高温半导体势垒区制造技术

公开了半导体器件，该半导体器件在III‑V材料与下方基板之间具有高温势垒层的。高温势垒层可以最小化或防止砷和磷从覆盖层向下方基板中的扩散。结合了高温势垒层的含稀氮化物的多结光伏电池表现出高效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高温半导体势垒区相关申请的交叉引用本申请基于35U.S.C.§119(e)要求于2018年2月15日提交的第62/630,937号美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及在半导体层与下方基板之间具有高温势垒区的半导体器件，其中，高温势垒区使V族元素从半导体层到下方基板的扩散最小化。包含高温势垒区的含稀氮化物的多结光伏电池表现出高效率。
技术介绍
在IV族基板上沉积外延层以提供III-V光电器件(诸如多结光电池和发光二极管(LED))是已知的。这种器件的电学和光学性质正被广泛研究，并且这些性质与基板-外延层界面的性质之间的相关性正受到极大关注。关注基板-外延层界面的原因是，这些器件的性能部分地由该界面的质量所决定。当诸如GaAs的III-V族材料以外延的方式沉积在诸如锗的IV族基板上时，III族和V族层的合适原子层序列的形成不容易建立。IV族位点(锗原子)可以键合到III族或V族原子。实际上，IV族基板的一些区域将与III族原子键合，且其它基板区域将与V族原子键合。这些不同生长区域之间的边界区域导致对器件的性能产生不利影响的结构缺陷(诸如反相域)。为了减少一些这种结构缺陷，IV族基板通常是具有从0°至15°范围内的截断角的斜切基板。这些斜切基板提供了台阶和台阶边缘，在台阶和台阶边缘，原子可以与不同的配置键合，因而在生长过程中提供更大的量级。在诸如例如具有外延地沉积在IV族基板上的III-V族合金的光伏电池的器件中，可以期望通过将例如V族类扩散到IV族基板中来在IV族基板中创建器件的一部分。例如，对于光伏电池，如果V族元素扩散到p型锗基板中，则形成n型发射极区域以产生n-p结。该n-p结是光敏的，并且可以是单结的一部分或多结太阳能电池结的一个结。然而，当在典型工艺温度(600℃至700℃)下在有源锗结上沉积III-V族化合物时，III-V族化合物的V族元素倾向于在几乎没有控制的情况下扩散到锗结中，从而难以形成可预测的n-p结。用V族元素进行附加掺杂将干扰电场引入到锗结的发射极-基极界面处的内建电场。由结结构中的光伏效应产生的少数载流子受到该附加电场的影响。跨结基极层的意外掺杂分布的存在可以阻止少数载流子向结的前方的移动，导致复合速度低和少数载流子收集不良。在涉及具有预先存在的n-p结的锗基板的情况下(如可以是在锗、SiGe和SiC电子线路上的III-V族光电子的异质集成的情况)，III-V族覆盖层的沉积可以改变预先存在的n-p结的掺杂分布，导致n-p结以及作为整体的器件的次优性能。掺杂水平是结内扩散与掺杂剂损失之间竞争的结果。因此，界面的电学特征可能不易控制。在这种情况下，即使并非不可能，也可能难以在锗中实现并维持期望的掺杂分布以在基板界面处维持n-p结期望的电学特征。在光伏电池的情况下，这种电学特征包括开路电压(Voc)。此外，IV族原子将从基板扩散到相邻的III-V族层中。因此，当IV族原子的过度扩散未被抑制(例如，使用合适的势垒材料和/或处理条件)时，在III-V族层界面的初始0.5微米至1微米内的覆盖材料可能会变成被IV族元素高度掺杂。在中等浓度下，诸如硅和锗的IV族原子通常是III-V族半导体材料中的n型掺杂剂。然而，由于它们的两性性质，当以高于2×1018cm-3的浓度掺入时，这些原子会引起很大程度的补偿(n型和p型杂质的组合掺入)，这可导致主半导体层的电学和光学性质的严重劣化。在现有技术(图1A至图1C)中，具有有源锗基板的半导体依赖于成核覆盖层作为V族掺杂剂的源，其扩散到下方的p型块锗中以形成n-p锗结。V族掺杂剂包括氮、磷、砷、锑和铋。在一些示例中，来自InGaP或InP成核覆盖层的磷原子用于有意地对锗基板的n型上部区域的掺杂分布进行成形。通常地，GaAs缓冲层沉积在成核层上方。界限清楚的掺杂剂分布对于锗结以最佳效率发挥作用至关重要。显然，需要用于成核层的外延生长的极端条件(例如，温度、沉积速率和V族过压)以获得具有合适形态和低缺陷密度的器件。在这些条件下，掺杂剂(例如，来自GaAs缓冲层的砷和来自InGaP/InP的磷)的意外扩散是不可避免且难以控制的。这导致为获得最佳的结性能而设计和制订特定掺杂剂扩散分布的复杂性。在一些示例中，在锗的n型上部区域中，磷原子的浓度高于砷原子，而对于其他情况则相反。通常，在锗的n型上部区域中存在砷和磷的策划的两种V族掺杂剂扩散分布。已经尝试通过将二元化合物成核层夹在p型锗基板与缓冲层之间来控制锗n-p结的电学特征(图1C)。假定，V族掺杂剂扩散与成核层的厚度成反比。具有合适厚度的成核层用于调节从AlInGaP、InGaP或AlInP缓冲层到锗中的磷扩散。现有技术中公开的条件与稀氮化物体系的热处理要求不相容。具体地，降低多结光伏电池的性能，诸如Voc、填充因子、Jsc和效率，同时成核层厚度增加。稀氮化物是一类具有小部分(例如，小于百分之5个原子)氮的III-V族合金材料(具有周期表中III族的一种或多种元素以及周期表中V族的一种或多种元素的合金)。稀氮化物是令人感兴趣的，因为它们可以与不同基板晶格匹配，包括GaAs基板和锗基板。尽管可以使用III-V族多结光伏电池的变质结构，但是由于带隙可调性和晶格常数匹配，优选晶格匹配的稀氮化物结构，使得稀氮化物理想地集成到多结光伏电池中，显著提高了效率。已经证明稀氮化物性能的可靠性，并且稀氮化物在制造中只需要较少的半导体材料。稀氮化物光伏电池的高效率使得它们对于地面聚光光伏系统和设计用于太空运行的光伏系统具有吸引力。重要的是，热处理是制造稀氮化物光伏电池的必要且独有的步骤，而常规半导体则不需要。需要热负载来改善稀氮化物材料内的结构缺陷。遗憾的是，有益于改善稀氮化物材料质量的热处理还会对异质外延堆叠内的其它半导体层产生负面影响，诸如锗底部结的性能。现有技术中的成核层未选择或未设计成能承受在高性能稀氮化物器件的生长和制造中常规使用的热处理。一般来说，用于稀氮化物的热处理涉及在5秒至5小时的持续时间(诸如5秒至3小时)将稀氮化物暴露于从600℃至900℃范围内的温度下。在一些情况下，对温度和时间没有限制。在一些情况下，在稀氮化物材料的生长期间施加温度。表1通过沉积方法和热退火条件总结了典型热处理参数。表1热处理方法、温度和时间1分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、快速热退火(RTA)在美国专利第6,380,601B1号和美国专利第7,339,109B2号中公开了现有技术的基于磷化物的成核层，但是它们不适用于基于稀氮化物的多结电池。Garcia等人在“egradationofsubcellsandtunneljunctionsduringgrowthofGaInP/Ga(In)As/GaNAsSb/Ge4-junctionsolarcells”，ProgPhotovoltResAppl.2017；1-9中公开了当在包含稀氮化物层的器件中使用GaInP成核层时，与形成整个器件的稀氮化物材料的生长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.半导体结构，包括：/n第一半导体层，其中，所述第一半导体层包括V族元素；/n高温势垒区，位于所述第一半导体层下方，其中，所述高温势垒区包括一个或多个势垒层，其中，所述势垒层中的至少一个包括无铟势垒层或含铝势垒层；以及/n第二半导体层，位于所述高温势垒区下方。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180215 US 62/630,9371.半导体结构，包括：
第一半导体层，其中，所述第一半导体层包括V族元素；
高温势垒区，位于所述第一半导体层下方，其中，所述高温势垒区包括一个或多个势垒层，其中，所述势垒层中的至少一个包括无铟势垒层或含铝势垒层；以及
第二半导体层，位于所述高温势垒区下方。


