專利名稱：一種寬帶隙多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬帶隙多異 質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，是用于串接多個(gè)子電池的高倍聚光砷化鎵多結(jié)太陽(yáng)電池的隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
砷化鎵多結(jié)太陽(yáng)電池由若干不同帶隙的子電池串接而成，各子電池均為p-n結(jié)構(gòu)，如果直接串聯(lián)在一起，則子電池接觸界面會(huì)形成反偏的p-n結(jié)而導(dǎo)致電壓相互抵消而不導(dǎo)電。采用隧穿結(jié)聯(lián)結(jié)可以解決這一問題。隧穿結(jié)也是P-n結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是功能層厚度薄且摻雜濃度非常高，費(fèi)米能級(jí)分別進(jìn)入P區(qū)和N區(qū)的價(jià)帶和導(dǎo)帶，當(dāng)有太陽(yáng)光照時(shí)，隧穿結(jié)兩端出現(xiàn)電勢(shì)差，N區(qū)多數(shù)載流子-電子可以從N區(qū)導(dǎo)帶直接隧穿進(jìn)入P區(qū)價(jià)帶，于是產(chǎn)生隧穿電流，達(dá)到聯(lián)接兩個(gè)子電池的作用，當(dāng)電勢(shì)差不斷增加，N區(qū)載流子費(fèi)米能級(jí)高于P區(qū)載流子費(fèi)米能級(jí)時(shí)，載流子便不能隧穿，此時(shí)隧穿結(jié)電流稱為峰值峰穿電流。隧穿結(jié)的峰值峰穿電流與摻雜濃度有關(guān)，摻雜濃度越高，隧穿結(jié)的峰值隧穿電流越大。為了降低隧穿結(jié)對(duì)太陽(yáng)光的吸收，隧穿結(jié)功能層要求采用寬帶隙材料。然而，隨著材料帶隙的增加，半導(dǎo)體層的有效摻雜濃度和載流子隧穿幾率都會(huì)下降，導(dǎo)致隧穿結(jié)峰值電流密度會(huì)呈指數(shù)形式下降。傳統(tǒng)的隧穿結(jié)由兩個(gè)功能層構(gòu)成，即僅具有第二和第三功能層。如N^GaAsA^GaAs' N++GaAs/P++AlGaAs等結(jié)構(gòu)，其帶隙較小，限制了更寬帶隙子電池的應(yīng)用，而采用寬帶隙的AlInP2/GaInP2隧穿結(jié)[Electronics letters 1998 Vol.34 No. 4]、Ala2Gaa3Ina5PZAla9GaaiAs 隧穿結(jié)[Sharps, P. R. Photovoltaic SpecialistsConference, 2000. Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE],峰值電流密度均低于2A/cm2，難以滿足高倍聚光太陽(yáng)電池的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述寬帶隙隧穿結(jié)峰值電流密度低的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種寬帶隙多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，以提高峰值隧穿電流，滿足高倍聚光太陽(yáng)電池的應(yīng)用。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是
一種寬帶隙多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，由四個(gè)功能層組成；第一功能層具有第一帶隙和第一型摻雜；第二功能層具有第二帶隙和第一型摻雜，且?guī)缎∮诘谝粠?；第三功能層具有第三帶隙和第二型摻雜；第四功能層具有第四帶隙和第二型摻雜，且?guī)洞笥诘谌龓?。?duì)于位于外層的第一功能層和第四功能層，其帶隙2. 20eV (電子伏特)(Eg (半導(dǎo)體化合物能隙 Energy gapX 2. 50eV,組成成分為(AlyGa^y) ^xInxP 或(AlyGa1I)1-JnxAs,其中In的組分為0<x<0. 85，Al的組分為0. 50 < y < I. 00，各組分含量以摩爾比計(jì)，薄膜厚度為20-100 nm，摻雜濃度為5 X 1018_5 X 102°cnT3。對(duì)于位于內(nèi)層的第二功能層和第三功能層，其帶隙I. 80eV彡Eg彡2. 20eV，組成成分為(AlyGa1J ι-χΙηχΡ 或(AlyGa1J ^xInxAs,其中 In 的組分 O 彡 χ 彡 0. 85，Al 的組分 O 彡 y< 0. 50，薄膜厚度為10-20 nm，摻雜濃度為5 X 1018-5 X IO2W0
采用上述方案后，本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)寬帶隙隧穿結(jié)峰值電流密度低的問題，采用四個(gè)功能層組成隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，各功能層之間形成異質(zhì)結(jié)，既可以通過PN型或nP型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的帶階提高峰值隧穿電流，又可以通過Pp型或Nn型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子的注入效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)載流子補(bǔ)償，進(jìn)一步提高峰值隧穿電流和更小的串聯(lián)電阻，從而滿足高倍聚光太陽(yáng)電池的應(yīng)用。


