DE3416954A1

DE3416954A1 - Ternaere iii-v-multicolor-solarzellen mit einer quaternaeren fensterschicht und einer quaternaeren uebergangsschicht

Info

Publication number: DE3416954A1
Application number: DE3416954A
Authority: DE
Inventors: Lewis M. Albany Calif. Fraas
Original assignee: Chevron Research and Technology Co; Chevron Research Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1983-05-27
Filing date: 1984-05-08
Publication date: 1984-11-29
Also published as: GB8413399D0; GB2140620B; FR2546665B1; GB2140620A; JPS59228773A; FR2546665A1; US4575577A; CA1215457A

Description

■-341695A

Die Erfindung betrifft photovoltaische Zellen oder Elemente. Insbesondere betrifft die Verbindung ternäre III-V Multicolor-Solarzellen oder Sonnenzellen.

Photovoltaische Zellen wie beispielsweise Silicium oder *° III-V Compound-Solarzellen sind geeignet, Sonnenstrahlung in verwendbare elektrische Energie umzusetzen. Diese elektrische Energieumwandlung tritt als Ergebnis dessen auf, was auf dem Gebiet der Solarzellen als photovoltaischer Effekt gut bekannt ist. Auf eine Solarzelle auftreffende Sonnenstrahlung wird von der Halbleiterschicht absorbiert, welche Elektronen und Löcher oder Defekte erzeugt. Die Elektronen und Löcher werden von einem eingebauten elektrischen Feld, beispielsweise einem gleichrichtenden Übergang wie einem PN-Übergang in der Solarzelle getrennt. Die Elektronen fließen zu dem N-Typ-Bereich und die Löcher fließen zu dem P-Typ-Bereich. Die Trennung der Elektronen und Löcher über den gleichrichtenden Übergang resultieren in der Erzeugung eines elektrischen Stroms, der als Photostrom bekannt ist, und einer

elektrischen Spannung, die als Photospannung bekannt ist.

Forscher auf dem Gebiet der Photoelemente haben verschiedene Wege zur Erzeugung von Elektrizität aus Sonnenlicht auf wirtschaftlicher Basis eingeschlagen, welche mit herkömmlichen Mitteln der Stromerzeugung konkurrieren

^ EPO COPY

,, können. Die Forschung hat sich hauptsächlich auf zwei Alternativen der wirtschaftlichen Herstellung·von Elektrizität aus Solarzellen konzentriert. In der ersten Alternative versuchten die Forscher, billige nichtkristalline Solarzellen wie amorphe Siliciumzellen herzustellen, um danach die Zellen-.als großflächige ebene Plattenanordnung einzusetzen. In der zweiten Alternative verwenden die Forscher Kunststoff linsen als großflächigen Kollektor in Verbindung mit kleineren Solarzellen, die aber eine höhere Leistung aufweisen. Die Linse (oder Reihe von Linsen) konzentriert das Sonnenlicht auf die geringe Fläche einer einzigen kristallinen Solarzelle (oder einer Reihe von Solarzellen).

Die Erfindung ist gerichtet auf verbesserte, hochleistungsfähige einzelne Kristall-Solarzellen der zweiten Alternative, obgleich die Zelle, falls die Materialkosten verringert würden, auch in der ersten Alternative verwendet werden könnten. Bis heute wurden die Solarzellen mit der größten Umwandlungsleistung aus III-V-Verbundhalbleitermaterial GaAs hergestellt.

Multicolor-Solarzellen, d.h. Zellen, welche Licht in zwei oder mehr Wellenlängen in zwei oder mehr Materialien absorbieren,versprechen noch eine höhere Umwandlungsleistung. Multicolor-Solarzellen wurden in verschiedenen US-Patenten, beispielsweise in den US-PSen 4 017 332, 4 179 702 und 4 128 733 beschrieben; ebenso in verschiedenen technischen Publikationen wie beispielsweise

der Fifteenth IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 1981, Seiten 1289-1293.

Multicolor-Solarzellen werden gebildet aus verschiedenen Halbleitern, von denen jeder eine licht-(junction)

empfindliche Ubergangszone/aufweist, und jedes Halbleitermaterial ist empfindlich gegenüber einem unterschiedlichen

EPO COPY g

-ιοί Bereich des Sonnenspektrums. Die einfachste, billigste Multicolor-Zelle wird hergestellt durch Ausbilden oder Anwachsen dieser verschiedenen Schichten nacheinander als Stapel von einzelnen Kristallfilmen auf einer einzigen Kristallwafer oder Kristallscheibchen.

Es wurden Vorrichtungen hergestellt mit Al₁ Ga As Sb., -,

1 —χ χ y E —y

Al_1- Ga In As-oder Ga_1- In As P₁ Materialsystemen _r die eine vertikale~Gltteranpassung verwenden, beispielsweise mit GaAs₁ Sb , Ga₁ In As und.Al₁ Ga As₁ Sb „

I "*X X Ι *"™X X j ^— X Λ I ~~y y

bzw. Ga₁ „In P.

I —X X

Die Anwachs- oder Ausbildungssysteme, die verwendet werden, um diese Vorrichtungen herzustellen, haben ein schnelles Schichtwachstum verwendet über Flüssigphasertepitaxiesysteme (LPE) oder metallorganische chemische Dampfablagerungssysteme (CVD), die bei einer Atmosphäre Gesamtdruck arbeiten.

^O Die Al enthaltenden Zusammensetzungen zeigen, wenn sie in aktive Schichten der Zelle eingebaut sind, Stabili— tätsprobleme, wenn sie Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Al weist eine Affinität zu Sauerstoff-und Kohlenstoffverbindungen auf. Dadurch werden Sauerstoff- und KohlenstoffVerunreinigungsverbindungen während des Filmanwachsens zum Problem und dadurch werden die endgültigen Zellen, die Al in den aktiven vorkommenden Schichten enthalten, weniger stabil bei einer Verwendung außerhalb

in feuchter Luft.
30

Das Anwachsen der Ga₁ In As₁ P -Zusammensetzung durcii

t *"X χ ι —y y

metallorganisches CVD hat chemische Probleme gebracht, die sich aus dem indium-metallorganischen Transportagens Triethylindium (TEIn) ergeben. Ein Problem liegt darin,

daß TEIn einen sehr geringen Dampfdruck aufweist, so daß es schwierig ist, es auf die Anwachszone zu bringen«

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Ein zweites Problem mit-TEIn liegt darin, daß es frühzeitig bei Zimmertemperatur mit AsH₃ und PH_ reagiert. Die sich ergebende—Verbindung, die durch Eliminierung von Alkan gebildet wird, ist nichtflüchtig. Diese Probleme machen es schwierig, mit dem GalnAsP-System zu arbeiten. .

Die US-PS 4 27-8—474--beschreibt die Verwendung von Si, GaAsP und GaAs/GaAsP-Supergittern. Dieses System krankt jedoch an zwei Problemen. Erstens an einer großen Gitterfehlanpassung und zweitens an einer sehr, großen Fehlanpassung des thermischen Expansionskoeffizienten. Die Gitterfehlanpassung beträgt etwa 4%. Supergitter wurden hergestellt, um dieses erste Problem zu lösen. Das Problem der thermischen Fehlanpassung ist jedoch viel schwieriger zu lösen. Die auf dem Si angewachsene GaAsP-Schicht ist in thermischem Gleichgewicht mit der Anwachstemperatur; bei Abkühlung schrumpft sie jedoch viel mehr als das Siliciumsubstrat. Als Ergebnis erhält man eine gesprungene GaAsP-Schicht, welche die Solarzelle zerstört.

In Voranmeldungen (US-SN 352 680, angemeldet am 26.Februar 1982, und US-SN 424 937. angemeldet am 26. Septem- ^ ber 1982), auf welche ausdrücklich Bezug genommen wird,

wurden ternäre III-V-Compound-Multicolor-Solarzellen mit zwei und drei Anschlüssen
/beschrieben und beansprucht, und ein Verfahren zu deren

Herstellung. Obgleich sie einen großen Vorteil in der

- Technik der Multicolor-Solarzellen darstellen, konnten

diese Zellen weiterhin verbessert werden, wenn die vorkommende Schicht eine Fensterschicht aufweist, welche die Rekombinationsverluste der Oberfläche der Zelle ver- · ringern. Eine weitere Verbesserung weist ebenfalls eine Fenster-und/oder Übergangsschicht zwischen der GaAs₁ Sb -

Ί-y y

Schicht und der GaAs₁ P -Schicht auf, um die Rekombinationsverluste der Zwischenschicht zwischen den aktiven

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gleichförmigen Ubergangsschichten zu verringern und die

Gitterfehlanpassungsdeformation (lattice mismatch strain) --- zu verringern.

