CN113491015A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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
相关申请的交叉引用
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。
技术领域
本发明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，本发明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)。本发明还涉及半导体器件，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。
背景技术
第III-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。
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。)
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。
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.-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，pp15-21(2018))。
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。
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。
用于多结光伏器件的另一种基材采用Ge–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-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。
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-失配子电池层的带隙和组成。
相关技术还证实了大面积第III-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。
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，这是由于同时使用了晶片键合工艺以及未解决的需要在太阳能电池结构的三个不同晶格常数之间进行匹配/转变而造成的。
因此，仍然需要一种半导体缓冲物(层)，其不仅被配置为在较大的晶格常数值范围内支持缓冲层材料的结构转变，而且还需要是导电的和光学透明的(允许在选定的基材上集成具有不同晶格常数的材料-大于或小于所选基材的晶格常数的材料)。
发明内容
本发明的实施方式提供了与多组分光子器件的设计和制造有关的本领域中永久存在的问题的解决方案。特别地，本发明的实施方式解决了由有时需要的晶片键合以形成光子器件的多组分基材所引起的结构缺陷的问题。本发明构思的实施还解决了光子结构中宽带的光的光学吸收增加(以及因此衰减)的问题，这是由于使用了以下缓冲层所致：a)使用包括两种不同的第III族元素和一种第V族元素的多组分材料构建而成，并且b)配置为仅允许在这种缓冲层的生长过程中增大晶格常数的值。
特别地，在解决至少上述问题的基础上，本发明的实施方式提供了一种光学透明的半导体变质缓冲层，其特征在于，缓冲层晶格常数并且被明智地配置(当在具有第一晶格常数的第一材料层上生长时)以使缓冲层晶格常数从第一值(基本上等于第一晶格常数)变化为第二值(大于或小于第一值，即不等于第一值)。变质缓冲层对于被第一层吸收的光是光学透明的，和/或包括来自元素周期表第V族的至少两种元素。在任何实施方式中，变质缓冲层可以i)被配置为具有上表面和下表面，和/或ii)被构造为在与缓冲层垂直的方向上、在整个缓冲层上限定多个子层，和/或iii)的特征在于吸收的截止波长在与上表面、下表面空间上分隔开的(多个子层中的)子层中达到最小值。在一个具体实施方式中，光学透明的变质缓冲层包括AlPSb，GaPSb，AlAsSb，GaAsSb和AlGaPAsSb中的至少一种。在基本上任何一种实施方式中，可以将光学透明的变质缓冲层配置为：a)具有限定至少一种数字合金的多个子层，以及b)具有来自元素周期表的第V族的至少两种元素和/或c)满足以下条件之一：
当多个子层中的第一子层具有第一平均组成和第一厚度并且多个子层中的第二子层具有第二平均组成和第二厚度时，第一平均组成和第二平均组成之间的差异仅由第一厚度和第二厚度之间的差异引起；
当多个子层中的第一子层具有第一平均组成和第一材料组成并且多个子层中的第二子层具有第二平均组成和第二材料组成时，第一平均组成和第二平均组成之间的差异仅由第一材料组成和第二材料组成之间的差异引起；和
当多个子层中的第一子层具有第一平均组成、第一厚度和第一材料组成，并且多个子层中的第二子层具有第二平均组成、第二厚度和第二材料组成，在第一平均组成和第二平均组成之间的差异是由以下两者引起的：a)第一厚度和第二厚度之间的差异以及b)第一材料组成和第二材料组成之间的差异。
本发明的实施方式还提供了一种半导体结构，其包括(i)光学透明的变质缓冲层；(ii)在该变质缓冲层下方的第一光吸收层，该第一光吸收层具有以第一吸收光谱为特征的第一带隙和第一吸收；(ii)由变质缓冲层承载并具有第二带隙和第二吸收的第二光吸收层，所述第二带隙和第二吸收的特征在于第二吸收光谱。在此，变质缓冲层对于被第一光吸收区域和第二光吸收区域中的至少一个吸收的光是透过性的。在一个特定的实施方式中，半导体结构的变质缓冲层对于被第一光吸收区域吸收的第一光和对于第二光吸收区域吸收的第二光是透过性的。可替换地或另外，该半导体结构可以包括第三光吸收层，该第三光吸收层设置为通过第一光吸收层或第二光吸收层与变质缓冲层分开(在这种情况下，变质缓冲层是配置为对第一光、第二光和第三光是透过性的，其中第一光是被第一光吸收层吸收的光，第二光是被第二光吸收层吸收的光，而第三光是被第三光吸收层吸收的光。然而，在以上任何情况下，可以将半导体结构配置为具有上表面和下表面，在上表面和下表面之间具有多个子层，而不同的子层的特征是元素周期表的第V族中至少两种元素中至少一种的含量不同。
在半导体结构的基本上任何实施方式中，半导体结构的光学透明的变质缓冲层可以包括：i)AlPSb，GaPSb，AlAsSb，GaAsSb和AlGaPAsSb中的至少一种，和/或ii)来自元素周期表中第V族中的至少两种元素。在任何实施方式中，当在第一材料层上生长时，可以明智地配置光学透明的变质缓冲层，以将变质缓冲层的晶格常数的值从第一值变化为第二值(这里，第一值基本上等于第一光吸收材料层的晶格常数，第二值不等于第一值)。在特定情况下，紧邻光学透明的变质缓冲层并与光学透明的变质缓冲层形成界面的层是第一光吸收材料层、第二光吸收材料层和辅助缓冲层中的至少一层(可以配置辅助缓冲层以与第一光吸收材料层和第二光吸收材料层中的一层形成界面)。在一种实施方式中，半导体结构的实施方式没有(即，缺乏或不包括)彼此粘合的层。可替换地或另外-在基本上任何一种实施方式中，半导体结构都可以是紧邻(临近)光学透明的变质的层(在特定情况下，反过来也可以被配置为掺杂层)。(当使用两个掺杂材料层形成这种结构时，可以观察到两个条件之一：a)第一掺杂材料层可以包含n型掺杂剂，而第二掺杂材料层可以包含p型掺杂剂。或b)第一掺杂材料层可以包含p型掺杂剂，而第二掺杂材料层可以包含n型掺杂剂)。在上述至少一种实施方式中，可以用与包含在紧邻光学透明的变质缓冲层的掺杂材料层中的掺杂剂相同类型的掺杂剂来掺杂光学透明的变质缓冲层。可替换地或另外，在上述至少一种实施方式中，光学透明的变质缓冲层可以被构造成包含多个层，其中相邻层具有至少一种不同的材料组成和不同的厚度。
