Эпитаксия твердых растворов AIIIBV с микро- и наноструктурой в поле температурного градиента

Кристаллическое совершенство гетероструктур является одним из важнейших факторов, определяющих пригодность пятикомпонентных твердых растворов при применении их в солнечных элементах. Известно, что при гетероэпитаксии большую роль в дефектообразовании играют такие факторы, как: рассогласование периода решетки сопрягающихся материалов; различие в коэффициентах термического расширения; возможность наследования при росте эпитаксиального слоя дефектов подложки, а также влияние градиента состава твердого раствора от толщины слоя. На рисунке 20 приведены результаты исследований зависимости количества дислокаций от состава твердого раствора AlGaInPAs.

Рисунок 20 Зависимость количества дислокаций от состава пятикомпонентного твердого раствора Al_xGa_yIn_(1-x-y)P_zAs_(1-z) (маркерами обозначены экспериментальные данные): 1 - Al_0,3Ga_0,7In₀P₀As₁; 2 - Al_0,36Ga_0,59In_0,05P₀As₁; 3 - Al_0,32Ga_0,68In₀P_0,01As_0,99; 4 и 5 - Al_0,3Ga_0,66In_0,04P_0,09As_0,91

Хорошо видно, что добавление компонентов в соответствующий трех- или четырехкомпонентный твердый раствор уменьшает количество дислокаций, возникающих вследствие релаксации напряжений на гетерогранице. В случае получения ненапряженных ЭС пятикомпонентного твердого раствора желательно использовать подпитку фосфора для компенсации механических напряжений, согласованные по параметру решетки и коэффициенту термического расширения по всей толщине эпитаксиального слоя. При получении «идеальной» гетерокомпозиции основной вклад в дефектообразование в гетероструктурах вносит наследование дефектов из подложки.

Для выбора оптимальной толщины фоточувствительного слоя были проведены исследования, методика которых заключалась в химическом травлении части слоя в каждом образце. На рисунке 21 приведена зависимость токовой чувствительности солнечного элемента от длины волны и толщины эпитаксиального слоя. Из приведенных зависимостей видно, что с уменьшением толщины слоя область фоточувствительности сдвигается в коротковолновую часть спектра. Отметим также, что толщина слоя влияет и на абсолютную величину тока, снимаемого с фотоэлемента, которая увеличивается при уменьшении толщины слоя.

Рисунок 21 Зависимость токовой чувствительности фотоэлемента от длины волны падающего излучения и толщины эпитаксиального слоя: 1 - 14 мкм; 2 - 11 мкм; 3 - 8 мкм; 4 - 6 мкм; 5 - 5 мкм; 6 - 3 мкм; 7 - 0,5 мкм

Были проведены исследования возможности применения недорогих контактных материалов для эффективного собирания носителей заряда с поверхности гетероструктуры. Наилучшие показатели имеются для двух контактов на p-AlGaAs- слое, а именно: хрома и меди (Gr-Cu), а также никеля и меди (Ni-Cu), где контактное сопротивление не превышает 0,23 Ом. Для n-GaAs наименьшее значение контактного сопротивления дает комбинация из двух металлов - ванадия и алюминия (V-Al), где оно равно 0,105 Ом.

Исследования параметров фотоэлектрических преобразователей (рисунок 22, а), полученных на основе МТР гетероструктур А^IIIВ^V, показали, что при увеличении количества компонентов в твердом растворе улучшается эффективность преобразования солнечной энергии (рисунок 22, б).

Рисунок 22 Внешний вид и параметры солнечного элемента, полученного при использовании МТР соединений А^IIIВ^V: а) фотографическое изображение солнечного элемента (20х20 мм), б) вольтамперная характеристика солнечного элемента при АМ 1,5 в зависимости от состава слоя: 1 - Al_0,7Ga_0,3As (з=24,5 %, FF=0,61); 2 - Al_0,,7Ga_0,3P_0,05As_0,95 (з=26,6 %, FF=0,68); 3 - Al_0,7Ga_0,25In_0,05P_z0,1As_0,9 (з=28,3 %, FF=0,71)

Из полученных данных видно, что для четырехкомпонентного твердого раствора AlGaPAs U_хх, I_кз и FF имеют повышенные параметры, в сравнении с этими же параметрами для трехкомпонентного твердого раствора AlGaAs. Величина напряжения холостого хода для AlGaInPAs несколько выше, чем для AlGaPAs. Значения КПД, измеренных солнечных элементов на основе многокомпонентных твердых растворов А^IIIВ^V, указаны на рисунке 22 б.

