KR101438695B1 - 양자링 구조를 가진 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, a) 고농도로 도핑된 GaAs 기판층 형성단계; b) 상기 고농도 도핑된 GaAs 기판 위에 도핑되지 않은 GaAs층을 성장시키는 버퍼층 형성 단계; c) 상기 버퍼층에 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As의 제1 베리어층(barrier layer)이 형성되는 제1 베리어층 형성 단계; d) 기판을 400℃ 분위기로 냉각시키는 냉각 단계; e) 상기 베리어층 위에 Ga 액적이 As4 플럭스와 함께 조사되어 400℃ 분위기에서 GaAs 양자링이 결정화되는 양자링 형성 단계; d) 상기 양자링이 형성된 후, 10nm 박막의 Al_0.33Ga_0.67As층이 400℃ 분위기에서 양자링 위에 증착되는 캡층 형성 단계; f) 600℃ 분위기에서 상기 캡층 위에 20nm의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As층을 증착시키는 제2 베리어층 형성 단계; 및 g) d) ~ f) 단계를 4 ~ 6회 반복하여 다중의 양자링 구조가 형성되는 다중 양자링 구조체층 형성 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지 제조방법이 제공된다.

Description

양자링 구조를 가진 태양전지 및 이의 제조방법{Solar cell with quantum ring structure and manufacturing method thereof}

본 발명은 양자링 구조를 가진 태양전지 및 상기 방법을 사용하여 제조된 태양 전지에 관한 것이다.

태양전지는 태양광 에너지를 전기로 광전 변환시키는 소자로서, 전기적 성질이 다른 N(negative)형의 반도체와 P(positive)형의 반도체를 접합시킨 구조로 이루어진다.

이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지 속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체 내에서 정공(正孔:hole)(+)과 전자(電子:electron)(-)의 전기를 갖는 입자(정공, 전자)가 발생하여 각각 자유롭게 태양전지 속을 움직이지만, 전자(-)는 N형 반도체 측,정공(+)은 P형 반도체 측으로 모이게 되어 전위가 발생하게 된다.

최근에는 태양전지의 효율을 높이기 위하여 가시광선 영역뿐 아니라 적외선을 포함하는 전체 영역에서의 태양에너지를 활용하기 위한 태양광 변환기술에 대한 연구가 진행되고 있다.

반도체 양자점(Quantum Dots)은 양자 국한 현위에 따라 다양한 대역에서 독특한 전기적 광학적 특성을 발생시키기 때문에 광검출기 레이저 등의 기술에 접목되고 있다.

한편, 양자점의 불연속적인 상태밀도를 높일 수 있는 액적 에피택시(droplet epitaxy) 기술이 발전 됨에 따라 이를 이용하여 적외선 대역에서 효율적으로 태양 에너지를 수집하여 활용할 수 있는 태양전지의 개발이 요구된다.

본 발명의 배경기술에는 대한민국 공개특허공보 2012-0114976호(표면 플라즈몬과 양자점을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법)에 광흡수층에 양자점을 포함으로써 종래 흡수가 용이하지 않았던 가시대역 외의 파장 대역에서 태양 에너지를 흡수할 수 있는 기술이 개시된바 있다.

대한민국 공개특허공보 2012-0114976호(표면 플라즈몬과 양자점을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이의 제조방법)

본 발명의 목적은 탠덤형 다중 적층 셀에 삽입될 수 있고, 적외선 영역 대에서 효율적으로 태양광 에너지를 흡수할 수 있는 양자링 구조를 가진 태양전지 및 이에 대한 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, a) 고농도로 도핑된 GaAs 기판층 형성단계; b) 상기 고농도 도핑된 GaAs 기판 위에 도핑되지 않은 GaAs층을 성장시키는 버퍼층 형성 단계; c)상기 버퍼층에 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As의 제1 베리어층(barrier layer)이 형성되는 제1 베리어층 형성 단계; d)기판을 400℃ 분위기로 냉각시키는 냉각 단계; e) 상기 베리어층 위에 Ga 액적이 As4 플럭스와 함께 조사되어 400℃ 분위기에서 GaAs 양자링이 결정화되는 양자링 형성 단계; d)상기 양자링이 형성된 후, 10nm 박막의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As층이 400℃ 분위기에서 양자링 위에 증착되는 캡층 형성 단계; f) 600℃ 분위기에서 상기 캡층 위에 20nm의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As층을 증착시키는 제2 베리어층 형성 단계; 및 g) 상기 d) ~ f) 단계를 4 ~ 6회 반복하여 다중의 양자링 구조가 형성되는 다중 양자링 구조체층 형성 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지 제조방법이 제공된다.