圖I是第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意 圖2是第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意 圖3是第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)意 圖4是第三實(shí)施例的剝離鍵合后結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的第一種實(shí)施方式如圖I所示，在襯底10上依次有第一帶隙子電池11、第一功能層12、第二功能層13、第三功能層14、第四功能層15、第二帶隙子電池16和帽子層 17。襯底 10 為 Ge 或 GaAs。第一帶隙子電池 11 由 GaAs、GaInAs、GaInNAs、GaInNAsSb、GalnAsP、AlGaAs> AlGaAsP、AlGalnAs、GalnP、AlGaInP 等一種或幾種材料構(gòu)成的極性為PN型的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)。第一功能層12由AlGaInP構(gòu)成，Al組分O. 85，摻雜Si，厚度20-100nm，摻雜濃度I X IO19CnT3 ;第二功能層13由AlGaInP構(gòu)成，Al組分為O. 15，摻雜為Si，厚度為10-20nm，摻雜濃度5X IO19CnT3 ;第三功能層14由AlGaAs組成，Al組分為O. 15，摻雜為C，厚度為10-20nm，摻雜濃度IXlO2ciCnT3 ;第四功能層15由AlGaAs組成，Al組分為O. 85，摻雜為C，厚度為20-100nm，摻雜濃度lX102°cnT3。第二帶隙子電池16由AlGaAs、AlInAs、AlInP、GaInP、GaAsP、AlGaInP等一種或幾種材料構(gòu)成的極性為PN型的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)。帽子層17為GaAs或GaInAs。其中,第二功能層13與第三功能層14形成pN型異質(zhì)結(jié)，多數(shù)載流子復(fù)合形成隧穿電流；第一功能層12與第二功能層13形成Nn型異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)界面會(huì)通過擴(kuò)散形成有效力場(chǎng)，使多數(shù)載流子通過漂移不斷補(bǔ)償?shù)降诙δ軐?3中，且異質(zhì)結(jié)會(huì)形成帶階會(huì)形成勢(shì)壘，有效阻止多數(shù)載流子泄漏；第三功能層14與第四功能層15形成PP型異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)界面會(huì)通過擴(kuò)散形成有效力場(chǎng)，使多數(shù)載流子通過漂移不斷補(bǔ)償?shù)降谌δ軐?4中，且異質(zhì)結(jié)會(huì)形成帶階會(huì)形成勢(shì)壘，有效阻止多數(shù)載流子泄漏。由于第一功能層12、第四功能層15的載流子注入與防泄漏功效，增加了第二功能層13、第三功能層14中的有效載流子濃度，因而該隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)具有更高的峰值隧穿電流，采用該隧穿結(jié)構(gòu)的電池能在更高聚光倍數(shù)的太陽(yáng)光下正常工作。本發(fā)明的第二種實(shí)施方式如圖2所示，在襯底200上依次有第一帶隙子電池201、第一隧穿結(jié)第一功能202、第一隧穿結(jié)第二功能203、第一隧穿結(jié)第三功能204、第一隧穿結(jié)第四功能205、第二帶隙子電池206、第二隧穿結(jié)第一功能207、第二隧穿結(jié)第二功能208、第二隧穿結(jié)第三功能209、第二隧穿結(jié)第四功能210、第三帶隙子電池211、帽子層212。襯底200為Ge。第一帶隙子電池201由Ge的p-n結(jié)組成。第一隧穿結(jié)第一功能202由AlGaInP構(gòu)成，Al組分O. 15，摻雜Si，厚度20-100nm，摻雜濃度5 X IO19CnT3 ;第一隧穿結(jié)第二功能層203由AlGaInP構(gòu)成，Al組分O. 05，摻雜Si，厚度10_20nm，摻雜濃度5X IO19CnT3 ;第一隧穿結(jié)第三功能層204由AlGaAs組成，Al組分O. 10，摻雜C，厚度10_20nm，摻雜濃度I X IO2qChT3 ；第一隧穿結(jié)第四功能層205由AlGaAs組成，Al組分O. 30，摻雜C，厚度20_100nm，摻雜濃度IXlO20Cm-3O 第二帶隙子電池 206 由 AlGaAs、AlInAs、AlInP、GaInP、GaAsP、AlGaInP 等一種或幾種材料構(gòu)成的極性為PN型的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)。第二隧穿結(jié)第一功能207由AlGaInP構(gòu)成，Al組分O. 85，摻雜Si，厚度20-100nm，摻雜濃度5 X IO19CnT3 ;第二隧穿結(jié)第二功能層208由AlGaInP構(gòu)成，Al組分O. 15，摻雜Si，厚度10_20nm，摻雜濃度5X IO19CnT3 ;第二隧穿結(jié)第三功能層209由AlGaAs組成，Al組分O. 15，摻雜C，厚度10_20nm，摻雜濃度I X 102°cnT3 ；第二隧穿結(jié)第四功能層210由AlGaAs組成，Al組分O. 85，摻雜C，厚度20_100nm，摻雜濃度 IXlO2W30 第三帶隙子電池 211 由 AlGaAs, AlInAs, AlInP、GaInP、GaAsP、AlGaInP、GaAsSb等一種或幾種材料構(gòu)成的極性為PN型的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)。