Ge衬底上MOCVD生长GaInP%2fInGaAs的研究.pdfVIP

第十三届全国固体薄膜学术会议（NCTSF2012 ，山东烟台，2012 年 8 月） Ge 衬底上 MOCVD 生长 GaInP/InGaAs 研究  * 赵勇明 李奎龙 孙玉润 于淑珍 赵春雨 董建荣 杨辉 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 中国科学院纳米器件与应用重点实验室， 江苏 苏州 215123 摘 要：本文研究利用 MOCVD 在 Ge 衬底上生长 GaInP/InGaAs 材料，通过优化 Ge 衬底预 处理及 GaInP 成核层条件，得到了表面形貌良好的 GaInP 成核层。然后在此 GaInP 上生长了 InGaAs 缓冲层，原子力显微镜（AFM ）测量显示 InGaAs 外延层的表面粗糙度 Ra0.65nm 。 最后，利用二次离子质谱仪（SIMS）分析了 Ge 与 III–V 族半导体材料在界面处的互扩散， 测试结果表明，采用 GaInP 成核层可以有效抑制 Ga、As 和 Ge 等原子在界面处的互扩散， GaInP 可作为 Ge 衬底上生长 III-V 半导体材料及相关器件结构时抑制界面互扩散的阻挡层。 关键词: Ge ，GaInP，InGaAs，MOCVD ，SIMS 引言 近年来随着 Ge 在探测器、LED 、CMOS 及 HEMT 等器件的广泛应用，使得对 Ge 衬底生长Ⅲ- Ⅴ 族半导体材料的关注日益增多 1 。由于 Ge 具有晶格常数与 GaAs 几乎匹配，低禁带宽度（0.67eV ）以 及在成本、机械强度等方面的优势，使得其在高效多结太阳电池中有着很广泛的应用。在常见的 Ge 衬 底三结太阳电池中，Ge 衬底有两个作用，一是作为三结电池的底电池，二是作为整个电池的支撑衬 底。所以在非极性 Ge 衬底上生长极性 III –V 族半导体材料，需要满足以下几点：需要在 Ge 衬底扩散 形成 Ge 底电池；抑制 Ge 与 III –V 族半导体材料在界面处的过度互扩散；成核层需要为接下来的材料 生长提供无缺陷的模板。 但在非极性 Ge 衬底上生长 GaAs、GaInP 等极性材料存在很多问题，如反相畴，失配位错，特别 是 Ga、As/P 、Ge 等元素在界面处的互扩散问题。因 Ga 在 Ge 中为 P 型掺杂剂，As/P 在 Ge 中为 N 型 掺杂剂，Ge 在 GaAs 中为N 型掺杂剂，所以 Ga、As/P 、Ge 等元素的互扩散会极大地影响电池性能 2 。 虽然有一些关于如何在 Ge 衬底生长无反相畴 GaAs 的方法 2-6 ，但 GaAs 中的 As 在 Ge 中扩散系数较 大，会在 Ge 中形成深的扩散结，从而降低 Ge 底电池的光谱响应与开路电压，并且 AsH3 会腐蚀 Ge 衬 底，影响其表面再构，导致外延层表面质量差。而 P 在 Ge 中的扩散系数是 As 在 Ge 中的约 1/3，所以 采用 GaInP 作为成核层，P 在 Ge 中扩散形成浅的扩散结，从而增加 Ge 子电池的光电流与开路电压 2 ， 而且目前没有报道 PH3 对 Ge 衬底有腐蚀。采用 GaInP 作为成核层有三个作用：一是作为 Ge 底电池的 窗口层；二是作为非极性 Ge 到极性Ⅲ- Ⅴ族半导体材料的转变过渡层；三是作为界面互扩散的阻挡 层。所以基于 GaInP 的成核层在 Ge 衬底多结电池中得到广泛的认同，但基于 Ge 衬底生长 GaInP 的报 道较少，且生长条件苛刻，外延层表面质量也存在较多问题 7-8 。 本文主要针对以上问题，利用 MOCVD ，通过优化 Ge 衬底预处理及 GaInP 成核层条件等，分析 了外延层表面形貌与生长条件的关系，在获得高质量 GaInP 表面形貌的基础上，进行 InGaAs 缓冲层生 长，并利用 SIMS 研究了界面处原子互扩散。 实验 本文中的样品是利用 AIXTRON 200/4 型 MOCVD 生长，三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)和 PH3 、AsH3 分别为 Ga 源、In 源和 P 源、As 源，衬底为偏向1116 度的（100）Ge，样品在生长前首 先在 H2 气氛下高温退火，退火温度 680-720℃，时间 3-8 分钟，然后利用 PH3 处理衬底，之后进行 GaI