Si上锑化物的MOCVD成核生长特性研究及热光伏器件结构模拟

【摘要】：锑化物材料作为窄禁带直接带隙半导体,具有较小的禁带宽度和载流子有效质量,较大的电子饱和漂移速度及电子迁移率等优良的光电性能,在红外激光器、光电探测器、热光伏电池以及高速电子晶体管等方面具有重要应用。不过锑化物衬底价格高、半绝缘衬底难制备、晶格常数大导致其难于异质外延,其应用因此受到了很大限制。而Si材料经过多年发展,在集成电路相关领域发展日益成熟,具有材料价格低廉、来源广泛、晶圆尺寸大、加工工艺成熟等优势。因此将锑化物材料与Si材料相结合发挥各自优势具有非常巨大的发展潜力和应用前景。本文利用MOCVD技术首先研究了Si上Ga Sb的初期成核,分别从生长参数(生长温度、气相III/V、有机源输入量)、过程参数(生长时间、退火时间)以及其他相关参数对Ga Sb初期成核的形貌和数量的影响,并从热力学和动力学的角度分析研究其中所涉及的成核机理。其次在Ga Sb衬底上制备了In Ga Sb薄膜,分别从生长温度、气相V/III和气相Ga/III等生长参数研究了其对薄膜的表面形貌、结晶质量、材料组分等性质的影响。另外,使用PC1D软件,结合Si、Ga Sb和In Ga Sb材料设计、模拟并优化了Ga Sb/Ga In Sb单结和双结(叠层)热光伏电池,分析了电池中各层参数对单结和双结叠层电池的输出特性的影响,并根据模拟结果优化器件结构。 【关键词】：锑化物 金属有机化学气相沉积 成核 热光伏电池 模拟
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.055;TM914
【目录】：

• 内容提要4-8
• 第一章 绪论8-30
• 1.1 III-V族锑化物半导体材料8-13
• 1.1.1 锑化物材料基本性质8-10
• 1.1.2 锑化物材料的相关应用10-11
• 1.1.3 锑化物材料结构特性及制备技术11-13
• 1.2 Si上锑化物外延生长13-20
• 1.2.1 Si上锑化物应用领域及优势13
• 1.2.2 Si基锑化物外延生长的主要困难13-19
• 1.2.3 Si上锑化物的研究进展19-20
• 1.3 锑化物热光伏电池20-27
• 1.3.1 热光伏技术简介20-23
• 1.3.2 热光伏技术技术优势和应用领域23-25
• 1.3.3 锑化物半导体在热光伏电池中的应用25-27
• 1.4 本论文的主要研究工作27-30
• 第二章 锑化物的MOCVD外延技术及材料表征方法30-48
• 2.1 金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术介绍30-32
• 2.1.1 金属有机源化学气相沉积技术简介30-32
• 2.1.2 MOCVD技术的特点及优势32
• 2.2 锑化物的MOCVD生长技术32-41
• 2.2.1 MOCVD技术制备锑化物材料的主要困难32-35
• 2.2.2 MOCVD系统组成35-41
• 2.3 锑化物材料的相关表征方法41-47
• 2.3.1 原子力显微镜（AFM）41-43
• 2.3.2 X射线衍射仪（XRD）43-47
• 2.3.3 金相显微镜47
• 2.4 本章小结47-48
• 第三章 GaSb/Si的成核机理及结构特征研究48-82
• 3.1 GaSb/Si成核过程的实验设计与实验方案48-49
• 3.2 生长参数对GaSb/Si成核过程的影响49-64
• 3.2.1 生长温度对GaSb/Si成核过程的影响49-55
• 3.2.2 气相V/III比对GaSb/Si成核过程的影响55-59
• 3.2.3 有机源输入量对GaSb/Si初期成核的影响59-64
• 3.3 过程参数对GaSb/Si初期成核的影响64-72
• 3.3.1 生长时间对GaSb/Si初期成核的影响64-68
• 3.3.2 退火时间对GaSb/Si初期成核的影响68-72
• 3.4 衬底表面结构对GaSb/Si初期成核的影响72-78
• 3.4.1 衬底表面锑化处理对GaSb初期成核的影响72-74
• 3.4.2 衬底表面镓化处理对GaSb初期成核的影响74-76
• 3.4.3 Si衬底晶面指数对GaSb/Si初期成核的影响76-78
• 3.5 本章小结78-82
• 第四章 InxGa1-x Sb薄膜MOCVD制备及其生长特性研究82-104
• 4.1 Inx Ga1-x Sb材料的基本性质及应用82-84
• 4.2 InGaSb外延层的制备生长84-85
• 4.3 InGaSb外延层晶体质量的表征与分析85-102
• 4.3.1 生长温度的影响85-90
• 4.3.2 气相V/III比的影响90-96
• 4.3.3 气相Ga/III比的影响96-102
• 4.4 本章小结102-104
• 第五章 GaSb/InGaSb热光伏电池的模拟及优化104-154
• 5.1 热光伏电池模型及模拟分析方法104-109
• 5.1.1 热光伏电池的物理模型104-106
• 5.1.2 热光伏电池基本性能参数106-109
• 5.2 热光伏电池器件结构设计与材料参数109-118
• 5.2.1 热光伏电池器件结构设计109-112
• 5.2.2 热光伏电池材料相关参数112-118
• 5.3 GaSb和InGaSb单结热光伏电池特性模拟计算118-137
• 5.3.1 热光伏电池P-N结构的选择118
• 5.3.2 GaSb单结热光伏电池的模拟分析118-128
• 5.3.3 InGaSb单结热光伏电池的模拟分析128-137
• 5.4 GaSb/InGaSb双结叠层热光伏电池特性的模拟计算137-150
• 5.5 GaSb/InGaSb双结叠层热光伏电池的优化结果150-152
• 5.6 本章小结152-154
• 结论及创新点154-158
• 参考文献158-172
• 攻读博士学位期间发表的论文172-174
• 致谢174-175
• 中文摘要175-178
• Abstract178-181

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