由应力补偿化合物半导体层构成的隧道二极管制造技术

本发明专利技术涉及半导体元件，具体是由III-V化合物半导体制成的太阳能电池，如在陆地PV集中器系统所使用的或用于卫星中的电能供应。不过，或者在需要高隧道电流密度，或者使用特殊材料的情况下，并且在不要求整个结构中的应力的情况下，它还用在其它光电元件中，诸如激光二极管和发光二极管。本发明专利技术包括由利用应力补偿的半导体层制成的半导体元件形成隧道二极管。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及半导体元件，具体是由III-V化合物半导体制成的太阳能电池，如在陆地PV集中器系统所使用的或用于卫星中的电能供应。不过，在必需高隧道电流密度，或者使用特殊材料的情况下，并且在不需要在整个结构中的应力的情况下，它还用在其它光电元件中，诸如激光二极管和发光二极管。
技术介绍
多重太阳能电池由包括具有降低的带隙的不同半导体材料的多个p-n结组成。使用的半导体材料通常是例如砷化镓之类的III-V化合物半导体和比如硅或锗之类的基本半导体。但是，也可以使用诸如碲化镉之类的II-VI化合物半导体，诸如硅锗(SiGe)之类的混合半导体。多重太阳能电池使用比只具有一个P-n结的太阳能电池更好的太阳光谱， 因此达到最高效率。用三重电池可达到超过40%的光电转换效率。多重太阳能电池中的各个部分的电池必须彼此电连接。该连接应该是透明的，且具有低电阻。因此，带内隧道二极管用在当前的太阳能电池结构中。低电阻可由隧道效应获得，且通过适当选择半导体材料，保证足够高的光透明度。对于由多个不同的半导体层制成的元件，通常要求所有层有与衬底匹配的恒定晶格常数，以便最小化结构中的应力和缺陷。如今，由III-V化合物半导体制成的高效率的多重太阳能电池一般通过金属有机汽相外延(MOVPE)被沉积在锗(Ge)或砷化镓(GaAs)衬底上。不过，还可使用其它方法，如分子光束外延。最众所周知的多重太阳能电池包括由化合物半导体镓铟磷化物(GaInP)， 镓铟砷化物(GaInAs)和 Ge 组成的三个 p_n 结。此结构在使用的半导体材料的带隙有差异的基础上，可明显比例如由硅制成的太阳能电池更高效地使用太阳光谱。这些太阳能电池能高效率地将太阳光转换成电能的关键之处是所使用的半导体层的高晶体质量。层中的晶体缺陷一般形成以光电产生的电荷载体的重新组合中心，降低太阳能电池的效率。如果所有使用的半导体材料具有相同的晶格常数，则可避免这些缺陷。在具有由Giia 5In0.5P,Ga0.99In0.01As和Ge制成的部分电池的三重太阳能电池的情况下这是可行的。所有层可以用例如Ge的晶格常数沉积在Ge衬底上。但是由&ια5Ι%5Ρ、Ga0.99In0.01As和Ge制成的部分太阳能电池的组合还不能最理想地适应太阳能光谱。期望具有稍低带隙能量的材料。这例如可以通过具有加入更多铟(含量介于5%和17%之间)的GaInP和GaInAs的部分电池实现)。不过，半导体材料的组成的这些变化通常不仅会影响其带隙，还会影口向其晶格常数。因此，如果例如更好地适应太阳光谱的G^ 35Ιηα65Ρ和G^83Ina 17As的部分太阳能电池的组合被沉积在Ge衬底上，则这些层具有近似比锗大1%的晶格常数。这导致形成晶体缺陷，以及低效率。在衬底和晶格不匹配的部分太阳能电池之间的所称的缓冲结构中，晶格常数因此连续或逐渐改变。因此，可以非常容易地定位这些缓冲结构中的晶体缺陷。如果实现只有非常少的缺陷延伸到部分电池的光活性层中 (< 106cnT3)，则同样可获得非常高的效率。高效率III-V多重太阳能电池如今一方面用在卫星的能量供应和空间探索中 ，且另一方面，用在陆地PV集中器系统中。多重太阳能电池中的部分太阳能电池典型地通过隧道二极管彼此电连接。这些二极管主要由掺杂至退化的半导体层组成，并且除了光伏之外，首要还用在高频技术和光电子中。在发光二极管(LED)和激光二极管(例如VCSEL)中，例如， 使用隧道二极管，以便改变材料的极性。