In_xGa_(1-x)SbGaSb异质结构的MOCVD生长及其热光伏电池的设计和模拟

1、In_xGa_(1-x)Sb/GaSb异质结构的 MOCVD生长及其热光伏电池的设计和模拟InxGa1-xSb 材料是锑化物材料体系的代表之一，具有独特的能带特点，可以实现禁带宽度Eg 从 0.170.72eV 的连续变化，相对应的波长覆盖了35m的中红外大气窗口， 广泛的应用于红外探测、 光纤通信、导航等领域， 它与 GaSb组成 InxGa1-xSb/GaSb 异质结体系是制备中红外波段的探测器、红外激光器、热光伏电池等光电子器件的首要选择。鉴于此，需迫切对InxGa1-xSb 材料和InxGa1-xSb/GaSb 异质结体系展开深入研究。本论文一方面利用 MOCVD制备 InxGa1-x

2、Sb/GaSb异质结并研究了其外延特性，另一方面探索了该异质结在热光伏领域的应用，通过计算机模拟仿真， 设计出了中间能带热光伏电池并利用Silvaco/TCAD 软件对其进行模拟优化。InxGa1-xSb/GaSb 的 MOCVD外延生长研究包含三部分： 第一部分是探索氢气和氮气分别作为载气对InxGa1-xSb/GaSb 的 MOCVD生长的影响，实验结果表明， 作为载气，氢气比氮气更适合InxGa1-xSb/GaSb 外延层的 MOCVD制备；第二部分是研究生长温度对 InxGa1-xSb/GaSb 外延层生长特性的影响， 实验结果表明， 在一定的温度范围内，随着温度的升高，外延层中In

3、的固溶量降低，但外延层的结晶质量得到了提高。随后，对这一结果进行了深入的分析。此外，实验结果进一步表明MOCVD制备 InxGa1-xSb/GaSb 外延层的温度窗口为450500，其中 480是一个比较适合的生长温度；第三部分是研究气相Ga/III比对 InxGa1-xSb/GaSb 外延层生长特性的影响，实验结果表明，随气相Ga/III比从 0.10.9 范围内逐渐增加，InxGa1-xSb/GaSb 外延层的结晶质量和表面形貌得到了提高和改善，且利用In的分配系数进行了相关分析。计算机模拟仿真内容包含两部分：一部分是中间能带热光伏电池的设计，另一部分是利用Silvaco/TCAD 对设计

4、出来的中间能带热光伏电池进行模拟和优化。在器件的设计部分中， 首先详细阐述了中间能带热光伏电池细致平衡理论模型以及其为热光伏器件设计提供理论依据，其次利用中间能带热光伏电池的细致平衡理论计算中间能带热光伏电池的细致平衡效率，获得在达到细致平衡效率时中间能带的能量。通过理论计算当热辐射体温度为1300K,中间能带热光伏电池的工作温度为300K时，得到器件的细致平衡效率为45.4%，对应的中间能带为ECI 为 0.13eV，EIV 为 0.58eV。按照中间能带热光伏电池细致平衡理论的结果，展开器件的设计。利用量子尺寸效应，通过选择在GaSb p-i-n结构中引入 InxGa1-xSb/GaSb多

5、量子阱结构代替GaSb本征层 i 层材料的方式，从而实现并形成中间能带。为了获得合适的中间能带， 使中间能带的能量与热辐射体的辐射光谱匹配，需要进一步确定 InxGa1-xSb 材料的禁带宽度和厚度。在 InxGa1-xSb 禁带宽度确定方面，利用一维有限深方势阱近似理论、根据在 InxGa1-xSb 阱材料中产生束缚态的条件、考虑材料制备工艺的可行性等，通过对上述因素的综合考虑，最终确定 x 的值为 0.3 ；在 InxGa1-xSb 厚度的确定方面，利用 Kronig-Penney 模型计算了束缚态在阱中的能量分布与阱材料厚度的关系，并将其与细致平衡理论算出的中间能带能量进行拟合，最后确定InxGa1-xSb 的厚度为 6nm，进一步，通过利用量子尺寸效应条件计算的阱材料厚度反过来验证上述阱材料的确定值，发现两者是吻合的。最后利用J. C.Bean能量平衡理论确定量子阱合理的数目，得到其数目不超过5。器件的模拟和优化部分，主要利用Altas/TCAD 对设计出的中间能带热光伏电池进行模拟和优化，包括分别模拟 P、N型有源区的厚度和掺杂浓度开路电压、短路电流、占空因子和最大输出功率等性能参数的影响，获得的优化结果为P、N型有源区的掺杂浓度范围均在9× 10171.5×1018cm3，厚度范围分别为0.250.3 m和 7.37.9 m，