CZ307941B6 - Multilayer semiconductor structure for photoelectric devices - Google Patents

Multilayer semiconductor structure for photoelectric devices Download PDF

Info

Publication number
CZ307941B6
CZ307941B6 CZ2018-290A CZ2018290A CZ307941B6 CZ 307941 B6 CZ307941 B6 CZ 307941B6 CZ 2018290 A CZ2018290 A CZ 2018290A CZ 307941 B6 CZ307941 B6 CZ 307941B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
layer
inas
quantum dots
gaassb
gaas
Prior art date
Application number
CZ2018-290A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ2018290A3 (en
Inventor
Alice HOSPODKOVÁ
Markéta Zíková
Original Assignee
Fyzikální Ústav Av Čr, V. V. I.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fyzikální Ústav Av Čr, V. V. I. filed Critical Fyzikální Ústav Av Čr, V. V. I.
Priority to CZ2018-290A priority Critical patent/CZ307941B6/en
Publication of CZ2018290A3 publication Critical patent/CZ2018290A3/en
Publication of CZ307941B6 publication Critical patent/CZ307941B6/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264Inorganic materials
    • H01L31/0304Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03046Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • H01L31/035218Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures the quantum structure being quantum dots
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544Solar cells from Group III-V materials

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

The invention is based on using a self-ordered triple KT combination of two semiconductor materials InAs and GaAsSb for efficient light absorption, generating electron-hole pairs and their rapid separation, preventing reverse recombination of the generated charge carriers and thus the efficiency of photocurrent generation. The trio KT consists of one InAs KT for electron localization and above it a pair of GaAsSb KT for localizing holes. InAs KT and GaAsSb KT are separated from each other by a thin layer of GaAs or GaAsSb with a low Sb content. The formation of GaAsSb KT is enhanced when an aprox. 1-3 nm InGaAs undercoat is deposited under the InAs layer. This layer also increases the spatial separation of the electrons and holes, increases the surface density of InAs KT and helps the extraction of electrons from InAs KT. The structure can be incorporated into photodiodes, solar cells and tandem solar cells for light absorption in the 1,100-1,500 nm spectral range. The structure increases the efficiency of photocurrent generation by effectively suppressing the recombination of generated charge carriers.

Description

Vícevrstvá polovodičová struktura pro fotoelektrická zařízeníMultilayer semiconductor structure for photoelectric devices

Oblast techniky:Technical field:

Vynález se týká vícevrstvých polovodičových struktur pro fotoelektrická zařízení, zejména pro solární články převádějící světlo na elektrickou energii, které obsahují kvantové tečky z InAs (arsenidu india) a slitinového polovodiče GaAsSb (arsenidu a antimonidu galia).The invention relates to multilayer semiconductor structures for photoelectric devices, in particular for solar cells converting light into electricity, comprising quantum dots of InAs (indium arsenide) and GaAsSb alloy semiconductor (arsenide and gallium antimonide).

Dosavadní stav techniky:BACKGROUND OF THE INVENTION:

Nejrozšířenější materiál pro solární články je v současné době křemík (Si) s jednoduchým p-n přechodem, především pro snadnou dostupnost a ekonomickou nenáročnost výroby. Pro některé speciální aplikace vyžadující vysokou efektivitu konverze světla na elektrickou energii jsou však využívány složitější vrstevnaté polovodičové struktury, tzv. tandemové cely, ve kterých jsou různé oblasti slunečního spektra absorbovány v různých částech tandemové heterostruktury. V posledních letech se objevila možnost využívat pro solární tandemové cely InAs (arsenid india) kvantové tečky, a to pro konverzi slunečního záření v blízké infračervené oblasti. Kvantové tečky (často označované KT nebo také z anglického Quantum Dots QD) jsou čočko vité útvary z polovodiče InAs, In(Ga)As (temámí slitina arsenidu india a arsenidu galia) nebo Ga(As)Sb (temámí slitina arsenidu galia a antimonidu galia) v GaAs (arsenid galia) matrici. Jejich základna má průměr několik desítek nm a jejich výška se pohybuje v rozmezí 2 až 10 nm. Jedná se o systém s mřížkově nepřizpůsobenými materiály s vysokým pnutím ve struktuře. KT se v tomto systému tvoří samoorganizací v tzv. Stránského- Krastanowově módu růstu. Ten nastává u kombinace určitých typů polovodičů (např. při růstu InAs na GaAs) s různými mřížkovými konstantami při vhodných růstových podmínkách: Aby bylo uvolněno mechanické pnutí ve struktuře, vytvoří se při epitaxi InAs tenká tzv. smáčecí vrstva a na ní se místo růstu ve vrstvách samouspořádají malé ostrůvky InAs jako tzv. kvantové tečky.The most widespread material for solar cells is currently silicon (Si) with a simple p-n transition, especially for ease of availability and economical manufacturing. However, for some special applications requiring high efficiency of conversion of light into electricity, more complex layered semiconductor structures, so-called tandem cells, are used, in which different regions of the solar spectrum are absorbed in different parts of the tandem heterostructure. In recent years, the possibility of using quantum dots for solar tandem cells InAs (arsenide india) has been discovered for the conversion of solar radiation in the near infrared region. Quantum dots (often referred to as KT or also from Quantum Dots QD) are lenticular formations of InAs, In (Ga) As semiconductor (Thium Indium Arsenide and Gallium Arsenide Semiconductor) or Ga (As) Sb (Thium Gallium Arsenide and Gallium Antimonide Alloy) ) in a GaAs (gallium arsenide) matrix. Their base has a diameter of several tens of nm and their height ranges from 2 to 10 nm. It is a system with non-lattice materials with high stress in the structure. CC in this system is formed by self-organization in the so-called Stránský-Krastanow growth mode. This occurs when a combination of certain types of semiconductors (eg, when InAs grows to GaAs) with different lattice constants under suitable growth conditions: In order to release the mechanical stress in the structure, a thin so-called wetting layer forms during epitaxy. layers are self-arranging small islands of InAs as so-called quantum dots.

