CC BY
26Решетневскце чтения
Схема установки очистки аргона от кислорода
O. I. Podkopaev JSC «Germanium», Russia, Krasnoyarsk
А. F. Shimanskiy, N. O. Molotkovskaya Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk
GROWTH OF GERMANIUM MONOCRYSTALS WITH THE MINIMUM CONTENT OF OXYGEN FOR A NANOELECTRONICS
A thermodynamic analysis of the dissolution process of oxygen in germanium during of crystal growth was carried out. The installation scheme for cleaning of the gas environment (for example, argon) from oxygen by means of high-temperature oxidation in pairs of magnesium was offered.
© Подкопаев О. И., Шиманский А. Ф., Молотковская Н. О., 2012
УДК 621.38
О. П. Пчеляков, А. К. Гутаковский, А. В. Латышев, В. М. Владимиров, Н. А. Паханов, В. В. Преображенский, М. А. Путято, Б. Р. Семягин Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Новосибирск
А. С. Паршин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
РАЗВИТИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
Создание высокоэффективных приборов микро-, нано- и фотоэлектроники на основе полупроводниковых наногетероструктур, состоящих из соединений III—V, выращенных на дешевых и прочных Б1-подложках, является одной из приоритетных задач современного полупроводникового материаловедения. Решение этой проблемы крайне важно и для развития высокоэффективной фотовольтаики.
Современные высокоэффективные солнечные элементы (СЭ) представляют собой сложные многослойные гетеросистемы с КПД до 40 % при интенсив-ностях солнечного излучения в несколько сотен солнц. Они состоят из трех основных /»-«-переходов выполненных из ве, InGaAs, 1пваР, соединенных по-
следовательно туннельными диодами. Поскольку эти материалы совместимы по постоянной кристаллической решетки, гетероструктуры для СЭ на их основе выращиваются в едином ростовом процессе на германиевом /-«-переходе-подложке или на арсениде галлия. В перспективе крайне желательно заменить доро-
Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли
гие и тяжелые подложки Ge и GaAs на дешевые и легкие кремниевые пластины. От решения этой задачи зависит дальнейший прогресс в фотовольтаике. Основной проблемой на этом пути является большое (~4 %) рассогласование постоянных решетки кремния с наиболее пригодными и технологически отработанными материалами для каскадных СЭ, такими как GaAs, AlGaAs, InGaP, Ge и др., имеющими значения запрещенных зон Eg, близкие в комбинации к оптимальным для эффективного преобразования солнечной энергии. Кроме того, они имеют еще большее, до 50 % рассогласование коэффициентов термического расширения. Это обстоятельство не позволяет пока получать на Si высококачественные (с большим временем жизни и подвижностью неосновных носителей заряда) слои полупроводниковых соединений III—V, что является совершенно необходимым условием для снижения стоимости и повышения эффективности СЭ.
К настоящему времени наметилось два пути решения задачи создания СЭ на активной подложке кремния.
Первый путь - разработка методов получения новых материалов с нужными ширинами запрещенных зон Eg и при этом согласованными по параметру решетки с Si. В мире ведутся весьма интенсивные исследования в этом направлении, связанные в основном с использованием азот-содержащих соединений AIII-N-BV [1]. Наиболее подходящим для этих целей считается четверной твердый раствор GaNr(PxAs1-x)1->,. Ширина запрещенной зоны этого материала, в зависимости от соотношения компонентов, может изменяться от 1,5 до 2,0 эВ при полном согласовании параметра решетки с Si-подложкой. При этом GaNy(PxAs1-x)1-r является квази-прямозонным полупроводником с подходящим для СЭ спектром поглощения. Однако электрофизические параметры таких материалов, и прежде всего диффузионная длина неосновных носителей заряда, остаются крайне низкими по сегодняшний день. Более того, по мнению ведущих специалистов, вопрос о возможности их улучшения остается открытым. Последнее обстоятельство ставит под сомнение перспективность этого направления в принципе.