Deshalb ist es hocHsT:"wünschenswert, die ternären III-V-Compound-Halbleitermaterialsysteme der Vorver- =■ öffentlichungen zu haben, welche Fensterschichten aufweisen, um die vorkommenden"RekombinationsVerluste und die Verluste zwischen aktiven gleichförmigen ubergangsschichten zu verringerfuTTerner ist es wünschenswert, diese Fensterschichten zu haben, um eine Gitteranpassung der aktiven Schichten auf innerhalb +1% zu erhalten. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, eine Multicolor-Zelle zu haben, welche Ubergangsschichten einschließt, um die Fehlanpassungsdeformation zwischen den aktiven Schichten zu verringern. ~

Diese und andere wünschenswerten Eigenschaften sind in der erfindungsgemäßen Multicolor-Solarzelle und dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren verwirklicht. Die Erfindung verwendet Al, ,Ga,. As-. .P, ,-Halbleiterlegierungen als Fensterschicht GaAs,. ,P, , · Die

I I -XJ IX;

Legierungen weisen Bandlückenenergien auf, welche für Sonnenstrahlung mit Wellenlängen im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 1,5 μΐη durchlässig sind. Dieses breite Bandlückenmaterial bildet eine geeignete Fensterschicht und verringert die Oberflächenrekombinationsverluste der GaAs₁ P -Schicht. Da die Fensterschicht keine aktive Zone ist, erhöht der Abbau des Al durch Oxidation nur die

Bandlücke der Schicht und verbessert ihre Wirksamkeit. 30

Zwei- und Drei-Color-Zellenkönnen hergestellt werden, welche die Fensterschicht aufweisen. Die Zwei-Color-Zelle enthält gleichförmige Ubergangsschichten (homojunction layers) aus GaAs. Sb für die Zellen mit niedriger Bandlücke und GaAs_1-P für die Zelle mit hoher Bandlücke.

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Die Zellen können auf GaAs-oder Ge-Substraten hergestellt werden. Kurzschließende Übergangszonen (shorting junctions)trennen die GaAs₁ P -und GaAs. Sb ^{3 J} 1 -χ χ 1 -y y

Zellen. Geeignete kurzschließende Übergangszonen können mit Schichten aus GaAs oder Ge von etwa 0,0075 μΐη, d.h. 75 Ä,bis etwa 0,1 „.unu-Stärke hergestellt werden. Gegebenenfalls kann die kurzschließende Übergangszone hoch dotiert oder hoch gedopt werden als Al Ga.. . As

Z \ I — Z)

und/oder Al. .Ga,. .As,., ,Sb. , als Passivierungsfenster-übergangsschicht zwischen den GaAs,. .P

\ l **X)

und GaAs,. ,Sb. .-Schichten. Die Zwei-Colorzellen können mit zwei oder mehr Anschlüssen, welche mit den aktiven Schichten verbunden sind, hergestellt werden.

Drei-Colorzellen werden hergestellt mit GaAs. Sb für die Zelle mit der geringen Bandlücke, GaAs für die Zelle mit der mittleren Bandlücke und GaAs. P für die Zelle

1-x χ

mit der hohen Bandlücke. Jede gleichförmige Übergangsschicht wird getrennt durch eine kurzschließende.über- gangszone und gegebenenfalls durch eine Fensterpassivierungsschicht. Dieser Aufbau begrenzt die Gitterfehlanpassung in jeder Stufe zwischen den Schichten auf etwa + 1%. Die lichtempfindlichen Übergangszonen sind innerhalb der Schichten und deshalb entfernt von Fehlanpassungszwischenflachen. Die obere Fensterschicht und die dazwischenliegende Fensterschicht enthalten keine lichtempfindlichen Übergangszonen.

. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die GaAs. _ Sb P -Halbleiterlegierungen,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Zwei-

Color-III-V-Compound photovoltaischen

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. Zelle (Photoelement), in welcher eine

zugehörige Fensterpassivierungsschicht ^a^i_^Al(z)^Ga(1-z)^As(_1-x)^P(x) vorgesehen ist, die eine zugehörige aktive Schicht aus GaAs,. ,P, > berührt,

Fig. 3 eine teilweise Querschnittsansicht einer

Drei-Color III-V-Compound photovoltaischen Zelle mit lichtempfindlichen gleichförmigen Ubergangsschichten aus GaAs., „Sb ,

GaAs und GaAs₁ P und

^Al(z)^Ga(1-z)^As(1-x)^P(x) , Al_(s)Ga₍₁__s)As und Al_(t)Ga₍₁__t)As₍₁__y)Sb_{(y) Fenster}_

, j- passivierungsschichten,

Fig. 4 eine teilweise Querschnittsansicht

einer Drei-Color III-V-Compound photovoltaischen Zelle mit Ubergangsschichten zwischen den aktiven gleichförmigen Uber

gangsschichten ,

Fig. 5 eine teilweise Querschnittsansicht einer

Drei-Color-III-V-Compound photovoltaischen Zelle mit Ubergangsschichten, Fenster

schichten und kurzschließenden Ubergangsschichten, und

Fig. 6 eine teilweise Querschnittsansicht einer

ort ' "

Zwei-Color III-V-Compound photovoltaischen Zelle mit drei Anschlüssen, in welcher -Fensterschichten und lichtempfindliche gleichförmige Ubergangsschichten aus GaAs₁ Sb und GaAs. P vorgesehen sind. T-Y y . 1-x x

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---Pig. 1 zeigt die nachstehend beschriebenen GaAs₁ Sb P-Halbleiterlegierungen. Gezeichnet ist die Gitterkonstante gegenüber der Bandlückenenergie für III-V-Halbleiterlegierungen und Germanium (Gruppe IV). Die GaAs^_x Sb_νΡ_χ- -Legierungen sind durch die dicke feste Linie herausgestellt. Für χ und y 4_ 0,4 überspannen die Bandlückenenergien der Halbleiterlegierungen den Bereich von etwa 0/95 eV bis etwa 1,9 eV. Infolge der Breite der möglichen Bandlückenenergien sind diese Halbleiterlegierungen ideal geeignet zur Herstellung von Zwei- und Drei-Colorkonzentrator-Solarzellen. Die Al enthaltenden Derivate der Legierungen, die in den gleichförmigen Übergangsschichten der Halbleiter verwendet werden, sind ideal, da die Gitterkonstante (x-Achse) konstant bleibt, während -15 die Bandlückenenergie (y-Achse) viel größer ist als die aktive Schicht. Dadurch werden die Al enthaltenden Legierungen transparente Fensterschichten, welche die Oberflächenrekombinationsverluste der aktiven Schichten verringern.

Eine erfindungsgemäße Zwei-Color-Solarzelle ist in Fig.2 gezeigt und mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Die Sonnenstrahlung 100 dient als Bezugspunkt für die Oberseite und die Unterseite jeder Schicht oder jeder Zone.

Die Solarzelle 10 weist ein Substrat 12 aus kristallinem Germanium, Galliumarsenid oder einem anderen geeigneten Material auf. Vorzugsweise ist das Material ein einziges Kristallmaterial. Das Substrat kann entweder N-Typ- oder -P-Typ-Leitfähigkeit aufweisen. Wenn das Substrat N-Typ-Leitfähigkeit aufweist, dann sind die gleichförmigen Übergangsschichten NP-Zonenübergänge. Alternativ dazu und ebenfalls für die Fig. 3 und 4 kann das Substrat P-Typ-Leitfähigkeit aufweisen und die Übergangszonenschichten sind PN-Übergangszonen. Das Substrat 12 kann ρ -Typ-Leitfähigkeit aufweisen und eine Dotierstoff-

1 8 konzentration in der Größenordnung von 1x10 Dotier-

EPO COPY Jp

Stoffatomen pro cm (Da/cc) mit einem geeigneten P-Typ-Leitfähigkeitsmodifizier wie Zink. Cadmium, Magnesium u.dgl. aufweisen.

Eine erste Ubergangszonenschicht 14 aus GaAs₁ Sb wird auf dem Substrat 12 erstellt. Die GaAs. Sb -Schicht

1 -y y

ist mit dem Substrat gitterangepaßt innerhalb etwa _+1%. Es wurde herausgefunden, daß bei der Benutzung der vakuummetall-organisch^cföemischen Dampf ablagerung MO-CVD die Gitterfehlanpassung von bis zu etwa _+1 % toleriert werden kann, ohne die Gesamtleistung der Solarzelle ernsthaft zu berühren, obgleich eine Gitteranpassung, die so nah wie möglich der Gitterkonstanten des Substrats ist, bevorzugt wird.