本发明的实施方式还提供了一种光学检测器，其包括来自上述定义的实施方式的半导体结构的实施方式(并且在特定实施中-多色光学检测器，即该检测器被配置记录多个波长的光信号)和/或包含上述半导体结构的太阳能电池。
附图简述
下面的描述是参考附图进行的，这些附图用于说明本发明构思的示例性实施方式，但是，通常不按比例绘制，并且不旨在限制本公开的范围。
图1示出了具有缓冲层的器件的横截面。
图2是缓冲层的横截面示意图。
图3是数字合金缓冲层的横截面。
图4示出了多色IR检测器的示意性横截面。
图5示出了具有反向生长堆叠的多色IR检测器的示意性横截面。
图6示出了根据本发明的具有GaSb子电池的四结太阳能电池的示意性横切面。
图7示出了根据本发明的具有GaSb子电池和反向生长堆叠的四结太阳能电池的示意性横切面。
图8是图6的器件的层结构的更详细的横切面方案。
图9是在GaSb基材的晶格常数与GaAs基材的晶格常数之间转变晶格常数的缓冲层的示意性横切面图。
图10示意性说明了示出各种电子层的双色检测器。
图11A、11B、11C和11D示意性地示出了变质缓冲层在厚度方向上作为厚度t的各种函数的晶格常数变化。
通常，可以将附图中的元素的尺寸和相对比例设置为与实际尺寸不同，以适当地促进附图的简单性、清晰性和理解性。出于相同的原因，并非一幅图中存在的所有元素都可能必须在另一幅图中示出。
具体实施方式
以下详细描述参考附图，这些附图通过非限制性示例和说明示出了本发明的具体细节和实施方式。对这些非限制性示例进行了详细描述，足以使本领域技术人员能够实施本发明。当然，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施方式，并且可以进行结构，逻辑和电气上的变化。以下讨论的各种实施方式不一定是互斥的并且经常是相关的，并且有时可以适当地组合。
在说明书中列出的数值范围和参数可以代表特定值或为数值近似值，并且在特定实施方式的实际实施的情况下，可以偏离针对各个测试测量的特定的典型变化，如本领域中已知的那样。
特别地，本文列举的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围，并且包括范围限制。例如，范围“1至10”旨在包括在所列举的约1的最小值与所列举的约10的最大值之间(并且包括)之间的所有子范围，即，最小值约等于或大于1，最大值约等于或小于10。
除非另有特别说明，否则“或”的使用是指“和/或”，即使在某些情况下可以明确地使用“和/或”。
术语“晶格匹配”或类似术语是指半导体层，当该半导体层的材料的厚度大于100nm时，形成邻接层材料(以其完全松弛状态考虑)的材料的面内晶格常数相差小于0.6％。此外，在诸如具有多层形成单独的结的多层的多结太阳能电池的器件中，基本上彼此晶格匹配的结定义了以下情况：结中的所有材料(厚度大于100nm，并在其完全松弛状态下)的面内晶格常数相差小于0.6％。可替代地，如从讨论的上下文中所理解的，术语基本上晶格匹配的可以指代应变的存在。这样，给定的层状结构的基础材料层可以具有0.1％至6％，0.1％至5％，0.1％至4％，0.1％至3％，0.1％至2％的应变，或从0.1％至1％的应变，或可以具有小于6％，小于5％，小于4％，小于3％，小于2％或小于1％的应变。术语“应变”通常是指压缩应变和/或拉伸应变。
通常，术语“变质的”是指与形式改变有关或以形式改变为特征的一种。如本文所用，术语“伪应变”是指由具有不同晶格参数差异的不同材料制成的层可以生长在其他晶格匹配或晶格应变层之上而不会产生失配位错。在某些实施方式中，伪应变层的晶格参数相差高达+/-3.5％。在相关的实施方式中，晶格参数相差最多+/-2％。在其他实施方式中，晶格参数相差最多±1％，最多±0.5％或最多±0.2％。
本发明的构思源于以下认识：即可以在不使用晶片键合工艺的情况下，而是通过利用光学透明的过渡缓冲层来可操作地连接多个光学上和结构上都吸收的光谱吸收区域的器件来实现实用的多波长光子器件(例如，光学检测器的配置为可在宽带光谱范围内操作，而该光谱范围对于现有检测器来说通常是不大的)的制造。
本发明的构思的实施方式或实施例解决了在工业变质缓冲层中使用当前应用的已知组合所持续存在的问题的组合。具体地，至少解决了两种类型的问题：(i)由有时需要的晶片键合以形成用于光子器件的多组分基材所引起的结构缺陷的问题，以及(ii)光子结构中宽带光的光学吸收(以及衰减)问题，这是由于使用了缓冲层所造成的，该缓冲层是由包含两种不同组III族元素的多组分材料和一组V族元素构成，配置为只允许在这种缓冲层的生长过程中增加晶格常数的值。通过设计变质的层至少解决了这些问题。
(i)包括至少两种V族元素，
(ii)被配置为使得，当被沉积在作为缓冲层的下面的选定的基材上时，其特征在于晶格常数的增加(作为该层的厚度的函数)，或者，可选地，其特征在于晶格常数的减小(作为厚度的函数)；和
(iii)对于从利用这样的缓冲层进行的光子器件的操作所选择的宽带波长范围中的至少一个波长，在整个层的厚度上保持基本上光学透射。换句话说，根据本发明的构思构造的缓冲层的实施方式允许在包含至少两种来自元素周期表中V族的材料的光学透明的缓冲层的整个厚度上双向变化晶格常数。
特别地，本发明的方法便于制造包括多结太阳能电池和宽带(多色)光的光学检测器(包括相互之间的光学检测器)在内的高质量半导体器件的经济高效的过程。可以变化为“多色检测器”)。本公开说明了光子器件，该光子器件包含将晶格常数从第一晶格常数值转变为第二晶格常数值的光学透明的变质半导体缓冲层，具有第一晶格常数值和第一吸收光谱的第一光吸收区域，以及具有第二晶格常数和第二吸收光谱的第二光学吸收区域。术语“太阳能电池”(在本文中可以与术语“光伏电池”互换使用)是指并定义一种电气器件，该电气器件被配置为通过光伏效应将光能直接转换为电能。
图1是根据本发明构思构造的特定半导体光电器件100的示例的截面图。实施方式100包括基材102、第一吸收层104、变质缓冲层106、可选的缓冲层108和第二吸收层110。(尽管为简单起见，每一层都表示为单层，但应当理解，每一层可以包括或承载具有不同组成、厚度和掺杂水平的一个或多个层，以提供所需的光学性能和/或电学功能，并改善材料界面、电子传输、空穴传输和/或其他光电性能的质量)。通常，除非另有明确说明，否则如本文中广泛使用和描述的那样，将层称为在元素表面或另一层上“承载”是指直接配置在元素/层表面上的层或直接配置在元素/层表面上的一个或多个涂层上的层。
基材102的特征在于第一晶格常数或具有晶格常数的第一值。取决于特定实施方式的特定要求，基材102可以包括锑化镓(GaSb)、砷化铟(InAs)、磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、硅(Si)、锗(Ge)或外延生长的材料(例如三元半导体或四元半导体)。明智地选择基材102的第一个晶格常数，以最大程度地减少随后在基材102上生长的材料中的缺陷。基材102的厚度可以定义在介于约50微米与更高厚度之间的较大值范围内厚度约为1毫米，例如约250微米至700微米。在一些实施方式中，可以使用基材减薄来生产半导体器件，其最终基材厚度小于150μm。在一些实施方式中，在基材102上的半导体层的生长之后，基材自身可以可选地变薄，或者甚至可以使用基材去除工艺去除。基材102可以是复合基材，因为它可以包括多个竖直(沿图1示出的z轴)堆叠的材料层，并且还可以在感兴趣的波长范围内光学吸收。基材102可以是掺杂的基材(例如p型掺杂的基材或n型掺杂的基材)，或者在相关的实施方式中，它可以是半(电)绝缘(SI)基材。第一吸收层104位于基材102之上或被其承载。在一种特定情况下，第一吸收层104被配置为相对于基材102晶格匹配或伪应变，并包括合适的III-V化合物半导体。第一吸收层104具有第一带隙并且吸收第一波长范围内的光。在特定情况下，基材102可以是光学吸收性的和/或包含第一吸收区域。
