半導體結構、制備半導體結構的方法及其應用

半導體結構、制備半導體結構的方法及其應用
【專利摘要】本發明公開了半導體結構、制備半導體結構的方法及其應用。該方法包括：(1)提供襯底，所述襯底的上表面具有單晶結構；以及(2)在所述襯底的上表面通過濺射沉積，形成稀土氧化物類單晶層，以便獲得所述半導體結構。由此，可以降低制備成本，簡化制備工藝，并獲得具有類單晶結構的稀土氧化物結構。
【專利說明】
半導體結構、制備半導體結構的方法及其應用
技術領域
[0001] 本發明涉及半導體技術以及半導體制造領域，具體而言，本發明涉及半導體結構、 制備半導體結構的方法及其應用。
【背景技術】
[0002] 在半導體技術領域，為了獲得高度集成的芯片，采用多層堆疊結構是目前高密度 存儲技術的重要發展趨勢。多層絕緣介質層以及多層單晶半導體交替堆疊是實現多層堆疊 結構的重要途徑。此外，絕緣介質層以及單晶半導體交替堆疊結構也是構建諸如太陽能電 池等半導體器件的重要結構組成單元。目前多采用外延生長的方法在絕緣介質材料表面獲 得單晶半導體薄膜，為了通過外延生長獲得高質量的單晶半導體薄膜，要求絕緣介質材料 也要具有晶體結構，且與半導體結構之間需要具有良好的晶格匹配。稀土氧化物晶體與常 見的半導體材料同屬于立方晶系，稀土氧化物的晶格常數一般約為常見半導體材料如Si、 Ge、III-V族化合物半導體材料的兩倍，通過調整稀土氧化物的成分，可以方便地調整其晶 格常數，使其與常見的半導體材料的晶格常數相匹配，即可以形成良好的晶格匹配，因此采 用稀土氧化物作為絕緣介質材料有利于在稀土氧化物表面形成半導體結構，也有利于在半 導體結構上形成稀土氧化物晶體結構，以獲得多層堆疊結構。目前主要通過固相外延生長 或者金屬有機化學氣相沉積(M0CVD)制備稀土氧化物晶體，然而上述方法普遍成本高昂、操 作復雜，且對設備的真空度等反應條件均具有較高要求。
[0003] 因此，目前涉及稀土氧化物晶體的半導體結構及其制備方法仍有待改進。

【發明內容】

[0004] 本申請是基于發明人對以下事實和問題的發現和認識做出的：
[0005] 發明人經過深入研究以及大量實驗發現，目前制備稀土氧化物晶體的方法普遍存 在成本高、操作復雜等問題，主要是由于需要通過對制備過程中的真空度、沉積速率等條件 的控制，實現對稀土氧化物晶體層晶體結構的控制，以保證其與單晶硅等半導體層具有較 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較少的缺陷。
[0006] 本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的 一個目的在于提出一種制備半導體結構的方法，該方法采用濺射沉積的方法，通過對濺射 條件的控制，能夠形成具有類單晶結構的稀土氧化物層。與利用固相外延生長技術以及金 屬有機化學氣相沉積技術相比，濺射沉積具有成本低廉、操作簡單等優點。
[0007] 在本發明的一個方面，本發明提出了一種制備半導體結構的方法。該方法包括： (1)提供襯底，所述襯底的上表面具有單晶結構；以及(2)在所述襯底的上表面通過濺射沉 積，形成稀土氧化物類單晶層，以便獲得所述半導體結構。由此，可以降低制備成本，簡化制 備工藝，并獲得具有類單晶結構的稀土氧化物結構。
[0008] 根據本發明的實施例，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退火處理，以便獲得所述類單晶層。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 低生產成本。
[0009] 根據本發明的實施例，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構，從而 有利于形成類單晶層。
[0010] 根據本發明的實施例，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 氧化物類單晶層的結晶質量。
[0011] 根據本發明的實施例，所述襯底是由上表面具有單晶結構的硅材料形成的。具有 單晶結構的Si材料廉價且結晶性能好，有利于提高類單晶層與襯底之間的晶格匹配程度， 從而可以進一步提高該半導體結構的性能。
