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Aug 13, 2023

Croissance épitaxiale de films SiGe par recuit d'Al

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 14770 (2022) Citer cet article 1785 Accès 1 Citations 22 Détails d'Altmetric Metrics Une méthode de croissance épitaxiale simple, peu coûteuse et sans vide pour

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14770 (2022) Citer cet article

1785 Accès

1 Citation

22 Altmétrique

Détails des métriques

Une méthode de croissance épitaxiale simple, peu coûteuse et sans vide pour réaliser des semi-conducteurs de grande surface sur du silicium cristallin va changer la donne pour diverses applications. Par exemple, nous pouvons nous attendre à un effet perturbateur sur le coût des cellules solaires multi-jonctions III – V à grande échelle si nous pouvions remplacer le substrat de germanium coûteux par du silicium-germanium (SiGe) sur Si. Pour la croissance épitaxiale SiGe, nous avons tenté de développer un procédé utilisant des pâtes Al – Ge originales pour la sérigraphie et le recuit ultérieur. Nous comparons deux pâtes, notamment des pâtes alliées Al – Ge avec une composition uniforme dans chaque particule et des pâtes mixtes Al – Ge. Nous avons révélé que la pâte alliée Al – Ge pouvait former un film de SiGe plus plat avec beaucoup moins de pâtes résiduelles, comme l'ont confirmé des observations in situ. La dissolution uniforme et suffisante de la pâte alliée en est responsable et conduit à une composition Ge moyenne plus élevée par recuit à 500 °C. La composition du SiGe a été graduée verticalement jusqu'à environ 90 % sur la surface la plus élevée. Ces résultats montrent que l'impression et la cuisson de pâte alliée Al – Ge sur Si constituent le processus souhaitable, simple et rapide pour la croissance épitaxiale de SiGe, qui pourrait être potentiellement utilisé comme substrat virtuel adapté au réseau avec des semi-conducteurs III – V.

Les cellules solaires en silicium cristallin sont très répandues sur le marché photovoltaïque, alors que leurs rendements de conversion se rapprochent de la limite de Shockley-Queisser1. Pour dépasser la limite supérieure théorique, des cellules solaires multi-jonctions ont été développées en combinant des semi-conducteurs III-V avec différentes bandes interdites. Cette architecture offre le rendement le plus élevé parmi les cellules solaires2 et a été commercialisée principalement pour une utilisation spatiale. Dans les premières études, un rendement de conversion a atteint 40,7 % pour les cellules concentrateurs InGaP/InGaAs/Ge3 et 37,9 % pour les cellules InGaP/GaAs/InGaAs à triple jonction4. De plus, les cellules solaires III-V à six jonctions ont atteint des rendements de conversion de 39,2 % pour 1 soleil et de 47,1 % pour 143 soleils5.

Cependant, les matériaux de substrat utilisés comme cellules de fond, tels que Ge ou GaAs, sont assez coûteux et difficiles à réaliser sur de grandes surfaces d'un point de vue industriel. Le substrat en Si est souhaitable pour la mise en œuvre de cellules solaires multi-jonctions à grande échelle en raison de son faible coût de fabrication et de sa cristallinité élevée6. Par conséquent, les cellules solaires composées III-V sur substrats de Si suscitent un intérêt soutenu depuis plus de deux décennies7. Actuellement, des rendements élevés de conversion solaire ont été démontrés sur Si, fabriqué par liaison de tranches8,9 ou empilement mécanique10,11, tels que 32,6 %12, 33 %13 et 35,9 %14 par une triple jonction solaire de GaInP/GaAs/Si. cellules.

Pendant ce temps, il existe une importante discordance de réseau entre le substrat Si et les semi-conducteurs III – V. Cela entraîne des dislocations de filetage, qui réduisent la durée de vie des porteurs minoritaires et abaissent la tension en circuit ouvert de la cellule15,16. Pour l'adaptation du réseau avec chaque cellule, un film de silicium-germanium (SiGe) sur un substrat de Si a attiré l'attention sur la contrôlabilité d'une constante de réseau et d'une bande interdite en raison de la solution solide à toutes les concentrations relatives. La correspondance du réseau avec les cellules supérieures et un espace étroit peut être réalisée en augmentant la teneur en Ge supérieure à 82 %17. De plus, le SiGe est peu coûteux et respectueux de l’environnement et peut être fabriqué par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou épitaxie par jet moléculaire (MBE)18,19. Cependant, ils nécessitent des gaz toxiques tels que SiH4 et GeH420,21,22 ou un ultravide et prennent beaucoup de temps. En général, une inadéquation de réseau existe toujours entre Si et SiGe, et une couche tampon graduée en SiGe est souvent utilisée sous la cellule inférieure de SiGe pour réduire la densité de dislocation . Dans des recherches antérieures, les cellules inférieures SiGe fabriquées sur une couche tampon SiGe, développée par AmberWave25, fournissaient une interface à faible dislocation pour la nucléation des couches épitaxiales III – V adaptées au réseau26. Cette structure tandem adaptée au réseau a atteint une efficacité de conversion de 20,6 % grâce aux cellules solaires à double jonction GaAsP/SiGe cultivées sur Si, avec 20 % de P dans GaAsP pour correspondre au réseau avec environ 82 % de Ge dans SiGe23.