Второй путь - это создание на кремнии буферного слоя SixGe1-x с «выходом» на постоянную решетки Ge, которая очень близка к постоянной решетки соответствующих AIIIBV твердых растворов. Этот маршрут в принципе позволяет выращивать на монокристаллических кремневых подложках достаточно высококачественные слои AIIIBV с большими значениями диффузионных длин неосновных носителей заряда и, следовательно, КПД СЭ. Работы в этом направлении ведутся также достаточно широко. Уже получены первые однокаскадные СЭ на основе GaAs/SixGe1-x/Si гетероструктур с использованием таких буферных слоев.
Отметим однако, что этот подход имеет принципиальный недостаток. И состоит он в том, что буферный слой SixGe1-x, толщина которого не менее 10 микрон, непрозрачен в спектральной области эффектив-
ного фотопреобразования в кремнии. Поэтому 81, который сам по себе может использоваться как весьма эффективный элемент многокаскадного СЭ, в данном случае выступает просто как инертная несущая подложка. В каскадном СЭ крайне желательно использовать 81 как активный слой. Для этого необходим буферный слой, согласующий постоянные решетки подложки и структуры СЭ. И этот буфер должен быть прозрачным в спектральной области фоточувствительности 81. Поэтому нами выбран третий путь, а именно: использование градиентных буферных слоев на основе широкозонных твердых растворов ЛШБУ (Л^аьхЛБ, ¡п^а^Р, GaP>,As1_>,). При соответствующем составе они прозрачны в области спектральной чувствительности кремния и позволяют «выйти» на постоянную решетки GaЛs, что даст возможность выращивать на них изорешеточные с GaЛs соединения, Л^а^ЛБ, ¡п^а^Р^ЛБ^, ¡п^ЛЮа^Р, хорошо отработанные в настоящее время для высокоэффективных СЭ. При постоянной решетки GaЛs эти твердые растворы имеют Eg, близкие к оптимальным для более полного охвата всего диапазона солнечного спектра. Комбинация вышеперечисленных материалов с активным 81 позволит создать одни из самых эффективных архитектур двух- и трехкаскадных СЭ, о реальной разработке которых можно говорить в настоящее время. Так ожидаемый кпд для двухкаскадного СЭ ЛЮаЛБ/81 или МаР/81 (с Eg 1,7/1,1-1,8/1,1 эВ) составляет 44 %. Для трехкаскадного InGaP/GaЛs/81 (с Eg 1,81/1,4/1,1 эВ) ожидаемый кпд возрастает до 47 %.
Отметим, что для полученных к настоящему времени СЭ на дорогих и тяжелых Ge или GaЛs подложках ожидаемые (т. е. которые рассчитывают реально достигнуть) КПД составляют для двухкаскадного InGaP/GaЛs до 38 %, а для трехкаскадного InGaP/GaЛs/Ge до 44 %. Таким образом, эффективность каскадных СЭ на активной кремниевой подложке может быть выше эффективности СЭ на германии при одинаковом числе каскадов. Ключевым и наиболее проблемным моментом при создании таких сверхэффективных каскадных СЭ на активном кремнии является отработка технологии получения методами МЛЭ «прозрачного» буферного слоя на основе твердых растворов ЛШа^ЛБ, 1п^а1-хР, ЛЦп^Р или GaP>Лs1->, с плотностью дислокаций менее 106 см 2. При этом слои должны иметь гладкую поверхность и при толщине более 1мкм. В нашей работе убедительно показана возможность решения данной проблемы путем выращивания гетероструктур GaЛs/GaP/81 с применением на начальной стадии роста нанотехно-логии атомно-слоевой эпитаксии. Результаты наших исследований показали, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии можно выращивать пленки GaЛs на подложках 81 с плотностью прорастающих дислокаций менее 106 см-2, что соответствует лучшим мировым достижениям. Проведено сравнение характеристик GaЛs солнечных элементов сформированных на подложках GaЛs и 81. Намечены пути оптимизации технологии для дальнейшего улучшения свойств структур GaЛs/81.
