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Hans Journal of Nanotechnology
 Vol.4 No.04(2014), Article ID:14413,6 pages
DOI:10.12677/NAT.2014.44008

Effect of SiO2 Nano-Interlayer to Characteristics of GaAs/Ge Heterostructure

Jia-Ren Wu, Ching-Chih Fang, Lung-Chien Chen*

Department of Electro-Optical Engineering, National Taipei University of Technology, Taipei

Email: t9659012@ntut.org.tw, t7650312@ntut.org.tw, ocean@ntut.edu.tw, *t7659004@ntut.edu.tw

Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Received: Nov. 10th, 2014; revised: Nov. 20th, 2014; accepted: Nov. 28th, 2014

ABSTRACT

This work investigates the effect of a SiO2 nano-interlayer to optoelectronic characteristics of GaAs/Ge heterostructures. The experimental focuses on three parts: first of all, studying crystal quality of GaAs and GaAs/SiO2 films on Ge substrates prepared by RF magnetron sputtering. Next, it studies the effect of the SiO2 nano-interlayer with different thickness to the properties of the device structure by using the results of the optoelectronic characteristics of the GaAs/Ge and GaAs/ SiO2/Ge heterostructures. Third, we investigate the optoelectronic characteristics of the GaAs/ SiO2/Ge structure In the GaAs/SiO2/Ge heterostructure, except for the diffraction peak of GaAs layer at around 53˚, a strong peak at 52˚ responding to be gallium oxide (Ga2O3) was observed. That is the reaction product of oxygen (O2) and gallium (Ga) from the SiO2 layer. The diffraction peak intensity of GaAs decreases and the diffraction peak intensity of Ga2O3 increases as the deposition time increases. This may contributed to the arsenic native point defect caused by the introduction of oxygen from the SiO2 layer and then to form Ga2O3. Under illumination, the arsenic native point defect in the GaAs layer will capture photo-generated electrons, resulting photocurrent decrease, thereby affecting the optical properties of GaAs/SiO2/Ge heterostructures.

Keywords:RF Sputter, SiO2 Nano-Interlayer, GaAs, Ge

SiO2奈米绝缘层对GaAs/Ge异质结构特性
之影响

吴家任，方劲智，陈隆建*

国立台北科技大学，光电工程系，台北市

Email: t9659012@ntut.org.tw, t7650312@ntut.org.tw, ocean@ntut.edu.tw, *t7659004@ntut.edu.tw

收稿日期：2014年11月10日；修回日期：2014年11月20日；录用日期：2014年11月28日

摘  要

本论文主要探讨SiO2奈米绝缘层对GaAs/Ge异质结构光电特性的影响之研究。本实验主要探讨分为三部分，其一是探讨以射频磁控溅镀技术所成长之砷化镓薄膜磊晶质量及特性分析；其二为透过薄膜分析GaAs/Ge和GaAs/SiO2/Ge两种异质结构，讨论SiO2厚度变化对组件结构的影响；其三则是探讨GaAs/SiO2/Ge异质结构的光电特性。在GaAs/SiO2/Ge的异质结构中，除了大约在53˚的GaAs绕射峰之外，大约在52˚则有另一个强度很强的绕射峰出现，该绕射峰应为氧化镓(Ga2O3)，晶向为(024)，推测应属SiO2的氧(O2)及GaAs的镓(Ga)所反应之生成物。当沉积时间增加时，GaAs的绕射峰强度减弱，Ga2O3的绕射峰强度增强，可能是SiO2引进氧形成Ga2O3，而造成砷的自生点缺陷(native point defect)增加所导致。在照光的情形下，在GaAs的膜层中之砷的自生点缺陷会捕捉光生电子，造成光电流减少，进而影响GaAs/SiO2/Ge异质结构的光特性。

关键词

射频磁控溅镀，SiO2奈米绝缘层，砷化镓，锗

1. 引言

人类对于能源的需求日益扩大，根据估计，到公元2025年，全球燃料成长率为30%，电力需求成长为265%；如此高的需求，传统能源的供应肯定不足。因此，各国近年來皆积极投入替代能源与再生能源开发与研究。

目前被发现较具有发展的替代能源有：风力、太阳、地热、海水温差、波浪、潮汐、生质能……等之能源，但大都受限于自然地形环境的影响，然而太阳光照射的面积占了地球大部分，仅差入射角不同而造成的光能强弱，意味着每日照在地表上的阳光足以供应全球的能量，但到达地表的太阳能没有被有效利用，因此如何收集太阳光和储能为一大重要议题。