Результаты, представленные в настоящем разделе, демонстрируют возможности использования пятикомпонентных гетероструктур Al_xGa_yIn_1-x-yP_zAs_1-z, полученных в поле температурного градиента, для использования в высокоэффективных солнечных элементах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые сформулированы с единых позиций технологические основы градиентных методов эпитаксии многокомпонентных гетероструктур соединений A^IIIB^V, где основной движущей силой кристаллизации ЭС МТР является температурный градиент в плоской ростовой зоне. Так, вводится понятие приведенного коэффициента распределения компонентов в газовой фазе, что позволяет использовать математический аппарат зонной перекристаллизации, как в жидкой, так и в газовой зонах.

2. В результате анализа требований к технологическим условиям проведения процесса ГЭ были разработаны:

а) технологическая оснастка, сконструированы и изготовлены графитовые кассеты кругового типа для получения эпитаксиальных гетеро - и наногетероструктур соединений A^IIIB^V;

б) высокоточная цифровая система управления (точность управления температурой и температурным градиентом в статическом режиме составляет 0,1 K, в переходном режиме 1 K) для получения в поле температурного градиента слоев твердых растворов соединений A^IIIB^V.

3. Экспериментально исследована кинетика кристаллизации твердых растворов Al_xGa_(1-x)As, Al_xGa_(1-x)P_yAs_(1-y), Ga_xIn_(1-x)P_yAs_(1-y), Al_xGa_yIn_(1-x-y)P_zAs_(1-z) в зависимости от температуры, температурного градиента, толщины зоны между подложкой и источником, составами зон (жидкой или газовой) в результате было обнаружено:

а) уменьшение скорости роста слоя при повышении концентрации Al и P в ПТР Al_xGa_yIn_(1-x-y)P_zAs_(1-z) во всем интервале исследуемых толщин зон, а повышение концентрации In и Ga увеличивает скорость роста слоя при ГЭ в жидкой фазе;

б) рост скорости ЭС до 80 мкм/ч для всех исследуемых составов МТР при увеличении толщины жидкой зоны (l) до 300 мкм, и уменьшение скорости роста при дальнейшем увеличении толщины жидкой зоны до 4 мкм/ч при l = 450 мкм;

в) уменьшение скорости роста слоя с увеличением Eg источника многокомпонентных твердых растворов соединений А^IIIВ^V, полученных методом химических транспортных реакций в условиях близкого переноса компонентов в газовой фазе;

г) максимальное значение скорости (до 20-30 мкм/ч) переноса веществ бинарных соединений для ГЭ из близко расположенного твердого источника при температуре Т=1040 К для InAs, Т=1055 К для InP, Т=1120 К для GaAs и Т=1170 К для GaP.

4. Впервые получено заданное распределение компонентов в твердых растворах Al_xGa_(1-x)As, Al_xGa_(1-x)P_yAs_(1-y), Ga_xIn_(1-x)P_yAs_(1-y), Al_xGa_yIn_(1-x-y)P_zAs_(1-z) при подпитке раствора-расплава из специально подготовленных источников массопереноса, где была проведена следующая работа:

а) разработан метод формирования жидкой зоны с источником, уменьшающий расход материала и повышающий воспроизводимость получения ЭС, в котором используются специально подготовленные источники - тонкопленочные, многослойные составы для формирования необходимого распределения компонентов в микро- и наноструктурах;

б) экспериментально исследованы зависимости коэффициентов распределения компонентов соединений А^IIIВ^V от состава жидкой зоны и температуры процесса эпитаксии, так было обнаружено снижение значения коэффициента распределения Al вплоть до 0 при повышении концентрации In в жидкой фазе более 70 ат.%, что отличается от теоретических расчетов.

5. Выявлены условия, при которых получаются бездефектные варизонные и каскадные гетероструктуры, и указаны факторы, обеспечивающие формирование заданного размера наноструктур в гетероэпитаксиальных слоях:

а) для формирования материалов с наноструктурами в условиях градиентной жидкофазной эпитаксии необходимо использование сверхтонких жидких зон (толщиной 15 мкм);

б) в условиях газового транспорта в поле температурного градиента толщина зоны может быть значительно больше (до 5 мм) при формировании наноструктур.

6. Разработана физико-математическая модель ГЭ многокомпонентных гетероэпитаксиальных слоев твердых растворов Al_xGa_(1-x)As, Al_xGa_(1-x)P_yAs_(1-y), Ga_xIn_(1-x)P_yAs_(1-y), Al_xGa_yIn_(1-x-y)P_zAs_(1-z) на основе эмпирических зависимостей скорости роста эпитаксиальных слоев, коэффициентов распределения компонентов от состава зоны и температуры.