帽子層212為GaAs或GaInAs0其中，第一隧穿結(jié)的第二功能層203與第三功能層204形成pN型異質(zhì)結(jié)，多數(shù)載流子復(fù)合形成隧穿電流；第一隧穿結(jié)的第一功能層202與第二功能層203形成Nn型異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)界面會(huì)通過擴(kuò)散形成有效力場(chǎng)，使多數(shù)載流子通過漂移不斷補(bǔ)償?shù)降诙δ軐?03中，且異質(zhì)結(jié)會(huì)形成帶階會(huì)形成勢(shì)壘，有效阻止多數(shù)載流子泄漏；第一隧穿結(jié)的第三功能層 204與第四功能層205形成pP型異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)界面會(huì)通過擴(kuò)散形成有效力場(chǎng)，使多數(shù)載流子通過漂移不斷補(bǔ)償?shù)降谌δ軐?04中，且異質(zhì)結(jié)會(huì)形成帶階會(huì)形成勢(shì)壘，有效阻止多數(shù)載流子泄漏；由于第一功能層202和第四功能層205的載流子注入與防泄漏功效，增加了第二功能層203和第三功能層204中的有效載流子濃度，從而增加了該隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)的峰值隧穿電流。第二隧穿結(jié)的第二功能層208與第三功能層209形成pN型異質(zhì)結(jié)，多數(shù)載流子復(fù)合形成隧穿電流；第二隧穿結(jié)的第一功能層207與第二功能層208形成Nn型異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)界面會(huì)通過擴(kuò)散形成有效力場(chǎng)，使多數(shù)載流子通過漂移不斷補(bǔ)償?shù)降诙δ軐?08中，且異質(zhì)結(jié)會(huì)形成帶階會(huì)形成勢(shì)壘，有效阻止多數(shù)載流子泄漏；第二隧穿結(jié)的第三功能層209與第四功能層210形成pP型異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)界面會(huì)通過擴(kuò)散形成有效力場(chǎng)，使多數(shù)載流子通過漂移不斷補(bǔ)償?shù)降谌δ軐?09中，且異質(zhì)結(jié)會(huì)形成帶階會(huì)形成勢(shì)壘，有效阻止多數(shù)載流子泄漏；由于第一功能層207和第四功能層210功能層的載流子注入與防泄漏功效，增加了第二功能層208和第三功能層209功能層中的有效載流子濃度，從而增加了該隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)的峰值隧穿電流。三結(jié)電池由于采用了兩組寬禁帶異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，隧穿結(jié)對(duì)太陽(yáng)光的吸收損耗減少，隧穿結(jié)的峰值隧穿電流較大，能在較高聚光倍數(shù)的太陽(yáng)光下正常工作。本發(fā)明的第三種實(shí)施方式如圖3所示，在襯底300上依次有第一帽子層301、第一帶隙子電池302、第一隧穿結(jié)第一功能層303、第一隧穿結(jié)第二功能層304、第一隧穿結(jié)第三功能層305、第一隧穿結(jié)第四功能層306、第二帶隙子電池307、第二隧穿結(jié)第一功能層308、第二隧穿結(jié)第二功能層309、第二隧穿結(jié)第三功能層310、第二隧穿結(jié)第四功能層311、第三帶隙子電池312、第二帽子層313。襯底300為Ge或GaAs，第一帽子層301為GaAs或GalnAs。第一帶隙子電池 302 由 AlGaAs、AlInAs、AlInP、GaInP、GaAsP、AlGaInP、GaAsSb 等一種或幾種材料構(gòu)成的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)。第一隧穿結(jié)第一功能層303由AlGaAs組成，Al組分O. 85，摻雜C，厚度20-100nm，摻雜濃度IX IO2tlCnT3 ;第一隧穿結(jié)第二功能層304由AlGaAs組成，Al組分O. 15，摻雜C，厚度10-20nm，摻雜濃度I X 102°cnT3 ;第一隧穿結(jié)第三功能層305由AlGaInP構(gòu)成，Al組分O. 30，摻雜Si，厚度10_20nm，摻雜濃度5X IO19CnT3 ;第一隧穿結(jié)第四功能306由AlGaInP構(gòu)成，Al組分O. 85，摻雜Si，厚度20_100nm，摻雜濃度5X 1019cm_3。第二帶隙子電池 307 由 AlGaAs、AlInAs, AlInP, GalnP, GaAsP, AlGaInP 等一種或幾種材料構(gòu)成的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)。第二隧穿結(jié)第一功能層308由AlGaAs組成，Al組分O. 45，摻雜C，厚度20-100nm，摻雜濃度IX 102°cnT3 ;第二隧穿結(jié)第二功能層309由AlGaAs組成，Al組分O. 05，摻雜C，厚度10-20nm，摻雜濃度I X 102°cnT3 ;第二隧穿結(jié)第三功能層310由AlGaInP構(gòu)成，Al組分O. 10，摻雜Si，厚度10-20nm，摻雜濃度5X IO19CnT3 ;第二隧穿結(jié)第四功能層311由AlGaInP構(gòu)成，Al組分O. 45，摻雜Si，厚度20_100nm，摻雜濃度IXlO2W30第三帶隙子電池312由GalnAs、GaInAsP、GaInNAsP、AlGaInAs等一種或幾種材料構(gòu)成的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)。第二帽子層313為GalnAs。外延生長(zhǎng)完成后，把外延層鍵合在新襯底314上，然后剝離去掉襯底300。