三族氮化物太陽能電池研究

明新科技大學 校內專題研究計畫成果報告

三族氮化物太陽能電池研究

Ⅲ-Nitride solar cell study

摘 要

Abstract

The Ⅲ-Nitride (Ⅲ-N, InN/InGaN) solar cell with high-efficiency, and the advantages with feasibility of multi-junction and low cost of solar cell manufacturing in the future will be studied in this project. We use metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (BME) to grow the Ⅲ-Nitride (InN/ inGaN) layer of solar cell. Various kinds of growth conditions will be tested to optimize the growth condition of nitride layer of solar cell condition. The material characteristics of Ⅲ-Nitride layer are analyzed by scanning electron microscope (SEM) and X-ray Diffraction (XRD). The optical and electrical properties of Ⅲ-Nitride will be studied, such as Photoluminesence and Hall measurement. Meantime, an Ohmic-contact with P-type Ⅲ-Nitride will be fabricated to prove the feasibility of the Ⅲ-Nitride solar cell. Meantime, we also study the difference of content of doping In into InGaN/ InN layer. We find that stress of doping cause wide FWHM of XRD peak. The main reason is In can’t be doping uniformly in InGaN/ InN layer.

圖十八 sample-1 之 XRD 結果圖

………

圖十九 AlGaN 覆蓋層為 2 pairs 之 MOCVD 製程進行圖

………

圖二十 AlGaN 覆蓋層之氮化銦鎵磊晶結構(2 pairs)

………

圖二十一 sample-2在光學顯微鏡1000X下的表面成像結果

………

圖二十二 sample-2 之 XRD 結果圖

………

圖二十三 AlGaN 覆蓋層為 5 pairs 之 MOCVD 製程進行圖

………

圖二十四 AlGaN 覆蓋層之氮化銦鎵磊晶結構(5 pairs)

………

圖二十五 sample-3在光學顯微鏡1000X下的表面成像結果

………

圖二十六 sample-3 之 XRD 結果圖

………

圖二十七 AlN 覆蓋層之 MOCVD 製程進行圖

………

圖二十八 AlN 覆蓋層之氮化銦鎵磊晶結構(5 pairs)

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圖二十九 sample-4 在光學顯微鏡 1000X 下的表面成像結果

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圖三十 sample-4之XRD結果圖

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圖三十一 單一層 In0.4GaN ( sample-5 )之 MOCVD 製程進行圖

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表 目 錄

表一 太陽能電池效率及用途………5

表二 摻雜銦 0.25 含量之磊晶 sample 成長表………10

單晶太陽能 多晶太陽能 非晶太陽能 圖一 單晶太陽能、多晶太陽能及非晶太陽能圖示

單晶Single Crystalline (GaAs, GeN, InP..)

Thin Film (部份已淘汰或生產 技術尚未成熟)

η: 18-30 % (應用於太空或聚光 型 PV 系統)

多晶矽薄膜

Thin Film Poly.

單晶矽

Single Crystalline

多晶矽

Poly Crystalline

非晶矽薄膜

Amorphous Thin Film (Si:H, SiGe, SiC..)

晶矽 Crystalline 多晶 Poly Crystalline (CdS, CdTe, CuInSe₂...) Solar Cells Silicon Compound η:12~20% η:10~18% 明日之星 ? 矽 矽 化合物半導體 化合物半導體 η: 6~8%，應用消 費性產品、玩具等 Nano & Organic 如 TiO2/染料、有機太陽電池，目前研發中 單晶Single Crystalline (GaAs, GeN, InP..)

Thin Film (部份已淘汰或生產 技術尚未成熟)

η: 18-30 % (應用於太空或聚光 型 PV 系統)

多晶矽薄膜

Thin Film Poly.

單晶矽

Single Crystalline

多晶矽

Poly Crystalline

非晶矽薄膜

Amorphous Thin Film (Si:H, SiGe, SiC..)

b. 高效率太陽能電池簡介

常見的高效率太陽能電池有三五族化合物太陽能電池材料有:砷化鎵( GaAs )、鋁砷

圖四 集光型太陽能電池

三、研究方法與步驟

本研究為三族氮化物 (Ⅲ-Nitride, InN/InGaN) 太陽能電池之研究，因其具有高效 率綠色電池的效益，對未來開發多接面(Multi-junction)太陽能電池則具有可行性以及低 成本的優點。本年度將此三族氮化物太陽能電池加以研究，藉以磊晶製程開發太陽電 池製程磊晶薄膜，並分析 InN，InGaN 等磊晶薄膜，探討各種成長條件分析薄膜品質 的影響，特別在計畫中針對氮化銦鎵或氮化銦（InGaN/ InN）磊晶薄膜之摻雜銦含量差 異進行研究，因改變銦含量的多寡可改變材料的不同吸收太陽光之波長能量。以下為 三族氮化銦含量不同之銦氮太陽能電太陽光吸收之簡易圖示：

