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Aug 13, 2023

Al 어닐링에 의한 SiGe 필름의 에피택셜 성장

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14770(2022) 이 기사 인용 1785 액세스 1 인용 22 Altmetric Metrics 세부 정보

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14770(2022) 이 기사 인용

1785 액세스

1 인용

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결정질 실리콘에 대면적 반도체를 구현하기 위한 간단하고 저렴한 비진공 에피택시 성장 방법은 다양한 응용 분야의 판도를 바꿀 것입니다. 예를 들어, 고가의 게르마늄 기판을 Si 기반의 실리콘-게르마늄(SiGe)으로 교체할 수 있다면 대규모 III-V 다중접합 태양전지 비용에 대한 파괴적인 효과를 기대할 수 있습니다. SiGe 에피택셜 성장을 위해 우리는 스크린 인쇄 및 후속 어닐링을 위해 원래의 Al-Ge 페이스트를 사용하는 프로세스를 개발하려고 시도했습니다. 우리는 각 입자의 조성이 균일한 Al-Ge 합금 페이스트와 Al-Ge 혼합 페이스트를 포함한 두 가지 페이스트를 비교합니다. 우리는 Al-Ge 합금 페이스트가 잔류 페이스트가 훨씬 적은 더 평평한 SiGe 필름을 형성할 수 있다는 사실을 현장 관찰을 통해 뒷받침했습니다. 합금 페이스트의 균일하고 충분한 용해가 이러한 원인이며 500°C에서 어닐링하여 평균 Ge 조성이 더 높아졌습니다. SiGe의 조성은 최상부 표면에서 최대 ~90%까지 수직으로 등급이 매겨졌습니다. 이러한 결과는 Si 위에 Al-Ge 합금 페이스트를 인쇄하고 소성하는 것이 SiGe의 에피택셜 성장을 위한 바람직하고 간단하며 고속 공정임을 보여주며, 이는 잠재적으로 III-V 반도체와 격자 정합된 가상 기판으로 사용될 수 있습니다.

결정질 실리콘 태양전지는 광전지 시장에 널리 보급되어 있지만 변환 효율은 Shockley-Queisser 한계에 근접하고 있습니다1. 이론적 상한을 극복하기 위해 다양한 밴드갭을 갖는 III-V 반도체를 결합하여 다중접합 태양전지가 개발되었습니다. 이 아키텍처는 태양전지2 중 가장 높은 효율을 제공하며 주로 공간 활용을 위해 상용화되었습니다. 초기 연구에서는 농축기 InGaP/InGaAs/Ge 셀3의 경우 변환 효율이 40.7%에 도달했고 삼중 접합 InGaP/GaAs/InGaAs 셀4에서는 37.9%에 도달했습니다. 또한 6개 접합 III-V 태양전지는 1개 태양의 경우 39.2%, 143개 태양의 경우 47.1%의 변환 효율에 도달했습니다5.

그러나 Ge나 GaAs 등 하부 셀로 사용되는 기판 재료는 가격이 상당히 비싸고 산업적 관점에서 넓은 면적을 구현하기가 어렵습니다. Si 기판은 제조 비용이 저렴하고 결정성이 높기 때문에 대규모 다중접합 태양전지 구현에 바람직합니다6. 따라서 Si 기판의 III-V 화합물 태양전지는 20년 이상 동안 지속적인 관심을 받아왔습니다7. 현재, GaInP/GaAs/Si의 1 태양 삼중 접합에 의해 32.6%12, 33%13, 35.9%14와 같은 웨이퍼 본딩8,9 또는 기계적 적층10,11로 제작된 Si에서 높은 태양광 전환 효율이 입증되었습니다. 세포.

한편, Si 기판과 III-V 반도체 사이에는 큰 격자 불일치가 존재합니다. 이로 인해 스레딩 전위가 발생하여 소수 캐리어 수명이 감소하고 셀의 개방 회로 전압이 낮아집니다. 각 셀과의 격자 정합을 위해 Si 기판 위의 실리콘-게르마늄(SiGe) 필름은 모든 상대 농도에서 고용체로 인해 격자 상수 및 밴드갭의 제어 가능성이 주목받고 있습니다. 상부 셀과 좁은 간격의 격자 매칭은 Ge 함량을 82%17 이상 증가시킴으로써 실현될 수 있습니다. 또한 SiGe는 저렴하고 환경 친화적이며 화학 기상 증착(CVD) 또는 분자 빔 에피택시(MBE)로 제조할 수 있습니다. 그러나 SiH4, GeH420,21,22 등의 유독가스나 초고진공이 필요하고 시간도 많이 걸린다. 일반적으로 Si와 SiGe 사이에는 격자 불일치가 여전히 존재하며 SiGe 등급 버퍼 층은 전위 밀도를 줄이기 위해 SiGe 바닥 셀 아래에 자주 사용됩니다. 이전 연구에서 AmberWave가 개발한 SiGe 버퍼층 위에 제작된 SiGe 바닥 셀은 격자 정합 III-V 에피택셜 층의 핵생성을 위한 저전위 인터페이스를 제공했습니다. 이 격자 일치 탠덤 구조는 Si에서 성장한 GaAsP/SiGe 이중 접합 태양 전지에 의해 20.6%의 변환 효율에 도달했으며, GaAsP의 20% P는 SiGe23의 ~82% Ge와 격자를 일치시킵니다.