또한, h) 상기 g) 단계 이후에 제2 도전성 반도체층이 형성되는 제2 도전성 반도체층 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 h) 단계 이후에 700℃-850℃ 분위기에서 열처리되는 어닐링 단계: 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 h) 단계 이후에 상기 제2 도전성 반도체층 에 전극층(contact layer)이 형성되는 전극층 형성 단계: 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 버퍼층은 580℃ 분위기에서 GaAs층을 0.5 ㎛로 성장시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 Ga 액적은 10 모노레이어(monolayer)범위의 량에 해당하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, P 타입의 GaAs 기판; 상기 GaAs 기판위에 도핑되지 않은 GaAs층으로 형성되는 GaAs 버퍼층; GaAs 버퍼층 위에 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As으로 형성되는 제1 베리어층; 상기 제1 베리어층 위에 형성되는 양자링 구조체층; 상기 양자링 구조체층 위에 형성되는 Si 도핑된 150nm n-타입 GaAs 에미터층; 을 포함하며, 상기 양자링 구조체층은 Ga 액적이 As₄ 플럭스와 함께 조사되어 400℃ 분위기에서 GaAs 양자링으로 결정화되는 양자링층; 10nm 박막의 Al_0.33Ga_0.67As 층(cap layer)이 400℃ 분위기에서 상기 GaAs 양자링 위에 증착되는 캡층; 및 600℃ 분위기에서 상기 캡층 위에 20nm의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As층이 형성된 제2 베리어층; 으로 이루어진 양자링 구조층이 6회 적층되어 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 GaAs 에미터층 위에 50nm 두께로 Si-도핑된 GaAs 전극층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 버퍼층은 580℃ 분위기에서 GaAs층을 0.5 ㎛로 성장시킨 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1베리어층은 580℃ 분위기에서 GaAs층을 30nm 성장시킨 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 양자링 구조를 가진 태양전지 제조의 다단계 열처리 공정에 의하여 양자링 및 장벽 인터페이스를 매끄럽게 하고 양자링 기하학적 형상을 향상시키는 효과를 가진다..

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 저온 및 고온으로 이르는 열처리 방법은 비어있는 공간의 급감으로 인해 상호확산을 촉진시키고 저온 액적 에피택시법(droplet epitaxy)에 의해 성장된 양자링의 품질을 크게 증가시킨다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고온의 후속 열처리는 GaAs/AlGaAs 인터페이스 형상을 변화시키고, 상기 변화된 인터페이스는 광대역 광학적 전이을 일으키는데 기여를 하게 되어, 인해 태양전지 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 급속 열처리에 의해 처리된 후, 개선된 품질을 갖는 strain-free 양자구조는 효율적인 적외선 대역의 태양전지를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 양자링 구조를 가진 태양 전지 구조를 도시한 것이다.
도 2는 캡핑되지 않은 GaAs/Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 양자링 샘플의 표면 형상의 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 광반응 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양자링 태양전지의 PL 스펙트럼을 도시한 것이다.

[실시 예]

