[發明專利]一種適用于晶格失配外延材料的RT探測器及其應用

有效

• 申請號: 202110370564.4
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113252205B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 劉雪珍;張小賓;高熙隆;劉建慶;楊文奕
• 申請（專利權）人: 中山德華芯片技術有限公司
• 主分類號: G01K11/00
• 分類號: G01K11/00;G01N21/55;H01L31/12
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 伍傳松

本發明公開了一種適用于晶格失配外延材料的RT探測器及其應用，該適用于晶格失配外延材料的RT探測器包含一個光源和若干個子接收器；所述若干個子接收器的分布方式為陣列式分布；所述光源用于發出入射光，所述入射光傳播到外設外延片表面形成光信號；所述子接收器用于接收由對應外延片形成的光信號，并對所接收的光信號進行光電轉換以獲得電信號；其實現了晶格失配結構外延片生長過程中生長溫度的精確監控。

技術領域

本發明涉及半導體材料生長制備領域，具體涉及一種適用于晶格失配外延材料的RT探測器及其應用。

背景技術

利用MOCVD進行外延材料生長制備，需要對生長溫度進行精確的監控。常用的監控手段有兩種，分別是(RT)和(TC)。其中，RT為wafer表面的溫度，通過監控反射率曲線實現，TC為石墨盤溫度，通過熱電偶檢測。對于晶格失配的多結電池，生長過程中，除高溫條件下外延層材料與襯底的熱膨脹系數不同導致的應力外，生長晶格失配材料引入的應力會使外延片發生顯著彎曲，導致反射信號超出探測器接收范圍，RT曲線下降至零，最終導致溫度失控。相關技術中，失配結構的外延材料(外延片)生長是通過將RT切換至TC來監控生長溫度，而這需要RT與TC有穩定一致的對應關系，但實際上對于不同程度翹曲的外延片很難做到。

外延片不同表面反射光位置變化截面示意圖見圖1，如圖1所示，在平坦面((A)或(D))反射光束可以很好的被探測器所接收，但在負傾斜表面(B)和正傾斜表面(C)，則出現反射信號超出接受范圍，從而監控失效。外延片、一個接收器和光源的相對位置如圖2所示；外延片、多個接收器和光源的相對位置如圖3所示，如圖2和圖3所示，在外延片表面翹曲較小的情況下，接收器能夠很好的接收反射光，實現有效的監控。生產過程中外延片反射光束位置示意圖(俯視)見圖4，如圖4所示，當外延片表面出現翹曲時，部分光束就會偏離設定位置，從而影響監控的準確率。

一般而言，使用MOCVD進行外延生長時，盡可能選擇與襯底晶格匹配的外延材料以減少外延層應力和缺陷，以獲取高晶體質量的外延材料；但根據太陽光譜吸收利用和材料帶隙優化設計方案要求，需要生長晶格失配材料，例如：在空間太陽能電池領域，目前的主流產品是基于晶格匹配的GaInP/InGaAs/Ge三結電池，該結構空間電池的國際水準為效率可達30％，輻照后效率衰減低于18％。盡管經過多年的努力，晶格匹配的GaInP/InGaAs/Ge三結太陽電池已獲得30％光電轉換效率。但是其三結電池結構的帶隙不是最優組合，會存在底、中、頂三個子電池電池不匹配的現象，底電池電流遠大于中電池電流和頂電池電流；由于底中頂三結電池是串聯在一起的，根據串聯電路的電流關系，電流由三個子電池中電流最小的決定，此時大部分光會損耗到底電池上，降低了三結電池的轉換效率。為了提高三結電池光電轉換效率，需要在降低中電池和頂電池吸收區域的帶隙，讓中電池和頂電池吸收更多的光，從而提高可以中頂子電池的電流，降低底電池電流，最終可以實現電流匹配的三結太陽能電池，但目前條件下同時滿足帶隙和晶格匹配且制備性高的可選材料種類非常有限，這樣的話，就需要引入晶格不匹配的InGaAs和GaInP材料(與Ge材料)，而外延晶格失配材料時，如果失配外延層厚度小于臨界厚度，在形變能的作用下晶格常數會與襯底保持一致，一旦超過臨界厚度，其晶格常數將恢復到固有值，從而產生大量失配位錯，例如在太陽電池外延生長過程中容易引入穿透位錯，位錯本身也是一種缺陷，容易在禁帶中形成能級，如果位錯在子電池PN結中的密度較多則電池性能會嚴重降低，因此如果能降低外延層中的穿透位錯，就能減少缺陷復合。目前國內外常用的方法是采用能釋放應力的漸變緩沖層，減少位錯缺陷，即采用InGaAs或者GaInP材料作為緩沖層連接晶格失配的Ge襯底和InGaAs材料，該結構的三結太陽能電池，相對于晶格匹配的常規結構三結電池，轉換效率得到了明顯的提升，可達32％以上。可見，用于連接晶格失配襯底或材料的漸變緩沖層設計十分重要，一般地，臨界厚度的大小與失配度有關，晶格失配度越大，臨界厚度越小。對于與晶格具有較大失配度的異質外延材料，為了保障失配材料晶格完全弛豫，避免晶格位錯增多，組分漸變緩沖層的組分變化速率不能太快，所以緩沖層的厚度都比較厚，生長時間較長，更重要的是因為晶格失配材料間的應力較大且很難得到充分釋放，制備過程中整體材料形變程度較大，導致反射信號偏離有效接收區域較遠，傳統RT和TC控溫方法都不再適用，利用差值比較法計算量驟增導致產生延時效應，因此，外延片的生長過程中的監控相應難度更大。