基于自支撐GaN襯底的高In組分InGaN/GaN量子阱結構太陽能電池及其制法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件技術和光電器件領域，特別是基于自支撐GaN襯底的高In組分InGaN/GaN量子阱結構太陽能電池。
【背景技術】
[0002]太陽能是一種清潔、無污染、取之不竭用之不盡的新能源，具有其它新能源所不可比擬的優點。當今世界一項重要的利用太陽能應用的研究就是太陽能電池。太陽能電池是通過光電轉換原理把太陽能直接轉化為電能的一種半導體器件。目前，世界上最成熟的同時轉換效率最高的是硅基太陽能電池，但由于其存在成本高和壽命短的缺點，人們開始高度關注III族氮化物的太陽能電池。III族氮化物帶隙可以從0.7eV到6.2eV連續變化，所對應的波長覆蓋了從近紅外到紫外極為寬廣的光譜范圍，并且擁有優良的物理、化學性質，被認為是制作全光譜高效太陽能電池的理想材料。其中，InGaN材料以其吸收系數高、抗輻射能力強、禁帶寬度可調等優點，備受各國研究者的重視。
[0003]InGaN是直接帶隙材料，其吸收系數可達到10—5cm—S因此，不需生長太厚的InGaN材料便可以實現足夠高的內量子效率，從而可以使用InGaN來做更薄、更輕的太陽能電池，特別是應用于航天的太陽能電池，減輕重量非常重要，即達到節約成本的目的。此外，InGaN的抗輻射能力比Si，GaAs等太陽能電池材料強，其更適用于輻射強的環境中。又由于調節In組份可連續改變InGaN的禁帶寬度，InxGal-xN可適合用于制作多結串聯太陽能電池，則可采用單一外延生長方法來實現超高效疊層式InGaN太陽能電池。
[0004]InGaN材料是利用薄膜外延生長技術，在合適的襯底上生長獲得的。目前最常用的襯底是藍寶石襯底。雖然在藍寶石襯底上生長外延層具有低成本、技術成熟等優點，但其與氮化鎵緩沖層之間存在嚴重的晶格失配和熱失配問題，使得在藍寶石在生長的GaN位錯密度很高，此外，藍寶石的導熱性差，也降低了器件的性能，所以，為了進一步提高器件的性能，在本發明中采用自支撐GaN襯底，再在襯底上生長GaN緩沖層，這樣就避免了因藍寶石晶格大于GaN晶格而產生的界面裂紋，從而有效的解決了失配問題，改善了晶體的質量。此外，改變In組分也對太陽能電池的性能起著至關重要的作用。高組分的In能夠擴大InGaN的帶隙范圍，可使其禁帶寬度從3.4eV(GaN)到0.7eV(InN)連續可調，其對應的吸收光譜的波長從紫外部分(365nm)可以一直延伸到近紅外部分(1770nm)，幾乎完整地覆蓋了整個太陽光譜，能大大提高InGaN/GaN量子阱太陽能電池吸光范圍。但是，目前InGaN材料存在缺陷密度大和高In組分高質量的難題，不易獲得高質量的高In組分InGaN薄膜。在本發明中提供了一種新方法來獲得高質量的高In組分InGaN薄膜一射頻等離子體輔助分子束外延技術(RF-MBE)。在合成InGaN薄膜過程中，InGaN的成分和質量主要依賴于In和Ga的比例。起初，在低N成分的環境中時，由于Ga比In的金屬性活潑，Ga組分優先結合到當InGaN中，當幾乎所有Ga成分被優先結合到InGaN固態薄膜中時，只有少部分的In組分結合到InGaN固態薄膜中，此時，有很多In液滴保留在生長層的表面。隨著N成分的逐漸增加，有更多的In成分被結合到InGaN中，這樣就逐漸生長出高質量的高In組分InGaN薄膜。此外，在生長InGaN過程中，通過控制RF的頻率也可以控制InGaN的成分和質量。實驗中，從10W至IjlOOOW之間，隨著RF的頻率增大，InGaN的成分和質量得到明顯改善，最終能獲得In/Ga比例為3/7的In0.3Ga0.7N高In組分薄膜。
