Si上銻化物的MOCVD成核生長(zhǎng)特性研究及熱光伏器件結(jié)構(gòu)模擬

【摘要】：銻化物材料作為窄禁帶直接帶隙半導(dǎo)體,具有較小的禁帶寬度和載流子有效質(zhì)量,較大的電子飽和漂移速度及電子遷移率等優(yōu)良的光電性能,在紅外激光器、光電探測(cè)器、熱光伏電池以及高速電子晶體管等方面具有重要應(yīng)用。不過(guò)銻化物襯底價(jià)格高、半絕緣襯底難制備、晶格常數(shù)大導(dǎo)致其難于異質(zhì)外延,其應(yīng)用因此受到了很大限制。而Si材料經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,在集成電路相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展日益成熟,具有材料價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛、晶圓尺寸大、加工工藝成熟等優(yōu)勢(shì)。因此將銻化物材料與Si材料相結(jié)合發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)具有非常巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。本文利用MOCVD技術(shù)首先研究了Si上Ga Sb的初期成核,分別從生長(zhǎng)參數(shù)(生長(zhǎng)溫度、氣相III/V、有機(jī)源輸入量)、過(guò)程參數(shù)(生長(zhǎng)時(shí)間、退火時(shí)間)以及其他相關(guān)參數(shù)對(duì)Ga Sb初期成核的形貌和數(shù)量的影響,并從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度分析研究其中所涉及的成核機(jī)理。其次在Ga Sb襯底上制備了In Ga Sb薄膜,分別從生長(zhǎng)溫度、氣相V/III和氣相Ga/III等生長(zhǎng)參數(shù)研究了其對(duì)薄膜的表面形貌、結(jié)晶質(zhì)量、材料組分等性質(zhì)的影響。另外,使用PC1D軟件,結(jié)合Si、Ga Sb和In Ga Sb材料設(shè)計(jì)、模擬并優(yōu)化了Ga Sb/Ga In Sb單結(jié)和雙結(jié)(疊層)熱光伏電池,分析了電池中各層參數(shù)對(duì)單結(jié)和雙結(jié)疊層電池的輸出特性的影響,并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)。 【關(guān)鍵詞】：銻化物 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 成核 熱光伏電池 模擬
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN304.055;TM914
【目錄】：

• 內(nèi)容提要4-8
• 第一章 緒論8-30
• 1.1 III-V族銻化物半導(dǎo)體材料8-13
• 1.1.1 銻化物材料基本性質(zhì)8-10
• 1.1.2 銻化物材料的相關(guān)應(yīng)用10-11
• 1.1.3 銻化物材料結(jié)構(gòu)特性及制備技術(shù)11-13
• 1.2 Si上銻化物外延生長(zhǎng)13-20
• 1.2.1 Si上銻化物應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)勢(shì)13
• 1.2.2 Si基銻化物外延生長(zhǎng)的主要困難13-19
• 1.2.3 Si上銻化物的研究進(jìn)展19-20
• 1.3 銻化物熱光伏電池20-27
• 1.3.1 熱光伏技術(shù)簡(jiǎn)介20-23
• 1.3.2 熱光伏技術(shù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域23-25
• 1.3.3 銻化物半導(dǎo)體在熱光伏電池中的應(yīng)用25-27
• 1.4 本論文的主要研究工作27-30
• 第二章 銻化物的MOCVD外延技術(shù)及材料表征方法30-48
• 2.1 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)介紹30-32
• 2.1.1 金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積技術(shù)簡(jiǎn)介30-32
• 2.1.2 MOCVD技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)32
• 2.2 銻化物的MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)32-41
• 2.2.1 MOCVD技術(shù)制備銻化物材料的主要困難32-35
• 2.2.2 MOCVD系統(tǒng)組成35-41
• 2.3 銻化物材料的相關(guān)表征方法41-47
• 2.3.1 原子力顯微鏡（AFM）41-43
• 2.3.2 X射線(xiàn)衍射儀（XRD）43-47
• 2.3.3 金相顯微鏡47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 第三章 GaSb/Si的成核機(jī)理及結(jié)構(gòu)特征研究48-82
• 3.1 GaSb/Si成核過(guò)程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方案48-49
• 3.2 生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)GaSb/Si成核過(guò)程的影響49-64
• 3.2.1 生長(zhǎng)溫度對(duì)GaSb/Si成核過(guò)程的影響49-55
• 3.2.2 氣相V/III比對(duì)GaSb/Si成核過(guò)程的影響55-59
• 3.2.3 有機(jī)源輸入量對(duì)GaSb/Si初期成核的影響59-64
• 3.3 過(guò)程參數(shù)對(duì)GaSb/Si初期成核的影響64-72
• 3.3.1 生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)GaSb/Si初期成核的影響64-68
• 3.3.2 退火時(shí)間對(duì)GaSb/Si初期成核的影響68-72
• 3.4 襯底表面結(jié)構(gòu)對(duì)GaSb/Si初期成核的影響72-78
• 3.4.1 襯底表面銻化處理對(duì)GaSb初期成核的影響72-74
• 3.4.2 襯底表面鎵化處理對(duì)GaSb初期成核的影響74-76
• 3.4.3 Si襯底晶面指數(shù)對(duì)GaSb/Si初期成核的影響76-78
• 3.5 本章小結(jié)78-82
• 第四章 InxGa1-x Sb薄膜MOCVD制備及其生長(zhǎng)特性研究82-104
• 4.1 Inx Ga1-x Sb材料的基本性質(zhì)及應(yīng)用82-84
• 4.2 InGaSb外延層的制備生長(zhǎng)84-85
• 4.3 InGaSb外延層晶體質(zhì)量的表征與分析85-102
• 4.3.1 生長(zhǎng)溫度的影響85-90
• 4.3.2 氣相V/III比的影響90-96
• 4.3.3 氣相Ga/III比的影響96-102
• 4.4 本章小結(jié)102-104
• 第五章 GaSb/InGaSb熱光伏電池的模擬及優(yōu)化104-154
• 5.1 熱光伏電池模型及模擬分析方法104-109
• 5.1.1 熱光伏電池的物理模型104-106
• 5.1.2 熱光伏電池基本性能參數(shù)106-109
• 5.2 熱光伏電池器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料參數(shù)109-118
• 5.2.1 熱光伏電池器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)109-112
• 5.2.2 熱光伏電池材料相關(guān)參數(shù)112-118
• 5.3 GaSb和InGaSb單結(jié)熱光伏電池特性模擬計(jì)算118-137
• 5.3.1 熱光伏電池P-N結(jié)構(gòu)的選擇118
• 5.3.2 GaSb單結(jié)熱光伏電池的模擬分析118-128
• 5.3.3 InGaSb單結(jié)熱光伏電池的模擬分析128-137
• 5.4 GaSb/InGaSb雙結(jié)疊層熱光伏電池特性的模擬計(jì)算137-150
• 5.5 GaSb/InGaSb雙結(jié)疊層熱光伏電池的優(yōu)化結(jié)果150-152
• 5.6 本章小結(jié)152-154
• 結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)154-158
• 參考文獻(xiàn)158-172
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文172-174
• 致謝174-175
• 中文摘要175-178
• Abstract178-181

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