一種空穴型氮銦鎵p-InxGa1-xN薄膜，化學(xué)分子式為InxGa1-xN，式中x為0.3-0.8，導(dǎo)電類型為p型，即Mg摻雜空穴型，薄膜厚度為0.2-0.6?m；其制備方法是：首先在MOCVD沉積系統(tǒng)的進(jìn)樣室中，對(duì)襯底表面進(jìn)行表面等離子體清洗，然后在MOCVD沉積系統(tǒng)的沉積室中，采用MOCVD工藝在襯底表面沉積一層Mg摻雜InxGa1-xN薄膜。本發(fā)明專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：該空穴型InxGa1-xN薄膜對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)光譜具有幾乎完美的匹配帶隙，且其吸收系數(shù)高，載流子遷移率高、抗輻射能力強(qiáng)，為利用單一半導(dǎo)體材料來(lái)設(shè)計(jì)、制備更為高效的多結(jié)太陽(yáng)電池提供了可能；其制備方法簡(jiǎn)單工藝簡(jiǎn)單易行，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及薄膜太陽(yáng)電池
，特別是涉及一種空穴型氮銦鎵P-InxGahN薄膜及其制 備。
技術(shù)介紹
III族氮化物BN、AIN、GaN, InN(III-N)等及其多元合金化合物是性能優(yōu)越的新型半導(dǎo)體材料(直接帶隙半導(dǎo)體材料)，在太陽(yáng)電池、聲表面波器件、光電子器件、光電集成、高速和高頻電子器件等方面得到重要應(yīng)用，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。隨著近年來(lái)對(duì)InN的研究發(fā)展，尤其是InN的禁帶寬度研究，為設(shè)計(jì)、制備新型高效太陽(yáng)電池奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)2002年以前，InN的禁帶寬度一直被認(rèn)為是約I. 9eV,2002年以后(含2002年)，對(duì)InN禁帶寬度的認(rèn)識(shí)有了新的突破，認(rèn)為是0.6 O. 7eV。因此，InxGa1J三元氮化物(GaN和InN的固溶體或混晶半導(dǎo)體)的禁帶寬度覆蓋的光子能范圍很寬，為O. 6 3. 4eV (GaN的禁帶寬度為3. 4eV)，可隨其中In含量x的變化在該范圍內(nèi)按如下關(guān)系式連續(xù)變化足(滅^+這提供了對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)光譜幾乎完美的匹配帶隙，從而也為利用單一三元合金體系的半導(dǎo)體材料來(lái)設(shè)計(jì)、制備更為高效的多結(jié)太陽(yáng)電池提供了可能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是針對(duì)上述技術(shù)分析，提供一種空穴型氮銦鎵P-InxGa1J薄膜及其制備，該氮銦鎵InxGahN薄膜對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)光譜具有幾乎完美的匹配帶隙，且其吸收系數(shù)高，載流子遷移率高、抗輻射能力強(qiáng)，為利用單一半導(dǎo)體材料來(lái)設(shè)計(jì)、制備更為高效的多結(jié)太陽(yáng)電池提供了可能；其制備方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)施，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用。本專利技術(shù)的技術(shù)方案一種空穴型氮銦鎵P-InxGahN薄膜，化學(xué)分子式為InxGai_xN，式中x為O. 3-0. 8，導(dǎo)電類型為P型，即Mg摻雜空穴型；該空穴型氮銦鎵P-InxGahN薄膜沉積在襯底上，薄膜厚度為 O. 2-0. 6 μ m。所述襯底為藍(lán)寶石、SiC, Si或玻璃。一種所述空穴型氮銦鎵P-InxGahN薄膜的制備方法，采用MOCVD沉積系統(tǒng)制備，所述MOCVD沉積系統(tǒng)為高真空高溫等離子體增強(qiáng)金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積(HHPEM0CVD)裝置，該裝置設(shè)有兩個(gè)真空室，即進(jìn)樣室和沉積室，制備步驟如下I)在MOCVD沉積系統(tǒng)的進(jìn)樣室中，對(duì)襯底表面進(jìn)行表面等離子體清洗；2)在MOCVD沉積系統(tǒng)的沉積室中，以三甲基銦(TMIn)為In源、以三甲基鎵(TMGa)為Ga源、以氨氣(NH3)為N源，采用MOCVD工藝在襯底表面沉積一層InxGai_xN，同時(shí)摻入二茂鎂進(jìn)行Mg摻雜，制得空穴型氮銦鎵P-InxGahN薄膜。所述對(duì)襯底表面進(jìn)行等離子體清洗方法為在HHPEM0CVD的進(jìn)樣室中，將襯底在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w氛圍中進(jìn)行等離子體處理，氬氣和氮?dú)獾馁|(zhì)量流量比為20:4、等離子體體清洗電源的燈絲電壓為60-80V、加速電壓為80-120V。所述在襯底表面沉積一層氮銦鎵薄膜的工藝參數(shù)為本底真空度3X 10_4Pa、襯底旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速30Hz、等離子體源功率80W、N2流量2408(011、順3流量50sccm、二茂鎂17sccm、工作壓強(qiáng)5. 5Torr ;沉積過(guò)程中采用了順序生長(zhǎng)Ga、In的方式，即先生長(zhǎng)Ga，生長(zhǎng)Ga的附加工藝條件為=Ga源溫度19°C、載氣H2流量Hsccm、襯底溫度760°C、沉積時(shí)間40分鐘，后生長(zhǎng)In，生長(zhǎng)In的附加工藝條件為1η源溫度18°C、載氣H2流量25sCCm、襯底溫度400_520°C、沉積時(shí)間1-2小時(shí)。