CN103022257B - p-i-n结InGaN太阳电池制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，步骤为：清洗衬底；在衬底上生长GaN层；再生长全应变弛豫高In组分InGaN层；继续生长高In组分InGaN/GaN结构的InGaN超晶格层、高In组分n-InGaN层、高In组分i-InGaN层、高In组分p-InGaN层；升温生长p-GaN层；在p-GaN层刻蚀出电池台面；在p-GaN层上蒸镀栅形欧姆电极；在高In组分n-InGaN层台面上蒸镀欧姆电极。本发明的p-i-n结InGaN太阳电池结构是直接生长在全应变弛豫InGaN层与InGaN超晶格层上的，全应变弛豫InGaN层与InGaN超晶格层不会对p-i-n结InGaN太阳电池层产生失配应力，可以有效提高p-i-n结InGaN太阳电池材料的质量和电池转换效率；另外较高In组分的n-InGaN层与p-InGaN层将较低In组分的i-InGaN层夹在中间，晶格的失配在i-InGaN层中引入了拉应变，可进一步提高p-i-n结InGaN太阳电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳电池制造方法，尤其涉及一种p-i-n结InGaN太阳电池制造方法。
背景技术
太阳能是人类取之不尽用之不竭的绿色能源，而太阳电池主要是利用光伏效应把太阳光能转换成电能的一种光电子器件，可广泛用于航空航天、国防、工农业、信息电子、住房汽车等领域，为人类可持续发展提供了一项非常重要的能源。
传统的太阳电池材料主要有Si系列，GaAs系列以及其它系列等材料，但是它们的光电转换效率有限，目前Si系列和GaAs系列的单结太阳电池最高只能达到17％和25％，最主要原因是这些太阳电池材料的能隙宽度只对应太阳光谱的一部分，只能吸收部分太阳光能量，另外，有些材料(如硅)是间接带隙材料，吸收系数低，电池吸收区厚，量子效率低。
近十几年来，人们开始研究第三代半导体材料——以GaN及AlGaN、InGaN等合金为代表的III族氮化物材料。由于它们是直接带隙材料，有很高的吸收系数，且具有优异的物理、化学性质，在蓝光发射器件、紫外光探测器件和高频大功率器件等应用方面取得了很大进展。近几年来，国外一些单位研究表明，高质量InN的带隙宽度仅为0.7eV，而不是过去研究认为的1.9eV。这样，InaGa1-aN三元合金随In组分a变化的带隙宽度为3.4～0.7eV，正好与太阳光谱的范围(4.0～0.4eV)相接近，InaGa1-aN还具有直接带隙、高的电子饱和漂移速度、大的迁移率、比其它III-V族化合物更好的抗粒子辐射能力和更高的熔点等特点，因此，可以在减少太阳电池吸收区的层厚的前提下尽可能的提高太阳电池的寿命与可靠性。正因如此，发展新一代的InaGa1-aN化合物半导体太阳电池材料与器件，研究InaGa1-aN化合物半导体材料与器件制备、相关的材料物理与器件物理，也已成为当前国际上太阳电池科学研究的前沿领域。目前常用的太阳电池的InaGa1-aN材料往往是直接生长在GaN材料上，但是，由于GaN材料和InaGa1-aN材料存在较大的晶格失配，晶格失配一方面会导致高In组分的InaGa1-aN材料质量下降，另一方面，晶格失配会加大InaGa1-aN材料中的极化电场，使得InaGa1-aN太阳电池的转换效率进一步降低。在通常的结构中，作为主要吸光层的i-InGaN层，要不就是没有应力存在，要不就是存在压应变，在没有应力存在的情况下，i-InGaN层中存在自发极化电场，降低电池转换效率；如果存在压应变，将进一步降低电池效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提出能有效提高电池的转换效率的一种p-i-n结InGaN太阳电池制造方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，包括以下步骤：
a清洗[0001]面蓝宝石衬底；
b将[0001]面蓝宝石衬底在NH3气氛下表面氨化后，然后在550℃温度下生长一层厚度为20nm的GaN缓冲层，然后将衬底温度升至1050℃生长1.0μm厚的GaN层；
c再将温度降到750℃生长800nm厚的全应变弛豫高In组分InyGa1-yN层；
d继续在温度750℃生长3～10层高In组分InyGa1-yN/GaN结构的InyGa1-yN超晶格层，每层InyGa1-yN的厚度范围为1～5nm，GaN的厚度范围在1～5nm；
