專利名稱：一種具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜及其制備方法
技術領域：
本發明涉及薄膜太陽電池技術領域，特別是涉及一種具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜及其制備方法。
背景技術：
III族氮化物BN、A1N、GaN, InN(III -N)等及其多元合金化合物是性能優越的新型半導體材料(直接帶隙半導體材料)，在太陽電池、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用，有著十分廣闊的應用前景。隨著近年來對^N的研究發展，尤其是^N的禁帶寬度研究，為設計、制備新型高效太陽電池奠定了理論和實驗基礎2002年以前，InN的禁帶寬度一直被認為是約1. 9eV, 2002年以后(含2002年)，對InN禁帶寬度的認識有了新的突破，認為是0.6 0.7eV。因此，InxGi^xN三元氮化物(GaN和InN的固溶體或混晶半導體)的禁帶寬度覆蓋的光子能范圍很寬，為0. 6 3. 4eV(GaN的禁帶寬度為3. ^V)，可隨其中h含量χ的變化在該范圍內按如下關系式連續變化
這提供了對應于太陽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體材料來設計、制備更為高效的多結太陽電池提供了可能。理論上，基于InN基材料的太陽電池的轉換效率可能接近太陽電池的理論極限轉換效率72%。理論計算得到結構為 p-In.Ga^.N/n-In.Ga^.N/襯底的LxGevxN太陽電池的轉換效率為27. 3%，高于目前通常半導體材料太陽電池的理論值；結構為n-Ir^ahN/p-k^hN/襯底的Ιηχ(^_χΝ單量子阱太陽電池的轉換效率為36. 49%。總之，全太陽光譜材料系InxGai_xN基太陽能電池具有轉換效率高、抗輻射能力強等優勢，在太空及特殊場合中具有極其重要的應用前景。
發明內容
本發明的目的是針對上述技術分析，提供一種用于制備高效率薄膜太陽電池的具有較大帶隙的氮銦鎵hxGai_xN (χ為0. 05 0. 3)薄膜，以便制備轉換效率高、抗輻射能力強的全太陽光譜材料系薄膜太陽電池，氮銦鎵MxGi^xN提供了對應于太陽光譜幾乎完美的匹配帶隙，從而也為利用單一半導體材料來設計、制備更為高效的多結太陽電池提供了可能，且其吸收系數高，載流子遷移率高、抗輻射能力強。此外，本發明還公開了用于制備高效率薄膜太陽電池的具有較大帶隙的氮銦鎵InfahN (χ為0. 05 0. 3)薄膜的制備方法，該制備方法工藝條件方便易行，有利于大規模的推廣應用，尤其在太空及特殊場合中具有極其重要的應用前景。本發明的技術方案
一種具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜，其化學分子式為hxGai_xN，式中χ為0. 05 0. 3，該氮銦鎵薄膜，由襯底和該襯底表面形成的一層氮銦鎵薄膜構成，所述氮銦鎵薄膜的厚度為 0. 6-1. 5Mm。所述襯底為藍寶石、SiC、Si或玻璃。一種具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜的制備方法，包括以下步驟
1)在MOCVD沉積系統的進樣室中，對襯底表面進行表面等離子體清洗；
2)在MOCVD沉積系統的沉積室中，采用磁控濺射工藝在襯底表面沉積一層氮銦鎵薄膜。所述MOCVD沉積系統為高真空高溫等離子體增強金屬有機源化學氣相沉積 (HHPEM0CVD)裝置，設有兩個真空室，即進樣室和沉積室。所述對襯底表面進行等離子體清洗方法為在HHPEM0CVD的進樣室中，將襯底在氬氣和氮氣的混合氣體氛圍中進行等離子體處理，氬氣和氮氣的質量流量比為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磁控濺射工藝參數為本底真空度 3X10—4 Pa、襯底旋轉臺轉速30Hz、等離子體源功率80W、N2流量MOsccm、NH3流量60sccm、 工作壓強5. O Torr ；沉積過程中采用了順序生長Ga、In的方式，即先生長Ga，生長( 的工藝條件為( 源溫度22°C、載氣吐流量lkccm、襯底溫度760°C、沉積時間40分鐘)，后生長 In，生長h的工藝條件為 源溫度20°C、載氣H2流量^sccm、襯底溫度520_600°C、沉積時間1-2小時。本發明的原理分析
