一種單晶硅襯底鍺外延薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種單晶硅襯底鍺外延薄膜的制備方法，所述方法包括如下步驟：(1)以單晶硅片為襯底；(2)在單晶硅片襯底拋光面上利用磁控濺射方法沉積一層石墨過渡層，石墨過渡層厚度為20-100nm；(3)在石墨過渡層上利用化學(xué)氣相沉積的方法制備鍺薄膜，厚度為20-100μm。本發(fā)明的方法將石墨作為硅和鍺之間的過渡層，不僅可以消除硅和鍺之間的晶格失配，還可以減小由于熱膨脹系數(shù)不匹配造成的鍺薄膜質(zhì)量的下降，降低鍺薄膜的缺陷密度。本發(fā)明的方法利用磁控濺射方法、化學(xué)氣相沉積法制備出鍺薄膜，用于后續(xù)多節(jié)疊層電池的制作，大幅度的降低多節(jié)太陽能電池的生產(chǎn)成本，提高太陽能電池的效率。
【專利說明】一種單晶硅襯底鍺外延薄膜的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鍺外延薄膜制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用磁控濺射方法和化學(xué)氣 相沉積方法在單晶硅襯底上制備鍺薄膜的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，在高效疊層太陽電池的研制中，由元素周期表中III族元素與V族元素組 成的III-V族太陽能電池得到了極大的青睞。其中，在鍺單晶襯底上生長的三結(jié)太陽電池 Ge\GaInAs\GaInP具有最高的光電轉(zhuǎn)換效率，在標(biāo)準(zhǔn)太陽光強（AM1.5)下其轉(zhuǎn)換效率已達 到35 %，在聚光條件下其轉(zhuǎn)換效率已超過42 % (AM1. 5,454倍聚光）。但是由于鍺是典型的 烯散金屬，全世界可供開采的鍺資源比較匱乏，價格昂貴，因此三結(jié)太陽電池的應(yīng)用受到限 制。
[0003] 硅在地殼中儲量豐富，其各項性能研究與生產(chǎn)技術(shù)已非常成熟，廣泛應(yīng)用于太陽 電池領(lǐng)域和微電子領(lǐng)域。因此，為了降低多結(jié)高效太陽電池的成本和解決鍺材料匱乏的問 題，可以在單晶娃襯底上外延鍺薄膜，再制備出Si\Ge\GaInAs\GaInP多節(jié)太陽能電池，這 樣既能減小鍺原料的使用量，又能降低太陽電池的成本。然而，由于硅和鍺的晶格常數(shù)不 同，直接在硅上外延鍺會出現(xiàn)較多的晶體缺陷，因此很難生長出鍺外延層。
[0004] 石墨材料具有低成本、熱膨脹系數(shù)與硅相近、耐高溫、同時可用作摻雜元素及電極 材料等優(yōu)點。因此，將石墨作為硅和鍺之間的過渡層，即在單晶硅襯底上先沉積一層石墨薄 膜后再外延鍺薄膜，不僅可以消除硅和鍺之間的晶格失配，還可以減小由于熱膨脹系數(shù)不 匹配造成的鍺薄膜質(zhì)量的下降，降低鍺薄膜的缺陷密度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種在單晶硅襯底上沉積制備鍺薄膜的方法。
[0006] 為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，技術(shù)方案如下：
[0007] -種單晶硅襯底鍺外延薄膜的制備方法，包括如下步驟：
[0008] (1)以單晶硅片為襯底；
[0009] (2)在單晶硅片襯底拋光面上沉積一層石墨過渡層；
[0010] (3)在石墨過渡層上利用化學(xué)氣相沉積的方法制備鍺薄膜。
[0011] 所述單晶硅襯底為單面拋光或雙面拋光的開盒即用型單晶硅片，厚度為 160-400 μ m〇
[0012] 步驟（2)中采用磁控濺射的方法在單晶硅襯底上沉積石墨過渡層，沉積溫度為 300-800。。。
[0013] 所述石墨過渡層厚度為20-100nm。
[0014] 步驟（3)中采用化學(xué)氣相沉積的方法制備鍺薄膜，沉積溫度為1000-1200°C。
[0015] 鍺薄膜厚度為20-100 μ m。
[0016] 本發(fā)明的方法將石墨作為硅和鍺之間的過渡層，由于石墨是單分子層結(jié)構(gòu)，在 單晶硅襯底上生長一層石墨過渡層對鍺薄膜的生長有一定的外延誘導(dǎo)作用，因此生長出 的鍺薄膜表面更加平整，表面粗糙度大大降低。過渡層的存在有效的遏制了單晶硅襯底 和鍺薄膜之間的晶格失配，位錯密度大大降低，而且由于石墨過渡層極薄，鍺薄膜也只有 20-100 μ m，有利于與其他光電器件集成。整個制備過程工藝簡單，可以減少太陽電池制備 的時間，節(jié)約能耗，降低成本，提高太陽電池的整體效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為在單晶硅片襯底上制備鍺薄膜的過程示意圖。