Решетневские чтения
O. P. Pchelyakov, A. K. Gutakovsky, A. V. Latyshev, V. M. Vladimirov, N. A. Pachanov, V. V. Preobrazhensky, M. A. Putyato, B. R. Semyagin Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, SB RAS, Russia, Novosibirsk
A. S. Parshin
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk
DEVELOPMENT OF SEMICONDUCTOR SPACE NANOTECHNOLOGIES TO OBTAIN HIGH EFFICIENCY SOLAR BATTERIES
Creation of high efficiency devices of micro-, nano- and photoelectronics based on semiconductor heteronanostructures consisting of III-V compounds, grown on cheap and permanent Si underlayers, is one of key assignments of modern semiconductor material engineering. The problem solution is dramatically important to develop high efficiency PV.
© Пчеляков О. П., Гутаковский А. К., Латышев А. В., Владимиров В. М., Паршин А. С., Паханов Н. А., Преображенский В. В., Путято М. А., Семягин Б. Р., 2012
УДК 583.975 + 621.318.1
В. А. Семячков, В. С. Жигалов, В. Г. Мягков Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
Г. Н. Бондаренко, И. В. Немцев Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск
ПОЛУЧЕНИЕ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ПЛЕНОК FePd-МЕТОДОМ АЛЮМОТЕРМИИ
Представлен способ получения гранулированных пленок ЕвРй. Показаны фазовые превращения и магнитные свойства слоистых структур ЕвРй при окислении и восстановлении алюминием. В результате реакции в системе формируются три фазы: ЕвРй3(001), ЕвРй3(200), а-Л120з. Начальная температура инициирования твердофазного синтеза при восстановлении оксида железа составляет 400 °С. Исследования магнитных свойств фаз показали, что в образце с увеличением температуры отжига возрастает намагниченность насыщения. Получено изображение поверхности пленки с помощью электронного микроскопа. Результаты работы имеют как научное, так и прикладное значение.
Гранулированные тонкие пленки являются особым классом пленочных образцов со специфическими свойствами. Управляя размерами структурных образований, изменяя материалы матрицы и межзеренные расстояния между гранулами можно в широких пределах варьировать свойства пленок. Окисление и последующее восстановление алюминием пленок L10-FePd позволяет получать гранулированные тонкие пленки со значительно отличающимися структурными, магнитными, электрическими свойствами. В данной работе эти свойства исследуются в связи с их возможностью применения для высокоплотной магнитной записи.
В качестве исходных образцов была изготовлена серия пленок Fe/Pd методом электронной бомбардировки тигельных испарителей с кольцевым катодом на подложках из монокристаллического М^О с атомным соотношением железа и палладия 1 : 1. Образцы изготавливались в вакууме 10-6 торр на установке напыления УВН-2М-1. Исходные образцы подверга-
лись термическому отжигу при Т = 550 °С. После отжига из слоистой структуры Fe/Pd формировалась высокоанизотропная фаза L10-FePd с тетрагональной решеткой. Рентгеновский спектр имеет сверхструктурный рефлекс, а также рефлексы от различных ори-ентаций поверхностей FePd(001), FePd(200), FePd(002) [1].
Синтезированные пленки окислялись на воздухе до полного исчезновения намагниченности, затем был нанесен слой А1 с толщиной 40 нм, что соответствовало эквивалентному атомному соотношению с железом. Полученные структуры подвергались последовательному термическому отжигу в диапазоне от 300 до 700 оС с шагом в 50° и выдержкой при каждой температуре в течение 30 мин. После каждого отжига проводились рентгеновские и магнитные измерения, были получены изображения поверхности образца с помощью электронного микроскопа.
Окисление на воздухе полученного образца L10-FePd и последующее напыление А1 приводит к
