CN110504334A - 一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，包括一衬底；衬底上依次设有GaN成核层、GaN本征层和n型掺杂GaN层，n型掺杂GaN层上表面一侧具有一台面，台面上设有n型电极，n型掺杂GaN层的上表面依次层叠设有非掺杂InGaN/GaN多量子阱层、p型掺杂GaN层、p型高掺杂GaN层和多个p型电极，相邻p型电极通过透明电极层连接；非掺杂InGaN/GaN多量子阱层由InxGa1‑xN/GaN多层结构组成，其中0.1≤x≤0.2，InxGa1‑xN阱层在745～785℃沉积得到。本发明通过优化InGaN阱层的生长温度，获得在高In含量下仍具有较低位错密度、高生长质量的外延片以及相应的高开路电压的太阳能电池。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体为一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池。
背景技术
III-V族氮化物半导体材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、热导率高、硬度高、化学性质稳定、介电常数小以及抗辐射能力强等优点，因此其在微电子学、光电子学甚至空间领域都有巨大的应用潜力。尤其对于InGaN材料和器件，其禁带宽度从0.7eV到3.4eV连续可调，其波段完整从近红外光谱区域覆盖到紫外光谱区域，与太阳光谱完美匹配；同时InGaN合金也具有较高的吸收系数(～105cm-1)，其中带边吸收系数到105cm-1、波长为400nm的InGaN材料可以吸收98％以上的入射光，另外InGaN材料还具有优异的抗辐射性能、较好的温度稳定性和较大的电子迁移率。因此，InGaN基太阳能电池的研究越来越受到科研工作者的关注。
InGaN太阳能电池在实验上的研究始于2003年，Wu等人提出将InGaN应用到太阳能电池设计中；2005年，Jani等人首先尝试设计及制作GaN/InGaN异质结和GaN/InGaN量子阱太阳能电池，并测量其在紫外及白光辐照下的光电响应特性；2007年他们进一步制作出具有高开路电压(2.4eV)、填充因子(80％)及外量子效率(40％)的p-GaN/i-In0.05Ga0.95N/n-GaN异质结太阳能电池，并提出InGaN材料的相分离现象及较差的p型欧姆接触会使电池的性能变差。在此后的研究中，研究者们改善了材料的质量并提升了In的组分，2008年Neufeld等人得到峰值外量子效率为63％、内量子效率高达94％的In0.12Ga0.88N/GaN太阳能电池；同年，Zheng等人制得了开路电压为2.1V、填充因子高达81％的In0.1Ga0.9N/GaN电池。
但是随着In组分的提高，研究发现高In组分引起的InGaN材料的相分离会对器件性能产生负面影响，也就是通过提高InGaN光吸收层的In含量，可使太阳能电池的光吸收范围增大，但同时InGaN和GaN之间的晶格失配也随之增加，使得需要具有较厚的InGaN光吸收层来用于光吸收；但随着InGaN吸收层厚度的增加，晶体质量变差会导致较高的位错密度，而位错密度对于太阳能电池来说往往成为非辐射复合中心，俘获光生载流子形成漏电通道而降低开路电压。为了克服上述障碍，即为了在保证材料质量的情况下进一步提高In组分，研究者们开始尝试采用新结构来制作InGaN太阳能电池，例如InGaN/GaN量子阱和超晶格结构等。
量子阱的概念是由贝尔实验室的Esaki和Tsu于1970年首次提出的。上世纪90年代，英国伦敦大学的Keith Bambam等人首次将多量子阱结构引入到p-i-n型太阳能电池的本征层中，将器件的转换效率提升至14％。目前，该结构已在InGaAs/GaAS、AlGaAs/GaAS、InGaAsP/InP等多种材料体系中广泛使用。多量子阱结构太阳能电池的能带结构为：本征层(i层)由不同带隙的半导体材料薄层周期性交替生长组成，一般带隙宽的作为垒层，带隙窄的作为阱层。通过合理调整量子阱层材料、量子阱的数目和量子阱的宽度，就可以对多量子阱太阳能电池的吸收带隙进行调节，扩宽器件的光谱响应范围。引入量子阱结构已经成为III-V族太阳能电池未来的一个发展趋势。
