面向高效光伏电池的InGaN数字合金材料外延及其掺杂研究

InGaN ternary alloys, where the In composition can be tuned from 0-100%, shows nearly perfect match to the solar spectrum and thus have potential application in high efficiency solar cells. In theory, the conversion efficiency of InGaN-based solar cell can be as high as 70% under optimized condition. Thus, it attracts much research interest in the fields of semiconductors and clean energy. Unfortunately, the epitaxy of InGaN is extremely difficult due to the big difference in physical and chemical properties between InN and GaN, which prevents the realization of high efficiency solar cell at this moment. In this proposal, we will focus on the InGaN epitaxy, solving key problem, setting up novel method and so that the crystalline quality of InGaN can satisfy the requirement of high efficiency solar cells. The novel method we proposed is to replace the nomal InGaN layers by the InGaN digital alloys which is formed by (InN)n/(GaN)m short period superlattices. The main research topics in this proposal includes the epitaxy of InGaN digital alloys, defects reduction, the p-type doping of InGaN digital alloys, the theoretical study on detail band structure and the transport properties of the InGaN digital alloys. And thus we will finally realize high quality InGaN towards high efficiency solar cells.

全组分可调InGaN三元合金是迄今发现的唯一与太阳光谱几乎完全匹配的单一半导体材料体系，特别适合研制高效光伏电池，理论预测光电转换效率高达70%，是当前半导体科学和清洁能源领域高度关注的研究方向。InN 和GaN 物理、化学性质上的较大差异，导致全组分可调InGaN 材料的外延生长非常困难，严重阻碍高效光伏电池的实现。本项目瞄准外延生长面临的关键科学问题，以发展InGaN 外延生长新方法、提高InGaN 光伏电池效率为目标，提出通过InGaN 数字合金实现高质量材料外延生长这一创新技术路线，系统开展InN、GaN 原子层外延生长研究和InGaN 基光伏原型器件研制，主要内容包括基于(InN)n/(GaN)m 短周期超晶格的InGaN 数字合金外延生长、界面调控、缺陷控制、p 型掺杂以及数字合金的精细能带结构和光生载流子的输运规律等，为实现高效InGaN 基光伏电池奠定科学基础。

本项目采用极富In的生长条件在高阻硅基GaN模板上获得了电子迁移率高达3580 cm2/V·s的InN薄膜，指标保持国际领先水平。通过对生长温度，Mg 源温度和V/III比等生长条件的精确控制，实现了GaN和InN的p型掺杂，同时开发出了一种基于光辅助Kelvin探针的探测GaN纳米线p型掺杂的方法。优化InGaN 基太阳能电池结构，成功制备出高效InGaN基太阳能电池原型器件，实现2.14%的光电转换效率，发现并分析了氮化物太阳能电池正温度特性，相关结果得到英国著名杂志“Semiconductor Today”的报道。. 本项目还对InGaN基原子层级量子结构的外延生长进行了研究，原位的研究了InGaN单原子层的有序结构的起因以及InGaN/GaN界面扩散的行为，并提出了抑制In原子扩散的方法。对In(Ga)N纳米结构的生长行为进行了研究，详细分析了其生长行为中蕴含的晶格极性和对称性因素。实现了多周期数字合金的可控外延，并分析了其应变弛豫情况，研究其中的激子复合特性。实现了单光子源、高迁移率二维电子气和高输出功率电子束泵浦深紫外光源等多种基于数字合金或超薄量子结构的器件，指标均达到国际先进水平。. 本项目在InN 基氮化物半导体材料与器件研究的基础科学问题方面，以MBE 生长动力学和掺杂动力学研究为重点，深入的研究了高电子迁移率InN薄膜、全组分可调InGaN 及InGaN 数字合金等全光谱光伏材料、基于数字合金和超薄量子结构的单光子源器件、电子束泵浦紫外光源的生长和物理性质，为氮化物半导体材料的研究与应用打下良好的基础。