7. Впервые теоретически обоснована и практически реализована перекристаллизация лазерных гетероструктур в поле температурного градиента с заданным распределением алюминия в активной области твердого раствора Al_xGa_1-xAs, при этом была проведена следующая работа:

а) разработана методика получения сверхтонких линейных жидких зон;

б) исследованы металлы-растворители, с помощью которых реализован процесс перекристаллизации при температуре, не превышающей 1023 K и толщине жидкой зоны не более 15 мкм (в качестве растворителя использовался висмут).

8. С помощью технологии ГЭ в жидкой и газовой средах получены:

а) гетероструктуры на подложке GaAs ориентации (100) Al_xGa_1-xAs/GaAs c x 0,7; Al_xGa_1-xP_yAs_1-y/GaAs с х 0,35; y 0,15; Al_xGa_yIn_1-x-yP_zAs_1-z/GaAs с х 0,35; y 0,9 и z 0,12, которые можно использовать в качестве фоточувствительных элементов оптоэлектронных устройств в диапазоне 0,8 1,4 мкм;

б) наноструктуры твердых растворов GaP_xAs_(1-x), Ga_xIn_(1-x)P_yAs_(1-y), Al_xGa_yIn_(1-x-y)P_zAs_(1-z) в поле температурного градиента в жидкой и газовой зонах, размеры (20ч300 нм) которых соответствуют расчетным данным.

9. Получены солнечные элементы на основе твердых растворов Al_0,7Ga_0,3As с з=24,5 %, Al_0,,7Ga_0,3P_0,05As_0,95 с з=26,6 %, Al_0,7Ga_0,25In_0,05P_z0,1As_0,9 с з=28,3 %, подтверждающие рост эффективности при увеличении числа компонентов в полупроводниковом материале соединений А^IIIВ^V.

Основные положения и выводы диссертации достаточно полно отражены в следующих работах автора

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Многокомпонентные гетероструктуры А^IIIВ^V на Si-подложках / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Электронная техника. Сер. Материалы. 1991. Вып. 3 (275). С. 19 - 21.

2. Пат. 2032776 RU: МКИ C 30 B 19/04, 29/40. Способ получения широкозонного окна в лазерной гетероструктуре на основе соединений А^IIIВ^V и их твердых растворов / Л. С. Лунин, Г. Т. Пак, М. Ш. Кобякова, И. А. Сысоев. Заявл. 03.04.1992 ; опубл. 10.04.1995, Бюл. №10.

3. Пат. 2064541 RU: МПК C 30 B 19/04, 29/40. Способ получения гетероструктур на основе полупроводниковых соединений / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин, И. А. Сысоев. Заявл. 04.08.91 ; опубл. 07.27.96.

4. Исследование возможности получения непоглощающих окон в двойных гетероструктурах методом ЗПГТ / Л. С. Лунин, А. В. Благин, И. А. Сысоев [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1999. № 1. С. 61 - 66.

5. Твердые растворы GaP<Bi> и GaAsP<Bi>, полученные в поле температурного градиента / Д. Л. Алфимова, А. В. Благин, Л. С. Лунин, И. А. Сысоев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1999. № 4. С. 62 - 63.

6. Особенности кристаллизации и морфология эпитаксиальных пленок GaInSbBi / Д. Л. Алфимова, А. В. Благин, Л. В. Благина, И. А. Сысоев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2001. № 3. С. 82 - 85.

7. Совершенствование технологических условий жидкофазной эпитаксии многокомпонентных гетероструктур электронной техники / И. А. Сысоев [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003. Спецвыпуск. С. 51 - 52.

8. Новые возможности ионно-лучевых технологий в задачах получения оптоэлектронных устройств на основе многокомпонентных соединений А^IIIВ^V / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003. Спецвыпуск. С. 53 - 54.

9. Сысоев, И. А. Влияние состава жидкой фазы и температуры на коэффициенты распределения в твердых растворах AlGaInPAs, полученных методом зонной перекристаллизации градиентом температуры / И. А. Сысоев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. Спецвыпуск. С. 58 - 60.

10. Программная реализация ПИД-регулятора для управления процессом ЗПГТ / И. А. Сысоев [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. Спецвыпуск: Математическое моделирование и компьютерные технологии. С. 19 - 21.

11. Физика кристаллизации эпитаксиальных пленок GaInAs<Bi>/InAs в поле температурного градиента и исследование их поверхности / А. В. Благин, В. В. Кодин, Л. С. Лунин, М. Л. Лунина, И. А. Сысоев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2008. № 6. С. 32 - 36.