본 발명의 일 실시 예에 의한 GaAs 양자링(quantum ring) 구조체는 고농도(heavily doped) p-타입 GaAs 기판 위에서 분자빔 에피택시 기술에 의해 성장될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 의한 GaAs 양자링(quantum ring) 구조체는 분자빔 에피택시(epitaxy) 기술에 의해 성장될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, Ga, Al, As를 각각 별개의 도가니에 넣어서 가열하고, 밸브로 각 분자빔을 온ㆍ오프 함으로써 막 두께와 조성을 정밀하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 양자링 구조를 가진 태양 전지 구조를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면 양자링 구조를 가진 태양 전지는 고농도 불순물이 도핑된(heavily doped) GaAs 기판(102), 버퍼층(103), 다중(multi-stack) 양자링 구조체층(104), n-타입 GaAs의 에미터층(105), 전극층(106)을 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 GaAs 기판은 고농도(heavily doped) p-타입 GaAs 기판(102)으로 이루어진다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 다중(multi-stack) 양자링 구조체층(104)은 양자점 수를 많게 하는 방법으로 한 층에 양자점을 성장시킨 후 20～40 nm의 GaAs 베리어층으로 덮고 다시 양자점을 성장시키는 방법을 되풀이하여 원하는 양자링층 수를 갖는 방법으로 제조된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 제조방법은 다음과 같다.

먼저, p-타입 GaAs 기판(102) 위에 도핑되지 않은 GaAs 버퍼층(103)을 580℃에서 0.5㎛ 성장시킨다.

다음, 이어서 580℃ 분위기에서 30 nm 두께의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 제1 베리어층(211 barrier layer)을 성장시키는 단계를 거친다. 그 후, 상기 제1 베리어층(211 barrier layer)을 성장시킨 기판을 400℃로 냉각시키고 벨브를 닫는다.

이때, 오리엔테이션 상의 10 모노레이어(monolayer)의 범위에 해당하는 소량의 Ga가 Ga 액적(droplet)을 형성하기 위해 공급된다.

또한, 상기 Ga 증착시, Si 셀은 1x10¹⁸cm^-3의 Si 당량으로 나노구조를 도핑하기 위하여 밸브가 오픈된다. 이때, Ga 액적(droplet)은 As₄ 플럭스와 함께 조사되며 400℃ 분위기에서 GaAs 양자링(200)으로 결정화된다.

이러한 400℃ 분위기에서 저온 액적 에피택시법(droplet epitaxy)에 의해 성장된 양자링 구조는 균일하게 성장되어 품질이 향상된다.

상기 양자링(200 quantum ring)들이 형성된 후, 10nm 박막의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 캡층(212 cap layer)을 400℃ 분위기에서 양자링 위에 증착시킨다. 캡층(212)은 밴드갭이 양자링보다 큰 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As층(212)이 GaAs 양자링을 캡핑(capping)하여 양자구조물을 형성한다.

다음, 기판 온도를 600℃로 증가시키고, 다른 20nm의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 제2 베리리어층을 증착시킨다.

Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As층(213)은 600℃ 분위기에서 보다 증착이 보다 원할하게 이루어질 수 있다.

그러나 양자링층이 생성 후 바로 600℃ 분위기에서 증착시키게 되면 양자링 구조에 손상이 발생될 수 있기 때문에 본 발명의 일 실시 예에서는 먼저 400℃ 분위기에서 10nm 박막의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 캡층(212)을 증착시킨 다음, 온도를 올려 600℃ 분위기에서 다른 20nm의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 제2 베리어층(213)을 증착시키는 공정이 채택된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 10nm의 캡층(212)과 600℃에서 생성된 20nm의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As를 합쳐 30nm의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As층이 베리어(barrier) 역할을 하게 된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 다중(multi-stack) 양자링 구조체층(104)은 상술한 방법으로 하나의 양자링층을 성장시킨 후, 30nm의 GaAs 베리어층으로 덮는 과정으로 양자링 구조층을 형성하고 이후, 양자링 구조층 과정을 5회 더 되풀이하여 총 6층으로 이루어지는 다중(multi-stack) 양자링 제조 공정에 의하여 형성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 다중(multi-stack) 양자링 구조는 적층이 많을수록 효율이 좋게 되나, 너무 많은 경우(6회를 초과하는 경우)에는 양자 변환효율이 오히려 저하될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예와 같은 두께 구조의 태양전지 구조에서는 6회가 적정한 것으로 실험되었다.

다음, 다중의 양자링(quantum ring) 구조체층(104)이 형성된 후, 그 위에 제2 도전성 반도체층(105)이 형성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 도전성 반도체층(105)은 1x10¹⁸ cm^-3으로 Si 도핑된 150nm n-타입 GaAs의 에미터층(105)으로 형성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, n-타입 GaAs의 에미터층(105)을 성장시킨 다음 700℃-850℃ 분위기에서 급속 어닐링 과정을 더 포함하게 된다.

