DE102014210753A1

DE102014210753A1 - Halbleiterbauelement auf Basis von In(AlGa)As und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102014210753A1
Application number: DE102014210753.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Heckelmann; Andreas W. Bett; Frank Dimroth; David Lackner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: DE102014210753B4; WO2015185309A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente, die aus einem Substrat sowie mindestens zwei einen pn-Übergang bildenden Halbleiterschichten gebildet werden, wobei die p-dotierte Halbleiterschicht aus In(AlGa)As und die n-dotierte Halbleiterschicht aus In(AlGa)P besteht. Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente finden insbesondere als Solarzellen oder Mehrfachsolarzellen, aber auch als Photodetektoren Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente, die aus einem Substrat sowie mindestens zwei einen pn-Übergang bildenden Halbleiterschichten gebildet werden, wobei die p-dotierte Halbleiterschicht aus In(AlGa)As und die n-dotierte Halbleiterschicht aus In(AlGa)P besteht. Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente finden insbesondere als Solarzellen oder Mehrfachsolarzellen, aber auch als Photodetektoren Verwendung.
Das Material Al_xGa_1-xAs bietet eine sehr interessante Bandlücke für Solarzellen. Mit einem Al-Gehalt x bis etwa 0.44 ist Al_xGa_1-xAs ein direkter Halbleiter und besitzt eine Bandlücke E_g von 1.4 eV bis etwa 1.9 eV. In n-dotiertem Al_xGa_1-xAs bilden sich jedoch Defekte welche direkt mit dem n-Dotierstoff verknüpft sind. Ab einem Al-Gehalt von etwa 0.20 bis über die Grenze zum indirekten Material hinaus liegen die Energieniveaus dieser Defekte teilweise innerhalb der Bandlücke. Da sie direkt mit dem n-Dotierstoff zusammenhängen, kann ihre Konzentration die gleiche Größenordnung wie die des n-Dotierstoffs erreichen. In der Literatur werden diese Defekte häufig als DX-Zentren bezeichnet und mit einem Model nach Chadi und Chang (D.J. Chadi und K.J. Chang: "Theory of the Atomic and Electronic Structure of DX Centers in GaAs and AlxGa1-xAs Alloys" in Physical Review Letters, (1988), 61(7): S. 873–876) beschrieben. Wenn die energetische Lage der Defekte so niedrig ist, dass sie signifikant mit Elektronen besetzt werden, führen die besonderen Eigenschaften dieser Defekte in mehrfacher Weise zu einem negativen Einfluss auf die Solarzellen. Eigenschaften und Folgen sind z. B.:

– Einfang freier Majoritäts-Ladungsträger (Elektronen) • Verminderte Leitfähigkeit der n-dotierten Seite der Solarzelle – erhöhter Serienwiderstand – erhöhter Emitter-Schichtwiderstand beim Einsatz als oberste Teilzelle (n auf p-Zelle) • Reduziertes Ferminiveau im n-Material – niedrigere Zellspannung erreichbar
– Erhöhte Rekombination von Ladungsträgern • Spannungsverlust • Verkürzte Minoritätslebensdauer im n-dotierten Material (und damit kürzere Diffusionslänge im n-dotierten Material)

Die Besetzung der Defektniveaus nimmt deutlich zu sobald die Energieniveaus innerhalb der Bandlücke liegen, d. h. ab einem Al-Gehalt von etwa 0.20 bis über die Grenze zum indirekten Halbleiter hinaus. Da die DX-Zentren nach dem derzeit verwendeten Model jedoch auch schon bei einem geringeren Al-Gehalt bzw. im GaAs existieren, so entstehen (zumindest theoretisch) auch hier bereits negative Einflüsse auf die Solarzelle. Beispielsweise erhöht sich dem Modell nach durch die Anwesenheit der Defektniveaus die Zustandsdichte oberhalb der Leitungsbandkante. Dies würde zu einer Reduzierung des Ferminiveaus und damit zu einer niedrigeren Zellspannung führen. Bei sehr niedrigen Al-Gehalten ist dieser Effekt sehr gering, da die Energieniveaus dem Modell nach mehr als hundert meV oberhalb der Leitungsbandkante liegen.