2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述V族元素包括砷。


3.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述第一半导体层包括(In)AlGaAs或(In)GaAs。


4.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，
所述无铟势垒层包括AlP、GaP、AlGaP、AlPSb、GaPSb或AlGaPSb；以及
所述含铝势垒层包括InAlP、InAlPSb、InAlPBi、InAlPSbBi、AlInGaP、AlInGaPSb、AlInGaPBi、AlInGaPSbBi、AlP、AlPSb、AlPBi、AlPSbBi、AlAsSb、AlAsBi、AlAsSbBi、AlN、AlNSb、AlNBi或AlNSbBi。


5.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，
第一势垒层包含所述无铟势垒层；以及
所述半导体结构还包括覆盖所述无铟势垒层的第二势垒层，其中，所述第二势垒层包括InAlP、InGaP、AlGaP、AlP、GaP、InAlPSb、InAlPBi、InAlPSbBi、AlInGaP、AlInGaPSb、AlInGaPBi、AlInGaPSbBi、AlPSb、GaPSb、AlGaPSb、AlPBi、AlPSbBi、AlAsSb、AlAsBi、AlAsSbBi、AlN、AlNSb、AlNBi或AlNSbBi。


6.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，
所述高温势垒区包括含铝/磷势垒层；以及
所述含铝/磷势垒层包括InAlP、InAlPSb、InAlPBi、InAlPSbBi、AlInGaP、AlInGaPSb、AlInGaPBi、AlInGaPSbBi、AlP、AlPSb、AlPBi或AlPSbBi。


7.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述第二半导体层包括(Si,Sn)Ge、Ge或n-p锗结。


8.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，
所述第一半导体层包括(In)GaAs；
所述高温势垒区包括：
AlP层和覆盖所述AlP层的InGaAlPSb层，其中，所述InGaAlPSb层包括InGaAlP1-zSbz，其中0≤z≤0.38；或
InAlPSb...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘楟，费伦·苏阿雷兹，阿尔森·苏凯尔斯彦，艾默里克·马罗斯，
申请(专利权)人：阿雷光子学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US