【發明內容】
[0005]本發明主要目的是提供基于自支撐GaN襯底的高In組分InGaN/GaN量子阱結構太陽能電池及其制法，其重點一是采用自支撐GaN襯底，有效的解決了襯底與外延層之間的失陪問題;重點二是采用射頻等離子體輔助分子束外延技術(RF-MBE)法來合成高質量的高In
[0006]組分InGaN薄膜，擴大了太陽能電池吸光范圍，大大提高了太陽能電池的轉換效率。
[0007]本發明提供一種基于自支撐GaN襯底的高Iη組分I nGaN/GaN量子阱結構太陽能電池，其包括:
[0008]—自支撐GaN襯底；
[0009]— GaN緩沖層，該GaN緩沖層制作在自支撐GaN襯底上；
[00?0] —η型摻雜GaN層，該η型摻雜GaN層制作在GaN緩沖層上面，該η型摻雜GaN層的上部一側為臺面結構，臺面高度低于η型摻雜GaN層頂部的表面；
[0011]—高In組分的InGaN/GaN量子阱層，該高In組分的InGaN/GaN量子阱層制作在η型摻雜GaN層頂部上；
[0012]一 P型摻雜GaN層，其制作在高In組分的InGaN/GaN量子阱層上面；
[0013]— N型歐姆接觸電極，其制作在η型摻雜GaN層所述臺面上；
[0014]— P型歐姆接觸電極，其制作在P型摻雜GaN層上面。
[0015]進一步地，所述GaN緩沖層制作時的生長溫度為800-1000°C，厚度為1nm?20nm。
[0016]進一步地，η型摻雜GaN層中的自由電子濃度為I X 1018cm—3?I X 1019cm—3，厚度為lum?2um0
[0017]進一步地，所述高In組分的InGaN/GaN量子阱層中In組分所占摩爾比例為35%-70%。
[0018]進一步地，所述P型摻雜GaN層中的自由空穴濃度為I X 1017cm—3?I X 1018cm"3，厚度為 100nm?300nm。
[0019]進一步地，所述N型歐姆接觸電極的形狀是點狀結構或者環形結構。
[0020]進一步地，P型歐姆接觸電極的形狀是點狀結構或者環形結構。
[0021]本發明還提供制作所述基于自支撐GaN襯底的高In組分InGaN/GaN量子阱結構太陽能電池的方法，包括如下步驟:
[0022]采用的氮化鎵自支撐晶片作為自支撐GaN襯底，氮化鎵自支撐晶片的晶體取向是
15μπι，彎曲度B0W<20ym，導電類型是N型，電阻率〈0.5Ω.cm，位錯密度〈5 X 105Cm—2，有效面積>90% ;
[0023]自支撐GaN襯底之上，采用射頻等離子體輔助分子束外延技術(RF-MBE)生長該GaN緩沖層，其生長溫度為450-550°C，厚度為1nm?20nm;
[0024]在氮化鎵緩沖層之上制作η型摻雜GaN層，采用射頻等離子體輔助分子束外延技術(RF-MBE)生長該摻雜GaN緩沖層，其生長溫度為700°C?900°C，該η型摻雜GaN層的生長厚度為Ium?2um，自由電子濃度為I X 1018cm—3?I X 1019cm—3;用干法刻蝕的方法在該η型摻雜GaN層上面的一側制作出一臺面，臺面低于η型摻雜GaN層的頂部上表面；