[0012] 根據本發明的實施例，所述稀土氧化 xNdx)2〇3、（Pri-xLax)2〇3、（Pri-xNdx)2〇3、（Pri- xGdx)2〇3、（Eri-xLax)2〇3中的一種或多種，其中x的 取值范圍為0-1。本領域技術人員可以根據對該半導體結構的具體要求，從上述范圍內選擇 適當的稀土氧化物進行沉積，實現對該半導體結構物化性能的調控，從而可以擴展該半導 體結構的應用范圍。
[0013] 根據本發明的實施例，所述類單晶層的晶格常數a與所述襯底上表面所述單晶結 構的晶格常數b的關系為:a=(2±c)b，其中c為晶格常數失配率，0<c<15%。部分稀土氧 化物的晶格常數大約是常見半導體材料晶格常數的兩倍，且稀土氧化物的晶格常數可通過 組分調節，通過調節稀土氧化物類單晶層以及襯底上單晶結構的晶格常數之間的關系，使a ~2b，可以提高類單晶層以及襯底之間晶格匹配程度。
[0014] 根據本發明的實施例，所述退火處理的溫度為600~1200攝氏度。由此，可以進一 步提高稀土氧化物類單晶層的結晶質量。
[0015] 根據本發明的實施例，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，獲得稀土氧化物類單晶層，從而可以降低沉積步驟對 設備的要求，簡化制備工藝，降低生產成本。
[0016] 在本發明的另一方面，本發明提出了一種半導體結構。根據本發明的實施例，該半 導體結構包括:襯底，所述襯底上表面具有單晶結構;和類單晶層，所述類單晶層形成在所 述襯底的上表面，并且所述類單晶層是由稀土氧化物形成的。具有類單晶結構的稀土氧化 物能夠提高類單晶層以及襯底之間的晶格匹配程度，且有利于后續利用該半導體結構構成 絕緣介質以及單晶半導體堆疊結構。
[0017] 根據本發明的實施例，所述襯底是由上表面具有單晶結構的Si材料形成的，所述 稀土氧化物包括：（Gdi-xEr x)2〇3、（Gdi-xNdx)2〇3、（Eri-xNdx)2〇3、（Pri-xLax)2〇3、（Pri-xNdx)2〇3、 (Pr xGdx) 2〇3、（ ErxLax) 2〇3中的一種或多種，其中x的取值范圍為0-1。本領域技術人員可以 根據對該半導體結構的具體要求，從上述范圍內選擇適當的稀土氧化物進行沉積，實現對 該半導體結構物化性能的調控，從而可以擴展該半導體結構的應用范圍。
[0018] 根據本發明的實施例，所述類單晶層的晶格常數a與所述襯底上表面所述單晶結 構的晶格常數b的關系為:a=(2±c)b，其中c為晶格常數失配率，0<c<15%。部分稀土氧 化物的晶格常數大約是常見半導體材料晶格常數的兩倍，且稀土氧化物的晶格常數可通過 組分調節，通過調節稀土氧化物類單晶層以及襯底上單晶結構的晶格常數之間的關系，使a ~2b，可以提高類單晶層以及襯底之間晶格匹配程度。
[0019] 根據本發明的實施例，所述類單晶層(222)晶面的XRD衍射峰的半高寬小于2度。控 制XRD衍射峰的半尚寬有利于提尚該類單晶層的結晶質量。
[0020] 根據本發明的實施例，所述類單晶層是通過濺射沉積形成的。由此，可以在保證類 單晶層質量的同時，降低制備成本，簡化制備工藝。
[0021 ]根據本發明的實施例，所述類單晶層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 產成本。
[0022]根據本發明的實施例，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構，從而 有利于形成類單晶層。
[0023]根據本發明的實施例，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 土氧化物類單晶層的結晶質量。
[0024] 根據本發明的實施例，所述濺射沉積時襯底溫度大于400攝氏度。由此，可以提高 類單晶層的結晶質量。
[0025] 根據本發明的實施例，所述類單晶層是通過濺射沉積和退火處理形成的。由此，可 以提高類單晶層的結晶質量。
[0026] 在本發明的又一方面，本發明提出了一種太陽能電池。根據本發明的實施例，該太 陽能電池包含前面所述的半導體結構。利用前面描述的半導體結構，有利于后續在該結構 上通過沉積形成III-V半導體，即第三主族至第五主族元素形成的半導體，如GaAs、GaN等， 從而可以降低該太陽能電池的制備成本，簡化制備工藝，并保證太陽能電池性能。
【附圖說明】
[0027] 圖1是根據本發明一個實施例的制備半導體結構的方法的流程圖；
