MOCVD高溫生長高質量GaInNAs子電池的方法與流程
2023-05-01 19:44:18
本發明涉及半導體設備設計領域，尤其是指一種MOCVD高溫生長高質量GaInNAs子電池的方法。
背景技術：
能源是人類社會發展的重要基礎資源。由於世界能源資源產地與能源消費中心相距較遠，特別是隨著世界經濟的發展、世界人口的劇增和人民生活水平的不斷提高，世界能源需求量持續增大。由此導致對能源資源的爭奪日趨激烈、環境汙染加重和環保壓力加大，使得能源問題成為當今國際政治、經濟、軍事、外交關注的焦點。發展可再生能源已成為全球實現低碳能源轉型的戰略目標，也成為我國可持續生態化發展的重大需求。同時，化石能源對環境的汙染和全球氣候的影響將日趨嚴重。面對以上挑戰，世界能源供應和消費將向多元化、清潔化、高效化、全球化和市場化趨勢發展。鑑於國情，我國應特別注意依靠科技進步和政策引導，提高能源利用效率，尋求能源的清潔化利用，積極倡導能源、環境和經濟的可持續發展，並積極借鑑國際先進經驗，建立和完善我國能源安全體系。光伏發電以太陽能電池技術為核心，目前太陽能電池從技術上主要分為3類：以晶矽電池為代表的第一代太陽能電池，以矽基薄膜、CdTe、CICS電池等為代表的第二代薄膜電池和以GaAs疊層電池為代表的第三代太陽能電池。光伏市場主要以第一代和第二代電池為主。然而，晶矽電池成本較高，且由於矽材料本身性質的限制，其光電轉換效率很難再有提高，薄膜電池本身效率偏低，投資成本較高，因此，開發高效低成本的第三代太陽能電池不僅必要而且迫切。目前GaAs基系高效多結疊層太陽電池主要採用三結或四結疊層結構。GaInP/Ga(In)As/Ge三結太陽電池的理論效率值在AM(大氣質量)01sun條件下為35％，GaInP/Ga(In)As/GaInNAs/Ge四結電池在AM(大氣質量)01sun的條件下理論轉換效率值高達41％以上，可見存在巨大潛在優勢。GaAs疊層電池的GaInNAs子電池適宜生長溫度較低，但MOCVD技術在低溫環境下生長出來的子電池表面缺陷和雜質比較嚴重；通過提高溫度可以改善GaInNAs子電池表面，但隨環境溫度升高，GaInNAs子電池氮元素摻雜難度將變大，氮源利用率極低。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足與缺點，提出一種MOCVD高溫生長高質量GaInNAs子電池的方法，可有效降低高溫生長GaInNAs子電池時氮元素的摻雜難度，從而生長出高質量的GaInNAs子電池。為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：MOCVD高溫生長高質量GaInNAs子電池的方法，在MOCVD高溫生長GaAs疊層電池的GaInNAs子電池時，通過載氣的快速切換,能夠降低高溫生長GaInNAs子電池時氮元素的摻雜難度，從而生長出所需的高質量GaInNAs子電池，而載氣的快速切換則由互鎖裝置完成；此外，生長GaInNAs子電池前後需生長隧道結GaAs/AlGaAs，而生長GaInNAs子電池前後的隧道結GaAs/AlGaAs使用的載氣為H2，生長GaInNAs子電池使用的載氣為N2，GaInNAs子電池摻雜氮源為二甲基肼；其包括以下步驟：1)生長GaInNAs子電池前，載氣為H2，生長一層隧道結GaAs/AlGaAs來連接Ge襯底和GaInNAs子電池，H2流量為80-90L/min，生長溫度為540-550℃，生長壓力為30Torr，隧道結GaAs/AlGaAs的生長厚度為24-26nm，生長時間為90s；2)生長GaInNAs子電池時，載氣快速切換為N2，載氣通過互鎖裝置自動快速切換，N2的流量為2.8-3L/min,生長溫度為590-600℃，生長壓力為39Torr，GaInNAs子電池的生長厚度為0.98-1um，生長時間為30min；3)生長GaInNAs子電池後，載氣快速切換為H2，生長一層隧道結GaAs/AlGaAs來連接兩個子電池，H2流量為80-90L/min，生長溫度為540-550℃，生長壓力為30Torr，隧道結GaAs/AlGaAs的生長厚度為24-26nm，生長時間為90s。H2的純度即體積百分數大於99.99999％，N2的純度即體積百分數大於99.999％。氮氣和氫氣的進氣管路安裝互鎖裝置，互鎖裝置的開啟由生長程序自動控制，當生長GaInNAs子電池時，生長程序輸出信號給PLC，PLC控制互鎖裝置，載氣通過互鎖裝置自動快速切換。本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：通過將氫氣和氮氣按照需求進行快速切換，具體是在生長GaInNAs子電池過程中，通過將載氣由氫氣換成氮氣的措施，可以很好地降低在高溫環境二甲基肼摻雜源氮元素的摻雜難度，明顯減少生長GaInNAs子電池高溫環境對慘氮元素的不良影響；GaInNAs子電池半高寬變窄，生長質量變好，從而生長出高質量的GaInNAs子電池，最終提高GaAs疊層電池的整體性能。