專利名稱：含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件技術領域，特別是一種含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池。
背景技術：
進入21世紀后，煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸，于是太陽能作為理想的可再生能源受到許多國家的重視。太陽能光伏發電技術利用光伏效應將太陽能直接轉化為電能，無噪聲無污染，可以成為傳統發電技術的有力替代者。但是目前商業化的太陽能電池的轉換效率較低，性價比不高，不能滿足大規模民用的需要，所以研究高轉換效率的新型太陽能電池具有重要意義。自從InN禁帶寬度從1.92eV修正到0.7ev，三元合金InGaN的帶隙從近紅外光譜區域到紫外光譜區域連續地調節，InGaN材料的禁帶寬度與太陽光譜完美匹配，這樣通過調整InGaN材料的In組分可以實現高效的光吸收。因此近年來，InGaN材料作為高效太陽能電池材料受到各國研究者的重視。InGaN合金在帶邊附近的吸收系數高達105cm-l量級，使得InGaN吸收層在幾百納米范圍內吸收了大部分的入射光，但是由于InN與GaN的晶格失配度達11%，In組分為20%的InGaN材料的臨界厚度只有10.7nm，增加In組分，InGaN層的臨界厚度會急劇下降。所以傳統的p-1-n型InGaN太陽能電池，為了得到晶體質量較好的InGaN吸收層,最高In組分只有12% _15%，電池的轉換效率不足1%。而采用量子阱作為吸收層，由于壘層生長溫度聞，可以明顯提聞吸收層的晶體質量，實現聞In組分的InGaN太陽能電池，提聞太陽能電池的轉換效率。此夕卜，由于InGaN材料中的壓電和自發極化電場會屏蔽內建電場,影響載流子的收集，所以高極化作用下，P-1-n型InGaN太陽能電池的轉換效率急劇下降，但最近研究發現，極化效應對量子阱太陽能電池的影響相對P-1-n結構明顯變小。太陽能電池普遍采用正入射方式，光線穿過P型層進入量子阱吸收層，由于水平結構中，P、N電極都在電池正面，造成太陽能電池的有效吸光面積減少，短路電流損失。同時由于P-GaN材料生長技術的限制，生長高質量P-GaN材料困難，P-GaN中光生載流子的復合嚴重，影響載流子的收集效率也是造成短路電流損失的一個原因，而采用背入射方式，將解決上述問題。綜上所述，采用背入射的多層量子阱結構的InGaN太陽能電池結合了 InGaN材料及背入射方式的優點，可以有效的利用太陽光能量，具有高轉換效率及功率面積比大的優點，使人們研究和利用真正的高效太陽能電池成為可能。
發明內容
本發明主要目的是提供一種含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，其可以有效的利用不同波段的太陽光，提高太陽能電池的轉換效率。本發明提供一種含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，其包括:—襯底；一低溫氮化鎵成核層，其制作在襯底之上，該低溫氮化鎵成核層為后續生長氮化鎵材料提供成核中心；一非故意摻雜氮化鎵緩沖層，其制作在低溫氮化鎵成核層之上；一 η型摻雜GaN層，其制作在非故意摻雜氮化鎵緩沖層之上，該η型摻雜GaN層上面的一側有一臺面，該臺面低于η型摻雜GaN層的上表面；—第一非摻雜低In組分量子講層,其制作在η型摻雜GaN層之上,其由InxGapxN/GaN多層結構組成，其中O < X < I ;一第二非摻雜低In組分量子阱層，其制作在第一非摻雜低In組分量子阱層之上，其由InyGai_yN/GaN多層結構組成，其中0<y<l且y>x;一非摻雜高In組分量子阱層，其制作在第二非摻雜低In組分量子阱層之上，其由InzGai_zN/GaN多層結構組成，其中O < z < I且z > y ;一 P型摻雜氮化鎵層，其制作在非摻雜高In組分量子阱層之上；一 N型歐姆電極，其制作在η型接觸層上面的臺面上；一 P型歐姆電極，其制作在P型接觸層上。本發明的有益效果是:首先吸收層帶隙自下而上逐漸減小，采用背入射方式時，能量最高的光子被底層帶隙最寬吸收層吸收，能量居中的光子被帶隙居中的吸收層吸收，能量最低的光子被頂層帶隙最窄吸收層吸收。相比于單一組分的InGaN太陽能電池，采用這種變In組分的InGaN多層量子阱結構可以吸收的光子數量增多，轉換為熱能的光子減少，從而提高太陽能電池的轉換效率。其次由于InN及GaN晶格失配大，在GaN上生長高In組分的InGaN材料，晶體質量較差，而采用多層變In組分量子阱可以有效的釋放InGaN層的應力，改善高In組分InGaN吸收層的晶體質量。最后采用背入射方式可以明顯增加太陽能電池的有效吸光面積，減少短路電流損失。
