半導體結(jié)構(gòu)以及制備半導體結(jié)構(gòu)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了半導體結(jié)構(gòu)以及制備半導體結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括：提供襯底，所述襯底為玻璃；以及(2)在所述襯底的上表面通過濺射沉積，形成稀土氧化物層；以及(3)在所述稀土氧化物層遠離所述襯底的一側(cè)形成半導體層，其中，所述稀土氧化物層以及所述半導體層具有晶體擇優(yōu)取向。由此，可以降低制備成本，簡化制備工藝，并獲得具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物結(jié)構(gòu)。并且，稀土氧化物層能夠誘導半導體層的形成，使形成的半導體層中的晶格排列具有擇優(yōu)取向性。
【專利說明】
半導體結(jié)構(gòu)以及制備半導體結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導體技術(shù)以及半導體制造領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及半導體結(jié)構(gòu)以及制備半導體結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導體技術(shù)領(lǐng)域，將太陽能電池或者發(fā)光二極管(LED)制作在玻璃上，既可利用玻璃的透光性，又可利用玻璃襯底的低成本特征，因此具有良好的應用前景。然而，對于性能較好的太陽能電池或者LED來說，其中的半導體材料一般要求為單晶或者晶體取向一致性好的多晶，即其中的晶體具有擇優(yōu)取向。目前可采用外延生長或者濺射沉積的方法在玻璃表面獲得半導體薄膜，這些方法制備的半導體薄膜或為非晶材料，或為沒有晶體擇優(yōu)取向的多晶材料，難以獲得晶體擇優(yōu)取向性好的半導體薄膜，導致太陽能電池或者發(fā)光二極管的性能很差而難以應用。
[0003]因此，目前涉及玻璃上具有良好晶體擇優(yōu)取向的半導體薄膜結(jié)構(gòu)及其制備方法仍有待改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明人經(jīng)過深入研究以及大量實驗發(fā)現(xiàn)，通過合適的濺射沉積工藝，可以在玻璃上制備出具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物薄膜，進一步，通過控制稀土氧化物晶體的晶格常數(shù)，使其與常見半導體晶體材料之間具有較好的晶格匹配程度，從而保證生長在該稀土氧化物晶體層上的半導體層具有好的晶體擇優(yōu)取向，從而可以用于制備高性能的太陽能電池、發(fā)光二極管等半導體器件。
[0005]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種制備半導體結(jié)構(gòu)的方法，該方法采用濺射沉積的方法，通過對濺射條件的控制，能夠形成具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物層。與利用固相外延生長技術(shù)以及金屬有機化學氣相沉積技術(shù)相比，濺射沉積具有成本低廉、操作簡單等優(yōu)點。
[0006]在本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種制備半導體結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括:
(I)提供襯底，所述襯底為玻璃；以及(2)在所述襯底的上表面通過濺射沉積，形成稀土氧化物層；以及(3)在所述稀土氧化物層遠離所述襯底的一側(cè)形成半導體層，其中，所述稀土氧化物層以及所述半導體層具有晶體擇優(yōu)取向。由此，可以降低制備成本，簡化制備工藝，并獲得具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物結(jié)構(gòu)。并且，稀土氧化物層能夠誘導半導體層的形成，使形成的半導體層中的晶格排列具有擇優(yōu)取向性。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的實施例，步驟(2)進一步包括:通過濺射沉積在所述襯底的上表面形成稀土氧化物混合體，對所述稀土氧化物混合體進行第一退火處理，以便獲得所述稀土氧化物層。由此，可以進一步簡化濺射沉積過程的制備工藝，降低對沉積設備的要求，從而可以進一步降低生產(chǎn)成本。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實施例，步驟(3)之后，進一步包括:(4)對所述襯底、稀土氧化物層以及半導體層進行第二退火處理。由此，可以通過第二退火處理，進一步提高半導體層和/或稀土氧化物層的結(jié)晶質(zhì)量。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的實施例，步驟(2)中，所述濺射沉積時襯底溫度不小于400攝氏度。由此，可以簡便地通過對襯底進行加熱，獲得具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物層，從而可以降低沉積步驟對設備的要求，簡化制備工藝，降低生產(chǎn)成本。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述濺射沉積為磁控濺射沉積或離子束濺射沉積。