Журнал -производственного предприятия “ КВАНТ“ (стр. 3 )

Обсуждение полученных данных

Данные рентгеновской дифрактометрии свидетельствуют о том, что способ зарождения первого монослоя As существенно влияет на результат пластической релаксации пленки GaAs. Димеры Аs, расположенные перпендикулярно и параллельно ступеням, в табл.1 обозначены, соответственно, +и ||. Образцы, в которых наблюдались указанные два варианта расположения димеров, обозначены соответственно, А1, А2, А3 и В1, В2, В3. Как видно из таблицы, образцы с различной ориентацией димеров As на поверхности имеют разный знак преимущественного поворота решетки пленки ?. Установление природы этого поворота является основным предметом исследований. Поэтому изучались параллельные ступеням дислокации несоответствия, введение которых обусловливает знак и величину угла поворота.

Сетка ДН формирует малоугловую границу в том случае, если имеет место преобладание дислокационных семейств с вектором Бюргерса, который содержит ненулевую проекцию одного знака на нормаль к границе раздела. В ГР (001) вводятся 8 семейств 60?-ДН по четырем плоскостям скольжения типа {111} (табл. 2). В GaAs различают ДН ? - и ?-типа, причем дислокации ?-типа залегают в направлении [-110], которое совпадает с направлением ориентации димеров мышьяка на поверхности [12]. Дислокации ?-типа вводятся в перпендикулярном направлении [-1 -1  0].

  Таблица 2

Семейства  дислокаций несоответствия, скользящих в GaAs,

и соответствующие им направления поворота пленки вокруг ступеней ГР.

Номер семейства	Направление  и тип ДН	Вектор Бюргерса	Плоскость скольжения	Знак поворота
димеры?	димеры ||
1	[-1 1 0]  ?-тип	a/2[ 1 0-1]	(1 1 1)		-
2	a/2[ 0 1-1]
3	a/2[ 0 1 1]	(-1-1 1)		+
4	a/2[ 1 0 1]
5	[-1-1 0]  ?-тип	a/2[ 0-1-1]	( 1-1 1)	-
6	a/2[ 1 0-1]
7	a/2[ 1 0 1]	(-1 1 1)	+
8	a/2[ 0-1 1]

Поворот в пленках, зарождение которых начиналось с осаждения мышьяка (димеры As перпендикулярны ступеням), создают дислокации ?-типа, параллельные ступеням и принадлежащие семействам 5-8 (табл. 2). Знак поворота отрицательный (?<0), если ДН принадлежат семействам 5 и 6, что зарегистрировано экспериментально (см. Табл. 1). Данный поворот предсказуем из соображений меньшей hК для этих семейств по сравнению с прочими  и наблюдался в различных гетероструктурах [11, 12, 14].

Для образцов, в которых зарождение пленки начиналось с замещения (димеры As обозначены ||) поворот решеток вокруг оси, параллельной ступеням, формируют ДН ?-типа (семейства 1-4 в табл. 2), которые имеют более высокую подвижность [15]. Эти пленки демонстрируют увеличение отклонения от сингулярной ориентации в процессе введения ДН: как видно из табл. 1, для сечения, расположенного поперек ступеней, величина ? > 0. Таким образом, повышенную плотность имеют ДН семейств 3 и 4 (табл. 2). Экспериментально зарегистрированный поворот не объясняется энергетической выгодностью введения ДН, имеющих наименьшую критическую толщину, поскольку семействам 1 и 2 соответствует меньшее значение hК, чем семействам 3 и 4 [16, 17]. Это направление поворота можно описать пластической релаксацией в результате образования Ломеровских дислокаций несоответствия вдоль направления ступеней. Они имеют минимальную критическую толщину, но их образование в рассматриваемых гетеросистемах возможно в результате реакции между двумя 60?–ДН с пониженным и повышенным значением hК.

Поворот решетки пленки, зарождение которой начиналось с замещения атомами As верхнего монослоя Si, по-видимому, объясняется морфологией поверхности растущей пленки. Выше было показано, что при таком способе зарождении на картинах ДБЭ видны тяжи, свидетельствующие наличие фасеток. Фасетки образованы эшелонами ступеней, которые в упруго напряженном слое являются концентраторами напряжений. В результате конфигурация поля напряжений в локальных местах гетеросистемы способствует генерации семейств 3 и 4. Таким образом, фасетки могут быть причиной введения «энергетически невыгодных» дислокационных семейств, которые создают разворот пленки в «нетипичную» сторону.

Для повышения структурного совершенства и улучшения морфологии поверхности эпитаксиальных слоев GaAs/Si целесообразно увеличивать их толщину. Но данный путь имеет ограничения. Пленки GaAs/Si толщиной больше 4 мкм трескаются со временем из-за напряжений, возникающих в структуре при ее охлаждении от температуры роста до комнатной. Причиной этого явления служит различие КТР Si и GaAs. Так как толщина структуры солнечного элемента на основе GaAs составляет около 2-3 мкм, то толщина переходного слоя от Si к структуре солнечного элемента не должна превышать 1-1,5 мкм. При фиксированной толщине слоя GaAs/Si плотность прорастающих дислокаций можно понизить путем введения дислокационных фильтров и проведения циклических отжигов на различных этапах роста.