12. Техника градиентной эпитаксии полупроводниковых гетероструктур электронной техники: монография / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.]. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ, 2008. 160 с.

13. Сысоев И. А. Солнечные батареи на основе каскадных фотоэлектрических преобразователей, полученные с помощью градиентной кристаллизацией из жидкой фазы / И. А. Сысоев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 6. С. 32 - 36.

Прочие публикации

1. Лунин, Л. С. Исследование дефектов в варизонных гетероструктурах GaSb-Al_xGa_(1-x)Sb, GaSb-Al_xGa_(1-x)Sb_yAs_(1-y), выращенных методом зонной перекристаллизации градиентом температуры / Л. С. Лунин, Т. А. Аскарян, И. А. Сысоев // Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах / Тезисы докладов IV конференции. Ч. I. Минск, 1986. С. 144.

2. Свойства широкозонных твердых растворов соединений А^IIIВ^V, полученных методом зонной перекристаллизации градиентом температуры / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин, В. И. Ратушный, Т. А. Аскарян, И. А. Сысоев // Физика и технологии широкозонных полупроводников / Тезисы докладов III совещания. Махачкала, 1986. С. 201.

3. Особенности роста пятикомпонентных твердых растворов Al_xGa_yIn_(1-x-y)P_zAs_(1-z) на подложках арсинида галлия из раствора-расплава с подпиткой / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин, И. А. Сысоев, Ю. И. Алексенко // Рост кристаллов / Тезисы докладов 7 конференции. Т. II. М., 1988. С. 334 - 335.

4. Кристаллическое совершенство и оптические свойства многослойных пятикомпонентных гетероструктур соединений А^IIIВ^V / Л. С. Лунин, О. Д. Лунина, В. А. Овчинников, В. И. Ратушный, И. А. Сысоев // Физические основы твердотельной электроники / Тезисы докладов I конференции. Т. А. Ленинград, 1989. С. 210 - 211.

5. Разработка способа выращивания и исследования гетероструктур многокомпонентных твердых растворов А^IIIВ^V / Л. С. Лунин, О. Д. Лунина, И. А. Сысоев [и др.] // Отчет о НИР N 4170. Новочеркасск, 1989. 144 c.

6. Фазовые равновесия в пятикомпонентной гетеросистеме GaAs/InxAl_yGa_(1-x-y)P_zAs_(1-z), моделирование и эксперимент / Л. С. Лунин, Т. А. Аскарян, И. А. Сысоев [и др.] // Физико-химические свойства многокомпонентных полупроводниковых систем. Эксперимент и моделирование / Тезисы докладов семинара. Одесса, 1990. С. 36 - 38.

7. Стабилизация шестикомпонентных полупроводников А^IIIВ^V COMPAUNDS / L. S. Lunin, O. D. Lunina, V. A. Ovchinnikov, E. P. Kravchenko, I. A. Sysoev // EIGHTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON TERNARY AND MULTINARY COMPAUNDS. Kishinev, 1990. P. 121.

8. Многокомпонентные гетероструктуры А^IIIВ^V на Si-подложках / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах / Тезисы докладов V конференции. Т. II. Калуга, 1990. С. 41 - 42.

9. Пятикомпонентные твердые растворы соединений А^IIIВ^V в фотоэлектронике / Л. С. Лунин, О. Д. Лунина, И. А. Сысоев [и др.] // Фотоэлектрические явления в полупроводниках / Тезисы докладов II научной конференции. Ашхабад, 1991. C. 196 - 197.

10. Исследование возможности создания непоглощающих окон (зеркал) в ДГС методом зонной перекристаллизации градиентом температуры / Л. С. Лунин, О. Д Лунина, В. И. Ратушный, Т. А. Аскарян, В. А. Овчинников, И. А. Сысоев // Отчет о НИР N 4447/410. Новочеркасск, 1991. 56 c.

11. Выращивание пяти- и шестикомпонентных твердых растворов А^IIIВ^V в поле температурного градиента / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин, О. Д. Лунина, В. А. Овчинников, И. А. Сысоев, Т. А. Аскарян // Электронные материалы / Тезисы докладов конференции. Новосибирск, 1992. С. 103 - 104.

12. Сысоев, И. А. Получение эпитаксиальных твердых растворов AlGaAs, GaInAs, AlGaSb, InAsSb, GaAsSb, GaInSb на подложках GaAs, GaSb, InAs методом ЗПГТ / И. А. Сысоев, А. Г. Шевченко, А. Ю. Смолин // Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века / Материалы междунар. науч.-техн. конф. 8 - 11 сентября 1998 г. Т. 3. Вып. 6. Севастополь - Донецк, 1998. С. 271 - 274.