利用磁控濺射或者離子束濺射可以較好地控制沉積速率以及沉積的稀土氧化物的晶體結(jié)構(gòu)，從而有利于形成具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物層。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述濺射沉積為脈沖式濺射沉積或離子束輔助濺射沉積。由此，可以利用脈沖式濺射沉積或離子束輔助濺射沉積控制沉積的速率，提高獲得的稀土氧化物層的結(jié)晶質(zhì)量。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述稀土氧化物包括JGd1-xErxhO^Gch—xNdxhO^En-xNdxhOs、 (Pri—xLax)203、 (Pri—xNdx)203、 (Pri—xGdx)203、(Eri—xLax)203中的一種或多種，其中x的取值范圍為0-1。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)對該半導體結(jié)構(gòu)的具體要求，從上述范圍內(nèi)選擇適當?shù)南⊥裂趸镞M行沉積，實現(xiàn)對該半導體結(jié)構(gòu)物化性能的調(diào)控，從而可以擴展該半導體結(jié)構(gòu)的應用范圍。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述稀土氧化物的晶格常數(shù)a與所述半導體層的晶格常數(shù)b的關(guān)系為:a=(2±c)b，其中c為晶格常數(shù)失配率，0<c<15%。部分稀土氧化物的晶格常數(shù)大約是常見半導體材料晶格常數(shù)的兩倍，且稀土氧化物的晶格常數(shù)可通過組分調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)稀土氧化物以及半導體層的晶格常數(shù)之間的關(guān)系，使a?2b，可以提高稀土氧化物層以及半導體層之間的晶格匹配程度。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述半導體層是由S1、Ge、II1-V族化合物半導體中的一種或多種材料形成的。由此，可以使該半導體結(jié)構(gòu)應用于不同應用場景所需的半導體器件中，例如太陽能電池或發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述第一退火處理以及第二退火處理的溫度分別獨立地為600?1200攝氏度。由此，可以進一步提高稀土氧化物層以及半導體層的結(jié)晶質(zhì)量。
[0016]在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提出了一種半導體結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該半導體結(jié)構(gòu)包括:襯底，所述襯底為玻璃;稀土氧化物層，所述稀土氧化物層形成在所述襯底的上表面，并且所述稀土氧化物層具有晶體擇優(yōu)取向；半導體層，所述半導體層形成在所述稀土氧化物層的上表面，所述半導體層具有晶體擇優(yōu)取向。具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物能夠誘導稀土氧化物層之上形成的半導體層的結(jié)晶情況，使其也具有晶體的擇優(yōu)取向，從而有利于后續(xù)利用該半導體結(jié)構(gòu)構(gòu)成太陽能電池或發(fā)光二極管等結(jié)構(gòu)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述稀土氧化物包括JGd1-xErxhO^Gch—xNdxhO^En-xNdxhOs、 (Pri—xLax)203、 (Pri—xNdx)203、 (Pri—xGdx)203、(Eri—xLax)203中的一種或多種，其中x的取值范圍為0-1。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)對該半導體結(jié)構(gòu)的具體要求，從上述范圍內(nèi)選擇適當?shù)南⊥裂趸镞M行沉積，實現(xiàn)對該半導體結(jié)構(gòu)物化性能的調(diào)控，從而可以擴展該半導體結(jié)構(gòu)的應用范圍。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述稀土氧化物的晶格常數(shù)a與所述半導體層的晶格常數(shù)b的關(guān)系為:a=(2±c)b，其中c為晶格常數(shù)失配率，0<c<15%。部分稀土氧化物的晶格常數(shù)大約是常見半導體材料晶格常數(shù)的兩倍，且稀土氧化物的晶格常數(shù)可通過組分調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)稀土氧化物以及半導體層的晶格常數(shù)之間的關(guān)系，使a?2b，可以提高稀土氧化物層以及半導體層之間的晶格匹配程度。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述稀土氧化物層(222)晶面的XRD衍射峰的半高寬小于5度?？刂芚RD衍射峰的半尚寬有利于提尚該稀土氧化物層的結(jié)晶質(zhì)量。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述半導體層為S1、Ge、II1-V族化合物半導體中的一種或多種。由此，可以使該半導體結(jié)構(gòu)應用于不同應用場景所需的半導體器件中，常見的應用可以為太陽能電池或發(fā)光二極管。
