반응성 증착 에피택시로 Ge 기판 위에 고품질 SrGe₂ 박막 에피택셜 성장

초록

반도체 스트론튬 디게르마나이드(SrGe₂)는 근적외선에서 큰 흡수 계수를 보여 다중접합 태양전지에 매력적인 소재다. 본 연구에서는 반응성 증착 에피택시(RDE)를 이용해 Ge (100), (110), (111) 기판 위에 SrGe₂ 박막을 최초로 합성했다고 보고한다. 박막 형태가 기판 온도(300-700°C)와 결정학적 방향에 고도로 민감함을 입증했다. 500°C에서 Ge(110) 위에 단일방향 SrGe₂ 박막 획득, 고효율 박막 광전소자 통합 경로 제시.

배경

알칼리토금속 실리사이드는 태양전지, 열전, 광전자 응용으로 오랫동안 관심받아왔다. 게르마나이드는 덜 탐구되었으나 이론적 예측은 유망한 전기적, 광학적 특성 제시. 대표적 알칼리토금속 게르마나이드 SrGe₂는 BaSi₂형 사방정계 구조(공간군: Pnma, no. 62, Z=8)로 결정화. ~0.82 eV 간접 밴드갭 반도체로 1.5 eV에서 흡수 계수 7.8×10⁵ cm⁻¹로 Ge(4.5×10⁵ cm⁻¹)보다 높아 탠덤 구조 바닥 셀에 이상적. 임의 기판 위 박막 제조는 고효율, 저비용 탠덤 태양전지 가능케 함.

선행 연구에서 2단계법: 반응성 증착 에피택시(RDE) 후 분자빔 에피택시(MBE)로 Si(111)와 Si(001) 위에 고품질 BaSi₂ 박막 제조 성공. 결과 (100)방향 BaSi₂ 박막은 긴 소수캐리어 수명과 큰 확산 길이 보이며 p-BaSi₂/n-Si 헤테로접합 태양전지에서 9.9% 변환 효율 달성, 반도체 실리사이드 역대 최고. 이 성과와 SrGe₂의 유사 결정 구조에 동기부여되어 RDE/MBE 접근법을 Ge 기판 위 SrGe₂에 적용.

실험

분자빔 에피택시(MBE) 시스템(베이스 압력 5×10⁻⁷ Pa)에 Sr용 표준 크누센 셀과 Si용 전자빔 증착원 장착. Sr을 Ge (100), (110), (111) 기판에 기판 온도(T_sub) 300-700°C 범위에서 증착. 증착 전 Ge 웨이퍼 1.5% HF 2분, 7% HCl 5분 세척. 증착 파라미터: Ge(001) 0.7 nm/min 120분, Ge(011) 1.4 nm/min 30분, Ge(111) 1.3 nm/min 60분. Sr 증착 후 산화 방지 위해 5nm 비정질 Si 캡핑층을 상온 증착. 박막 결정성 반사 고에너지 전자 회절(RHEED)과 X선 회절(XRD, Rigaku Smart Lab, Cu Kα)로 평가. 표면 형태 주사전자현미경(SEM, Hitachi SU-8020)과 투과전자현미경(TEM, FEI Tecnai Osiris, 200 kV)으로 에너지분산형 X선 분광법(EDX)과 고각환형암시야 STEM(HAADF-STEM, 프로브 직경 ~1 nm) 장착하여 관찰.

결과 및 고찰

그림 1은 Sr 증착 후 모든 시료의 RHEED와 θ-2θ XRD 패턴. 줄무늬나 점상 RHEED 패턴으로 Sr-Ge 화합물 에피택셜 성장 확인. Ge(100) 기판에서 모든 온도에서 Sr₅Ge₃ 피크 출현, SrGe는 600-700°C에서만 출현. SrGe₂는 300°C에서만 검출, 우선방향 [100] SrGe₂와 [220] Sr₅Ge₃ 생성. 고온에서 Ge(200) 기판 신호 강화, Sr-Ge 피복 증가 나타냄(그림 2).

Ge(110)에서는 300-600°C에서 SrGe₂(411)와 기판 피크만 관측. 500°C 시료가 가장 강한 SrGe₂(411) 강도 보이며 단일조성, 고배향 SrGe₂ 박막 의미. Ge(111) 기판에서는 모든 온도에서 SrGe₂ 피크: 300, 400, 500, 700°C에서 [110]방향 SrGe₂(300, 400°C 넓은 피크), 500, 600°C에서 다방향 SrGe₂, 400, 500, 700°C에서 소량 Sr₅Ge₃(220). 이 형태들은 기판 표면 에너지와 Sr/Ge 플럭스 균형 상호작용 반영.

그림 2에서 300°C 표면은 Sr-Ge 화합물로 대부분 피복. 400-600°C에서 기판 대칭 반영하는 뚜렷한 패턴: Ge(100) 두겹, Ge(110) 한겹, Ge(111) 세겹. 이런 대칭은 Si 기판 위 에피택셜 Sr-Ge 성장 특징[1, 25]로 RHEED 관측 뒷받침. 700°C에서 점상 패턴으로 고온에서 급속한 Sr 이동 또는 증발 시사. 이 결과가 그림 1의 줄무늬/점상 RHEED 패턴 설명.

500°C 성장 Ge(110) 시료 상세 검토. 100 nm 비정질 Si 오버레이로 산화 방지. HAADF-STEM(그림 3a)과 EDX 매핑(그림 3b)으로 Sr-Ge 화합물이 표면 거의 전체 피복 확인. 확대 HAADF-STEM(그림 3c)에서 Sr-Ge 층이 Ge 기판 침투, RDE 성장의 특징[17, 18]. 조성 선스캔(그림 3d)에서 1:2 Sr:Ge 비율로 SrGe₂ 형성 확인. 이 관측들이 XRD와 RHEED 데이터 뒷받침.

명시야/암시야 TEM 이미지(그림 4a-c)에서 SrGe₂가 Ge 기판과 에피택셜 정렬되나 두 평면 내 방향 가짐. 격자 이미지(그림 4d)에서 두 SrGe₂ 영역(A, B)이 결정립계로 분리. SAED 패턴(그림 4e)으로 두 영역 공존 확인, 각 영역 Ge(111) 평면이 SrGe₂(220) 평면과 평행. 결정립계 넘어 전위나 적층결함 미관측, 높은 결정질 입증. 따라서 Ge(110) 위 RDE 성장이 결함 없는 SrGe₂ 박막 산출.

결론

반응성 증착 에피택시로 Ge 기판 위 SrGe₂ 박막 성공적 제조. 박막 형태는 기판 온도와 결정학적 방향에 고도 의존. Ge(100)과 Ge(111)은 다방향 SrGe₂ 또는 이차 Sr-Ge 상 생성하나, Ge(110)은 500°C에서 단일방향, 결함 없는 SrGe₂ 박막 생성. TEM 분석으로 계면 전위 부재 확인, 박막 높은 결정질 강조. 진행 중 연구는 전기적, 광학적 특성 규명과 Si, 유리 기판 확장하여 다중접합 태양전지 근적외선 흡수층 통합에 집중.