Z publikace A. Luque et al. , Journal of Applied Physics 96, 903 (2004), Generál equivalent circuit for intermediate band devices: Potentials, currents and electroluminescence, je známo, že kvantové tečky mohou utvořit v GaAs polovodiči tzv. střední pás, který umožní i vícefotonovou absorpci světla (koncept „Intermediate band solar cells - IBSC“). Tyto struktury však vykazují dvě významné nevýhody. Jednak mají kvantové tečky ve struktuře malý objem, což snižuje podíl světla absorbovaného v kvantových tečkách. Kromě toho, absorpcí světla generované nosiče náboje (elektrony a díry) jsou v InAs tečkách vázány a velice rychle zpět rekombinují, takže jen malá část těchto nosičů náboje přispívá k požadovanému fotoproudu. První nevýhoda bývá řešena strukturou obsahující velký počet rovin s kvantovými tečkami. Druhá nevýhoda může být eliminována vytvořením tzv. různých heterostruktur II. typu, kdy jsou buď KT tvořeny z GaSb polovodiče v GaAs matrici nebo jsou KT InAs překryty vrstvou GaAsSb s dostatečně vysokým obsahem Sb. V heterostruktuře II. typu mají oba typy nosičů náboje minimum potenciální energie v různých materiálech, a jsou proto v základním kvantovém stavu prostorově odděleny. (Srovnání průběhu energie hrany vodivostího a valenčního pásu v heterostruktuře I. a II. typu je na obr. 1 (a), (b)). Elektrony v heterostruktuře II. typu se nacházejí v kvantových tečkách InAs, díry jsou lokalizovány v GaAsSb vrstvě těsně nad kvantovými tečkami. Toto uspořádání snižuje zpětnou rekombinaci generovaných nosičů náboje, avšak podobnou měrou snižuje také efektivitu generace elektron-děrového páru při absorpci světla.From A. Luque et al. , Journal of Applied Physics 96, 903 (2004), General Equivalent Circuit for Intermediate Band Devices: Potentials, currents and electroluminescence, it is known that quantum dots can form a so-called mid-band in GaAs semiconductors that allow multi-photon absorption of light (concept) Intermediate band solar cells (IBSC). However, these structures have two significant disadvantages. First, the quantum dots in the structure have a small volume, which reduces the proportion of light absorbed in the quantum dots. In addition, the light-generated charge carriers (electrons and holes) are bound in the InAs dots and recombine very quickly so that only a small portion of these charge carriers contribute to the desired photocurrent. The first disadvantage is solved by a structure containing a large number of planes with quantum dots. The second disadvantage can be eliminated by creating so-called different heterostructures II. Type KT are either KT formed from GaSb semiconductor in GaAs matrix or KT InAs are covered by GaAsSb layer with sufficiently high Sb content. In heterostructure II. The two types of charge carriers have a minimum potential energy in different materials and are therefore spatially separated in the basic quantum state. (A comparison of the energy course of the conductive and valence band edges in type I and type II heterostructure is shown in Fig. 1 (a), (b)). Electrons in heterostructure II. type are found in quantum dots InAs, holes are located in GaAsSb layer just above quantum dots. This arrangement reduces the recombination of the generated charge carriers, but similarly reduces the efficiency of the generation of the electron-hole pair in light absorption.

Jak je známo například z publikace Yingnan Guo, Appl. Phys. Lett. 111, 191105 (2017), Carrier dynamics of InAs quantum dots with GaAsl-xSbx barrier layers, kvantové tečky InAs/GaAsixSbx vykazují lepší vlastnosti než kvantové tečky InAs/GaAs. I v těchto strukturách je však snížení zářivé rekombinace nedostatečné, jak bylo často doloženo prokázáním poměrně silné fotoluminiscence, tedy efektivní zářivé rekombinace.As is known, for example, from Yingnan Guo, Appl. Phys. Lett. 111, 191105 (2017) Carrier Dynamics of InAs quantum dots with GaAsl-xSbx barrier layers, the quantum dots of InAs / GaAsixSb x exhibit better properties than the quantum dots of InAs / GaAs. Even in these structures, however, the reduction in radiant recombination is insufficient, as has often been demonstrated by demonstrating relatively strong photoluminescence, that is, effective radiative recombination.

- 1 CZ 307941 B6- 1 GB 307941 B6

V publikaci A. Hospodková et all., J. Appl. Phys. 114, 174305 (2013), Combined vertically correlated InAs and GaAsSb quantum dots separated by triangular GaAsSb barrier, je popsána kombinace dvou typů KT, totiž KT sestávajících z InAs a KT sestávajících z GaAsSb ve vertikálně korelované heterostruktuře II. typu. Také tyto struktury vykazují poměrně silnou zářivou rekombinaci. Je to způsobeno velice těsnou lokalizací elektronů a děr uspořádanými sice odděleně, avšak vertikálně nad sebou.A. Hospodková et al., J. Appl. Phys. 114, 174305 (2013), Combined vertically correlated InAs and GaAsSb quantum dots separated by triangular GaAsSb barrier, a combination of two types of KTs, namely KTs consisting of InAs and KTs consisting of GaAsSb in vertically correlated II heterostructure, is described. type. Also, these structures exhibit relatively strong radiant recombination. This is due to the very close localization of electrons and holes arranged separately but vertically one above the other.

Z publikace Hai-Ming Ji et all., Appl. Phys. Lett. 106, 103104 (2015), Hybrid type-I InAs/GaAs and type-II GaSb/GaAs quantum dot structure with enhanced photoluminescence jsou známé hybridní heterostruktury I.a II. typu s GaSb/GaAs kvantovými tečkami v GaAs matrici.From Hai-Ming Ji et al., Appl. Phys. Lett. 106, 103104 (2015), Hybrid type-I InAs / GaAs and type-II GaSb / GaAs quantum dot structure with enhanced photoluminescence are known hybrid heterostructures I. and II. type with GaSb / GaAs quantum dots in the GaAs matrix.

Z patentového dokumentu CN 102509700 je známý způsob nanášení InAs kvantových teček samouspořádáním na předem připravené tenké vrstvě GaAsSb.From the patent document CN 102509700 there is known a method of deposition of InAs quantum dots by self-arrangement on a pre-prepared thin layer of GaAsSb.

Z patentu US 9240507 je známa supermřížková struktura, ve které se opakovaně střídá bariérová vrstva a vrstva s kvantovými tečkami tvořící strukturu I. typu tak, že vznikne supermřížkový pás energií.From U.S. Pat. No. 9,240,507, a super-lattice structure is known in which the barrier layer and the quantum dots layer alternately form a type I structure to form a super-lattice band of energies.