Der Y-Wert der GaAs, Sb -Schicht 14 ist gemäß dem Sonnenspektrum angepaßt, um die Energieumwandlung so groß wie möglich zu machen und um eine Bandlücke zu schaffen, welche geringer ist als die Bandlücke irgendeiner höheren Bandlückenschicht wie beispielsweise'die

gleichförmige

obere/zonenübergangs-Halbleiterschicht 18. Normalerweise wird die GaAs₁ Sb -Schicht ausgewählt, so daß diese ihre größte Absorption gegenüber dem IR-Bereich des Spektrums aufweist, während die obere Schicht 18 so ausgewählt wird, daß sie ihren Absorptionsgrad im sichtbaren und ultravioletten Bereich des Sonnenspektrums hat. y kann variieren von etwa 0,08 bis etwa 0,4 und vorzugsweise von etwa 0,2 bis etwa 0,3. Beispielsweise weist eine GaAs. Sb -Schicht, in welcher y 0,2 ist, d.h. eine Schicht aus GaAs_{n o}Sb_{n o}, eine Bandlückenener-

U , ο U , λ

gie von etwa 1,1 Elektronenvolt (eV) auf und ist geeignet als die Niedrigband-Ubergangszonenschicht.

Die Schicht 14 weist eine Stärke von etwa 2,5 um bis etwa 3,5 μΐι auf und Bereiche verschiedener Leitfähigkeit 14a, 14b, 14c und 14d, welche eine gleichförmige PN-übergangs-

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^zone darin bilden. Die erste Zone 14a mit einer Leitfähigkeit vom P -Typ v/eist eine Dotierstoffkonzentra-

18
tion von etwa 6x10 Da/cc und eine Stärke von etwa 0,1 bis etwa 0,3 μπι auf. Die zweite Zone 14b der Schicht 14

c weist eine Leitfähigkeit vom P-Typ auf mit einer Dotier-

17
stoffkonzentration von etwa 3x10 Da/cc und eine Stärke von etwa 2 bis 2,5 μπι. Die Zone 14b bildet eine gleichförmige Übergangszone mit der dritten Zone 14c mit Leitfähigkeit vom N-Typ. Die Zone 14c weist eine Dotierstoff-

1 8
2Q konzentration von etwa 1x10 Da/cc von N-Typ-Dotieratomen und eine Stärke von etwa 0,2 bis etwa 0,7 um auf. Geeignete N-Typ-Dotierstoffatome sind Selen, Tellur oder Schwefel u.dgl. Die Zone 14c ist in einem Bereich 14d auf Leitfähigkeit vom N -Typ abgestuft. Die Dotier-

1 9 stoffkonzentration der Zone I4d beträgt etwa 1x10 Da/cc und sie weist eine Stärke von etwa 0,04 bis etwa 0,08 μπι auf. Die Zone 14d berührt eine kurzschließende Übergangszone 16, welche die gleichförmige Übergangszonenschicht 18 mit höherer Bandlücke von der Schicht 14 trennt.

Gegebenenfalls kann die Zelle 10 ferner eine Passivierungsübergangsfensterschicht aus Al. .Ga,, .»As,«__ννSb, . enthalten, worin t variieren kann von etwa 0,1 bis etwa 0,9 und χ wie vorstehend definiert ist, wobei die Fensterschicht zwischen der Schicht 14 und der kurzschließenden Übergangsschicht 16 liegt.

Die kurzschließende Übergangszone 16 kann eine Germaniumschicht sein, die mit N -Typ- oder P -Typ-Leitfähigkeit dotiert ist, wie in der US-PS 4 255 211 beschrieben ist, auf welches hiermit Bezug genommen wird, oder eine Schicht 16 aus einem Material wie beispielsweise GaAs, die eine Zone 16a aus GaAs dotiert mit N -Typ-Leitfähigkeit aufweist und die die Schicht 14 mit einer zweiten Zone 14b berührt, welche mit P -Typ-Leitfähigkeit von GaAs dotiert ist. Die kurzschließende Übergangszonen-

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--"-■' '^ - '··" ^:3Λ1695Α

Schicht erbringt einen ohm¹sehen Kontakt zwischen den Zellen und hält die Zellkristallforra aufrecht. Eine Tunnelübergangszone in der Schicht 16 ermöglicht den Transport von Elektronen zwischen der Halbleiterschicht 14 und der Halbleiterschicht 18 ohne die Bildung einer Gegen-PN-Ubergangszone zwischen der Zone 14d und der Zone 18a, welche die Funktion der Gesamtvorrichtung 10 verringern würde. Die kurzschließende Ubergangszone 16 vom GaAsN /P -Typ~~wei"st eine Stärke im Bereich von etwa 0,04 um auf. Wenn N -Typ-oder P -Typ Germanium als kurzschließende Ubergangszone 16 ausgewählt ist, ist die Schicht nur etwa 0,00 50 bis etwa 0,0075 [im dick.

Eine Schicht 18 aus einem Material mit höherer Bandlücke als die der Schicht 14, wie beispielsweise aus Galliumarsenphosphid (GaAs_M_ >P ) mit Zonen verschiedener

ν ι—χ j χ

Leitfähigkeiten 18a, 18b, 18c und 18d berührt die kurzschließende Übergangszone 16 und bringt eine Gitteranpassung mit dieser innerhalb etwa +1%. Der x-Wert kann von etwa 0,1 bis etwa 0,3 und vorzugsweise etwa 0,2 betragen für eine Bandlückenenergie von etwa 1,65 eV. Galliumarsenidphosphid ist eine bevorzugte obere aktive Schicht, da es nicht von Umweltwetterbedingungen angegriffen wird. Dieses Verhalten ist gegensätzlich zu dem von Galliumaluminiumarsenid, welches einem Abbau infolge feuchter Luft unterworfen ist. Zusätzlich neigen die Verbindungen aus der Gruppe V, die zur Ausbildung der Schichten verwendet werden, dazu, flüchtig zu sein und erbringen keine Probleme durch Einschluß von Defekten der zweiten Phase. Deshalb muß die Strömungsrate der

Verbindungen
inetallorganischen/nicht mxt extremer Genauigkeit während des Herstellungsverfahrens überwacht werden.

Die Zone 18a vo:n P -Typ-Leitfähigkeit ist etwa 0,1 bis 0,3 μΐη und vorzugsweise etwa 0,2 μΐη dick und beinhaltet P-Typ-Leitfähigkeitsmodifizierer wie vorstehend erwähnt

■I Q

in einer Konzentration von etwa 6x10 Da/cc. Die Zone

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695A

18b von P-Typ-Leitfähigkeit ist etwa 2 bis 3 \xm und vorzugsweise etwa 2,2 μπι dick und weist eine P-Typ-Dotier-

17 stoffkonzentration von etwa 3 χ 10 Da/cc auf. Die Zone 18c von N-Typ-Leitfähigkeit bildet die PN-Übergangszone mit der Zone 18b und weist N-Typ-Leitfähigkeitsmodifizierer wie vorstehend erwähnt mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 1 χ 10¹⁸ Da/cc auf. Die Zone 18c ist etwa 0,2 bis 0,7 um und vorzugsweise etwa 0,5 μΐη dick. Die Halbleiter-schicht 18 weist schließlich eine Zone 18d von N⁺-Typ-Leitfähigkeit und einer Stärke von etwa 0,1 μπι mit einer

19 "

Dotierstoffkonzentration von etwa 1x10 Da/cc auf.

Eine transparente Passivierungsfensterschicht 19 aus Al, .Ga.., .As,., .P vermindert die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit der Vorrichtung welche die Schicht berührt. Genauer gesagt, die Fensterschicht verringert die erregte Zustandsträgerrekombination an der zugehörigen Oberfläche der oberen Zelle, ζ kann in dem Bereich von 0,1 <■_ ζ _<0,9 variieren und χ ist wie vorstehend definiert. Vorzugsweise ist ζ gleich 0,5. Die Schicht 19 ist etwa 0,01 μπι bis etwa 0,1 μΐη und vorzugsweise etwa 0,05 μπι dick. Die Pensterschicht vergrößert die Gesamtleistung der Zelle. Ein Beispiel einer geeigneten Passivierungsschicht ist eine Aluminium-Gallium-

²^ Arsenid-Phosphidschicht, in welcher χ den gleichen Wert aufweist wie in der Schicht 18. Wenn z.B. die Schicht

aus GaAs_{n Q}P_n _ ist, dann würde die Schicht 19 sein oder U , ο U , ζ

etwa sein AIq 2^^a0 8^As0 8^0 2* ®^~^e P^assi^vi^erun9^sschichfc 19 ist etwa 0,01 bis etwa 0,1 μπι und vorzugsweise 0,05 um

dick. Ähnlich kann eine Passivierungsfensterschicht aus ^Al(t)^Gad-t)^As(1-y)^Sb(y) gerade oberhalb der GaAs _(t__y) Sb_{(y }}-

Aktivschicht 14 und unterhalb der GaAs kurzschliessenden Übergangsschicht 16 angeordnet werden. Vorrichtungen, die entweder eine Schicht 19 oder Al ,.,Ga,. ..As_n .Sb

it/ti—t)^! ~yj ι

it/ti—t)^! ~yj ιyι

oder beide verwenden, sind möglich.

