用于混合式半导体生长的氢扩散屏障制造技术

公开了具有稀释氮化物有源层和位于稀释氮化物有源层之上的至少一种半导体材料的半导体器件和制造具有稀释氮化物有源层和位于稀释氮化物有源层之上的至少一种半导体材料的半导体器件的方法。混合式外延生长和使用氢扩散屏障层以最小化氢扩散入稀释氮化物有源层用于制造高效率多结太阳能电池和光子器件。氢扩散屏障可通过使用层厚度、组成、掺杂和/或应变形成。应变形成。应变形成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于混合式半导体生长的氢扩散屏障
[0001]本申请要求于2018年8月9日提交的美国临时申请号62/716,814根据35 U.S.C.
§
119(e)的权益，其通过引用以其整体并入。


[0002]本专利技术涉及具有稀释氮化物有源层和位于稀释氮化物有源层之上的至少一种半导体材料的半导体器件和制造具有稀释氮化物有源层和位于稀释氮化物有源层之上的至少一种半导体材料的半导体器件的方法。特别地，本专利技术涉及高效多结太阳能电池和稀释氮化物光子器件的混合式外延生长。

技术介绍

[0003]III
‑
V材料的外延生长是用于无线、光学和光伏工业的基础技术。结构比如假晶高电子迁移率晶体管(PHEMT)、异质结双极晶体管(HBT)、垂直
‑
腔表面
‑
发射激光器(VCSEL)和多结太阳能电池需要仅外延生长才能提供的纯度和结晶质量。用于制造多结太阳能电池的两个技术是分子束外延(MBE)和金属
‑
有机化学气相沉积(MOCVD，或金属
‑
有机化学气相沉积，MOVPE，或有机金属气相外延，OMVPE)。
[0004]稀释氮化物是具有小分数(例如，小于约7原子百分数或5原子百分数)氮的一类III
‑
V半导体合金材料(具有周期表中来自III族的一种或多种元素连同周期表中来自V族的一种或多种元素的合金)。稀释氮化物是令人感兴趣的，因为它们具有可改变的晶格常数以基本上匹配宽范围的包括GaAs和锗的基材和/或其他半导体层比如由除了稀释氮化物的材料形成的光伏电池的子电池。晶格常数可通过不同IIIA族和VA族元素的相对分数控制。因此，通过定制稀释氮化物材料的组成(即，元素和数量)，可获得宽范围的晶格常数和带隙。此外，可通过优化接近特定晶格常数和带隙的组成，同时将总锑含量限制到不大于20百分数的V族晶格位点，比如不大于3百分数的V族晶格位点，或不大于1百分数的V族晶格位点，获得高质量材料。
[0005]尽管可使用III
‑
V多结光伏电池的变质结构，但是由于带隙可调谐性和晶格常数匹配，晶格匹配的稀释氮化物结构是优选的，使得稀释氮化物非常适合集成到多结光伏电池中，并且效率大大提高。稀释氮化物具有证实的性能可靠性并且在制造中需要较少的半导体材料。稀释氮化物光伏电池的高效率使其对地面聚光光伏系统和设计为空间运行的光伏系统具有吸引力。稀释氮化物对于光子器件比如光检测器和半导体激光器比如VCSEL也是令人感兴趣的。重要的是，热处理是制造稀释氮化物器件中必要的和独特的步骤，其对常规的半导体是不需要的。需要热负荷以改善稀释氮化物材料内的结构缺陷。
[0006]尽管MOCVD是太阳能电池商业花生产中优选的技术，但是等离子体
‑
辅助的MBE用于生长具有约1eV的带隙的稀释氮化物材料。通过MOCVD将足够摩尔分数的氮并入外延层的晶格是困难的。等离子体
‑
辅助的MBE提供了优越的稀释氮化物组成控制和材料质量，部分原因是该工艺能够产生更多氮自由基，其增加并入半导体层的氮以减少约0.7eV至1.2eV的范围内的带隙。多结太阳能电池中的其他结(例如，(Al)GaAs、(Al)(In)GaP))可通过具有相
当性能和质量的MBE或MOCVD生长。
[0007]MBE生长通常使用不具有载气的元素源发生在超高真空(UHV)环境(具有基础压力～1E
‑
9托)中的加热的基材上。UHV环境确保材料纯度。层状结构通过模板实现。使MBE适应商业生产可具有挑战性。
[0008]MOCVD生长发生在与MBE完全不同的压力方案(通常15托至750托)中的加热的基材上。不像MBE，MOCVD使用复合物化合物源，即金属
‑
有机源(例如，三甲基Ga、In、Al等)、氢化物(例如，AsH3等)和其他气体源(例如，乙硅烷)。在MOCVD中，反应物流经基材，其中它们与表面反应导致外延生长。与MBE形成对照，MOCVD需要使用载气(通常氢气)来传输反应物穿过基材表面。层状结构通过气体歧管的不同注入口的阀门驱动实现。MOCVD设备的维护比MBE设备的更加频繁，但是耗时校少。所以，MOCVD能够从设备故障或重新配置更快速地恢复。另一方面，MBE涉及更长的维护周期和具有设置可变性限制。由于更低的运营成本，MOCVD是商业生产中优选的技术。
[0009]氢气通常用作砷化物和磷化物生长的载体，并且因此通过MOCVD生长的半导体材料可非有意地用氢掺杂。在外延期间，氢气可源自(1)氢气载体本身，和(2)通过半导体表面处胂或膦的裂解，在这期间共价键破裂且氢释放。相反，MBE外延使用不具有载气的固体或等离子体源，其消除由于反应器中氢存在导致的复杂情况。一旦外延片(epiwafers)从低
‑
氢(MBE)环境转移富含氢的(MOCVD)环境，氢气可扩散到MBE
‑
生长的半导体层并且在这些层中引起钝化
‑
补偿和/或引入分离的供体或缺陷，例如，氮和氢的复合物缺陷，比如N
–
H和N
–
H
‑
V
Ga
(其中V
Ga
与镓空位相关)。另外，在下覆MOCVD
‑
生长的半导体结构上半导体材料的MBE生长可引起下覆MOCVD层内的氢扩散到MBE
‑
生长的材料中。非有意的氢掺杂将污染和降解特意地在超高真空MBE中以低速率生长的稀释氮化物有源层。每种外延生长技术在特定的器件应用中具有其特定的优点。出于该原因，需要新的和改进的MOCVD/MBE混合式外延生长技术和结构，以利用这两种技术的优点并且减轻其缺点。
[0010]MOCVD/MBE混合式外延的成功实施需要适当的保护所生长的中间外延层，以便这种层的顶部表面保持原始状态，并且为附晶(overgrowth)做好“外延准备(epi
‑
ready)”。必须防止界面层的氧化或污染以使混合式生长可行。层也应减少或防止氢从MOCVD生长扩散至下覆和/或或上覆的稀释氮化物有源层并且也应能够经受稀释氮化物外延处理中使用的热处理。使用牺牲层作为在随后的生长步骤之前待刻蚀掉的保护层或封盖层是低效的，尤其是在大批量生产中。