Struktura InAs KT obklopená InGaAs nebo GaAsSb vrstvami (tedy v případě GaAsSb s nízkým obsahem Sb, tedy I. typu, kdy jsou oba typy nosičů náboje v nejnižším energetickém stavu lokalizovány v InAs KT) bývá využívána také pro laserové aplikace v oblasti 1300 nm. Z patentu CZ 303855 je známa vícevrstvá polovodičová epitaxní struktura s InAs/GaAs kvantovými tečkami a GaAsSb krycí a pnutí redukující vrstvou zachovávající heteropřechod I. typu mezi InAs kvantovou tečkou a GaAsSb vrstvou a umožňující emisi elektroluminiscencí na telekomunikační vlnové délce 1300 nm. Zachování heteropřechodu I. typu pro tyto vlnové délky je dosaženo gradovaným složením GaAsi-xSbx vrstvy tak, aby ve GaAsSb vrstvě byla nižší koncentrace Sb (x=0,03 až 0,09) bezprostředně u kvantových teček, (čímž je zabezpečena dostatečná bariéra pro díry v InAs kvantových tečkách a jejich lokalizace v kvantových tečkách), ve směru epitaxního růstu koncentrace antimonu v GaAsSb vzrůstá k maximální koncentraci, která se pohybuje v rozmezí x=0,15 až 0,30. Tím je dosaženo potřebné snížení pnutí uvnitř kvantových teček a prodloužení emitované vlnové délky. Tyto vlastnosti mohou být výhodné i pro využití ve fotovoltaických strukturách.The structure of InAs KT surrounded by InGaAs or GaAsSb layers (ie in the case of GaAsSb with low Sb content, ie type I, where both types of charge carriers are located in InAs KT in the lowest energy state) is also used for laser applications in the region of 1300 nm. The CZ 303855 patent discloses a multilayer semiconductor epitaxial structure with InAs / GaAs quantum dots and a GaAsSb cover and stress reducing layer retaining a type I heterosection between the InAs quantum dots and the GaAsSb layer and allowing the emission of electroluminescence at a telecommunication wavelength of 1300 nm. Preservation of type I heterogeneity for these wavelengths is achieved by a graded composition of the GaAsx x Sb x layer so that the GaAsSb layer has a lower Sb concentration (x = 0.03 to 0.09) immediately at the quantum dots (thus ensuring sufficient the barrier for holes in InAs quantum dots and their localization in quantum dots) in the direction of epitaxial growth of the antimony concentration in GaAsSb increases to a maximum concentration ranging from x = 0.15 to 0.30. This achieves the necessary stress reduction within the quantum dots and the extension of the emitted wavelength. These properties may also be advantageous for use in photovoltaic structures.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Podstata vynálezu spočívá ve využití samouspořádané trojice KT kombinované ze dvou polovodičových materiálů InAs a GaAsSb pro efektivní absorpci světla, generaci páru elektrondíra a pro jejich rychlou separaci, která zabrání zpětné rekombinaci vygenerovaných nosičů náboje. Princip zlepšení fotovoltaických vlastností podle předloženého vynálezu spočívá ve vyšším obsahu Sb v GaAsSb vrstvě a ve vytvoření funkční trojice jedné InAs a vždy dvou GaAsSb kvantových teček, aby došlo k většímu prostorovému oddělení generovaných elektronů a děr v nejnižším energetickém stavu. Předložený vynález řeší výše zmíněné nevýhody pomocí samouspořádané trojice KT, totiž kvantové tečky InAs pro lokalizaci elektronů a dvojice kvantových teček GaAsSb pro lokalizaci děr vždy po stranách kvantové tečky InAs. Tím je výrazně snížena zpětná rekombinace nosičů náboje generovaných v oblasti KT, a tím významně zvýšena efektivita konverze energie dopadajícího infračerveného záření na fotoproud.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is based on the use of a self-assembled triple KT combined of two semiconductor materials InAs and GaAsSb for efficient light absorption, generation of an electron pair and rapid separation thereof to prevent back recombination of generated charge carriers. The principle of improving the photovoltaic properties of the present invention lies in the higher Sb content in the GaAsSb layer and in the formation of a functional triad of one InAs and two GaAsSb quantum dots each to provide more spatial separation of generated electrons and holes in the lowest energy state. The present invention solves the above-mentioned disadvantages by using a self-ordered triad KT, namely a quantum dot InAs for electron localization and a pair of quantum dots GaAsSb for hole localization always on the sides of the quantum dot InAs. This greatly reduces the recombination of charge carriers generated in the KT region, thereby significantly increasing the efficiency of converting the energy of incident infrared radiation into photocurrent.

Nad vrstvou z GaAs nebo InGaAs se nachází smáčecí InAs vrstva s vyšší koncentrací In, na níž jsou vytvořeny InAs kvantové tečky, přičemž vedle InAs kvantové tečky v úrovni nad základnou InAs kvantové tečky jsou uspořádány vždy dvě GaAsSb kvantové tečky, které vznikají samovolně v krystalografickém směru (-110) při depozici GaAsSb, a které příslušnou InAs kvantovou tečku shora částečně překrývají v polohách na protilehlých stranách obvodu. Kvantové tečky z arsenidu india, zde označované jako InAs kvantové tečky, samozřejmě mohouAbove the GaAs or InGaAs layer, there is a wetting InAs layer with a higher concentration of In, on which the InAs quantum dots are formed, with two GaAsSb quantum dots that spontaneously originate in the crystallographic direction alongside the InAs quantum dots. (-110) during GaAsSb deposition, and which partially overlap the respective InAs quantum dot from above on positions on opposite sides of the circuit. Indium arsenide quantum dots, referred to herein as InAs quantum dots, can of course

-2CZ 307941 B6 obsahovat malé množství galia, avšak podle předloženého vynálezu není galium záměrně přidáváno.However, according to the present invention, gallium is not intentionally added.

Trojici KT tedy tvoří jedna InAs kvantová tečka pro lokalizaci elektronů a nad ní dvojice GaAsSb kvantových teček pro lokalizaci děr viz schéma samouspořádané struktury, jak je znázorněno na obr. 2. Tato dvojice GaAsSb KT vznikne samovolně při vhodných technologických podmínkách po stranách InAs KT, pokud má systém při nebo po epitaxi GaAsSb vrstvy dostatek času pro nalezení termodynamické rovnováhy (zpravidla když doba růstu vrstvy spolu s přerušením růstu po depozici GaAsSb je delší než 50 s). Při tomto uspořádání jsou od sebe elektrony a díry v nejnižším energetickém stavu vzájemně prostorově odděleny, excitované stavy v obou typech kvantových teček se však dostatečně překrývají, takže dochází k účinné absorpci světla a generaci páru elektron - díra, jak je znázorněno na obr. 3. Oba nosiče náboje velice rychle zrelaxují z excitovaného do základního kvantového stavu (čas relaxace řádově 1011 s). Tím dojde k jejich prostorové separaci, a zabrání se tak jejich zpětné rekombinaci. Následuje pak extrakce nosičů náboje z oblasti trojice KT přítomným zabudovaným elektrickým polem v PIN struktuře, čímž přispějí k fotoproudu generovanému touto součástkou při osvětlení infračervenou částí slunečního spektra. Aby došlo k dostatečně silnému prostorovému oddělení elektronů v InAs kvantové tečce a děr v GaAsSb kvantových tečkách (aby se snížil překryv vlnových funkcí v nejnižším energetickém stavu), je potřeba vložit mezi InAs a GaAsSb kvantové tečky 1 až 3 nm tenkou vrstvu GaAs nebo GaAsSb s nízkým obsahem Sb. Nejnižší obsah Sb v GaAsi_xSbx v oblasti těsně přiléhající ke KT může být zvolen v rozmezí x=0 až 0,12. Toto složení je zvoleno tak, aby byla zachována dostatečná bariéra pro díry lokalizované v základním stavu v oblasti GaAsSb kvantových teček, a tím byly díry dostatečně prostorově odděleny od elektronů lokalizovaných v InAs kvantové tečce, a zároveň, aby byla bariéra nižší než energie děr v excitovaném stavu, čímž bude zajištěn dostatečný překryv vlnových fcí elektronů a děr v excitovaném stavu, a tím i generace elektron děravého páru. Koncentrace antimonu v GaAsi_xSbx kvantové tečce se pohybuje v rozmezí x=0,2 až 0,9 tak, aby byla dosažena heterostruktura II. typu, tj dominantní potenciálová jáma pro díry v oblasti GaAsSb kvantových teček (viz. obr. 1 b), jejíž bariéry tvoří na jedné straně GaAsSb vrstva s nízkou koncentrací Sb a na druhé straně krycí GaAs vrstva. Při vyšším obsahu Sb vznikají samouspořádávající se GaAsSb kvantové tečky blíže sebe. Vhodné tloušťky GaAsi-xSbx vrstvy, z níž během epitaxe samovolně vzniknou přiléhající KT, se pohybuje v rozmezí 2 až 10 nm. Vedlejším efektem této GaAsSb vrstvy je zabránění “rozpouštění“ InAs kvantové tečky během růstu krycí vrstvy. Bylo zjištěno, že k zesílení tvorby GaAsSb kvantových teček dochází, jestliže je pod InAs vrstvou deponována asi 0,5 až 3 nm tenká InGaAs podkladová vrstva. Tato vrstva má další výhodné funkce: zvyšuje prostorové oddělení elektronů a děr, zvyšuje plošnou hustotu InAs kvantových teček a usnadňuje extrakci elektronů z InAs kvantové tečky.Thus, the KT trio consists of one InAs quantum dot for electron localization and above it a pair of GaAsSb quantum dots for hole localization, see the self-ordered structure diagram as shown in Figure 2. This pair of GaAsSb KT arises spontaneously under suitable technological conditions on the sides of InAs KT the system has sufficient time at or after GaAsSb layer epitaxy to find thermodynamic equilibrium (typically when the layer growth time along with growth interruption after GaAsSb deposition is greater than 50 s). In this arrangement, the electrons and holes in the lowest energy state are spatially separated from each other, but the excited states in the two types of quantum dots overlap sufficiently to efficiently absorb light and generate an electron-hole pair as shown in Figure 3. Both charge carriers relax very quickly from excited to the basic quantum state (relaxation time of the order of 10 11 s). This results in their spatial separation and prevents their recombination. This is followed by the extraction of charge carriers from the triad KT region by the present built-in electric field in the PIN structure, thereby contributing to the photocurrent generated by this component when illuminated by the infrared part of the solar spectrum. In order to have a sufficiently strong spatial separation of electrons in the InAs quantum dot and holes in the GaAsSb quantum dots (to reduce the overlap of wave functions in the lowest energy state), a 1 to 3 nm thin layer of GaAs or GaAsSb s should be inserted between InAs and GaAsSb. low content of Sb. The lowest Sb content in GaAsi_ x Sb x in the region adjacent to KT can be selected in the range x = 0 to 0.12. This composition is selected to maintain a sufficient barrier for the baseline holes located in the GaAsSb region of quantum dots, thereby separating the holes sufficiently spatially from the electrons located in the InAs quantum dot, while keeping the barrier lower than the excited hole energy state, thereby ensuring sufficient overlapping of the electron waveforms and holes in the excited state, and thereby generation of the electron leaky pair. The concentration of antimony in GaAsi_ x Sb x quantum dot is in the range x = 0.2 to 0.9 so as to achieve II heterostructure. type, ie the dominant potential hole for holes in the area of GaAsSb quantum dots (see Fig. 1 b), whose barriers are formed on one side by a low Sb concentration GaAsSb layer and on the other side by a covering GaAs layer. With higher Sb content, self-organizing GaAsSb quantum dots come closer together. Suitable thicknesses of the GaAsi- x Sb x layer from which spontaneous KT spontaneously develops during epitaxy are in the range of 2 to 10 nm. A side effect of this GaAsSb layer is to prevent the "dissolution" of the InAs quantum dot during growth of the cover layer. It has been found that the formation of GaAsSb quantum dots is enhanced when about 0.5 to 3 nm thin InGaAs undercoat is deposited under the InAs layer. This layer has other advantageous functions: it increases the spatial separation of electrons and holes, increases the surface density of the InAs quantum dots, and facilitates the extraction of electrons from the InAs quantum dots.

