GaAs光电特性的研究报告

GaAs的光电特性及GaAs太阳能电池研究报告成都信息工程学院材料性能学作业材料物理092班游富摘要：（1）砷化镓是一种重要的半导体材料。属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体。化学式GaAs，分子量144.63，属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65×10-10m，熔点1237℃，禁带宽度1.4电子伏。砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件──体效应器件。砷化镓是半导体材料中,兼具多方面优点的材料,但用它制作的晶体三极管的放大倍数小，导热性差，不适宜制作大功率器件。虽然砷化镓具有优越的性能，但由于它在高温下分解，故要生长理想化学配比的高纯的单晶材料，技术上要求比较高。（2）光电效应是指在光照照射后释放电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光电效应是光与材料的核外电子之间的相互作用。只有当入射光的频率高于材料的极限频率时，材料才会发射光电子，产生光电子。光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子。（3）GaAs光电阴极在进行Cs2O激活前,激活层表面必须达到原子级洁净。最常用且最有效的洁净方法是高温热清洗法。然而,在热清洗过程中对处在真空系统中的光电阴极表面温度进行精确测量却是非常困难的。本文采用四极质谱仪对GaAs光电阴极激活前的热清洗过程进行分析,确定了最佳的热清洗温度及热清洗工艺,较好地解决了GaAs光电阴极激活前的热清洗工艺问题。（4）在众多的半导体材料中，砷化镓(GaAs)有较高的光吸收系数，其能带可以与太阳光谱有很好的匹配，且耐辐照性能强，工作温度范围宽，很适合制作太阳电池空间电源。单结砷化镓(GaAs)太阳电池只能吸收特定光谱范围的太阳光，其转换效率不高。若采用不同带隙宽度(Eg)的III—V族材料制备成多结砷化镓(GaAs)太阳电池，并按Eg大小由上至下迭合起来，使其分别选择性地吸收和转换太阳光谱的不同子域，则可大幅度提高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明：双结、三结、四结GaAs太阳电池的极限效率分别为30％、38％、41％。关键词：光电效应光电阴极热清洗太阳能电池高效率多结叠层太阳电池前言：（1）光电效应历史•光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。•1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的。当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。•大约1900年，马克思•布兰科（MaxPlanck）对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。他给这一理论归咎成一个等式，也就是E=hf，E就是光所具有的“包裹式”能量，h是一个常数，统称布兰科常数（Planck'sconstant），而f就是光源的频率。也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。但就是布兰科自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。•1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释；•1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式，Ek=hf-W，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。而Ek呢就是电子自由后具有的势能。