이와 같은 급속 어닐링 과정은 큐어링 (curing)을 통해 적정하지 못한 온도에서 생성된 defect가 사라지게 되어 효율 향상에 기여하게 된다.

그 다음 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 구조는 50nm Si-도핑된 GaAs 전극층(106 contact layer)을 형성한 후 완료된다.

상기 n-타입 GaAs의 에미터층(105) 및 p-타입 GaAs 기판(102)은 필요에 따라 상호 바꿀 수 있으며, 또한, 다른 도전형 반도체층으로 대체될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 다중스택(multi-stack) 양자링 구조체층(104)에서 태양광 에너지를 흡수하게 되는데, GaAs 다중스택(multi-stack) 양자링 구조체층(104)에 흡수된 광자는 적외선 대역에서 흡수된 태양에너지를 포함하게 된다.

광자의 에너지가 GaAs의 밴드갭보다 작기 때문에 GaAs층에서 광자(photon)는 투과하나, GaAs보다 밴드갭이 작은 양자링에서는 광에너지가 투과하지 못하기 때문에 양자링층에서 적외선 대의 광자를 흡수하여 전류 성분을 증가시키게 된다.

[특성 실험]

본 발명의 일 실시 예에 의한 태양전지의 특성을 테스트하기 위하여 급속 열처리를 N₂ 분위기하에서 700 - 850℃의 온도에서 2분 동안 네 개의 샘플에 수행되었다. 샘플은 고온 열처리 동안 GaAs 분해를 방지하기 위하여 초기(bare) GaAs 웨이퍼에 끼워졌다. 태양전지 셈플은 표준 광식각 공정에 의해 제조되었다.

효과적인 밴드갭(bandgap)의 측면에서의 특성 비교를 위하여, 기준전지로 사용되는 양자우물구조의 태양전지를 양자우물 영역을 제외하고 동일한 성장 공정으로 제조하였다.(본 발명의 일 실시 예에 따른 실험을 위하여 액적 에피택시법을 이용한 양자링의 제조 대신 10 ML의 GaAs 커버러지를 갖는 다중 양자우물을 성장시켰다.)

캡핑되지 않은 GaAs 양자링 샘플 또한 원자력현미경(AFM, atomic force microscopy) 측정을 위해 동일한 공정을 이용하여 성장시켜서 실험에 사용되었다.

각각의 n-타입 및 p-타입 콘택트인 Au_{0 .88}Ge_{0 .12} /Ni/Au 및 Au_{0 .9}Zn_{0 . 1} 를 증착하기 위하여 진공 전자빔 증착기(electron beam evaporator)가 사용되었다. 금속 증착 후, 리프트 오프(life-off) 공정이 Top 그리드를 생성하는데 사용된다.

연속파 PL 측정 (Continuous wave photoluminescence measurement)은 20㎛의 샘플에 10K에서 스팟 직경을 갖는 Nd:YAG 레이저로부터 532nm 여기(excitation)를 이용하여 수행하였다. 2개의 여기 전력강도를 위하여 레이저가 사용되었다: I_L= 0.3 W/㎠ 및 I_H= 3,000 W/㎠ 태양전지의 J-V 커버는 AM 1.5G 솔라 시뮬레이터 (solar simulator) 하에서 측정되었다.

또한, 태양전지 샘플의 고해상도 X-선 광전자 분광법 상호공간 매핑(RSM, reciprocal space mapping)을 X-선 회절 분석기(Philips X'pert, PANalytical B.V., Almelo, The Netherlands)에 의해 분석되었다.

도 2는 캡핑되지 않은 GaAs/Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 양자링 샘플의 표면 형상(surface morphology)을 AFM(Atomic Force Microscope 원자간력현미경)에 의하여 관찰된 이미지를 도시한 것이다.

도 2(a)를 참조하면, 상기 GaAs/Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 양자링 샘플의 표면 형상 이미지(10)는 약 2.4x10⁹ cm^-2의 밀도를 갖는 양자링 구조를 나타낸다.

