Reduction of crystalline defects in III-V thin buffer layers grown on Si(100) and Ge(100) substrates by MOCVD for solar fuels

Autor: Nandy, Manali
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
DOI: 10.22032/dbt.55641
Popis: Die Heteroepitaxie von III-V auf Si und Ge Substraten eignet sich für kostengünstige, qualitativ hochwertige Epitaxieschichten, die eine geeignete Bandlücke für Mehrfachsolarzellen aufweisen. Jedoch ist die III-V-Heteroepitaxie auf diesen Substraten aufgrund von Antiphasengrenzen, die durch polares III-V Wachstum auf den unpolaren Substraten entstehen, eine Herausforderung. Außerdem müssen Kristalldefekte, die sich an der Heterogrenzfläche III-V/Substrate bilden können und dann in den III-V-Schichten die solare Konversionseffizienz erheblich beeinträchtigen, unbedingt vermieden werden. Die vorliegende Arbeit untersucht die Präparation von Si- und Ge-Oberflächen mit wohldefinierten Heterogrenzflächen sowie das nachfolgende Wachstum von GaP- und III-P- Schichten mit geringen Defektdichten mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung, die präzise kontrollierte, auf industriellen Maßstab skalierbare Epitaxie von III-V-Halbleitern mit hoher Reinheit ermöglicht. Für das Wachstum von GaP auf Si wurde die Ausbildung von Doppelstufen auf der Arsen-terminierten Si(100)-Oberfläche und die dazugehörige Dimerorientierung durch Variation der Prozessparameter (Temperatur, Druck, Arsenquelle) genau kontrolliert. Um die Kristallqualität der GaP-Pufferschicht zu verbessern, wurde die Pulsabfolge der Ga- und P-Präkursoren für die Nukleation modifiziert, indem die ersten fünf TEGa-Pulse durch TMAl ersetzt wurden. Die kristallinen Defekte wurden mittels “Electron channeling contrast imaging” (ECCI) untersucht. Die quantitative Analyse der Defekte zeigte, dass bei GaP, das auf einer GaP/AlP Nukleationsschicht gewachsen wurde, im Durchschnitt die Dichte von Durchstoß-versetzungen (engl. threading dislocations, TDs) und Stapelfehlern (engl. stacking faults, SFs) um eine bzw. zwei Größenordnungen reduziert werden konnte, verglichen mit Pufferschichten, die auf einer binären GaP Nukleationsschicht gewachsen wurden. Bei der Heteroepitaxie von III-P/Ge(100) ist ein erster Prozessschritt vor dem eigentlichen Wachstum entscheidend, bei dem die Ge(100):As-Oberfläche dem TBP-Precursor ausgesetzt wird, um die As-Atome durch P-Atome zu ersetzen. Unterschiedliche molare Flüsse des TBP-Precursors während dieses Prozessschritts beeinflussen die chemische Zusammensetzung sowie die Oberflächenrekonstruktion der Ge(100):As-Oberflächen; außerdem wirken sich die molaren Flüsse des TBP-Angebots auf die Bildung von Defekten in der III-P-Schicht aus. Diese Arbeit hat somit gezeigt, dass beim Wachstum von III-V-Verbindungshalbleitern auf Si und Ge eine genau kontrollierte Heterogrenzfläche erforderlich ist, um die hohe Kristallqualität der III-V-Schichten zu erreichen.
Epitaxial growth of III-V compound semiconductors on Si(100) or Ge(100) substrates is highly desired for both microelectronics, photovoltaic and photoelectrochemical applications. The integration of III-V materials with main-group IV (Si or Ge) substrates have the potential to achieve high solar conversion efficiency in multi-junction photo devices. The main challenge during the growth of the III-V materials on Si(100) or Ge(100)substrates is to avoid anti-phase domains (APDs) which originate at the substrate. In addition, lattice mismatch between the epitaxially grown layer and the substrate generally introduces crystalline defects in the bulk. The presence of defects in a III-V buffer layer significantly limits the theoretical maximum solar conversion efficiency. Thus, in order to avoid APDs as well as other defects in the III-V layer, a precise preparation of atomically well-ordered substrate surface and the control of the III-V/substrate heterointerface is required. Double-layer atomic steps at the Si(100) or the Ge(100) surface are a crucial prerequisite to avoid APDs in the III-V epilayers. In addition, optimized III-V growth conditions are required to achieve low defect densities in the bulk. The present work focuses on the surface preparation of Si(100) and Ge(100) surfaces as well as the involved heterointerfaces for low-defect GaP/Si(100) and III-P/Ge(100) epilayers. The entire surface preparation and the growth of III-V layers were carried out in a metalorganic chemical vapor deposition reactor. Prior to the III-V growth, we are able to control over the dimers on both the Si and Ge surfaces. Moreover, a low temperature, rapid process route, in particular for the Si surfaces in III-V ambient was established. In order to improve the crystal quality of the GaP layer grown on Si(100):As substrates, a modified nucleation layer introducing Al was developed. For III-P/Ge, we have studied pre-growth step on Ge(100):As surfaces prior to III-P(100) buffer growth in which different molar flows of TBP precursor during the pre-growth steps were varied. The crystal defects in both the GaP(100) and the III-P(100) buffer layers were investigated by electron channeling contrast imaging (ECCI). ECCI scans showed that GaP epilayers grown on the Al-containing nucleation layers exhibit drastically reduced densities of threading dislocations and stacking faults, by 1 and 2 orders of magnitude, respectively, compared to the epilayers grown on binary GaP nucleation layers. For the III-P growth on the Ge(100) surface, we observed that the III-P layer exhibits no defects while grown on Ge(100):As substrates annealed under high TBP molar flow for a certain time, while a high defect density results in the case of III-P epilayers grown on Ge(100):As substrates annealed under low TBP molar flow. This suggests that a controlled pre-growth step is mandatory to prevent defects in the III-P layers. In both cases, either for GaP/Si(100) or for III-P/Ge(100) surfaces, preparation of the heterointerface is a crucial process step which determines the crystal quality of the subsequent III-V epilayers.
Databáze: OpenAIRE
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