（2）GaAs光电阴极激活工艺中Cs2O原子必须在原子级洁净的表面上才能被充分地沉积、吸附和键合成最佳Cs2O层结构。为了达到理想的激活效果,必须尽可能去除激活层表面的污染物。若有其它杂质原子吸附在GaAs激活层表面,将导致功函数升高和灵敏度下降,特别是氧化镓、氧化砷、碳等对激活灵敏度影响最大。所以,激活GaAs光电阴极必须在10-9～10-10Pa的真空环境中经过一定的处理才能达到。实验室研究和工业生产中一般采用高温热清洗法(热清洗温度为520～600℃)来保证激活层表面清洁度。但真空中温度的准确测量比较困难,实验室研究采用Auger等表面分析设备对热清洗效果进行分析评估,很难达到比较好的效果。本文采用四极质谱仪对热清洗过程进行分析,确定出理想的热清洗温度,获得了较好的光电阴极激活灵敏度。（3）自从1954年世界上首次发现砷化镓(GaAs)材料具有光伏效应，至今GaAs太阳电池的发展已经历了四十余年的历史。1956年，Loferski确立了太阳电池光电转换效率与材料禁带宽度(Eg)之间的关系，即Eg在1．4—1．6eV范围内的材料具有最高的光电转换效率。GaAs材料的Eg为1．424eV，正好能获得较高的转换效率。同年，Jenny等人在n．GaAs衬底上扩散镉，首次制成效率为6．5％GaAs的太阳电池。1962年Gobat等人研制了掺锌的第一只GaAs太阳电池，转换效率仅为9--10％，远低于理论值27％。1972年，Woodal等人改进了电池结构，采用液相外延(LPE)技术，在GaAs表面生长一层宽禁带AIxGa1-xAs窗口层，大大减少了表面复合，使转换效率很快提高到16％，成为高效率砷化镓太阳电池研究的划时代里程碑。（4）砷化镓一般应用在WLAN、WLL、光纤通讯、卫星通讯、LMDS、VSAT等微波通讯上。一：砷化镓简介•英文名称:Galliumarsenide•分子量:144.64•分子式:GaAs•砷化镓具有硅、锗所不具备的能在高温高频下工作的优良特性，它还有更大的禁带宽度和电子迁移率，适合于制造微波体效应器件、高效红外发光二极管和半导体激光器，因而砷化镓是一种很有发展前途的半导体材料。随着大规模集成电路制造工艺水平的提高，半导体化学的研究领域和对象也将不断地扩展。•由于传送讯号的射频元件需要工作频率高、低功率消耗、低杂讯等特色，而砷化镓本身具有光电特性与高速，因此砷化镓多用于光电元件和高频通讯用元件。二：砷化镓的光电效应（1）砷化镓中的复合过程半导体材料吸收能量大于其禁带宽度的光子后，会产生电子空穴对，因此，光照射时，材料中的载流子浓度将超过无光照时的值。如果切断光源，则非平衡载流子浓度就衰减到它们平衡时的值，这个衰减过程就是复合过程。复合过程可以分为直接复合和间接复合过程。直接复合是指导带中的电子跃迁到价带并和价带中的空穴复合的过程：间接复合是指电子和空穴通过禁带中的能级进行复合的过程。复合可以发生在半导体内也可以发生在半导体表面。载流子复合时要释放出多余的能量，能量释放形式有：(1)发射光子；(2)发射声子：(3)将能量传递给其它载流子，增加它们的动能，这种形式的复合称为俄歇复合。还有可能先形成激子后，再通过激子复合。对于直接带隙材料GaAs来说，辐射复合是一个重要的复合机构，另外，由于GaAs的表面复合速率较大，故一般采用AlxGa1-xAs来降低其表面复合速率。而在高掺杂材料中，俄歇复合起主要作用。这些在GaAs太阳电池的制备工艺中都是必须要考虑的因素。（2）光生伏特效应如果用能量大于禁带宽度的光子照射到半导体系统时，系统吸收能量后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏打效应。a照产生的电子运动b照产生的电动势的状态图a所示为光照射到太阳电池上时，太阳电池内部产生的电子运动(以负号代表电子，正号代表空穴，Ec代表价带底，Ev代表价带顶，EF代表费密能级)。从图中易看出，光子使价带中的电子跃迁到导带，导带的自由电子增加，如以向上的方向表示电子能量的增加，则P层产生的电子就向右侧的n层下坡迁移，但在11层产生的电子就因受上坡的阻碍而不能向左侧迁移，只能留在11层，结果使n层聚满了电子；反之，价带中由于电子的逸出而使空穴增加，n层产生的空穴可以向P层迁移，而P层本身的空穴仍留在那里，结果使P层聚满了空穴。