13. Сысоев, И. А. Получение методом ЗПГТ варизонных слоев SixGe_(1-х) для производства многослойных солнечных элементов на кремниевых подложках / И. А. Сысоев, А. Ю. Смолин // Новые материалы и технологии НМТ-98 / Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. Москва, 7 - 18 ноября 1998 г. М.: ЛАТ МЭТ, 1998. С. 294.

14. Кинетика роста многокомпонентных твердых растворов соединений А^IIIВ^V на основе арсенида галлия / В. И. Ратушный, И. А. Сысоев [и др.] // Физические процессы в неупорядоченных полупроводниковых структурах / Междунар. конф. Ульяновск: Изд-во УлГУ, 1999. С. 22.

15. Сысоев, И. А. Получение эпитаксиальных слоев GaAs на Ge-подложках методом близкого переноса / И. А. Сысоев, А. Ю. Смолин // Оптика полупроводников / Междунар. конф. Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2000. С. 163.

16. Сысоев, И. А. Применение ионно лучевой технологии для получения тонкопленочных солнечных элементов / И. А. Сысоев, А. Ю. Смолин, Э. В. Олива // Тонкие пленки в электронике: сб. докл. 12-го Междунар. симп. Харьков: ИПЦ «Контраст», 2001. С. 363 - 366.

17. Сысоев, И. А. Перспективы получения наноструктур методом ионно-локального осаждения / И. А. Сысоев, А. А. Марченко, М. В. Письменский // Кристаллизация в наносистемах: сб. тез. Междунар. науч. конф. Иваново, 2002. С. 57.

18. Сысоев, И. А. Измерение сигналов с термопар и резистивных мостовых датчиков и представление их в цифровой форме / И. А. Сысоев, Р. П. Велиев // Сборник научных трудов ВИ ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. С. 34 - 37.

19. Система управления температурным режимом технологического процесса получения полупроводниковых материалов методом градиентной жидкофазной кристаллизации / И. А. Сысоев [и др.] // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники / Девятая междунар. науч.-техн. конф. Дивноморское, Россия. 12 - 17 сентября 2004 г. Ч. 1. Таганрог, 2004. С. 10 - 13.

20. Особенности технологии получения солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaPAs/GaAs с использованием метода ГЖК / И. А. Сысоев [и др.] // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники / Девятая междунар. науч.-техн. конф. Дивноморское, Россия. 12 - 17 сентября 2004 г. Ч. 1. Таганрог, 2004. С. 247 - 248.

21. Сысоев, И. А. Моделирование получения наноразмерных гетероструктур на основе А^IIIВ^V / И. А. Сысоев, А. А. Марченко // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии / IV Междунар. науч. конф. Кисловодск, Россия. 19 - 24 сентября 2004 г. Ставрополь: СевКавГТУ, 2004. С. 209 - 211.

22. Obtaining features of photo diodes and solar elements on the basis of AlGaAs/GaAs nanostructures by a zone temperature gradient recrystallization method = Особенности формирования фотодиодов и солнечных элементов на основе наноструктур AlGaAs/GaAs методом зонной перекристаллизации градиентом температуры / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // International Scientific Colloquium. 11 - 15 September 2006. Ilmenau: Technische Universitat Ilmenau. P. 301 - 302.

23. Формирование непоглащающих окон в двойных лазерных гетероструктурах методом градиентной жидкофазной кристаллизации / И. А. Сысоев [и др.] // Нанотехнологии-производству - 2006: тез. докл. конф. Фрязино. 29 - 30 ноября - М.: ЯНУС - К, 2006. С. 151 - 152.

24. Фотопреобразователи на основе субмикронных слоев AlGaPAs/GaAs, полученных методом градиентной жидкофазной кристаллизации / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: тез. докл. VII междунар. научн. конфер. 17 - 22 сентября 2007 г. Кисловодск - Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. C. 144 - 145.

25. Рост и морфология тонких эпитаксиальных пленок GaInAs<Bi>/InAs, выращенных в поле температурного градиента / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Кинетика механизм кристаллизации. Кристаллизация для нанотехнологий, техники и медицины / Тез. докл. V междунар. научн. конфер. 23 - 26 сентября 2008 г. Иваново, 2008. C. 154.

26. Изопараметрические линии пятикомпонентного твердого раствора AlGaInAsP/GaAs / И. А. Сысоев [и др.] // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. ISSN 1991-3087, подписн. индекс 42457. 2009. № 2, февраль.

Размещено на Allbest.ru