Da die Bildung von DX-Zentren in n-dotiertem Al_xGa_1-xAs als eine intrinsische Eigenschaft gesehen werden kann, lässt sich dies nach dem momentanen Stand des Verständnisses über diese Defekte nicht verhindern. Hierdurch wird die theoretisch erreichbare Effizienz von Al_xGa_1-xAs-Solarzellen nach heutigem Stand immer hinter der einer Solarzelle aus einem vergleichbaren Halbleiter, welcher keine DX-Zentren bildet bzw. besetzt, zurück bleiben. Dies gilt ebenfalls für einen gewissen Kompositionsbereich von n-dotiertem In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs, in welchem die Energieniveaus der DX-Zentren nahe der Leitungsbandkante oder innerhalb der Bandlücke liegen. Bisherige Verbesserungs- und Lösungsansätze für Al_xGa_1-xAs-Solarzellen, welche sich auch unter Berücksichtigung von veränderter Gitterkonstante, bzgl. DX-Zentren kritischem Materialbereich und veränderter Bandlücke, auf In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs-Solarzellen übertragen lassen, sind:

– Einfügen eines Dotierstoff- oder Al-Gradienten in den n-dotierten Bereich des pn-Übergangs. Hierdurch kann der Transport der vom Licht generierten Minoritätsladungsträger zum pn-Übergang verbessert werden. Es kommt zu einer geringeren Rekombination im n-dotierten Material. Im Falle des Al-Gradienten kann auch die Lichtabsorption im n-dotierten Material reduziert werden.
– Verwendung anderer Halbleitermaterialien: • Ga_yIn_1-yP kann beispielsweise auf GaAs oder Ge gewachsen werden. Dieser Halbleiter besitzt jedoch nur für eine bestimmte Materialkomposition (y etwa 0.50) die gleiche Gitterkonstante wie GaAs oder Ge, so dass nur für eine bestimmte Bandlücke (etwa 1.9 eV) eine Solarzelle mit der Gitterkonstante von GaAs bzw. Ge hergestellt werden kann [1]. Mittels metamorphen Pufferwachstums können auch Solarzellen bei anderen Gitterkonstanten und anderen Bandlücken gewachsen werden. Dies ist jedoch deutlich aufwändiger als den Al-Gehalt im Al_xGa_1-xAs zu variieren, da sich hierbei die Gitterkonstante kaum verändert. Darüber hinaus besteht Ga_0.50In_0.50P zu einem signifikanten Anteil aus Indium. Da Indium ein seltenes Element der Erdkruste ist, führt dies im Vergleich zu einer Solarzelle aus Al_xGa_1-xAs zu höheren Material- und damit Produktionskosten. • Es können auch quaternäre Verbindungen wie GaInAsP als Zellmaterial verwendet werden. Gitterkonstante und Bandlücke dieses quaternären Materials sind jedoch deutlich aufwändiger einzustellen und zu kontrollieren als im Al_xGa_1-xAs
– Verwendung teiltransparenter Solarzellen mit niedrigerer Bandlücke. Dies bietet sich für Mehrfachsolarzellen-Konzepte an, in denen die ideale Bandlücke mindestens einer Zelle im direkten, aber bzgl. des Al-Gehalts kritischen Bereich von Al_xGa_1-xAs liegt. Durch die Teiltransparenz bei niedriger Bandlücke (z. B. GaAs oder Al_xGa_1-xAs mit einem unkritischen Al-Gehalt bis 0.15) kann auf diese Weise trotzdem eine Stromanpassung der einzelnen Teilzellen erreicht werden. Dies führt jedoch im Vergleich zu einer Al_xGa_1-xAs-Solarzelle mit der idealen Bandlücke zu einer niedrigeren Spannung.

Die US 5,316,593 und US 5,342,453 beschreiben Heterosolarzellen mit n-dotiertem (AlGaIn) P bzw. aus n-dotiertem GaInP als Emitter und p-dotiertem GaAs als Basis. Die hier beschriebenen pn-Übergänge der Solarzellen sind jedoch frei vom AlGa (In) As.