[0028] 圖2是根據本發明一個實施例的半導體結構的結構示意圖；
[0029]圖3是根據本發明實施例1形成的半導體結構的X射線衍射圖；
[0030] 圖4是根據本發明實施例1的半導體結構的透射電子顯微圖像；
[0031] 圖5是根據本發明實施例2的半導體結構的透射電子顯微圖像；
[0032]圖6以及圖7是根據本發明實施例2的半導體結構的X射線衍射圖；以及
[0033] 圖8是根據本發明實施例2的半導體結構的透射電子顯微圖像。
【具體實施方式】
[0034] 下面詳細描述本發明的實施例，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，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0035] 在本發明的描述中，需要理解的是，術語"上"、"下"等指示的方位或位置關系為基 于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，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、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本 發明的限制。
[0036]在本發明的一個方面，本發明提出了一種制備半導體結構的方法。通常，采用濺射 的方法很難形成類單晶結構，一般多形成多晶或無定形結構。發明人經過深入研究以及大 量實驗發現，通過降低濺射速率、提高濺射時襯底溫度等方式，或者通過后續退火處理，改 善濺射形成的稀土氧化物的結晶質量，從而實現利用濺射獲得類單晶結構。本發明中，"類 單晶"是指晶體具有較好的擇優取向，即類單晶層中各處的晶體取向趨于一致，也包括單晶 (晶體中各處取向完全一致）。具體地，根據本發明的實施例，參考圖1，該方法包括：
[0037] S100:提供襯底
[0038]根據本發明的實施例，在該步驟中，提供襯底以便形成半導體結構。具體地，該襯 底上表面具有單晶結構。例如，根據本發明的實施例，襯底是由上表面具有單晶結構的硅材 料形成的。具有單晶結構的Si材料廉價且結晶質量非常好，有利于提高類單晶層與襯底之 間的晶格匹配程度，從而可以進一步提高該半導體結構的性能。例如，襯底可以為單晶硅襯 底。本領域技術人員能夠理解的是，為了提高制備的半導體結構的質量，在進行后續步驟之 前，單晶硅襯底(在本發明中又可簡稱為"硅襯底"）除經過標準清洗工藝以外，還可以采用 氫氟酸處理，例如，在進行后續步驟之前通過10 %氫氟酸處理，以便除去硅襯底表面形成的 自然氧化層(如二氧化硅），防止在后續濺射過程中再形成自然氧化層影響結晶效果。
[0039] S200:形成類單晶層
[0040]根據本發明的實施例，在該步驟中，在襯底的上表面通過濺射沉積，形成稀土氧化 物類單晶層，以便獲得半導體結構。由此，可以降低制備成本，簡化制備工藝，并獲得具有類 單晶結構的稀土氧化物結構。
[0041 ]下面根據本發明的具體實施例對濺射沉積過程進行詳細描述。
[0042] 根據本發明的實施例，稀土氧化物可以包括"Gch-xErxhO^Gch-χΝ(1χ) 2〇3、（Εη一 xNdx)2〇3、（Pri-xLax)2〇3、（Pri-xNdx)2〇3、（Pri- xGdx)2〇3、（Eri-xLax)2〇3中的一種或多種，其中x的 取值范圍為0-1。本領域技術人員可以根據對該半導體結構的具體要求，從上述范圍內選擇 適當的稀土氧化物進行沉積，實現對該半導體結構物化性能的調控，從而可以擴展該半導 體結構的應用范圍。
[0043] 發明人經過深入研究以及大量實驗發現，通過調節稀土氧化物類單晶層的晶格常 數以及襯底上表面的單晶結構的晶格常數之間的關系，可以提高類單晶層以及襯底之間晶 格匹配程度。具體地，稀土氧化物類單晶層的晶格常數a與襯底上表面的單晶結構的晶格常 數b的關系為:a=(2±c)b，其中c為晶格常數失配率，0<c<15%。例如，根據本發明的具體 實施例，稀土氧化物類單晶層可以為(Gdi- xNdx)2〇3,采用含有Gd2〇3和Nd2〇3兩種稀土氧化物 粉末的混合物作為濺射沉積的靶材，即可通過濺射沉積形成與襯底之間具有較好晶格匹配 程度的稀土氧化物類單晶層。靶材中Gd 2〇3以及Nd2〇3的質量比為（7:1)~（5:3)。通過調節 Gd2〇3以及Nd2〇3的質量比在上述范圍內，可以調節形成的稀土氧化物類單晶層的晶格常數 及其結晶質量。