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Die Multiübergangszonen-Solarzelle 10 wird vervollständigt durch einen Antireflexionsüberzug 20 (gegebenenfalls) und elektrische Kontakte 22 an dem Substrat 12 bzw. 26 an der Schicht 18. Geeignete Antireflexionsüberzüge sind 530 Ä und 760 Ä dick und aus Ta₃O₅ und SiO₂ u.dgl. Geeignete Kontaktmaterialien sind Au:Ge-Legierungen u.dgl. Drähte 23 und 27 leiten den während der Bestrahlung der Solarzelle mit Sonnenstrahlung 100 erzeugten elektrischen Strom ab. Die elektrischen Kontakte 22 und 26 können entweder eine einzige gleichförmige Metallschicht oder eine Gitterelektrode sein. Zusätzlich wird die Zelle normalerweise mit einer Konzentrierungslinse verwendet, wie sie in der US-PS 4 255 211 beschrieben ist. Gegebenenfalls kann die Solarzelle Antireflexionsüberzüge o.dgl. aufweisen. * Fig. 3 zeigt eine Dreicolor-Solarzelle 30. Das Substrat 32 entspricht dem Substrat 12 von Fig. 2. Die Schicht 34 ist die gleiche wie die Schicht 14 in Fig. 1. Die Schicht 38 entspricht der Schicht 18 von Fig. 1; die Bandlücke der Schicht 38 ist jedoch auf etwa 1,8 eV angepaßt, indem χ gleich etwa 0,3 gesetzt worden ist. Die Schichten 36 entsprechen den Schichten 16 von Fig. 1. Die Schicht 39 entspricht der Schicht 19 von Fig. 1.

Die Solarzelle 30 weist ferner eine gleichmäßige Übergangszonen-GaAs-Schicht 48 auf, die von den Schichten 34 und 38 durch kurzschließende Übergangszonenschichten 36 getrennt sind. Die Schicht 48 weist eine Bandlückenenergie von etwa 1,45 eV und eine Dicke von etwa 2,5 bis etwa 3,5 ;im und vorzugsweise von etwa 3 /*m auf. Die Schicht 48 weist Zone. »8a, 48b, 48c und 48d von P -Typ-, P-Typ-, N-Typ-bzw.N -Typ-Leitfähigkeit auf. Die Zonen haben eine den Schichten 3 6 und 38 vergleichbare Stärke. Die Zelle 30 weist ebenfalls Fensterschichten 35 und 49 an den zugehörigen Oberflächen der Schichten 34 bzw. 4 8 auf. Die Schicht 35 ist aus Al_(t)Ga_(1-t)As₍₁__y)Sb_(y)^ _wQ_

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1. bei χ wie vorstehend definiert und t gleich 0,1 ·<. t ^. 0,9 ist. Vorzugsweise ist t gleich 0,5. Die Schicht 4 9 ist aus Al, »^Ga(i_ )^As/ _wgbei_s_jLm Bereich von 0,1 -^ s _c. 0,9 liegt. Vorzugsweise ist s gleich 0,5. Diese Fensterschichten 35, 39 und 4 9 verringern die erregte Zustandsträgerre-

(excited state carrier recombination) kombination/für die aktiven Schichten 34, 38 bzw. 48.

Die Werte von s, t und ζ müssen nicht gleich sein. Die Werte sind angepaßt_,_um_eine minimale Beanspruchung (minimum strain) zwischen den Schichten und der maximalen Bandlückenenergie für die Schicht zu erbringen. Die Stärke der Schichten ist angepaßt, um deren Transparenz zu maximieren.

Fig. 4 zeigt eine Dreicolor-Solarzelle 50, welche ferner Übergangsschichten 70, 72 und 74 aufweis't. Diese Ubergangsschichten weisen Gitterkonstante auf, welche zwischen den aktiven Schichten und den kurzschließenden Schichten liegen. Die Übergangsschichten verringern die Gitterbeanspruchung (lattice strain) zwischen den Schichten.

Die Schichten 52, 54, 56 und 58 sind die gleichen wie die Schichten 32, 34, 36. und 38 von Fig. 3. Die Schicht 68 entspricht der Schicht 48. Die Schicht 59 entspricht den Schichten 19 und 39 in den Fig. 2 bzw. 3. Die Kontakte und Drähte 62, 63, 66 und 67 entsprechen den Kontakten und Drähten 42, 43, 46 und 47 von Fig. 3. Die Schichten 70 und 72 sind aus GaAs_1- Sb , wobei y kleiner ist als y in der Schicht 54. Wenn die Schicht 54 beispielsweise aus GaAs_{n Q}Sb_n . ist, dann sind die Schichten 70 und 72 aus GaAs_{0 g}Sb_Q ^. Die Schichten 70 und 72 sind etwa 0,02 μΐη

dick. Die Schichten 70 und 72 weisen P⁺-Typ bzw. N⁺-Typ-Leitfähigkeit auf. Die Schicht 74 ist aus GaAs_1- P , wobei χ einen kleineren Wert aufweist als in der Schicht 58. Wenn die Schicht 58 beispielsweise aus GaAs_{n p}P_{n 0} ist, dann ist die Schicht 7 4 aus GaAs_{n Q}P_n . Die Schicht

₊u,y υ , ι

74 ist etwa 0,02 μιη dick und weist P -Typ-Leitfähigkeit auf. Die genauen Zusammensetzungen der Schichten 70, 72

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»■V..

-22-

und 74 sind angepaßt, um Defekte zu minimieren, da die Zusammensetzungen von GaAs. Sb über GaAs zu GaAs. P, wechseln.

Fig. 5 zeigt eine Solarzelle 5OA, welche der Solarzelle 50 ähnlich ist, aber in welcher Al enthaltene Fensterschichten 55 und 6 9 vorgesehen sind. Die Schichten 55 und 60 entsprechen den Schichten 35 und 4 9 von Fig. 3. Die Solarzelle 50A weist den geringsten Wert der Beanspruchung zwischen den aktiven Schichten 54, 58 und 68 auf, da die Ubergangsschichten 70, 72 und 74 und die Fensterschichten 55 und 6 9 Gitterkonstante aufweisen, die zwischen denen der aktiven Zonen liegen.

Fig. 6 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht einer Zweicolor-Solarzelle 80 mit drei Anschlüssen. Die Sonnenstrahlung 100 dient als Bezugspunkt für die Oberseite und Unterseite jeder Schicht oder Zone. Die Solarzelle 80 weist ein Substrat 82 aus Germanium oder vorzugsweise Gallium— arsenid auf. Das Substrat kann entweder von N-Typ oder P-Typ-Leitfähigkeit sein. Mit einem P-Typ-Substrat 82 wird eine PNP-Solarzelle hergestellt. Mit einem N-Typ-Substrat 82 wird eine NPN-Solarzelle hergestellt. PNP-Solarzellen und NPN-Solarzellen können in Serie zusammengeschaltet werden, um die Probleme unabhängiger Ladungsanpassung zu überwinden, wie von Sakai et al., J.Appl. Phys., 51(9), S. 5018-5024 (1980) bekannt ist, worauf ausdrücklich Bezug genommen wird. Um dies darzustellen, ist das Substrat 82 GaAs zu N -Typ-Leitfähigkeit do-

QQ tiert und deshalb ist die Solarzelle 80 eine NPN-Solarzelle. Die erste gleichförmige Ubergangszonenschicht 84 aus GaAs. Sb wird auf dem Substrat 82 hergestellt, y weist die gleichen möglichen Werte auf wie die y-Werte in der Zweicolor-Solarzelle 10.

Die Schicht 84 weist Zonen von N -Typ-Leitfähigkeit 84a,

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N-Typ-Leitfähigkeit 84b und P⁺-Typ-Leitfähigkeit 84c auf. Die Zonen sind mit geeigneten N-Typ-und P--Typ-Dotierstoff en und Konzentrationen dotiert, wie vorstehend · erwähnt. Die N -Typ-Zone 84a ist etwa 0,5 bis etwa 1,5 μπι und vorzugsweise etwa 1 μπι dick. Die N-Typ-Zone 84b ist etwa 1,5 bis etwa 3,0 μίτι und „vorzugsweise etwa 2,0 μπι dick. Die P -Typ-Zone 84c ist etwa 0,1 bis etwa 0,3 μΐη und vorzugsweise etwa 0,2 μΐη dick. Die NP-gleichförmige Übergangszone in der Schicht 84 bildet sich zwischen den Zonen 84b und 84c.

Auf der Schicht 84 aus GaAs... . Sb, . ist eine Übergangsschicht 86 hergestellt. Eine Solarzelle mit drei Anschlüssen erfordert keine kurzschließende Übergangszone zwischen den gleichförmigen Übergangszonen/ sondern nur einen einfachen Übergang 86.