도 2(a)의 인셋 AFM 이미지(11)는 좀더 확대한 양자링의 3-D 단면도를 도시한 것이다.

도 2(b)는 GaAs/Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 양자링 솔라셀의 상호공간 맵을 도시한 것이다. 도 2(b)는 비대칭 상호 격자점(RSM 022 reflection)을 중심으로 2D-RSM에 대해 얻어진 결과를 나타낸다.

도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하면, 균일하게 형성된 2D- RSM 패턴으로부터 Strain-free 양자링임을 알 수 있다.

도 3(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 광반응 스펙트럼을 도시한 것이다.

도 3(a)는 외부 바이어스 전압 없이 300K에서 프리앰프(preamplifier)와 접속된 적외선 분광기(FT-IR, Fourier transform infrared spectrometer)를 이용하여 측정된 것이다.

도 3(a)를 참조하면, 스펙트럼(21)은 645, 760, 817, 및 864nm의 네 개의 피크를 나타낸다. 645nm(1.92 eV) 근처에서 관찰되는 광반응 피크는 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As장벽에서 대간 전이(interband transition)에 의한 것이다.

864 nm(1.43 eV) 근처의 피크는 벌크 GaAs로 인한 것이며, 760 (1.63 eV) 및 817 nm (1.52 eV)의 넓은 광반응 밴드는 GaAs 양자링에서 에너지 레벨을 통한 대간 전이로 인한 것이다.

도 2(a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 GaAs 양자링의 광반응 밴드는 760 (1.63 eV) 및 817 nm (1.52 eV)의 넓은 적외선 영역의 광반응 밴드를 가진다.

도 3(b)는 양자링 태양전지 및 기준 셀인 양자우물 태양전지의 전류 밀도 전압 특성을 나타낸다.

도 3(b)에서 상측 그래프(22)는 양자링 태양전지 셀(QRSC)이고 하측 그래프(23)는 양자우물 태양전지 셀(QWSC)을 나타낸다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 양자링 태양전지는 유사한 기기구조를 가진 양자우물 태양전지 전류밀도 및 충전율 측면에서는 보다 우수한 성능을 가진다.

본 발명의 일 실시 예에 의한, 양자링 태양전지는 전도대(conduction band)로부터 격리된 중간대역을 형성하고 감소된 전류에 따른 개방-회로 전압을 유지한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 양자링 및 10 nm의 AlGaAs(총 30nm) 장벽은 GaAs 및 AlGaAs의 일반적 성장온도보다 낮은 400℃에서 제조된다.

양자링 및 장벽의 저온 성장은 다양한 결함을 생성하고 물질의 품질을 저하시킬 것으로 예상된다. 이러한 결함은 캐리어 농도의 감소 및 직렬저항의 증가를 야기시킬 다수의 캐리어 트랩(carrier trap)으로 역할을 할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 저온에서 성장한 양자구조의 상술한 결함을 회복할 수 있도록 성장 후 열처리 공정이 포함된다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 태양전지 성능은 성장 후 열처리로 상당히 개선된다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양자링 태양전지의 PL 스펙트럼을 도시한 것이다.

도 4의 양자링 태양전지의 PL 스펙트럼은 급속 열처리 전 및 후를 나타낸다.

도 4(a)는 The laser excitation power IL = 0.3 W/cm² 일 때, 서로 다른 온도로 열처리된 양자링 태양전지의 PL 스펙트럼을 나타낸다.

도 4(a)를 참조하면, 레이저 여기 전력 IL= 0.3 W/cm²에서, 1.64 eV에서 PL 피크(35)가 열처리 후에 나타났고 PL 스펙트럼의 강도는 열처리 온도에 따른 함수에서처럼 뚜렷하게 증가하였다. 상기 피크는 양자링의 300K에서 측정된 1.50 eV에서 광반응 피크에 해당하는 양자링에서 기저에너지 레벨(ground energy level)의 전이에 기인된 것일 수 있다.

PL 스펙트럼은 열처리 후 단파장으로 이동하는 청색이동(blueshift)을 나타내고 상당한 확장을 나타내었다.