[0044] 根據本發明的實施例，可以采用磁控濺射沉積或離子束濺射沉積形成類單晶層。 發明人經過大量實驗發現，濺射沉積的速率對形成的稀土氧化物的晶體結構具有重要影 響。濺射沉積速度慢有利于形成類單晶層。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構，形成類單晶層。根據本發明的實施 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（即單晶 硅襯底），可以提高沉積凝聚粒子的能量以及穩定性，同時消除沉積表面的缺陷及非擇優取 向的晶粒，有利于提高沉積形成的稀土氧化物類單晶層的質量。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類單晶層的結晶質量。
[0045] 根據本發明的實施例，在該步驟中，可以通過在濺射過程中對襯底進行加熱，形成 類單晶層。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。發明人經過深 入研究以及大量實驗發現，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構。當襯底溫度升高至300~600攝氏度時，有利于形成立方晶系 的類單晶結構。而繼續升高襯底溫度，則可能導致六角星系的晶體結構。而一般的半導體結 構，多采用單晶Si作為襯底，因此為了和Si的晶格匹配，可以使襯底溫度為400-500攝氏度 左右，優化溫度為500攝氏度。由此，可以簡便地通過對襯底進行加熱，獲得稀土氧化物類單 晶層，從而可以降低沉積步驟對設備的要求，簡化制備工藝，降低生產成本。
[0046] 根據本發明的另一些實施例，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構的 稀土氧化物混合體。需要說明的是，在本發明中，術語"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、具有多晶結構，但無較好的擇優取向，即晶格取 向不趨于一致的結構。然后，對形成的稀土氧化物混合體進行退火處理，使其轉化為類單晶 結構，從而可以提高稀土氧化物混合體的結晶質量，獲得類單晶層。發明人經過大量實驗發 現，退火的時間越長，則類單晶層的晶體質量越好，甚至可以成為單晶結構。由此，可以簡便 地通過退火獲得類單晶層，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 生產成本。根據本發明的再一些實施例，在該步驟中，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類單晶結構的稀土氧化物類單晶層。為了進一步提高稀土氧化物類單 晶層的質量，根據本發明的實施例，還可以對形成的稀土氧化物類單晶層進行退火處理，從 而可以進一步改善稀土氧化物類單晶層的結晶質量，獲得高質量的類單晶結構甚至高質量 的單晶結構。在濺射沉積過程中，在襯底(如Si襯底）以及類單晶層之間，會形成一層無定形 的襯底材料相關的結構，例如，當襯底為Si襯底時，在Si襯底以及類單晶層之間會形成一層 無定形的稀土硅酸鹽結構。發明人意外地發現，后續的退火處理，不僅可以提高稀土氧化物 類單晶層的結晶質量，還能夠除去該無定形的稀土硅酸鹽層。根據本發明的一些實施例，退 火處理的溫度可以為600~1200攝氏度。根據本發明的另一些實施例，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類單晶層的結晶質量。
[0047] 利用該方法獲得的半導體結構，類單晶層具有較好的結晶質量，類單晶層(222)晶 面的XRD衍射峰的半高寬可以小于2度，保證了稀土氧化物具有較好的結晶質量。并且，該方 法具有工藝簡單、成本低廉的優點。
[0048] 在本發明的另一方面，本發明提出了一種半導體結構。根據本發明的實施例，參考 圖2,該半導體結構包括:襯底100和類單晶層200。類單晶層200形成在襯底100的上表面，并 且類單晶層是由稀土氧化物形成的。具有類單晶結構的稀土氧化物能夠提高類單晶層以及 襯底之間的晶格匹配程度，且有利于后續利用該半導體結構構成絕緣介質以及單晶半導體 堆疊結構。