技术实现思路

[0011]本公开描述了外延结构和生长时间表的设计，其最小化表面污染和缺陷，因为外延生长在一个反应器(MBE或MOCVD)中中断，并且然后在另一个反应器中重新开始。结构和工艺还减轻氢从MOCVD生长扩散至下覆和/或或上覆的MBE
‑
生长的稀释氮化物有源层的影响。
[0012]本公开中描述的稀释氮化物电子器件源于MOCVD/MBE混合式生长方法的成功实施。高效率的器件源于特定的外延结构设计(例如，层厚度和掺杂分布)，生长条件(例如，生长期间的温度和停工时间、以及生长速率)和在混合式制造工艺期间稀释氮化物有源层的故意的部分或完全本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半导体器件，其包括：稀释氮化物有源层，其中所述稀释氮化物有源层包括：选自GaNAs、GaInNAs、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi和GaNAsSbBi的稀释氮化物材料；小于5
×
10
16
cm
‑3的背景掺杂浓度；和小于背景掺杂密度的氢
‑
诱导缺陷密度；位于所述稀释氮化物有源层之上的氢扩散屏障区，其中所述氢扩散屏障区包括掺杂的半导体层、稀释氮化物半导体层、应变的半导体层或任何前述的组合；和位于所述氢扩散屏障区之上的一个或多个半导体层。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述氢扩散屏障区相邻所述稀释氮化物有源层，不具有任何中间半导体层。3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述氢扩散屏障区包括掺杂的半导体层。4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述掺杂的半导体层包括选自C、Be、Zn、Si、Se、Te和任何前述的组合的掺杂剂。5.根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述掺杂的半导体层包括1
×
10
17
cm
‑3和2
×
10
20
cm
‑3之间的掺杂水平。6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述氢扩散屏障区包括稀释氮化物半导体层。7.根据权利要求6所述的半导体器件，其中，所述稀释氮化物有源层包括第一带隙；所述稀释氮化物半导体层包括第二带隙；和所述第二带隙大于所述第一带隙。8.根据权利要求6所述的半导体器件，其中所述稀释氮化物半导体层包括GaAsN、AlGaAsN、GaInAsN、GaN、AlN、AlNSb、GaNSb、GaInNAsSb、GaNBi或AlNBi。9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述氢扩散屏障区包括应变的半导体层。10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中，所述半导体器件进一步包括位于所述稀释氮化物有源层之下的基材；和所述应变的半导体层具有相对于所述基材+/
‑
3.5％的范围内的应变。11.根据权利要求9所述的半导体器件，其中所述应变的半导体层是应变的超晶格结构(SLS)。12...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：阵列光子学公司，
类型：发明
国别省市：