In_xGa_(1-x)SbGaSb異質(zhì)結(jié)構(gòu)的MOCVD生長及其熱光伏電池的設(shè)計(jì)和模擬

1、In_xGa_(1-x)Sb/GaSb異質(zhì)結(jié)構(gòu)的 MOCVD生長及其熱光伏電池的設(shè)計(jì)和模擬InxGa1-xSb 材料是銻化物材料體系的代表之一，具有獨(dú)特的能帶特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)禁帶寬度Eg 從 0.170.72eV 的連續(xù)變化，相對應(yīng)的波長覆蓋了35m的中紅外大氣窗口， 廣泛的應(yīng)用于紅外探測、 光纖通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域， 它與 GaSb組成 InxGa1-xSb/GaSb 異質(zhì)結(jié)體系是制備中紅外波段的探測器、紅外激光器、熱光伏電池等光電子器件的首要選擇。鑒于此，需迫切對InxGa1-xSb 材料和InxGa1-xSb/GaSb 異質(zhì)結(jié)體系展開深入研究。本論文一方面利用 MOCVD制備 InxGa1-x

2、Sb/GaSb異質(zhì)結(jié)并研究了其外延特性，另一方面探索了該異質(zhì)結(jié)在熱光伏領(lǐng)域的應(yīng)用，通過計(jì)算機(jī)模擬仿真， 設(shè)計(jì)出了中間能帶熱光伏電池并利用Silvaco/TCAD 軟件對其進(jìn)行模擬優(yōu)化。InxGa1-xSb/GaSb 的 MOCVD外延生長研究包含三部分： 第一部分是探索氫氣和氮?dú)夥謩e作為載氣對InxGa1-xSb/GaSb 的 MOCVD生長的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 作為載氣，氫氣比氮?dú)飧m合InxGa1-xSb/GaSb 外延層的 MOCVD制備；第二部分是研究生長溫度對 InxGa1-xSb/GaSb 外延層生長特性的影響， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，外延層中In

3、的固溶量降低，但外延層的結(jié)晶質(zhì)量得到了提高。隨后，對這一結(jié)果進(jìn)行了深入的分析。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明MOCVD制備 InxGa1-xSb/GaSb 外延層的溫度窗口為450500，其中 480是一個(gè)比較適合的生長溫度；第三部分是研究氣相Ga/III比對 InxGa1-xSb/GaSb 外延層生長特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨氣相Ga/III比從 0.10.9 范圍內(nèi)逐漸增加，InxGa1-xSb/GaSb 外延層的結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌得到了提高和改善，且利用In的分配系數(shù)進(jìn)行了相關(guān)分析。計(jì)算機(jī)模擬仿真內(nèi)容包含兩部分：一部分是中間能帶熱光伏電池的設(shè)計(jì)，另一部分是利用Silvaco/TCAD 對設(shè)計(jì)

4、出來的中間能帶熱光伏電池進(jìn)行模擬和優(yōu)化。在器件的設(shè)計(jì)部分中， 首先詳細(xì)闡述了中間能帶熱光伏電池細(xì)致平衡理論模型以及其為熱光伏器件設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，其次利用中間能帶熱光伏電池的細(xì)致平衡理論計(jì)算中間能帶熱光伏電池的細(xì)致平衡效率，獲得在達(dá)到細(xì)致平衡效率時(shí)中間能帶的能量。通過理論計(jì)算當(dāng)熱輻射體溫度為1300K,中間能帶熱光伏電池的工作溫度為300K時(shí)，得到器件的細(xì)致平衡效率為45.4%，對應(yīng)的中間能帶為ECI 為 0.13eV，EIV 為 0.58eV。按照中間能帶熱光伏電池細(xì)致平衡理論的結(jié)果，展開器件的設(shè)計(jì)。利用量子尺寸效應(yīng)，通過選擇在GaSb p-i-n結(jié)構(gòu)中引入 InxGa1-xSb/GaSb多

5、量子阱結(jié)構(gòu)代替GaSb本征層 i 層材料的方式，從而實(shí)現(xiàn)并形成中間能帶。為了獲得合適的中間能帶， 使中間能帶的能量與熱輻射體的輻射光譜匹配，需要進(jìn)一步確定 InxGa1-xSb 材料的禁帶寬度和厚度。在 InxGa1-xSb 禁帶寬度確定方面，利用一維有限深方勢阱近似理論、根據(jù)在 InxGa1-xSb 阱材料中產(chǎn)生束縛態(tài)的條件、考慮材料制備工藝的可行性等，通過對上述因素的綜合考慮，最終確定 x 的值為 0.3 ；在 InxGa1-xSb 厚度的確定方面，利用 Kronig-Penney 模型計(jì)算了束縛態(tài)在阱中的能量分布與阱材料厚度的關(guān)系，并將其與細(xì)致平衡理論算出的中間能帶能量進(jìn)行擬合，最后確定InxGa1-xSb 的厚度為 6nm，進(jìn)一步，通過利用量子尺寸效應(yīng)條件計(jì)算的阱材料厚度反過來驗(yàn)證上述阱材料的確定值，發(fā)現(xiàn)兩者是吻合的。最后利用J. C.Bean能量平衡理論確定量子阱合理的數(shù)目，得到其數(shù)目不超過5。器件的模擬和優(yōu)化部分，主要利用Altas/TCAD 對設(shè)計(jì)出的中間能帶熱光伏電池進(jìn)行模擬和優(yōu)化，包括分別模擬 P、N型有源區(qū)的厚度和摻雜濃度開路電壓、短路電流、占空因子和最大輸出功率等性能參數(shù)的影響，獲得的優(yōu)化結(jié)果為P、N型有源區(qū)的摻雜濃度范圍均在9× 10171.5×1018cm3，厚度范圍分別為0.250.3 m和 7.37.9 m，