Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проведенные исследования зависимости начальных условий роста показали, что на начальном этапе роста слоев GaP на Si подложках с ориентацией (100) происходит двумерный рост как после химической, так и плазменной обработки поверхности. При росте на подложках (111) после плазменной обработки поверхности наблюдается переход в трехмерный рост. Наименьшая среднеквадратичная шероховатость поверхности растущих слоев GaP (менее 0.1 нм) была достигнута для подложек (100) с разориентацией в 4 градуса. Было обнаружено, что обработка поверхности Si подложек с ориентацией (100) в водородной плазме приводит к незначительному увеличению шероховатости поверхности растущих слоев GaP (0.12-0.14 нм), что связывается с эффектом неоднородного травления кремния. Было показано, что осаждение при температуре 250 C с термическим разложением триметилгаллия и использованием плазмы для разложения фосфина, но без использования водородной плазмы не позволяет осуществлять рост в режиме атомно-слоевого осаждения вследствие образования избыточной концентрации фосфора на растущей поверхности из-за малой скорости десорбции фосфора при низких температурах. На поверхности пленки наблюдалась сегрегация фаз GaP и фосфора. Для достижения стехиометрического состава необходимо либо повышать температуру выше 350 С, чтобы обеспечить интенсивную десорбцию избыточного фосфора, либо использовать дополнительную обработку поверхности в водородной плазме, которая стравливает избыточный фософор. Осаждение с непрерывной водородной плазмой при минимальной мощности, необходимой для поддержания плазмы позволяет получать однородные аморфные пленки GaP стехиометрического состава при температуре 250 C. Осаждение в непрерывном режиме при температуре 390 С, используя газовую смесь фосфина и 8% триметелгаллия в водороде без дополнительного разбавления приводит к росту аморфных слоев GaP. Дополнительное разбавление газовой смеси в водороде или аргоне при повышенной мощности сначала приводит к снижению скорости роста, а далее происходит переход к росту микрокристаллического GaP с дальнейшим снижением скорости роста. При этом снижение мощности приводит к росту аморфных слоев с низкой скоростью роста, а увеличение мощности к росту микрокристаллического GaP с большей скоростью. Оценка структурных свойств слоев микрокристаллического GaP по отношению TO и LO мод спектров комбинационного рассеяния свидетельствует об их улучшении структурного качества с ростом мощности плазмы и разбавления. Сравнивая влияние разбавления в водороде и аргоне, было обнаружено, что разбавление в аргоне позволяет достичь гораздо более гладкой поверхности слоев, в то время как для разбавления в водороде наблюдается лучшее отношение TO и LO мод спектров комбинационного рассеяния. Таким образом, для дальнейших исследований наибольший интерес представляет режим роста при разбавлении в смеси аргон/водород. Для структур со сверхрешетками Si/GaP с помощью метода электрохимического вольтфарадного (ECV) профилирования впервые были получены профили распределения концентрации электронов в квантовых ямах Si, которые соответствуют использовавшимся значениям разрывов зон проводимости в выпаленном ранее теоретическом расчете Si/GaP гетероструктрур. Также впервые с помощью ECV было подтвержден p-тип легированных Zn слоев GaP, выращенных методом PEALD с промежуточным отжигом в аргоновой плазме. Проведены исследования электрофизических свойств слоев GaP, выращенных на подложках кремния в режиме непрерывного плазмохимического осаждения при различных параметрах плазмы: водородная плазма при различной мощности, аргоновая плазма и водородно-аргоновая плазма. Использование непрерывного процесса с аргоновой плазмой позволяет снизить концентрацию дефектов и уменьшить их энергетическую глубину залегания, а также повысить кристалличность и однородность слоя. Экспериментально продемонстрировано, что параметры InP/GaPN сверхрешетки 0.3 нм/10 нм не позволяют создать на их основе фотопреобразовательные структуры для верхнего перехода, обеспечивающие необходимое согласование по току с нижним переходом на основе Si. Был проведен численный расчет структуры p-i-n солнечного элемента на базе GaP, где i-слой включал вставки сверхрешетки InP/GaP с различным числом пар и различающихся толщиной слоев InP и GaP. Оптимальное для двухпереходного СЭ значение края поглощения верхнего перехода (0.7 мкм) возможно достичь при использовании InP/GaP сверхрешеток 1.5 нм/1.5 нм. При увеличении числа пар InP/GaP происходит подъем интенсивности длинноволновой части спектра. Для эффективной работы СЭ необходимо вырастить сверхрешетку, содержащую более сотни пар InP/GaP. Впервые были созданы солнечные элементы n-GaP/p-Si на основе комбинации технологий атомно-слоевого плазмохимического осаждения (PEALD) и металорганической газофазной эпитаксии (MOVPE). Анализ их фотоэлектрических свойств свидетельствует об отсутствии деградации объемного времени жизни неосновных носителей заряда в подложке p-Si в процессе газофазной эпитаксии. Таким образом, предлагаемый подход, заключающийся в росте нуклеационного слоя GaP с помощью PEALD и последующего роста с использованием технологии MOVPE может быть использован для создания многопереходных СЭ на основе интеграции A3B5 и Si.