Vícevrstvá polovodičová struktura podle vynálezu s výhodou obsahuje, směrem od substrátu, v uvedeném pořadí následující vrstvy:The multilayer semiconductor structure according to the invention preferably comprises, from the substrate, the following layers, respectively:

n-typová GaAs vrstva nelegovaná GaAs vrstva volitelně může obsahovat InGaAs podkladovou vrstvuThe n-type GaAs layer an unalloyed GaAs layer optionally may comprise an InGaAs backing layer

InAs smáčecí vrstva (průměrná tloušťka 1,8 až 2,5 monoatomové vrstvy) pro lokalizaci elektronů a na ní diskrétní InAs kvantové tečky volitelně může obsahovat GaAs nebo GaAsSb oddělovací vrstvu s nízkým obsahem GaSb složkyInAs wetting layer (average thickness of 1.8 to 2.5 monoatomic layer) for electron localization and discrete InAs quantum dots on it optionally can contain GaAs or GaAsSb low GaSb component separation layer

Vrstva s GaAsSb kvantovými tečkami pro lokalizaci děr (tloušťka je, podle složení GaAsSb, 2 až 10 nm) nelegovaná GaAs vrstva p-typová GaAs vrstvaGaAsSb layer of quantum dots for hole localization (thickness is 2 to 10 nm depending on GaAsSb composition) unalloyed GaAs layer p-type GaAs layer

Vícevrstvá polovodičová struktura podle vynálezu s výhodou může obsahovat, směrem od substrátu, v uvedeném pořadí následující vrstvy:The multilayer semiconductor structure according to the invention may advantageously comprise, from the substrate, the following layers, respectively:

n-typovou GaAs vrstvu o tloušťce například 200 nm,n-type GaAs layer with a thickness of for example 200 nm,

-3 CZ 307941 B6 nelegovanou GaAs vrstvu o tloušťce například 200 nm,An unalloyed GaAs layer having a thickness of, for example, 200 nm,

InyGai-yAs vrstvu o tloušťce 0,5 až 3 nm s obsahem In odpovídajícím uvedenému vzorci, kde y<0,3, s výhodou y=0,2,In y Ga- y As layer with a thickness of 0.5 to 3 nm with an In content corresponding to the above formula, where y <0.3, preferably y = 0.2,

InAs smáčecí vrstvu o tloušťce 1,8 až 2,5 monoatomové vrstvy, s výhodou 2 monoatomových vrstev, a na ní se nacházející InAs kvantové tečky (11), tenkou GaAsi_xSbx vrstvu kde x=0 až 0,12, s výhodou x=0,08, o tloušťce 1 až 3 nm,InAs wetting layer having a thickness of 1.8 to 2.5 monoatomové layers, preferably two layers monoatomových and located thereon InAs quantum dots (11), a thin GaAsi_ x Sb x layer wherein x = 0 to 0.12, preferably x = 0,08, of a thickness of 1 to 3 nm,

GaAsi.xSbx, kde x=0,2 až 0,9, o tloušťce 2 až 10 nm, s výhodou 5 nm, s kvantovými tečkami (10), nelegovanou GaAs vrstvu o tloušťce například 200 nm, a p-typovou GaAs vrstvu o tloušťce například 200 nm.GaAsi. x Sb x , where x = 0.2 to 0.9, with a thickness of 2 to 10 nm, preferably 5 nm, with quantum dots (10), an unalloyed GaAs layer with a thickness of, for example, 200 nm, and a p-type GaAs layer of a thickness of, for example, 200 nm.

Vrstvy struktury nesoucí kvantové tečky lze mnohonásobně opakovat a kombinovat s dostatečně velkými GaAs vrstvami, celková tloušťka takové struktury může mít tloušťku 200 nm až několik pm. U struktury obsahující více vrstev s kvantovými tečkami je navíc snížena rekombinace nosičů náboje migrujících skrze strukturu díky ortogonálním nekřížícím se trajektoriím elektronů a děr ve struktuře s kombinovanými In(Ga)As a GaAsSb kvantovými tečkami. Aby byla struktura funkční, musí být vložena do intrinzické oblasti GaAs PIN diody s nízkým zabudovaným elektrickým polem.The layers of the structure carrying the quantum dots can be repeated multiple times and combined with sufficiently large GaAs layers, the total thickness of such a structure may have a thickness of 200 nm to several µm. In addition, in a multi-layered multi-dot structure, the recombination of charge carriers migrating through the structure is reduced due to orthogonal non-crossing electron and hole trajectories in the combined In (Ga) As and GaAsSb quantum dot structure. For the structure to be functional, it must be inserted into the intrinsic area of the GaAs PIN diodes with a low built-in electric field.