e继续在温度750℃生长300～1000nm厚的高In组分n-InyGa1-yN层；
f继续在温度750℃生长30～100nm厚的高In组分i-InxGa1-xN层；
g继续在温度750℃生长50～150nm厚的高In组分p-InyGa1-yN层；
h温度升至1050℃生长10～30nm厚的p-GaN层；
i在p-GaN层上进行光刻，刻蚀出电池台面，露出n-InGaN层，台面面积为[3～10]×[3～10]mm2，对刻蚀后的样品表面进行净化处理；
j在高In组分n-InyGa1-yN层台面上蒸镀欧姆电极，电极尺寸为[0.3～1.0]×[0.3～1.0]mm2，厚度为100～300nm，蒸镀后退火；
k在p-GaN层上蒸镀栅形欧姆电极，电极为Ni/Au合金栅形电极，电极宽度为50～150nm，间距为500～1500nm，厚度为30～150nm，蒸镀后退火。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述y满足0.3≤y≤0.9，所述x满足0.2≤x≤0.8，且同时满足x＜y。
作为本发明进一步改进的技术方案，步骤b中氨化时间为3～5分钟，生长GaN层时通入TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为2000sccm，反应室压强为0.1atm。
作为本发明进一步改进的技术方案，步骤c、d、e、f、g中，生长InyGa1-yN层与InxGa1-xN层时通入TMIn的流量为50～600sccm，TMGa的流量为50～300sccm，氨气的流量为2000～8000sccm，反应室压强为0.1～0.3atm。
作为本发明进一步改进的技术方案，步骤d中生长GaN层时通入TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为2000～8000sccm，反应室压强为0.1～0.3atm。
作为本发明进一步改进的技术方案，步骤e中还通入SiH4，其流量为20～200sccm。
作为本发明进一步改进的技术方案，步骤g中还通入Cp2Mg，其流量为20～300sccm。
作为本发明进一步改进的技术方案，步骤h中通入Cp2Mg流量为20～300sccm，氨气的流量为2000～8000sccm，反应室压强为0.1～0.3atm。
作为本发明进一步改进的技术方案，步骤j中蒸镀时间为10～60分钟，蒸镀后在800℃的N2环境下退火3～5分钟。
作为本发明进一步改进的技术方案，步骤k中蒸镀时间为10～60分钟，蒸镀后在500℃的N2环境下退火1～3分钟。
与现有技术相比，本发明的p-i-n结InGaN太阳电池制造方法是直接在全应变弛豫InGaN层与InGaN超晶格层上生长的，全应变弛豫InGaN层与InGaN超晶格层以及p-i-n结InGaN太阳电池中n-InGaN层与p-InGaN层的In组分是相同的，全应变弛豫InGaN层与InGaN超晶格层不会对p-i-n结InGaN太阳电池层产生失配应力，可以减少p-i-n结InGaN薄膜中缺陷的数目和位错的生成，有助于表面平整，有效提高p-i-n结InGaN太阳电池材料的质量；同时使得电子和空穴的复合几率也较低，故可大大增大电池的短路电流，提高电池转换效率；另外由于本方案在p-i-n结InGaN三层材料结构中采用不同组分，InGaN材料的晶格常数随着In组分的增加而增大，较高In组分的n-InGaN层与p-InGaN层将较低In组分的i-InGaN层夹在中间，由于n-InGaN层与p-InGaN层的In组分高于i-InGaN层的In组分，n-InGaN层与p-InGaN层的晶格常数大于i-InGaN层的晶格常数，晶格的失配在i-InGaN层中引入了拉应变，而拉应变产生的压电极化电场方向与InGaN材料中存在的自发极化电场方向相反，抵消了极化电场，可进一步提高p-i-n结InGaN太阳电池的转换效率。
附图说明
图1为本发明一种p-i-n结InGaN太阳电池制造方法的工艺流程图。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
具体实施方式
实施例1
本发明的一种p-i-n结InGaN太阳电池制造方法步骤如下：
a将[0001]面蓝宝石衬底依次采用去离子水超声、四氯化碳、丙酮、无水酒精和去离子水清洗后吹干，送入反应室，通入氢气后将衬底加热至1100℃，保持10分钟以烘干衬底表面，带走杂质及污垢；