引入量子阱结构的InGaN太阳能电池既通过多量子阱机构进行带隙优化调配，通过最优的带隙组合解决了电流匹配问题，使得在设计中对不同子电池的带隙和数量的选择更加灵活，工艺上也可以降低制作难度，从而使多结太阳能电池的转换效率达到最高，又可以利用双轴应力保持不同材料的共格生长，形成应变结构，降低晶格失配，在改善材料的晶体质量的同时提高InGaN薄膜中的In组分，使高In组分InGaN太阳能电池的研发成为了可能。
为了在保证材料质量的情况下进一步提高In组分，研究者们发现通过提高生长温度(800℃)能够改善InGaN材料的晶体质量，但由于InGaN的分解温度为630℃，热稳定性较差，在较高的生长温度下，In的吸脱附、预反应等效应将降低InN的生长效率，导致生长出来的InGaN中的In含量较低，通常低于15％；而采用低温条件生长，虽然可以提高In的组分，但又会大幅降低晶体质量，从而造成器件性能的下降；同时高In组分的InxGa1-xN/GaN多量子阱(x>15％)时仍然会导致较高的位错密度，使得目前的研究主要集中低In组分，因此通过控制生长温度来得到较高生长质量的高In组分的InxGa1-xN/GaN多量子阱太阳能电池十分必要。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，本发明通过优化InGaN阱层的生长温度，将其温度设置为745～785℃，获得在高In含量下仍具有较低位错密度、高生长质量的外延片；然后通过成熟的器件工艺，最终获得了高In含量下具有高开路电压的太阳能电池器件。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，包括一衬底；所述衬底上设有GaN成核层，所述GaN成核层上设置有GaN本征层，所述GaN本征层上设置有n型掺杂GaN层，所述n型掺杂GaN层上表面的一侧具有一台面，所述台面低于所述n型掺杂GaN层的上表面，所述n型掺杂GaN层的上表面上依次层叠设置有非掺杂InGaN/GaN多量子阱层、p型掺杂GaN层、p型高掺杂GaN层，所述p型高掺杂GaN层上设置有多个p型电极，相邻的p型电极之间通过设置在所述p形高掺杂GaN层上的透明电极层连接，所述n型掺杂GaN层的台面上设置有n型电极；
所述非掺杂InGaN/GaN多量子阱层由InxGa1-xN/GaN多层结构组成，其中0.1≤x≤0.2，InxGa1-xN阱层在745～785℃的生长温度下沉积得到。
优选的，所述非掺杂InGaN/GaN多量子阱层中InxGa1-xN/GaN多层结构的周期为8～12个，每个周期内InxGa1-xN阱层厚度为2.5～3.5nm，GaN垒层厚度为9～10nm。
优选的，所述p型高掺杂GaN层为Mg高掺杂的p-GaN层，所述p型高掺杂GaN层的厚度为30～50nm，掺杂浓度为1×1021cm-3；所述p型掺杂GaN层为Mg掺杂的p-GaN层，所述p型掺杂GaN层的厚度为30～50nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
优选的，所述n型掺杂GaN层为Si掺杂的n-GaN层，所述n型掺杂GaN层的厚度为2～2.5μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
优选的，所述GaN层的厚度为2～2.5μm；所述NL-GaN层的厚度为70～90nm。
优选的，所述透明电极层为ITO层，所述透明电极层的厚度为220～240nm。
优选的，所述p型电极由Cr、Ni和Au依次沉积得到，所述p型电极的厚度为1200nm。
优选的，所述n型电极由Cr、Ni和Au依次沉积得到，所述n型电极的厚度为1200nm。
优选的，所述衬底为蓝宝石衬底，所述衬底的厚度为430μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过优化InGaN阱层的生长温度，将其温度设置为745～785℃，获得在高In含量(0.1～0.2)下仍具有较低位错密度、高生长质量的外延片；同时利用量子阱结构的双轴应力减少晶格失配，从而获得高In组分的InxGa1-xN/GaN多量子阱，使其在In含量为0.2时仍具有较好的生长质量和较少的位错密度，然后通过成熟的器件工艺，最终获得了高In含量下具有高开路电压的太阳能电池器件；
2、本发明制备得到的较高In含量(20％)的外延片的位错密度较In含量(10％)的外延片的位错密度从6.51x1018cm-1提高到7.13x1018cm-1，位错密度增加较少；同时高In含量(20％)的太阳能电池器件中开路电压达到了2.13V，比In含量(10％)时仅降低了8.8％，太阳能电池性能好。
附图说明