Aus R.E. Welser, et al.: „High-voltage quantum well waveguide solar cells" auf der „Next Generation (Nano) Photonic and Cell Technologies for Solar Energy Conversion II" (2011) ist eine Solarzelle mit einer p-Al_xGa_1-xAs Basis und einem n-dotiertem Bereich aus n-dotiertem Al_xGa_1-xAs und Ga_yIn_1-yP beschrieben. Der Aluminiumgehalt der p-dotierten Basis liegt hier bei etwa 0,085, einem Bereich, indem die DX-Zentren noch keinen Signifikaten Einfluss auf die Materialeigenschaften besitzen. Der Fokus bei der hier beschrieben Solarzelle mit Quantenfilmen lag in der Absorptionserhöhung von Licht unterhalb der GaAs-Bandkante.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelement bereitzustellen, bei dem die mit den DX-Zentren verbundenen Probleme in In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs durch gezielte Auswahl der Materialien der Halbleiterschichten beseitigt werden.
Diese Aufgabe wird durch das Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 15 wird eine erfindungsgemäße Verwendung angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauelement mit mindestens einem Substrat sowie mindestens zwei einen pn-Übergang bildende Halbleiterschichten bereitgestellt. Die p-dotierte Halbleiterschicht ist dabei aus In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs mit 0,00 ≤ x ≤ 0,49 und (0,15 + 0,4 x + 2,7 x²) ≤ y ≤ (0,44 + 0,8 x + 2,2 x²) für 0,00 ≤ x <0.35 bzw. (0,15 + 0,4 x + 2,7 x²) ≤ y ≤ 1 für 0.35 ≤ x ≤ 0,49 gebildet. Die n-dotierte Halbleiterschicht ist aus In_z(Al_wGa_1-w)_1-zP mit 0.48 ≤ z ≤ 0.97 und 0 ≤ w ≤ 1, wobei die Gitterfehlanpassung der n-dotierten Halbleiterschicht zur p-dotierten Halbleiterschicht maximal 1.5 % beträgt.
Hinsichtlich der Materialien der Halbleiterschichten ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung wichtig, dass die Halbleiterschichten im Wesentlichen aus den genannten Materialien bestehen. Gleichzeitig können aber geringe Mengen anderer Elemente enthalten sein, ohne dass die Funktion des Halbleiterbauelementes negativ beeinflusst wird. Ebenso können geringe Mengen von für die Materialien der Halbleiterschichten üblichen Verunreinigungen enthalten sein.
Durch den Einsatz von In_z(Al_wGa_1-w)_1-zP als n-dotiertem Material lässt sich in dem Kompositionsbereich von In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs, in welchem die DX-Zentren das n-dotierte Material signifikant beeinflussen, der Wirkungsgrad des Halbleiterbauelementes steigern. Dabei bleibt die Absorptionskante des Halbleiterbauelementes über die Wahl des Aluminiumgehaltes in einem vom In-Gehalt abhängigen Bereich einstellbar. Die Stärke der Verbesserung hängt dabei nicht nur von der Materialkomposition des In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs, sondern auch vom gewählten n-Dotierstoff der n-dotierten In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs Schicht ab, welche durch das In_z(Al_wGa_1-w)_1-zP ersetzt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die p-dotierte Halbleiterschicht aus In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs mit 0 ≤ x ≤ 0.32 und (0.15 + 0.4·x + 2.7·x²) ≤ y ≤ (0.44 + 0.8·x + 2.2·x²) und die n-dotierte Halbleiterschicht aus In_z(Al_wGa_1-w)_1-zP mit 0.48 ≤ z ≤ 0.82 und 0 ≤ w ≤ 0.8, insbesondere 0.01 ≤ w ≤ 0.1 gebildet ist.
Die sich am pn-Übergang bildende Raumladungszone lässt sich auch durch eine nicht absichtlich oder niedrig dotierte i-Schicht vergrößern oder in die p-dotierte Halbleiterschicht oder in die n-dotierte Halbleiterschicht ausdehnen. Die nicht absichtlich dotierte i-Schicht ist dabei vorzugsweise aus In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs mit 0,00 ≤ x ≤ 0,49 und (0,15 + 0,4 x + 2,7 x²) ≤ y ≤ (0,44 + 0,8 x + 2,2 x²) für 0,00 ≤ x <0.35 bzw. (0,15 + 0,4 x + 2,7 x²) ≤ y ≤ 1 für 0.35 ≤ x ≤ 0,49 und/oder In_z(Al_wGa_1-w)_1-zP mit 0.48 ≤ z ≤ 0.97 und 0 ≤ w ≤ 1 gebildet. Auch hier ist es möglich, dass geringe Mengen weiterer Elemente enthalten sind, um die Eigenschaften des i-Bereichs gezielt zu beeinflussen oder als Verunreinigung vorliegen.
