WO2015185309A1 - HALBLEITERBAUELEMENT AUF BASIS VON In(AlGa)As UND DESSEN VERWENDUNG - Google Patents

HALBLEITERBAUELEMENT AUF BASIS VON In(AlGa)As UND DESSEN VERWENDUNG Download PDF

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Andreas W. Bett
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    • Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells

Definitions

  • the invention relates to semiconductor devices which are formed from a substrate and at least two semiconductor layers forming a pn junction, wherein the p-doped semiconductor layer consists of ln (AIGa) As and the n-doped semiconductor layer consists of ln (AIGa) P.
  • the semiconductor components according to the invention are used in particular as solar cells or multiple solar cells, but also as photodetectors.
  • the material Al x Gai_ x As offers a very interesting band gap for solar cells. With an Al content x to about 0.44, Al x Gai_ x As is a direct semiconductor and has a bandgap E g of 1.4 eV to about 1.9 eV.
  • defects form which are directly linked to the n-type dopant. From an AI content of about 0.20 up to the limit of indi- In addition to direct material, the energy levels of these defects are partly within the band gap. Since they are directly related to the n-type dopant, their concentration can reach the same order of magnitude as that of the n-type dopant. In the literature, these defects are often referred to as DX centers and modeled after Chadi and Chang (DJ Chadi and KJ
  • o y Ga y P lni_ example can be grown on GaAs or Ge.
  • this semiconductor has the same lattice constant only for a certain material composition (y about 0.50).
  • te such as GaAs or Ge, so that only for a certain band gap (about 1.9 eV) can be produced a solar cell with the lattice constant of GaAs or Ge [1].
  • solar cells can also be grown at other lattice constants and other band gaps.
  • this is much more complicated than varying the Al content in the Al x Gai_ x As since the lattice constant barely changes.
  • Ga 0 .5ol n 0 .5oP contains a significant amount of indium.
  • indium is a rare element of the earth's crust, this leads to higher material and thus production costs in comparison to a solar cell made of Al x Gai_ x As.
  • O Quaternary compounds such as GalnAsP can also be used as cell material.
  • the lattice constant and band gap of this quaternary material are, however, considerably more complicated to set and control than in Al x Gai_ x As - use of partially transparent solar cells with a lower band gap.
  • a semiconductor component having at least one substrate and at least two semiconductor layers forming a pn junction is provided.
  • the p-type semiconductor layer is made of In x (Al y Gai_ y) i_ x As ⁇ (with 0.00 ⁇ x ⁇ 0.49 and (0.15 + 0.4 x 2.7 + x 2) ⁇ y 0.44 + 0.8 x 2.2 + x 2) for 0.00 ⁇ x ⁇ 00:35 respectively (0.15 + 0.4 x 2.7 + x 2) ⁇ y ⁇ 1 0.35 ⁇ x ⁇ 0.49 formed.
  • the n-doped semiconductor layer is made of ln z (Al w Gai_ w) i_ z P 0.48 ⁇ z ⁇ 0.97 and 0 ⁇ w ⁇ 1, wherein the lattice mismatch of the n-type semiconductor layer to the p-doped semiconductor layer is at most 1.5%.
  • the semiconductor layers consist essentially of the materials mentioned. At the same time, however, small amounts of other elements may be included without adversely affecting the function of the semiconductor device. Likewise, small amounts of usual for the materials of the semiconductor layers impurities may be included.
  • n-doped material can be in the composition range of In x (Al y Ga y) i- x As, in which the DX-centers the n-doped Significantly affect material, increase the efficiency of the semiconductor device.
  • the absorption edge of the semiconductor component remains adjustable via the choice of the aluminum content in a region dependent on the content.
  • the strength of the improvement depends not only on the material composition of In x (Al y Gai_ y) i_ x As, but also on the selected n-type dopant of the n-doped In x (Al y Gai_ y) i_ x As layer is replaced by the ln z (Al w Gai_ w) i_ z P.
  • a further preferred embodiment provides that the p-doped semiconductor layer of In x (Al y Gai_ y) i_ x As with 0 ⁇ x ⁇ 12:32 and (0.15 + 0.4 * x + 2.7 * x 2) ⁇ y ⁇ (12:44 + 0.8 * x + 2.2 * x 2 ) and the n-doped semiconductor layer
  • the space charge zone forming at the pn junction can also be enlarged by an unintentionally or lowly doped i-layer or expanded into the p-doped semiconductor layer or into the n-doped semiconductor layer.
