Integration von nanoskaligen III-V Halbleiterstrukturen auf Silizium für die solare Energiekonversion

Steidl, Matthias GND

Tandem-Absorberstrukturen bestehend aus ternären III-V-Halbleiter-Nanodrähten (ND) als obere Teilzellen und Si als untere Teilzelle besitzen ein hohes Potential für kostengünstige, hocheffiziente Photovoltaik und solare Wasserspaltung. Ziel dieser Arbeit ist es den Weg zu einem solchem Tandem zu ebnen, wobei GaP als Pufferschicht zum Si(111)-Substrat und die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) als Präparationsmethode dient. Dafür soll ein detailliertes Verständnis hierbei erforderlicher Prozessschritte auf möglichst atomarer Skala geschaffen werden, um somit die Kontrolle über jeden einzelnen dieser Präparationsschritte zu erlangen. Es zeigte sich, dass die Si(111)-Oberfläche sich in der H2-Atmosphäre des MOVPE-Reaktors wesentlich anders verhält als während der etablierten Präparation in Ultrahochvakuum: So ist diese nach thermischer Deoxidation (1×1)-rekonstruiert und Monohydrid-terminiert. Reflexionsanisotropie-Spektroskopie erweist sich als geeignet die thermische Deoxidation fehlorientierter Substrate in-situ zu beobachten. Senkrechtes, geradliniges Wachstum von ND erfordert B-polare GaP(111) Pufferschichten auf Si. Epitaxie von GaP auf H-terminiertem Si(111) resultierte jedoch in A-Typ Polarität. Mit Hilfe einer vorangehenden As-Terminierung der Si(111)-Oberfläche gelingt es, die Polarität zu GaP(111)B umzukehren. Die Verwendung geeigneter Si-Substrate und Nukleationsbedingungen erlaubte es die Dichte an Rotationszwillingengrenzen (RZGs) deutlich zu reduzieren und somit den Anteil senkrechter ND auf über 97% zu steigern. Denn wie sich zeigte, wirken sich RZGs nachteilig auf anschließendes ND-Wachstum aus, indem sie es entweder vollständig unterdrücken, diagonal zur Substratoberfläche oder horizontal entlang der RZG verlaufen lassen. Verlässt ein horizontaler ND die RZG, entscheidet die Gitterfehlanpassung über die weitere Wachstumsrichtung: homoepitaktische ND setzen ihre Wachstum in die Senkrechte fort, während heteroepitaktische ND horizontal bleiben. Zum Verständnis dieser Phänomenologie wird ein quantitatives, kinetisches Nukleationsmodell entwickelt. Unabhängig vom Auftreten von RZGs vermag dieses Modell, das horizontale ND-Wachstum in gitterfehlangepassten Systemen zu erklären. Außerdem gelingt es erstmals verdünnt-Stickstoff-haltige ND-Strukturen via MOVPE zu präparieren. Zwei Ansätze sind erfolgreich: N-Einbau während des vapor-liquid-solid-Wachstums; und N-Einbau in eine Hülle. Darüber hinaus wird die Dotierung von Nanodrähten mittels eines Vierspitzen-Rastertunnelmikroskops untersucht. Hiermit werden Widerstandsprofile freistehender ND bestimmt, was eine anschließende Anpassung der Wachstumsparameter an gewünschte Dotierprofile erlaubt.

Tandem-absorber structures consisting of ternary III-V nanowires (NWs) as upper sub cells and Si as cheap substrate and lower sub cell possess great potential for highly-efficient photovoltaics and solar water splitting. The aim of this work is to pave the way to such a tandem, utilizing GaP as buffer layer on the Si(111) substrate and the metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) as preparation method. For this purpose, a detailed understanding of the required process steps on the atomic scale shall be created, in order to gain control over each of the process steps. It is shown that Si(111) behaves essentially different in the H2 ambient of the MOVPE reactor than during the established preparation in ultrahigh vacuum: after thermal deoxidation, the surface is (1×1) reconstructed and terminated by monohydrides. Reflection anisotropy spectroscopy is found to be suitable for in-situ monitoring of the thermal deoxidation of vicinal Si(111) substrates. For NW growth vertically to the substrate B-polar GaP(111) buffer layers are required. Epitaxy of GaP on H-terminated Si(111), however, results in A-polar GaP. By means of a preceding As-termination of the Si(111) surface, the polarity can be inverted to GaP(111)B. Commonly, heteroepitaxial (111) layer growth is accompanied by the formation of rotational twins. It is observed that rotational twin boundaries (RTBs), which intersect the surface of GaP/Si(111) heterosubstrates, generally cause horizontal NW growth and may even suppress NW growth entirely. Away from RTBs, the NW growth direction switches from horizontal to vertical in the case of homoepitaxial NWs, whereas heteroepitaxial NWs continue growing horizontally. To understand this rich phenomenology, a quantitative kinetic nucleation model is developed. Independent of the occurrence of RTBs, this model can generally explain the prevalent observation of horizontal NW growth in lattice mismatched systems. The density of RTBs can be reduced applying vicinal Si substrates, thereby improving the surface morphology at the same time. By using the best GaP/Si heterosubstrates and an appropriate NW preparation, it is finally possible to achieve growth of binary and ternary NW structures with yields of vertical NWs exceeding 97%. Furthermore, the in-situ incorporation of dilute amounts of N into III-V NW structures during MOVPE is demonstrated for the first time. Two approaches are successful: N-incorporation during vapor-liquid-solid growth; and N-incorporation during growth of a shell. In addition, GaAsP NWs of different composition and high morphological quality are prepared. Furthermore, the doping of NWs is investigated: Freestanding NWs are analyzed by a multi-tip scanning tunneling microscope, allowing to adjust growth parameters for the desired doping profiles.

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Steidl, Matthias: Integration von nanoskaligen III-V Halbleiterstrukturen auf Silizium für die solare Energiekonversion. Ilmenau 2019.

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