【摘 要】
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相比于单结太阳电池而言,GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池拓宽了太阳光的吸收光谱范围,在聚光条件下将太阳电池的光电转化效率提升至44.4%,因此成为高效率太阳电池的研究重点。由于Ge底电池厚度过大,Ge作为稀有金属进行电池制备增加了多结电池的成本,因此在异质衬底上生长Ge薄膜作为多结电池的底电池成为另一重要研究方向。采用资源丰富的单晶Si作为Ge薄膜生长的衬底,目前有四种主要的研究技术:组分渐
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相比于单结太阳电池而言,GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池拓宽了太阳光的吸收光谱范围,在聚光条件下将太阳电池的光电转化效率提升至44.4%,因此成为高效率太阳电池的研究重点。由于Ge底电池厚度过大,Ge作为稀有金属进行电池制备增加了多结电池的成本,因此在异质衬底上生长Ge薄膜作为多结电池的底电池成为另一重要研究方向。采用资源丰富的单晶Si作为Ge薄膜生长的衬底,目前有四种主要的研究技术:组分渐变缓冲层法、低温Ge缓冲层法、图形化衬底法以及偏角单晶硅衬底。本文着重研究偏角单晶硅沉积对于Ge薄膜沉积生长的影响,并将偏角单晶硅衬底与组分渐变缓冲层技术结合,研究单层缓冲层与偏角单晶硅衬底共同作用对于Ge薄膜沉积生长的影响。实验采用磁控溅射技术制备Ge薄膜,采用无偏角的Si(100)单晶Si衬底以及具有偏角的单晶硅衬底,分别为Si(100)偏(110)6°、Si(100)偏(110)10°、Si(100)偏(110)8°三种偏角单晶Si衬底沉积Ge薄膜,采用快速热退火炉对溅射所得Ge薄膜进行后续热处理,热处理的时长及温度对Ge薄膜的再结晶同样具有重要影响。通过对以上样品进行相关实验操作,并采用XRD、SEM以及AFM等表征技术对单晶Si异质衬底沉积所得Ge薄膜进行表征,观察Ge薄膜的特征并分析不同制备技术对于Ge薄膜的影响。经过相应理论计算及实验数据分析,获得的主要结果如下:(1)采用偏角单晶硅衬底制备Ge/Si薄膜,在四种单晶Si(100)、Si(100)偏(110)6°、Si(100)偏(110)8°、Si(100)偏(110)10°衬底上沉积所得Ge薄膜,经后续快速热退后处理后,在Si(100)偏(110)8°单晶Si衬底上沉积所得Ge薄膜中Ge(111)晶面择优性最好,并且Ge(111)与Ge(220)晶面衍射强度的比值I Ge(111)/IGe(220)达到 3.453。(2)采用偏角单晶硅衬底与缓冲层技术制备Ge/Si1-xGex/Si薄膜,在Si(100)、Si(100)偏(110)100、Si(100)偏(110)8°三种单晶Si衬底上沉积所得Ge薄膜,经快速热退火处理后,在Si(100)偏(110)10°单晶硅衬底上沉积所得Ge薄膜中I Ge(111)/I Ge(220)为 7.118。(3)在Ge/Si1-xGex/Si结构中,不同衬底温度制备所得Ge薄膜表现出Ge(200)择优,300℃沉积Si0.1Ge0.9缓冲层经2h常规热退火处理后,在450℃沉积所得Ge薄膜后经130s退火后,Ge薄膜中IGe(220)/IGe(111)为6.754。Ge薄膜的生长受到下层Si1-xGex缓冲层的影响,晶体生长方向由下至上,并且造成Ge薄膜择优取向由Ge(111)向Ge(220)晶面择优生长的改变。偏角单晶硅衬底对于Ge薄膜的生长具有良好的促进作用,单晶硅衬底表面的切偏角改变了 Ge薄膜沉积时基片表面的原子排列,降低了 Ge薄膜与Si衬底之间的晶格失配。Si1-xGex缓冲层的存在进一步弱化了晶格失配,使得Ge薄膜在异质衬底表面沉积具有更好的成核及结晶环境,Si1-xGex缓冲层对Ge薄膜的影响与溅射过程中的生长温度相关。
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