附圖說明圖1為MOCVD高溫生長高質量GaInNAs子電池的結構示意圖。圖2為GaAs基四結電池結構示意圖。具體實施方式下面結合兩個具體實施例對本發明作進一步說明。實施例1原材料準備如下：Ga源：三甲基稼(TMGa)，飽和蒸汽壓113.64Torr；In源：三甲基銦(TMIn),飽和蒸汽壓2.58Torr；C源：四溴化碳(CBr4)，飽和蒸汽壓0.82Torr；Te源：三乙基碲(DeTe),飽和蒸汽壓9.33Torr；N源：二甲基阱(DMHy)，飽和蒸汽壓165.9Torr；氮氣(N2)純度：純度及體積百分數大於99.999％；氫氣(H2)純度：純度及體積百分數大於99.99999％；砷烷(AsH3)純度：純度及體積百分數大於99.9999％；矽烷(Si2H6)純度：純度及體積百分數大於99.9999％；將上述不同原材料按照設定程序進入MOCVD反應腔，進行GaAs基四結電池的GaInNAs子電池的高溫生長，具體步驟如下：1)在生長GaInNAs子電池前，載氣為氫氣，需生長一層隧道結GaAs/AlGaAs來連接Ge襯底和GaInNAs子電池，此隧道結生長壓力為30Torr,厚度為26nm,生長溫度為550℃，氫氣使用量為90L/min，生長時間為90s。2)當生長GaInNAs子電池時，載氣快速切換為氮氣，使用量為3L/min，生長壓力為39Torr，GaInNAs子電池的生長厚度為1um，生長溫度為600℃，生長時間30min。3)在生長GaInNAs子電池後，載氣快速切換為氫氣，需生長一層隧道結GaAs/AlGaAs來連接兩個子電池，此隧道生長壓力為30Torr,厚度為26nm,生長溫度為550℃，氫氣使用量為90L/min，生長時間為90s。如圖1所示，本實施例的氮氣和氫氣的進氣管路安裝有互鎖裝置，而互鎖裝置的開啟則由生長程序自動控制，當生長GaInNAs子電池時，生長程序輸出信號給PLC，PLC控制互鎖裝置，載氣通過互鎖裝置實現自動快速切換。實施例21)在生長GaInNAs子電池前，載氣為氫氣，需生長一層隧道結GaAs/AlGaAs來連接Ge襯底和GaInNAs子電池，此隧道結生長壓力為30Torr,厚度為24nm,生長溫度為540℃，氫氣使用量為80L/min，生長時間為90s。2)當生長GaInNAs子電池時，載氣快速切換為氮氣，使用量為2.8L/min。生長GaInNAs子電池時，生長壓力為39Torr，厚度為0.98um，生長溫度為590℃，生長時間30min。3)在生長GaInNAs子電池後，載氣快速切換為氫氣，需生長一層隧道結GaAs/AlGaAs來連接兩個子電池，此隧道生長壓力為30Torr,厚度為24nm,生長溫度為540℃，氫氣使用量為80L/min，生長時間為90s。實施例31)在生長GaInNAs子電池前，載氣為氫氣，需生長一層隧道結GaAs/AlGaAs來連接Ge襯底和GaInNAs子電池，此隧道結生長壓力為30Torr,厚度為26nm,生長溫度為550℃，氫氣使用量為90L/min，生長時間為90s。2)當生長GaInNAs子電池時，載氣為氫氣，使用量為3L/min。生長GaInNAs子電池時，生長壓力為39Torr，厚度為1um，生長溫度為600℃，生長時間30min。3)在生長GaInNAs子電池後，載氣為氫氣，需生長一層隧道結GaAs/AlGaAs來連接兩個子電池，此隧道生長壓力為30Torr,厚度為26nm,生長溫度為550℃，氫氣使用量為90L/min，生長時間為90s。實施例41)在生長GaInNAs子電池前，載氣為氫氣，需生長一層隧道結GaAs/AlGaAs來連接Ge襯底和GaInNAs子電池，此隧道結生長壓力為30Torr,厚度為24nm,生長溫度為540℃，氫氣使用量為80L/min，生長時間為90s。2)當生長GaInNAs子電池時，載氣為氫氣，使用量為2.8L/min。生長GaInNAs子電池時，生長壓力為39Torr，厚度為0.98um，生長溫度為590℃，生長時間30min。3)在生長GaInNAs子電池後，載氣為氫氣，需生長一層隧道結GaAs/AlGaAs來連接兩個子電池，此隧道生長壓力為30Torr,厚度為24nm,生長溫度為540℃，氫氣使用量為80L/min，生長時間為90s。實施結果從下表1所示的測試結果可以得到以下結論：通過測試結果可以看出，相比於實施例3和實施例4(沒有使用載氣快速切換生長GaInNAs子電池)，實施例1和實施例2(使用載氣快速切換生長GaInNAs子電池)，PL中心波長變大，GaInNAs禁帶寬度變窄，證明摻入的氮元素變多；半高寬可以反映晶體的質量，數值越小，說明生長質量越好，因此可以看出使用載氣快速切換生長GaInNAs子電池材料質量更好，最終能提高GaAs基四結電池的整體性能，該GaAs基四結電池的結構具體見附圖2。表1：GaInNAs子電池性能測試結果以上所述實施例只為本發明之較佳實施例，並非以此限制本發明的實施範圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護範圍內。