Source: W. Walukiewicz et al. 圖七 三族氮化銦鎵薄膜之對應太陽光譜能量吸收圖

(a) 研究方法步驟

實驗中調整溫度、壓力、氨氣流量等薄膜成長條件的參數，以優化三族氮化物薄膜 之特性及組成。

2. 三 族 氮 化 物 磊 晶 層 薄 膜 結 構 分 析 ， 使 用 掃 瞄 式 電 子 顯 微 鏡 (Scanning electron microscope,SEM) 表面和截面分析和X-ray繞射(X-ray Diffraction, XRD）分析將用來 找出較好的成長條件，並作詳細的探討與分析。其中為了解氮化銦薄膜結構品質， 所以利用XRD做分析。XRD分析儀來探測磊晶薄膜的結構，若繞射峰的半高寬(Full width at half maximum, FWHM)越窄，則代表薄膜結晶品質越佳，藉此瞭解三族氮化物 磊晶薄膜之結構特性。

進行在三族氮化物太陽能電池研究，因本校並無製程機台所以遇到設備資源方面 問題，例如此研究必需使用貴重儀器等製程及量測設備，但在校內並無此資源，故本 研究與中山科學研究院第五研究所固態元件組共同合作發展此研究。

圖九 輕摻雜銦含量 0.25 之磊晶結構圖 圖十 重摻雜銦含量 0.4 之磊晶結構圖

(b) 有機金屬化學氣相沈積系統 ( MOCVD )

磊晶部份是使用AIXTRON 200/4RF型的有機金屬化學氣相沉積系統(Metal-Organi c Chemical Vapor Deposition System)，圖十一和圖十二分別為有機金屬化學氣相沈積 機台圖和系統的管線分佈圖。圖十三為化學氣相沉積的機制，成長的基板為兩吋藍寶 石基板(Sapphire)，氫氣(H2)及氮氣(N2)為載氣(Carrier Gas)，反應源TMGa、TMIn、NH 3提供氮化鎵及氮化銦鎵的成長；SiH4及CP2Mg提供n型與p型之摻雜源。

圖十二 MOCVD 管線配置圖

四、實驗結果與討論

I. 輕摻雜銦 0.25 含量之磊晶

於第一部份主要為 0.25 之銦含量磊晶，InGaN 薄膜層厚度都是固定 100nm，其中 改變不同的覆蓋層(capping )，分為 sample-1 至 sample-4 四種不同的成長條件與結構， 探討出不同的覆蓋層對 InGaN 之影響情形，還進一步增加多層薄製作，試著提升 InGaN 磊晶薄膜的品質。下表二為摻雜銦 0.25 含量之磊晶 sample 成長表： 表二 摻雜銦 0.25 含量之磊晶 sample 成長表 (a) 氮化鎵 ( GaN ) 覆蓋層之磊晶製程 此部分研究，首先在全新的兩吋藍寶石基板上先做基板洗淨之動作，以確保基板 的潔淨度不會影響到之後的製程結果，接著再使用有機金屬化學氣相沈積技術方式以 不同製程條件方式，長成三族氮化銦鎵磊晶薄膜。圖十五為氮化鎵 ( GaN ) 覆蓋層之 MOCVD 製程進行流程圖示，紅色線 ( left Y-axis ) 是代表著反射係數強度，綠色線 ( right Y-axis )是代表成長的溫度情形，X-axis 是成長時間的改變，時間則是以秒 ( second ) 為單位，磊晶過程中主要分為三個區段，首先是氮化鎵層，接著為氮化銦鎵 薄膜層，最後是氮化鎵的覆蓋層三個部份，氮化鎵覆蓋層是低反射係數強度條件下成 長出來的。圖十六為 In0.25Ga0.75N 之 GaN 覆蓋層的磊晶結構，其製程溫度為 780°C，成

圖十五 GaN 覆蓋層之 MOCVD 製程進行圖

圖十九 AlGaN 覆蓋層為 2 pairs 之 MOCVD 製程進行圖

Sample-2 在光學顯微鏡 1000 倍下的表面成像結果為下左圖二十一所示，下右圖二 十二是打完 XRD 繞射量測的結果，我們可發現 sample-2 在 OM 下的結果相較於 sample-1 顯得較淺綠色，仔細觀察可看出有圓圓的小點出現，進一步比對 XRD 圖可知 InGaN 的波峰強度確實有明顯出現，所以改變 AlGaN 覆蓋的的結構，再加上製作 2 pairs 的方式是有效果的。

