Epitaxial growth and characterization of III-nitride thin films and heterostructures for photovoltaic applications

Abstract

In the present work, the MBE growth of InGaN is thoroughly studied, with the goal to shed light to the kinetic processes that govern it, to eliminate inhomogeneities and phase separation, to achieve better control over the alloy composition, and to optimize the conditions for films of desirable structural and optoelectronic properties. The role of substrate temperature on InGaN growth is investigated as well as its effect on the kinetic mechanisms of InGaN decomposition and In desorption. The temperature’s influence on structural and optoelectronic properties of InGaN alloys is also examined. Low temperatures seem to favor the growth of uniform, homogenous films with no phase separation. A correlation is found between alloy inhomogeneities and different structural defects with the films’ optoelectronic properties. Next, the process of InGaN thermal decomposition is examined. A quantitative model for the decomposition rate is extracted. A window for the optimum growth conditions for InGaN alloys of different composition is determined. Indium adsorption and desorption processes are also studied in this work. Desorption rates were measured, and the dependence of the desorption rate on the indium coverage of the surface is investigated. A quantitative way to correlate the coverage with kinetic processes is suggested. Finally, some initial work on InGaN heterostructures and photovoltaic devices is presented. The structures discussed include InGaN/GaN multiple quantum well (MQW) structures, InGaN/p-Si(111) heterostructures, as well as two preliminary photovoltaic devices.

Στην παρούσα εργασία, μελετάται λεπτομερώς η ανάπτυξη InGaN, με μέθοδο επιταξίας με μοριακές δέσμες. Στόχος είναι να διερευνηθούν οι κινητικοί μηχανισμοί που την ελέγχουν, να περιορίσει την εμφάνιση ανομοιογένειων και φαινομένων διαχωρισμού φάσης, να επιτευχθεί καλύτερος έλεγχος της σύστασης του κράματος, και να βελτιστοποιηθούν οι συνθήκες ανάπτυξης για υμένια με τις επιθυμητές δομικές και οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες. Πραγματοποιήθηκε αναλυτική μελέτη του ρόλου της θερμοκρασίας ανάπτυξης και συσχέτιση με τους κινητικούς μηχανισμούς της θερμικής διάσπασης του InGaN, και της εκρόφησης του In. Εξετάζεται ακόμη η επίδραση της θερμοκρασίας πάνω στις δομικές και οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες των κραμάτων InGaN. Οι χαμηλές θερμοκρασίες φαίνεται να ευνοούν την ανάπτυξη ομοιόμορφων, ομογενών υμενίων χωρίς διαχωρισμό φάσης. Επιπλέον, γίνεται συσχέτιση ανάμεσα σε ανομοιογένειες και δομικές ατέλειες των υλικών με τις οπτοηλεκτρονικές τους ιδιότητες. Στη συνέχεια, εξετάζεται ο μηχανισμός της θερμικής διάσπασης του InGaN. Προκύπτει ένα ποσοτικό μοντέλο για το ρυθμό διάσπασης. Επιπλέον προσδιορίζεται το παράθυρο βέλτιστων συνθηκών για την ανάπτυξη κραμάτων InGaN διαφορετικών συστάσεων, βάση των μορφολογικών χαρακτηριστικών. Μελετώνται ακόμη οι διαδικασίες της προσρόφησης και εκρόφησης του ινδίου. Μετρήθηκαν ρυθμοί εκρόφησης του ινδίου και μελετήθηκε η εξάρτηση της ροής εκρόφησης από την κάλυψη της επιφάνειας. Συνδιάζονται τα προηγούμενα αποτελέσματα, ώστε να προσδιοριστεί η ακριβής επίδραση των κινητκών μηχανισμών πάνω στις συνθήκες ανάπτυξης του InGaN. Προτείνεται ένα ποσοτικό σύστημα συσχέτισης της κάλυψης με τις κινητικές διεργασίες. Παρουσιάζονται τέλος κάποια αρχικά αποτελέσματα πάνω σε ετεροδομές InGaN και φωτοβολταϊκές διατάξεις. Οι δομές περιλαμβάνουν πολλαπλά κβαντικά πηγάδια InGaN/GaN, ετεροδρομές InGaN/p-Si(111), καθώς και δύο αρχικές διατάξεις φωτοβολταϊκών κυττάρων.