Базовая толщина переходных слоев GaAs/Si была принята равной 1,5 мкм. В качестве слоя зарождения использовался слой GaP с ориентацией (001) и (00-1). На переходном слое GaAs/Si выращивалась структура солнечного элемента. Базовый профиль структуры представлен в табл. 3.

  Таблица 3

Структура базового солнечного элемента

Материал слоя	Толщина	Уровень легирования, см-3	Назначение слоя
GaAs:Si n++	300 нм	1 · 1019	Подконтактный слой
InGaP:Si n+	5 нм	8 · 1018	Стоп-слой
InAlP:Si n+	30 нм	8 · 1018	Барьер
GaAs:Si n+	100 нм	2 · 1018	Эмиттер
GaAs:Be p	3500 нм	1,7 · 1017	База
GaAs:Be p++	600 нм	5 · 1018	BSF барьер
GaAs:Si p+	250 нм	2 · 1018	Буфер
GaAs(001) p+	Подложка

В дальнейшем на полученных структурах формировались солнечные элементы и проводилось измерение их ВАХ.

3. Заключение

Исследован результат пластической релаксации пленок GaAs, выращенных на отклоненных подложках Si(001) с использованием двух способов зарождения первого монослоя As (осаждение и замещение). В случае замещения процесс зарождения сопровождался появлением фасеток на поверхности роста. Обнаружена зависимость результата протекания процесса пластической релаксации от способа зарождения. Разница заключается в характере поворота кристаллической решетки пленки. В обоих способах зарождения решетка пленки поворачивается вокруг направления ступеней  <110> на вицинальной подложке Si(001). В случае зарождения осаждением в этом направлении залегают ДН ?-типа. В результате поворота ориентация поверхности пленки приближается к сингулярной.

В случае зарождения замещением параллельно оси поворота залегают ДН ?-типа; в результате поворота отклонение ориентации пленки от сингулярной (001) увеличивается. Вероятной причиной такого поведения авторы считают преимущественное введение дислокационных семейств 3 и 4 в силу наличия эшелонов ступеней (фасеток ~ (2  2  13)), выступающих в качестве концентраторов напряжений, которые облегчают введение именно этих семейств ДН.

Результаты наших исследований показали, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии можно выращивать плёнки GaAs на подложках Si с плотностью прорастающих дислокаций менее 106 см-2, что соответствует лучшим мировым достижениям. Проведено сравнение характеристик GaAs солнечных элементов сформированных на подложках Si и GaAs. Полученные значения КПД солнечных элементов полученных на таких структурах 13,25 % и 25 % с учетом просветления даже без оптимизации их архитектуры показывают перспективы технологии для дальнейшего улучшения свойств структур GaAs/Si. Увеличение КПД будет достигнуто путём создания двух - и трёхпереходных солнечных элементов.

Работа выполняется при поддержке Программы «Экран» фундаментальных космических исследований РАН, контрактов с РКК «Энергия», им. , НПФ «Электрон» и ЦНИИмаш, гранта РФФИ 13-02-12119-офи-м-2013 и РФФИ – № 13-02-91182-ГФЕН-а. Анализ структуры образцов проводится на оборудовании ЦКП "Наноструктуры" при финансовой поддержке Миноборнауки России. Авторы признательны академику РАН , чл. корр. РАН и профессору ТГУ за постоянное внимание и поддержку этой работы.

Литература

1. // Концентраторная солнечная фотоэнергетика, Альтернативная энергетика и экология, т. 5-6, стр. 40-44 (2012).

2. Zh. I. Alferov, V. M. Andreev, and V. D. Rumyantsev. III-V Heterostructures in Photovoltaics in Springer Series in Antonio L. Luque Viacheslav M. Andreev // Concentrator Photovoltaic optical sciences Editor-in-Chief: W. T. Rhodes, Atlanta, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2007).

3. , , Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // ФТП, т. 38, 8 стр. 937-948 (2004).

4. Bill Scanlon, NREL  Award-Winning PV Cell Pushes Efficiency Higher  Jan 02, 2013 <http://www. /rea/news/article/2013/01/award-winning-pv-cell-pushes-efficiency-higher? page=all>  <http://www. /award-winning-pv-cell-technology-pushes-efficiency-higher/>

5. http://lib. isp. nsc. ru/16/

6. Putyato M. A.,Preobrazhenskii V. V., Semyagin B. R., F?eklin D. F., Pakhanov N. A., Emelianov E. A., Chikichev S. I. // Semiconductor Science and Technology. 2009. 24, P. 055014.