  • the not intentionally doped i-layer is preferably made of
  • the n-doped semiconductor layer may additionally contain antimony.
  • the proportion of antimony is preferably 0 to 5%, preferably 0.2 to 2.5% and particularly preferably 0.4 to 1.2%.
  • the substrate of the semiconductor component according to the invention is preferably made of GaAs or Ge. It is likewise possible to use a substrate carrier, in particular made of silicon, which is formed at least in regions with a coating of GaAs or Ge.
  • the substrate consists essentially of the materials mentioned. At the same time, however, small amounts of other elements may be included without adversely affecting the function of the semiconductor device. Likewise, small amounts of impurities common for the substrate materials may be included.
  • a further preferred embodiment provides that the p-type semiconductor layer In x (Al y Gai_ y) i_ x As with 0.00 ⁇ x ⁇ 0.49 and (0.15 + 0.4 x 2.7 + 2 x ) ⁇ y ⁇ (0.44 + 0.8 x 2.2 + x 2) for 0.00 ⁇ x ⁇ 00:35 respectively (0.15 + 0.4 x 2.7 + x 2) ⁇ y ⁇ 1 for 0.35 ⁇ x ⁇ 0.49 and between p-doped semiconductor layer and substrate at least one metamorphic buffer layer, in particular of GalnP and / or ln (AIGa) As is deposited.
  • the n-doped semiconductor layer be lattice-matched or slightly strained, i. with a maximum lattice mismatch of 1.5% to the p-doped semiconductor layer.
  • the p-doped semiconductor layers preferably have a layer thickness in Range of 30 nm to 5 ⁇ , in particular from 500 nm to 3 ⁇ on.
  • the n-doped semiconductor layers preferably have a layer thickness in the range from 30 nm to 2.5 ⁇ m, in particular from 90 nm to 500 nm.
  • the non-doped i-region preferably has a layer thickness in the range from 0 nm to 1 ⁇ m, in particular from 0 nm to 300 nm.
  • dopants used are carbon, zinc or mixtures thereof.
  • the dopant concentration is preferably in the range of 1 ⁇ 10 16 cm “3 to 5 * 10 18 cm “ 3 , particularly preferably of 5 * 10 16 cm “3 to 5 * 10 17 cm “ 3 .
  • the dopant used for the n-doped semiconductor layer is preferably silicon, tellurium, selenium or mixtures thereof. Here lies the
  • Dopant concentration preferably in the range of 1 * 10 16 cm “3 to 5 * 10 18 cm “ 3 , particularly preferably from 5 * 10 17 cm “3 to 3 * 10 18 cm “ 3 .
  • the semiconductor component according to the invention has at least one barrier layer.
  • the barrier layers are preferably selected from In (AIGa) As and / or In (AIGa) P and have a layer thickness in the range of 15 nm to 150 nm.
  • the semiconductor component can be grown both upright and inverted.
  • the pn junction of the semiconductor device according to the invention can be used for light absorption.
  • the pn junction has an internal quantum efficiency of at least 80% at at least one wavelength in the range of 300 nm to 840 nm.
  • Quantum yield is a measure of the ability of a solar cell to emit photons in electrons convert.
  • the measuring methodology for the determination of the internal quantum yield is described in B. Fischer, "Loss Analysis of crystalline silicon solar cells using photoconductance and quantum efficiency measurements", Dissertation, University of Konstanz, 2003, p. 39-46.
  • the semiconductor component is preferably present as a solar cell or as a multiple solar cell.
  • the semiconductor device is a photodetector or a receiver for laser power transmission.
  • the semiconductor devices according to the invention are used in particular for power generation in space or in the terrestrial area.
  • Fig. 1 shows a single solar cell according to the invention
  • Fig. 2 shows a tandem solar cell according to the invention
  • Fig. 3 shows a triple solar cell according to the invention
  • Fig. 5 shows a five-axis solar cell according to the invention
  • FIG. 1 shows by way of example a single solar cell according to the invention. This has a backside contact and consists of a p-GaAs substrate, a p-GaAs buffer layer, an AIGaAs / GalnP solar cell, a partially removed GaAs capping layer with front-side contact deposited thereon and an antireflection layer in the areas where the GaAs capping layer is removed.