[0021 ]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述稀土氧化物層是通過濺射沉積形成的。由此，可以在保證稀土氧化物層質(zhì)量的同時，降低制備成本，簡化制備工藝。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述稀土氧化物層和所述半導體層的至少之一是通過濺射沉積和退火處理形成的。由此，可以進一步簡化濺射沉積過程的制備工藝，降低對沉積設備的要求，從而可以進一步降低生產(chǎn)成本。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述濺射沉積為磁控濺射沉積或離子束濺射沉積。利用磁控濺射或者離子束濺射可以較好地控制沉積速率以及沉積的稀土氧化物的晶體結(jié)構(gòu)，從而有利于形成稀土氧化物層。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述濺射沉積為脈沖式濺射沉積或離子束輔助濺射沉積。由此，可以利用脈沖式濺射沉積或者離子束輔助濺射沉積控制沉積的速率，提高獲得的稀土氧化物層的結(jié)晶質(zhì)量。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述濺射沉積時襯底溫度大于400攝氏度。由此，可以提高稀土氧化物層的結(jié)晶質(zhì)量。
【附圖說明】
[0026]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備半導體結(jié)構(gòu)的方法的流程圖；
[0027]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的半導體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例1的半導體結(jié)構(gòu)的透射電子顯微圖像。
【具體實施方式】
[0029]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0030]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“上”、“下”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0031]在本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種制備半導體結(jié)構(gòu)的方法。通常，采用濺射的方法很難形成晶體擇優(yōu)取向，尤其是在玻璃襯底上，一般多形成多晶或無定形結(jié)構(gòu)。發(fā)明人經(jīng)過深入研究以及大量實驗發(fā)現(xiàn)，通過降低濺射速率、提高濺射時襯底溫度等方式，或者通過后續(xù)退火處理，改善濺射形成的稀土氧化物的結(jié)晶質(zhì)量，從而實現(xiàn)利用濺射獲得晶體擇優(yōu)取向。此過程中利用了稀土氧化物晶體在外延生長時生長速度的各向異性，即稀土氧化物薄膜在沉積時，某些晶向的沉積生長速度明顯快于其它晶面，且在高溫濺射沉積和退火過程中稀土氧化物有明顯的晶體再結(jié)晶作用，具有擇優(yōu)取向的大晶粒不斷長大，使得非擇優(yōu)取向的小晶粒越來越少甚至完全消失。本發(fā)明中，“晶體的擇優(yōu)取向”是指晶體具有擇優(yōu)取向性，即稀土氧化物層中一定范圍內(nèi)的晶體取向趨于一致，其中也包括單晶(晶體中各處取向完全一致)O具體地，根據(jù)本發(fā)明的實施例，參考圖1，該方法包括:
[0032]SlOO:提供襯底
[0033]根據(jù)本發(fā)明的實施例，在該步驟中，提供襯底以便形成半導體結(jié)構(gòu)。具體地，該襯底為玻璃。例如，根據(jù)本發(fā)明的實施例，襯底可以由常規(guī)的非石英玻璃形成，也可以由石英玻璃形成。上述材料構(gòu)成的襯底加工方便，材料來源廣泛且成本低廉，有利于降低利用該方法制備半導體結(jié)構(gòu)的成本，并且，玻璃襯底具有透光性，在玻璃襯底上制備太陽能電池或者發(fā)光二極管等半導體結(jié)構(gòu)，有利于光的傳輸。例如，襯底可以為康寧玻璃或者石英玻璃，并切割成適當?shù)某叽?。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的是，為了提高制備的半導體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，在進行后續(xù)步驟之前，可以對襯底進行清洗，以便除去襯底表面的油脂、灰塵等雜質(zhì)，從而可以提高后續(xù)步驟的沉積效果。
[0034]S200:形成稀土氧化物層
[0035]根據(jù)本發(fā)明的實施例，在該步驟中，在襯底的上表面通過濺射沉積，形成稀土氧化物層。由此，可以降低制備成本，簡化制備工藝，并獲得具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物結(jié)構(gòu)。