이와 같은 열처리 전 후의 실험으로부터, 열처리 후 PL 스펙트럼의 청색이동 및 확장은 GaAs 양자링 및 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 베리어(barrier) 인터페이스에서 Al 및 Ga의 상호 확산으로 인한 것임을 알 수 있다.

또한, 도 4(b)는 레이저 여기 전력 I_H = 3,000 W/cm^{2 일 때}, 서로 다른 온도로 열처리된 양자링 태양전지의 PL 스펙트럼을 나타낸다.

도 4(b)를 참조하면, 열처리 후, 높은 레이저 여기 I_H = 3,000 W/cm²에서 두 번째 PL 피크가 약 1.7eV에서 나타났음을 알 수 있다. 또한, 상기 두 번째 피크는 1.63 eV에서 광반응 피크에 해당하는 GaAs 양자링 구조의 여기상태 전이에 해당한다.

도 4(c)는 낮은 여기 전력 I_L에서 어닐링 온도의 함수로 PL 피크 에너지와 통합 PL 강도를 도시한 것이다. 삽입된 도면은 열처리 온도의 함수로 PL라인 폭을 나타낸다.

도 4(c)는 열처리온도에 대한 함수로써 레이저 저여기 파워 I _L 에 대해 측정된 PL 스펙트럼의 적분 강도, 피크 에너지 및 반치전폭(full width at half maximum)을 나타내고 있다.

도 4(d)는 높은 여기 전력 I_H에서 어닐링 온도의 함수로 PL 피크 에너지와 통합 PL 강도를 도시한다.

도 4(d)를 참조하면, 양자링 기저상태 전이와 유사하게, PL 스펙트럼은 열처리 온도의 증가와 함께 형광증대 현상(emission enhancement) 및 청색이동(blueshift)을 나타냄을 알 수 있다.

열처리 후 PL 수득률의 증가는 상당한 성장 물질의 품질 향상이 가져온 것으로 볼 수 있다. 후속 열처리는 GaAs 나노구조 및 저온에서 공정된 AlGaAs 베리어에서 생성되는 결함의 큰 감소를 촉진시킨다.

열처리 후 PL 스펙트럼의 청색이동 및 확장은 GaAs 양자링 및 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 베리어(barrier) 인터페이스에서 Al 및 Ga의 상호 확산으로 인한 것임을 알 수 있다.

Al 및 Ga 성분은 열처리 온도의 증가와 함께 열처리 온도 함수에 따른 확산 거리로 동원된다. 그 결과, Al 성분의 농도가 GaAs 양자링 내에서 증가된다. 열처리 온도 700℃에서 850℃로 증가할 때 PL 선폭(PL 피크 1.64eV)은 29에서 43 meV로 변한다(도 4c 참조).

PL 스펙트럼 확장은 종래의 InAs 양자점에서 관찰된 것과는 다소 차이가 있다. 고온 열처리에 있어서, 종래 InAs 양자점의 크기 분포 및 조성 변동은 In-Ga 상호 확산으로 인해 개선될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 GaAs 양자점의 경우, 종래의 In 및 Ga 성분과 비교하여, 큰 Al-As 결합에너지로 인해 Al 성분의 확산 거리는 몇 나노미터의 범위로 짧게 형성된다.

따라서, Al 분포의 변화도는 조성 변동의 개선 대신 GaAs/AlGaAs 인터페이스 결과임을 알 수 있고, 또한, 상호 확산은 양자링 및 장벽 인터페이스를 매끄럽게 하고 양자링 기하학적 형상을 균질하게 변경시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 양자링 구조를 가진 태양전지 제조의 다단계 열처리 공정에 의하여 양자링 및 장벽 인터페이스를 매끄럽게 하고 양자링 기하학적 형상을 향상시키는 효과를 가진다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 저온 및 고온으로 이르는 열처리 방법은 비어있는 공간의 급감으로 인해 Al 및 Ga의 상호확산을 촉진시키고 저온 액적 에피택시법(droplet epitaxy)에 의해 성장된 양자링의 품질을 크게 증가시킨다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고온의 후속 열처리는 GaAs/AlGaAs 인터페이스 형상을 변화시키고, 상기 변화된 인터페이스는 광대역 광학적 전이를 일으키는데 기여를 하게 되어, 인해 태양전지 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 급속 열처리에 의해 처리된 후, 개선된 품질을 갖는 strain-free 양자구조는 효율적인 적외선 대역의 태양전지를 제공할 수 있다.