  • the AIGaAs / GalnP solar cell consists of a highly p-doped (p + -doped) rear field of AIGaAs, a p-doped AIGaAs base, a lattice-matched n- (Al) GalnP emitter, and a highly n-doped (n + doped) window layer from AllnP.
  • FIG. 2 shows another application example for a tandem solar cell.
  • This has a backside contact and consists of a p-GaAs substrate, a p-GaAs buffer layer, a GaAs subcell, a tunnel diode, an AIGaAs / GalnP top cell, a partially removed GaAs cap layer with front contact applied thereto, and an antireflective layer in the regions in which the GaAs capping layer is removed.
  • the GaAs subcell consists of a p-AIGaAs barrier, a p-GaAs base, an n-GaAs emitter and an n + -AIGalnP barrier layer.
  • the subsequent tunnel diode consists of a very high n-doped (n ++ doped) GaAs
  • the subsequent AIGaAs / GalnP upper cell consists of a p + -AIGalnP barrier layer, a p + -AIGaAs back surface field, a p-doped AIGaAs base, a lattice-matched n- (Al) GalnP emitter, and a n-type window layer + -AllnP.
  • FIG. 3 shows a further example of application for a triple-junction solar cell.
  • This has a backside contact and consists of a Ge subcell, an n-doped growth layer, an n + AIGalnP barrier layer, a first tunnel diode, a GalnAs mid cell, a second tunnel diode, an AIGaAs / GalnP top cell, a partially removed GalnAs Cover layer with front side contact applied thereto and an antireflection layer in the areas in which the GalnAs cover layer is removed.
  • the Ge subcell consists of a p-Ge substrate and an n-Ge emitter diffused therein.
  • the two tunnel diodes each consist of an n ++ -GalnAs Layer and a p -AIGaAs layer.
  • the GalnAs mid-cell consists of a p + -AIGalnP barrier layer, a p-AIGalnAs barrier, a p-GalnAs base, an n-GalnAs emitter, and an n + -AIGalnP barrier layer.
  • AIGaAs / GalnP upper cell consists of a p + -AIGalnP barrier layer, a p + -AIGalnAs back surface field, a p-doped AIGalnAs base, a lattice-matched n- (AI) GalnP emitter, and a window layer of n + -AllnP.
  • FIG. 4 shows a further example of an application for a metamorphic triple-junction solar cell.
  • This has a backside contact and consists of a Ge subcell, a buffer, a first tunnel diode, a GalnAs center cell, a second tunnel diode, an AigalnAs / GalnP top cell, a partially removed GalnAs cap layer with front contact applied thereto, and an antireflection layer in the Areas in which the GaAs cap layer is removed.
  • the Ge subcell consists of a p-Ge substrate and an n-Ge emitter diffused therein.
  • the buffer consists of an n-doped growth layer, several metamorphic n-GalnAs buffer layers and an n + -AIGalnP barrier layer.
  • the two tunnel diodes each consist of an n ++ -GalnAs layer and a p ++ -AIGaAs layer.
  • the GalnAs mid-cell consists of a p + -AIGalnP barrier layer, a p-AIGalnAs barrier, a p-GalnAs base, an n-GalnAs emitter, and an n + -AIGalnP barrier layer.
  • the AIGalnAs / GalnP upper cell consists of a p + -AIGalnP barrier layer, a p + -AIGalnAs back surface field, a p-doped AIGalnAs base, a lattice matched n- (AI) GalnP emitter, and a window layer of n + -AllnP.
  • FIG. 5 shows another application example for a five-axis solar cell. It has a backside contact and consists of a Ge subcell, an n-doped growth layer, an n + AIGalnP barrier layer, a first tunnel diode, a GaInNAs subcell, a second tunnel diode, a GalnAs subcell, a third tunnel diode, an AIGaAs / GalnP subcell, one a fourth tunnel diode, an AIGalnP top cell and a partially removed GalnAs cover layer with front contact applied thereto and an antireflection layer in the areas in which the GalnAs cover layer is removed.
  • the Ge subcell consists of a p-Ge substrate and an n-Ge emitter diffused therein.