[0036]下面根據(jù)本發(fā)明的具體實施例對濺射沉積過程進行詳細描述。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的實施例，稀土氧化物可以包括dGch—xErxhO^Gch—xNdxhO^En一xNdx)203、(Pri—xLax)203、(Pri—xNdx)203、(Pri—xGdx)2()3、(Eri—xLax)2()3中的一種或多種，其中x的取值范圍為0-1。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)對該半導體結(jié)構(gòu)的具體要求，從上述范圍內(nèi)選擇適當?shù)南⊥裂趸镞M行沉積，實現(xiàn)對該半導體結(jié)構(gòu)物化性能的調(diào)控，從而可以擴展該半導體結(jié)構(gòu)的應用范圍。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以采用磁控濺射沉積或離子束濺射沉積形成稀土氧化物層。發(fā)明人經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，濺射沉積的速率對形成的稀土氧化物的晶體結(jié)構(gòu)具有重要影響。濺射沉積速度慢有利于形成具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物層。利用磁控濺射或者離子束濺射可以較好地控制沉積速率，從而可以控制沉積的稀土氧化物的晶體結(jié)構(gòu)，形成具有晶體擇優(yōu)取向而非混亂排布的多晶的稀土氧化物層。根據(jù)本發(fā)明的實施例，濺射沉積還可以為脈沖式濺射沉積或離子束輔助濺射沉積。脈沖式濺射沉積由于采用了脈沖電源代替直流電源進行濺射沉積，可以有效控制沉積速度，增強沉積原子的迀移，促進晶體擇優(yōu)取向的形成;采用離子束輔助濺射沉積，利用離子束輔助轟擊沉積基片(即康寧玻璃或者石英襯底)，可以提高沉積凝聚粒子的能量以及穩(wěn)定性，同時消除沉積表面的缺陷及非擇優(yōu)取向的晶粒，有利于提高沉積形成的稀土氧化物層的質(zhì)量。由此，可以利用脈沖式濺射沉積或者離子束輔助濺射沉積提高獲得的稀土氧化物層的結(jié)晶質(zhì)量。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的實施例，在該步驟中，可以通過在濺射過程中對襯底進行加熱，形成稀土氧化物層。具體地，可以通過加熱使濺射沉積時襯底溫度不小于400攝氏度。發(fā)明人經(jīng)過深入研究以及大量實驗發(fā)現(xiàn)，對于稀土氧化物，當沉積時襯底溫度低于300攝氏度時，形成的稀土氧化物層多為多晶結(jié)構(gòu)。當襯底溫度升高至300?600攝氏度時，有利于形成立方晶系的晶體擇優(yōu)取向。而繼續(xù)升高襯底溫度，則可能導致六角星系的晶體結(jié)構(gòu)。具體地，根據(jù)本發(fā)明的實施例可以使襯底溫度為400-500攝氏度左右，優(yōu)化溫度為500攝氏度。并且，在上述加熱溫度下進行濺射沉積，也不會對玻璃襯底造成影響。由此，可以簡便地通過對襯底進行加熱，獲得稀土氧化物層，從而可以降低沉積步驟對設備的要求，簡化制備工藝，降低生產(chǎn)成本。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的另一些實施例，在該步驟中，也可以通過在常溫下對靶材進行濺射沉積，例如，進行磁控濺射，襯底不加熱，在襯底的上表面沉積形成具有多晶或非晶結(jié)構(gòu)的稀土氧化物混合體。需要說明的是，在本發(fā)明中，術(shù)語“稀土氧化物混合體”特指常溫或低溫下對稀土氧化物靶材進行濺射沉積形成的、具有多晶結(jié)構(gòu)，但無較好的擇優(yōu)取向，即晶格取向不趨于一致的結(jié)構(gòu)。然后，對形成的稀土氧化物混合體進行第一退火處理，使其轉(zhuǎn)化為具有擇優(yōu)取向的晶體結(jié)構(gòu)，從而可以提高稀土氧化物混合體的結(jié)晶質(zhì)量，獲得稀土氧化物層。發(fā)明人經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，退火的時間越長，則稀土氧化物層的晶體質(zhì)量越好。由此，可以簡便地通過退火獲得稀土氧化物層，有利于進一步降低沉積步驟對設備的要求，簡化制備工藝，降低生產(chǎn)成本。根據(jù)本發(fā)明的再一些實施例，在該步驟中，還可以通過在高溫下對靶材進行濺射沉積，例如，在磁控濺射的過程中對襯底加熱，可以使襯底溫度為400-500攝氏度左右，在襯底的上表面沉積形成具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物層，隨后對形成的稀土氧化物層進行第一退火處理，從而可以進一步改善稀土氧化物層的結(jié)晶質(zhì)量，獲得高質(zhì)量的具有晶體擇優(yōu)取向甚至高質(zhì)量的單晶結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，第一退火處理的溫度可以為600?1200攝氏度。根據(jù)本發(fā)明的另一些實施例，第一退火處理的溫度還可以為800?1000攝氏度。由此，可以進一步提高稀土氧化物層的結(jié)晶質(zhì)量。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的是，當需要對稀土氧化物層進行退火處理時，需要使用耐高溫的玻璃作為襯底。
[0041]利用該方法獲得的半導體結(jié)構(gòu)，稀土氧化物層具有較好的結(jié)晶質(zhì)量，稀土氧化物層(222)晶面的XRD衍射峰的半高寬可以小于5度，保證了稀土氧化物具有較好的結(jié)晶質(zhì)量。并且，該方法具有工藝簡單、成本低廉的優(yōu)點。
[0042]S300:形成半導體層
[0043]根據(jù)本發(fā)明的實施例，在該步驟中，在稀土氧化物層的上表面形成半導體層。也即是說，在稀土氧化物層遠離襯底的一側(cè)形成半導體層。由于稀土氧化物層具有較好的晶體擇優(yōu)取向，因此在稀土氧化物層上形成半導體層時，能夠誘導半導體層的形成，使形成的半導體層中的晶格排列也具有擇優(yōu)取向性。由此，可以優(yōu)化該方法形成的半導體結(jié)構(gòu)。
