[发明专利]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

说明书

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。

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。