一方面，变质缓冲层106覆盖在第一吸收层104上，或者被第一吸收层104所承载，并且被反向覆盖或覆盖有以下层(如图1所示的可选的缓冲层108或第二吸收层110)。
因此，变质缓冲层106被明智地配置为提供晶格常数的第一值(在与变质缓冲层106的界面处的第一吸收层104)与晶格常数的第二值(与变质缓冲层106的界面处的下一层108或110)之间的材料晶格常数值的结构转变，而不管这种结构转变(由于变质缓冲层106在生长方向z上的生长而完成，远离基材102)增加或减少所述晶格常数。
如此形成的晶格常数转变的目的是获得随后(在结构100沿生长方向z连续生长期间)在变质缓冲层106之上覆盖半导体层(与第二晶格常数匹配或伪应变的晶格，在这种情况下，是可选的缓冲层108或第二吸收层110)的能力。变质缓冲层106也被配置为对光是光学透明的，该光在通过结构(在该示例中为基材102和/或层104)的底部或结构100的顶部(例如108/110层)，或穿过结构100的顶部和底部向层106传播时未被吸收。由于如此配置，变质缓冲层106允许通过层(110、108)组合透射并且可以被并且可以被层104吸收的光被层104吸收。可替换地或另外，缓冲层106允许通过层(102,104,108)的组合而透射并且可以被层110吸收的光被层110吸收。变质缓冲层106可以包括一个以上的材料层，但是为了简化说明，在实施方式中被说明为包括单个层。如本文所述，变质缓冲层106可包含任何合适的第III-V族化合物半导体材料。
缓冲层108可以可选地包括在半导体器件100中，覆盖在变质缓冲层106之上。例如，缓冲层108可以包括在结构100中，以提供光滑的生长表面，以便随后沉积上覆盖的半导体材料，并且可以包含任何合适的第III-V族化合物半导体。在存在该缓冲层108的实施方式中，缓冲层108具有晶格常数的第二值。
第二吸收层110覆盖变质缓冲层106或位于变质缓冲层106上，或由变质缓冲层106承载。第二吸收层110可以相对于由变质缓冲层106的(如上部所示)界面提供的晶格常数的第二值进行晶格匹配或伪应变，并且可以包含任何适用的III-V化合物半导体。第二吸收区域110具有第二带隙并且吸收第二波长范围内的光。
本领域技术人员应当理解，也可以形成另外的结构和/或功能层(未示出)，例如接触层、导电层和通道结，仅举几个例子，具有完全启用的光学和电气功能的器件。
图2说明了变质缓冲层106的一种实施方式的横切面。如图所示，缓冲层106包括至少两个具有不同的相应平均材料组成和不同的相应晶格常数的子区域或子层。在实施方式中，如图所示，缓冲层106包含具有不同的平均合金组成和不同的晶格常数的多个子区域/子层。子区域201具有第一组成和第一晶格常数，子区域203具有第二组成和第二晶格常数，并且子区域205具有第三组成和第三晶格常数。明智地选择子区域的组成，以使每个特定子区域的晶格常数在下面的半导体子区域的晶格常数(例如，GaSb或GaAs)和覆盖半导体子区域(例如，GaAs或GaSb)的晶格常数之间单调变化(必要时在相同的单个方向上，例如沿着生长轴z)。在非限制性示例中，变质缓冲层的两个相邻子区域(例如，子区域201和203)之间的晶格常数差小于0.5％。在其他示例中，这种差异小于0.75％、或小于1％、或小于2％。在其他一些实施方式中，所述变质缓冲层的相邻区域之间的晶格常数差小于4％。变质缓冲层的每个子区域或子层的厚度通常为使得失配位错可能发生。如将进一步解释的，变质缓冲层被设计为位错过滤器，其配置为将位错在空间上限制在变质缓冲层本身上，并防止失配位错传播到随后的外延生长层中。
在一种实施方式中，变质缓冲层106包括至少一种第III族元素(例如Al或Ga)和至少一种第V族元素(例如Sb)。在相关的实施方式中，变质缓冲层106包括至少两种第V族元素(例如，P和Sb，或As和Sb)。根据本发明的构思，在变质缓冲层中Sb的存在允许形成具有大约等于一种材料(通常用作基材材料)的大的晶格常数的晶格常数的变质缓冲层，如GaSb或InAs那样，明智地选择第二V族元素的存在以实现晶格常数大约等于另一种材料(通常也用作基材材料)的小晶格常数，例如GaAs，Ge或Si。
值得注意的是，在各种实施方式中，变质缓冲层106通常包括AlPSb和/或GaPSb和/或AlGaPSb和/或AlAsSb和/或GaAsSb和/或AlGaAsSb。
示例1(使用AlPxSb1-x)
在表1中描述了围绕AlPxSb1-x并配置为在GaAs和GaSb的晶格常数之间提供转变的特定变质缓冲层结构的非限制性示例。在此示例和其他示例中，“吸收边缘”的值是指并定义了与半导体材料的吸收的光谱截止相对应的波长(波长比该截止波长短的光在该半导体材料中被吸收)。
表1变质缓冲层示例
Figure BDA0003097252690000121
Figure BDA0003097252690000131
在一种情况下，具有AlP0.71Sb0.29组成的材料近似与GaAs晶格匹配，并且具有AlP0.06Sb0.94组成的材料近似与GaSb晶格匹配。表1的变质缓冲层的最小带隙在约1.27eV和1.64eV之间变化，对应于755nm至960nm之间的长波长吸收边缘。在这种变质缓冲层中，波长超过约960nm的光不应受到任何明显的吸收。因此，该层实际上和操作上适合于促进应用吸收性材料(例如带隙介于0.7eV和1.2eV之间的稀释氮化物)的多结电池与GaSb基材(当该层用作变质缓冲层时)的集成。类似地，可以使用这种变质缓冲层来设计和制成基于诸如稀释氮化物和II型基于Sb的超晶格的材料组合的多色检测器。
如以上所示，实施例1的变质缓冲层的材料组成根据P的分数(含量)而准单调降低，这反过来引起晶格常数的准单调增加。该示例说明了本发明的变质缓冲层的一种实施方式，其波长的吸收边缘随着层的生长而增加，达到最大，然后向变质缓冲层的上边界减小。在这种情况下，示出的变质缓冲层包括八个平均组成不同的子区域。变质缓冲层的厚度可以在大约0.5μm和大约20μm之间。变质缓冲层的每个子区域的厚度可以在约50nm至约2μm之间变化。
根据特定申请，所述变质缓冲层可以被掺杂为n型，或者可以被掺杂为p型或不掺杂。例如，如果缓冲层生长在n型掺杂的下方的层上，并且器件应用要求缓冲层是导电的，则缓冲层可以被掺杂为n型。如果将缓冲层生长在p型掺杂的下方的层上，则可以将缓冲层掺杂为p型。如果不需要通过缓冲层的电导率，则可以不掺杂。通过步进/增加组成和晶格常数，变质缓冲层106被设计为在由缓冲层的最后一层提供的新的晶格常数处为随后的外延生长提供低的缺陷密度。
示例2(使用GaPxSb1-x)：
表2示出了围绕GaPxSb1-x构造并配置为在GaAs和GaSb的晶格常数之间提供转变的特定变质缓冲层的非限制性示例。
表2：变质缓冲层示例(使用GaPSb)
Figure BDA0003097252690000141
在一种情况下，具有GalP0.68Sb0.29的组成的材料近似与GaAs晶格匹配，并且具有GaSb0的组成的材料与GaSb晶格匹配。表2的变质缓冲层的最小带隙在约0.67eV至1.22eV之间变化，其对应于1020nm至1860nm之间的长波长吸收边缘。波长超过约1860nm的光在通过或在这种变质缓冲层中传播时，不应经历任何明显的吸收。因此，该层在实际和操作上适合于促进应用吸收性材料(例如带隙在0.7eV和1.2eV之间的稀释氮化物)和带隙小于约0.65eV的材料(例如，与GaSb基材晶格匹配的基于II型Sb的超晶格的材料)(当改成被用作变质缓冲层)的多色光电检测器的集成。在一种实施方式中，可以根据实施例1中提供的范围选择缓冲层厚度和掺杂水平。