[0025]在η型摻雜GaN層頂部上制作高In組分的InGaN/GaN量子阱層，采用射頻等離子體輔助分子束外延技術(RF-MBE)來生長高質量的高In組分InGaN層，其生長溫度為450-700°C，其中In組分所占比例為35%-70%，InGaN厚度為Inm?3nm，GaN厚度為12nm;在高In組分的InGaN/GaN量子阱層之上P型摻雜GaN層，采用射頻等離子體輔助分子束外延技術(RF-MBE)生長該P型摻雜GaN層，其生長溫度為700°C_800°C，其生長厚度為10nm?300nm，自由空穴濃度為I X 1017cm—3?I X 1018cm-3 ；
[0026]在η型摻雜GaN層一側的臺面上制作N型歐姆電極；用電子束蒸發沉積Ti (20nm)/Al(150nm)/Ni(20nm)/Au(100nm)，然后在氮氣氛圍下合金退火，退火溫度控制在600°C_800°C，退火時間控制在10-20分鐘，電極結構為環形結構。
[0027]用光刻、鍍膜等方法制作在P型摻雜GaN層5之上制作P型歐姆電極；用電子束蒸發沉積Ni (20nm)/Au(20nm)。然后在氧氣氛圍下合金退火，退火溫度控制在500°C_700°C，退火時間控制在5-15分鐘。電極結構為環形結構。
[0028]與現有技術相比，本發明的有益效果是:采用自支撐GaN襯底，在自支撐GaN襯底上生長GaN緩沖層和外延層，有效解決了目前大多數采用藍寶石作為襯底而存在的失配問題，同時，所限定的高In組分的InGaN減小了 InGaN的帶隙寬度，擴大了 InGaN的吸光范圍，這有利于產生更多的載流子運動到電極，從而提高太陽能電池的效率。
【附圖說明】
[0029]圖1是實例中的InGaN/GaN太陽能電池的結構示意圖。
[0030]圖中:1、自支撐GaN襯底;2、GaN緩沖層;3、n型摻雜GaN層;4、高In組分InGaN/GaN量子阱層;5、p型摻雜GaN層;6、N型歐姆電極;7、P型歐姆電極。
【具體實施方式】
[0031]以下結合附圖和實例對本發明的具體實施作進一步說明，但本發明的實施和保護不限于此。
[0032]請參閱圖1所示，本實例提供一種基于自支撐GaN襯底的高In組分InGaN/GaN量子阱結構太陽能電池，由自支撐GaN襯底、GaN緩沖層、η型摻雜GaN層、高In組分的InGaN/GaN量子阱層、P型摻雜GaN層和P型電極依次層疊構成。
[0033]實施例1
[0034]一自支撐GaN襯底I，所述的襯底為氮化鎵材料，采用的氮化鎵自支撐晶片的尺寸是20.0mmX 20.5mm( 土0.2mm)，，厚度是350 土 25μπι，晶體取向是C_plane(0001) 土 1°，TTV <15μπι，彎曲度B0W<20ym，導電類型是N型，電阻率〈0.5Ω.cm，位錯密度〈5 X 105cm—2，有效面積>90%。采用氮化鎵襯底可以減少襯底與外延層之間的晶格失配和熱失配。
[0035]一 GaN緩沖層2，該氮化鎵緩沖層制作在自支撐GaN襯底I之上，采用RF-MBE法生長該GaN緩沖層，其生長溫度為500°C，厚度為20nm，該氮化鎵緩沖層2為后續生長η型摻雜GaN層材料提供成核中心。
[0036]一 η型摻雜GaN層3，該η型摻雜GaN層3制作在氮化鎵緩沖層2之上，采用RF-MBE法生長該摻雜GaN緩沖層，其生長溫度為800°C，該η型摻雜GaN層3的生長厚度為1.5μπι，自由電子濃度為I X 118Cnf3;用干法刻蝕的方法在該η型摻雜GaN層3上面的一側制作出一臺面31，該臺面31低于η型摻雜GaN層3的上表面，其與金屬電極形成歐姆接觸。
[0037]一高In組分的InGaN/GaN量子阱結構4，其制作在η型摻雜GaN層3之上，采用RF-MBE來生長高質量的高In組分InGaN層，其生長溫度為500°C，其中In組分所占比例為70 %