Árbók VFÍ/TFÍ - 01.06.2007, Side 236

Kristallaræktun
Ræktun úr vökvafasa (e. liquid phase epitaxy (LPE)) er vel þekkt tækni [8, 9] sem hefur
mest verið beitt við ræktun samsettra hálfleiðara á borð við GaAs og AlGaAs. Slíkri
aðferð hefur verið beitt í töluverðum mæli, undanfarin ár, til ræktunar þunnra kísilhúða
til nota í sólarhlöð [7, 10]. LPE-tæknin er einföld, hún felur ekki í sér notkun á eitruðum
gastegundum og gefur hágæða kristallaðar húðir (e. epilayer) [10]. í tilfelli kísilhúðar
felst aðferðin í því að dýfa þunnri kísilskífu ofan í málmbráð við hátt hitastig
(~500-900°C). Málmbráðin hefur áður verið mettuð af kísli auk þess sem liún inniheldur
uppleyst íbótarefni (rafgjafa- eða rafþega-atóm). Hitastig lausnarinnar er síðan lækkað
hægt sem leiðir til yfirmettunar kísilsins. Kísilskífan verkar þá eins og kjörnungur (e. nucle-
ation site) og kísilhúð ræktast á hana. Ibótaratómin verða innlyksa í ræktuðu húðinni og
ákvarða rafeiginleika húðarinnar. Þegar tilskilinni þykkt húðar er náð er kísilskífan
dregin upp úr lausninni.
Gæði kristalla ræktaðra með LPE eru mikil samanborið við margar aðrar aðferðir svo
sem efnagufuágræðslu (e. chemical vapor deposition (CVD)). Sveimlengd minnihluta-
bera í kísilhúðum ræktuðum með LPE hefur mælst þrefalt hærri en í kísilhúðum rækt-
uðum með CVD [11]. Þetta er þó mjög háð vali á leysum í LPE [12]. Ræktun úr vökvafasa
hefur ekki verið talin hagkvæm til fjöldaframleiðslu en nýlegar athuganir ýmissa aðila
hafa sýnt fram á að svo þarf ekki að vera [12,13]. Með smáumbreytingum á tækjabúnaði
hefur verið unnt að rækta á margar kísilskífur í einu og hægt hefur verið að endurnýta
leysana [14, 15].
Húðir sem ræktaðar eru úr vökvafasa eru ekki eins viðkvæmar fyrir hreinleika og
gæðum upphafsefna og ýmsar aðra kristallaræktunaraðferðir. Þetta hefur þann kost að
hægt er að rækta gæða kristallalög á ódýrari undirlög og að auðveldara er að endurnýta
leysana (þ.e. málmana). Helstu ókostir við LPE-ræktun kísils er lítill leysanleiki kísils í
ýmsum málmum og að leysirinn (þ.e. málmbráðin) á það til að menga ræktuðu húðina.
Hægt er að minnka hættuna á hinu síðarnefnda með því að velja leysi sem einnig gegnir
hlutverki íbótar. Þeir málmar sem geta leyst hvað mest upp af kísli eru í flokki 3A í lotu-
kerfinu (Al, Ga og In) og hafa verið reyndir í Si LPE með ágætis árangri [16, 17, 18].
Málmar úr sama flokki og Si (Sn og Pb) ættu einnig að geta hentað þar sem þeir hafa sama
fjölda gildisrafeinda [10,12,19].
Eitt af vandamálunum við framleiðslu sólarhlaða er að umtalsverðum hluta innkomandi
Ijóss speglast af yfirborðinu sem takmarkar nýtnina [20]. Mikilvægt er að yfirborð
húðarinnar sé þannig lagað að ljósið sem lendir á því endurkastist sem minnst. Hrjúfleiki
yfirborðs hefur því mikla þýðingu en kísilsólarhlöð endurkasta um 30% af innkomandi
ljósi á því öldulengdarbili sem kísill er ljósnæmur [20]. Til að fá mat á yfirborðshrjúfleika
voru ræktuðu húðirnar skoðaðar í rafeindasmásjá (SEM) og kraftsjá (AFM).
Framkvæmd
Ræktaðar voru 10-50 //m þykkar húðir á einkristalla (100) kísil-undirlög við í kvars-röri.
Annars vegar var ræktað úr 1:3 Ga/In blöndu við 700 °C og hins vegar úr 1:1 Sn/In
blöndu við 900 °C. Þessar ræktunarlausnir voru valdar vegna þess að þær gefa sjálfkrafa
p-leiðandi húðir. Tin (Sn) er ekki rafvirkt í kísli vegna þess að fjöldi gildisrafeinda er sá
sami. Indín (In) og gallín (Ga), hinsvegar, hafa bæði þrjár gildisrafeindir og verka því sem
rafþegar í kísli. Við ræktun húðanna verður eitthvað brot af atómum ræktunarlausnar-
innar innlyksa í húðinni og gefa þar með rafvirkni. Ástæða þess að mismunandi hitastig
var notað er sú að leysni kísils er mun hærri í fyrri blöndunni. Notuð var uppstilling þar
sem lárétt undirlag var dregið inn í bráð (e. sliding boat configuration). Áður en kísil-
undirlagið var sett inn í ofninn var það sýruætt í 5 mínútur. Meðan á ræktun stóð var
háhreinu H2 (7N) gasi blásið gegnum rörið til að tryggja afoxandi aðstæður. Ræktað var
á n-leiðandi fosfór-íbætta kísilskífu með eðlisviðnám p = 3íl cm.
2 3 4
Arbók VFl/TFl 2007