示例3(使用AlAsxSb1-x)
表3给出了围绕AlAsxSb1-x并配置为提供GaSb和GaAs的晶格常数之间的转变的特定变质缓冲层结构的非限制性示例。
表3：变质缓冲层示例(使用AlAsSb)
Figure BDA0003097252690000142
Figure BDA0003097252690000151
在一种情况下，具有AlSb组成的材料近似与GaSb晶格匹配，并且具有AlAs组成的材料近似与GaAs晶格匹配。表3的变质缓冲层的最小带隙在约1.58eV和2.15eV之间变化，对应于785nm至577nm之间的长波长吸收边缘。在这种变质缓冲层中，波长超过约785nm的光在通过此类变质缓冲层或在此类变质缓冲层中传播时，不应受到任何明显的吸收。因此，该层实际上和操作上适合于促进应用吸收性材料(例如带隙介于0.7eV和1.2eV之间的稀释氮化物)的多结电池与GaSb基材(当该层用作变质缓冲层时)的集成。类似地，可以使用这种变质缓冲层来设计和制成基于诸如稀释氮化物和基于II型Sb的超晶格材料组合的多色检测器。在一种实施方式中，可以根据示例1中提供的范围来选择缓冲层的厚度和掺杂水平。
应当理解，通常，变质缓冲层的特定实施可以包括使用感兴趣的材料的任何组合，例如，用于实施例1、2和3的缓冲层的材料的组合。示例4(连续分级的AlGaAsSb)
包含围绕AlyGa1-yAsxSb1-x(具有0≤y≤1和0≤x≤1，并且被配置为提供GaAs和GaSb的晶格常数之间的结构转变)构造的特定的光学透明的变质缓冲层的非限制性示例在图9中示出。结构900包括GaAs基材902，覆盖在GaAs基材上的分级的AlyGa1-yAsxSb1-x(0≤x≤1)缓冲层904和覆盖在缓冲层904上的III-V族化合物半导体层(包括GaSb)906。分级的AlyGa1-yAsxSb1-x层904的As分数x在其厚度上(沿生长方向或轴，如箭头所示)从1变化到0。在与GaAs基材902的界面处，缓冲层904中的As的材料分数为x＝1，并且分级的AlyGa1-yAsxSb1-x层904基本上仅包含As作为V族元素。在相对的界面(由具有III-V层906的形成的层904)，x＝0和分级的AlyGa1-yAsxSb1-x层904基本上仅包含Sb作为V族元素。因此，分级的AlyGa1- yAsxSb1-x层904在其整个厚度上沿着生长方向提供了从GaAs基材的晶格参数(5.6533)到GaSb的晶格参数(6.0959)的转变。重要的是要注意，对于此特定的变质缓冲层，仅需要改变V族材料的组成。在一个特定的实施方式中，III族组成可以保持固定(即，在整个缓冲层904的厚度中，AlyGa1-yAsxSb1-x的组成中的“y”值可以保持恒定)，或者在相关的实施方式中，它可以改变(0≤y≤1)：由于AlAs和GaAs的晶格常数近似相等，而AlSb和GaSb的晶格常数近似相等，因此整个缓冲层厚度的晶格常数变化量取决于主要是关于第V族缓冲层材料的组成。可将变质缓冲层的尺寸确定为具有约0.5μm至约20μm的厚度。根据特定的实施方式和/或应用，可以将变质缓冲层掺杂为n型，也可以掺杂为p型或不掺杂。变质缓冲层106被设计为在由缓冲层的最后一层提供的新晶格常数下为随后的外延生长提供低的缺陷密度。
子层结构的示例在另一实施方式中，图3示出了变质缓冲层106的单个子区域或子层(例如图2的子层201)，其包括数字合金(以下称为“DA”)。如本领域技术人员所理解的，数字合金是以平均组成生长的合金，该平均组成包括具有不同组成的两种或更多种不同的半导体组件。数字合金的平均组成取决于用于形成超晶格的每种组成层类型的厚度和组成。超晶格层(如301、303所示)通常很薄，大约为10-100埃(1-10nm)，因此最终的整体材料具有具有平均组成的特性，而不具有构成合金的各个层的特性。考虑到小的厚度值，因此需要许多DA层来生产缓冲层。在该示例中，DA包含分别具有厚度t301和t303的两个半导体层301和303，其中层301和303的组成是不同的。(形成变质缓冲层的子区域的原理可以表示如下：在数字合金中，层301的组成和厚度以及303的组成和厚度提供了平均组成。为了提供不同的平均组成，对于不同的晶格常数，可以使用不同厚度的层301、303。)变质缓冲层的相邻区域/层可以以此方式生长，通过调节层的厚度和/或层的组成来改变层的平均组成。DA超晶格可以包括两个以上的不同层类型类型，类型，其中每个层类型都通过超晶格以可操作控制的方式定期重复(可选地，定期以A/B/A/B…或A/B/C/A/B/C…的形式)。然而，为了简单和易于讨论，在图3中仅说明了两种层类型。
再次参考表1的示例1，对于具有给定的平均组成的变质缓冲层的给定的子区域，超晶格层包括AlPySb1-y和AlPzSb1-z，其中y和z不同，并且层厚度为几纳米或几十纳米的量级。根据本发明的构思，变质缓冲层作为DA结构的生长，通过仅改变单个(亚)层的生长时间，同时使不同生长源的生长参数保持恒定，可以促进并使得能够形成(例如，通过使用分子束外延或MBE)大范围的组成。
图2和图3所示的结构可被描述为分级变质缓冲层。然而，本发明的一种实施方式可以包括其他变质的设计，例如，如示例4(图9)所示，基于变质缓冲层的组成的那些，其在生长方向上基本上连续地变化，因此晶格常数也随生长厚度而连续变化。通常，变质缓冲层106的单个子层(例如子层201)内的材料组成的变化(例如，如图1所示的沿z轴或生长方向)可以是选择遵循至少一种不同的相关性，例如线性或非线性(抛物线或二次方或大体上凸；或大体上凹)。可以使用一个以上的空间分级组成层。仅出于说明的目的，图11A(晶格常数的“凹”形轮廓随着厚度t在生长方向z上的增加而增加)、图11B(晶格常数不断增加的“凸”形轮廓)、图11C(降低晶格常数的凸形轮廓)以及图11D(降低的晶格常数的凹形轮廓)示出了显示晶格常数LC的非线性变化(作为变质缓冲层的厚度t的函数)的功能相关性的示意图。
根据本发明的构思，选择给定的变质缓冲层的组成、子层数量及其厚度以过滤(限制传播)位错缺陷并实现光滑的生长表面(在变质缓冲层的末端)，适合随后外延生长其他层，以形成用于配置为特定应用的所得器件。半导体材料的松弛，使材料的晶格常数恢复到其原始晶格常数，这与相邻半导体层和/或基材设置的所需晶格常数相反，会导致形成许多缺陷，包括线程位错。这些缺陷通常可以传播到缓冲层的后续层中，并最终传播到在缓冲层上生长的器件层的活性区域中。在晶格失配结构中，线程位错是器件性能不佳的主要原因。但是，缓冲层材料中的应变(可能还包括某些III-V原子之间的键合强度)会在这些位错上施加力，从而导致很大比例的位错弯曲成横向于或甚至垂直于生长方向的平面。这导致通过缓冲层(即沿生长方向)传播的线程位错的数量减少。这种过程-错位过滤-在较大的局部应变的情况下，例如在结构类似于图2和图3所示的结构中的不同缓冲层之间的突变界面(也就是说，由几个材料单层-例如一个或两个材料单层界定的界面)附近存在的局部应变会特别有效。位错弯曲和位错毁灭的组合(后一个术语指一个位错与另一个位错的直接干涉)可以导致变质缓冲层(即，变质缓冲层的子层，这些子层立即紧邻其他器件层)的器件界面子层处的缺陷密度更低。较低的缺陷密度为覆盖半导体器件提供了更具吸引力的增长平台。