Die n-dotierte Halbleiterschicht kann zusätzlich Antimon enthalten. Dabei beträgt der Anteil an Antimon vorzugsweise 0 bis 5 %, bevorzugt 0,2 bis 2,5 % und besonders bevorzugt 0,4 bis 1,2 %.
Das Substrat des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes besteht vorzugsweise aus GaAs oder aus Ge. Ebenso ist es möglich einen Substratträger, insbesondere aus Silizium, zu verwenden, der zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung aus GaAs oder Ge gebildet ist. Das Substrat besteht im Wesentlichen aus den genannten Materialien. Gleichzeitig können aber geringe Mengen anderer Elemente enthalten sein, ohne dass die Funktion des Halbleiterbauelementes negativ beeinflusst wird. Ebenso können geringe Mengen von für die Substratmaterialien üblichen Verunreinigungen enthalten sein.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die p-dotierte Halbleiterschicht In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs mit 0,00 ≤ x ≤ 0,49 und (0,15 + 0,4 x + 2,7 x²) ≤ y ≤ (0,44 + 0,8 x + 2,2 x²) für 0,00 ≤ x <0.35 bzw. (0,15 + 0,4 x + 2,7 x²) ≤ y ≤ 1 für 0.35 ≤ x ≤ 0,49 enthält und zwischen p-dotierter Halbleiterschicht und Substrat mindestens eine metamorphe Pufferschicht, insbesondere aus GaInP und/oder In(AlGa)As abgeschieden ist.
Ebenso ist es bevorzugt, dass die n-dotierte Halbleiterschicht gitterangepasst oder leicht verspannt, d.h. mit einer Gitterfehlanpassung von maximal 1.5 %, zur p-dotierten Halbleiterschicht ist.
Die p-dotierten Halbleiterschichten weisen vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 30 nm bis 5 µm, insbesondere von 500 nm bis 3 µm auf. Die n-dotierten Halbleiterschichten weisen vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 30 nm bis 2,5 µm, insbesondere von 90 nm bis 500 nm auf. Der nicht-dotierte i-Bereich weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 0 nm bis 1 µm, insbesondere von 0 nm bis 300 nm auf.
Für die Dotierung der p-dotierten Halbleiterschicht werden als Dotierstoffe vorzugsweise Kohlenstoff, Zink oder Mischungen hiervon eingesetzt. Die Dotierstoffkonzentration liegt dabei bevorzugt im Bereich von 1·10¹⁶ cm^–3 bis 5·10¹⁸ cm^–3, besonders bevorzugt von 5·10¹⁶ cm^–3 bis 5·10¹⁷ cm^–3.
Als Dotierstoff für die n-dotierte Halbleiterschicht wird vorzugsweise Silicium, Tellur, Selen oder Mischungen hiervon eingesetzt. Hier liegt die Dotierstoffkonzentration bevorzugt im Bereich von 1·10¹⁶ cm^–3 bis 5·10¹⁸ cm^–3, besonders bevorzugt von 5·10¹⁷ cm^–3 bis 3·10¹⁸ cm^–3.
Für die Anordnung des pn-Übergangs kann sowohl ein n auf p-Übergang als auch ein p auf n Übergang eingesetzt werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement mindestens eine Barrierenschicht aufweist. Die Barrierenschichten sind dabei vorzugsweise ausgewählt aus In(AlGa)As und/oder In(AlGa)P und besitzen eine Schichtdicke im Bereich von 15 nm bis 150 nm.
Das Halbleiterbauelement kann dabei sowohl aufrecht als auch invertiert gewachsen sein. Der pn-Übergang des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes ist zur Lichtabsorption einsetzbar. Vorzugsweise weist der pn-Übergang eine interne Quantenausbeute von mindestens 80% bei mindestens einer Wellenlänge im Bereich von 300 nm bis 840 nm auf. Die Quantenausbeute ist ein Maß für die Fähigkeit einer Solarzelle, Photonen in Elektronen umzuwandeln. Die Messmethodik für die Bestimmung der internen Quantenausbeute ist in B. Fischer, „Loss Analysis of crystalline Silicon solar cells using photoconductance and quantum efficiency measurements", Dissertation, Universität Konstanz, 2003, S. 39–46 beschrieben.