[0044]需要說明的是，在該步驟中，形成半導體層的具體方法不受特別限制。例如，可以采用濺射沉積以及退火形成具有擇優(yōu)取向的半導體層，或直接通過高溫濺射沉積形成，還可以采用化學氣相沉積的方法形成半導體層。此外，半導體層的具體成分也不受特別限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際情況進行選擇。例如，根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，半導體層是由由S1、Ge、II1-V族化合物半導體中的一種或多種材料形成的。也即是說，形成半導體層的材料可以包括S1、Ge、II1-V化合物形成的半導體材料中的一種或多種的組合。例如，當該半導體層中含有Si時，獲得的半導體結(jié)構(gòu)可以用于制備太陽能電池；當該半導體層中含有II1-V元素時，例如，半導體層中含有氮化物(包括GaN、InGaN、AlGaN、AlN等)時，半導體結(jié)構(gòu)可以作為發(fā)光材料應用于LED結(jié)構(gòu)；當半導體層中含有GaAs、InGaAs、AlGaAs等成分時，該半導體結(jié)構(gòu)可以應用于太陽能電池。
[0045]發(fā)明人經(jīng)過深入研究以及大量實驗發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)稀土氧化物的晶格常數(shù)以及半導體層的晶格常數(shù)之間的關(guān)系，可以提高稀土氧化物層以及半導體層之間的晶格匹配程度，從而提高該半導體結(jié)構(gòu)的性能。具體地，稀土氧化物的晶格常數(shù)a與半導體層的晶格常數(shù)b的關(guān)系為:a= (2 ±c)b，其中c為晶格常數(shù)失配率，15%。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要的半導體層的具體成分調(diào)節(jié)稀土氧化物層的成分，也可以根據(jù)形成的稀土氧化物層的具體成分調(diào)節(jié)該步驟中形成的半導體層的成分。
[0046]為了進一步改善稀土氧化物和半導體層的晶體擇優(yōu)取向，該方法可以進一步包括:
[0047]對襯底、稀土氧化物層以及半導體層進行第二退火處理。具體地，根據(jù)本發(fā)明的實施例，第二退火處理的溫度可以為600?1200攝氏度。根據(jù)本發(fā)明的另一些實施例，第二退火處理的溫度還可以為800?1000攝氏度。由此，可以進一步提高稀土氧化物層和半導體層的結(jié)晶質(zhì)量，改善其晶體擇優(yōu)取向。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的是，當需要進行上述第二退火處理時，需要使用耐高溫的玻璃作為襯底。發(fā)明人經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，長時間的退火處理可以使稀土氧化物層和半導體層再結(jié)晶，形成晶體的擇優(yōu)取向。因此，對上述半導體結(jié)構(gòu)進行第二退火處理有利于提高稀土氧化物層以及半導體層的結(jié)晶質(zhì)量。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，也可以利用濺射的方法首先在玻璃襯底上形成不具有擇優(yōu)取向的稀土氧化物層以及半導體層，再利用長時間的第二退火處理來使稀土氧化物層和半導體層形成擇優(yōu)取向，此種情況也在本發(fā)明的保護范圍之中。需要說明的是，在本發(fā)明中，“長時間的第二退火處理”中，第二退火處理的具體時間不受特別限制，只要能夠形成具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物層和半導體層，或者能夠提高稀土氧化物層和半導體層的晶體結(jié)晶質(zhì)量即可。根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，第二退火處理的具體時間可以為I?20小時。退火溫度越高，則退火時間可適當縮短。
[0048]在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提出了一種半導體結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，參考圖2，該半導體結(jié)構(gòu)包括:襯底100、稀土氧化物層200以及半導體層300。稀土氧化物層200形成在襯底100的上表面，半導體層300形成在稀土氧化物層200的上表面，且稀土氧化物層200以及半導體層300具有晶體擇優(yōu)取向。其中，襯底100可以為玻璃。具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物能夠提高稀土氧化物層以及襯底之間的晶格匹配程度，且有利于后續(xù)利用該半導體結(jié)構(gòu)構(gòu)成太陽能電池、發(fā)光二極管等電子器件。
[0049]具體地，襯底100可以由常規(guī)的非石英玻璃形成，也可以由石英玻璃形成。上述材料構(gòu)成的襯底100加工方便且成本低廉，有利于降低該半導體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)成本。例如，襯底可以為康寧玻璃或者石英玻璃，并切割成適當?shù)某叽?。形成稀土氧化物?00的稀土氧化物可以包括(Gdi—xErx)203、(Gdi—xNdx)203、(Eri—xNdx)203、(Pri—xLax)203、(Pri—xNdx)203、(Pri—xGdx)203、(Er1-XLas)2O3中的一種或多種，其中X的取值范圍為0-1。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)對該半導體結(jié)構(gòu)的具體要求，從上述范圍內(nèi)選擇適當?shù)南⊥裂趸镞M行沉積，實現(xiàn)對該半導體結(jié)構(gòu)物化性能的調(diào)控，從而可以擴展該半導體結(jié)構(gòu)的應用范圍。