為了進一步說明本發明的內容，下面結合具體實例和附圖，詳細說明如后，其中:圖1本發明的結構示意圖。圖2是圖1中第一非摻雜低In組分量子阱層5、第二非摻雜低In組分量子阱層6和非摻雜高In組分量子阱層7結構示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1及圖2所示，本發明提供一種含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，其包括:一襯底1，所述的襯底I為雙面拋光的藍寶石或氮化鎵材料，采用雙面拋光藍寶石或氮化鎵襯底可以減少由于散射造成的入射光損失；一低溫氮化鎵成核層2，該低溫氮化鎵成核層制作在襯底I之上，其生長溫度為5000C -6000C，厚度在0.2 μ m-0.3 μ m,該低溫氮化鎵成核層2為后續生長氮化鎵材料提供成核中心；
一非故意摻雜氮化鎵緩沖層3，該非故意摻雜氮化鎵緩沖層3制作在低溫氮化鎵成核層2之上，其生長溫度為1000°C -1050°C，厚度在I μ m-2 μ m,該非故意摻雜氮化鎵緩沖層3可以使位錯線轉向、合并,減少InGaN太陽能電池材料的位錯密度；一 η型摻雜GaN層4，該η型摻雜GaN層4制作在非故意摻雜氮化鎵緩沖層3之上，該η型摻雜GaN層4的生長溫度為1000°C -1100°C，厚度為2 μ m_3 μ m，自由電子濃度為I X IO17CnT3-1X 1019cm_3，用干法刻蝕的方法在該η型摻雜GaN層4上面的一側制作出一臺面41，該臺面41低于η型摻雜GaN層4的上表面，其與金屬電極形成歐姆接觸；一第一非摻雜低In組分量子阱層5，制作在η型摻雜GaN層4之上，其由InxGapxN/GaN多層結構組成(參閱圖2)，其中O < X < 1，優選范圍為0.03-0.1，該第一非摻雜低In組分量子講層5的InxGa1J^GaN多層結構中InGaN的厚度為lnm-4nm, GaN的厚度為3nm-15nm, InxGai_xN/GaN 量子阱的周期數為 2-10 ；一第二非摻雜低In組分量子阱層6，其制作在第一非摻雜低In組分量子阱層5之上，其由InyGai_yN/GaN多層結構組成(參閱圖2)，其中O < y < I，優選范圍為0.1-0.3，且y > X，該 第一非摻雜低In組分量子阱層6的InyGai_yN/GaN多層結構中InGaN的厚度為lnm-4nm, GaN 的厚度為 3nm-15nm, InyGa1^NZGaN 量子講的周期數為 2-10 ；一非摻雜高In組分量子阱層7，其制作在第二非摻雜低In組分量子阱層6之上，其由InzGai_zN/GaN多層結構組成(參閱圖2)，其中O < z < 1，優選范圍為0.3_1，且z >1，該非摻雜高In組分量子阱層7中的InzGai_zN/GaN多層結構中InGaN的厚度為lnm_4nm，GaN的厚度為3nm-15nm，InzGai_zN/GaN量子阱的周期數為5-20 ；由于InGaN材料的吸收系數隨光能量的增加而增大，高能量的光會在表層被吸收，能量較低的光會穿透到材料的深層。而所述第一非摻雜低In組分量子阱層5、第二非摻雜低In組分量子阱層6和非摻雜高In組分量子阱層7的排列方式是具有寬有效帶隙的量子阱層處在電池的底層，具有窄有效帶隙的量子阱層處在電池的頂層，從底層到頂層有效帶隙依次減小，使得能量最高的光子被底層帶隙最寬的第一非摻雜低In組分量子阱層5吸收，能量居中的光子被帶隙居中的第二非摻雜低In組分量子阱層6吸收，能量最低的光子被頂層帶隙最窄非摻雜高In組分量子阱層7吸收。所以采用這種變In組分的InGaN多層量子阱結構可以分層吸收太陽光，有利于提高太陽能電池的光電轉換效率。同時在材料生長方面，這種In組分由低到高漸變的InGaN/GaN多量子阱結構有利于釋放GaN與InGaN之間晶格不匹配產生的應力，利于提高第一非摻雜低In組分量子阱層5、第二非摻雜低In組分量子阱層6和非摻雜高In組分量子阱層7的晶體質量；一 P型摻雜氮化鎵層8，其制作在非摻雜高In組分量子阱層7之上，所述P型摻雜氮化鎵層8的生長溫度為900°C -1050 °C,厚度為l_3um，自由空穴濃度為I X IO17Cm 3_1 X IO19Cm 3 ；一 N型歐姆電極9，其是用光刻、鍍膜等方法制作在η型摻雜GaN層4上面一側的臺面41上，所述的N型歐姆電極9是點狀結構或環形結構；一 P型歐姆電極10，其是用光刻、鍍膜等方法制作在P型接觸層8上，其需要用熱退火合金工藝來改善P型GaN歐姆接觸特性，所述的P型歐姆電極10是點狀結構或環形結構。