Vícevrstvá polovodičová struktura může být připravena standardně používanou metodou plynné epitaxe z organokovových sloučenin (MOVPE) nebo pomocí epitaxe z molekulárních svazků (MBE), případně jinými epitaxními technologiemi umožňujícími přípravu vrstev s tloušťkou několik nanometrů (CBE, MOMBE).The multilayer semiconductor structure can be prepared by the standard method of gaseous epitaxy of organometallic compounds (MOVPE) or by molecular beam epitaxy (MBE), or by other epitaxial technologies enabling the preparation of layers with a thickness of several nanometers (CBE, MOMBE).

Pomocí tohoto vynálezu se s popsanými kombinovanými kvantovými tečkami podařilo až 72< zvýšit integrální fotoproud generovaný absorpcí světla s vlnovou délkou 900 až 1600 nm ve srovnání s jednoduchými InAs kvantovými tečkami. K dalšímu výraznému zvýšení fotoproudu (přibližně 200x) došlo při zabudování tenké InGaAs podkladové vrstvy pod kombinované kvantové tečky.Using the present invention, with the combined quantum dots described, up to 72% of the integral photocurrent generated by the absorption of light at a wavelength of 900 to 1600 nm was increased compared to single InAs quantum dots. Another significant increase in photocurrent (approximately 200x) occurred when the thin InGaAs underlayer was incorporated under the combined quantum dots.

Struktura podle předloženého vynálezu zvyšuje efektivitu generace fotoproudu tím, že účinně potlačuje zpětnou rekombinaci generovaných nosičů náboje.The structure of the present invention increases the efficiency of photocurrent generation by effectively suppressing the recombination of generated charge carriers.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Obr. 1 představuje schematické znázornění průběhu energie hrany vodivostního a valenčního pásu ve směru epitaxního růstu (a) v heterostruktuře I. typu pouze s InAs kvantovými tečkami, kdy jsou elektrony i díry lokalizovány v InAs kvantových tečkách, (b) v heterostruktuře II. typu podle tohoto vynálezu s kombinovanými InAs a GaAsSb kvantovými tečkami, kdy jsou elektrony lokalizovány v InAs kvantových tečkách a díry v základním kvantovém stavu v GaAsSb kvantových tečkách.Giant. 1 is a schematic representation of the energy waveform of a conductive and valence band in the direction of epitaxial growth (a) in a type I heterostructure with only InAs quantum dots, with both electrons and holes located in InAs quantum dots, (b) in a heterostructure II. of the type of the invention with combined InAs and GaAsSb quantum dots, wherein the electrons are located in InAs quantum dots and the ground quantum state holes in GaAsSb quantum dots.

Obr. 2 (a) představuje schematické znázornění samouspořádané trojice KT podle vynálezu v řezu napříč InAs kvantovou tečkou pro lokalizaci elektronů a přilehlou dvojicí GaAsSb kvantových teček pro lokalizaci děr po stranách InAs kvantové tečky. Jednotlivé vrstvy jsou znázorněny ve směru epitaxního růstu od substrátu směrem vzhůru. Obr. 2 (b) je mikrofotografie povrchu příkladné struktury podle vynálezu a obr. 2 (c) představuje příkladný povrchový profil struktury podle vynálezu.Giant. 2 (a) is a schematic representation of a self-ordered triad of KTs of the invention in cross-section across the InAs quantum dot for electron localization and an adjacent pair of GaAsSb quantum dots for localizing holes in the sides of the InAs quantum dot. The individual layers are shown in the direction of epitaxial growth from the substrate upwards. Giant. Fig. 2 (b) is a photomicrograph of the surface of an exemplary structure of the invention; and Fig. 2 (c) shows an exemplary surface profile of a structure of the invention.

Obr. 3 představuje průběhu energie hrany vodivostního a valenčního pásu a lokalizaci elektronů a děr v heterostruktuře podle tohoto vynálezu v (a) excitovaném stavu, který je využíván pro absorpci světla a (b) v základním kvantovém stavu, který je využíván pro rychlé prostorové oddělení elektronů a děr a zabránění zpětné rekombinace.Giant. 3 represents the energy waveforms of the conductive and valence bands and the localization of electrons and holes in the heterostructure of the present invention in (a) an excited state that is used for light absorption and (b) a ground quantum state that is used for rapid spatial separation of electrons; and preventing back recombination.

-4CZ 307941 B6-4GB 307941 B6

Obr. 4 představuje srovnání generovaného fotoproudu bez přiloženého napětí v závislosti na vlnové délce dopadajícího světla pro strukturu jen s jednou vrstvou InAs kvantových teček, s pěti vrstvami InAs kvantových teček a pro strukturu KT, podle jednoho provedení vynálezu, s kombinovanými InAs a GaAsSb.Giant. 4 is a comparison of the generated photocurrent without applied voltage depending on the wavelength of incident light for a structure with only one layer of InAs quantum dots, with five layers of InAs quantum dots and for a KT structure, according to one embodiment of the invention, with combined InAs and GaAsSb.

Obr. 5 představuje srovnání generovaného fotoproudu bez přiloženého napětí v závislosti na vlnové délce dopadajícího světla pro strukturu s kombinovanými InAs a GaAsSb kvantovými tečkami s GaAs podkladovou vrstvou a pro strukturu podle druhého provedení vynálezu s vloženou podkladovou InGaAs vrstvou o tloušťce 2 nm.Giant. 5 is a comparison of the generated photocurrent without applied voltage versus the wavelength of incident light for a structure with combined InAs and GaAsSb quantum dots with a GaAs backing layer and for a structure according to the second embodiment of the invention with an embedded InGaAs backing layer of 2 nm.

Obr. 6 představuje srovnání generovaného fotoproudu bez přiloženého napětí v závislosti na vlnové délce dopadajícího světla pro strukturu s jednou vrstvou kombinovaných InAs a GaAsSb kvantovými tečkami podle a pro strukturu s pěti vrstvami kombinovaných KT podle třetího provedení vynálezu.Giant. 6 is a comparison of the generated photocurrent without applied voltage versus the wavelength of incident light for a single layer structure of combined InAs and GaAsSb quantum dots according to and for a five layer structure of combined KTs according to a third embodiment of the invention.

Příklady uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Příklad 1- Fotovoltaická struktura s kombinovanými KTExample 1- Photovoltaic structure with combined CH

Vícevrstvá polovodičová struktura byla zabudována do PIN diody. Struktura byla připravena standardně používanou metodou nízkotlaké plynné epitaxe z organokovových sloučenin (LP MOVPE).The multilayer semiconductor structure was built into the PIN diode. The structure was prepared using the standard method of low pressure gaseous epitaxy of organometallic compounds (LP MOVPE).

