较好晶格匹 配程度的稀土氧化物类单晶层。靶材中Gd 2〇3以及Nd2〇3的质量比为(7:1)~(5:3)。通过调节 Gd2〇3以及Nd2〇3的质量比在上述范围内，可以调节形成的类单晶层的晶格常数及其结晶质 量。
[0050] 根据本发明的实施例，类单晶层200是通过溅射沉积形成的。通常，采用溅射的方 法很难形成类单晶结构，一般多形成多晶或无定形结构。发明人经过深入研究以及大量实 验发现，通过降低溅射速率、提高溅射时衬底温度等方式，或者通过后续退火处理，改善溅 射形成的稀土氧化物的结晶质量，从而实现利用溅射获得类单晶结构。由此，可以在保证类 单晶层质量的同时，降低制备成本，简化制备工艺。具体地，可以通过脉冲式溅射沉积形成 类单晶层200。可以采用磁控溅射沉积或离子束溅射沉积形成类单晶层。发明人经过大量实 验发现，溅射沉积的速率对形成的稀土氧化物的晶体结构具有重要影响。溅射沉积速度慢 有利于形成类单晶层。利用磁控溅射或者离子束溅射可以较好地控制沉积速率，从而可以 控制沉积的稀土氧化物的晶体结构，形成类单晶层。根据本发明的实施例，溅射沉积还可以 为脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积。脉冲式溅射沉积由于采用了脉冲电源代替直流 电源进行溅射沉积，可以有效控制沉积速度，增强沉积原子的迀移，促进晶体择优取向的形 成;采用离子束辅助溅射沉积，利用离子束辅助轰击沉积基片（即衬底100)，可以提高沉积 凝聚粒子的能量以及稳定性，同时消除沉积表面的缺陷及非择优取向的晶粒，有利于提高 沉积形成的类单晶层200的质量。由此，可以利用脉冲式溅射沉积或者离子束辅助溅射沉积 提高获得的类单晶层200的结晶质量。
[0051] 根据本发明的实施例，可以在溅射沉积时对衬底进行加热，使衬底温度大于400摄 氏度。由此，可以提高类单晶层200的结晶质量。此处衬底的温度与前面描述的制备半导体 结构的方法中对衬底进行加热的温度相同，关于溅射沉积时对衬底进行加热的温度，前面 已经进行了详细的描述，在此不再赘述。或者，根据本发明的另一些实施例，类单晶层200可 以通过溅射沉积和退火处理形成的。在室温下完成溅射过程，形成稀土氧化物混合体，然后 通过退火处理，改善稀土氧化物混合体的结晶质量，从而可以获得类单晶层200。根据本发 明的一些实施例，退火处理的温度可以为600~1200摄氏度。根据本发明的另一些实施例， 退火处理的温度还可以为800~1000摄氏度。由此，可以进一步提高稀土氧化物类单晶层的 结晶质量。
[0052]根据本发明的实施例，类单晶层200的（222)晶面的XRD衍射峰的半高宽小于2度。 根据本发明的具体实施例，在对溅射沉积工艺进行优化后，获得的类单晶层200的XRD衍射 峰的半高宽可以小于1度。由此，可以保证类单晶层200具有较好的结晶质量，从而可以降低 稀土氧化物形成的类单晶层200中的缺陷，有利于提高利用该半导体结构制备的各类半导 体器件的使用功能，并且具有上述类单晶结构的类单晶层200与单晶Si等半导体晶体之间 具有较好的晶格匹配程度，因此采用采用类单晶层200为绝缘介质材料的半导体结构，有利 于在稀土氧化物表面形成半导体晶体，以获得多层堆叠结构。
[0053] 在本发明的又一方面，本发明提出了一种太阳能电池。根据本发明的实施例，该太 阳能电池包含前面所述的半导体结构。由于该太阳能电池中具有前面描述的半导体结构， 因此该太阳能电池具有前面描述的半导体结构的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的 来说，利用前面描述的半导体结构，有利于后续在该结构上通过沉积形成III-V半导体薄 膜，即第三主族至第五主族元素形成的半导体薄膜，如GaAs、GaN等，从而可以降低该太阳能 电池的制备成本，简化制备工艺，并保证太阳能电池性能。
[0054] 下面通过具体实施例对本发明进行说明，需要说明的是，下面的具体实施例仅仅 是用于说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围，另外，如无特殊说明，则未具体记 载条件或者步骤的方法均为常规方法，所采用的试剂和材料均可从商业途径获得。其中，生 长设备使用为LAB18磁控溅射仪，透射电子显微镜采用JE0L公司的JEM-2010型。
[0055] 实施例1 :Si衬底上生长(Gcb-xNdx)203类单晶层
[0056]采用单晶硅片作为衬底，氧化钕(Nd203)和氧化钆(Gd20 3)粉末的混合物(质量比5: 1)为溅射靶材。硅片除经过标准清洗工艺以外，在入片前还要用10%的氢氟酸最后处理，以 防止在溅射薄膜时再形成自然氧化层影响结晶。
[0057] 选择溅射功率200W，真空度IE-7torr，溅射氩气压lOmtorr，衬底温度500摄氏度，控 制生长速度30nm/h左右，40分钟生长20nm左右。获得类单晶层厚度为20nm〇
[0058] 氧化钕(Nd2〇3)和氧化钆(Gd2〇3)的晶格常数分别为Π .08Α和10 81 A，两倍的硅晶格 常数为10,86九，应用维加德(Vegard)定律进行计算，得到当Gd2〇3:Nd2〇3质量比5:1时，获得的 混合晶体的晶格常数大约为10,86 A，并且两种稀土氧化物物理性质也大体相近，混合晶体 也较稳定。
[0059]对获得的半导体结构进行X射线衍射(XRD)检测，参考图3,在28.5度左右以及69.1 度左右出现了衍射峰，分别对应(GcU-xNdx)2〇3的（222)晶面(2Θ角为28.5度）以及5以400)晶 面(2Θ角为69.1度），其中，（GcU- xNdx)2〇3的（222)晶面衍射峰的半高宽为0.5度。参考图4,通 过透射电子显微术测试，稀土氧化物（100)晶面中的单层间距约为10.8,4,与Si衬底的晶格 常数的两倍相符。在Si衬底以及类单晶层之间，具有一层约3nm的稀土硅酸盐层界面层，可 以通过退火处理除去。