最后進行管芯壓焊、封裝，分割制成InGaN太陽能電池。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案做了進一步詳細的說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所做的改動、等同替換、改進等均應包含在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，其包括: 一襯底； 一低溫氮化鎵成核層，其制作在襯底之上，該低溫氮化鎵成核層為后續生長氮化鎵材料提供成核中心； 一非故意摻雜氮化鎵緩沖層，其制作在低溫氮化鎵成核層之上； 一 η型摻雜GaN層，其制作在非故意摻雜氮化鎵緩沖層之上，該η型摻雜GaN層上面的一側有一臺面，該臺面低于η型摻雜GaN層的上表面； 一第一非摻雜低In組分量子阱層，其制作在η型摻雜GaN層之上，其由InxGai_xN/GaN多層結構組成，其中O < X < I ; 一第二非摻雜低In組分量子阱層，其制作在第一非摻雜低In組分量子阱層之上，其由InyGai_yN/GaN多層結構組成，其中0<y<l且y>x; 一非摻雜高In組分量子阱層，其制作在第二非摻雜低In組分量子阱層之上，其由InzGai_zN/GaN多層結構組成，其中O < z < I且z > y ; 一 P型摻雜氮化鎵層，其制作在非摻雜高In組分量子阱層之上； 一 N型歐姆電極，其制作在η型接觸層上面的臺面上； 一 P型歐姆電極，其制作在P型接觸層上。
2.按權利要求1所述的含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，其中所述的襯底為雙面拋光的藍寶石或氮化鎵材料。
3.按權利要求1所述的含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，其中η型摻雜GaN層中的自由電子濃度為I X IO17CnT3-1 X IO19CnT3。
4.按權利要求1所述的含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，其中第一非摻雜低In組分量子阱層中InxGai_xN/GaN的周期數為2_10，第二非摻雜低In組分量子阱層中InyGai_yN/GaN的周期數為2_10，非摻雜高In組分量子阱層中InzGai_zN/GaN的周期數為5-20。
5.按權利要求4所述的含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，其中第一非摻雜低In組分量子阱層、第二非摻雜低In組分量子阱層和非摻雜高In組分量子阱層中的InGaN的厚度為lnm-4nm, GaN的厚度為3nm_15nm。
6.按權利要求1所述的含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，其中所述P型摻雜氮化鎵層的厚度為l-3um，自由空穴濃度為I X IO17CnT3-1 X 1019cm_3。
7.按權利要求1所述的含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，其中所述的N型歐姆電極是點狀結構或環形結構。
8.按權利要求1所述的含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，其中所述的P型歐姆電極是點狀結構或環形結構。
全文摘要
一種含有變In組分InGaN/GaN多層量子阱結構的太陽能電池，包括一襯底；在襯底上依序制作有低溫氮化鎵成核層、非故意摻雜氮化鎵緩沖層、n型摻雜GaN層、第一非摻雜高In組分量子阱層、第二非摻雜低In組分量子阱層、非摻雜低In組分量子阱層、P型摻雜氮化鎵層，該n型摻雜GaN層上面的一側有一臺面，該臺面上制作一N型歐姆電極，一P型歐姆電極，其制作在P型接觸層上。本發明可以有效的利用不同波段的太陽光，提高太陽能電池的轉換效率。
文檔編號H01L31/0304GK103094378SQ20131003128
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月28日 優先權日2013年1月28日
發明者楊靜, 趙德剛, 李亮, 吳亮亮, 樂伶聰, 李曉靜, 何曉光 申請人:中國科學院半導體研究所