[0049] 根據本發明的實施例，襯底100上表面具有單晶結構。例如，根據本發明的實施例， 襯底1〇〇是由上表面具有單晶結構的硅材料形成的。具有單晶結構的Si材料廉價且結晶質 量很好，有利于提高類單晶層200與襯底之間的晶格匹配程度，從而可以進一步提高該半導 體結構的性能。例如，襯底1 〇〇可以為單晶硅襯底。稀土氧化物包括(GcU-xErx) 2〇3、（ GcU-xNdx) 2〇3、（Eri-xNdx)2〇3、（Pri-xLa x)2〇3、（Pri-xNdx)2〇3、（Pri-xGdx)2〇3、（Eri-xLa x)2〇3中的一種或多種， 其中X的取值范圍為0-1。本領域技術人員可以根據對該半導體結構的具體要求，從上述范 圍內選擇適當的稀土氧化物進行沉積，實現對該半導體結構物化性能的調控，從而可以擴 展該半導體結構的應用范圍。發明人經過深入研究以及大量實驗發現，通過調節稀土氧化 物的晶格常數以及襯底上表面的單晶結構的晶格常數之間的關系，可以提高類單晶層以及 襯底之間晶格匹配程度。具體地，稀土氧化物的晶格常數a與襯底上表面的單晶結構的晶格 常數b的關系為:a=(2±c)b，其中c為晶格常數失配率，0<c<15%。例如，根據本發明的具 體實施例，稀土氧化物類單晶層可以為(Gdi- xNdx)2〇3,采用含有Gd2〇3和Nd2〇3兩種稀土氧化 物粉末的混合物作為濺射沉積的靶材，即可通過濺射沉積形成與襯底之間具有較好晶格匹 配程度的稀土氧化物類單晶層。靶材中Gd 2〇3以及Nd2〇3的質量比為(7:1)~(5:3)。通過調節 Gd2〇3以及Nd2〇3的質量比在上述范圍內，可以調節形成的類單晶層的晶格常數及其結晶質 量。
[0050] 根據本發明的實施例，類單晶層200是通過濺射沉積形成的。通常，采用濺射的方 法很難形成類單晶結構，一般多形成多晶或無定形結構。發明人經過深入研究以及大量實 驗發現，通過降低濺射速率、提高濺射時襯底溫度等方式，或者通過后續退火處理，改善濺 射形成的稀土氧化物的結晶質量，從而實現利用濺射獲得類單晶結構。由此，可以在保證類 單晶層質量的同時，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 類單晶層200。可以采用磁控濺射沉積或離子束濺射沉積形成類單晶層。發明人經過大量實 驗發現，濺射沉積的速率對形成的稀土氧化物的晶體結構具有重要影響。濺射沉積速度慢 有利于形成類單晶層。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構，形成類單晶層。根據本發明的實施例，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定性，同時消除沉積表面的缺陷及非擇優取向的晶粒，有利于提高 沉積形成的類單晶層200的質量。由此，可以利用脈沖式濺射沉積或者離子束輔助濺射沉積 提高獲得的類單晶層200的結晶質量。
[0051] 根據本發明的實施例，可以在濺射沉積時對襯底進行加熱，使襯底溫度大于400攝 氏度。由此，可以提高類單晶層200的結晶質量。此處襯底的溫度與前面描述的制備半導體 結構的方法中對襯底進行加熱的溫度相同，關于濺射沉積時對襯底進行加熱的溫度，前面 已經進行了詳細的描述，在此不再贅述。或者，根據本發明的另一些實施例，類單晶層200可 以通過濺射沉積和退火處理形成的。在室溫下完成濺射過程，形成稀土氧化物混合體，然后 通過退火處理，改善稀土氧化物混合體的結晶質量，從而可以獲得類單晶層200。根據本發 明的一些實施例，退火處理的溫度可以為600~1200攝氏度。根據本發明的另一些實施例， 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類單晶層的 結晶質量。
[0052]根據本發明的實施例，類單晶層200的（222)晶面的XRD衍射峰的半高寬小于2度。 根據本發明的具體實施例，在對濺射沉積工藝進行優化后，獲得的類單晶層200的XRD衍射 峰的半高寬可以小于1度。由此，可以保證類單晶層200具有較好的結晶質量，從而可以降低 稀土氧化物形成的類單晶層200中的缺陷，有利于提高利用該半導體結構制備的各類半導 體器件的使用功能，并且具有上述類單晶結構的類單晶層200與單晶Si等半導體晶體之間 具有較好的晶格匹配程度，因此采用采用類單晶層200為絕緣介質材料的半導體結構，有利 于在稀土氧化物表面形成半導體晶體，以獲得多層堆疊結構。