[0060] 实施例2: Si衬底上生长(Gcb-xNdxhOs类单晶层
[0061]参照实施例1，同样采用单晶硅片作为衬底，氧化钕(Nd203)和氧化钆(Gd 203)粉末 的混合物(质量比5:1)为溅射靶材。参照实施例1进行溅射沉积，所不同的是，不对衬底进行 加热，常温进行溅射生长。随后，对溅射获得的半导体结构进行氮气氛下退火处理，退火温 度900摄氏度，退火时间8小时。
[0062]退火处理之前，常温溅射生长获得具有多晶结构的稀土氧化物，参考图5，稀土氧 化物部分的透射电子显微图像显示出晶向混乱的多晶，Si衬底以及稀土氧化物之间呈现稀 土硅酸盐界面层。对获得的半导体结构进行XRD检测，参考图6，只在69.1度左右出现了衍射 峰，对应3丨（1〇〇)晶面(20角为69.1度）。退火处理后，参考图7 4^)检测在28.5度左右出现稀 土氧化物(222)晶面对应的衍射峰，其中，该(222)晶面衍射峰的半高宽为0.4度。参考图8， 通过透射电子显微术分析，稀土氧化物（100)晶面中的单层间距约为10.8A，与Si衬底的晶 格常数的两倍相符，且Si衬底以及稀土氧化物之间的稀土硅酸盐层界面层消失。
[0063]在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任 一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结 合和组合。
[0064] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例 性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述 实施例进行变化、修改、替换和变型。
【主权项】
1. 一种制备半导体结构的方法，其特征在于，包括： (1) 提供衬底，所述衬底的上表面具有单晶结构；以及 (2) 在所述衬底的上表面通过溅射沉积，形成稀土氧化物类单晶层，以便获得所述半导 体结构。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)进一步包括： 通过溅射沉积在所述衬底的上表面形成稀土氧化物混合体，对所述稀土氧化物混合体 进行退火处理，以便获得所述类单晶层。3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述溅射沉积为磁控溅射沉积或离子 束溅射沉积。4. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述溅射沉积为脉冲式溅射沉积或离 子束辅助溅射沉积。5. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述衬底是由上表面为具有单晶结构 的硅材料形成的。6. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物包括：（Gch-xErxhOs、 (Gdi-xNdx)2〇3、（Eri-xNdx)2〇3、（Pri-xLax)2〇3、（Pri-xNdx)2〇3、（Pri- xGdx)2〇3、（Eri-xLax)2〇3 中的一 种或多种，其中x的取值范围为0-1。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述类单晶层的晶格常数a与所述衬底上 表面所述单晶结构的晶格常数b的关系为:a=(2±c)b，其中c为晶格常数失配率， 15%〇8. 根据权利要求2述的方法，其特征在于，所述退火处理的温度为600~1200摄氏度。9. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述溅射沉积时衬底温度 不小于400摄氏度。10. -种半导体结构，其特征在于，包括： 衬底，所述衬底上表面具有单晶结构;和 类单晶层，所述类单晶层形成在所述衬底的上表面，并且所述类单晶层是由稀土氧化 物形成的。11. 根据权利要求10所述的半导体结构，其特征在于，所述衬底是由上表面具有单晶结 构的Si材料形成的，所述稀土氧化物包括：（Gdl-xErx)203、（Gdl-xNdx)203、（Erl-xNdx)203、（P:rl- xLax) 2〇3、（PrxNdx) 2〇3、（PrxGdx) 2〇3、（ErxLax) 2〇3 中的一种或多种，其中 X的取值范围为Ο-?; 任选地，所述类单晶层的晶格常数a与所述衬底上表面所述单晶结构的晶格常数b的关 系为:a = (2土c)b，其中c为晶格常数失配率，CKc<15%。12. 如权利要求10所述的半导体结构，其特征在于，所述类单晶层(222)晶面的XRD衍射 峰的半高宽小于2度。13. 根据权利要求10所述的半导体结构，其特征在于，所述类单晶层是通过溅射沉积形 成的。14. 根据权利要求10所述的半导体结构，其特征在于，所述类单晶层是通过溅射沉积和 退火处理形成的。15. 根据权利要求13或14所述的半导体结构，其特征在于，所述溅射沉积为磁控溅射沉 积或离子束溅射沉积； 任选地，所述溅射沉积为脉冲式溅射沉积或离子束辅助溅射沉积。16. 根据权利要求13或14所述的半导体结构，其特征在于，所述溅射沉积时衬底温度大 于400摄氏度。17. -种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包含权利要求10~16所述的半导体 结构。
【文档编号】H01L31/18GK106024972SQ201610365955
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】王子巍, 肖磊, 王敬, 梁仁荣, 许军
【申请人】清华大学