圖二十一 sample-2 在光學顯微鏡 1000X 下 圖二十二 sample-2 之 XRD 結果圖 的表面成像結果

圖二十三 AlGaN 覆蓋層為 5 pairs 之 MOCVD 製程進行圖

圖二十七 AlN 覆蓋層之 MOCVD 製程進行圖

下左圖二十九是 sam ple-4 在光學顯微鏡 1000 倍下的表面成像結果，看起來表面 整個帶綠色，並不像 sample-3 有無任何特別的圓點區塊，而圖三十是 sample-4 量測完 XRD 的結果圖，sample-4 的 InGaN 的波峰強度明顯的比 sample-3 還強，所以利用改變 AlN 的覆蓋層且製作多層膜 5 pairs 的結構是有幫助的。

圖二十九 sample-4 在光學顯微鏡 1000X 下的 圖三十 sample-4 之 XRD 結果圖 表面成像結果

II. 重摻雜銦 0.4 含量之磊晶

此部分研究主要為摻雜銦 0.4 含量之磊晶結構，並分為兩個部份進行，第一種為直 接於 GaN 上成長 In0.4GaN 薄膜 ( sample-5 )，而另一種是增加了 grading 和 high V/III

我們試著提升摻雜銦含量至 0.4 的部份，並探討不同結構對薄膜品質的影響差異， 下圖三十一是單一層 In0.4GaN ( sample-5 )製程進行圖，很簡單的分為 GaN 和 InGaN 兩

個區段，而 InGaN 是以溫度 650°C、壓力 200 mbar 環境條件下成長，圖三十二和圖三 十三是利用掃描式電子顯微鏡所拍攝下來的圖，圖三十二是 sample-5 的結構側示圖 ( cross section )，而圖三十三是 sample-5 的結構上示圖( top view )，可看到各層的界面 部份都還算是很平整，表示磊晶成長完的情形很好。接著我們又拿去量測 XRD 繞射光 譜儀，發現到 In0.4Ga0.6N 的波峰強度非常的明顯，半高寬約 2000 arcsec 的寬度，半高

寬越窄代表著磊晶薄膜品質也就相對的越好。

圖三十二 sample-5 在掃描式電子顯微鏡下的 圖三十三 sample-5 在掃描式電子顯微鏡 側示圖 下的上示圖

接著我們又增加多層 InGaN，加入了 grading 和 high V/III 比的的結構，如圖三十 五為多層 InGaN ( sample-6 ) 之製程進行圖，共區分了四個區段，首先是成長 GaN 層， 接著為 InGaN (high V/III)，其後是 InGaN (grading)，最後再成長 InGaN 的部份，總共 四層 InGaN 層，而三種 InGaN 層皆是以溫度 650°C、壓力 200 mbar 環境條件下成長， 唯一不同的地方是 V/III 有所差異，從 high V/III 至上層 InGaN 慢慢的下降，圖三十六 為 sample-6 在掃描式電子顯微鏡下的側示圖 ( cross section )，圖三十七是 sample-6 在 掃描式電子顯微鏡下的上示圖 ( top view )，從側示圖可看出界面並不這麼的漂亮，原 因為磊晶時成長的缺陷太多所致，也可能是切 sample 時邊緣部份不完整的關係，不過 在圖三十八 sample-6 之 XRD 結果圖所示，製作多 InGaN 的結構相較於 sample-5 無有 太大的改變，也看不出薄膜品質有變好的趨勢。

圖三十六 sample-6 在掃描式電子顯微鏡下的 圖三十七 sample-6 在掃描式電子顯微鏡 側示圖 下的上示圖

五、結論

本研究嘗試自行以有機化學氣相沈積磊晶製程方式製作三族氮化銦鎵磊晶薄 膜，其後做量測分析其品質結果，發現改變 InGaN 上層的 capping 材料將會影響整體 結構特性，也因此選擇對的材料與結構設計也就相對顯得重要了，另外針對氮化銦鎵 或氮化銦（InGaN/ InN）磊晶薄膜之摻雜銦（In）含量差異進行深入研究探討後，其中 摻雜之應力鬆弛可能導致 XRD 結果之半高寬過寬，相對地磊晶薄膜品質也就較差，主 要原因為銦的摻雜不能均勻分佈至磊晶薄膜內。本研究未來將持續不斷的嘗試不同的 製程方式與材料，以提升磊晶薄膜品質特性，此方面研究有助於提供未來三五族化合 物太陽能電池之實際上的製作與參考。

六、參考文獻:

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