102: 기판
103: 버퍼층
104: 다중 양자링 구조체
105: 에미터층
106: 전극층
200: 양자링
211, 213: 베리어층
212: 캡층

Claims (10)

1. a) 고농도로 도핑된 GaAs 기판층 형성단계;
   b) 상기 고농도로 도핑된 GaAs 기판 위에 도핑되지 않은 GaAs층을 성장시키는 버퍼층 형성 단계;
   c) 상기 버퍼층에 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As의 제1 베리어층(barrier layer)이 형성되는 제1 베리어층 형성 단계;
   d) 기판을 400℃ 분위기로 냉각시키는 냉각 단계;
   e) 상기 베리어층 위에 Ga 액적이 As₄ 플럭스와 함께 조사되어 400℃ 분위기에서 GaAs 양자링이 결정화되는 양자링 형성 단계;
   d) 상기 양자링이 형성된 후, 10nm 박막의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As층이 400℃ 분위기에서 양자링 위에 증착되는 캡층 형성 단계;
   f) 600℃ 분위기에서 상기 캡층 위에 20nm의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As층을 증착시키는 제2 베리어층 형성 단계; 및
   g) 상기 d) ~ f) 단계를 4 ~ 6회 반복하여 다중의 양자링 구조가 형성되는 다중 양자링 구조체층 형성 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지 제조방법
   
2. 청구항 제 1항에 있어서
   h) 상기 g) 단계 이후에 상기 다중 양자링 구조체층 위에 제2 도전성 반도체층이 형성되는 제2 도전성 반도체층 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지 제조방법
   
3. 제 2항에 있어서
   상기 h) 단계 이후에 700℃-850℃ 분위기에서 열처리되는 어닐링 단계: 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지 제조방법
   
4. 청구항 제 2항에 있어서,
   상기 h) 단계 이후에 상기 제2 도전성 반도체층 위에 전극층 (contact layer)이 형성되는 전극층 형성 단계: 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지 제조방법
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 버퍼층은 580℃ 분위기에서 GaAs층을 0.5㎛로 성장시키는 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지 제조방법
   
6. 청구항 제1 항에 있어서,
   상기 Ga 액적은 10모노레이어(monolayer) 범위의 량에 해당하는 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지 제조방법
   
7. P 타입의 GaAs 기판;
   상기 GaAs 기판 위에 도핑되지 않은 GaAs층으로 형성되는 GaAs 버퍼층;
   GaAs 버퍼층 위에 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As로 형성되는 제1 베리어층;
   상기 제1 베리어층 위에 형성되는 양자링 구조체층; 및
   상기 양자링 구조체층 위에 형성되는 Si 도핑된 150nm n-타입 GaAs 에미터층; 을 포함하며,
   상기 양자링 구조체층은 Ga 액적이 As₄ 플럭스와 함께 조사되어 400℃ 분위기에서 GaAs 양자링으로 결정화되는 양자링층;
   10nm 박막의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As 층(cap layer)이 400℃ 분위기에서 상기 GaAs 양자링 위에 증착되는 캡층; 및
   600℃ 분위기에서 상기 캡층 위에 20nm의 Al_{0 .33}Ga_{0 .67}As층이 형성된 제2 베리어층;
   으로 이루어진 양자링 구조층이 6회 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 GaAs 에미터층 위에 50nm 두께로 Si-도핑된 GaAs 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지
   
9. 제 7항에 있어서,
   상기 버퍼층은 580℃ 분위기에서 GaAs층을 0.5㎛로 성장시킨 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지
   
10. 제 7항에 있어서
    상기 제 1 베리어층은 580℃ 분위기에서 GaAs층을 30nm 성장시킨 것을 특징으로 하는 양자링(quantum ring) 구조를 가진 태양전지

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