Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Кристаллы можно получить также методом химического осаждения из паровой фазы или выращивая их из раствора. Эти способы наиболее распространены при изготовлении солнечных элементов на основе GaAs.
Примеси S, Se, Те, Sn, Sn, Si, С и Ge являются мелкими донорами, a Zn, Be, Mg, Cd, Si, Ge и С — мелкими акцепторами в GaAs. Элементы
IV группы периодической таблицы С, Si, Ge и Sn — амфотерны в GaAs, их электрическая активность в кристалле зависит от условий выращивания. Например, при температуре около 900°С атомы Ge замещают атомы As в узлах кристаллической решетки и проявляют себя как акцепторная примесь. Вблизи температуры плавления атомы Ge замещают Ga и ведут себя как доноры. Атомы Zn летучи и быстро диффундируют в кристалле, поэтому с их помощью несложно создать диффузионный переход, однако среди наиболее распространенных акцепторных примесей наиболее высокие времена жизни неравновесных носителей получены при легировании атомами Ge и Be. Наилучшей донорной примесью, по-видимому, является Те. Из-за низких коэффициентов диффузии атомов Ge и Те их вводят не после, а в процессе выращивания слоев. Как следует из рис. 5.2, электрическая активность легирующих примесей, как правило, снижается с ростом концентрации А1 и AlGaAs.
Рекомбинационные центры в GaAs создают те же атомы, что и в Si (Cr, Fe, Ni, Си и Ag), но, кроме того, еще и кислород.
Соединения AlxGi_xAs отвечают требованиям подходящего партнера GaAs, позволяя в значительных пределах изменить ширину запрещенной
196
0,5b 0,55 0,5Б 0,57 0,58 0,59 0,6 0,6t 0,62 0,63 а0,нм
Рис. 5.3. Связь между шириной запрещенной зоны Eg и параметром кристаллической решетки а0 для различных двойных и тройных соединений элементов III н V групп периодической таблицы. Ширина запрещенной зоны в случае прямых переходов показана сплошной линией, для непрямых переходов - штриховой
зоны при изготовлении гетероструктуры, а кроме того, имеет очень близкий к GaAs параметр кристаллической решетки (несоответствие параметров решеток между AlAs и GaAs составляет всего лишь 0,16%). Методы выращивания слоев AlGaAs позволяют создавать чистые границы раздела. На рис. 5.3 показана связь между шириной запрещенной зоны и параметром решетки соединений из элементов А1, Ga, In, Р, As и Sb. При х — 0,44 ширины запрещенных зон в AlxGai_xAs для прямых и непрямых переходов совпадают; при более высоких значениях х ширина запрещенной зоны для непрямых переходов в тройных соединениях меньше (см. рис. 3.9).
5.2.2. Изготовление слоев методами жидкофазной эпитаксии и химического осаждения из паровой фазы
Выращивание сложных структур методом жидкофазной зпитаксии основано на растворении As в расплавах галлия и сплава AlGa и последующем осаждении слоев AlxGa!_xAs на кристаллическую подложку, определяющую кристаллографическую ориентацию слоев1. Установку для выращивания, схема которой показана на рис. 5.4, изготавливают из высокочистых графита и кварца, а само выращивание осуществляют в среде высокочистого Н2. Верхняя часть пенала установки, содержащая расплав Ga, скользит вдоль нижней части пенала, содержащей подложку и источник GaAs. После насыщения расплава при Г — 900°С путем выдержки над источником GaAs верхнюю часть пенала перемещают до совмещения расплава с подложкой и температуру снижают со скоростью
0,1—0,5°С/мин. Зависимость растворимости As в жидком галлии от тем-
1 Методу жидкофазной эпитаксии посвящен обзор Даусона [Dawson, 1972].
197
Графитовая Расплав GaAs крышка Расплав
, ту—,
Источник Z Подпожка Источник 1
Исходное состояние а)
J~L#J *2 #7
_____J.J^'w U W~I .
I I
Выращивание слоя Са As *5>|
Грвщ о _____________________________!
Выращивание споя .AlGaAs
Рис. 5.4. Схема установки для выращивания слоев методом жидкофазной эпитаксии и временное изменение температуры на различных стадиях осаждения слоев GaAs и AlGaAs. Установка помещена в кварцевую трубу, через которую пропускают поток очищенного газа Н2 при атмосферном давлении
пературы имеет вид, показанный на рис. 5.5, Этим методом получены скорости выращивания слоев 0,1—0,5 мкм/мин. В процессе выращивания относительно большой объем Ga является стоком для сегрегированных примесей. Поскольку рост слоев происходит в почти равновесных условиях, выращиваются эпитаксиальные спои очень высокого качества. С целью стабилизации роста иногда по нормали к фронту кристаллизации создают температурные градиенты с помощью устройств охлаждения. В этом случае слои однородны по толщине и не образуются дефектные бугорки.
Поскольку процесс проводят в установке, содержащей С, Si02 и Н2, электропроводность слоев зависит от температуры при выращивании и электрической активности атомов С, являющихся амфотерной примесью в GaAs. Парциальное давление кислорода должно быть как можно меньше, так как атомы кислорода создают эффективные рекомбинационные центры в GaAs.
На ранней стадии выращивания в ряде случаев создают условия для небольшого стравливания поверхности подложки GaAs с целью обеспе-
198
Рис. 5.5. Растворимость As в жидком галлии [Shen./ California, Stanford. Thesis, Dep. Electr. Eng., 1976]