Das Halbleiterbauelement liegt vorzugsweise als Solarzelle oder als Mehrfachsolarzelle vor. Ebenso ist es auch möglich, dass das Halbleiterbauelement ein Photodetektor oder ein Empfänger zur Laserleistungsübertragung ist.
Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente werden insbesondere für die Stromerzeugung im Weltraum oder im terrestrischen Bereich eingesetzt.
Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Einfachsolarzelle
2 zeigt eine erfindungsgemäße Tandemsolarzelle
3 zeigt eine erfindungsgemäße Dreifachsolarzelle
4 zeigt eine erfindungsgemäß metamorphe Dreifachsolarzelle
5 zeigt eine erfindungsgemäße Fünffachsolarzelle
Die 1 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Einfachsolarzelle. Diese weißt einen Rückseitenkontakt auf und besteht aus einem p-GaAs Substrat, einer p-GaAs Pufferschicht, einer AlGaAs/GaInP-Solarzelle, einer teilweise entfernten GaAs Deckschicht mit darauf aufgebrachtem Vorderseitenkontakt sowie einer Antireflexschicht in den Bereichen, in welchen die GaAs Deckschicht entfernt ist. Die AlGaAs/GaInP-Solarzelle besteht aus einem hoch p-dotierten (p⁺-dotierten) Rückseitenfeld aus AlGaAs, einer p-dotierten Basis aus AlGaAs, einem dazu gitterangepassten n-(Al)GaInP Emitter sowie einer hoch n-dotierten (n⁺-dotierten) Fensterschicht aus AlInP.
Die 2 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel für eine Tandemsolarzelle. Diese weist einen Rückseitenkontakt auf und besteht aus einem p-GaAs Substrat, einer p-GaAs Pufferschicht, einer GaAs-Unterzelle, einer Tunneldiode, einer AlGaAs/GaInP-Oberzelle, einer teilweise entfernte GaAs Deckschicht mit darauf aufgebrachtem Vorderseitenkontakt sowie einer Antireflexschicht in den Bereichen, in welchen die GaAs Deckschicht entfernt ist. Die GaAs-Unterzelle besteht aus einer p-AlGaAs Barriere, einer p-GaAs Basis, einem n-GaAs Emitter sowie einer n⁺-AlGaInP Barrierenschicht. Die sich anschließende Tunneldiode besteht aus einer sehr hoch n-dotierten (n⁺⁺-dotierten) GaAs Schicht und einer sehr hoch p-dotierten (p⁺⁺-dotierten) AlGaAs Schicht an. Die darauf folgende AlGaAs/GaInP-Oberzelle besteht aus einer p⁺-AlGaInP-Barrierenschicht, einem p⁺-AlGaAs Rückseitenfeld, einer p-dotierten Basis aus AlGaAs, einem dazu gitterangepassten n-(Al)GaInP Emitter sowie einer Fensterschicht aus n⁺-AlInP.
Die 3 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel für eine Dreifachsolarzelle. Diese weist einen Rückseitenkontakt auf und besteht aus einer Ge-Unterzelle, einer n-dotierten Anwachsschicht, einer n⁺-AlGaInP Barrierenschicht, einer ersten Tunneldiode, einer GaInAs-Mittelzelle, einer zweiten Tunneldiode, einer AlGaAs/GaInP-Oberzelle, einer teilweise entfernte GaInAs Deckschicht mit darauf aufgebrachtem Vorderseitenkontakt sowie einer Antireflexschicht in den Bereichen, in welchen die GaInAs Deckschicht entfernt ist. Die Ge-Unterzelle besteht aus einem p-Ge Substrat und einem darin eindiffundierten n-Ge Emitter. Die beiden Tunneldioden bestehen jeweils aus einer n⁺⁺-GaInAs Schicht und einer p⁺⁺-AlGaAs Schicht. Die GaInAs-Mittelzelle besteht aus einer p⁺-AlGaInP-Barrierenschicht, einer p-AlGaInAs Barriere, einer p-GaInAs Basis, einem n-GaInAs Emitter sowie einer n⁺-AlGaInP Barrierenschicht. Die AlGaAs/GaInP-Oberzelle besteht aus einer p⁺-AlGaInP-Barrierenschicht, einem p⁺-AlGaInAs Rückseitenfeld, einer p-dotierten Basis aus AlGaInAs, einem dazu gitterangepassten n-(Al)GaInP Emitter sowie einer Fensterschicht aus n⁺-AlInP.