通过将极性从P变成n，阻抗损耗和电流流动的非均勻分布可在较高电荷载体迁移性的基础上被降低。此外，η材料的自由电荷载体吸收通常比 P 材料中少。因此，还降低了光损耗。与多重太阳能电池类似，串级激光器中的各个空穴同样被连接到隧道二极管。在 VCSEL 情况下， 用于较高功率密度的光和电的孔或者通过氧化物或者通过隧道二极管产生。使用隧道二极管作为连接件是如此有吸引力，原因是它们能满足电学、光学性质的很高要求。为了在集中器系统中，甚至在高浓度的光下传输高的光电流，隧道二极管的电阻必须非常低。例如常规p-n 二极管具有的高电阻导致高损耗。对于隧道二极管，因此必须达到高隧道电流密度，这首先通过用具有小带隙的非常高掺杂的半导体来产生。此外，在位于其下的部分电池中使用的也用于光电能量转换的隧道二极管不应该吸收光。这是通过由间接或高带隙半导体材料制成的薄层实现的。在全世界通过大量研究团队检验高掺杂的III-V化合物半导体的外延。隧道二极管一般被直接嵌入在半导体叠层中，通常由超过两种绝对需要的η或P掺杂层组成。因此，例如，阻挡层适合用在隧道二极管的ρ-η结周围，以便抑制掺杂剂从高掺杂层的扩散。此外，通过具有较高带隙或较低掺杂的阻挡层，还可在靠近隧道结产生电势洞，其结果是产生谐振的带内隧道二极管。隧道二极管的所有半导体层一般应该被晶格匹配地沉积到周围的半导体材料。尽管这些层一般比临界层的厚度更薄，这些层可通过晶体应力产生线差排(thread dislocation)，线差排延伸到部分电池中，大大降低太阳能电池结构的效率。在当前的III-V多重太阳能电池或者其它光电元件中，隧道二极管因此被沉积，尽可能地与周围的半导体层晶格匹配。最近几年中，除了不同的半导体层一层接一层地晶格匹配生长之外，已经越来越多地实现半导体层的变形沉积。为了达到三重电池的各个部分太阳能电池与太阳光谱的更好匹配，例如，在由锗制成的最下面的电池之间产生缓冲层，该缓冲层增大了晶格常数。在此缓冲层，通过不匹配产生密集的位错网络。然而，该缓冲层的一个重要目的是这些位错不会渗透到电池叠层的光活性部分中，而是保持位于缓冲层中。图1图解说明变形的三重太阳能电池的层结构。已经在Ge衬底上施加晶格匹配的窗口层之后，通过增加h含量，GaInAs缓冲层中的晶格常数增加。之后，隧道二极管被晶格匹配地沉积到feilnAs中间电池层以及最上面的缓冲层。缓冲层之后的所有层广泛地彼此晶格匹配。此概念的一个扩展是反向的变形三重太阳能电池。各个半导体层因此一方面以相反顺序沉积在例如GaAs衬底上，之后再被移去。为了更加自由地选择各个部分太阳能电池，上文描述的缓冲结构还可被插入到所有的部分电池之间。结果，每个部分电池可具有不同的晶格常数。但是， 缓冲结构之间的所有层彼此晶格匹配。这还适用于位于部分电池上面或下面的隧道二极管[Geisz, I. F.等，Inverted GaInP/(In)GaAs/InGaAs Triple-Junction Solar Cells with Low-Stress Metamorphic Bottom Junctions，在第 33 届 IEEE 光伏专家大会的会刊 (Proceedings of the 33rdIEEE PVSC)中，2008，圣地亚哥。
技术实现思路
现有技术的缺点晶格匹配的边界条件是对可使用的材料组合的最大限制。为了产生高度透明的隧道二极管，希望使用高带隙，间接和非常薄的半导体层来用于此目的。为了产生高隧道电流密度，希望使用高掺杂，低带隙半导体层来形成最优的半导体异质结(III型)。非常清楚的是，对于带隙，必须采用透明度和隧道电流密度之间的折衷。更重要的是产生其它半导体性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃尔夫冈·古特，弗兰克·迪姆罗特，扬·朔内，
申请(专利权)人：弗劳恩霍弗应用技术研究院，
类型：发明
国别省市：