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Aug 13, 2023

Crescimento epitaxial de filmes SiGe por recozimento de Al

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 14770 (2022) Citar este artigo 1785 Acessos 1 Citações 22 Detalhes de métricas altmétricas Um método de crescimento epitaxial simples, de baixo custo e sem vácuo para

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 14770 (2022) Citar este artigo

1785 Acessos

1 Citações

22 Altmétrico

Detalhes das métricas

Um método de crescimento epitaxial simples, de baixo custo e sem vácuo para produzir semicondutores de grande área em silício cristalino se tornará um divisor de águas para várias aplicações. Por exemplo, podemos esperar o efeito perturbador no custo de células solares multijunções III-V em grande escala se pudéssemos substituir o substrato de germânio de alto custo por silício-germânio (SiGe) em Si. Para o crescimento epitaxial de SiGe, tentamos desenvolver um processo utilizando pastas Al-Ge originais para serigrafia e posterior recozimento. Comparamos duas pastas, incluindo pastas de liga Al-Ge com uniformidade de composição em cada partícula e pastas mistas de Al-Ge. Revelamos que a pasta de liga Al-Ge poderia formar um filme SiGe mais plano com muito menos pastas residuais, apoiado por observações in situ. A dissolução uniforme e suficiente da pasta de liga é responsável por estes e levou a uma composição Ge média mais elevada por recozimento a 500 ° C. A composição no SiGe foi graduada verticalmente em até ~ 90% na superfície superior. Estes resultados mostram que a impressão e queima de pasta de liga Al-Ge em Si é o processo desejável, simples e de alta velocidade para o crescimento epitaxial de SiGe, que poderia ser potencialmente usado como substrato virtual compatível com treliça com semicondutores III-V.

As células solares de silício cristalino têm sido difundidas no mercado fotovoltaico, enquanto as suas eficiências de conversão estão se aproximando do limite de Shockley-Queisser1. Para superar o limite superior teórico, células solares multijunções foram desenvolvidas combinando semicondutores III-V com diferentes bandgaps. Esta arquitetura proporciona a mais alta eficiência em células solares2 e tem sido comercializada principalmente para uso espacial. Em estudos iniciais, a eficiência de conversão atingiu 40,7% por células concentradoras InGaP/InGaAs/Ge3 e 37,9% por células InGaP/GaAs/InGaAs de junção tripla4. Além disso, as células solares III-V de seis junções alcançaram eficiências de conversão de 39,2% para 1 sol e 47,1% para 143 sóis5.

No entanto, os materiais de substrato utilizados como células de fundo, como Ge ou GaAs, são bastante caros e difíceis de conseguir em grandes áreas do ponto de vista industrial. O substrato de Si é desejável para a implementação de células solares multijunções em larga escala devido ao seu baixo custo de fabricação e alta cristalinidade . Portanto, células solares compostas III-V em substratos de Si têm sustentado interesse por mais de duas décadas. Atualmente, altas eficiências de conversão solar foram demonstradas em Si, fabricado por ligação de wafer8,9 ou empilhamento mecânico10,11, como 32,6%12, 33%13 e 35,9%14 por 1 junção tripla solar de GaInP/GaAs/Si células.

Enquanto isso, existe uma grande incompatibilidade de rede entre o substrato de Si e os semicondutores III-V. Isso resulta em deslocamentos de rosqueamento, que reduzem o tempo de vida da portadora minoritária e diminuem a tensão de circuito aberto da célula . Para correspondência de rede com cada célula, o filme de silício-germânio (SiGe) no substrato de Si atraiu a atenção na controlabilidade de uma constante de rede e bandgap devido à solução sólida em todas as concentrações relativas. A correspondência de rede com células superiores e lacuna estreita pode ser realizada aumentando o conteúdo de Ge acima de 82% . Além disso, o SiGe é de baixo custo e ecologicamente correto e pode ser fabricado por deposição química de vapor (CVD) ou epitaxia por feixe molecular (MBE) . No entanto, eles precisam de gases tóxicos como SiH4 e GeH420,21,22 ou vácuo ultra-alto e levam muito tempo. Em geral, a incompatibilidade de rede ainda existe entre Si e SiGe, e a camada tampão graduada de SiGe é frequentemente usada sob a célula inferior de SiGe para reduzir a densidade de deslocamento . Em pesquisas anteriores, a célula inferior SiGe fabricada na camada tampão SiGe, que foi desenvolvida pela AmberWave25, forneceu uma interface de baixo deslocamento para a nucleação das camadas epitaxiais III-V correspondentes à rede26. Esta estrutura em tandem combinada com rede atingiu uma eficiência de conversão de 20,6% por células solares de junção dupla GaAsP / SiGe cultivadas em Si, com 20% de P em GaAsP para combinar com a rede com ~ 82% de Ge em SiGe23.