[0053] 在本發明的又一方面，本發明提出了一種太陽能電池。根據本發明的實施例，該太 陽能電池包含前面所述的半導體結構。由于該太陽能電池中具有前面描述的半導體結構， 因此該太陽能電池具有前面描述的半導體結構的全部特征以及優點，在此不再贅述。總的 來說，利用前面描述的半導體結構，有利于后續在該結構上通過沉積形成III-V半導體薄 膜，即第三主族至第五主族元素形成的半導體薄膜，如GaAs、GaN等，從而可以降低該太陽能 電池的制備成本，簡化制備工藝，并保證太陽能電池性能。
[0054] 下面通過具體實施例對本發明進行說明，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方法，所采用的試劑和材料均可從商業途徑獲得。其中，生 長設備使用為LAB18磁控濺射儀，透射電子顯微鏡采用JE0L公司的JEM-2010型。
[0055] 實施例1 :Si襯底上生長(Gcb-xNdx)203類單晶層
[0056]采用單晶硅片作為襯底，氧化釹(Nd203)和氧化釓(Gd20 3)粉末的混合物(質量比5: 1)為濺射靶材。硅片除經過標準清洗工藝以外，在入片前還要用10%的氫氟酸最后處理，以 防止在濺射薄膜時再形成自然氧化層影響結晶。
[0057] 選擇濺射功率200W，真空度IE-7torr，濺射氬氣壓lOmtorr，襯底溫度500攝氏度，控 制生長速度30nm/h左右，40分鐘生長20nm左右。獲得類單晶層厚度為20nm〇
[0058] 氧化釹(Nd2〇3)和氧化釓(Gd2〇3)的晶格常數分別為Π .08Α和10 81 A，兩倍的硅晶格 常數為10,86九，應用維加德(Vegard)定律進行計算，得到當Gd2〇3:Nd2〇3質量比5:1時，獲得的 混合晶體的晶格常數大約為10,86 A，并且兩種稀土氧化物物理性質也大體相近，混合晶體 也較穩定。
[0059]對獲得的半導體結構進行X射線衍射(XRD)檢測，參考圖3,在28.5度左右以及69.1 度左右出現了衍射峰，分別對應(GcU-xNdx)2〇3的（222)晶面(2Θ角為28.5度）以及5以400)晶 面(2Θ角為69.1度），其中，（GcU- xNdx)2〇3的（222)晶面衍射峰的半高寬為0.5度。參考圖4,通 過透射電子顯微術測試，稀土氧化物（100)晶面中的單層間距約為10.8,4,與Si襯底的晶格 常數的兩倍相符。在Si襯底以及類單晶層之間，具有一層約3nm的稀土硅酸鹽層界面層，可 以通過退火處理除去。
[0060] 實施例2: Si襯底上生長(Gcb-xNdxhOs類單晶層
[0061]參照實施例1，同樣采用單晶硅片作為襯底，氧化釹(Nd203)和氧化釓(Gd 203)粉末 的混合物(質量比5:1)為濺射靶材。參照實施例1進行濺射沉積，所不同的是，不對襯底進行 加熱，常溫進行濺射生長。隨后，對濺射獲得的半導體結構進行氮氣氛下退火處理，退火溫 度900攝氏度，退火時間8小時。
[0062]退火處理之前，常溫濺射生長獲得具有多晶結構的稀土氧化物，參考圖5，稀土氧 化物部分的透射電子顯微圖像顯示出晶向混亂的多晶，Si襯底以及稀土氧化物之間呈現稀 土硅酸鹽界面層。對獲得的半導體結構進行XRD檢測，參考圖6，只在69.1度左右出現了衍射 峰，對應3丨（1〇〇)晶面(20角為69.1度）。退火處理后，參考圖7 4^)檢測在28.5度左右出現稀 土氧化物(222)晶面對應的衍射峰，其中，該(222)晶面衍射峰的半高寬為0.4度。參考圖8， 通過透射電子顯微術分析，稀土氧化物（100)晶面中的單層間距約為10.8A，與Si襯底的晶 格常數的兩倍相符，且Si襯底以及稀土氧化物之間的稀土硅酸鹽層界面層消失。
[0063]在本說明書的描述中，參考術語"一個實施例"、"一些實施例"、"示例"、"具體示 例"、或"一些示例"等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特 點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不 必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、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合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技 術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 合和組合。
