[发明专利]一种适用于晶格失配外延材料的RT探测器及其应用

说明书

本发明公开了一种适用于晶格失配外延材料的RT探测器及其应用，该适用于晶格失配外延材料的RT探测器包含一个光源和若干个子接收器；所述若干个子接收器的分布方式为阵列式分布；所述光源用于发出入射光，所述入射光传播到外设外延片表面形成光信号；所述子接收器用于接收由对应外延片形成的光信号，并对所接收的光信号进行光电转换以获得电信号；其实现了晶格失配结构外延片生长过程中生长温度的精确监控。

技术领域

本发明涉及半导体材料生长制备领域，具体涉及一种适用于晶格失配外延材料的RT探测器及其应用。

背景技术

利用MOCVD进行外延材料生长制备，需要对生长温度进行精确的监控。常用的监控手段有两种，分别是(RT)和(TC)。其中，RT为wafer表面的温度，通过监控反射率曲线实现，TC为石墨盘温度，通过热电偶检测。对于晶格失配的多结电池，生长过程中，除高温条件下外延层材料与衬底的热膨胀系数不同导致的应力外，生长晶格失配材料引入的应力会使外延片发生显著弯曲，导致反射信号超出探测器接收范围，RT曲线下降至零，最终导致温度失控。相关技术中，失配结构的外延材料(外延片)生长是通过将RT切换至TC来监控生长温度，而这需要RT与TC有稳定一致的对应关系，但实际上对于不同程度翘曲的外延片很难做到。

外延片不同表面反射光位置变化截面示意图见图1，如图1所示，在平坦面((A)或(D))反射光束可以很好的被探测器所接收，但在负倾斜表面(B)和正倾斜表面(C)，则出现反射信号超出接受范围，从而监控失效。外延片、一个接收器和光源的相对位置如图2所示；外延片、多个接收器和光源的相对位置如图3所示，如图2和图3所示，在外延片表面翘曲较小的情况下，接收器能够很好的接收反射光，实现有效的监控。生产过程中外延片反射光束位置示意图(俯视)见图4，如图4所示，当外延片表面出现翘曲时，部分光束就会偏离设定位置，从而影响监控的准确率。

一般而言，使用MOCVD进行外延生长时，尽可能选择与衬底晶格匹配的外延材料以减少外延层应力和缺陷，以获取高晶体质量的外延材料；但根据太阳光谱吸收利用和材料带隙优化设计方案要求，需要生长晶格失配材料，例如：在空间太阳能电池领域，目前的主流产品是基于晶格匹配的GaInP/InGaAs/Ge三结电池，该结构空间电池的国际水准为效率可达30％，辐照后效率衰减低于18％。尽管经过多年的努力，晶格匹配的GaInP/InGaAs/Ge三结太阳电池已获得30％光电转换效率。但是其三结电池结构的带隙不是最优组合，会存在底、中、顶三个子电池电池不匹配的现象，底电池电流远大于中电池电流和顶电池电流；由于底中顶三结电池是串联在一起的，根据串联电路的电流关系，电流由三个子电池中电流最小的决定，此时大部分光会损耗到底电池上，降低了三结电池的转换效率。为了提高三结电池光电转换效率，需要在降低中电池和顶电池吸收区域的带隙，让中电池和顶电池吸收更多的光，从而提高可以中顶子电池的电流，降低底电池电流，最终可以实现电流匹配的三结太阳能电池，但目前条件下同时满足带隙和晶格匹配且制备性高的可选材料种类非常有限，这样的话，就需要引入晶格不匹配的InGaAs和GaInP材料(与Ge材料)，而外延晶格失配材料时，如果失配外延层厚度小于临界厚度，在形变能的作用下晶格常数会与衬底保持一致，一旦超过临界厚度，其晶格常数将恢复到固有值，从而产生大量失配位错，例如在太阳电池外延生长过程中容易引入穿透位错，位错本身也是一种缺陷，容易在禁带中形成能级，如果位错在子电池PN结中的密度较多则电池性能会严重降低，因此如果能降低外延层中的穿透位错，就能减少缺陷复合。目前国内外常用的方法是采用能释放应力的渐变缓冲层，减少位错缺陷，即采用InGaAs或者GaInP材料作为缓冲层连接晶格失配的Ge衬底和InGaAs材料，该结构的三结太阳能电池，相对于晶格匹配的常规结构三结电池，转换效率得到了明显的提升，可达32％以上。可见，用于连接晶格失配衬底或材料的渐变缓冲层设计十分重要，一般地，临界厚度的大小与失配度有关，晶格失配度越大，临界厚度越小。对于与晶格具有较大失配度的异质外延材料，为了保障失配材料晶格完全弛豫，避免晶格位错增多，组分渐变缓冲层的组分变化速率不能太快，所以缓冲层的厚度都比较厚，生长时间较长，更重要的是因为晶格失配材料间的应力较大且很难得到充分释放，制备过程中整体材料形变程度较大，导致反射信号偏离有效接收区域较远，传统RT和TC控温方法都不再适用，利用差值比较法计算量骤增导致产生延时效应，因此，外延片的生长过程中的监控相应难度更大。