為了滿足轉換效率高、抗輻射能力強、利用單一合金體系半導體材料的薄膜太陽電池的制備要求，必須選用吸收系數高，載流子遷移率高，抗輻射能力強、帶隙變化范圍寬的材料來制備薄膜太陽電池。InN的禁帶寬度為0. 6 0. 7eV。因此，LxGi^xN三元氮化物(GaN 和InN的固溶體或混晶半導體)的禁帶寬度覆蓋的光子能范圍很寬，為0. 6 3. 4eV (GaN的禁帶寬度為3. 4eV)，可隨其中h含量χ的變化在該范圍內連續變化。這提供了對應于太陽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體材料來設計、制備更為高效的多結太陽電池提供了可能。理論上，基于InN基材料的太陽電池的轉換效率可能接近太陽電池的理論極限轉換效率72%。理論計算得到結構為p-Inx(iai_xN/n-hxGai_xN/襯底的InxGai_xN太陽電池的轉換效率為27. 3%，高于目前通常半導體材料太陽電池的理論值； 結構為n-Inx(}ai_xN/p-hxGai_xN/襯底的InxGiVxN單量子阱太陽電池的轉換效率為36. 49%。此夕卜，InxGa1^xN太陽電池還有以下優點
1)同Cuhfe^e2 (CIGS)薄膜太陽電池中的吸收層Cuhfe^e2薄膜一樣，InxGa1^xN薄膜也是直接帶隙半導體，吸收系數高(其值的數量級達到105)，比Si、GaAs等高1 2個數量級，適合制備更薄、更輕，材料使用更少的高效薄膜太陽電池，尤其適合制備航天航空應用的太陽電池(盡可能地減輕重量)。2) ^ixGiVxN更適合制備高效多結串聯太陽電池。在同一沉積系統中，可通過改變 In含量，制備禁帶寬度在0. 6 3. 4eV范圍內連續變化的InxGai_xN，從而制備多結串聯的 InxGa1^xN太陽電池，比采用多種不同的半導體材料制備多結太陽電池(如CIGS太陽電池)更方便。而且，LxGiVxN的禁帶寬度在0. 6 3. 4eV范圍內可連續變化還能夠使組成LxGi^xN 電池的各P型、η型InxGai_xN材料的禁帶寬度達到理想組合，制備效率更高的太陽電池。理論計算得到結構為pHn^iihN/n-hxGiihN/襯底的雙結和三結LxGi^xN太陽電池的轉換效率分別為36. 6%和41. 3%，高于目前通常半導體材料太陽電池的理論值。3)InN、GaN的電子遷移率都較高，有利于減少載流子的復合，使太陽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族半導體合金材料串聯太陽電池應用的主要場所，而空間太陽電池退化的主要原因是由于質子和電子在幾電子伏特到幾億電子伏特的能量范圍內撞擊引起的。與GaAs^alnP等光伏材料相比，Mx^vxN在抵御高能粒子輻射方面具有更強的抗輻射能力，從而給在空間受到強輻射的高效太陽電池提高了巨大的應用潛力。本發明的優點是為了制備轉換效率高、抗輻射能力強的全太陽光譜材料系薄膜太陽電池，本發明提供了一種用于制備高效率薄膜太陽電池的具有較大帶隙的氮銦鎵 InxGa1^xN (χ為0. 05 0. 3)薄膜。氮銦鎵hxGai_xN提供了對應于太陽光譜幾乎完美的匹配帶隙，從而也為利用單一半導體材料來設計、制備更為高效的多結太陽電池提供了可能， 且其吸收系數高，載流子遷移率高，抗輻射能力強。具有較大帶隙的氮銦鎵InfahN (χ為 0. 05 0. 3)薄膜進行施主摻雜后成為η型半導體薄膜，用作氮銦鎵hxGai_xN薄膜太陽電池的窗口層。此外，本發明還公開了用于制備高效率薄膜太陽電池的具有較大帶隙的氮銦鎵Inx(;ai_xN (χ為0. 05 0. 3)薄膜的制備方法，該制備方法工藝條件方便易行，有利于大規模的推廣應用，尤其在太空及特殊場合中具有極其重要的應用前景。
