Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие электронной техники в настоящее время связано с разработкой эффективных и вместе с тем недорогих технологий получения совершенных полупроводниковых материалов и приборов на их основе. В частности, недостаточная конкурентоспособность солнечной энергетики на рынке источников электроэнергии связана с высокой себестоимостью приборов и очень низкой эффективностью.
В солнечной энергетике заметную роль играют такие материалы как кремний и арсенид галлия. На основе кремния изготавливают плоскопанельные солнечные батареи большой площади. В свою очередь, высокий коэффициент преобразования элементов на основе арсенида галлия позволяет достичь таких же эксплуатационных параметров на значительно меньшей площади. Но распространение арсенид галлиевых солнечных батарей ограничено высокой себестоимостью их изготовления. Ее снижение автор видит в получении активных слоев GaAs на кремниевых подложках. Возможность выращивания структурно-совершенных пленок полярных полупроводников АЗВ5, в частности GaAs, на неполярных подложках кремния позволит решить проблему технологического совмещения оптоэлектронных приборов на основе АЗВ5 с кремниевой технологией. Возникающие при выращивании таких гетероструктур технологические трудности связаны главным образом с различием параметров решеток кремния (0,54282 нм) и GaAs (0,5653 нм). Во время непосредственного получения пленок GaAs на кремнии возникает большое количество структурных несовершенств в объеме слоя, значительно снижающих эффективность приборов на своей основе. Автором предлагается использовать в качестве промежуточных буферных слоев варизонные пленки твердого раствора SixGei.x с постепенным увеличением содержания германия по мере удаления от поверхности подложки. При отработке технологии получения такой структуры появляются перспективы создания высокоэффективных солнечных элементов, в том числе двухкаскадных на базе AlxGai.xAs/GaAs/Ge/SixGei.x/Si. Высокоэффективные фотопреобразователи на основе GaAs/Ge могут стать также основой для серийного изготовления матричных фотоанализаторов линейно поляризованного излучения, а также гетеробиполярных транзисторов.
Широкое распространение упомянутых гетероструктур связано с использованием недорогих методов их изготовления. Для выращивания варизонных слоев твердого раствора SixGei.x на подложках кремния автором предлагается использовать метод зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ). Метод ЗПГТ характеризуется малым пересыщением на фронте кристаллизации, высокой изотермичностью и низкими значениями концентрационного переохлаждения, что позволяет выращивать
совершенные эпитаксиальные слои, как варнзонные, так и однородные по составу [1]. Для получения пленок GaAs на германиевом слое предлагается использовать метод близкого переноса, который позволяет получать высокочистые качественные гетероструктуры с резкой гетерограницей [2]. Ранее [3] показано, что достижение высокой эффективности арсенид галлиевых солнечных элементов невозможно без использования широкозонных окон из твердого раствора AlxGai.xAs. Для их получения с точки зрения дешевизны целесообразно выбрать метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) из ограниченного объема раствора-расплава. К началу настоящей работы в литературе имелась информация лишь о теоретическом исследовании гетероструктур AlxGai.xAs/GaAs/Ge/Si^GeiVSi. Поэтому диссертационная работа, где предлагается исследование основных этапов их изготовления, является актуальной и представляет практический интерес.
Цель н задачи исследований
Целью работы является разработка технологии получения солнечных элементов на базе многослойных гетероструктур AlxGaLxAs/GaAs/Ge/SUGebx/Si.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование возможности использования многослойных
гетероструктур AlxGai.xAs/GaAs/Ge/SixGei.x/Si в качестве солнечных
элементов.
-
Расчет фазовых равновесий в гетеросистеме Si-Ge-Sn.
-
Определение механизмов, лежащих в основе роста слоев GaAs в методе близкого переноса, и температуры, при которых достигаются максимальные скорости выращивания.
-
Разработка технологии выращивания варизонных слоев твердого раствора SixGei.x на кремниевых подложках.
5. С использованием газофазных методов разработка технологии
выращивания пленок GaAs на германии.
6. Выбор технологии и разработка методики выращивания
варизонных слоев твердого раствора AlxGa|.xAs на арсеннде галлия.
7. Исследование структурного совершенства полученных
гетероструктур.
Научные положения, выносимые да защиту
-
Предложенная модель в системе фазовых равновесий Si-Ge-Sn, основанная на аппроксимации квазихимического приближения регулярных растворов, позволяет определить исходные данные для получения эпитаксиальных слоев.
-
Термодинамический анализ метода близкого переноса определил химические реакции, лежащие в основе синтеза GaAs при температуре -1200 К.
3. Реализованный метод ЗПГТ с подпиткой го поликристаллического
источника и параллельным принудительным охлаждением позволил
получить эпитаксиальные слои Ge на положках Si с буферной зоной из
варизонного твердого раствора SixGei.v Исследована зависимость ширины
буферной зоны от состава источника и скорости охлаждения.
4. Использование монокристаллического источника в методе
близкого переноса всегда приводит к формированию на поверхности
получаемых слоев GaAs трех характерных областей: пирамидальной,
зеркальной и с множественными ямками травления. При температуре
выращивания 1100 К сохраняется резкая металлургическая граница и
достигается удовлетворительное морфологическое качество слоев.
Научная новизна:
- проведено моделирование солнечных элементов на базе
многослойных гетероструктур AlxGabxAs/GaAs/Ge/SixGe^/Si.
- введены расчетно-экспериментальные поправки, позволившие
использовать методы теории регулярных растворов для расчета фазовых
диаграмм системы Si-Ge-Sn в диапазоне температур 950-1150 К.
на основе термодинамического анализа метода близкого переноса прішеніггельно к выращиваншо GaAs определено, что при температуре около 1200 К скорость роста слоев достигает максимальных значений.
разработана методика получения варизонных твердых растворов SixGe].x, включающая в себя следующие этапы: травление подложки в жидком олове, метод ЗПГТ с использованием принудительного охлаждения и последующий термический отжиг.
установлено, что варьированием температуры при выращивании слоев GaAs на германии методом близкого переноса возможно достижение высокой монокрисгалличности эпитаксиальных слоев и резкой металлургической границей.
Практическая ценность
Рассмотрено практическое использование многослойных гетероструктур AlxGa).xAs/GaAs/Ge/SixGe,.x/Si, разработан технологический цикл их получения. Разработана методика выращивания эпитаксиальных слоев германия на кремниевых подложках с буферной зоной из варизонного твердого раствора SixGei.x. Исследована возможность использования метода близкого переноса для изготовления активных слоев в солнечных элементах. Разработана соответствующая технологическая оснастка для реализации каждого метода. Даны рекомендации по проведению конечной стадии изготовления высокоэффективных солнечных элементов на базе многослойных каскадных гетероструктур AlxGa^xAs/GaAs/Ge/SixGei.x/Si.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах лаборатории физики полупроводников ВИ ЮРГГУ, ВНИИ Неорганических материалов, Научной конференции ХХП-е Гагаринские чтения (г. Москва, 1996 г.), Международной научно-технической конференции «Молодая наука - новому тысячелетию» (г. Наб. Челны, 1996 г.), VII межнациональном совещании «радиационная физика твердого тела» (г. Севастополь, 1997 г.), 2-го Российского симпозиума «Процессы тепломассопереноса и рост монокристаллов и тонкопленочных структур» (г. Обнинск, 1997 г.), международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии машиностроения и современность» (г. Севастополь, 1997 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-98» (г. Москва, 1998 г.), 6-й международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (г. Таганрог, 1999 г.).
Публикации н вклад автора