外延層反轉(zhuǎn)并與新襯底314鍵合后所構(gòu)成的新結(jié)構(gòu)如圖4所示。在襯底314上依次有第二帽子層313、第三帶隙子電池312、第二隧穿結(jié)第四功能層311、第二隧穿結(jié)第三功能層310、第二隧穿結(jié)第二功能層309、第二隧穿結(jié)第一功能層308、第二帶隙子電池307、第一隧穿結(jié)第四功能層306、第一隧穿結(jié)第三功能層305、第一隧穿結(jié)第二功能層304、第一隧穿結(jié)第一功能層303、第一帶隙子電池302、第一帽子層301。由于采用了兩組寬 禁帶多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，隧穿結(jié)對(duì)太陽(yáng)光的吸收損耗減少，隧穿結(jié)的峰值隧穿電流較大，能在較高聚光倍數(shù)的太陽(yáng)光下正常工作。以上實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對(duì)本發(fā)明的限制。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可做出各種變換或變化。因此，所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇。
權(quán)利要求
1.一種寬帶隙多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于由四個(gè)功能層組成；第一功能層具有第一帶隙和第一型摻雜；第二功能層具有第二帶隙和第一型摻雜，且?guī)缎∮诘谝粠?；第三功能層具有第三帶隙和第二型摻雜；第四功能層具有第四帶隙和第二型摻雜，且?guī)洞笥诘谌龓丁?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種寬帶隙多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于位于外層的第一功能層和第四功能層，其帶隙2. 20eV≤Eg≤2. 50eV。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種寬帶隙多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于第一功能層和第四功能層的組成成分為(AlyGa1I) ^xInxP或(AlyGapy) ^xInxAs,其中In的組分O≤0.85, Al的組分0. 50 < y < I. 00，各組分含量以摩爾比計(jì)，薄膜厚度為20_100nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種寬帶隙多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于第一功能層和第四功能層的摻雜濃度為5X 1018-5X IO2tlCm'
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種寬帶隙多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于位于內(nèi)層的第二功能層和第三功能層，其帶隙I. 80eV≤Eg≤2. 20eV。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種寬帶隙多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于第二功能層和第三功能層的組成成分為(AlyGa1I) ^xInxP或(AlyGapy) ^xInxAs,其中In的組分0≤X≤0. 85，Al的組分0≤y < 0. 50，各組分含量以摩爾比計(jì)，薄膜厚度為10_20nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種寬帶隙多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于第二功能層和第三功能層的摻雜濃度為5X 1018-5X IO2tlCm'
全文摘要
本發(fā)明公開一種寬帶隙多異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，由四個(gè)功能層組成；第一功能層具有第一帶隙和第一型摻雜；第二功能層具有第二帶隙和第一型摻雜，且?guī)缎∮诘谝粠?；第三功能層具有第三帶隙和第二型摻雜；第四功能層具有第四帶隙和第二型摻雜，且?guī)洞笥诘谌龓?。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)寬帶隙隧穿結(jié)峰值電流密度低的問題，采用四個(gè)功能層組成隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，各功能層之間形成異質(zhì)結(jié)，既可以通過pN型或nP型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的帶階提高峰值隧穿電流，又可以通過Pp型或Nn型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子的注入效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)載流子補(bǔ)償，進(jìn)一步提高峰值隧穿電流和更小的串聯(lián)電阻，從而滿足高倍聚光太陽(yáng)電池的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01L31/0304GK102709349SQ20121020723
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者單智發(fā), 張永, 林志偉, 蔡建九, 陳凱軒 申請(qǐng)人:廈門乾照光電股份有限公司