与具有较低电离能的半导体合金的其他组成相比，由于该特定组成的掺杂剂的高电离能，一些半导体合金组成可在掺杂材料中表现出较差的电性能，从而促进了对这些材料组成的掺杂。(例如，已知AlGaAs的n型掺杂会导致Al摩尔分数(或含量)高达约30％且高于约70％的情况下形成高掺杂材料。对于Al含量在30-70％之间的铝，但是，活化能很高，因此在这些Al浓度下向材料中添加掺杂剂，这些掺杂剂基本上保持电惰性。)因此，如果变质缓冲层106(或变质缓冲层给定的子区域)是作为平均组成的块状(随机)合金生长的，当这种变质缓冲层的某些组成的载流子浓度较低(因此电性能较差)时，可能会出现这种情况。使用DA结构(图3)的示例，变质缓冲层106的平均组成由超晶格层301和303的组成和厚度确定。层301和303的组成可以是选择以使得层301和303中的至少一个包括具有导电类型(即n型或p型)的高掺杂半导体材料，该材料被选择为在整个最终制成器件中提供横向接触和电流扩散。
在层301和层303都包括高掺杂半导体材料的情况下，与将变质缓冲层构造为块状(随机)合金的情况相比，还可以在包括这些层的所得器件中实现更高的竖直电流(沿z轴)。在层301和层303中仅一层包括高掺杂半导体材料的情况下，以较低水平掺杂的层的厚度被选择为足够薄(例如，厚度小于2nm)，使得与使用块状(随机)合金的情况相比，可以使载流子从高度掺杂层耦合或隧穿，从而允许竖直电流流过在操作中所能达到的水平。
将理解的是，可以将超晶格的不同层的掺杂选择为不同的，从而在整个变质缓冲层106中可以改变竖直电流和横向电流(即，横向于半导体结构的生长方向的电流)以提供所需的总电流，在一种实施方式中，作为示例，配置状态可包括在缓冲层106的区域中具有高横向电流(相对于竖直电流)的区域以及在另一缓冲层106的区域中具有高竖直电流的区域。(作为可能的示例，这种结构可以包括夹在两个电绝缘层之间的超晶格层。)此外，超晶格层可以是伪(或前后一致的)应变的，其可以与块状半导体相比，它还具有更高的迁移率。
变质缓冲层以及器件中所需的其他层可以使用包括分子束外延(MBE)和化学气相沉积(CVD)在内的半导体沉积技术来形成。生长温度可以在约350℃至600℃之间，到达表面的不同V族材料和不同III族材料的比例(V/III比)可以在1至100之间。
器件结构示例图4说明形成在GaSb基材402(具有第一晶格常数的GaSb结构)上的多色检测器的材料结构的横切面。在基材402上形成长波长红外(LWIR)吸收区域404，然后在LWIR吸收体404上形成中波长红外(MWIR)吸收区域406。LWIR层404和MWIR层406可以通过应用InAs/GaSb II型应变超晶格结构来制成。MWIR层406被配置为吸收大约3微米至5微米范围内的波长的光，并且LWIR层被构造为吸收至少大约8微米至大约10微米范围内的波长的光。(在“关于应变II型超晶格红外检测器的建议”，J.Appl.Phys.62,2545 1987中，D.L.Smith等描述了应变层超晶格以及LWIR和MWIR吸收体层的示例，由H.Kroemer在““
Figure BDA0003097252690000191
族(InAs，GaSb，AlSb)及其异质结构：选择性综述”Physica E 20，第196-203页，2004年”中；由E.A.Plis在““InAs/GaSb II型超晶格检测器”中，电子学进展，文章ID 2467692014”中；由M.Razeghi等人在““量子设备中心的LWIR II型InAs/GaSb超晶格光电检测器和焦平面阵列的最新进展”中。IEEE卷97，No.6，pp 1056-1066，2009”中；由E.H.Eifer等在““基于W-结构的II型超晶格的长和非常长波长的红外光电二极管”，Proc.SPIE卷5732，pp259-272,2005”中；它们的每一个都通过引用并入本文。
在MWIR吸收体406上形成变质缓冲层408。在一种实施方式中，变质缓冲层408包括AlPSb，但是，缓冲层408可以包含GaPSb、AlGaPSb、AlAsSb、GaAsSb和/或AlGaAsSb。变质缓冲层对LWIR吸收体404和MWIR吸收体406吸收的波长的光是光学透明的。当生长时，如上所述，变质缓冲层408被构造成将晶格常数从GaSb转变为第二(较小)晶格常数。如图4所示的示例中，变质缓冲层408将第一晶格常数转变为近似等于GaAs的值。然后可以在变质缓冲层408上方形成可选的缓冲层410。缓冲层410可以包括GaAs和/或(InGaAs)。最后，形成短波长红外或近红外波长吸收体层412。吸收体层412可以包括诸如GaInNAs、GaInNAsSb、GaNAsSb或GaInNAsBi的诸如GaAs、InGaAs或稀释氮化物材料。吸收体层412与第二晶格常数晶格匹配或伪应变。吸收体层412被配置为吸收波长短于大约2微米的光。例如，吸收体层412可以包括Ga1-xInx Ny As1-y-zSbz，其中x，y和z可以分别是0≤x≤0.4、0＜y≤0.10和0＜z≤0.20。X，y和z的值可以分别定义为0.01≤x≤0.4、0.02≤y≤0.10和0.001≤z≤0.20。(也参见下面的子范围的描述。)吸收体层412可以具有在0.7eV和1.1eV之间的带隙(使得吸收体(或活性)层能够吸收或发射高达1.8μm波长的光)。在一些实施方式中，可以在稀释氮化物材料的生长过程中将铋(Bi)作为表面活性剂添加到吸收体层412中，以提高材料质量(例如，降低缺陷密度)和器件性能。通常需要附加的层来形成完整的光学和电气功能的器件，但是为了说明的简单，不需要附加层。这些层可以包括接触层、电流扩散层、阻挡层等。
图5是使用“反向”生长过程在GaAs基材上形成的多色检测器的横切面的示例。在此，最短波长吸收区域在最长波长吸收区域生长之前生长。在该实施方式中，在GaAs基材502上形成蚀刻终止层504。蚀刻终止层504包括相对于基材502和覆盖外延层具有高蚀刻选择性的层。对GaAs具有高蚀刻选择性的蚀刻终止层的示例包括InGaP和AlInP。短波吸收体506在蚀刻终止层504上形成。短波吸收体506包括GaAs或InGaAs的初始接触层、以及吸收层(例如GaAs，InGaAs)和/或稀释氮化物，例如如前面的示例所述的GaInNAsSb。然后，在SWIR吸收体506上生长作为对SWIR吸收体506吸收的光透明的层的变质缓冲层508。在一种实施方式中，变质缓冲层508包括AlPSb，在相关实施方式中，其可以包括GaPSb，AlGaPSb，AlAsSb，GaAsSb和/或AlGaAsSb。根据本发明的构思，变质缓冲层508对于被覆盖的MWIR吸收体512层和/或LWIR吸收体层514吸收的光是光学透明的。
此外，如上所述，变质缓冲层508被合理地结构化，以将晶格常数的值从GaAs转换为第二(值较大)的晶格常数。在示出的示例中，在缓冲层508的生长过程中，将变质缓冲层508的晶格常数选择为改变成近似等于GaSb的晶格常数。然后形成可选的缓冲层层510。缓冲层510可以是例如GaSb或AlSb。然后形成MWIR吸收体层512。(值得注意的是，到目前为止生长的结构可以用作双色光学检测器的物质基础)。然后进一步制造LWIR吸收体514以提供用于三色光学检测器的基础结构。层512和/或层514的设计和组成可以是在先前示例中描述的那些。
在完成所有层的生长之后，可以使用粘合剂将整个结构粘合到另一种载体或基材上。然后可以使用一系列已知的研磨和/或蚀刻步骤去除GaAs基材502和蚀刻终止层504。(Clawson在“Mat.Sci.Eng.31，pp1-438，2001中的“III-V半导体化学蚀刻参考指南”中提供了湿蚀刻剂及其选择性的全面综述和列表；该文献通过引用并入本文)。
