光学透明的半导体缓冲层和应用这种半导体缓冲层的结构制造技术

包括光学透明的变质缓冲层区域的半导体结构，应用这种结构的器件以及制造方法。光学透明的变质缓冲层生长为可在较小的晶格常数和较大的晶格常数(反之亦然)之间提供晶格常数转变，从而允许将具有两种不同晶格常数的材料单片集成。这样的缓冲层可以包括来自元素周期表的第V族的至少两种元素。光学透明的变质缓冲层区域可以包括数字合金超晶格结构，以将材料缺陷限制在变质缓冲层中，并改善变质缓冲层的电性能，从而改善诸如光电器件和光伏电池之类的电子器件的电子特性。光子器件(例如太阳能电池和光学检测器)包含此类半导体结构。阳能电池和光学检测器)包含此类半导体结构。阳能电池和光学检测器)包含此类半导体结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学透明的半导体缓冲层和应用这种半导体缓冲层的结构
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2018年10月3日提交的美国临时专利申请第62/740,614号的优先权和权益，其全部公开内容通过引用合并于此。


[0003]本专利技术涉及包含光学透明的半导体变质缓冲层(或简称为缓冲层)的层状结构，其被明智地配置为允许这些缓冲层在具有小晶格常数或大晶格常数(与缓冲层的晶格常数相比)的下层基材上可靠地生长。不管下层基材的晶格常数的具体数值如何，本专利技术构思的实施都有助于使晶格常数从对应于下层基材的晶格常数变化或转变为另一值(在下层基材上的缓冲层生长过程中，通过增加或减少晶格常数)。本专利技术还涉及半导体器件，该半导体器件包括：a)一方面，缓冲层上方的发光区域或光吸收区域，和/或b)另一方面，缓冲层下方的发光区域或光吸收区域。