Die 4 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel für eine metamorphe Dreifachsolarzelle. Diese weist einen Rückseitenkontakt auf und besteht aus einer Ge-Unterzelle, einem Puffer, einer ersten Tunneldiode, einer GaInAs-Mittelzelle, einer zweiten Tunneldiode, einer AlGaInAs/GaInP-Oberzelle, einer teilweise entfernte GaInAs Deckschicht mit darauf aufgebrachtem Vorderseitenkontakt sowie einer Antireflexschicht in den Bereichen, in welchen die GaAs Deckschicht entfernt ist. Die Ge-Unterzelle besteht aus einem p-Ge Substrat und einem darin eindiffundierten n-Ge Emitter. Der Puffer besteht aus einer n-dotierten Anwachsschicht, mehreren metamorphen n-GaInAs Pufferschichten sowie einer n⁺-AlGaInP Barrierenschicht. Die beiden Tunneldioden bestehen jeweils aus einer n⁺⁺-GaInAs Schicht und einer p⁺⁺-AlGaAs Schicht. Die GaInAs-Mittelzelle besteht aus einer p⁺-AlGaInP-Barrierenschicht, einer p-AlGaInAs Barriere, einer p-GaInAs Basis, einem n-GaInAs Emitter sowie einer n⁺-AlGaInP Barrierenschicht. Die AlGaInAs/GaInP-Oberzelle besteht aus einer p⁺-AlGaInP-Barrierenschicht, einem p⁺-AlGaInAs Rückseitenfeld, einer p-dotierten Basis aus AlGaInAs, einem dazu gitterangepassten n-(Al)GaInP Emitter sowie einer Fensterschicht aus n⁺-AlInP.
Die 5 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel für eine Fünffachsolarzelle. Diese weist einen Rückseitenkontakt auf und besteht aus einer Ge-Unterzelle, einer n-dotierten Anwachsschicht, einer n⁺-AlGaInP Barrierenschicht, einer ersten Tunneldiode, einer GaInNAs-Teilzelle, einer zweiten Tunneldiode, einer GaInAs-Teilzelle, einer dritten Tunneldiode, einer AlGaAs/GaInP-Teilzelle, einer vierten Tunneldiode, einer AlGaInP-Oberzelle sowie einer teilweise entfernte GaInAs Deckschicht mit darauf aufgebrachtem Vorderseitenkontakt sowie einer Antireflexschicht in den Bereichen, in welchen die GaInAs Deckschicht entfernt ist. Die Ge-Unterzelle besteht aus einem p-Ge Substrat und einem darin eindiffundierten n-Ge Emitter. Die vier Tunneldioden bestehen jeweils aus einer n⁺⁺-GaInAs Schicht und einer p⁺⁺-AlGaAs Schicht. Die GaInNAs-Teilzelle besteht aus einer p⁺-AlGaInP Barrierenschicht, einer p-GaInAs Barriere, einer p-GaInNAs Basis, einem n-GaInNAs Emitter sowie einer n⁺-AlGaInP Barrierenschicht. Die GaInAs-Teilzelle besteht aus einer p-AlGaInP Barrierenschicht, einer p-GaInAs Basis, einem n-GaInAs Emitter sowie einer n⁺-AlGaInP Barrierenschicht. Die AlGaInAs/GaInP-Teilzelle besteht aus einer p⁺-AlGaInP-Barrierenschicht, einem p⁺-AlGaInAs Rückseitenfeld, einer p-dotierten Basis aus AlGaInAs, einem dazu gitterangepassten n-GaInP Emitter sowie einer Barrierenschicht aus n⁺-AlGaInP. Die AlGaInP-Oberzelle besteht aus einer p⁺-AlGaInP-Barriere, einer p-AlGaInP Basis, einem n-AlGaInP Emitter sowie einer Fensterschicht aus n⁺-AlInP.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5316593 [0005]
US 5342453 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D.J. Chadi und K.J. Chang: "Theory of the Atomic and Electronic Structure of DX Centers in GaAs and AlxGa1-xAs Alloys" in Physical Review Letters, (1988), 61(7): S. 873–876 [0002]
R.E. Welser, et al.: „High-voltage quantum well waveguide solar cells“ auf der „Next Generation (Nano) Photonic and Cell Technologies for Solar Energy Conversion II” (2011) [0006]
B. Fischer, „Loss Analysis of crystalline Silicon solar cells using photoconductance and quantum efficiency measurements“, Dissertation, Universität Konstanz, 2003, S. 39–46 [0023]

Claims