  • the four tunnel diodes each consist of an n ++ -GalnAs layer and a p ++ -AIGaAs layer.
  • GalnNAs subcell consists of a p + -AIGalnP barrier layer, a p-GalnAs barrier, a p-GalnNAs base, an n-GalnNAs emitter, and an n + -AIGalnP barrier layer.
  • the GalnAs subcell consists of a p-AIGalnP barrier layer, a p-GalnAs base, an n-GalnAs emitter, and an n + -AIGalnP barrier layer.
  • the AIGalnAs / GalnP subcell consists of a p + -AIGalnP barrier layer, a p + -AIGalnAs back surface field, a p-doped AIGalnAs base, a lattice-matched n-GalnP emitter, and a barrier layer of n + -AIGalnP.
  • the AIGalnP top cell consists of a p + -AIGalnP barrier, a p-AIGalnP base, an n-AIGalnP emitter and a window layer of n + -AllnP.

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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(Al Ga)P besteht. Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente finden insbesondere als Solarzellen oder Mehrfachsolarzellen, aber auch als Photodetektoren Verwendung.

Description

Halbleiterbauelement auf Basis von ln(AIGa)As und dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente, die aus einem Substrat sowie mindestens zwei einen pn-Übergang bildenden Halbleiterschichten gebildet werden, wobei die p-dotierte Halbleiterschicht aus ln(AIGa)As und die n- dotierte Halbleiterschicht aus ln(AIGa)P besteht. Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente finden insbesondere als Solarzellen oder Mehrfachsolarzellen, aber auch als Photodetektoren Verwendung. Das Material AlxGai_xAs bietet eine sehr interessante Bandlücke für Solarzellen. Mit einem AI-Gehalt x bis etwa 0.44 ist AlxGai_xAs ein direkter Halbleiter und besitzt eine Bandlücke Eg von 1.4 eV bis etwa 1.9 eV. In n-dotiertem AlxGai_xAs bilden sich jedoch Defekte welche direkt mit dem n-Dotierstoff verknüpft sind. Ab einem AI-Gehalt von etwa 0.20 bis über die Grenze zum indi- rekten 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 be- zeichnet und mit einem Model nach Chadi und Chang (DJ. Chadi und K.J.
Cha ng: "Theory of the Atomic and Electronic Structure of DX Centers in GaAs and AIxGa^As 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 Eigenschaf- ten 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 AI-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 AI- 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 Zustandsdich- te oberhalb der Leitungsbandkante. Dies würde zu einer Reduzierung des Ferminiveaus und damit zu einer niedrigeren Zellspannung führen. Bei sehr niedrigen AI-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 AlxGai_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 AlxGai_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
lnx(AlyGai_y)i_xAs, in welchem die Energieniveaus der DX-Zentren nahe der Leitungsbandkante oder innerhalb der Bandlücke liegen. Bisherige Verbesse- rungs- und Lösungsansätze für AlxGai_xAs-Solarzellen, welche sich auch unter Berücksichtigung von veränderter Gitterkonstante, bzgl. DX-Zentren kritischem Materialbereich und veränderter Bandlücke, auf lnx(AlyGai-y)i-xAs - Solarzellen übertragen lassen, sind:
Einfügen eines Dotierstoff- oder AI-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 AI-Gradienten kann auch die Lichtabsorption im n-dotierten Material reduziert werden.
