Tesis:
Epitaxial growth and characterization of InGaN layers for photovoltaics applications
- Autor: GÓMEZ HERNÁNDEZ, Víctor Jesús
- Título: Epitaxial growth and characterization of InGaN layers for photovoltaics applications
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/47344/
- Director/a 1º: SÁNCHEZ GARCÍA, Miguel Angel
- Director/a 2º: GRANDAL QUINTANA, Javier
- Resumen: En este trabajo hemos crecido los bloques funcionales que constituyen un dispositivo fotovoltaico basado en la familia de semiconductores compuestos conocidad como los nitruros, centrándonos en las películas de InGaN no dopadas intencionadamente (NID) y las películas de GaN dopadas con Mg. Hemos introducido dos métodos de crecimiento (MME y DERI) con el objetivo de mejorar la calidad de los bloques constituyentes mencionados para la fabricación de un dispositivo fotovoltaico. Todas las muestras se crecieron en un reactor epitaxial de haces moleculares. El “Metal Modulated Epitaxy” (MME) hace uso de la modulación del estado de los obturadores de metales y dopantes (In, Ga, Al, Mg, Si) alternando entre abierto y cerrado. Cuando los obturadores están abiertos, el crecimiento se realiza en condiciones ricas en metal, mientras que cuando están cerrados se realiza en condiciones ricas en nitrógeno. El principal objetivo del MME es aumentar la incorporación apropiada de los atomos de Mg en la estructura, es decir, en posición de substitucional de Ga (MgGa), mientras que se mantiene una buena morfología de la superficie. En condiciones ricas en nitrógeno los átomos de Mg se incorporan preferentemente en posición de MgGa, pero la superficie se degrada. Cuando las condiciones del crecimiento son ricas en metal (obturadores abiertos) la superficie se planariza. El resultado es un aumento de la concentración de huecos en la capa de GaN con una morfología superficial buena. Globalmente, las condiciones de crecimiento son ricas en nitrógeno. Se crecieron capas de GaN, no dopadas intencionadamente, sobre pseudosubstratos de GaN(0001) por MME. Se han crecido además, películas de GaN dopadas con Mg mediante MME sobre pseudo-substratos altamente resistivos de GaN dopado con Fe. Los resultados de las medidas de efecto Hall han sido comparados con los de capas de GaN crecidas en régimen intermedio (en este régimen se crecen las capas de mayor calidad). Las capas crecidas por MME han mostrado una concentración de huecos 5 veces mayor que aquellas crecidas en régimen intermedio. También se estudiaron los parámetros más importantes que controlan el crecimiento del InGaN mediante MME sobre pseudo-substratos de GaN(0001). Asimismo, se identifica la razón In/Ga como el parámetro crítico que regula la incorporación de indio en la aleación. Para verificar el comportamiento de las capas de InGaN, se crecieron, procesaron y caracterizaron estructuras p-GaN / i-InGaN / n-GaN sobre pseudo-substratos de GaN(0001), por MME, y se identificaron mecanismos cruciales para mejorar su funcionamiento. El “Droplet Elimination by Radical-beam Irradiation” (DERI) es el otro método de crecimiento basado también en la modulación del estado de los obturadores que se ha utilizado en esta tesis. A diferencia del MME, durante el crecimiento de InGaN por DERI solo se modula el obturador de indio. El DERI está dividido en dos procesos, el “Metal Rich Growth Process” (MRGP) y el “Droplet Elimination Process” (DEP). Durante el MRGP el obturador de In está abierto y el crecimiento de la capa se produce en condiciones de acumulación de gotas en la superficie. Cuando el obturador de In está cerrado (DEP) las gotas de In se reincorporan en la capa de InGaN. Globalmente, las condiciones de crecimiento son estequiométricas. Hemos estudiado el efecto de cuatro capas de amortiguamiento diferentes sobre las propiedades estructurales y ópticas de capas de InGaN crecidas sobre Si(111) y su relación con las características eléctricas. Se midió la conducción vertical eléctrica de las hetero-estructuras InGaN / “buffer” / Si, para una composición de In cercana al 46%, que produce un alineamiento de bandas. Se crecieron por primera vez, hasta donde llega nuestro conocimiento, capas de InGaN (~40% de In) sobre sustratos de Silicio utilizando eliminación de gotas por irradiación con haz de radicales-libres (DERI). Los resultados obtenidos apuntan a la posibilidad de fabricar células de doble unión InGaN/Si evitando la necesidad de una unión túnel entre ambas sub-células, simplificando el diseño del dispositivo final. ABSTRACT In this work, we have grown the constituent functional blocks of a photovoltaic device based on III-Nitrides compound semiconductors, focusing on the nonintentionally doped (NID) InGaN layer and on the Mg-doped GaN layer. We have introduced two growth methods (MME and DERI) with the purpose of improving the quality of those constituent blocks of a photovoltaic device. All samples have been grown in a molecular beam epitaxy (MBE) reactor. The Metal Modulated Epitaxy (MME) makes use of the modulation of the shutters of the metallic and dopant sources (In, Ga, Al, Mg, Si) alternating open and close conditions. When the shutters are opened, the growth is performed under metalrich conditions, while when the shutters are closed it is performed under N-rich conditions. The main goal of the MME method is enhancing the proper incorporation of Mg (p-type dopant) atoms into the crystalline structure (Mg atoms on Ga substitutional site MgGa), while keeping a good morphology of the surface. Under N-rich conditions, the Mg atoms are preferentially incorporated in MgGa sites, but the surface is degraded. The surface is flattened back when growing under metal-rich conditions. The final result is an enhancement of the hole The other growth method used in this thesis is Droplet Elimination by Radicalbeam Irradiation (DERI). Unlike the MME case, DERI growth of InGaN only modulates opening/closing of the In shutter. DERI consists of two process, the Metal Rich Growth Process (MRGP) and the Droplet Elimination Process (DEP). During the MRGP the In shutter is opened and the layer is grown accumulating In droplets on the surface. When In shutter is closed (DEP) the In droplets are reincorporated epitaxially into the InGaN layer. The overall growth is stoichiometric. In addition, we have studied the effect of four different buffer layers on the structural and optical properties of InGaN layers grown on Si(111) substrates and their correlation with electrical characteristics. The vertical electrical conduction on the InGaN / buffer / Si, with In composition near 46%, which theoretically produces a band alignment, is analysed. InGaN layers were grown for the first time, up to the best of our knowledge, on Si using droplet elimination by radicalbeam irradiation (DERI). The results obtained lead to the possibility of fabricating double junctions InGaN/Si solar cells without the need of tunnel junctions between the two sub-cells, therefore simplifying the design of the final device. concentration with a good surface morphology. The overall growth conditions are N-rich. Non-intentionally doped and magnesium doped GaN layers have been grown on GaN(0001) pseudo-substrates by Metal Modulated Epitaxy (MME). In order to characterize the hole concentration obtained, the Mg-doped GaN layers were also grown on highly resistive (GaN:Fe) pseudo-substrates MME. The Hall effect results have been compared with GaN layers grown in the intermediate regime (the usual growth method by MBE for high quality layers). The layers grown by MME showed 5 times higher hole concentration than those grown in the intermediate regime. The most important parameters to control the InGaN grown on GaN(0001) pseudo-substrates by MME have been studied. The ratio In/Ga has been identified as the most critical parameter that controls the indium incorporation into the alloy. Diode p-i-n structures (p-GaN / i-InGaN / n-GaN) have been grown on GaN(0001) pseudo-substrates, processed and characterized, and crucial mechanisms have been identified in order to improve their performance.