附圖為在2英寸拋光p-Si (100)襯底上MOCVD沉積LxGi^xN薄膜時，X射線衍射 XRD的顯示圖。
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步的詳細說明。實施例1
1)對2英寸拋光P-Si (100)襯底表面進行表面等離子體清洗
在HHPEM0CVD的進樣室，2英寸拋光p_Si (100)襯底在氬氣和氮氣的混合氣體氛圍中進行等離子體處理，氬氣和氮氣的質量流量比為20:4、等離子體體清洗電源的燈絲電壓為 75V、加速電壓為110V。該處理保證了樣品表面的清潔和工藝的可靠性，同時也增強了隨后沉積的薄膜與襯底間的結合強度，而且氮氣對襯底表面的預處理有利于隨后沉積hx(iai_xN 薄膜時h與N的化合，從而有利于h在薄膜中的注入。
2 )沉積 InxGivxN 薄膜
把經過等離子體清洗后的P-Si (100)襯底送入HHPEM0CVD的沉積室，In源為三甲基銦 (TMh)、fei源為三甲基鎵(TMGa)、N源為氨氣(NH3),MOCVD工藝參數為本底真空度3X10_4 Pa、襯底旋轉臺轉速30Hz、等離子體源功率80W、N2流量MOsccm、NH3流量60sccm、工作壓強5. O Torr ；沉積過程中采用了順序生長Ga、In的方式，即先生長Ga，生長( 的工藝條件為( 源溫度22°C、載氣吐流量lkccm、襯底溫度760°C、沉積時間40分鐘，后生長In，生長h的工藝條件為 源溫度20°C、載氣吐流量^sccm、襯底溫度560°C、沉積時間90分鐘。所形成的LxGi^xN薄膜h含量為0. 1156，厚度為1. 16Mm。附圖為在2英寸拋光p-Si (100)襯底上MOCVD沉積LxGi^xN薄膜時，X射線衍射 XRD的顯示圖。圖中顯示，本發明在P-Si (100)襯底上MOCVD沉積所形成的Inx^vxN薄膜 In含量為0. 1156、厚度為1. 16Mm。實施例2
1)對2英寸藍寶石襯底表面進行表面等離子體清洗，具體為在HHPEM0CVD的進樣室，2 英寸藍寶石襯底在氬氣和氮氣的混合氣體氛圍中進行等離子體處理，氬氣和氮氣的質量流量比為20:4、等離子體體清洗電源的燈絲電壓為70V、加速電壓為100V。該處理保證了樣品表面的清潔和工藝的可靠性，同時也增強了隨后沉積的薄膜與襯底間的結合強度，而且氮氣對襯底表面的預處理有利于隨后沉積hxGai_xN薄膜時In與N的化合，從而有利于h在薄膜中的注入。2)沉積薄膜把經過等離子體清洗后的2英寸藍寶石襯底送入 HHPEM0CVD的沉積室，I η源為三甲基銦(TMh )，( 源為三甲基鎵(TMGa )，N源為氨氣(NH3)， MOCVD工藝參數為本底真空度3X 10_4 Pa、襯底旋轉臺轉速30Hz、等離子體源功率90W、N2 流量MOsccm、NH3流量65SCCm、工作壓強6. O Torr ；沉積過程中采用了順序生長Ga、In的方式，即先生長Ga，生長( 的工藝條件為( 源溫度22°C、載氣H2流量Hsccm、襯底溫度 820°C、沉積時間30分鐘，后生長In，生長h的工藝條件為1η源溫度22°C、載氣吐流量 27SCCm、襯底溫度530°C、沉積時間60分鐘。所形成的hxGai_xN薄膜h含量為0. 2239、厚度為 0. 86Mm。綜上所述，為了制備轉換效率高、抗輻射能力強的全太陽光譜材料系薄膜太陽電池，本發明提供了一種用于制備高效率薄膜太陽電池的具有較大帶隙的氮銦鎵hxGai_xN (χ 為0. 05 0. 3)薄膜。氮銦鎵hx(iai_xN提供了對應于太陽光譜幾乎完美的匹配帶隙，從而也為利用單一半導體材料來設計、制備更為高效的多結太陽電池提供了可能，且其吸收系數高，載流子遷移率高，抗輻射能力強。具有較大帶隙的氮銦鎵InxGai_xN(X為0. 05 0. 