[发明专利]硅基砷化镓外延材料及器件制造设备和制造方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子和光电子技术领域，具体涉及一种硅基砷化镓外延材料及器件制造设备和制造方法，特别是涉及硅基砷化镓太阳能电池的制造设备和制造方法。

背景技术

硅和砷化镓是现代半导体产业的两大主流材料。硅材料具有导热性好、机械强度高、缺陷少、衬底尺寸大、价格低廉的优势，砷化镓材料具有高电子迁移率、禁带宽和微波性能良好的优势。在硅上外延砷化镓基材料，提供了将元素半导体材料硅和化合物半导体材料砷化镓两者的优点结合起来的诱人前景。硅基砷化镓材料和器件，在微电子领域和光电子领域具有十分广泛的应用前景。而且使硅电子器件与高速低功耗的砷化镓光电器件的集成变成可能，这将为制备光电集成电路提供一种极有前途的方法。

由于硅和砷化镓之间的晶格失配为4.1%，导致砷化镓外延层中高达10⁷cm^-2的位错密度。由于两种材料热膨胀系数的差异（硅的热膨胀系数为2.59×10^-6K^-1，砷化镓的热膨胀系数为5.75×10^-6K^-1），导致砷化镓层中的张应力达2×10⁴N/cm²，如此大的张应力可造成外延片的“弓形”形变，甚至使较厚（2～3μm）的外延层发生龟裂。由于硅为非极性的金刚石晶体结构，砷化镓为极性的闪锌矿晶体结构，导致砷化镓外延层产生大量的反向畴。由于受到上述三个方面因素的制约，使得制备高质量的器件级的砷化镓外延材料异常困难。

为了解决这些困难，过去几十年来科研和生产人员进行了很多非常有益的尝试。例如采用偏向（011）2°～4°的（100）硅衬底及生长前的高温预处理工艺，再结合先低温（400℃）再高温生长（700℃）的二步生长工艺可以有效的抑制反向畴的形成。采用GeSi缓冲层技术、插入应变层技术（GaAs/GaAsP超晶格）、高低温循环热退火技术、选择外延技术等，可以有效的降低砷化镓外延层中的位错密度。在上述的解决措施中，GeSi缓冲层技术是一种非常有效且易于实现的高质量硅基砷化镓外延材料制备技术。Fizgerald.E.A于1991年首先报道了GeSi作为缓冲层用于硅基砷化镓的外延生长，其GaAs外延层缺陷密度达到了2×10⁶cm^-2以下（Fitzgerald E A et al.Appl.Phys.Lett.59811(1991)）。S.A..Ringel报道了采用梯度变化SiGe缓冲层（10%Ge/μm）的硅基砷化镓单结太阳能电池，其转换效率可达19～20%（AM0）（S.A..Ringel et al.Prog.Photovolt:Res.Appl.10417-1426(2002)）。Lee.M.L发布了采用应变硅层和GeSi缓冲层技术的硅基砷化镓外延层在FETs（场效应晶体管）中的应用情况（Lee M L et al.J.Appl.Phys.97011101(2005)）。此外，美国专利US6291321、US6107653，中国专利200910009001、201010189112、TW1221001B等均公布了用于硅基砷化镓外延生长的多种GeSi缓冲层技术。在上述公布的各种GeSi缓冲层技术中，GeSi缓冲层由超高真空化学气相沉积（UHVCVD）设备制备，其上的砷化镓外延层由金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备制备。