一般来说，现今市场上所生产的结晶硅太阳能电池平均效率只在15%上下，也就是说只能将15%太阳光能吸收转换成可用电能，其中85%就变成毫无用处的热能。在目前主流太阳能电池仍是以硅太阳能池为主，包括多晶硅和非晶硅薄膜电池其优点不外乎技术纯熟、材料丰富，因此具有相当高的转换率(~20%)与较低的成本开发条件。GaAs/Ge异质结构太阳能电池已有许多研究论文提出[1] -[7] 。近年来以III-V化合物半导体(GaAs/Ge或 InGaP/GaAs/Ge)所构成单接面或多接面结构的太阳能电池受到相当的重视，其本身具有相当高的转换效率(~40%)[8] [9] ，而目前多接面太阳能电池研究，根据报导其转换效率最高可达44.4%左右，是由SHARP公司于2013年所发表。因此本研究团队，尝试以低成本方式制作简化型结构GaAs太阳能电池。

本研究是以射频溅镀系统沉积砷化镓薄膜于锗基板上，并利用超薄二氧化硅奈米绝缘层作为缓冲层，制作成一异质结构太阳能光电组件，分析其有无添加缓冲层与其最佳厚度参数之光电组件特性之研究。

2. 实验流程

本实验主要是利用射频磁控溅镀系统，将SiO2奈米绝缘层沉积于Ge (p type)基板上，紧接着再将GaAs薄膜磊晶于SiO2薄膜上，完成其GaAs/SiO2/Ge异质结构组件。

2.1. 基板清洗

本实验所使用的基板为锗基板和玻璃基板，先将锗基板裁切至1.5 × 1.5 cm2，先放置稀释过的氢氟酸(HF:DI Water = 1:16) 5分钟，去除原生氧化层(native oxide)后，再以去离子水(DI Water)冲洗10分钟，最后分别使用丙酮(Acetone)、酒精(Ethanol)及去离子水放置于超音波震荡器内震荡5分钟后去除表面污染物，最后以氮气(N2)吹干表面水气；而玻璃基板裁切至2 × 2 cm2，分别使用丙酮、酒精及去离子水置于超音波震荡器内震荡5分钟去除表面污染物，再以氮气将其基板吹干表面水气。

2.2. 二氧化硅薄膜制备

使用本实验室的射频磁控溅镀系统，以射频磁控溅镀技术来制备二氧化硅薄膜。首先将清洗干净的锗基板和玻璃基板置于腔体中，接着将二氧化硅靶材(SiO2 target)放置于腔体的阴极(Anode)位置、基板则放置在阳极(Cathode)位置，利用帮浦抽至真空，设定通入氩气(Ar)流量、工作压力、功率及沉积时间，实验制程参数如表1所示。

2.3. 砷化镓薄膜制备

使用本实验室的射频磁控溅镀系统，以反应式溅镀技术来制备砷化镓薄膜。将各别溅镀完成之SiO2薄膜的锗基板和玻璃基板置于腔体中，接着将砷化镓靶材(GaAs target)放置于腔体的阴极位置、基板则放置在阳极位置，利用帮浦抽至真空，设定通入氩气流量、工作压力、功率及沉积时间，实验制程参数如表2所示。

3. 实验结果与讨论

图1为GaAs/Ge、GaAs/SiO2 (15 min)/Ge、GaAs/SiO2 (30 min)/Ge，三种不同异质结构之XRD绕射图，其重点在比较有无添加缓冲层SiO2与其厚度对GaAs薄膜的结晶之影响性，从图1得知；无论有无缓冲层的条件下在53˚都具有GaAs(311)该结晶向面的绕射峰出现，但在有添加SiO2的异质结构其晶向面(311)强度逐渐降低，大约在52˚则有另一个强度很强的绕射峰出现，该绕射峰应为氧化镓(Ga2O3)，晶向为(024)，推测应属SiO2的氧(O2)及GaAs的镓(Ga)所反应之生成物。很明显，SiO2奈米绝缘层的加入，造成GaAs层的结晶性改善，但是也形成Ga2O3的晶相。当SiO2沉积时间增加为30 min时，厚度增加，GaAs的绕射峰强度减弱，Ga2O3的绕射峰强度增强，可能是SiO2引进氧形成Ga2O3，而造成砷的自生点缺陷(native point defect)增加所导致。

图2为GaAs/SiO2/Ge异质结构的FE-SEM横截面图，可明显看出溅镀时间约为15分钟的SiO2奈米绝缘层，其薄膜厚度大约为102.7 nm，而GaAs薄膜的厚度大约为1 μm左右。两者之间的界面平整而清晰。