图1是本发明一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明实施例1制备的In0.2Ga0.8N/GaN外延片和实施例2制备的In0.1Ga0.9N/GaN外延片的位错密度曲线；其中图2(a)为两个外延片在(002)晶面的位错密度曲线，图2(b)为两个外延片在(102)晶面上的位错密度曲线；
图3是本发明实施例1的太阳能电池和实施例2的太阳能电池的电池性能图。
图中：1、衬底；2、GaN成核层；3、GaN本征层；4、n型掺杂GaN层；5、非掺杂InGaN/GaN多量子阱层；6、p型掺杂GaN层；7、p型高掺杂GaN层；8、透明电极层；9、p型电极；10、n型电极。
具体实施方式
下面通过具体实施方式例对本发明进行详细描述。本发明的范围并不受限于该具体实施方式。
实施例1
本实施例提供一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，如图1所示，包括一衬底1；衬底1为蓝宝石衬底，衬底1的厚度为430μm；衬底1上设80nm厚的GaN成核层2，GaN成核层2上设置有2.5μm厚的GaN本征层3，GaN本征层3上设置有2μm厚的Si掺杂的n-GaN层4，其中Si掺杂的n-GaN层4种掺杂浓度为1×1019cm-3，Si掺杂的n-GaN层4上表面一侧具有一高度低于Si掺杂的n-GaN层4上表面的台面，Si掺杂的n-GaN层4上依次层叠设置有非掺杂InGaN/GaN多量子阱层5、Mg掺杂的p-GaN层6和Mg高掺杂的p-GaN层7，非掺杂InGaN/GaN多量子阱层5由10个In0.2Ga0.8N/GaN周期结构组成，每个周期内In0.2Ga0.8N阱层的生长温度为750℃，厚度为3nm，GaN垒层厚度为9nm；Mg掺杂的p-GaN层6的厚度为40nm，掺杂浓度为1×1019cm-3；Mg高掺杂的p-GaN层7的厚度为40nm，掺杂浓度为1×1021cm-3；Mg高掺杂的p-GaN层7上设置有多个由Cr、Ni和Au依次沉积得到的厚度为1200nm的p型电极9，相邻的p型电极9间通过设置在Mg高掺杂的p-GaN层7上的厚度为230nm的ITO透明电极层8连接，Si掺杂的n-GaN层4的台面上设置有由Cr、Ni和Au依次沉积得到的厚度为1200nm的n型电极10。
本实施例还提供外延片的制备方法，包括以下步骤：
1、将PSS衬底(图形化蓝宝石衬底)放入MOCVD反应室中，在H2气氛下将衬底加热到1100℃下进行表面烘烤处理，以去除衬底表面的氧化物与杂质，以确保衬底清洁无杂质；
2、通入TMGa在650℃下生长80nm的GaN低温成核层；
3、将温度升高至980℃时生长2.5um厚的GaN本征层；
4、随后继续升高温度到1220℃生长2um厚掺杂浓度为1×1019cm-3的n-GaN层；
5、n-GaN层生长完成后，生长10个周期In0.2Ga0.8N阱层、GaN垒层厚度分别为3nm、9nm的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱有源区。
6、最后关闭In源，在920℃和900℃下分别生长40nm掺杂浓度为1×1019cm-3的的p型掺杂GaN层和40nm高掺杂浓度为1×1020cm-3的p型高掺杂GaN层。
本实施例还提供包含上述外延片的太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将外延片放置于比例为5：1：1的硫酸，双氧水/水混合液中，温度为60度，将材料浸泡5分钟后，冲水甩干，然后在盐酸和水的比例为l：5的混合液中浸泡5分钟，冲水甩干；
步骤2：在外延片表面蒸镀ITO层厚度为23000nm的ITO层；
步骤3：首先在500转下涂正性光刻胶5秒，再在4000转涂正性光刻胶25秒，然后将热板加热到105度下烘烤90秒，将光刻胶烘干。将随后用光强为13mW/cm2的曝光机将其曝光6秒。曝光后在用显影液中显影20秒，然后用去离子水冲洗干净。最后在加热板在125度时烘烤25分钟。；
步骤4：将ITO刻蚀液加热到47℃，将外延片放置于腐蚀液中腐蚀7分钟；若在显微镜下观察没有腐蚀干净，则将外延片继续浸入腐蚀液中30秒或者1分钟，最后用去离子水冲洗甩干；
步骤5：首先将晶圆浸入到75-85℃的去胶液#2中10分钟，然后浸入到75-85℃的去胶液#1中10分钟；然后将晶圆冲洗甩干，采用氧气等离子体去除光刻胶，氧气等离子体的功率为200W，去除时间为90秒；