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Было показано, что при осаждении GaP в непрерывном режиме PECVD при температуре ниже 400 ° C могут возникнуть проблемы контроля стехиометрии и роста аморфных слоев. Рост микрокристаллического GaP требует дополнительного разбавления водородом и увеличения мощности плазмы. Дополнительный поток азота для процесса PECVD приводит к эффективному включению азота в растущую пленку, что приводит к значительному увеличению скорости роста и росту аморфных слоев тройного сплава GaPN. Полученные аморфные пленки GaPN демонстрируют сильное внутризонное поглощение и низкую термическую стабильность. Проведены исследования электрофизических свойств слоев GaP, выращенных методом плазмохимического осаждения в непрерывном режиме в водородной (200 Вт) и аргоновой (100 Вт) плазме при разных потоках силана для определения возможности легирования их кремнием. Показано, что выращенные слои GaP являются донорно легированными, но при комнатной температуре обладают очень низкой проводимостью, что приводит к слабой зависимости емкости гетероперехода n-GaP/Si с барьером Шоттки на основе золота от приложенного обратного напряжения смещения. Проводимость в образце с аргоновой плазмой на три порядка выше, чем с водородной в образцах, выращенных без силана. При увеличении потока силана проводимость увеличивается в слоях GaP, выращенных в водородной плазме, и при 40 sccm становится на два порядка выше, чем в исходном слое, а проводимость слоев, выращенных в аргоновой плазме, не зависит от потока силана. Измерения НСГУ и спектроскопии полной проводимости показали, что в GaP слоях есть отклики с уровней, расположенных в запрещенной зоне на расстоянии Еа от зоны проводимости. Показано, что увеличение потока силана с 0 до 40 sccm приводит к уменьшению этой энергии с Еа=0.90 эВ до Еа=0.60 эВ в образцах, выращенных при водородной плазме 200 Вт, а при аргоновой плазме Еа=0.50¬-0.55 эВ и не изменяется при увеличении потока силана. Наблюдаемые отклики характеризуют плотность состояний, расположенных в середине запрещенной зоны, а с ростом температуры начинается переход электронов, что приводит к наблюдаемому увеличению проводимости. Таким образом, показано, что увеличение потока силана позволяет увеличить проводимость в образце с водородной плазмой, а в аргоновой она не меняется. С помощью комбинации методов плазмохимического и атомно-слоевого осаждения были сформированы солнечные элементы на основе сверхрешеток GaP/Si на Si подложке. Согласно результатам растровой и просвечивающей электронной микроскопии, структуры представляют собой микрокристаллические сверхрешетки, состоящие из слоев Si и GaP с кремниевыми ямами толщиной 1,5 и 3 нм, причем кристаллы наследуют ориентацию подложки. Измерения с помощью электрохимического вольтфарадного профилирования структур со сверхрешетками показали высокое значение электронной концентрации в Si ямах. Наблюдались также периодические изменения профиля концентрации носителей, соответствующие ширине квантовых ям. В спектре EQE на структурах со сверхрешетками GaP/Si наблюдался сдвиг края чувствительности в длинноволновую область, что связано с изменением ширины запрещенной зоны поглощающего материала. Увеличение области чувствительности до более длинных волн позволит добиться согласования по току верхнего перехода на основе GaP с подложкой Si. Таким образом, предложенный подход, заключающийся в использовании сверхрешеток GaP / Si, полученных с помощью комбинации методов низкотемпературного PEALD и PECVD, может быть использован для формирования верхнего перехода многопереходных СЭ на основе III-V / Si. Продемонстрирован способ определения разрыва зон для микрокристаллических гетеропереходов за счет применения методов емкости пространственного заряда к многослойной структуре. Был определен разрыв зон проводимости на границе раздела GaP/Si было для микрокристаллической многослойной структуры GaP/Si с использованием CV-профилирования, измерений спектроскопии полной проводимости и нестационарной спектроскопии глубоких уровней (DLTS). С помощью CV профилирования было продемонстрировано накопление электронов в ямах Si/GaP многослойной структуры. С помощью спектроскопии полной проводимости непосредственно регистрировался процесс захвата / эмиссии электронов в ямах Si/GaP, расположенных в квазинейтральной области. Энергия активации этого процесса соответствует разрыв зон проводимости на границе GaP/Si, ΔEC = 0,39 ± 0,05 эВ. Кроме того, процесс захвата / излучения из ям Si / GaP, расположенных в области пространственного заряда, был обнаружен с помощью DLTS. Определенные при этом меньшие значения энергии активации (0,28 ± 0,05 эВ) связаны с понижением барьера за счет внутреннего электрического поля в области пространственного заряде. Проведены исследования по росту на Si подложках с нанесенным нуклеационным слоем GaP квантоворазмерных GaP/InP структур, используя совмещение атомно-слоевого осаждения (PEALD) на начальном этапе роста и метода газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOVPE). Продемонстрирована критическая роль температуры формирования слоев GaP методом MOVPE на механизм роста и их морфологию слоев. Определена оптимальная температура роста слоев GaP равная 700°С, обеспечивающая формирование гладких слоев в режиме двумерного роста. Исследования электронные свойства выращенных GaP/InP гетероструктур с помощью методов CV и ECV профилирования позволили определить профиль концентрации электронов в структурах, содержащих квантовые ямы InP в GaP. Анализ экспериментальных результатов с помощь программы AFORS-HET позволил определить разрыв зон проводимости (ΔEc) равный 0.58±0.02 эВ для границы раздела InP/GaP.