技术介绍

[0004]第III
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V族化合物半导体材料被广泛用于半导体光电器件的制造中，例如发射器、检测器和调制器(以及用于各种应用)，以及在多结太阳能电池的制造中。尽管可以使用各种半导体合金来发射或吸收不同波长范围内的光(取决于此类合金的带隙和结构)，但不同的合金在较大的空间范围内可能具有不同的晶格常数。对生产具有这种材料多样性的高质量材料和器件的需求，使晶格常数迫使用户在特定且通常不同的材料上形成或生长这些合金。需要生产具有这种材料晶格常数的多样性的高质量材料和器件，迫使用户在特定且通常是不同的基材上形成或生长这些合金。
[0005]例如，用于在可见光波长和近红外(NIR)波长(通常在约0.75微米到约1微米的范围内)或短波长红外(SWIR)波长(通常在约1微米到约2.5微米的范围内)下操作，通常，可以使用诸如GaAs之类的基材上的外延生长技术来形成器件。可以生长包括AlGaAs，InGaAs，InAlP，InGaP和稀释氮化物的材料(例如GaInNAsSb)以使其与选定的基材(例如GaAs基材)晶格匹配，以确保高质量的具有低水平材料缺陷的生长层。为了在电信波长(约1.3μm和/或1.55μm)下操作，通常使用砷化铟镓(InGaAs)合金，并使其与InP基材晶格匹配，以实现并类似地确保高质量结果。在更长波长下操作的器件，例如中波长红外(MWIR)范围和长波红外(LWIR)范围(即分别从约3微米到约5微米；以及从约8微米到约12微米)通常通过适当地挑选材料的生长上制成的基材形成，例如，锑化镓。(例如，相关技术讨论了利用具有II型超晶格材料的检测器。)
[0006]尽管在实践中使用了由诸如InP和GaSb之类的材料制成的基材，但是这种使用涉及许多操作限制，包括高昂的基材成本，有限的生长晶片直径(以及表征大直径晶片的相关质量缺陷)，以及因InP/GaSb基材的脆性而导致的低产量。从制造和经济角度来看，砷化镓(GaAs)都是更好的基材选择。然而，同时，GaAs和许多需要生长以产生IR范围器件的半导体合金之间的晶格失配较大，如果将这些材料直接沉积在GaAs基材上会导致生长材料的质量
较差。这损害了所得器件的电性能和/或光学性能。
[0007]可以通过以下方式提供一种在诸如GaSb之类的基材上形成IR器件的替代方法：1)在不同的基材(例如GaAs基材)上生长缓冲层，以使整个缓冲层中的材料晶格常数值从GaAs转变为GaSb的值，然后2)形成通过在缓冲层的“外”表面上沉积所需材料来形成该器件，该材料的特征在于晶格常数接近GaSb的晶格常数。可以配置此类缓冲层以利用GaSb的体层，例如(如B.
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M.Nguyen等人在“在GaAs基材上生长的中红外II型InAs/GaSb超晶格光电二极管的演示”，App.Phys.Lett.94，223506(2009)和U.Serincan等人，“在GaAs基材上直接生长II型InAs/GaSb超晶格MWIR光电检测器”，《超晶格和微结构》120，pp15
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21(2018))。
[0008]值得注意的是，相关技术清楚地表明，仅在考虑结构和电性能的基础上设计此类缓冲层，而没有考虑缓冲层的光学特性(例如，哪些特性会影响器件(例如多色光检测器或多结光伏电池)中上方吸收层或下方吸收层中的光吸收)。在相关技术所接受的基础上，随后在工业上考虑对缓冲层进行设计，考虑到排除和不考虑缓冲层的光学特性，本领域技术人员将很容易认识到这种当前设计缓冲层的方法在操作上是不足的。实际上，由于给定的缓冲层通常在某个波长范围内吸收，因此，通过将具有不同吸收光谱和不同晶格常数的吸收区域集成到同一缓冲层上而制成的器件(例如，多色光电检测器或多结太阳能电池)的性能可能会在如此形成的缓冲层中的寄生吸收而受到不利影响。
[0009]因此，技术人员将理解，尽管可以设计基于一种材料体系的器件，同时在通常与另一种材料体系相关联的波长下操作(在一个示例中，基于GaAs的量子级联激光器)，因此，当生长具有特定晶格常数的给定结构时，可以理解并不可避免地限制了一组不同的操作波长(由所产生的有源器件发射的波长或由所产生的无源器件吸收的波长)。因此，要实现由具有单一晶格常数的材料形成的单片器件的操作的宽光谱范围可能是具有挑战性的，并且要么需要缓冲层，要么需要具有不同晶格常数的不同材料的晶片键合以尝试实现这一目标。
[0010]用于多结光伏器件的另一种基材采用Ge
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这是第IV族基材，也形成了该器件的一个子电池(或结)。然而，已知在这样的基材上完成III