在分析上为研究待测薄膜光学相关特性，常见是采用卤素灯作全光谱光源入射透过单光仪设备进行分光，最后经由光电倍增管(Photomultiplier Tubes, PMT)来接受其光强度讯号，即可获得一完整光谱。透过图3可以清楚看到GaAs/glass薄膜在穿透光谱分析图，光谱在约820 nm发生变化；利用关系式: [10] ，就可以计算出吸收能隙大约在1.512电子伏特(eV)，此因是GaAs之Burstein-Moss效应所造成的蓝移现象(blue shift)。而加入缓冲层为GaAs/SiO2/glass结构之穿透光谱，除了在约820 nm有明显的吸收边缘之外，发现在约900 nm还有一明显的吸收现象产生，将其换算成吸收能隙大约在1.378 eV，应为杂质或缺陷能阶所造成之吸收。

图4为GaAs/SiO2/glass以及GaAs/glass两种结构的Raman量测图，其中差异为缓冲层SiO2的添加，量测环境之条件为室温，量测范围25 cm−1~400 cm−1，光源为514 nm氩离子雷射。从图中可观察到有186 cm−1和240 cm−1两个峰值，在SiO2奈米绝缘层加入之后，该峰值分别偏移到185 cm−1和237 cm−1，此应

Table 1. The parameters of silicon dioxide thin film

表1. SiO2薄膜溅镀参数

Table 2. The parameters of gallium arsenide thin film  

表2. GaAs薄膜溅镀参数

Figure 1. XRD pattern from the GaAs/SiO2/Ge structure

图1. GaAs/SiO2/Ge XRD图

属砷空缺的光学声子模态，推断是室温溅镀成长GaAs时砷原子的位置被氧原子所占据，或是砷挥发而产生砷的自生点缺陷所导致[11] 。在照光的情形下，在GaAs的膜层中之砷的自生点缺陷会捕捉光生电子

Figure 2. Cross-sectional SEM image of the GaAs/SiO2 (15min)/Ge heterostructure

图2. GaAs/SiO2 (15min)/Ge SEM横截面图

Figure 3. Transmittance of the GaAs/SiO2 and GaAs films on the glass substrate

图3. GaAs/SiO2和GaAs在玻璃上的穿透光谱图

(photo-generated electron)，造成光电流(photocurrent)减少，进而影响GaAs/SiO2/Ge异质结构的光特性。

图5为GaAs/SiO2/Ge异质结构组件电压-电流曲线图，其中缓冲层薄膜SiO2的沉积时间约为30分钟，厚度约250 nm，在各别照光时间5、20分钟条件下，可以看出其中对于二极管曲线所呈现变化并不明显，除此之外，还可发现该组件量测之电流的数值相当小，推测是组件因Ga2O3生成物行程在内部而造成串联电阻过高所导致。

4. 结论

本研究成功以射频磁控溅镀技术制备GaAs/SiO2/Ge异质结构太阳能电池，经由XRD量测得知在峰

Figure 4. Raman shift of the GaAs/SiO2 and GaAs films on the glass substrate

图4. GaAs/SiO2和GaAs在玻璃上的拉曼光谱图

Figure 5. I-V characteristics of the GaAs/SiO2/Ge heterostructures under illumination

图5. GaAs/SiO2/Ge异质结构之光电特性

值为53˚为GaAs(311)的晶向峰值强度逐渐下降，是由于氧化镓产生所造成，Ga2O3峰值在约52˚该为面向为(024)，另外探讨GaAs/SiO2/Ge异质结构的光电特性，二极管曲线变化上并不明显，推测原因有二：

(1) 因为在室温下成长GaAs会有砷(As)引起的自生点缺陷(native point defect)，造成电子和电洞被缺陷捕捉。

(2) 氧化镓(Ga2O3)之生成物之影响，使其组件结构的导电性变差。

未来要使GaAs/SiO2/Ge异质结构的光电特性能有所提升，制备GaAs薄膜时，在制程上可能要以加热制程为主，目的在于有效减少缺陷产生；而在缓冲层SiO2部分其中参数上仍须再进行二次优化，或以斜向沉积(Oblique-angle)沉积探讨非均向SiO2薄膜对GaAs/Ge异质结构的影响。

致谢

感谢科技部研究计划(MOST 103-2221-E-027-029-MY2)对本研究的支持和经费的协助。

参考文献 (References)

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NOTES

*通讯作者。

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