一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池制造技术

本发明专利技术提供了一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，包括一衬底；衬底上依次设有GaN成核层、GaN本征层和n型掺杂GaN层，n型掺杂GaN层上表面一侧具有一台面，台面上设有n型电极，n型掺杂GaN层的上表面依次层叠设有非掺杂InGaN/GaN多量子阱层、p型掺杂GaN层、p型高掺杂GaN层和多个p型电极，相邻p型电极通过透明电极层连接；非掺杂InGaN/GaN多量子阱层由In

InGaN / GaN multi quantum well solar cell with high in component

The invention provides an InGaN / GaN multi quantum well solar cell with high in component, which includes a substrate; the substrate is successively provided with a GaN nucleation layer, a GaN intrinsic layer and an n-type doping GaN layer; one side of the upper surface of the n-type doping GaN layer is provided with a mesa, on the mesa is provided with an n-type electrode; the upper surface of the n-type doping GaN layer is successively provided with a non doping InGaN / GaN multi quantum well layer, a p-type doping GaN layer and a p-type doping GaN layer High doping GaN layer and multiple p-type electrodes, adjacent p-type electrodes are connected by transparent electrode layer; undoped InGaN / GaN multiple quantum well layer is composed of in

【技术实现步骤摘要】
一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池
本专利技术涉及半导体材料制备
，具体为一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池。
技术介绍
III-V族氮化物半导体材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、热导率高、硬度高、化学性质稳定、介电常数小以及抗辐射能力强等优点，因此其在微电子学、光电子学甚至空间领域都有巨大的应用潜力。尤其对于InGaN材料和器件，其禁带宽度从0.7eV到3.4eV连续可调，其波段完整从近红外光谱区域覆盖到紫外光谱区域，与太阳光谱完美匹配；同时InGaN合金也具有较高的吸收系数(～105cm-1)，其中带边吸收系数到105cm-1、波长为400nm的InGaN材料可以吸收98％以上的入射光，另外InGaN材料还具有优异的抗辐射性能、较好的温度稳定性和较大的电子迁移率。因此，InGaN基太阳能电池的研究越来越受到科研工作者的关注。InGaN太阳能电池在实验上的研究始于2003年，Wu等人提出将InGaN应用到太阳能电池设计中；2005年，Jani等人首先尝试设计及制作GaN/InGaN异质结和GaN/InGaN量子阱太阳能电池，并测量其在紫外及白光辐照下的光电响应特性；2007年他们进一步制作出具有高开路电压(2.4eV)、填充因子(80％)及外量子效率(40％)的p-GaN/i-In0.05Ga0.95N/n-GaN异质结太阳能电池，并提出InGaN材料的相分离现象及较差的p型欧姆接触会使电池的性能变差。在此后的研究中，研究者们改善了材料的质量并提升了In的组分，2008年Neufeld等人得到峰值外量子效率为63％、内量子效率高达94％的In0.12Ga0.88N/GaN太阳能电池；同年，Zheng等人制得了开路电压为2.1V、填充因子高达81％的In0.1Ga0.9N/GaN电池。但是随着In组分的提高，研究发现高In组分引起的InGaN材料的相分离会对器件性能产生负面影响，也就是通过提高InGaN光吸收层的In含量，可使太阳能电池的光吸收范围增大，但同时InGaN和GaN之间的晶格失配也随之增加，使得需要具有较厚的InGaN光吸收层来用于光吸收；但随着InGaN吸收层厚度的增加，晶体质量变差会导致较高的位错密度，而位错密度对于太阳能电池来说往往成为非辐射复合中心，俘获光生载流子形成漏电通道而降低开路电压。为了克服上述障碍，即为了在保证材料质量的情况下进一步提高In组分，研究者们开始尝试采用新结构来制作InGaN太阳能电池，例如InGaN/GaN量子阱和超晶格结构等。量子阱的概念是由贝尔实验室的Esaki和Tsu于1970年首次提出的。上世纪90年代，英国伦敦大学的KeithBambam等人首次将多量子阱结构引入到p-i-n型太阳能电池的本征层中，将器件的转换效率提升至14％。目前，该结构已在InGaAs/GaAS、AlGaAs/GaAS、InGaAsP/InP等多种材料体系中广泛使用。多量子阱结构太阳能电池的能带结构为：本征层(i层)由不同带隙的半导体材料薄层周期性交替生长组成，一般带隙宽的作为垒层，带隙窄的作为阱层。通过合理调整量子阱层材料、量子阱的数目和量子阱的宽度，就可以对多量子阱太阳能电池的吸收带隙进行调节，扩宽器件的光谱响应范围。引入量子阱结构已经成为III-V族太阳能电池未来的一个发展趋势。引入量子阱结构的InGaN太阳能电池既通过多量子阱机构进行带隙优化调配，通过最优的带隙组合解决了电流匹配问题，使得在设计中对不同子电池的带隙和数量的选择更加灵活，工艺上也可以降低制作难度，从而使多结太阳能电池的转换效率达到最高，又可以利用双轴应力保持不同材料的共格生长，形成应变结构，降低晶格失配，在改善材料的晶体质量的同时提高InGaN薄膜中的In组分，使高In组分InGaN太阳能电池的研发成为了可能。为了在保证材料质量的情况下进一步提高In组分，研究者们发现通过提高生长温度(800℃)能够改善InGaN材料的晶体质量，但由于InGaN的分解温度为630℃，热稳定性较差，在较高的生长温度下，In的吸脱附、预反应等效应将降低InN的生长效率，导致生长出来的InGaN中的In含量较低，通常低于15％；而采用低温条件生长，虽然可以提高In的组分，但又会大幅降低晶体质量，从而造成器件性能的下降；同时高In组分的InxGa1-xN/GaN多量子阱(x>15％)时仍然会导致较高的位错密度，使得目前的研究主要集中低In组分，因此通过控制生长温度来得到较高生长质量的高In组分的InxGa1-xN/GaN多量子阱太阳能电池十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，本专利技术通过优化InGaN阱层的生长温度，将其温度设置为745～785℃，获得在高In含量下仍具有较低位错密度、高生长质量的外延片；然后通过成熟的器件工艺，最终获得了高In含量下具有高开路电压的太阳能电池器件。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，包括一衬底；所述衬底上设有GaN成核层，所述GaN成核层上设置有GaN本征层，所述GaN本征层上设置有n型掺杂GaN层，所述n型掺杂GaN层上表面的一侧具有一台面，所述台面低于所述n型掺杂GaN层的上表面，所述n型掺杂GaN层的上表面上依次层叠设置有非掺杂InGaN/GaN多量子阱层、p型掺杂GaN层、p型高掺杂GaN层，所述p型高掺杂GaN层上设置有多个p型电极，相邻的p型电极之间通过设置在所述p形高掺杂GaN层上的透明电极层连接，所述n型掺杂GaN层的台面上设置有n型电极；所述非掺杂InGaN/GaN多量子阱层由InxGa1-xN/GaN多层结构组成，其中0.1≤x≤0.2，InxGa1-xN阱层在745～785℃的生长温度下沉积得到。优选的，所述非掺杂InGaN/GaN多量子阱层中InxGa1-xN/GaN多层结构的周期为8～12个，每个周期内InxGa1-xN阱层厚度为2.5～3.5nm，GaN垒层厚度为9～10nm。优选的，所述p型高掺杂GaN层为Mg高掺杂的p-GaN层，所述p型高掺杂GaN层的厚度为30～50nm，掺杂浓度为1×1021cm-3；所述p型掺杂GaN层为Mg掺杂的p-GaN层，所述p型掺杂GaN层的厚度为30～50nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。优选的，所述n型掺杂GaN层为Si掺杂的n-GaN层，所述n型掺杂GaN层的厚度为2～2.5μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。优选的，所述GaN层的厚度为2～2.5μm；所述NL-GaN层的厚度为70～90nm。优选的，所述透明电极层为ITO层，所述透明电极层的厚度为220～240nm。优选的，所述p型电极由Cr、Ni和Au依次沉积得到，所述p型电极的厚度为1200nm。优选的，所述n型电极由Cr、Ni和Au依次沉积得到，所述n型电极的厚度为1200nm。优选的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，包括一衬底(1)；/n所述衬底(1)上设有GaN成核层(2)，所述GaN成核层(2)上设置有GaN本征层(3)，所述GaN本征层(3)上设置有n型掺杂GaN层(4)，所述n型掺杂GaN层(4)上表面的一侧具有一台面，所述台面低于所述n型掺杂GaN层(4)的上表面，所述n型掺杂GaN层(4)的上表面上依次层叠设置有非掺杂InGaN/GaN多量子阱层(5)、p型掺杂GaN层(6)、p型高掺杂GaN层(7)，所述p型高掺杂GaN层(7)上设置有多个p型电极(9)，相邻的p型电极(9)之间通过设置在所述p形高掺杂GaN层(7)上的透明电极层(8)连接，所述n型掺杂GaN层(4)的台面上设置有n型电极(10)；/n所述非掺杂InGaN/GaN多量子阱层(5)由In