Die Schicht 86 weist eine Stärke von etwa 0,05 bis etwa 0,15 μπι, vorzugsweise von etwa 0,1 μπι auf. Die Schicht 86 ist vorzugsweise eine Übergangsschicht mit zwei Zonen 86a und 86b. Die Zone 86a ist aus Al - . Ga ,.._ . As ... . Sb . mit einer Stärke von etwa 0,05 μπι. Die Zone 86a dient als unteres transparentes Schnittflächenrekombinationsfenster für die Schicht 84. Zone 86b ist aus einer Legierung von Al, .Ga,. .As, wobei s im Bereich von 0,1 <. s £.0,9 liegt, s muß nicht gleich sein ζ oder t, obgleich dies bei einigen Anwendungen vorzuziehen ist. Die Zone 86b vervollständigt die Übergangsschicht zwischen den Schichten 84 und 88.

Eine zugehörige Übergangszonenschicht 88 aus GaAs_1-P ist auf der Übergangsschicht 86 hergestellt. Die Schicht 88 weist die gleichen möglichen Werte von χ auf, wie in der in Fig. 2 gezeigten Zweicolor-Zelle. Die Schicht 88 weist Zonen 88a, 88b und 88c von P⁺-Typ-Leitfähigkeit, P-Typ-Leitfähigkeit bzw. N⁺-Typ-Leitfähigkeit auf. Der

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' 1 gleichmäßige Übergang der Schicht 88 bildet sich zwischen den Zonen 88b und 88c aus. Die Zone 88a weist eine Stärke von etwa 2,0 bis etwa 4,0 μΐη und vorzugsweise von etwa 3,0 μΐη auf. Die Zone 88b weist eine Stärke von etwa 1,5 bis etwa 3,0 μπι und vorzugsweise von etwa 2,0 μΐη auf. Die Zone 88c weist eine Stärke von etwa 0,05 bis etwa 0,3 μπι und vorzugsweise von„ etwa 0,1 μπι auf. Eine Fensterschicht 89 aus AlGaAsP ähnlich der Schicht 19 von Fig..2 könnte verwendet werden _und ist förderlich zur Verringe-

1Ü rung der Oberflächenrekombinationsverluste.

Die Solarzelle 80 wird durch elektrische Kontakte 92, 96 und 98 vervollständigt. Die Kontakte 92 und 96 sollten aus Materialien hergestellt sein, welche eine ohm'sche Berührung von N-Typ-Materialien, wie beispielsweise Au:Ge, Ag:Sn oder dgl. erbringen. Der Kontakt 98 "sollte einen ohmschen Kontakt der P-Typ-Zone 88b bringen. Die Tiefe der Elektrode 98 unterhalb der zugehörigen Oberfläche liegt im Bereich von etwa 2,0 bis etwa 4,0 μπι. Ein normales Photolithographie-Verfahren und Ätzlösungen werden verwendet, um die Elektrode 98 in der Zone 88b anzuordnen. Geeignete Materialien sind Au:Zn, Au:Be, Ag:Mn u.dgl. Drähte 93, 97 und 99 leiten den in der Solarzelle 80 bei Bestrahlung mit Sonnenstrahlung 100 erzeugten erlektrischen Strom ab.

Die Elektroden 96 und 98 sind im Abstand voneinander angeordnet, um die Schichtwiderstandsverluste geringer oder gleich zu halten wie den Kontaktwiderstand. Je geringer SO der Kontaktwiderstand, desto weiter voneinander können deshalb die Gitterabstände hergestellt werden. Geeignete Elektrodenabstände für eine Gitterelektrode liegen bei etwa 150 bis etwa 400 μΐη bei einer Elektrodenbreite von

.(grid shading loss) etwa 15 μπι. Ein Gitterschattenverlust/kann durch Verwendung eines mit Nuten versehenen Deckglas vermindert werden, wie es durch P. Borden, Sandia Laboratories Technical Report, SAND-81-1240, S. 209 (Juni 1981) beschrieben

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ist, auf welches ausdrücklich Bezug genommen wird. Gegebenenfalls kann die Solarzelle 80 nicht gezeigte Passi— vierungsschichten oder Antireflexionsüberzüge auf der zugehörigen Oberfläche der Zone 88c aufweisen. 5

Die Herstellung der Multicplor-Solarzellen 10, 30, 50, 50A und 80 aus den GaAs_1- Sb P -Legierungen weist viele zusätzliche Verfahrenvorzüge auf, welche aus den Aufbauten nicht ersichtlich sind. Beispielsweise haben herkömmlich verfügbare metallorganische Verbindungen, welche Antimon enthalten, Dampfdrücke, welche um Größenordnungen höher sind als die der metallorganischen Verbindungen, die Indium enthalten. Genauer gesagt weist Triethylindium (TEIn) einen Dampfdruck von etwa 0,2 Torr auf, wogegen Trimethylantimon (TMSb) einen Dampfdruck "von etwa 110 Torr aufweist. Der höhere Dampfdruck erleichtert die Einleitung von Sb in die Anwachszone. Die metallorganische Verbindung von Al, d.h. Trimethylaluminium (TMAl) weist einen Dampfdruck von etwa 10 Torr auf. Dies ist ausreichend hoch, um die bei TEIn auftretenden Probleme zu vermeiden. Darüber hinaus ist dies, obgleich Al Kohlenstoff und Sauerstoff gettert und deshalb eine Ausbildung von reinen Schichten schwierig ist, kein Problem, da Al in keiner der aktiven Schichten der photovoltaischen Zelle verwendet wird.

Darüber hinaus verringert die erhöhte Flüchtigkeit der Elemente der Spalte 5 (d.h. Sb und P) des Periodensystems gegenüber den Elementen der Spalte 3 (d.h. In), die Möglichkeit von Tröpfchen oder anderen Ablagerungen des Metalls, das auf dem Film gebildet wird, wenn dieser anwächst, und dadurch werden Einschlüsse oder andere Beschädigungen der kristallinen Struktur der Schichten verringert oder ausgeschlossen. Ferner neigen Indiumverbindungen der metallorganischen Verbindungen der Spalte III dazu, Alkaneliminierungsreaktionen mit Arsin bei Zimmertemperatur durchzumachen. D.h. daß mehr Materialien verwendet werden müssen, um eine gegebene Schicht anzu-

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wachsen, wodurch die Möglichkeit der Verunreinigung der Schicht erhöht wird. Das bei der Erfindung angewandte Verfahren ist auch eleganter, da alle Schichten der Solarzelle Gallium und Arsen—enthalten und deshalb gleichmäßigere Filme anwachsen können, da weniger Gase während des Anwachsverfahrens ausgetauscht werden müssen. Bei den erfindungsgemäßen Multiübergangs-zellen können die metallorganischen Verbindungen von Antimon oder anderen Materialien der Gruppe V—oder—Phosphorverbindungen durch in situ Gasfolge gewechselt werden, um eine Multicolor-Multiübergangs-Solarzelle auszubilden. Dies verringert die Kosten und verkürzt die Herstellungszeit der Solarzelle gegenüber alternativen Anwachssystemen, welche eine Beendigung des Anwachsverfahrens nach jeder Schicht mit einer Kühlung des Substrats, des Aussetzens/der Atmosphäre und des Transports in eine zweite oder dritte · Anwachskammer zur Herstellung der folgenden Schichten erfordert.

Die Zelle kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, welches in den US-PSen 4 171 235 oder 4 290 385 beschrieben ist, auf welche ausdrücklich Bezug genommen wird. Genauer gesagt wird ein Substrat in einer Vorrichtung zur chemischen Dampfablagerung angeordnet und die Kammer wird auf einen Druck von etwa 10 Torr evakuiert. Das Substrat wird auf eine Temperatur von etwa 50 0⁰C bis etwa 650⁰C und vorzugsweise auf etwa 570⁰C aufgeheizt. Danach werden Quellen von Gallium, Arsen und Antimon geöffnet mit einer Durchflußrate von etwa 1 see/ min., 3 sec/min. bzw. 3 sec/min für jede der Quellen, "sec/min." ist eine Abkürzung für einen Standardkubikzentimeter pro Minute und ist definiert als die Gasmenge, die ein Kubikzentimeter Volumen bei Standardbedingungen (1 Atm., 2O⁰C) einnimmt und in einer Minute hinter einen Punkt strömt. Eine Aluminiumquelle wird während des Anwachsens der Schichten, die das Material enthalten,

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betätigt. Während des Anwachsend der Aluminium enthaltenden Schicht müssen die Durchflußraten der anderen Materialien entsprechend angepaßt werden. Im allgemeinen wird die Galliumquellkonzentration verringert, wenn die AIuminiumquelle an ist. Geeignete Durchflußraten für TMAl betragen etwa 0,1 scc/mih. bis etwa 0,5 scc/min. Eine Dotierstoffquelle wie beispielsweise Diethylzink gelangt in die Kammer mit einer Durchflußmenge von etwa 0,3 scc/min., um die anfängliche P -Schicht zu erzeugen, und sie wird anschließend auf etwa 0,01 scc/min. verringert, um die P-Typ-Zone herzustellen. Nach Anwachsen der P-Typ-Zone wird die P-Typ-Dotierstoffquelle abgeschaltet und eine N-Typ-Dotierstoffquelle wird eingeschaltet und auf eine geeignete Durchflußmenge von beispielsweise etwa 0,1 see/ min. angepaßt, um die N-Typ-Zone der Schicht anzuwachsen, gefolgt von einer erhöhten Durchflußmenge von beispielsweise etwa 0,3 scc/min für etwa 1 Minute, um eine N -Zone auszubilden. Eine kurzschließende übergangszone von Germanium oder einem anderen geeigneten Material wird auf der Oberseite der GaAs. Sb -Schicht ausgebildet durch Abschalten der Gallium-, Arsen- und Antimon-Quellen und überführen einer Quelle mit Germanium über die Schicht 14 für etwa 3 Minuten bei einer Durchflußmenge von etwa 5 scc/min. Eine obere Schicht aus Halbleitermaterial mit einer größeren Bandlücke als die der Schicht 14, beispielsweise aus GaAs_1-P wird durch entsprechende Verfahren hergestellt, wie sie zur Herstellung der Schicht 14 verwendet werden, oder wie sie in den US-PSen 4 255 und 4 3 32 974 beschrieben sind, auf welche ausdrücklich Bezug genommen wird.