按电的性质来看，P层带正电，11层带负电，而在这两层的费密能级之间就产生与带电的电荷量相对应的能量差(见图b)。这个就是光照射时而产生的电动势，把两端的电压表连接就可以发现费密能级高的n层一端是负电压，P层一端是正电压，其数值为V=△EF／g概括的说，利用这个电动势对负载供电，这就是太阳电池的基本原理。三：砷化镓光电阴极热清洗工艺（1）当热清洗温度偏低时,As150曲线在达到最大值后不下降,如图所示。热清洗温度偏低时的As150曲线（2）当热清洗温度太高时,As150曲线上升较快,并且在峰值附近出现第2峰值点,如图2所示热清洗温度偏高时的As150曲线（3）正常热清洗温度情况下,As150曲线如图所示。从图可以看出,热清洗效果较好,光电阴极激活灵敏度达到1.2mA/lm以上。正常热清洗温度下的As150曲线(4)通过对As(质量数75)和As2(150)曲线对比发现其曲线形状一致,区别只是峰值幅度有差异,如图所示。As(质量数75)和As2(150)对比曲线目前GaAs阴极激活工艺普遍采用两阶段激活法,即2次热清洗,2次激活。在第1次热清洗过程中,热清洗的主要作用是保证GaAs激活层表面达到原子级洁净(以上给出的As150实时监控曲线都是针对第1次热清洗过程)。第2次热清洗过程是为了调整铯氧的化学配比,清洗温度要比第1次低大约100℃,时间要比第1次热清洗过程短。经过第2次热清洗后,铯氧原子配比由热清洗开始时的4:1变为1.5:1。四：砷化镓太阳能电池（1）概述GaAs是典型的III-V族化合物半导体材料，具有直接能带隙，带隙宽度为1.42eV（300K），可以良好的吸收太阳光，因此，是很理想的太阳能电池材料。GaAs材料的主要特点：①光吸收系数高。GaAs太阳能电池的有源区厚度多选取5um左右，就可以吸收95%的太阳光谱中最强的部分。②带隙宽度与太阳光谱匹配。GaAs的带隙宽度正好位于最佳太阳电池材料所需要的能隙范围，具有更高的理论转换效率。③耐高温性能好。GaAs太阳能电池效率随温度升高降低比较缓慢，可以工作在更高的温度范围。④抗辐照性能强。GaAs是直接带隙材料，少数载流子寿命较短，在离结几个扩散度外产生损伤，对光电流和暗电流均无影响，因此，GaAs太阳能电池具有较好的抗辐照性能。⑤多结叠层太阳电池的材料。由于III-V族三、四元化合物（GaInP、AlGaInP、GaInAs等）半导体材料生长技术日益成熟，使电池的设计更为灵活，从而大幅度提高太阳电池的效率并降低成本。（2）单结GaAs太阳能电池单结GaAs太阳能电池，根据其生长方式的不同又可以分为LPEGaAs及MOVPEGaAs太阳能电池，衬底可选用GaAs或Ge，不过GaAs是直接带隙材料，光吸收系数大，有源层厚度只需3微米左右，所以原则上在生长好GaAs电池后，可以选择把衬底完全腐蚀掉，只剩下5微米左右的有源层，从而制成超薄GaAs电池，这样就可以获得很高的单位质量比功率输出。目前超薄(UT)GaAs电池的比功率可达670W/kg，而100微米高效Si电池的比功率仅为330W/kg。但是单结只能吸收和转换特定波长范围内的太阳光，其理论效率也只有27%。（3）多结叠层砷化镓太阳能电池叠层电池在光学上表现为对光谱的分段吸收。以GaInP2／GaAs叠层太阳电池为例，光子能量大于GaInP2禁带宽度(一1．85eV)的太阳光，对应的吸收光谱为入i670nm(AM0光谱短波区)，大部分被GaIn_P2顶电池吸收；而光子能量大于GaAs禁带宽度(1．42eV)的太阳光，对应的吸收光谱为入l880rim(AM0光谱中波区)，大部分被GaAs底电池吸收。当光入射到电池表面时，能量较高的光子首先在表面层吸收，离表面一个扩散长度以内的产生的载流子，在到达PN结之前，就可能通过表面态而复合，导致量子效率降低，电池的转换效率就会降低。因此，要提高电池效率，就必须改善表面层和界面层质量、增加扩散长度。（4）砷化镓太阳能电池的分类（5）砷化镓太阳能电池制作方法（6）器件展