Struktura obsahuje následující vrstvy v pořadí:The structure contains the following layers in order:

n-typová GaAs podložka 1 n-typová GaAs epitaxní vrstva 2 s koncentrací děr 1017cm-3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °C nelegovaná GaAs vrstva 3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °Cn-type GaAs substrate 1 of n-type GaAs epitaxial layer 2 having a concentration of holes of 10 17 cm -3, thickness 200 nm, the preparation temperature of 650 ° C unalloyed GaAs layer 3, the thickness of 200 nm, the preparation temperature of 650 ° C

InAs smáčecí vrstva 5 o tloušťce 2 atomárních vrstev pro lokalizaci elektronů, teplota přípravy 510 °C, doba růstu vrstvy 24 sekund, s přerušením růstu na 15 s pro vytvoření kvantových teček, na InAs smáčecí vrstvě 5 jsou diskrétní InAs kvantové tečky InAs GaAsi.xSbx vrstva 6_se složením odpovídajícím uvedenému vzorci, kde x=0,03 o tloušťce 2 nm, teplota přípravy 510 °CInAs wetting layer 5 with 2 atomic layer thicknesses for electron localization, preparation temperature 510 ° C, layer growth time 24 seconds, interrupting growth for 15 s to create quantum dots, InAs wetting layer 5 are discrete InAs quantum dots InAs GaAsi. x Sb x layer 6 with a composition corresponding to the above formula, where x = 0.03 with a thickness of 2 nm, preparation temperature 510 ° C

GaAsi-xSbx vrstva 7 s kvantovými tečkami 10, se složením x=0,20 a tloušťkou 6 nm, teplota přípravy 510 °C, doba růstu 50 sekund, s přerušením růstu na 10 s pro vytvoření kvantových teček 10 nelegovaná GaAs vrstva 8, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °C p-typová GaAs epitaxní vrstva 9 s koncentrací děr 1017 cm3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °CGaAsi-xSbx layer 7 with quantum dots 10, with composition x = 0.20 and 6 nm thickness, preparation temperature 510 ° C, growth time 50 seconds, with 10 sec growth to create quantum dots 10 unalloyed GaAs layer 8, thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C p-type GaAs epitaxial layer 9 with a hole concentration 10 of 17 cm 3 , thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C

Po epitaxi byly na strukturu za studená napařeny kontakty PdGeAu. Alternativně mohou být kontakty provedeny z materiálu ITO. Závislost fotoproudu na energii dopadajícího záření připravené fotodiody a srovnání fotoproudu pro různé typy fotodiod s KT je prezentováno na obr.After epitaxy, PdGeAu contacts were steamed onto the cold structure. Alternatively, the contacts may be made of ITO material. The dependence of photocurrent on energy of incident radiation of prepared photodiode and comparison of photocurrent for different types of photodiodes with KT is presented in Fig.

4.4.

Příklad 2 - Fotovoltaická struktura s kombinovanými KT a InGaAs podkladovou vrstvouExample 2 - Photovoltaic structure with combined KT and InGaAs underlay

Vícevrstvá polovodičová struktura byla připravena podle příkladu 1 s tím rozdílem, že mezi nelegovanou GaAs vrstvu 3 a InAs smáčecí vrstvou 5 je vložena 2 nm tenká vrstva InGaAs.A multilayer semiconductor structure was prepared according to Example 1 with the difference that a 2 nm InGaAs layer is sandwiched between the unalloyed GaAs layer 3 and the InAs wetting layer 5.

Struktura obsahuje následující vrstvy:The structure contains the following layers:

n-typová GaAs podložka 1 n-typová GaAs epitaxní vrstva 2 s koncentrací děr 1017cm-3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °Cn-type GaAs pad 1 n-type GaAs epitaxial layer 2 with a hole concentration 10 17 cm -3 , thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C

-5 CZ 307941 B6 nelegovaná GaAs vrstva 3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °C nelegovaná InyGai_yAs vrstva 4, ve které obsah In odpovídá uvedenému vzorci, kde y=0,2, tloušťka 2 nm, teplota přípravy 510 °CUnalloyed GaAs layer 3, thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C unalloyed In y Gai y As layer 4, wherein the content of In corresponds to the above formula, where y = 0.2, thickness 2 nm, preparation temperature 510 Noc: 2 ° C

InAs smáčecí vrstva 5 o tloušťce 2 atomárních vrstev, teplota přípravy 510 °C, doba růstu vrstvy 24 sekund, s přerušením růstu na 15 s pro vytvoření kvantových teček, na InAs smáčecí vrstvě 5 jsou diskrétní InAs kvantové tečky InAsInAs wetting layer 5 with 2 atomic layer thickness, preparation temperature 510 ° C, layer growth time of 24 seconds, with interruption of growth for 15 s to create quantum dots, InAs wetting layer 5 are discrete InAs quantum dots InAs

GaAsi.xSbx vrstva 6_se složením x=0,03 tloušťka 2 nm, teplota přípravy 510 °CGaAsi. x Sb x layer 6 with composition x = 0.03 thickness 2 nm, preparation temperature 510 ° C

GaAsi-xSbx vrstva 7 s kvantovými tečkami 10, se složením x=0,20 a tloušťkou 6 nm, teplota přípravy 510 °C, doba růstu 50 sekund, s přerušením růstu na 10 s pro vytvoření kvantových teček 10 nelegovaná GaAs vrstva 8, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °C p-typová GaAs epitaxní vrstva 9 s koncentrací děr 1017 cm3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °CGaAsi-xSbx layer 7 with quantum dots 10, with composition x = 0.20 and 6 nm thickness, preparation temperature 510 ° C, growth time 50 seconds, with 10 sec growth to create quantum dots 10 unalloyed GaAs layer 8, thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C p-type GaAs epitaxial layer 9 with a hole concentration 10 of 17 cm 3 , thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C

Závislost fotoproudu na energii dopadajícího záření fotodiody připravené podle příkladu 2 s InyGai_yAs vrstvou 4 nacházející mezi nelegovanou GaAs vrstvou 3 a InAs smáčecí vrstvou 5. Srovnání s fotoproudem pro strukturu podle příkladu 1, kde je InAs smáčecí vrstva 5 bezprostředně nad nelegovanou GaAs vrstvou 3, je prezentováno na obr. 5.Photovoltaic energy dependence of photodiode prepared according to Example 2 with In y Gai As y layer 4 located between the unalloyed GaAs layer 3 and the InAs wetting layer 5. Comparison to the photocurrent for the structure of Example 1, wherein the InAs wetting layer 5 is immediately above the unalloyed GaAs Layer 3 is presented in Fig. 5.

Příklad 3 - Pětinásobná struktura pro využití v aktivní oblasti fotodiodyExample 3 - Five-fold structure for use in the active region of a photodiode

Struktura obsahující 5x strukturu kvantových teček překrytých GaAsSb gradovanou vrstvou: n-typová GaAs podložka 1 n-typová GaAs epitaxní vrstva 2 s koncentrací děr 1017cm-3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °C nelegovaná GaAs vrstva 3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °C5x structure comprising quantum dots overlapped structure GaAsSb graded layer of n-type GaAs substrate 1 of n-type GaAs epitaxial layer 2 having a concentration of holes of 10 17 cm -3, thickness 200 nm, the preparation temperature of 650 ° C unalloyed GaAs layer 3, the thickness of 200 nm , preparation temperature 650 ° C

InAs smáčecí vrstva 5 o tloušťce 2 atomárních vrstev, teplota přípravy 510 °C, doba růstu vrstvy 24 sekund, s přerušením růstu na 15 s pro vytvoření kvantových teček, na InAs smáčecí vrstvě 5 jsou diskrétní InAs kvantové tečky InAsInAs wetting layer 5 with 2 atomic layer thickness, preparation temperature 510 ° C, layer growth time of 24 seconds, with interruption of growth for 15 s to create quantum dots, InAs wetting layer 5 are discrete InAs quantum dots InAs

GaAsi-xSbx vrstva 6_se složením x=0,03, tloušťka 2 nm, teplota přípravy 510 °CGaAsi-xSbx layer 6 with composition x = 0.03, thickness 2 nm, preparation temperature 510 ° C

GaAsi-xSbx vrstva 7 s kvantovými tečkami 10, složení x=0,20 a tloušťka 6 nm, teplota přípravy 510 °C, doba růstu 50 s, s přerušením růstu na 10 s pro vytvoření kvantových teček 10 nelegovaná GaAs vrstva 8, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °C p-typová GaAs epitaxní vrstva 9 s koncentrací děr 1017 cm3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °CGaAsi-xSbx layer 7 with quantum dots 10, composition x = 0.20 and thickness 6 nm, preparation temperature 510 ° C, growth time 50 s, with growth interruption for 10 s to create quantum dots 10 unalloyed GaAs layer 8, thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C p-type GaAs epitaxial layer 9 with hole concentration 10 17 cm 3 , thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C

Vrstvy 3 - 8 se 5* opakují.Layers 3-8 are repeated 5 *.