Schließlich kann eine transparente Fensterschicht aus AIq 5^Gao 5^Aso 8^P0 2 ^ner9^esteH'^t werden, indem die As- und P-Konzentrationen aufrechterhalten werden, wie sie zum Anwachsen der GaAs,., .P, .-Schicht eingestellt worden sind, und durch Anpassung der Ga-Quelle auf 0,25 scc/min.

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und der Al-Quelle auf 0,25 sc.c/min. Geeignete andere Al enthaltende Schichten können durch vergleichbare Einstellungen oder Anpassungen hergestellt werden. Der Al-Strom kann im allgemeinen 50% bis 200% des Ga-Stroms betragen.

In einer Dreicolor-Zelle kann die GaAs-Schicht auf vergleichbare Weise hergestellt werden.

- Vorzugsweise werden die kurzschließende Übergangszonenschicht und die obere Schicht aus gleichen Materialien hergestellt, welche ebenfalls Gallium und Arsen enthalten können, so daß ein gleichmäßigeres Verfahren durchgeführt werden kann, bei welchem nur die Durchflußrate des Arsens, des dritten Elements der ternären Zusammensetzung, eingestellt oder angepaßt werden muß, um die obere Schicht 18 mit der größeren Bandlücke und die kurzschließende Übergangszone 16 auszubilden. Bei einer GaAs kurzschließenden Übergangszone kann die Ga-Quelle auf eine konstante Durchflußrate eingestellt werden und nur die Durchflußraten von As und den anderen V-Elementen müssen verändert werden, um die Zweicolor-Zelle auszubilden. Die Dreicolor-Zelle wird hergestellt, indem eine mittlere gleichmäßige Übergangszonenschicht aus GaAs ausgebildet wird. Natürlich können die x- und y-Werte angepaßt werden durch Anpassung oder Einstellung der Durchflußraten der Zusammensetzungen, die die Elemente enthalten, um irgendeine gewünschte Bandlückenenergie der Schichten zwischen etwa 0,90 eV und 1,95 eV zu erhalten.

Die Zweicolor-Zelle mit drei Anschlüssen wird mittels eines ähnlichen Verfahrens mit den Schritten hergestellt, wie sie bei den Zweicolor- und Dreicolor-Zellen beschrieben wurden. Die dritte Elektrode wird jedoch durch ein normales Photolithographie-Verfahren, welches Photomasken und Photoresists verwendet, hergestellt ; dabei wird das Photoresist (lichtunempfindliche Deckmasse) belichtet und entwickelt und danach das GaAsP mit Standard-

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.. *·.-...■- -..- : 341695A

ätzmitteln geätzt, um die Nut für die Elektrode auszubilden.

Die Erfindung wird unter Bezug auf nachstehendes Beispiel genauer beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung nicht auf das folgende spezielle Beispiel beschränkt ist. Abwandlungen sind für den gewöhnlichen Durchschnittstachmann ersichtlich, beispielsweise die Herstellung der Solarzelle mit nur PN-Zonen für jede Schicht oder eine Umkehrung IQ der Übergangszone zu der NP-Konfiguration u.dgl., und diese Abwandlungen liegen innerhalb des Erfindungsbereichs. Die Herstellung kann ebenfalls erfolgen mit CVD oder LPE o.dgl.

BEISPIEL

Eine P -Typ GaAs-Wafer, dotiert mit Zn von 2 χ 10 Atoms/ cm³ wurde von Crystal Specialties bezogen. Die Wafer war 2° von der 1OO-Kristallflache gegen die 110-Richtung orientiert und lag geschnitten ohne Polierung vor. Die Wafer wurde geritzt und geschnitten, so daß mehrere quadratische (1,1 cm χ 1,1 cm) Substrate erhalten wurden. Die Substrate wurden auf Molybdänblöcken mit Indiumlötung befestigt und mit bekannten Verfahren, wie beispielsweise mit einer Br-Methanollösung poliert, wie sie in J. Appl. Phys., 52, S. 6 93 9 (1981) beschrieben wurde, worauf hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.

QQ Danach wurde ein GaAs-Substrat einer kurzen Br-Methanolätzung unterworfen, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, kurz bevor es in eine metallorganische vakuumchemische Dampfablagerungs(MO-CVD)Maschine für das Aufwachsen derEpitaxialschicht eingebracht wurde.

Die MO-CVD-Ausrüstung wurde beschrieben in dem vorhergehenden Artikel und von Fraas, SPIE Conf. Proc,

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(27. Januar 1982), auf welche hiermit Bezug genommen wird. Die Gas- oder Dampfquellen für Ga, Zn, Sb, As, P, Se und Al waren reine Triethyl-Ga (TEGa) (alfa-ventran), reine Diethyl-Zn (DEZn) (alfa-ventron), reine Trimethyl-Sb (TMSb) (alfa-ventron), 50% Arsin-ausgewogener Wasserstoff (phoenix), 500 ppm Wasserstoffselenid-ausgewogener Wasserstoff(scientific gas products), und reines Trimethyl-Al (TMAl) (alfaventron) . Nach dem Einbringen des Substrats wurde die Ab-

-I

lagerungskammer auf 10 Torr evakuiert und der Substratheizer wurde eingeschaltet. Die Substrattemperatur erhöhte sich auf 610⁰C für 15 Minuten, um Oxide wegzublitzen (flash off) oder zu verdampfen. AsH₃IH₂ (1:1) wurde während des Ausbrennens mit einer Durchflußrate von 10 scc/min. eingeleitet. Die Substrattemperatur wurde dann auf die Aufwachstemperatur.von 580⁰C verringert und das Fiimaufwachsen wurde gestartet. TEGa und DEZn wurden gleichzeitig eingeleitet, damit eine P -Typ GaAs-Pufferschicht von etwa 0,3 μΐη Dicke aufwachsen konnte. Die Durchflußraten von TEGa und DEZn betrugen beide 0,8 scc/min. TMSb wurde mit einer Durchflußrate von 1 scc/min. eingeleitet, um eine P-Typ-GaAs» g^s^Q ι -Ubergangsschicht von 0,3 um Stärke aufzuwachsen. Die Aufwachszeit betrug etwa 15 Minuten. Danach wurde die TMSb-Durchflußrate auf 2 scc/min. erhöht, um eine andere P -Typ-Schicht von 0,3 um Stärke aufzuwachsen. Dann wurde die DEZn-Durchflußrate um 0,3 scc/min. verringert, um eine P-Typ -GaAs_{n o}Sb_A _ Aktivschicht von 2 um Dicke auf-

U , O (J t Z

zu-wachsen. Die Aufwachszeit betrug etwa 2 Stunden. An diesem Punkt wurde das DEZn abgeschaltet und kurz danach wurde H₂Se (500 ppm in H₂) mit einer Durchflußrate von 0,2 scc/min.

eingeleitet, um eine N-Typ GaAs_{n 8}Sb_Q ^Schicht auszubilden und damit die NP-Ubergangszone in der Bodenzelle zu schaf-' fen. Die N-Typ-Schichtstärke betrug 0,5 um. Die Aufwachszeit betrug etwa 30 Minuten. Danach wurde der TMSb-Strom auf 1 scc/min. zurückgeschaltet und eine GaAs_{n Q}Sb_n Übergangsschicht von 0,1 um wurde aufgewachsen. Der TMSb-Strom wurde abgeschaltet und eine N-Typ-GaAs-übergangs-