本專利技術(shù)的原理分析為了滿足轉(zhuǎn)換效率高、抗輻射能力強(qiáng)、利用單一合金體系半導(dǎo)體材料的薄膜太陽(yáng)電池的制備要求，必須選用吸收系數(shù)高，載流子遷移率高，抗輻射能力強(qiáng)、帶隙變化范圍寬的材料來(lái)制備薄膜太陽(yáng)電池。InN的禁帶寬度為O. 6-0. 7eV。因此，InxGai_xN三元氮化物(GaN 和InN的固溶體或混晶半導(dǎo)體)的禁帶寬度覆蓋的光子能范圍很寬，為O. 6 3. 4eV(GaN的禁帶寬度為3. 4eV)，可隨其中In含量X的變化在該范圍內(nèi)連續(xù)變化。這提供了對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)光譜幾乎完美的匹配帶隙，從而也為利用單一三元合金體系的半導(dǎo)體材料來(lái)設(shè)計(jì)、制備更為高效的多結(jié)太陽(yáng)電池提供了可能。理論上，基于InN基材料的太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率可能接近太陽(yáng)電池的理論極限轉(zhuǎn)換效率72%。理論計(jì)算得到結(jié)構(gòu)為P-InxGa1JVn-InxGahN/襯底的InxGa1J太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率為27. 3%，高于目前通常半導(dǎo)體材料太陽(yáng)電池的理論值；結(jié)構(gòu)為η-Ιη^^Ν/ρ-Ιη^^Ν/襯底的InxGa1J單量子阱太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率為36. 49%。InxGahN太陽(yáng)電池的優(yōu)勢(shì)分析I)同CuInGaSe2 (CIGS)薄膜太陽(yáng)電池中的吸收層CuInGaSe2薄膜一樣，InxGa1^xN薄膜也是直接帶隙半導(dǎo)體，吸收系數(shù)高(其值的數(shù)量級(jí)達(dá)到105)，比Si、GaAs等高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，適合制備更薄、更輕，材料使用更少的高效薄膜太陽(yáng)電池，尤其適合制備航天航空應(yīng)用的太陽(yáng)電池(盡可能地減輕重量)。2) InxGahN更適合制備高效多結(jié)串聯(lián)太陽(yáng)電池。在同一沉積系統(tǒng)中，可通過(guò)改變In含量，制備禁帶寬度在O. 6-3. 4eV范圍內(nèi)連續(xù)變化的InxGai_xN，從而制備多結(jié)串聯(lián)的InxGahN太陽(yáng)電池，比采用多種不同的半導(dǎo)體材料制備多結(jié)太陽(yáng)電池如CIGS太陽(yáng)電池更方便。而且，InxGahN的禁帶寬度在O. 6-3. 4eV范圍內(nèi)可連續(xù)變化還能夠使組成InxGai_xN電池的各P型、η型InxGahN材料的禁帶寬度達(dá)到理想組合，制備效率更高的太陽(yáng)電池。理論計(jì)算得到結(jié)構(gòu)為P-InxGahNAi-InxGa^N/襯底的雙結(jié)和三結(jié)InxGai_xN太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率分別為36. 6%和41. 3%，高于目前通常半導(dǎo)體材料太陽(yáng)電池的理論值。3)InN、GaN的電子遷移率都較高，有利于減少載流子的復(fù)合，使太陽(yáng)電池的短路電流密度增大，從而提高電池的效率。4)外層空間是III- V族半導(dǎo)體合金材料串聯(lián)太陽(yáng)電池應(yīng)用的主要場(chǎng)所，而空間太陽(yáng)電池退化的主要原因是由于質(zhì)子和電子在幾電子伏特到幾億電子伏特的能量范圍內(nèi)撞擊引起的。與GaAs、GaInP等光伏材料相比，InxGai_xN在抵御高能粒子輻射方面具有更強(qiáng)的抗輻射能力，從而給在空間受到強(qiáng)輻射的高效太陽(yáng)電池提高了巨大的應(yīng)用潛力。總之，全太陽(yáng)光譜材料系InxGahN基太陽(yáng)能電池具有轉(zhuǎn)換效率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在太空及特殊場(chǎng)合中具有極其重要的應(yīng)用前景。理想太陽(yáng)電池要求吸收層材料的帶隙為I. 1-1. 7eV,理想值約I. 45eV。因此，根據(jù)關(guān)系式可計(jì)算得作為吸收層的InxGahN薄膜中，x的范圍為O. 50-0. 75，理想值為O. 59，即高效InxGahN薄膜太陽(yáng)電池需要In含量較高的InxGal-xN吸收層。目前所報(bào)道的模擬電池中，InxGa1J的x值較大(大于O. 5)，帶隙較小(小于2eV)，因此電池的效率也很高。而實(shí)際制備的太陽(yáng)電池中InxGapxN薄膜的x值均較小,一般小于O. 3，薄膜的帶隙較大,一般大于2eV，因此所制備的電池效率也較小。InN材料的離解溫度較低，在600°C左右就分解了，這就要求在低溫下生長(zhǎng)InN或In含量較高的InxGai_xN，同時(shí)，溫度過(guò)低，生長(zhǎng)的InN或InxGa1J薄膜的質(zhì)量一般較差，不能滿足本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種空穴型氮銦鎵p？InxGa1？xN薄膜，其特征在于：化學(xué)分子式為InxGa1？xN，式中x為0.3？0.8，導(dǎo)電類型為p型，即Mg摻雜空穴型；該空穴型氮銦鎵p？InxGa1？xN薄膜沉積在襯底上，薄膜厚度為0.2？0.6μm。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：薛玉明，宋殿友，潘宏剛，朱亞?wèn)|，劉君，尹振超，辛治軍，馮少君，張嘉偉，劉浩，尹富紅，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：天津理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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