【技术特征摘要】
1.一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，包括一衬底(1)；
所述衬底(1)上设有GaN成核层(2)，所述GaN成核层(2)上设置有GaN本征层(3)，所述GaN本征层(3)上设置有n型掺杂GaN层(4)，所述n型掺杂GaN层(4)上表面的一侧具有一台面，所述台面低于所述n型掺杂GaN层(4)的上表面，所述n型掺杂GaN层(4)的上表面上依次层叠设置有非掺杂InGaN/GaN多量子阱层(5)、p型掺杂GaN层(6)、p型高掺杂GaN层(7)，所述p型高掺杂GaN层(7)上设置有多个p型电极(9)，相邻的p型电极(9)之间通过设置在所述p形高掺杂GaN层(7)上的透明电极层(8)连接，所述n型掺杂GaN层(4)的台面上设置有n型电极(10)；
所述非掺杂InGaN/GaN多量子阱层(5)由InxGa1-xN/GaN多层结构组成，其中0.1≤x≤0.2，InxGa1-xN阱层在745～785℃的生长温度下沉积得到。


2.根据权利要求1所述的一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述非掺杂InGaN/GaN多量子阱层(5)中InxGa1-xN/GaN多层结构的周期为8～12个，每个周期内InxGa1-xN阱层厚度为2.5～3.5nm，GaN垒层厚度为9～10nm。


3.根据权利要求1所述的一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述p型高掺杂GaN层(7)为Mg高掺杂的p-GaN层，所述p型高掺杂GaN层(7)的厚度为30～50nm，掺杂浓度...

【专利技术属性】
技术研发人员：许并社，单恒升，马淑芳，邢茹萍，尚林，侯艳艳，郝晓东，宁丹丹，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61