一种空穴型氮铟镓p-InxGa1-xN薄膜及其制备制造技术

一种空穴型氮铟镓p-InxGa1-xN薄膜，化学分子式为InxGa1-xN，式中x为0.3-0.8，该空穴型氮铟镓薄膜具有反型n表面层，薄膜厚度为0.2-0.6?m，表面层厚度为20-30nm；其制备方法是：在MOCVD沉积系统的进样室中，对衬底表面进行表面等离子体清洗，然后在沉积室中采用两步法在衬底表面沉积掺Mg具有反型n表面层的p-InxGa1-xN薄膜。本发明专利技术的优点是：该空穴型氮铟镓薄膜，对应于太阳光谱具有几乎完美的匹配带隙，为利用单一半导体材料来设计、制备更为高效的多结太阳电池提供了可能，且其吸收系数高，载流子迁移率高，抗辐射能力强；其制备方法工艺条件方便易行，有利于大规模推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及薄膜太阳电池
，特别是一种空穴型氮铟镓P-InxGahN薄膜及其制备。
技术介绍
III族氮化物BN、AIN、GaN, InN(III-N)等及其多元合金化合物是性能优越的新型半导体材料(直接带隙半导体材料)，在太阳电池、声表面波器件、光电子器件、光电集成、高速和高频电子器件等方面得到重要应用，有着十分广阔的应用前景。随着近年来对InN的研究发展，尤其是InN的禁带宽度研究，为设计、制备新型高效太阳电池奠定了理论和实验基础2002年以前，InN的禁带宽度一直被认为是约I. 9eV,2002年以后(含2002年)，对InN禁带宽度的认识有了新的突破，认为是0.6 O. 7eV。因 此，InxGa1J三元氮化物(GaN和InN的固溶体或混晶半导体)的禁带宽度覆盖的光子能范围很宽，为O. 6 3. 4eV (GaN的禁带宽度为3. 4eV)，可随其中In含量x的变化在该范围内按如下关系式连续变化Gati^N) = ^g(InN)X + ^g(GaN) O - _ I ·43χ(1 — Χ)这提供了对应于太阳光谱几乎完美的匹配带隙，从而也为利用单一三元合金体系的半导体材料来设计、制备更为高效的多结太阳电池提供了可能。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述技术分析，提供一种空穴型氮铟镓P-InxGa1J薄膜及其制备，该氮铟镓InxGahN薄膜对应于太阳光谱具有几乎完美的匹配带隙，且其吸收系数高，载流子迁移率高、抗辐射能力强，为利用单一半导体材料来设计、制备更为高效的多结太阳电池提供了可能；其制备方法简单、易于实施，有利于大规模的推广应用。本专利技术的技术方案一种空穴型氮铟镓P-InxGahN薄膜，化学分子式为InxGai_xN，式中χ为O. 3-0. 8，该空穴型氮铟镓P-InxGahN薄膜具有反型η表面层，即空穴型氮铟镓P-InxGapxN薄膜由薄膜体层和薄膜表面层组成，其中薄膜体层导电类型为P型，即Mg掺杂空穴型，薄膜表面层导电类型为η型，即Mg掺杂电子型；该空穴型氮铟镓P-InxGahN薄膜沉积在衬底上，厚度为O.2-0. 6 μ m，其中表面层厚度为20-30nm。所述衬底为蓝宝石、SiC、Si或玻璃。一种所述空穴型氮铟镓P-InxGa1J薄膜的制备方法，采用MOCVD沉积系统制备，所述MOCVD沉积系统为高真空高温等离子体增强金属有机源化学气相沉积(HHPEM0CVD)装置，该装置设有两个真空室，即进样室和沉积室，制备步骤如下I)在MOCVD沉积系统的进样室中，对衬底表面进行表面等离子体清洗；2)在MOCVD沉积系统的进样室中，以三甲基铟(TMIn)为In源、以三甲基镓(TMGa)为Ga源、以氨气(NH3)为N源，采用MOCVD工艺第一步在衬底表面沉积一层InxGapxN薄膜，同时掺入二茂镁进行Mg掺杂，制备P-InxGa1J薄膜体层；3)在MOCVD沉积系统的进样室中，在减小In含量和Mg掺杂量的条件下，采用MOCVD工艺第二步继续沉积InxGahN薄膜及其Mg掺杂，沉积p-InxGai_xN薄膜的η型表面层，制得空穴型氮铟镓P-InxGa1J薄膜。所述对衬底表面进行等离子体清洗方法为在HHPEM0CVD的进样室中，将衬底在氩气和氮气的混合气体氛围中进行等离子体处理，氩气和氮气的质量流量比为20:4、等离子体体清洗电源的灯丝电压为60-80V、加速电压为80-120V。所述第一步在衬底表面沉积一层InxGahN薄膜体层的工艺参数为本底真空度3 X l(T4Pa、衬底旋转台转速30Hz、等离子体源功率80W、N2流量240sccm、NH3流量50sccm、工作压强5. 