b接着在NH3气氛下将表面氨化3分钟，以促进在衬底表面成核；然后在550℃生长一层GaN缓冲层，缓冲层厚度为20nm，然后将衬底温度升至1050℃生长1μm厚的GaN层，TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为2000sccm，反应室压强为0.1atm；
c再将温度降到750℃生长800nm厚的全应变弛豫In0.9Ga0.1N层，TMIn的流量为600sccm，TMGa的流量为50sccm，氨气的流量为2000sccm，反应室压强为0.1atm；
d继续在温度750℃生长3层(1nm-InGaN/1nm-GaN)结构的In0.9Ga0.1N超晶格层，生长InGaN时，TMIn的流量为600sccm，TMGa(三甲基镓)的流量为50sccm，氨气的流量为2000sccm，反应室压强为0.1atm，生长GaN时，TMIn(三甲基铟)的流量为0sccm，TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为2000sccm，反应室压强为0.1atm；
e继续在温度750℃生长300nm厚的n-In0.9Ga0.1N层，SiH4流量为20sccm，TMIn的流量为600sccm，TMGa的流量为50sccm，氨气的流量为2000sccm，反应室压强为0.1atm；
f继续在温度750℃生长30nm厚的i-In0.8Ga0.2N层，TMIn的流量为200sccm，TMGa的流量为50sccm，氨气的流量为2000sccm，反应室压强为0.1atm；
g继续在温度750℃生长80nm厚的p-In0.9Ga0.1N层，TMIn的流量为600sccm，Cp2Mg流量为20sccm，TMGa的流量为50sccm，氨气的流量为2000sccm，反应室压强为0.1atm；
h温度升至1050℃生长20nm厚的p-GaN层，TMGa的流量为100sccm，Cp2Mg流量为20sccm，氨气的流量为2000sccm，反应室压强为0.1atm；
i在样品p-GaN层上进行光刻，刻蚀出电池台面，露出n-InGa层，台面面积为3×3mm2，对刻蚀后的样品表面进行净化处理；
j在n-In0.9Ga0.1N层台面上蒸镀欧姆电极，电极尺寸为0.3×0.3mm2，厚度为100nm，蒸镀时间10分钟，蒸镀后在800℃的N2环境下退火3分钟；
k在p-GaN层上蒸镀栅形欧姆电极，电极为Ni/Au合金栅形电极，电极宽度为50nm，间距为500nm，厚度为30nm，蒸镀时间10分钟，蒸镀后在500℃的N2环境下退火1分钟，完成整个InGaN太阳电池的制作。
实施例2
本发明的一种p-i-n结InGaN太阳电池制造方法步骤如下：
a将[0001]面蓝宝石衬底依次采用去离子水超声、四氯化碳、丙酮、无水酒精和去离子水清洗后吹干，送入反应室，通入氢气后将衬底加热至1100℃，保持10分钟以烘干衬底表面，带走杂质及污垢；
b接着在NH3气氛下将表面氨化5分钟，以促进在衬底表面成核；然后在550℃生长一层GaN缓冲层，缓冲层厚度为20nm，然后将衬底温度升至1050℃生长1μm厚的GaN层，TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为8000sccm，反应室压强为0.3atm；
c再将温度降到750℃生长800nm厚的全应变弛豫In0.3Ga0.7N层，TMIn的流量为60sccm，TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为28000sccm，反应室压强为0.3atm；
d继续在温度750℃生长5层(5nm-InGaN/5nm-GaN)结构的In0.3Ga0.7N超晶格层，生长InGaN时，TMIn的流量为60sccm，TMGa(三甲基镓)的流量为100sccm，氨气的流量为8000sccm，反应室压强为0.3atm，生长GaN时，TMIn(三甲基铟)的流量为0sccm，TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为8000sccm，反应室压强为0.3atm；