Na obr. 6 lze vidět zvýšení fotoproudu ve srovnání se strukturou obsahující jedinou vrstvu kvantových teček.Fig. 6 shows an increase in photocurrent compared to a structure comprising a single layer of quantum dots.

Příklad 4 - Třicetinásobná struktura pro využití v aktivní oblasti fotodiody (solárního článku)Example 4 - Thirty-fold structure for use in the active region of a photodiode (solar cell)

Struktura obsahující 30x strukturu kvantových teček překrytých GaAsSb gradovanou vrstvou: n-typová GaAs podložka 1 n-typová GaAs epitaxní vrstva 2 s koncentrací děr 1017cm-3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °C nelegovaná GaAs vrstva 3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °CStructure comprising a quantum dot structure 30x superimposed GaAsSb graded layer of n-type GaAs substrate 1 of n-type GaAs epitaxial layer 2 having a concentration of holes of 10 17 cm -3, thickness 200 nm, the preparation temperature of 650 ° C unalloyed GaAs layer 3, the thickness of 200 nm , preparation temperature 650 ° C

InAs smáčecí vrstva 5 o tloušťce 2 atomárních vrstev, teplota přípravy 510 °C, doba růstu vrstvy 24 sekund, s přerušením růstu na 15 s pro vytvoření kvantových teček, na InAs smáčecí vrstvě 5 jsou diskrétní InAs kvantové tečky InAsInAs wetting layer 5 with 2 atomic layer thickness, preparation temperature 510 ° C, layer growth time of 24 seconds, with interruption of growth for 15 s to create quantum dots, InAs wetting layer 5 are discrete InAs quantum dots InAs

GaAsi-xSbx vrstva 6_se složením x=0,03, tloušťka 2 nm, teplota přípravy 510 °CGaAsi-xSbx layer 6 with composition x = 0.03, thickness 2 nm, preparation temperature 510 ° C

-6CZ 307941 B6-6GB 307941 B6

GaAsi.xSbx vrstva 7 s kvantovými tečkami 10, složení x=0,20 a tloušťka 6 nm, teplota přípravy 510 °C, doba růstu 50 s, s přerušením růstu na 10 s pro vytvoření kvantových teček 10 nelegovaná GaAs vrstva 8, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °C p-typová GaAs epitaxní vrstva 9 s koncentrací děr 1017 cm3, tloušťka 200 nm, teplota přípravy 650 °CGaAsi. x Sb x layer 7 with quantum dots 10, composition x = 0.20 and thickness 6 nm, preparation temperature 510 ° C, growth time 50 s, interrupt growth for 10 s to create quantum dots 10 unalloyed GaAs layer 8, thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C p-type GaAs epitaxial layer 9 with hole concentration 10 17 cm 3 , thickness 200 nm, preparation temperature 650 ° C

Vrstvy 3 - 8 se 30x opakují.Layers 3-8 are repeated 30 times.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Vynalezená vícevrstvá polovodičová struktura je vhodná pro zabudování do fotodiod, solárních článků nebo tandemových solárních článků pro absorpci světla ve spektrální oblasti 1100 až 1500 nm.The invented multilayer semiconductor structure is suitable for incorporation into photodiodes, solar cells or tandem solar cells for light absorption in the spectral range 1100 to 1500 nm.

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS

Claims (8)

1. Vícevrstvá polovodičová epitaxní struktura pro fotoelektrická zařízení, která obsahuje kvantové tečky z arsenidu india InAs a slitinového polovodiče arsenidu a antimonidu galia GaAsSb, vyznačující se tím, že vždy dvě GaAsSb kvantové tečky (10) jsou uspořádány ve trojici s jednou InAs kvantovou tečkou (11), přičemž vždy dvě GaAsSb kvantové tečky (10) se nacházejí vedle InAs kvantové tečky (11) v úrovni nad základnou InAs kvantové tečky (11) na protilehlých stranách v polohách určených krystalografickým směrem (-110) při depozici GaAsSb, přičemž uvedené dvě GaAsSb kvantové tečky (10) shora částečně překrývají příslušnou InAs kvantovou tečku (11).Multilayer semiconductor epitaxial structure for photoelectric devices, which comprises quantum dots of indium InAs arsenide and GaAsSb gallium arsenide and antimide alloy semiconductor, characterized in that two GaAsSb quantum dots (10) are arranged in triplicate with one InAs quantum dot ( 11), wherein two GaAsSb quantum dots (10) are located next to the InAs quantum dots (11) at a level above the base of the InAs quantum dots (11) on opposite sides at positions determined by the crystallographic direction (-110) during GaAsSb deposition, the two The GaAsSb quantum dots (10) from above partially overlap the respective InAs quantum dots (11). 2. Vícevrstvá polovodičová struktura podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje v pořadí n-typovou GaAs vrstvu (2), nelegovanou GaAs vrstvu (3),Multilayer semiconductor structure according to claim 1, characterized in that it comprises an n-type GaAs layer (2), an unalloyed GaAs layer (3), InAs smáčecí vrstvu (5) a na ní se nacházející InAs kvantové tečky (11),The InAs wetting layer (5) and the InAs quantum dots (11) thereon, GaAsSb vrstvu (7) s kvantovými tečkami (10), nelegovanou GaAs vrstvu (8), a p-typovou GaAs vrstvu (9).GaAsSb layer (7) with quantum dots (10), unalloyed GaAs layer (8), and p-type GaAs layer (9). 3. Vícevrstvá polovodičová struktura podle nároku 2, vyznačující se tím, že GaAsSb vrstva (7) s kvantovými tečkami (10) je od InAs kvantových teček (11) oddělena tenkou GaAs nebo GaAsSb vrstvou (6) o složení GaAsi.xSbx, kde x=0 až 0,12.Multilayer semiconductor structure according to claim 2, characterized in that the GaAsSb layer (7) with quantum dots (10) is separated from the InAs of quantum dots (11) by a thin GaAs or GaAsSb layer (6) of GaAsi composition. x Sb x , where x = 0 to 0.12. 4. Vícevrstvá polovodičová struktura podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že pod InAs vrstvou (5) se nachází InGaAs vrstva (4) se složením InyGai_yAs, kde y<0,3.Multilayer semiconductor structure according to claim 2 or 3, characterized in that an InGaAs layer (4) of the composition In y Gai y y As is located below the InAs layer (5), where y <0.3. 5. Vícevrstvá polovodičová struktura podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že GaAsSb kvantové tečky (10) mají složení GaAsi-xSbx, kde x=0,2 až 0,9. 6 * * * * * * * Multilayer semiconductor structure according to one of the preceding claims, characterized in that the GaAsSb quantum dots (10) have a composition GaAsi- x Sb x , where x = 0.2 to 0.9. 5 * * * * * * * 6. Vícevrstvá polovodičová struktura podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje v pořadí n-typovou GaAs vrstvu (2), nelegovanou GaAs vrstvu (3),Multilayer semiconductor structure according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises an n-type GaAs layer (2), an unalloyed GaAs layer (3), InyGai_yAs vrstvu (4), kde y<0,3, o tloušťce 0,5 až 3 nm,In y Gai- y As layer (4), where y <0.3, with a thickness of 0.5 to 3 nm, InAs smáčecí vrstvu (5) o tloušťce 1,8 až 2,5 monoatomové vrstvy a na ní se nacházející InAs kvantové tečky (11),An InAs wetting layer (5) having a thickness of 1.8 to 2.5 of the monoatomic layer and the InAs quantum dot (11) located thereon, GaAsi-xSbx vrstvu (6), kde x=0 až 0,12, o tloušťce 1 až 3 nm,GaAsi-xSbx layer (6), where x = 0 to 0.12, with a thickness of 1 to 3 nm, -- 7 CZ 307941 B67 CZ 307941 B6 GaAsi.xSbx vrstvu (7), kde x=0,2 až 0,9, o tloušťce 2 až 10 nm s kvantovými tečkami (10), nelegovanou GaAs vrstvu (8) a p-typovou GaAs vrstvu (9).GaAsi. x Sb x layer (7), where x = 0.2 to 0.9, with a thickness of 2 to 10 nm with quantum dots (10), an unalloyed GaAs layer (8) and a p-type GaAs layer (9). 5 7. Vícevrstvá polovodičová struktura podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje dvakrát až třicetkrát se opakující sled vrstev nelegovaná GaAs vrstva (3),Multilayer semiconductor structure according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a layer of unalloyed GaAs (3) of two to thirty times repeated an unalloyed GaAs layer (3). InyGai-yAs vrstva (4),In y Gaiy y As layer (4), InAs smáčecí vrstva (5) a na ní se nacházející InAs kvantové tečky (11), ío GaAsi-xSbx vrstva (6),The InAs wetting layer (5) and the InAs quantum dot (11) located thereon, the GaAsi-xSbx layer (6), GaAsi-xSbx vrstva (7) s kvantovými tečkami (10), nelegovaná GaAs vrstva (8).GaAsi-xSbx layer (7) with quantum dots (10), unalloyed GaAs layer (8). 8. Použití vícevrstvé polovodičové struktury podle kteréhokoliv z předchozích nároků pro 15 výrobu solárních článků nebo tandemových solárních článků.Use of a multilayer semiconductor structure according to any one of the preceding claims for the production of solar cells or tandem solar cells.
CZ2018-290A 2018-06-14 2018-06-14 Multilayer semiconductor structure for photoelectric devices CZ307941B6 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-290A CZ307941B6 (en) 2018-06-14 2018-06-14 Multilayer semiconductor structure for photoelectric devices