图10是双色检测器1000的简化的横切面视图。下接触层1004形成在基材1002上，并包括与基材1002晶格匹配的III-V族化合物半导体材料(在一种特定情况下是掺杂的)。在一些实施方式中，基材1002还可以用作下接触层1004。第一吸收体层1006形成在下接触层1004上方，并且还包括与基材1002晶格匹配的III-V半导体材料。然后，根据本发明的一种实施方式，变质缓冲层1008被配置为覆盖第一吸收体层1006。变质缓冲层在结构上转变了从基材1002的第一个晶格常数值到第二个所需的晶格常数值的晶格常数，该第二个所需的晶格常数值与覆盖半导体层的晶格匹配。然后形成覆盖变质缓冲层1008的中间接触层1010，该中间接触层1010包括具有第二晶格常数的III-V族半导体。然后形成覆盖中间接触层1010的第二吸收体层1012，并包括具有第二晶格常数的III-V半导体。顶部接触层1014形成为覆盖第二吸收体1012，并包括具有第二晶格常数的III-V族半导体材料(在一种特定情况下是掺杂的)。图10中采用的层状结构的示例提供了一种情况，其中掺杂的材料层与光学透明变质层的层相邻配置。在特定情况下，这种结构包括在第一光吸收材料层下面的一个掺杂材料层和覆盖第二光吸收材料层的另一掺杂材料层。
本领域中已知的光刻和蚀刻步骤可以被应用以在半导体外延层内限定台面结构1001和1003。可以使用标准的光刻和金属化步骤来形成下部金属触点1016，中间金属触点1018和顶部金属触点1020，它们分别与接触层1004、1010和1014的相应对应的接触层电接触。可以形成钝化层1022和1024。抗反射涂层1026也可以形成在顶部接触层1014的顶表面的至少一部分上，可以另外涂覆抗反射(AR)涂层1026。这些层可以使用标准的光刻和电介质材料的沉积完成。
下接触层1004可以掺杂有第一掺杂类型(例如，p型)的掺杂剂，中间接触层1010可以掺杂有第二掺杂类型(例如，n型)的掺杂剂，并且顶部接触层1014可以被第一掺杂类型的掺杂剂(例如，p型)掺杂。在操作中，可以使用可操作地连接到金属触点1016和1018的适当电路(未示出)来收集第一吸收体层产生的光电流。第二吸收体层产生的光电流可以收集在可操作地连接到金属触点1018和1020的适当电路中(未示出)。
如本领域普通技术人员已知的那样，其他器件配置也是可能的，例如仅具有两个金属触点的双色检测器，或具有两个、三个或四个金属触点的三色检测器。这种检测器的操作可以通过与外部电路的不同电连接的组合来控制，也可以通过使用精心控制的偏置条件来控制，以便提取在多色检测器中的每个不同吸收区域中吸收的电流。
图6是多结太阳能电池的简化横切面，其结合了基于GaSb的子电池作为最窄的带隙子电池。通常，术语“子电池”在本文中用于指代包含结的层的堆叠。通过沉积一系列的AlGaSb和GaSb层在GaSb基材602上形成子电池，这些AlGaSb和GaSb层可以形成后表面场层、基底、发射器以及正面场或窗口层。在一些实施方式中，也可以在子电池上形成通道结层。然而，这也可以在变质缓冲层上方形成。在多结太阳能电池中的子电池之间建立通道结的目的是，仅使用两个触点(顶部触点和底部触点)来实现不同子电池之间的串联连接(通道结的使用也在图8中示出)。
在形成基于GaSb的单元之后，形成变质缓冲层604。在一种实施方式中，变质缓冲层604包括AlPSb，但是，它可以包括GaPSb、AlGaPSb、AlAsSb、GaAsSb和/或AlGaAsSb。变质缓冲层对于被GaSb子电池602吸收的光是光学透明的。变质缓冲层604的生长是为了使晶格常数从GaSb转换到第二(在这种情况下-值较小)晶格常数。在示出的示例中，变质缓冲层606转变成近似等于GaAs或Ge的晶格常数。然后生长可选的缓冲层层606。缓冲层层606可以包括InGaAs或GaAs，并且可以包括通道结。
然后，将稀释氮化物子电池608制成覆盖在缓冲层层606上(或在不存在缓冲层606的情况下，变质缓冲层604)。子电池608可以具有在大约0.9eV和1.1eV之间的带隙。所述稀释氮化物子电池可包含GaxIn1-xNyAs1-y-zSbz，其中x，y和z的值在0≤x≤0.24、0.001≤y≤0.07和0.001≤z≤0.2的范围内，并且稀释氮化物电池的基层的厚度可以在约0.5微米至4微米之间。在US 2010/0319764，US 8,912,433，US 8,962,993，US 9,214,580，US 2017/0110613和US 2017/0213922中公开了适用于太阳能电池的稀释氮化物材料和结构的示例。在此通过引用将其每一个公开的内容并入本文。在U.S.9,214,580，U.S.2016/0118526和U.S.2017/0338357中公开了具有分级掺杂分布的稀释氮化物子电池，在此通过引用将每一个公开的内容并入本文。这些稀释氮化物基层可包括厚度在0.4微米至3.5微米之间，p型掺杂水平在1×1015cm-3和1×1019cm-3之间的有意掺杂区域，并且进一步包含具有恒定掺杂剂浓度的本征(或无意掺杂)稀释的氮化物层或有意掺杂的置换氮化物层，其厚度为0.1微米至约1微米。示出的子电池是单层的。然而，将理解，子电池608包括多层，包括后表面场、基底、发射器、前表面场和窗层。然后形成包括GaAs，InGaAs或InAlGaAs的子电池610，以覆盖稀释氮化物子电池608。选择子电池610的标称带隙为约1.4eV(并且，更一般地，根据本发明的构思，在约1.3eV到约1.5eV的范围内)。
然后，在子电池210上形成包括AlInGaP的子电池612。该子电池的标称带隙约为1.8eV，尽管其他带隙宽度也在本发明的范围内。尽管示出的子电池612是单层的，但是应该理解，子电池610包括多层，包括后表面场、基底、发射器、前表面场、窗口层和接触层。
如本领域普通技术人员将理解的，子电池使用通道结(为简化说明，未示出)互连。
图7说明了多结太阳能电池的横切面700的简化示例，其结合了GaSb子电池作为最窄的带隙子电池。在该示例中，结构的生长过程被组织为“反向”生长过程，其中类似于图5的示例，在生长较长波长吸收区域之前生长较短波长吸收区域。在实施方式700中，在GaAs基材702上形成蚀刻终止层704。在一些示例中，所述基材是Ge基材，或者是具有大约等于GaAs或Ge的晶格常数的缓冲层化的硅基材。蚀刻终止层704包括相对于基材和覆盖外延层具有高蚀刻选择性的层。对GaAs具有高蚀刻选择性的蚀刻终止层的示例包括InGaP和AlInP。然后，宽带隙(1.8eV)子电池706覆盖蚀刻终止层。子电池706包括多层，并且可以包括接触层、窗口层、发射器层、基层和后表面场层。在一个示例中，接触层是GaAs或InGaAs层，并且直接紧邻蚀刻终止层704。接触层和蚀刻终止层之间的高蚀刻选择性允许在所有层的外延生长完成后，通过一系列机械研磨和/或化学蚀刻步骤去除基材和蚀刻终止层，外延堆叠粘合或粘附到载体或替代基材上。
如先前示例所述，子电池708覆盖子电池706，子电池710覆盖子电池708。子电池706是InGaAs、GaAs或InAlGaAs子电池，子电池710是稀释氮化物子电池。
然后，形成变质缓冲层712覆盖子电池710。在一种实施方式中，变质缓冲层712包含AlPSb。(在相关的实施方式中，可以将缓冲层712配置为包括GaPSb、AlGaPSb、AlAsSb、GaAsSb和/或AlGaAsSb。)变质缓冲层712对于被覆盖GaSb子电池714吸收的光是光学透明的。变质缓冲层712明智地配置为将晶格常数从GaAs(或Ge)的晶格常数转换为第二(在这种情况下–值更大)晶格常数。在示例中，变质缓冲层712转变成近似等于GaSb的晶格常数。然后形成覆盖变质缓冲层712的可选缓冲层714。缓冲层714可以包含GaSb或AlSb。
通过形成覆盖缓冲层714的GaSb子电池716来完成器件700的层状结构。GaSb子电池包括GaSb、AlGaSb和InGaSb层，旨在GaSb子电池中提供光学吸收以及相关的电功能和光学功能(例如接触层)。
更详细地，图8是图6的示例600的多结太阳能电池的横切面。在外延沉积之前，清洁p型掺杂的GaSb基材802A以去除天然氧化物。p型掺杂的AlGaSb后表面场层802B、p型掺杂的GaSb基层802C、n型掺杂的GaSb发射器层802D和(可选的)n型掺杂的AlGaSb前表面场或窗口层802E的外延生长完成了GaSb子电池802，其带隙约为0.72eV。