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V族材料的成功生长的过程提出了巨大的挑战。GaSb是一种具有类似于Ge的带隙的材料，目前正在研究以确定其在制造多结太阳能电池中的适用性。值得注意的是，GaSb的晶格常数比GaAs或Ge的大得多，这使得将GaSb材料集成到现有的多结太阳能电池中变得相当复杂，并且需要使用合适的缓冲层或使用晶片键合。
[0011]在其他多结太阳能电池结构中，可以使用InGaAs或AlInGaAs变质缓冲层来集成具有不同晶格常数的材料。然而，这样的缓冲层的带隙会导致寄生吸收，从而限制了晶格
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失配子电池层的带隙和组成。
[0012]相关技术还证实了大面积第III
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V族材料基材的晶片键合。但是，键合过程的主要缺点(通常需要严格遵守键合条件)仍然存在。另外，可能需要在不止一个基材(包括诸如GaSb之类的基材)上生长材料层，并可能需要进行去除基材的步骤，才能基于键合实现最终的器件，从而进一步使制造过程复杂化。此外，晶片键合工艺会在两个键合晶片之间的界面处将缺陷引入结构中，这又反过来影响晶片键合器件的电气和光学性能。
[0013]在尝试使用晶片键合工艺(基于集成的基于GaSb的子电池)和变质的AlInGaAs缓冲层(以实现InGaAs子电池与具有晶格常数近似等于GaAs的其他子电池的集成)的多结太阳能电池的尝试(例如，US2015/0372179)中已经公开了这种尝试，这种尝试明确提出了一
些挑战，这是由于同时使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半导体结构，包括：第一光吸收材料层，所述第一光吸收材料层具有第一带隙、第一晶格常数和第一吸收光谱；由第一光吸收材料层承载的光学透明的变质缓冲层，所述光学透明的变质缓冲层具有变质缓冲层晶格常数；和第二光吸收材料层，所述第二光吸收材料层由所述变质缓冲层承载，并具有第二带隙、第二晶格常数和第二吸收光谱；其中，所述光学透明的变质缓冲层对于被第一光吸收材料层和第二光吸收材料层中的至少一层吸收的光是透过性的。2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述光学透明的变质缓冲层对于被所述第一光吸收材料层吸收的第一光和被所述第二光吸收材料层吸收的第二光是透过性的。3.根据权利要求1所述的半导体结构，还包括第三光吸收材料层，所述第三光吸收材料层设置成被所述第一光吸收材料层或所述第二光吸收材料层与所述光学透明的变质缓冲层分隔开；其中，所述光学透明的变质缓冲层对于第一光、第二光和第三光是透过性的；其中，所述第一光是被所述第一光吸收材料层吸收的光，所述第二光是被所述第二光吸收材料层吸收的光，所述第三光是被所述第三光吸收材料层吸收的光。4.根据权利要求1、2和3中的一项所述的半导体结构，并且包括来自元素周期表的第V族中的至少两种元素。5.根据权利要求1、2和3中的一项所述的半导体结构，其中，当在第一材料层上生长时，所述光学透明的变质缓冲层被配置为使变质缓冲层晶格常数的值从第一值变化为第二值，其中，所述第一值基本等于所述第一晶格常数，所述第二值不等于所述第一值。6.根据权利要求5所述的半导体结构，其中，与所述光学透明的变质缓冲层紧邻并与所述光学透明的变质缓冲层形成界面的层是所述第一光吸收材料层、所述第二光吸收材料层和辅助缓冲层中的至少一层。7.根据权利要求6所述的半导体结构，其中，所述辅助缓冲层与所述第一光吸收材料层和所述第二光吸收材料层中的一层彼此紧邻并在它们之间形成界面。8.根据权利要求1所述的半导体结构，所述半导体结构没有彼此粘合的层。9.根据权利要求1所述的半导体结构，还包括：与光学透明的变质缓冲层相邻的掺杂层。10.根据权利要求1和9中的一项所述的半导体结构，其中，所述光学透明的变质缓冲层是掺杂的。11.根据权利要求1、2和3中的一项所述的半导体结构，包括上表面和下表面，并且在所述上表面和下表面之间包含多个子层，以及其中，多个子层中的不同子层的特征在于，来自元素周期表的第V族中的至少两种元素中至少一种的含量不同。12.根据权利要求1
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8和11中的一项所述的半导体结构，还包括位于所述第一光吸收材
料层下方的第一掺杂材料层和位于所述第二光吸收材料层上方的第二掺杂材料层。13.根据权利要求12所述的半导体结构，其中，所述第一掺杂材料层包含n型的掺杂剂，所述第二掺杂材料层包含p型的掺杂剂。14.根据权利要求12所述的半导体结构，其中，所述第一掺杂材料层包含p型的掺杂剂，并且所述第二掺杂材料层包含n型的掺杂剂。15.根据权利要求1至14中的一项所述的半导体结构，其中，所述光学透明的变质缓冲层掺杂有与所述光学透明的变质缓冲层紧邻的掺杂材料层中所包含的掺杂剂相同种类的掺杂剂。16...

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