e继续在温度750℃生长600nm厚的n-In0.3Ga0.7N层，SiH4流量为100sccm，TMIn的流量为60sccm，TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为8000sccm，反应室压强为0.3atm；
f继续在温度750℃生长50nm厚的i-In0.2Ga0.8N层，TMIn的流量为50sccm，TMGa的流量为300sccm，氨气的流量为8000sccm，反应室压强为0.3atm；
g继续在温度750℃生长50nm厚的p-In0.3Ga0.7N层，TMIn的流量为60sccm，Cp2Mg流量为200sccm，TMGa的流量为50sccm，氨气的流量为8000sccm，反应室压强为0.3atm；
h温度升至1050℃生长10nm厚的p-GaN层，TMGa的流量为100sccm，Cp2Mg流量为200sccm，氨气的流量为8000sccm，反应室压强为0.3atm；
i在样品p-GaN层上进行光刻，刻蚀出电池台面，露出n-InGa层，台面面积为5×5mm2，对刻蚀后的样品表面进行净化处理；
j在n-In0.3Ga0.7N层台面上蒸镀欧姆电极，电极尺寸为0.5×0.5mm2，厚度为200nm，蒸镀时间40分钟，蒸镀后在800℃的N2环境下退火4分钟；
k在p-GaN层上蒸镀栅形欧姆电极，电极为Ni/Au合金栅形电极，电极宽度为100nm，间距为800nm，厚度为90nm，蒸镀时间30分钟，蒸镀后在500℃的N2环境下退火2分钟，完成整个InGaN太阳电池的制作。
实施例3
本发明的一种p-i-n结InGaN太阳电池制造方法步骤如下：
a将[0001]面蓝宝石衬底依次采用去离子水超声、四氯化碳、丙酮、无水酒精和去离子水清洗后吹干，送入反应室，通入氢气后将衬底加热至1100℃，保持10分钟以烘干衬底表面，带走杂质及污垢；
b接着在NH3气氛下将表面氨化4分钟，以促进在衬底表面成核；然后在550℃生长一层GaN缓冲层，缓冲层厚度为20nm，然后将衬底温度升至1050℃生长1μm厚的GaN层，TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为5000sccm，反应室压强为0.2atm；
c再将温度降到750℃生长800nm厚的全应变弛豫In0.7Ga0.3N层，TMIn的流量为100sccm，TMGa的流量为50sccm，氨气的流量为5000sccm，反应室压强为0.2atm；
d继续在温度750℃生长10层(3nm-InGaN/3nm-GaN)结构的In0.7Ga0.3N超晶格层，生长InGaN时，TMIn的流量为100sccm，TMGa(三甲基镓)的流量为50sccm，氨气的流量为5000sccm，反应室压强为0.2atm，生长GaN时，TMIn(三甲基铟)的流量为0sccm，TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为5000sccm，反应室压强为0.2atm；
e继续在温度750℃生长1000nm厚的n-In0.7Ga0.3N层，SiH4流量为200sccm，TMIn的流量为100sccm，TMGa的流量为50sccm，氨气的流量为5000sccm，反应室压强为0.2atm；
f继续在温度750℃生长100nm厚的i-In0.4Ga0.6N层，TMIn的流量为50sccm，TMGa的流量为50sccm，氨气的流量为5000sccm，反应室压强为0.2atm；
g继续在温度750℃生长150nm厚的p-In0.7Ga0.3N层，TMIn的流量为100sccm，Cp2Mg流量为300sccm，TMGa的流量为50sccm，氨气的流量为5000sccm，反应室压强为0.2atm；
h温度升至1050℃生长30nm厚的p-GaN层，TMGa的流量为100sccm，Cp2Mg流量为300sccm，氨气的流量为5000sccm，反应室压强为0.2atm；
i在样品p-GaN层上进行光刻，刻蚀出电池台面，露出n-InGaN层，台面面积为10×10mm2，对刻蚀后的样品表面进行净化处理；
j在n-In0.7Ga0.3N层台面上蒸镀欧姆电极，电极尺寸为1×1mm2，厚度为300nm，蒸镀时间60分钟，蒸镀后在800℃的N2环境下退火5分钟；
k在p-GaN层上蒸镀栅形欧姆电极，电极为Ni/Au合金栅形电极，电极宽度为150nm，间距为1500nm，厚度为150nm，蒸镀时间60分钟，蒸镀后在500℃的N2环境下退火3分钟，完成整个InGaN太阳电池的制作。
