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Aug 13, 2023
AlのアニールによるSiGe膜のエピタキシャル成長
Scientific Reports volume 12、記事番号: 14770 (2022) この記事を引用 1785 アクセス 1 引用 22 Altmetric Metrics の詳細 シンプルで低コストの非真空エピタキシャル成長法
Scientific Reports volume 12、記事番号: 14770 (2022) この記事を引用
1785 アクセス
1 引用
22 オルトメトリック
メトリクスの詳細
結晶シリコン上に大面積の半導体を実現するための、シンプルで低コストの非真空エピタキシャル成長法は、さまざまな用途にとって革新的なものとなるでしょう。 たとえば、高コストのゲルマニウム基板をSi上のシリコンゲルマニウム（SiGe）に置き換えることができれば、大規模なIII-V族多接合太陽電池のコストに破壊的な効果が期待できます。 SiGe エピタキシャル成長については、スクリーン印刷とその後のアニーリングに独自の Al-Ge ペーストを使用するプロセスの開発を試みました。 各粒子の組成が均一な Al-Ge 合金ペーストと Al-Ge 混合ペーストの 2 つのペーストを比較します。 我々は、Al-Ge 合金ペーストが残留ペーストのはるかに少ない、より平坦な SiGe 膜を形成できることをその場観察によって裏付けられたことを明らかにしました。 合金化ペーストの均一かつ十分な溶解がこれらの原因となり、500 °C でのアニーリングにより平均 Ge 組成が向上します。 SiGe の組成は、最上面で最大約 90% まで垂直方向に傾斜していました。 これらの結果は、Si上にAl-Ge合金ペーストを印刷して焼成することが、SiGeのエピタキシャル成長にとって望ましい、簡単かつ高速なプロセスであり、III-V族半導体と格子整合する仮想基板として使用できる可能性があることを示している。
結晶シリコン太陽電池は太陽光発電市場で広く普及していますが、その変換効率はShockley-Queisserの限界に近づいています1。 理論上の上限を克服するために、異なるバンドギャップを持つIII-V族半導体を組み合わせた多接合太陽電池が開発されてきました。 このアーキテクチャは太陽電池の中で最高の効率を実現し2、主に宇宙用途で商品化されています。 初期の研究では、変換効率は、集中型 InGaP/InGaAs/Ge セル 3 で 40.7%、三重接合 InGaP/GaAs/InGaAs セル 4 で 37.9% に達しました。 また、6 接合 III-V 太陽電池は、1 太陽では 39.2%、143 太陽では 47.1% の変換効率に達しました5。
しかし、Ge や GaAs などのボトムセルとして使用される基板材料は非常に高価であり、工業的な観点から大面積での実現は困難です。 Si 基板は、製造コストが低く、結晶性が高いため、大規模な多接合太陽電池の実装に望ましい6。 したがって、Si 基板上の III-V 化合物太陽電池は 20 年以上にわたり関心を集めてきました。 現在、GaInP/GaAs/Si の 1 太陽三重接合による 32.6%12、33%13、35.9%14 など、ウェーハ接合 8,9 または機械的積層 10,11 によって製造された Si 上で高い太陽光変換効率が実証されています。細胞。
一方、Si基板とIII-V族半導体の間には大きな格子不整合が存在します。 これにより貫通転位が発生し、少数キャリアの寿命が短くなり、セルの開回路電圧が低下します15、16。 各セルとの格子整合を図るため、Si基板上のシリコンゲルマニウム(SiGe)膜は、あらゆる相対濃度で固溶することによる格子定数やバンドギャップの制御性が注目されている。 上部セルとの格子整合と狭いギャップは、Ge 含有量を 82% 以上増やすことによって実現できます 17。 さらに、SiGe は低コストで環境に優しく、化学蒸着 (CVD) または分子線エピタキシー (MBE) によって製造できます 18,19。 しかし、SiH4 や GeH420,21,22 などの有毒ガスや超高真空が必要であり、時間がかかります。 一般に、Si と SiGe の間には格子不整合が依然として存在しており、転位密度を低減するために SiGe の傾斜バッファ層が SiGe ボトムセルの下に使用されることがよくあります 23,24。 以前の研究では、AmberWave によって開発された SiGe バッファ層上に作製された SiGe ボトムセル 25 は、格子整合した III-V エピタキシャル層の核生成のための低転位界面を提供しました 26。 この格子整合タンデム構造は、SiGe 中の約 82% の Ge と格子を整合させるために GaAsP 中に 20% の P を添加し、Si 上に成長させた GaAsP/SiGe 二重接合太陽電池によって 20.6% の変換効率に達しました23。