MOCVD脉冲生长对InGaN太阳能电池材料的影响

贾文博，李培咸，周小伟，杨 扬

(西安电子科技大学 技术物理学院，陕西 西安710071)

作为III－V族化合物半导体太阳电池材料中的新成员，InGaN材料具有在禁带宽度0.7～3.4 eV范围内连续可调，几乎覆盖整个太阳光谱等一系列优点［1］，引起业内广泛关注。用于太阳能电池的InGaN材料，要求质量好，而且In的组分可变，太阳能可见光部分的波长在380～780 nm，而且蓝绿光占的比重最大，所以生长对应In组分的高质量InGaN材料成为了核心问题［1］，但是，对于铟镓氮材料的生长存在较多问题，例如结晶质量差，难以得到高的In组分合金、相分离和In的析出［3］等。文中通过对InGaN材料生长方式的改变，研究脉冲生长对InGaN材料的结晶质量、组分和In的析出进行分析。

1 实验

文中的样品均由西安电子科技大学宽禁带半导体国家重点实验室自主设计的120型MOCVD设备上进行生长，为在高质量的GaN上生长，样品的结构都是在蓝宝石衬底上620℃生长一层低温氮化铝成核层，然后在1 060～1 075℃生长薄层高温氮化铝［2］，在940℃生长1.4μm的氮化镓，所有的铟镓氮都是在这一层氮化镓上面生长的。TEGa和TMIn分别为Ga源和In源，NH3为N源。通入的Ⅴ－Ⅲ比较高，是为了提高铟的组分［5］。

样品1:直接生长InGaN，NH3流量为1 500 sccm，TEGa的摩尔流速为6.984×10－6mol/min，TMIn的摩尔流速为9.773×10－6mol/min。样品2:是脉冲生长InGaN，流量和样品1完全一致，生长的方式是分别通入NH3，TEGa，NH3，TMIn各6 s，样品1和样品2都在720℃下生长，压力为200 torr(1 torr=133 Pa)，样品结构如图1所示。

图1 样品生长结构

2 结果与讨论

样品1的XRD数据如图2所示。

样品2的XRD数据如图3所示。

由上述XRD样品的结果可以看出，直接生长的InGaN样品具有更高的In组分，720℃下的In组分达到了13%，而脉冲生长的组分则相对较多，如图3所示，InGaN和GaN的峰位较接近，表明In的含量微小。但是直接生长出现了In析出现象，而同样生长条件使用脉冲法生长的InGaN则看不到In的析出，这说明脉冲生长方法对In滴的形成有一定的抑制作用。这是因为，In滴的形成与In在气氛中的浓度有关［3］，当采用脉冲方法生长时，在生长表面的In的浓度要低于常规生长，降低了In滴形成的可能性。

对于In的组分降低原因:第一，由于是分时通入，在生长过程中，In的浓度要低于直接生长.第二，由于In－N键较弱，且In的迁移能力较强，在620℃时不稳定。当通入In源之后的3个周期，已经成键的In－N键有一部分会重新分解，逆反应发生，从而也降低了In的并入，生长速率也会变慢。

由于样品2的InGaN峰和氮化镓本征的峰交叠严重，难以通过半高宽来表征材料质量，只有通过PL谱看材料的质量［6］，由于太阳能电池要吸收太阳光产生电子—空穴对，所以用PL谱来表征InGaN的质量也是很好的一种手段。图4是样品1的PL图谱。

从PL谱的数据可以看出，脉冲生长的铟镓氮的结晶质量明显好于直接生长，峰位也相对直接生长有蓝移，表明组分比直接生长的低，这与XRD的测试结果相符。

这是由于，脉冲法会减少预反应的发生。由于InN反应在低温下可以进行，所以在常规生长中，In原子会有一部分在未到生长面时就已和N原子反应生成氮化铟颗粒，这些颗粒会在材料生长中形成大量的缺陷，影响结晶质量［4］。而脉冲法采取了NH3，Ga源和In源分别间断的通入，减少了预反应，从而提高了结晶质量。

3 结束语

脉冲生长对于提高In的组分不利，由于间歇的通入，反应室中参与反应的In含量变得更低，使得组分降低。但是也正由于反应室中In浓度的降低，In滴被抑制，而且脉冲生长降低了预反应，对于材料的结晶质量有较好地提升。

［1］ 林硕.InGaN基超高效率太阳能电池理论研究［D］.南宁:广西大学，2009.

［2］ 倪金玉.GaN薄膜表面形貌与AlN成核层生长参数的关系［J］.固体电子学研究与进展，2011，31(1):9－12.

［3］ 陈珂.InGaN InN及其异质结构材料生长与特性研究［D］.西安;西安电子科技大学，2011.

［4］DUAN Huantao，HAO Yue，ZHANG Jincheng.Effect of a high temperature AlN buffer layer grown by initially alternating supply of ammonia on AlGaN/GaN heterostuctures［J］.Journal of Semiconductors，2009，30(9):1－4.

［5］GUO Y，LIU X L，SONG H P，et al.A study of indium incorporation in In－rich InGaN grown by MOVPE［J］.Apply Surface Science，2010，256(10):3352－3356.

［6］ 王明月.GaN光致发光谱与穿透位错特性研究［D］.重庆:重庆师范大学，2009.