Halbleiterbauelement mit mindestens einem Substrat sowie mindestens zwei einen pn-Übergang bildenden Halbleiterschichten, wobei die p-dotierte Halbleiterschicht aus In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs mit 0 ≤ x ≤ 0.49 und (0.15 + 0.4·x + 2.7·x²) ≤ y ≤ (0.44 + 0.8·x + 2.2·x²) für 0 ≤ x < 0.35 sowie (0.15 + 0.4·x + 2.7·x²) ≤ y ≤ 1 für 0.35 ≤ x ≤ 0.49 und die n-dotierte Halbleiterschicht aus In_z(Al_wGa_1-w)_1-zP mit 0.48 ≤ z ≤ 0.97 und 0 ≤ w ≤ 1 gebildet ist, wobei die Gitterfehlanpassung der n-dotierten Halbleiterschicht zur p-dotierten Halbleiterschicht maximal 1.5 % beträgt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die p-dotierte Halbleiterschicht aus In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs mit 0 ≤ x ≤ 0.32 und (0.15 + 0.4·x + 2.7·x²) ≤ y ≤ (0.44 + 0.8·x + 2.2·x²) und die n-dotierte Halbleiterschicht aus In_z(Al_wGa_1-w)_1-zP mit 0.48 ≤ z ≤ 0.82 und 0 ≤ w ≤ 0.8, insbesondere 0.01 ≤ w ≤ 0.1 gebildet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die n-dotierte Halbleiterschicht bis zu 5 %, bevorzugt 0.2 bis 2.5 % und besonders bevorzugt 0.4 bis 1.2 % Antimon enthält.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus GaAs, Ge oder einem Substratträger, insbesondere aus Si, mit einer zumindest bereichsweisen Beschichtung aus GaAs oder Ge besteht.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die p-dotierte Halbleiterschicht In_x(Al_yGa_1-y)_1-xAs mit 0 ≤ x ≤ 0.49 und (0.15 + 0.4·x + 2.7·x²) ≤ y ≤ (0.44 + 0.8·x + 2.2·x²) für 0 ≤ x < 0.35 sowie (0.15 + 0.4·x + 2.7·x²) ≤ y ≤ 1 für 0.35 ≤ x ≤ 0.49 enthält und zwischen p-dotierter Halbleiterschicht und Substrat mindestens eine metamorphe Pufferschicht, insbesondere aus GaInP und/oder In(AlGa)As, abgeschieden ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Halbleiterschichten folgende Schichtdicken aufweisen: • n-dotierte Halbleiterschicht im Bereich von 30 nm bis 2,5 µm, insbesondere von 90 nm bis 500 nm, • p-dotierte Halbleiterschicht im Bereich von 30 nm bis 5 µm, insbesondere von 500 nm bis 3 µm,
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichten folgende Dotierstoffe aufweisen: • n-dotierte Halbleiterschicht Silicium, Tellur, Selen und Mischungen hiervon, bevorzugt in einer Konzentration von 1·10¹⁶ cm^–3 bis 5·10¹⁸ cm^–3, besonders bevorzugt von 5·10¹⁷ cm^–3 bis 3·10¹⁸ cm^–3, • p-dotierte Halbleiterschicht Kohlenstoff, Zink und Mischungen hiervon, bevorzugt in einer Konzentration von 1·10¹⁶ cm^–3 bis 1·10¹⁹ cm^–3, besonders bevorzugt von 5·10¹⁶ cm^–3 bis 5·10¹⁷ cm^–3.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Übergang ein n auf p Übergang oder ein p auf n Übergang ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement mindestens eine Barriereschicht, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AlGaInAs und/oder AlGaInP, aufweist.
Halbleiterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Barrierenschicht eine Schichtdicke im Bereich von 15 nm bis 150 nm aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement aufrecht oder invertiert gewachsen ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Übergang eine interne Quanteneffizienz von mindestens 80% bei mindestens einer Wellenlänge im Bereich von 300 nm bis 840 nm aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine Solarzelle oder Mehrfachsolarzelle ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement ein Photodetektor oder ein Empfänger zur Laserleistungsübertragung ist.
Verwendung des Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für die Stromerzeugung im Weltraum oder im terrestrischen Bereich.