步骤6：将晶圆在105℃的加热板上烘烤60秒，然后转涂正性光刻胶，完毕后将其放置在加热板上105℃烘烤90秒，将光刻胶烘干；随后在功率为13mW/cm2下曝光6秒；曝光后用显影剂对其显影30秒，然后再冲洗干净。最后，对显影后的图形进行检查，若无异常，则用热板在125℃时烘烤30分钟；
步骤7：将样品放入感应耦合等离子体ICP(inductively coupled plasma)刻蚀机中刻蚀外延片材料；
步骤8：首先将晶圆浸入到75-85℃的去胶液#2中10分钟，然后浸入到75-85℃的去胶液#1中10分钟；然后将晶圆冲洗甩干，采用氧气等离子体去除光刻胶，氧气等离子体的功率为200W，去除时间为90秒；
步骤9：在氮气的流量为2L/min，温度为520℃下的退火炉中退火18分钟；
步骤10：用500转涂负性光刻胶5秒，再用4000转涂负性光刻胶25秒，光刻胶厚度约为3μm；然后用热板在100℃烘烤90秒；将随后用光强为13mW/cm2的曝光机将其曝光9秒；曝光后将其放置于显影中45秒，最后用去李子水冲洗干净后将其放置于烤箱中，在120℃下加热15分钟；
步骤11：使用电子束蒸镀机分别在P型和n型掺杂GaN层上蒸镀电极，蒸镀的金属依次蒸镀Cr/Ni/Au(30nm/13nm/1200nm)电极；
步骤12：将晶圆浸入到去胶液#2中10分钟，然后浸入到去胶液#l中10分钟；把晶圆排放在工作台上，正面朝上，用白膜全部覆盖晶圆表面，用无尘纸轻轻按压，反复擦拭，确保白膜与晶圆表面接触紧密，然后轻轻拉起白膜，检查晶圆表面，确保剥离干净；然后，将晶圆浸入到去胶液#2里5分钟，然后浸入到去胶液#l里10分钟，去胶液的温度控制在75-85℃之间；最后冲洗甩干；
步骤13：在氮气的流量为2L/min，温度为300℃下的退火炉中退火30分钟。
实施例2
与实施例1的结构和制备方法相同，不同的是InGaN/GaN多量子阱层5由10个In0.1Ga0.9N/GaN周期结构组成，每个周期内In0.1Ga0.9N阱层的生长温度为780℃，厚度为3nm，GaN垒层厚度为9nm。
实施例3
与实施例1的结构和制备方法相同，不同的是非掺杂InGaN/GaN多量子阱层5由8个In0.2Ga0.8N/GaN周期结构组成，每个周期内In0.2Ga0.8N阱层的生长温度为745℃，厚度为2.5nm，GaN垒层厚度为10nm。
实施例4
与实施例1的结构和制备方法相同，不同的是非掺杂InGaN/GaN多量子阱层5由12个In0.2Ga0.8N/GaN周期结构组成，每个周期内In0.2Ga0.8N阱层的生长温度为750℃，厚度为3.5nm，GaN垒层厚度为10nm。
实施例5
与实施例2的结构和制备方法相同，不同的是InGaN/GaN多量子阱层5由12个In0.1Ga0.9N/GaN周期结构组成，每个周期内In0.1Ga0.9N阱层的生长温度为785℃，厚度为3.5nm，GaN垒层厚度为10nm。
实施例6
与实施例2的结构和制备方法相同，不同的是InGaN/GaN多量子阱层5由8个In0.1Ga0.9N/GaN周期结构组成，每个周期内In0.1Ga0.9N阱层的生长温度为780℃，厚度为2.5nm，GaN垒层厚度为9nm。
实施例7
与实施例1或实施例2的结构和制备方法相同，不同的是p型高掺杂GaN层7的厚度为50nm，p型掺杂GaN层6的厚度为50nm。
实施例8
与实施例1或实施例2的结构和制备方法相同，不同的是p型高掺杂GaN层7的厚度为30nm，p型掺杂GaN层6的厚度为30nm。
实施例9
与实施例1或实施例2的结构和制备方法相同，不同的是n型掺杂GaN层4的厚度为2μm。
实施例10
与实施例1或实施例2的结构和制备方法相同，不同的是GaN本征层3的厚度为2μm。
实施例11
与实施例1或实施例2的结构和制备方法相同，不同的是GaN成核层2的厚度为70nm。
实施例12
与实施例1或实施例2的结构和制备方法相同，不同的是GaN成核层2的厚度为90nm。
实施例13
与实施例1或实施例2的结构和制备方法相同，不同的是ITO透明电极层8的厚度为220nm。
实施例14
与实施例1或实施例2的结构和制备方法相同，不同的是ITO透明电极层8的厚度为240nm。