- Verwendung anderer Halbleitermaterialien:
o Gaylni_yP kann beispielsweise auf GaAs oder Ge gewachsen werden. Dieser Halbleiter besitzt jedoch nur für eine bestimmte Materialkomposition (y etwa 0.50) die gleiche Gitterkonstan- te 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 AI-Gehalt im AlxGai_xAs zu variieren, da sich hierbei die Gitterkonstante kaum verändert. Darüber hinaus besteht Ga0.5ol n0.5oP zu einem signifikanten Anteil aus Indium. Da Indium ein seltenes Element der Erdkruste ist, führt dies im Vergleich zu einer Solarzelle aus AlxGai_xAs zu höheren Material- und damit Produktionskosten, o Es können auch quaternäre Verbindungen wie GalnAsP als Zellmaterial verwendet werden. Gitterkonstante und Bandlücke dieses quaternären Materials sind jedoch deutlich aufwändiger einzustellen und zu kontrollieren als im AlxGai_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 AI- Gehalts kritischen Bereich von AlxGai_xAs liegt. Durch die Teiltransparenz bei niedriger Bandlücke (z. B. GaAs oder AlxGai_xAs mit einem unkritischen AI-Gehalt bis 0.15) kann auf diese Weise trotzdem eine Stromanpassung der einzelnen Teilzellen erreicht werden. Dies führt jedoch im Vergleich zu einer AlxGai_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 (AIGaln) P bzw. aus n-dotiertem GalnP als Emitter und p-dotiertem GaAs als Basis. Die hier beschriebenen pn-Übergänge der Solarzellen sind jedoch frei vom AIGa (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- AlxGai_xAs Basis und einem n-dotiertem Bereich aus n-dotiertem AlxGai_xAs und Gaylni_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 lnx(AlyGai-y)i-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 erfindungsgemä e 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 lnx(AlyGai_y)i_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 lnz(AlwGai_w)i_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 vor- liegenden 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 lnz(AlwGai_w)i_zP als n-dotiertem Material lässt sich in dem Kompositionsbereich von lnx(AlyGai-y)i-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 InGehalt abhängigen Bereich einstellbar. Die Stärke der Verbesserung hängt dabei nicht nur von der Materialkomposition des lnx(AlyGai_y)i_xAs, sondern auch vom gewählten n-Dotierstoff der n-dotierten lnx(AlyGai_y)i_xAs Schicht ab, welche durch das lnz(AlwGai_w)i_zP ersetzt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die p-dotierte Halbleiterschicht aus lnx(AlyGai_y)i_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
lnz(AlwGai_w)i_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
lnx(AlyGai_y)i_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 lnz(AlwGai_w)i_zP mit 0.48 < z < 0.97 und 0 < w < lgebildet. 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 lnx(AlyGai_y)i_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 GalnP und/oder ln(AIGa)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 μιη, insbesondere von 500 nm bis 3 μιη auf. Die n- dotierten Halbleiterschichten weisen vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 30 nm bis 2,5 μιη, insbesondere von 90 nm bis 500 nm auf. Der nicht-dotierte i-Bereich weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 0 nm bis 1 μιη, 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 ln(AIGa)As und/oder ln(AIGa)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 Quantenaus- beute ist ein Maß für die Fähigkeit einer Solarzelle, Photonen in Elektronen umzuwandeln. Die Messmethodik für die Bestimmung der internen Quanten- ausbeute 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.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einfachsolarzelle
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Tandemsolarzelle
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Dreifachsolarzelle
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäß metamorphe Dreifachsolarzelle
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Fünffachsolarzelle
Die Figur 1 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Einfachsolarzelle. Diese weißt einen Rückseitenkontakt auf und besteht aus einem p-GaAs Substrat, einer p-GaAs Pufferschicht, einer AIGaAs/GalnP-Solarzelle, einer teilweise entfernten GaAs Deckschicht mit darauf aufgebrachtem Vorderseitenkontakt sowie einer Antireflexschicht in den Bereichen, in welchen die GaAs Deckschicht entfernt ist. Die AIGaAs/GalnP-Solarzelle besteht aus einem hoch p- dotierten (p+-dotierten) Rückseitenfeld aus AIGaAs, einer p-dotierten Basis aus AIGaAs, einem dazu gitterangepassten n-(AI)GalnP Emitter sowie einer hoch n-dotierten (n+-dotierten) Fensterschicht aus AllnP.
Die Figur 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 AIGaAs/GalnP-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-AIGaAs Barriere, einer p-GaAs Basis, einem n- GaAs Emitter sowie einer n+-AIGalnP Barrierenschicht. Die sich anschließende Tunneldiode besteht aus einer sehr hoch n-dotierten (n++-dotierten) GaAs
Schicht und einer sehr hoch p-dotierten (p++-dotierten) AIGaAs Schicht an. Die darauf folgende AIGaAs/GalnP-Oberzelle besteht aus einer p+-AIGalnP- Barrierenschicht, einem p+-AIGaAs Rückseitenfeld, einer p-dotierten Basis aus AIGaAs, einem dazu gitterangepassten n-(AI)GalnP Emitter sowie einer Fens- terschicht aus n+-AllnP.