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-290A CZ307941B6 (en) 2018-06-14 2018-06-14 Multilayer semiconductor structure for photoelectric devices

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2018290A3 CZ2018290A3 (en) 2019-09-04
CZ307941B6 true CZ307941B6 (en) 2019-09-04

Family

ID=67769782

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2018-290A CZ307941B6 (en) 2018-06-14 2018-06-14 Multilayer semiconductor structure for photoelectric devices

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ307941B6 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ303855B6 (en) * 2011-09-14 2013-05-29 Fyzikální ústav AV CR, v.v.i. GaAsSb layer with graded composition reducing stress in InAs/GaAs quantum dots
US20150214402A1 (en) * 2014-01-28 2015-07-30 Sharp Kabushiki Kaisha Light receiving element and solar cell including light receiving element
US20180013022A1 (en) * 2013-03-28 2018-01-11 University Of Massachusetts Backside Configured Surface Plasmonic Structure for Infrared Photodetector and Imaging Focal Plane Array Enhancement

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ303855B6 (en) * 2011-09-14 2013-05-29 Fyzikální ústav AV CR, v.v.i. GaAsSb layer with graded composition reducing stress in InAs/GaAs quantum dots
US20180013022A1 (en) * 2013-03-28 2018-01-11 University Of Massachusetts Backside Configured Surface Plasmonic Structure for Infrared Photodetector and Imaging Focal Plane Array Enhancement
US20150214402A1 (en) * 2014-01-28 2015-07-30 Sharp Kabushiki Kaisha Light receiving element and solar cell including light receiving element

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Sudersena Rao Tatavarti, Zachary S. Bittner, A. Wibowo, Michael A. Slocum, George Nelson, Hyun Kum, S. Phillip Ahrenkiel, Seth M. Hubbard: Epitaxial Lift-off (ELO) of InGaP/GaAs/InGaAs solar cells with quantum dots in GaAs middle sub-cell, Solar Energy Materials and Solar Cells 185 (2018), pages 153–157, https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.05.016, Available online 18 May 2018, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927024818302289 *

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2018290A3 (en) 2019-09-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101596972B1 (en) Type quantum dot solar cells
US7863516B2 (en) Solar cell with epitaxially grown quantum dot material
Yu et al. InGaAs and GaAs quantum dot solar cells grown by droplet epitaxy
US20050247339A1 (en) Method of operating a solar cell
Carrington et al. Type II GaSb/GaAs quantum dot/ring stacks with extended photoresponse for efficient solar cells
US8890114B2 (en) Light-emitting device
Ramiro et al. InAs/AlGaAs quantum dot intermediate band solar cells with enlarged sub-bandgaps
EP3533086B1 (en) Photovoltaic device
Bradshaw et al. Carrier transport and improved collection in thin-barrier InGaAs/GaAsP strained quantum well solar cells
JP2009026887A (en) Solar cell
Preu et al. Efficient III–V tunneling diodes with ErAs recombination centers
Wen et al. Effect of GaAs step layer thickness in InGaAs/GaAsP stepped quantum-well solar cell
US20160211393A1 (en) Tunnel Diode With Broken-Gap Quantum Well
JP5382696B2 (en) Semiconductor optical device and semiconductor solar cell
CZ307941B6 (en) Multilayer semiconductor structure for photoelectric devices
JP2013229388A (en) Multi-lamination quantum dot structure body and method of manufacturing the same, and solar battery element using the same
Sayad et al. Simulation study of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells
Tayagaki et al. A proposal for wide-bandgap intermediate-band solar cells using type-II InP/InGaP quantum dots
Shoji et al. InGaAs quantum dot solar cells with high energygap matrix layers
Oktyabrsky et al. Nanoengineered quantum dot medium for space optoelectronic devices
Kang et al. Optimal design of superlattice periods and well doping for III-nitride intersubband photodetectors
Bazhenov et al. Impact-ionization-stimulated electroluminescence in isotype n-GaSb/n-AlGaAsSb/n-GaInAsSb heterostructures
RU2558264C1 (en) Semiconductor structure for photo converting and light emitting devices
Kim et al. The influence of direct, delta, and modulation QD Si doping on InAs/GaAs quantum dot solar cells
Bradshaw et al. Determination of carrier recombination lifetime in InGaAs quantum wells from external quantum efficiency measurements

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20220614