[0050]根據(jù)本發(fā)明的實施例，稀土氧化物層200是通過濺射沉積形成的。通常，采用濺射的方法很難形成晶體擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)，一般多形成多晶或無定形結(jié)構(gòu)。發(fā)明人經(jīng)過深入研究以及大量實驗發(fā)現(xiàn)，通過降低濺射速率、提高濺射時襯底溫度等方式，或者通過后續(xù)退火處理，改善濺射形成的稀土氧化物的結(jié)晶質(zhì)量，可以實現(xiàn)利用濺射獲得晶體擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)。由此，可以在保證稀土氧化物層質(zhì)量的同時，降低制備成本，簡化制備工藝。具體地，可以通過脈沖式濺射沉積形成稀土氧化物層200。具體地，可以采用磁控濺射沉積或離子束濺射沉積形成稀土氧化物層。發(fā)明人經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，濺射沉積的速率對形成的稀土氧化物的晶體結(jié)構(gòu)具有重要影響。濺射沉積速度慢有利于形成稀土氧化物層。利用磁控濺射或者離子束濺射可以較好地控制沉積速率，從而可以控制沉積的稀土氧化物的晶體結(jié)構(gòu)，形成稀土氧化物層。根據(jù)本發(fā)明的實施例，濺射沉積還可以為脈沖式濺射沉積或離子束輔助濺射沉積。脈沖式濺射沉積由于采用了脈沖電源代替直流電源進行濺射沉積，可以有效控制沉積速度，增強沉積原子的迀移，促進晶體擇優(yōu)取向的形成;采用離子束輔助濺射沉積，利用離子束輔助轟擊沉積基片(即襯底100)，可以提高沉積凝聚粒子的能量以及穩(wěn)定性，同時消除沉積表面的缺陷及非擇優(yōu)取向的晶粒，有利于提高沉積形成的稀土氧化物層200的質(zhì)量。由此，可以利用脈沖式濺射沉積或者離子束輔助濺射沉積提高獲得的稀土氧化物層200的結(jié)晶質(zhì)量。
[0051 ]根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以在濺射沉積時對襯底進行加熱，使襯底100的溫度大于400攝氏度。由此，可以提高稀土氧化物層200的結(jié)晶質(zhì)量。此處襯底100的溫度與前面描述的制備半導體結(jié)構(gòu)的方法中對襯底進行加熱的溫度相同，關(guān)于濺射沉積時對襯底進行加熱的溫度，前面已經(jīng)進行了詳細的描述，在此不再贅述?；蛘?，根據(jù)本發(fā)明的另一些實施例，稀土氧化物層200可以通過濺射沉積和退火處理形成的。具體地，可以在室溫下完成濺射過程，形成稀土氧化物混合體，然后通過第一退火處理，改善稀土氧化物混合體的結(jié)晶質(zhì)量，從而可以獲得稀土氧化物層200。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，第一退火處理的溫度可以為600?1200攝氏度。根據(jù)本發(fā)明的另一些實施例，第一退火處理的溫度還可以為800?1000攝氏度。由此，可以進一步提高稀土氧化物層的結(jié)晶質(zhì)量。
[0052]根據(jù)本發(fā)明的實施例，稀土氧化物層200的(222)晶面的XRD衍射峰的半高寬小于5度。由此，可以保證稀土氧化物層200具有較好的結(jié)晶質(zhì)量，從而可以降低稀土氧化物形成的稀土氧化物層200中的缺陷，有利于提高利用該半導體結(jié)構(gòu)制備的各類半導體器件的使用功能。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的實施例，半導體層300形成在稀土氧化物層200的上表面。也即是說，在稀土氧化物層200遠離襯底100的一側(cè)形成半導體層300。根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，半導體層300是由含有選自S1、Ge、II1-V元素的化合物形成的。也即是說，形成半導體層300的材料可以為S1、Ge、II1-V族化合物半導體中的一種或多種。具體地，半導體層300中可以含有5;[、66、氮化物(包括631^、111631^、4]^1^、4]^等)、6348、1116348、八]^48等。由于稀土氧化物層200具有較好的晶體擇優(yōu)取向，因此在稀土氧化物層200上形成半導體層300時，能夠利用稀土氧化物層200的擇優(yōu)取向誘導半導體層300的形成，使形成的半導體層300中的晶格排列也具有擇優(yōu)取向性。由此，獲得具有擇優(yōu)取向的半導體層300。半導體層300的具體形成方法與前面描述的制備半導體結(jié)構(gòu)的方法中形成半導體層的方法具有相同的特征以及優(yōu)點，在此不再贅述。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，半導體層300也可以是通過濺射沉積和退火處理形成的。發(fā)明人經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)，長時間的退火處理可以使稀土氧化物層和半導體層再結(jié)晶，形成晶體的擇優(yōu)取向。