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-3T-

schicht von 0,1 μπι wurde auf der GaAs _QSb_n .-Übergangsschicht aufgewachsen. Dann wurde H₃:PHo (1:1) mit einer Strömungsrate von-JLscc/min. eingeleitet und der AsH₃-Strom wurde auf 6 scc/min. zurückgeschaltet, um eine GaAs_{n Q}P_n -Übergangsschicht von 0,1 μΐη Stärke auf zuu / y υ f ι

wachsen. Das Aufwachsen der drei Übergangsschichten erforderte etwa 15 Minuten. Schließlich wurde der AsH-,-Strom wieder auf .5 scc/min. zurückgeschaltet und der PH_O-Strom auf 9 scc/min. erhöht. Eine 3 um starke GaAs_{n o}P_n ,

j U,o U/i

N-Typ-Schicht wurde aufgewachsen. Die Aufwachszeit betrug etwa 2 Stunden. Dann wurde das H₃Se abgeschaltet und kurz danach wurde DEZn mit einer Durchflußrate von 1 scc/min. eingeleitet. Eine 0,5 um starke P-Typ GaAs_n _aP_n _- -Schicht wurde aufgewachsen. Das Aufwachsen der Scnicht erforderte etwa 20 Minuten. Diese Schicht vervollständigte die NP-gleichförmigen Übergangszonen der oberen Zelle. Das Aufwachsen der vollständigen Zelle wurde vervollständigt durch eine abschließende Al_n 5Ga_{0 5}As_Q „P- Fensterschicht, welche durch Reduzierung des TEGa-Stromes auf 0,25 scc/min. und Einleitung von TMAl mit 0,25 see/ min. aufwuchs, um eine 0,04 um dicke Fensterschicht aufzuwachsen. Die Aufwachszeit betrug etwa 4 Minuten. Die Ströme wurden abgeschaltet und die Substrate konnten auf Zimmertemperatur abkühlen. Es ist anzumerken, daß die TEGa-und AsH₃-GaSe ohne Unterbrechung während der ganzen Ablagerungsfolge strömten und daß alle Gasströme von einem Mikroprozessor gesteuert wurden.

Danach wurde eine normale Photolithographie-Technik angewendet, um das Fingergitter für die obere und die dritte Elektrode auszubilden. Ein Shipply-AS 1350J-Resist und ShippIy-Rezepturen wurden verwendet, um das obere Gittermuster auf der zugehörigen Oberfläche der Wafer auszubilden. Das Photoresist war etwa 2 um dick. Das Photoresist wurde belichtet und danach entwickelt. Die Entwicklungslösung entfernt das Photoresist von den belichteten

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Flächen, d.h. den oberen Gitterlinien. Danach wurden die belichteten Bereiche auf der Wafer geätzt, um die AlGaAsP-Schicht in diesen Bereichen zu entfernen. Es wurde mit einer HF: H-O-Mischlingen ~e~inem Verhältnis von etwa 1:20 etwa 1 Minute geätzt. Danach wurde die Wafer etwa 30 Sekunden in eine Zitronensäureperoxidätzung getaucht. Die Ätzmischung wurde mit 5 Teilen der Lösung A hergestellt, welche eine 1:1-Mischung aus Zitronensäure und H~0 und 1 Teil einer Lösung B mit einer 3:7-Mischung aus ^H2°2 ^{zu H}2° ^entnielt· Schließlich wurde die Wafer 1 Minute in konzentrierter 37%iger HCl geätzt. Danach wurden 95% Silber (Ag) und 5% Mangan (Mn) mittels eines Elektronenstrahls (Ε-beam) auf der ganzen Wafer mit einer Dicke von etwa 0,15 um aufgedampft. Die Wafer wurde dann in Aceton gespült, bis kein Resist mehr auf d^er Wafer verblieb. Das Aceton hob das Aufdampfen in den Bereichen ab, die nicht die GaAsP-Schicht berührte. Dadurch verblieben die Legierungsgitter auf der GaAsP-Schicht. Die Wafer wurde dann in einen Röhrenofen gebracht und auf 450⁰C aufgeheizt und bei dieser Temperatur 1 Minute lang gehalten. Die Atmosphäre in dem Röhrenofen bildete Gas. Die Zelle wurde dann wieder mit Photoresist versehen, belichtet und entwickelt, um das Photoresist von den Gittern zu entfernen. Die Gitter wurden dann in einer Dicke von 2 \im mit Silber in einem Standardgalvanisierungsbad von Sel-Rex galvanisiert. Die Wafer wurde wieder mit Photoresist überzogen und belichtet, um eine Nut für den dritten Anschluß auszubilden und alle einzelnen Zellen auf der Wafer zu definieren. Die Wafer wurde dann in einer HF-Ätzung wie vorstehend beschrieben geätzt, gefolgt von einer Ätzung in HBr:Br:H~0 in einem Verhältnis von etwa 17:1:300 in einer ausreichenden Zeit, um darunter die Übergangszone in der GaAsP-Schicht zu ätzen. Das geschah bis zu einer Tiefe von etwa 1,5 bis 2 μΐη.

Die Zelle wurde dann wieder mit Photoresist versehen und mit einer feineren Gitterstruktur belichtet als die

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69 5

Breite der vorher in der Zelle hergestellten Nuten. Die Zelle wurde dann mittels Elektronenstrahl plattiert über die ganze Zelle jnit__einer Stärke von 0,05 um aus Au:Ge in einem Verhältnis von 88 Gew.-% Au zu 12 Gew.-% Ge, gefolgt von 0,05 um Nickel (Ni) und dann 0,0 5 um Au. Das Photoresist wurde mit Aceton abgezogen. Danach wurde die Wafer in dem Röhrenofen aufgeheizt, um die Gitter bei 400⁰C für 1 Minute.„j-n einer bildenden Gasatmosphäre zu legieren. Die Wafer wurde ein fünftes Mal mit einem Photoresist überzogen und Silber wurde auf das Au:Ge/Ni/Au-Gitter in einer Stärke von 2 um aufplattiert. Das Photoresist wurde abgezogen und die Zelle wurde geätzt mit der HBr-Ätzlösung nach unten durch die untere Übergangszone der unteren Aktivschicht aus GaAsSb, so daß die unabhängigen Zellen bestimmt wurden. Ein abschließender Überzug auf Photoresist wurde angebracht und begrenzt, um die Anordnung eines Ta_?0-/SiO -Antireflexionsüberzug durch eine Standardelektronentechnik zu ermöglichen. Der Antireflexionxüberzug wurde auf die gesamte Zelle aufgebracht roit Ausnahme der Anschlußflächen, an welchen die Drahtelektronen angebracht wurden. Die Ta-O₁-/SiO-,-Dicke betrug etwa 0,0 53 um bzw. 0,0 76 um. Drähte wurden mit den drei Elektroden und den Solarzellen verbunden. Die Zellen wurden mit einer Intensität von 40 Sonnen beleuchtet. Die beste der vier Zellen wies die nachstehenden Eigenschaften auf: Die GaAsP-ZeIIe hatte eine offene Betriebsspannung (V ) von etwa 1,1 Volt, einen Füllfaktor (F.F.) von etwa 0,80, einen Kurzschlußstrom (I ) von etwa 16,4 mA/cra^J

se

verbessert auf 1 Sonne und einen Wirkungsgrad von etwa 14,4%. Die GaAsSb-ZeIIe hatte eine V vonO,80 Volt, I von 11,0 mA/cm², F.F. von 0,75 und einen Wirkungsgrad von etwa 6,6%. Der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung betrug 21,0%. Die anderen drei Zellen waren vergleichbar, aber mit leicht geringeren Werten.

BAD ORIGINAL

•JV.

Leerseite -

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Claims

Ansprüche

1. Photovoltaische Vorrichtung, g e k e η η zeichnet durch

ein leitfähiges Substrat,

eine Schicht aus GaAs,_ Sb mit Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit, die darin einen gleichförmigen Zonenübergang (homojunction) bilden, der mit dem Substrat in Berührung ist und eine Gitteranpassung (lattice matching) mit dem Substrat bis innerhalb etwa +1% erbringt, eine kurzschließende Übergangsschicht (shorting junction layer), die mit der Oberfläche der GaAsSb-Schicht gegenüber der Fläche in Berührung ist, die mit dem Substrat in Berührung ist,

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D-BOOO Mündion 2

Isartorplatz 6

POB 2Ii 02 17
D-8000 München 26

Kabol:

Muebopat

Telefon

089/221483-7

Telecopier Infotec 0400 B G II+ III (089)22 96 43

Tolex

5-24

"" 34 1695 A

eine Schicht aus GaAs₁_ P , die eine größere Bandlücke aufweist als die GaAsSb-Schicht, wobei die Halbleiterschicht mit der Oberfläche der kurzschließenden Übergangsschicht in Berührung-""!st, die der Oberfläche gegenüberliegt, die mit der GaAsSb-Schicht in Berührung ist, eine Schicht aus Al, ,Ga,-, ,As,-, ,P, ,, die mit der

GaAs,, ,P -Schicht in Berührung ist, wobei die I1—χ ι χ

Al,₂\Ga,-,_ .As,-, ,P, .-Schicht eine durchlässige Fensterschicht (window layer) auf dem GaAs,, >P, . bildet, und

ν ι χ ι (λ.) eine Einrichtung zur Ausbildung eines elektrischen Kontaktes mit den Schichten, um von diesen photoerzeugten Strom abzuziehen.