3) 薄膜進行施主摻雜后成為η型半導體薄膜，用作氮銦鎵hfahN薄膜太陽電池的窗口層。 此外，本發明還公開了用于制備高效率薄膜太陽電池的具有較大帶隙的氮銦鎵hxGai_xN (χ 為0. 05 0. 3)薄膜的制備方法，該制備方法工藝條件方便易行，有利于大規模的推廣應用，尤其在太空及特殊場合中具有極其重要的應用前景。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜，其特征在于化學分子式為hxGai_xN，式中χ為 0. 05 0. 3，該氮銦鎵薄膜，由襯底和該襯底表面形成的一層氮銦鎵薄膜構成，所述氮銦鎵薄膜的厚度為0. 6-1. 5Mm。
2.根據權利要求1所述具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜，其特征在于所述襯底為藍寶石、 SiC、Si或玻璃。
3.—種如權利要求1所述具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)在MOCVD沉積系統的進樣室中，對襯底表面進行表面等離子體清洗；2)在MOCVD沉積系統的沉積室中，采用磁控濺射工藝在襯底表面沉積一層氮銦鎵薄膜。
4.根據權利要求3所述具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜的制備方法，其特征在于所述 MOCVD沉積系統為高真空高溫等離子體增強金屬有機源化學氣相沉積(HHPEM0CVD)裝置， 設有兩個真空室，即進樣室和沉積室。
5.根據權利要求3所述具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜的制備方法，其特征在于所述對襯底表面進行等離子體清洗方法為在HHPEM0CVD的進樣室中，將襯底在氬氣和氮氣的混合氣體氛圍中進行等離子體處理，氬氣和氮氣的質量流量比為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。
6.根據權利要求3所述具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜的制備方法，其特征在于所述在襯底表面沉積一層氮銦鎵薄膜的磁控濺射工藝參數為本底真空度3X 10_4 Pa、襯底旋轉臺轉速30Hz、等離子體源功率80W、N2流量MOsccm、NH3流量60sccm、工作壓強5. O Torr ；沉積過程中采用了順序生長Ga、In的方式，即先生長Ga，生長( 的工藝條件為Ga源溫度 22°C、載氣壓流量lkccm、襯底溫度760°C、沉積時間40分鐘)，后生長In，生長h的工藝條件為1η源溫度20°C、載氣吐流量^sccm、襯底溫度520_600°C、沉積時間1_2小時。
全文摘要
一種具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜，其化學分子式為InxGa1-xN，式中x為0.05～0.3，該氮銦鎵薄膜，由襯底和該襯底表面形成的一層氮銦鎵薄膜構成，所述氮銦鎵薄膜的厚度為0.6-1.5μm；其制備方法是首先在MOCVD沉積系統的進樣室中，對襯底表面進行表面等離子體清洗，然后在MOCVD沉積系統的沉積室中，采用磁控濺射工藝在襯底表面沉積一層氮銦鎵薄膜。本發明的優點是具有較大帶隙的氮銦鎵薄膜，提供了對應于太陽光譜幾乎完美的匹配帶隙，為利用單一半導體材料來設計、制備更為高效的多結太陽電池提供了可能，且其吸收系數高，載流子遷移率高，抗輻射能力強；其制備方法工藝條件方便易行，有利于大規模推廣應用。
文檔編號C23C16/34GK102206812SQ20111008784
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者周凱, 姜舒博, 宋殿友, 朱亞東, 李石亮, 楊醒, 汪子涵, 牛偉凱, 王一, 王金飛, 薛玉明, 裴濤 申請人:天津理工大學