因此，可以在形成半導體層300之后，對上述半導體結(jié)構(gòu)進行第二退火處理，以便提高半導體層300以及稀土氧化物層200的結(jié)晶質(zhì)量。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，在本發(fā)明中，也可以利用濺射的方法首先在玻璃襯底上形成不具有擇優(yōu)取向的稀土氧化物層以及半導體層，再利用長時間的第二退火處理，改善稀土氧化物層以及半導體層的結(jié)晶質(zhì)量，形成根據(jù)本發(fā)明實施例的稀土氧化物層200和半導體層300。需要說明的是，在本發(fā)明中，“長時間的第二退火處理”中，第二退火處理的具體時間不受特別限制，只要能夠形成具有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物層和半導體層，或者能夠提高稀土氧化物層和半導體層的晶體結(jié)晶質(zhì)量即可。根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，第二退火處理的具體時間可以為I?20小時。退火溫度越高，則退火時間可適當縮短。
[0054]部分稀土氧化物的晶格常數(shù)大約是常見半導體材料晶格常數(shù)的兩倍，且稀土氧化物的晶格常數(shù)可通過組分調(diào)節(jié)。發(fā)明人經(jīng)過深入研究以及大量實驗發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)稀土氧化物的晶格常數(shù)以及半導體層的晶格常數(shù)之間的關(guān)系，可以提高稀土氧化物層以及半導體層之間的晶格匹配程度，從而提高該半導體結(jié)構(gòu)的性能。具體地，稀土氧化物的晶格常數(shù)a與半導體層的晶格常數(shù)b的關(guān)系為:a=(2土c)b，其中c為晶格常數(shù)失配率，0<c<15%。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要的半導體層的具體成分調(diào)節(jié)稀土氧化物層的成分，也可以根據(jù)形成的稀土氧化物層的具體成分調(diào)節(jié)該步驟中形成的半導體層的成分。通過調(diào)節(jié)稀土氧化物以及半導體層的晶格常數(shù)之間的關(guān)系，使a?2b，可以提高稀土氧化物層以及半導體層之間的晶格匹配程度，從而改善半導體層的結(jié)晶質(zhì)量。
[0055]需要說明的是，本發(fā)明前面描述的半導體結(jié)構(gòu)可以應用于制備電子器件。由于該電子器件中含有前面描述的半導體結(jié)構(gòu)，因此該電子器件具有前面描述的半導體結(jié)構(gòu)的全部特征以及優(yōu)點，在此不再贅述。簡單來說，該電子器件具有制備方法簡便、成本低廉、無需高昂的設備等優(yōu)點。并且，該電子器件的半導體結(jié)構(gòu)中具有含有晶體擇優(yōu)取向的稀土氧化物層，從而可以提高該電子器件的整體器件性能。需要說明的是，在本發(fā)明中，電子器件的具體種類不受特別限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)半導體結(jié)構(gòu)中的具體組成進行選擇。例如，當該半導體結(jié)構(gòu)的半導體層中含有Si時，可以用于制備太陽能電池；當該半導體結(jié)構(gòu)的半導體層中含有111-￥元素時，例如，半導體層中含有氮化物(包括6&111^1六16&1八1~等)時，可以作為發(fā)光材料應用于LED結(jié)構(gòu)；當半導體結(jié)構(gòu)的半導體層中含有GaAs、InGaAs、AlGaAs等成分時，該半導體結(jié)構(gòu)可以應用于太陽能電池。
[0056]下面通過具體實施例對本發(fā)明進行說明，需要說明的是，下面的具體實施例僅僅是用于說明的目的，而不以任何方式限制本發(fā)明的范圍，另外，如無特殊說明，則未具體記載條件或者步驟的方法均為常規(guī)方法，所采用的試劑和材料均可從商業(yè)途徑獲得。其中，生長設備使用為LAB18磁控濺射儀，透射電子顯微鏡采用JEOL公司的JEM-2010型。
[0057]實施例:石英玻璃襯底上生長(Gd1INdx)2O3稀土氧化物層以及Ge半導體層
[0058]采用石英玻璃作為襯底，氧化釹(Nd2O3)和氧化釓(Gd2O3)粉末的混合物(質(zhì)量比5:1)為濺射靶材。沉積之前預先對襯底進行清洗。
[0059]選擇濺射功率200W，真空度IE—7torr，濺射氬氣壓lOmtorr，襯底溫度450攝氏度，控制生長速度30nm/h左右，40分鐘生長20nm左右。獲得稀土氧化物層厚度為10nm。隨后，對濺射獲得的薄膜進行氮氣氛下退火處理，退火溫度1000攝氏度，退火時間2小時。
[0060]參考圖3，在石英襯底表面形成了一層大約1nm厚的稀土氧化物層。該稀土氧化物層具有較好的晶體擇優(yōu)取向性，能夠清晰地觀察到較大范圍的(100)晶面的晶格。XRD分析表明，其(222)峰的半高寬為1.5度，說明稀土氧化物薄膜具有較好的晶體擇優(yōu)取向。[0061 ]在利用濺射獲得稀土氧化物層之后，繼續(xù)利用濺射工藝，在稀土氧化物上濺射形成I微米厚的Ge薄膜層，隨后，對濺射獲得的薄膜進行氫氣氛下退火處理，退火溫度800攝氏度，退火時間2小時。
[0062]通過對獲得的Ge薄膜的XRD分析表明，其(004)峰的半高寬為3.2度，說明Ge薄膜具有較好的晶體擇優(yōu)取向。
[0063]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結(jié)合和組合。