2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 15. y einen Wert von etwa 0,1 bis etwa 0,4, χ einen Wert voin etwa 0,1 bis etwa 0,3 und ζ einen Wert von etwa 0,1 bis etwa 0,9 aufweist.

3. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ^{x un<}3 y etwa 0,2 sind und ζ 0,5 ist.

4. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kurzschließende Übergang (shorting junction) eine K Typ-Germaniumschicht ist.

5. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der

ist.

der kurzschließende Übergang eine P -Typ-Germaniumschicat

6. 'Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, der kurzschließende Übergang eine GaAs-Schicht ist, die eine Zone von GaAs aufweist, die zu einer Leitfähigkeit vom N -Typ aedoppt ist, unrl die von einer Zone ans GaAs gefolgt wird, welches zu einer Leitfähigkeit vom P -Typ gedoppt ist.

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^.'-7. Solarzelle nach Anspruch 1, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die GaAsSb-Schicht eine Band-

fbound gap)

lücke/von etwa 1,1 eV und die GaAsP-Schicht eine Bandlücke von etwa 1,65 eV aufweist.

8. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Berührung der GaAsP-Zone unterhalb des gleichförmigen Übergangs in der Schicht vorgesehen ist.

-

9. Solarzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzschließende Übergangsschicht einen Bereich aus Al, .Ga.., >As aufweist, der die GaAsP- Schicht berührt, und einen Bereich aus Al ... Ga .... > As ,._ . Sb . . , der die GaAsSb-Schicht berührt.

10. Solarzelle nach Anspruch 1, 2, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleichförmige Übergangsschicht aus GaAs zwischen dem GaAs. Sb und dem GaAs₁ P vor-

1-y y 1-x χ

gesehen ist, und daß die GaAs-Schicht eine Bahdlücke aufweist, die größer ist als die der GaAs₁ Sb -Schicht,

l-y y

aber geringer als die der GaAs_1- P -Schicht, und die über kurzschließende Übergänge von den GaAs₁ P -und GaAs_1- Sb -Schichten getrennt ist. ^{Y Y}

11. Solarzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Übergangsschichten zwischen den gleichförmigen Übergangsschichten und den kurzschließenden

Übergangsschichten vorgesehen sind. 30

12. Photovoltaische Vorrichtung, gekennzeichnet durch

ein leitfähiges Substrat

eine Schicht aus GaAs_1- Sb mit Bereichen verschiedener

nc ' y y

Leitfähigkeit, die darin einen gleichförmigen Übergang

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_4_

bilden und die das Substrat ohmisch berühren und eine¹ Gitteranpassung des Subtrats auf innerhalb etwa + 1 % erbringt,

eine erste kurzschließende Übergangsschicht, die die Oberfläche der GaAsSb-Schicht gegenüber der Seite berührt, die das Substrat berührt,

eine Schicht aus GaAs mit einem gleichförmigen Übergang darin, welcher die kurzschließende Übergangsschicht auf der Oberfläche gegenüber "der Oberfläche berührt, die die GaAsSb-Schicht berührt, wobei die GaAs-Schicht eine größere Bandlückenenergie aufweist als die GaAs₁ Sb -

ι -y y

Schicht,

eine zweite kurzschließende Ubergangsschicht, die die GaAs-Schicht gegenüber der Oberfläche berührt, die die erste kurzschließende Ubergangsschicht berührt, eine Schicht aus GaAs₁ P , die die Oberfläche der zwei-

1-x χ

ten kurzschließenden Ubergangsschicht gegenüber der Oberfläche berührt, die die GaAs-Schicht berührt, wobei die GaAs_1- P -Schicht eine größere Bandlückenenergie aufweist als sowohl die GaAsSb-Schicht oder die GaAs-Schicht,

eine Schicht aus Al, .Ga,- ,As,, .P, ., die die Oberfläche der GaAs,. ,P, .-Schicht gegenüber der Oberfläche berührt, die die zweite kurzschließende Übergangsschicht berührt, und

eine Einrichtung zur Bildung eines elektrischen Kontaktes mit den Schichten, um photoerzeugten Strom und photoerzeugte Spannung davon abzuleiten.

1"3. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Übergangsschichten (transition layers) zwischen den gleichförmigen Übergangsschichten (homojunction layers) und den kurzschließenden Übergangsschichten (shorting junction layers) vorgesehen sind.

14. Solarzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsschichten aus Al. Ga... As₁ Sb

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_5 —

zwischen dem GaAs₁ Sb und dem GaAs, und Al Ga_1-As zwischen dem GaAs und dem Al Ga.. As₁ P vorgesehen .

ζ 1-z 1-x χ ^- · . ■

sind.

15. Solarzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ζ, s und t in der Größenordnung Von 0,1 bis 0,9 sind.

16. Solarzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ζ, s und t gleich sind.

17. Solarzelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die GaAsSb-Schicht eine Bandlückenenergie von etwa 1,1 eV, die GaAs-Schicht eine Bandlückenenergie von etwa 1,44 eV und die GaAsP-Schicht eine Bandlücken- ■ energie von etwa 1,85 eV aufweist.

18. Verfahren zur Herstellung einer Multicolor-Solarzelle, gekennzeichnet durch die Schritte:

Einbringen eines leitfähigen Substrates in eine chemische Dampfablagerungsvorrichtung,

Evakuierung der Vorrichtung bis auf einen Druck von etwa 1x10~⁶ bis etwa 1x10~⁸ Torr,

Aufheizen des Substrates auf eine Temperatur von etwa 500⁰C bis etwa 650⁰C,

Einsetzen einer Strömungsmenge einer arsenhaltigen Zusammensetzung ,
Einsetzen einer Strömungsmenge einer galliumhaltigen Zusammensetzung,

Einregeln der arsenhaltigen Zusammensetzung, einer antimonhaltigen Zusammensetzung und Modifizierer von N-Typ und P-Typ Leitfähigkeit, so daß eine Schicht aus GaAs_1- Sb auf dem Substrat anwachsen kann, wobei die Schicht einen gleichförmigen Übergang aus PN (PN homojunction) darin aufweist,

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-6-Beenden der Strömung der antimonhaltigen Zusammensetzung,

Einregeln der Strömungsmenge des Arsens und der N-Typ und P-Typ Zusammensetzungen, so daß ein erster kurzschließender Übergang auf der GaAs._ Sb -Schicht anwachsen kann,

Erhöhen der Strömungsmenge der arsenhaltigen Zusammensetzung, während die N-Typ-und P-Typ Dotierstoffe verändert werden, so—da-ß- eine gleichförmige Ubergangsschicht aus GaAs auf der kurzschließenden Übergangsschicht anwachsen kann,

Einregeln der Strömungsmenge der N-Typ-und P-Typ-Dotierstoffe, so daß ein zweiter kurzschließender Übergang auf der GaAs-Schicht anwachsen kann,

Verminderung der Strömung der arsenhaltigen Zusammensetzung und Einleiten einer phosphorhaltigen Zusammensetzung, während die N-Typ-und P-Typ-Dotierstoffe verändert werden, so daß eine gleichförmige Ubergangsschicht aus GaAs_1- P auf der zweiten kurzschließenden Übergangsschicht anwächst,

Vermindern der Strömung der galliumhaltigen Verbindung und Einsetzen einer Strömung einer aluminiumhaltigen Zusammensetzung, so daß eine Fensterschicht aus . Al. >Ga,₁_ ,As_n >P. , auf der zugehörigen Oberfläche

IZ) ι I Z; [ I X^ IX/

der GaAs, ₁_ >P, ,-Schicht anwächst,

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Beendigung der Strömung der galliumhaltigen Zusammensetzung, der arsenhaltigen Zusammensetzung, der phosphorhaltigen Zusammensetzung, der aluminiumhaltigen Zusammensetzung und der N-Typ-und P-Typ-Dotierstoffe, und Entnahme des Substrats aus der Vorrichtung und Anbringen eines elektrischen Kontaktes an diesem.

19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch die Schritte:

Einregeln der Strömungsmenge der antimonhaltigen Zusammen-

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Setzung, so daß Übergangsschichten aus GaAs₁ Sb zwischen

ι -y y

dem Substrat und der gleichförmigen Übergangsschicht aus GaAs_1- Sb und zwischen der gleichförmigen Übergangsschicht und der ersten kurzschließenden Übergangsschicht hergestellt werden, und

Einregeln der Strömungsmenge.der phosphorhaltigen Zusammensetzung, so daß eine Übergangsschicht aus GaAs P

ι χ χ

zwischen dem zweiten kurzschließenden Übergang und der

GaAs. P -Schicht anwächst.
1-x χ

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß man die Strömung der aluminiumhaltigen Zusammensetzung einregelt, so daß eine aluminiumhaltige Fensterpassivierungsschicht zwischen jeder der aktiven Schichten und jeder der Übergangsschicbten hergestellt wird.

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