5T0rr、二茂镁流量为17sCCm，沉积过程中采用了顺序生长Ga、In的方式，即先生长Ga，生长Ga的附加工艺条件为Ga源温度19°C、载气H2流量Hsccm、衬底温度760V、沉积时间30分钟；后生长In，生长In的附加工艺条件为1η源温度18°C、载气H2流量25sccm、衬底温度400-520°C、沉积时间1-1. 5小时。所述第二步继续沉积InxGahN薄膜及其Mg掺杂的工艺参数为本底真空度3 X l(T4Pa、衬底旋转台转速30Hz、等离子体源功率80W、N2流量240sccm、NH3流量50sccm、工作压强5. 5Torr、二茂镁流量为0-8sCCm，沉积过程中也采用了顺序生长Ga、In的方式，即先生长Ga，生长Ga的附加工艺条件为Ga源温度19°C、载气H2流量Hsccm、衬底温度760°C、沉积时间10分钟；后生长In，生长In的附加工艺条件为1η源温度18°C、载气H2流量7sccm、衬底温度400-520°C、沉积时间0-30分钟。本专利技术的原理分析为了满足转换效率高、抗辐射能力强、利用单一合金体系半导体材料的薄膜太阳电池的制备要求，必须选用吸收系数高，载流子迁移率高，抗辐射能力强、带隙变化范围宽的材料来制备薄膜太阳电池。InN的禁带宽度为O. 6-0. 7eV。因此，InxGai_xN三元氮化物(GaN和InN的固溶体或混晶半导体)的禁带宽度覆盖的光子能范围很宽，为O. 6-3. 4eV(GaN的禁带宽度为3. 4eV)，可随其中In含量χ的变化在该范围内连续变化。这提供了对应于太阳光谱几乎完美的匹配带隙，从而也为利用单一三元合金体系的半导体材料来设计、制备更为高效的多结太阳电池提供了可能。理论上，基于InN基材料的太阳电池的转换效率可能接近太阳电池的理论极限转换效率72%。理论计算得到结构为P-InxGa1JVn-InxGahN/衬底的InxGa1J太阳电池的转换效率为27. 3%，高于目前通常半导体材料太阳电池的理论值；结构为η-Ιη^^Ν/ρ-Ιη^^Ν/衬底的InxGa1J单量子阱太阳电池的转换效率为36. 49%。InxGahN太阳电池的优势分析I)同CuInGaSe2 (CIGS)薄膜太阳电池中的吸收层CuInGaSe2薄膜一样，InxGa1^xN薄膜也是直接带隙半导体，吸收系数高(其值的数量级达到105)，比Si、GaAs等高I 2个数量级，适合制备更薄、更轻，材料使用更少的高效薄膜太阳电池，尤其适合制备航天航空应用的太阳电池(尽可能地减轻重量)。2) InxGa1J薄膜更适合制备高效多结串联太阳电池。在同一沉积系统中，可通过改变In含量，制备禁带宽度在O. 6-3. 4eV范围内连续变化的InxGai_xN，从而制备多结串联的InxGa1J太阳电池，比采用多种不同的半导体材料制备多结太阳电池如CIGS太阳电池更方便。而且，InxGahN的禁带宽度在O. 6 3. 4eV范围内可连续变化还能够使组成InxGapxN电池的各P型、η型InxGahN材料的禁带宽度达到理想组合，制备效率更高的太阳电池。理论计算得到结构为P-InxGahNAi-InxGa^N/衬底的双结和三结InxGai_xN太阳电池的转换效率分别为36. 6%和41. 3%，高于目前通常半导体材料太阳电池的理论值。3)InN、GaN的电子迁移率都较高，有利于减少载流子的复合，使太阳电池的短路电流密度增大，从而提高电池的效率。4)外层空间是III - V族半导体合金材料串联太阳电池应用的主要场所，而空间太阳电池退化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空穴型氮铟镓p?InxGa1?xN薄膜，其特征在于：化学分子式为InxGa1?xN，式中x为0.3?0.8，该空穴型氮铟镓p?InxGa1?xN薄膜具有反型n表面层，即空穴型氮铟镓p?InxGa1?xN薄膜由薄膜体层和薄膜表面层组成，其中薄膜体层导电类型为p型，即Mg掺杂空穴型，薄膜表面层导电类型为n型，即Mg掺杂电子型；该空穴型氮铟镓p?InxGa1?xN薄膜沉积在衬底上，厚度为0.2?0.6μm，其中表面层厚度为20?30nm。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：薛玉明，朱亚东，潘宏刚，宋殿友，刘君，张嘉伟，辛治军，尹振超，尹富红，刘浩，冯少君，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：