[0064]此外，在本發(fā)明中，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。
[0065]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【主權(quán)項】
1.一種制備半導體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括: (1)提供襯底，所述襯底為玻璃；以及 (2)在所述襯底的上表面通過濺射沉積，形成稀土氧化物層；以及 (3)在所述稀土氧化物層遠離所述襯底的一側(cè)形成半導體層， 其中，所述稀土氧化物層以及所述半導體層具有晶體擇優(yōu)取向。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)進一步包括: 通過濺射沉積在所述襯底的上表面形成稀土氧化物混合體，對所述稀土氧化物混合體進行第一退火處理，以便獲得所述稀土氧化物層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(3)之后，進一步包括: (4)對所述襯底、稀土氧化物層以及半導體層進行第二退火處理。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中，所述濺射沉積時所述襯底溫度不小于400攝氏度。5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于，所述濺射沉積為磁控濺射沉積或離子束濺射沉積。6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于，所述濺射沉積為脈沖式濺射沉積或離子束輔助濺射沉積。7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物包括:(Gd1IErx)2Ο3、(Gd1-xNdx)203、(Er1-xNdx)203、(Pr1-xLax)203、(Pr1-xNdx)203、(Pr1-xGdx)203、(Er1-xLax)2〇3 中的一種或多種，其中X的取值范圍為0-1。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物層的晶格常數(shù)a與所述半導體層的晶格常數(shù)b的關(guān)系為:a=(2土c)b，其中c為晶格常數(shù)失配率，0<c<15%。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述半導體層是由S1、Ge、II1-V族化合物半導體中的一種或多種材料形成的。10.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述第一退火處理以及第二退火處理的溫度分別獨立地為600?1200攝氏度。11.一種半導體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 襯底，所述襯底為玻璃； 稀土氧化物層，所述稀土氧化物層形成在所述襯底的上表面，并且所述稀土氧化物層具有晶體擇優(yōu)取向； 半導體層，所述半導體層形成在所述稀土氧化物層的上表面，所述半導體層具有晶體擇優(yōu)取向。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述稀土氧化物包括(GcU-xErx)2Ο3、(Gd1-xNdx)203、(Er1-xNdx)203、(Pr1-xLax)203、(Pr1-xNdx)203、(Pr1-xGdx)203、(Er1-xLax)2〇3 中的一種或多種，其中X的取值范圍為0-1。13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述稀土氧化物的晶格常數(shù)a與所述半導體層的晶格常數(shù)b的關(guān)系為:a=(2±c)b，其中c為晶格常數(shù)失配率，0<c<15%。14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述稀土氧化物層(222)晶面的XRD衍射峰的半高寬小于5度。15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導體層為S1、Ge、II1-V族化合物半導體中的一種或多種。16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述稀土氧化物層是通過濺射沉積形成的。17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述稀土氧化物層和所述半導體層的至少之一是通過濺射沉積和退火處理形成的。18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的半導體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述濺射沉積為磁控濺射沉積或離子束濺射沉積； 任選地，所述濺射沉積為脈沖式濺射沉積或離子束輔助濺射沉積。19.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的半導體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述濺射沉積時襯底溫度大于400攝氏度。
【文檔編號】H01L33/16GK106057641SQ201610366292
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】王子巍, 肖磊, 王敬, 梁仁榮, 許軍
【申請人】清華大學