[0018] 圖2為鍺薄膜AFM掃描圖。
[0019] 圖3為鍺薄膜AFM三維顯示圖。

【具體實施方式】
[0020] 為了進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明作進一步 的說明。
[0021] 本發(fā)明一種以單晶硅為襯底沉積制備鍺外延薄膜的方法和技術(shù)。本發(fā)明利用磁控 濺射方法在單晶硅襯底上，沉積石墨過渡層，再利用化學(xué)氣相沉積方法在石墨過渡層上沉 積一定厚度的鍺薄膜，制備出以石墨為過渡層的單晶硅襯底鍺薄膜。
[0022] 如圖1所示，一種單晶硅襯底鍺外延薄膜的制備方法，包括如下步驟：
[0023] 步驟1 :以單晶硅片為襯底，硅片單面拋光或雙面拋光；
[0024] 步驟2 :在單晶硅片襯底拋光面上利用磁控濺射方法沉積一層石墨過渡層，石墨 過渡層厚度為20-100nm ;
[0025] 步驟3:在石墨過渡層上利用化學(xué)氣相沉積的方法制備鍺薄膜，厚度為 20-100 μ m。
[0026] 實現(xiàn)發(fā)明的最好方式
[0027] 1、實現(xiàn)發(fā)明的主要設(shè)備：磁控濺射設(shè)備和化學(xué)氣相沉積設(shè)備。
[0028] 2、根據(jù)制備工藝，并根據(jù)生長設(shè)備的個體情況進行適當(dāng)調(diào)整，如單晶硅片的選擇， 源的純度，沉積薄膜的溫度、時間、功率、氣體流量等。工藝參數(shù)、薄膜厚度等。
[0029] 實施例1
[0030] 步驟1 :以單晶硅片為襯底，硅片單面拋光或雙面拋光；
[0031] 步驟2 :在單晶硅片襯底拋光面上利用磁控濺射方法沉積一層石墨過渡層，石墨 過渡層厚度為50nm ;
[0032] 步驟3 :在石墨過渡層上利用化學(xué)氣相沉積的方法制備鍺薄膜，厚度為80 μ m。
[0033] 原子力顯微鏡分析（如圖2-3所示）表明，在高溫條件下，在石墨過渡層上生長鍺 薄膜時，成膜粒子在石墨表面遷移率較大，易于形成表面光滑平整的鍺薄膜，表面粗糙度僅 為0. 638nm。Sq(Root Mean Square)為表面形貌相對于基準(zhǔn)面的均方根粗糙度。
[0034] X射線衍射數(shù)據(jù)分析表明，薄膜樣品展現(xiàn)了非常明顯的鍺薄膜衍射峰，且其半高寬 非常小，呈現(xiàn)高度的擇優(yōu)取向。說明鍺薄膜已經(jīng)晶華，大大有利于后續(xù)多節(jié)電池在其上的合 成。
[0035] 實施例2
[0036] 步驟1 :以單晶硅片為襯底，硅片單面拋光或雙面拋光；
[0037] 步驟2 :在單晶硅片襯底拋光面上利用磁控濺射方法沉積一層石墨過渡層，石墨 過渡層厚度為70nm ;
[0038] 步驟3 :在石墨過渡層上利用化學(xué)氣相沉積的方法制備鍺薄膜，厚度為100 μ m。
【權(quán)利要求】
1. 一種單晶硅襯底鍺外延薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 以單晶娃片為襯底； (2) 在單晶硅片襯底拋光面上沉積一層石墨過渡層； (3) 在石墨過渡層上利用化學(xué)氣相沉積的方法制備鍺薄膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述單晶硅襯底為單面拋光或雙面 拋光的開盒即用型單晶硅片，厚度為160-400 μ m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（2)中采用磁控濺射的方法在單 晶硅襯底上沉積石墨過渡層，沉積溫度為300-800°C。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述石墨過渡層厚度為20-100nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（3)中采用化學(xué)氣相沉積的方法 制備鍺薄膜，沉積溫度為1000-1200°C。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，鍺薄膜厚度為20-100 μ m。
【文檔編號】C30B25/02GK104157730SQ201410352977
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】陳諾夫, 牟瀟野, 楊博, 辛雅焜, 吳強, 弭轍, 付蕊, 劉虎, 仲琳, 白一鳴, 高征, 劉海 申請人:華北電力大學(xué)