图1是本发明一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的结构示意图，本发明实施例1-实施例14的太阳能电池均具有较好的性能，我们以实施例1和实施例2的外延片和太阳能电池为例，对实施例1制备的In0.2Ga0.8N/GaN外延片和实施例2制备的In0.1Ga0.9N/GaN外延片进行了性能测试，图2为In0.2Ga0.8N/GaN外延片和In0.1Ga0.9N/GaN外延片的位错密度曲线，其中图2(a)为两个外延片在(002)晶面的位错密度曲线，图2(b)为两个外延片在(102)晶面上的位错密度曲线，如图2所示，In0.2Ga0.8N/GaN外延片的位错密度为7.13x1018cm-1，In0.1Ga0.9N/GaN外延片的位错密度为6.51x1018cm-1，高In组分外延片的位错密度与低In组分的相差不大；图3为实施例1的太阳能电池和实施例2的太阳能电池的电池性能图，从图3可以看出，实施例1的高In组分的太阳能电池的开路电压达到了2.13V，比实施例2的太阳能电池的开路电压仅降低了8.8％，结合图2和图3可以看出，实施例1中高In组分的In0.2Ga0.8N/GaN量子阱太阳能电池在提高In含量的避免了位错密度的大幅增长，有效保证了生长质量，具有较高的开路电压。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，包括一衬底(1)；
所述衬底(1)上设有GaN成核层(2)，所述GaN成核层(2)上设置有GaN本征层(3)，所述GaN本征层(3)上设置有n型掺杂GaN层(4)，所述n型掺杂GaN层(4)上表面的一侧具有一台面，所述台面低于所述n型掺杂GaN层(4)的上表面，所述n型掺杂GaN层(4)的上表面上依次层叠设置有非掺杂InGaN/GaN多量子阱层(5)、p型掺杂GaN层(6)、p型高掺杂GaN层(7)，所述p型高掺杂GaN层(7)上设置有多个p型电极(9)，相邻的p型电极(9)之间通过设置在所述p形高掺杂GaN层(7)上的透明电极层(8)连接，所述n型掺杂GaN层(4)的台面上设置有n型电极(10)；
所述非掺杂InGaN/GaN多量子阱层(5)由InxGa1-xN/GaN多层结构组成，其中0.1≤x≤0.2，InxGa1-xN阱层在745～785℃的生长温度下沉积得到。
2.根据权利要求1所述的一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述非掺杂InGaN/GaN多量子阱层(5)中InxGa1-xN/GaN多层结构的周期为8～12个，每个周期内InxGa1-xN阱层厚度为2.5～3.5nm，GaN垒层厚度为9～10nm。
3.根据权利要求1所述的一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述p型高掺杂GaN层(7)为Mg高掺杂的p-GaN层，所述p型高掺杂GaN层(7)的厚度为30～50nm，掺杂浓度为1×1021cm-3；所述p型掺杂GaN层(6)为Mg掺杂的p-GaN层，所述p型掺杂GaN层(6)的厚度为30～50nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述n型掺杂GaN层(4)为Si掺杂的n-GaN层，所述n型掺杂GaN层(4)的厚度为2～2.5μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述GaN本征层(3)的厚度为2～2.5μm；所述GaN成核层(2)的厚度为70～90nm。
6.根据权利要求1所述的一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述透明电极层(8)为ITO层，所述透明电极层(8)的厚度为220～240nm。
7.根据权利要求1所述的一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述p型电极(9)由Cr、Ni和Au依次沉积得到，所述p型电极(9)的厚度为1200nm。
8.根据权利要求1所述的一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述n型电极(10)由Cr、Ni和Au依次沉积得到，所述n型电极(10)的厚度为1200nm。
9.根据权利要求1所述的一种高In组分的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，其特征在于，所述衬底(1)为蓝宝石衬底，所述衬底(1)的厚度为430μm。
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