然后，变质缓冲层804可以在GaAs基材(和子电池)802上进行外延生长。变质缓冲层804可以包括AlPSb、GaPSb、AlGaPSb、AlAsSb、GaAsSb、AlGaAsSb和/或AlGaPAsSb。如上所述，配置变质缓冲层804以将晶格常数从GaSb(在具有基材802的界面处)变化为GaAs或Ge(在缓冲层804的另一面上)，并且，对于GaSb子电池802吸收的波长是透过性的。变质缓冲层804的厚度在大约0.5微米到大约20微米之间。然后，缓冲层层806可以是(可选地)在变质缓冲层804上的外延生长。缓冲层806可以包括(In)GaAs。(In)GaAs缓冲层在一种实施方式中可以例如为约100nm至约900nm厚，在另一种实施方式中可以为约200nm至约800nm厚，或者可替代地为300nm至700nm厚，或从400nm到600nm厚。缓冲层806可以可选地是n型掺杂的。
然后，可以在缓冲层806上对通道结808进行外延生长。在本示例中，通道结808包括两个InGaAs层，第一层808A具有高n型掺杂水平，以及具有高p型掺杂水平的第二层308A。形成通道结所需的典型组成、厚度和掺杂水平在本领域中是已知的。例如，n型掺杂剂可以包括Si、Se和Te，n型掺杂水平可以在1×1019cm-3到2×1020cm-3的范围内。P型掺杂剂可以包括Be和C，可以使用大于1×1019cm-3且最高2×1020cm-3的掺杂水平。通道结中的掺杂层的厚度可以在大约5nm至40nm之间。
然后，将子电池801(称为“J3”)外延沉积在通道结808上。子电池801包含p型掺杂的InGaAs后表面场层810，p型掺杂的GaInNAsSb基层812A，本征或无意掺杂的基极层812B和n型掺杂的InGaAs发射器层814。P型掺杂层812A和812B可以分别包括Ga1-x≤Inx≤NyAs1-y- zSbz，其中0≤x≤0.24、0.001≤y≤0.07和0.001≤z≤0.2，或0.08≤x≤0.24、0.02≤y≤0.05和0.001≤z≤0.02，或0.07≤x≤0.18，0.025≤y≤0.04和0.001≤z≤0.03，或0≤x≤0.4、0<y≤0.07和0<z≤0.04。p型掺杂的基层812A可以具有空间上分级的掺杂分布，其中掺杂水平从具有后表面场810的界面到具有基层812B的界面逐渐减小。基层812B中的掺杂可以按指数级在1×1019cm-3和1×1015cm-3之间，例如在1×1018和5×1015cm-3之间，或在2×1017和7×1015cm-3之间，其中最低掺杂水平大于或等于该层的背景掺杂水平。基层812B可以是本征层或无意掺杂层，其背景掺杂浓度小于约1×1016cm-3或小于约5×1015cm-3或小于约1×1015cm-3。基层812B也可以以1×1016cm-3或更小的固定掺杂水平进行掺杂。子电池801的总厚度可以在大约0.5微米和大约4微米之间。
然后，如图所示，随后的通道结816可以在子电池801上外延生长，以包括两个InGaAs层(一个具有高p型掺杂，另一个具有高n型掺杂)。用于形成通道结的典型组成、厚度和掺杂水平在本领域中是已知的。例如，典型的n型掺杂剂包括Si、Se和Te，n型掺杂水平的范围可以在1×1019cm-3之间，最高可达2×1020cm-3。P型掺杂剂包括C，掺杂水平大于1×1019cm-3，最高可使用2×1020cm-3。通道结中掺杂层的厚度可以在约5nm至约40nm之间。
然后，在通道结816上外延形成子电池803(称为“J2”)。子电池803包括含Al的后表面场层818。在以混合生长方法形成的实施方式中，后表面场层818也可以配置为氢阻挡层或吸杂层。而在图8示出的层818为单层的情况下，应理解后表面场层818可包括一个以上的材料层。当将层818配置为用作氢阻挡层时，层818包含Al。例如，层818可以包括AlGaAs或InAlP，并且可以与基材晶格匹配或伪应变。层818的厚度可以例如在100nm和5微米之间。在一些实施方式中，层818可包括由GaAs、InGaAs或InGaP层覆盖的含Al层，其厚度例如在1nm与50nm之间，或在2nm与10nm之间，或在2nm与5nm之间。
在层818的生长之后，通过基层820、发射器层822和正面场层824的沉积来完成子电池803。然后，通道结826是外延生长。用于形成通道结的典型组成、厚度和掺杂水平在本领域中是已知的。举例来说，示出的通道结826包括GaAs层和AlGaAs层。然而，将理解，可以使用其他材料。例如，通道结可以包括InGaP层和/或AlGaAs层。用于通道结层的n型掺杂剂的示例包括Si、Se和Te，并且可以使用在1×1019cm-3至2×1020cm-3之间的范围内的n型掺杂水平。P型掺杂剂可以包含C，掺杂水平可以在1×1019cm-3之间，最高可以使用2×1020cm-3。通道结中的掺杂层的厚度可以在5nm至40nm之间。然后，子电池805(J1)依次是外延生长、沉积后表面场层828、基层830、发射器层832、正面场层834和接触层836。接触层可以包括GaAs或InGaAs。可以在接触层836的顶表面的第一部分上沉积或形成顶部金属触点(未示出)，并且可以在顶表面的第二部分上沉积或形成抗反射涂层(ARC)。可以在基材802A的背面上沉积或形成底部金属接触(未示出)。
本领域技术人员将容易理解，与提供的示例相比，在根据本发明的实施方式配置的诸如多色检测器或光伏电池的半导体器件中，可以存在或省略其他类型的材料层，以产生功能器件，并且在此不必详细描述。这些其他类型的材料包括，例如，盖玻璃、抗反射涂层(ARC)、电接触层、正面场(FSF)层、通道结、光学窗口、发射器，后表面场(BSF)层、成核层、缓冲层、阻挡层、反射层和基材或晶圆手柄。特别地，对于光伏电池，可以在顶部子电池上方形成盖或接触层、ARC层和电接触层(也称为金属网格)，以及缓冲层、基材或手柄，以及底部子电池802的下方可以形成或存在底部接触。多色光电检测器和多结光伏电池也可以不具有上面列出的一个或多个层而形成。这些层中的每一层都需要仔细设计，以确保将其结合到多色光电检测器或多结光伏电池中而不会损害其高性能。
为了制造本公开提供的半导体光电和太阳能器件，可以在第一材料沉积室中的基材上沉积多个层。所述多个层可以包括蚀刻终止层、释放层(即，当施加特定过程顺序(例如，化学蚀刻)时被设计为从基材释放半导体层的层)、接触层(例如横向导电层)，缓冲层或其他半导体层。例如，层的沉积顺序可以是缓冲层，然后是释放层，然后是横向导电或接触层。接下来，可以将基材转移到第二材料沉积室，在其中将一个或多个结沉积在现有半导体层的顶部。然后可以将所述基材转移到第一材料沉积室或第三材料沉积室，以沉积一个或多个结，然后沉积一个或多个接触层。结之间也形成通道结。
基材和半导体层从一种材料沉积室到另一种室的移动或重新定位/重新安置被称为转移。例如，可以将一种基材放置在第一材料沉积室中，然后可以将缓冲层和底部结进行沉积。然后，可以将基材和半导体层转移到第二个材料沉积室，其中剩下的结是沉积的。转移可以在真空中、在空气大气压力下或另一种气体环境中或在两者之间的任一环境中进行。转移可以进一步在一个位置的材料沉积室之间进行，该转移可以以某种方式互连或可以不以某种方式互连，或者可以涉及在不同位置之间运输基材和半导体层，这被称为运输。可以通过在真空下密封、被氮气或其他气体包围、或被空气包围的基材和半导体层来完成运输。附加的半导体层、绝缘层或其他层可以用作转移或运输期间的表面保护，并且可以在转移或运输之后去除并进一步沉积。
例如，可以在第一材料沉积室中沉积稀释氮化物结，并且在第二材料沉积室中可以将(Al)(In)GaP和(Al)(In)GaAs结沉积，在两个结点之间形成通道结。转移发生在一个结的生长中间，因此该结在一种材料的沉积室中具有一层或多层沉积，而在第二材料沉积室中具有一层或多层沉积。