[0064] 盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例 性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述 實施例進行變化、修改、替換和變型。
【主權項】
1. 一種制備半導體結構的方法，其特征在于，包括： (1) 提供襯底，所述襯底的上表面具有單晶結構；以及 (2) 在所述襯底的上表面通過濺射沉積，形成稀土氧化物類單晶層，以便獲得所述半導 體結構。2. 根據權利要求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 進行退火處理，以便獲得所述類單晶層。3. 根據權利要求1或2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。4. 根據權利要求1或2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。5. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述襯底是由上表面為具有單晶結構 的硅材料形成的。6. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物包括：（Gch-xErxhOs、 (Gdi-xNdx)2〇3、（Eri-xNdx)2〇3、（Pri-xLax)2〇3、（Pri-xNdx)2〇3、（Pri- xGdx)2〇3、（Eri-xLax)2〇3 中的一 種或多種，其中x的取值范圍為0-1。7. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述類單晶層的晶格常數a與所述襯底上 表面所述單晶結構的晶格常數b的關系為:a=(2±c)b，其中c為晶格常數失配率， 15%〇8. 根據權利要求2述的方法，其特征在于，所述退火處理的溫度為600~1200攝氏度。9. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟(2)中，所述濺射沉積時襯底溫度 不小于400攝氏度。10. -種半導體結構，其特征在于，包括： 襯底，所述襯底上表面具有單晶結構;和 類單晶層，所述類單晶層形成在所述襯底的上表面，并且所述類單晶層是由稀土氧化 物形成的。11. 根據權利要求10所述的半導體結構，其特征在于，所述襯底是由上表面具有單晶結 構的Si材料形成的，所述稀土氧化物包括：（Gdl-xErx)203、（Gdl-xNdx)203、（Erl-xNdx)203、（P:rl- xLax) 2〇3、（PrxNdx) 2〇3、（PrxGdx) 2〇3、（ErxLax) 2〇3 中的一種或多種，其中 X的取值范圍為Ο-?; 任選地，所述類單晶層的晶格常數a與所述襯底上表面所述單晶結構的晶格常數b的關 系為:a = (2土c)b，其中c為晶格常數失配率，CKc<15%。12. 如權利要求10所述的半導體結構，其特征在于，所述類單晶層(222)晶面的XRD衍射 峰的半高寬小于2度。13. 根據權利要求10所述的半導體結構，其特征在于，所述類單晶層是通過濺射沉積形 成的。14. 根據權利要求10所述的半導體結構，其特征在于，所述類單晶層是通過濺射沉積和 退火處理形成的。15. 根據權利要求13或14所述的半導體結構，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。16. 根據權利要求13或14所述的半導體結構，其特征在于，所述濺射沉積時襯底溫度大 于400攝氏度。17. -種太陽能電池，其特征在于，所述太陽能電池包含權利要求10~16所述的半導體 結構。
【文檔編號】H01L31/18GK106024972SQ201610365955
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】王子巍, 肖磊, 王敬, 梁仁榮, 許軍
【申請人】清華大學