Claims (10)
1.一种p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，包括以下步骤：
a清洗[0001]面蓝宝石衬底；
b将[0001]面蓝宝石衬底在NH3气氛下表面氨化后，然后在550℃温度下生长一层厚度为20nm的GaN缓冲层，然后将衬底温度升至1050℃生长1.0μm厚的GaN层；
c再将温度降到750℃生长800nm厚的全应变弛豫高In组分InyGa1-yN层；
d继续在温度750℃生长3～10层高In组分InyGa1-yN/GaN结构的InyGa1-yN超晶格层，每层InyGa1-yN的厚度范围为1～5nm，GaN的厚度范围在1～5nm；
e继续在温度750℃生长300～1000nm厚的高In组分n-InyGa1-yN层；
f继续在温度750℃生长30～100nm厚的高In组分i-InxGa1-xN层；
g继续在温度750℃生长50～150nm厚的高In组分p-InyGa1-yN层；
h温度升至1050℃生长10～30nm厚的p-GaN层；
i在p-GaN层上进行光刻，刻蚀出电池台面，露出n-InGaN层，台面面积为[3～10]×[3～10]mm2，对刻蚀后的样品表面进行净化处理；
j在高In组分n-InyGa1-yN层台面上蒸镀欧姆电极，电极尺寸为[0.3～1.0]×[0.3～1.0]mm2，厚度为100～300mm，蒸镀后退火；
k在p-GaN层上蒸镀栅形欧姆电极，电极为Ni/Au合金栅形电极，电极宽度为50～150nm，间距为500～1500nm，厚度为30～150nm，蒸镀后退火。
2.根据权利要求1所述的p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，其特征在于：步骤b中氨化时间为3～5分钟，生长GaN层时通入TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为2000sccm，反应室压强为0.1atm。
3.根据权利要求2所述的p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，其特征在于：步骤c、d、e、f、g中，生长InyGa1-yN层与InxGa1-xN层时通入TMIn的流量为50～600sccm，TMGa的流量为50～300sccm，氨气的流量为2000～8000sccm，反应室压强为0.1～0.3atm。
4.根据权利要求3所述的p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，其特征在于：所述y满足0.3≤y≤0.9，所述x满足0.2≤x≤0.8，且同时满足x＜y。
5.根据权利要求4所述的p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，其特征在于：步骤d中生长GaN层时通入TMGa的流量为100sccm，氨气的流量为2000～8000sccm，反应室压强为0.1～0.3atm。
6.根据权利要求5所述的p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，其特征在于：步骤e中还通入SiH4，其流量为20～200sccm。
7.根据权利要求6所述的p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，其特征在于：步骤g中还通入Cp2Mg，其流量为20～300sccm。
8.根据权利要求7所述的p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，其特征在于：步骤h中通入Cp2Mg流量为20～300sccm，氨气的流量为2000～8000sccm，反应室压强为0.1～0.3atm。
9.根据权利要求8所述的p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，其特征在于：步骤j中蒸镀时间为10～60分钟，蒸镀后在800℃的N2环境下退火3～5分钟。
10.根据权利要求9所述的p-i-n结InGaN太阳电池制造方法，其特征在于：步骤k中蒸镀时间为10～60分钟，蒸镀后在500℃的N2环境下退火1～3分钟。
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