为了制造本文所讨论的光子器件，可以通过分子束外延(MBE)在一种材料沉积室中沉积一些或全部的所述稀释氮化物结和所述通道结的层。可以通过化学气相沉积(CVD)在另一种材料的沉积室中沉积该太阳能电池。例如，可以在第一材料沉积室中放置一种基材，并且可以在该基材上生长可以包括成核层、缓冲层、发射器和窗口层的层，接触层和通道结，然后是一个或多个稀释氮化物结。如果存在多个稀释氮化物结，则在相邻结之间会增加一个通道结。可以生长一层或多层通道结层，然后将基材转移到第二材料沉积室，在其中通过化学气相沉积法生长其余的太阳能电池层。在某些实施方式中，化学气相沉积***是MOCVD***。在相关的实施方式中，将基材放置在第一材料沉积室中，并且可以通过化学气相沉积法在基材上生长可包括成核层、缓冲层、发射器和窗口层，接触层和通道结的层。随后，在现有的半导体层上生长两个或多个顶部结，在结之间生长通道结。然后可以生长最顶部的稀释氮化物结的一部分，例如窗口层。然后将所述基材转移到第二材料沉积室，在该第二材料沉积室中，可以沉积最顶部的稀氮化物结的其余半导体层，然后沉积多达三个以上的稀氮化物结，并在它们之间形成通道结。
在一些实施方式中，当沉积器件的任何层时，可以使用诸如Sb或Bi之类的表面活性剂。一小部分表面活性剂也可掺入层中。
包含稀释氮化物层的半导体器件可以在生长后进行一次或多次热退火处理。例如，热退火处理包括施加约400℃至约1,000℃范围内的温度，持续约10微秒至约10小时。可以在包括空气、氮气、砷、砷化氢、磷、磷化氢、氢、合成气体、氧气、氦气或前述材料的任意组合的气氛中执行热退火。在某些实施方式中，可以在制造额外的结点之前对结的堆叠和相关的通道结进行退火。
本公开所附的权利要求书中所述的发明旨在根据本公开作为一个整体进行评估，包括参考现有技术中公开的特征。
为了本公开和所附权利要求的目的，术语“基本上”、“近似地”、“大约”和类似术语的使用是指手头的值、元素、特性或特征的描述符号。旨在强调的是，所提及的值、元素、特性或特征虽然不一定完全如所述那样，但出于本领域技术人员所陈述的实际目的，仍将被考虑。这些术语应用于指定的特征或质量描述符号时，意指“大部分”、“主要”、“相当”、“大体上”、“基本上”、“很大或很大程度”、“大部分但不一定全部相同”以合理地表示近似语言并描述指定的特征或描述符号，以使本领域普通技术人员可以理解其范围。在一种特定情况下，术语“大约”、“基本上”和“大约”在参考数字值时表示相对于指定值正负20％的范围，更优选正负相对于指定值，为10％，甚至更优选为正或负5％，最优选为正或负2％。作为非限制性示例，两个值彼此“基本上相等”意味着两个值之间的差可以在值本身的+/-20％的范围内，优选在值本身的+/-10％的范围内，更优选在值本身的+/-5％的范围内，甚至更优选在值本身的+/-2％或更少的范围内。可以以相同方式使用术语“基本上等同”。
在描述选定的特征或概念时使用这些术语既不暗示也不为不确定性提供任何依据，也不为确定的特征或描述符号增加数值限制。正如技术人员所理解的那样，实际值或该值，元素或特性与所述值的实际偏差落在并且可能在由实验测量误差定义的数值范围内变化，该实验测量误差在使用本领域中为此目的接受的测量方法时通常很典型。
尽管在本文中已经说明和描述了特定的实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以将旨在实现相同目的的任何布置替换为示出的特定实施方式。本申请旨在覆盖本发明的实施方式的任何修改或变型。应当理解，以上描述旨在进行说明而非限制性，并且本文所应用的措词或术语是出于描述的目的而非限制。通过研究以上描述，以上实施方式和其他实施方式的组合对于本领域技术人员将是显而易见的。本发明的范围包括使用上述结构和制造方法的实施方式的任何其他应用。本发明的实施方式的范围应参考与这些实施方式相关的权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。

Claims (30)

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1-8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.根据权利要求1至15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包括多个层，其中多个层中的相邻层具有不同材料组成和不同厚度中的至少一种。
17.根据权利要求16所述的半导体结构，其中，所述光学透明的变质缓冲层的所述多个层中的至少一层包括AlPSb、GaPSb、AlAsSb、GaAsSb和AlGaPAsSb中的至少一种。
18.根据权利要求1至16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包括AlPSb、GaPSb、AlAsSb、GaAsSb或AlGaPAsSb。
19.一种光学检测器，包括根据权利要求1至18中的一项所述的半导体结构。
20.根据权利要求19所述的光学检测器，其中，所述光学检测器是多色光学检测器。
21.一种太阳能电池，包括根据权利要求1至18中的一项所述的半导体结构。
22.一种光学透明的半导体变质缓冲层，所述半导体变质缓冲层具有缓冲层晶格常数，并且配置为在具有第一晶格常数的材料的第一层上生长时使缓冲层的晶格常数从基本上等于第一晶格常数的第一值变化为不等于第一值的第二值。
23.根据权利要求22所述的变质缓冲层，其中，至少满足以下条件之一：
a)所述变质缓冲层对于第一层吸收的光是光学透明的；
和
b)所述变质缓冲层包括来自元素周期表的第V族的至少两种元素。
24.根据权利要求23所述的变质缓冲层，所述变质缓冲层具有上表面和下表面，以及在所述上表面和下表面之间限定多个子层，并且
其中，所述多个子层中的不同子层的特征在于，来自所述第V族的至少两种元素中的至少一种的含量不同。
25.根据权利要求22所述的变质缓冲层，包括：i)限定至少一种数字合金的多个子层，以及ii)来自元素周期表的第V族的至少两种元素。
26.根据权利要求23所述的变质缓冲层，
其中，来自所述多个的第一子层具有第一平均组成和第一厚度，并且来自所述多个的第二子层具有第二平均组成和第二厚度，以及
其中，第一平均组成和第二平均组成之间的差异仅由第一厚度和第二厚度之间的差异引起。
27.根据权利要求25所述的变质缓冲层，
其中，来自所述多个的第一子层具有第一平均组成和第一材料组成，并且来自所述多个的第二子层具有第二平均组成和第二材料组成，以及
其中，第一平均组成和第二平均组成之间的差异仅由第一材料组成和第二材料组成之间的差异引起。
28.根据权利要求25所述的变质缓冲层，
其中，来自所述多个的第一子层具有第一平均组成、第一厚度和第一材料组成；
其中，来自所述多个的第二子层具有第二平均组成、第二厚度和第二材料组成；
以及
其中，第一平均组成和第二平均组成之间的差异由第一厚度和第二厚度之间的差异以及第一材料组成和第二材料组成之间的差异引起。
29.根据权利要求22所述的变质缓冲层，包括上表面和下表面，并且构造成在与所述缓冲层垂直的方向上、在整个所述缓冲层上包含多个子层，
其中，所述缓冲层的特征在于所述多个子层的吸收的截止波长，
其中，所述吸收的截止波长中的最大值对应于所述多个子层中的一个子层，该子层在空间上与上表面和下表面中的每个表面分隔开。
30.根据权利要求22所述的变质缓冲层，包含来自元素周期表的第V族的至少两种元素。
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