Die Figur 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+-AIGalnP Barrierenschicht, einer ersten Tunneldiode, einer GalnAs-Mittelzelle, einer zweiten Tunneldiode, einer AIGaAs/GalnP-Oberzelle, einer teilweise entfernte GalnAs Deckschicht mit darauf aufgebrachtem Vorderseitenkontakt sowie einer Antireflexschicht in den Bereichen, in welchen die GalnAs 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++-GalnAs Schicht und einer p -AIGaAs Schicht. Die GalnAs-Mittelzelle besteht aus einer p+-AIGalnP-Barrierenschicht, einer p-AIGalnAs Barriere, einer p-GalnAs Basis, einem n-GalnAs Emitter sowie einer n+-AIGalnP Barrierenschicht. Die
AIGaAs/GalnP-Oberzelle besteht aus einer p+-AIGalnP-Barrierenschicht, einem p+-AIGalnAs Rückseitenfeld, einer p-dotierten Basis aus AIGalnAs, einem dazu gitterangepassten n-(AI)GalnP Emitter sowie einer Fensterschicht aus n+-AllnP.
Die Figur 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 GalnAs- Mittelzelle, einer zweiten Tunneldiode, einer AIGalnAs/GalnP-Oberzelle, einer teilweise entfernte GalnAs 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-GalnAs Pufferschichten sowie einer n+-AIGalnP Barrierenschicht. Die beiden Tunneldioden bestehen jeweils aus einer n++-GalnAs Schicht und einer p++-AIGaAs Schicht. Die GalnAs-Mittelzelle besteht aus einer p+-AIGalnP-Barrierenschicht, einer p- AIGalnAs Barriere, einer p-GalnAs Basis, einem n-GalnAs Emitter sowie einer n+-AIGalnP Barrierenschicht. Die AIGalnAs/GalnP-Oberzelle besteht aus einer p+-AIGalnP-Barrierenschicht, einem p+-AIGalnAs Rückseitenfeld, einer p- dotierten Basis aus AIGalnAs, einem dazu gitterangepassten n-(AI)GalnP Emitter sowie einer Fensterschicht aus n+-AllnP.
Die Figur 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+-AIGalnP Barrierenschicht, einer ersten Tunneldiode, einer GaInNAs-Teilzelle, einer zweiten Tunneldiode, einer GalnAs-Teilzelle, einer dritten Tunneldiode, einer AIGaAs/GalnP-Teilzelle, ei- ner vierten Tunneldiode, einer AIGalnP-Oberzelle sowie einer teilweise entfernte GalnAs Deckschicht mit darauf aufgebrachtem Vorderseitenkontakt sowie einer Antireflexschicht in den Bereichen, in welchen die GalnAs 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++-GalnAs Schicht und einer p++-AIGaAs Schicht. Die
GalnNAs-Teilzelle besteht aus einer p+-AIGalnP Barrierenschicht, einer p- GalnAs Barriere, einer p-GalnNAs Basis, einem n-GalnNAs Emitter sowie einer n+-AIGalnP Barrierenschicht. Die GalnAs-Teilzelle besteht aus einer p-AIGalnP Barrierenschicht, einer p-GalnAs Basis, einem n-GalnAs Emitter sowie einer n+-AIGalnP Barrierenschicht. Die AIGalnAs/GalnP-Teilzelle besteht aus einer p+-AIGalnP-Barrierenschicht, einem p+-AIGalnAs Rückseitenfeld, einer p- dotierten Basis aus AIGalnAs, einem dazu gitterangepassten n-GalnP Emitter sowie einer Barrierenschicht aus n+-AIGalnP. Die AIGalnP-Oberzelle besteht aus einer p+-AIGalnP-Barriere, einer p-AIGalnP Basis, einem n-AIGalnP Emitter sowie einer Fensterschicht aus n+-AllnP.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterbauelement mit mindestens einem Substrat sowie mindestens zwei einen pn-Übergang bildenden Halbleiterschichten, wobei die p-dotierte Halbleiterschicht aus lnx(AlyGai-y)i-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 lnz(AlwGai_w)i_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.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die p-dotierte Halbleiterschicht aus l nx(AlyGai-y)i-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 lnz(AlwGai-w)i. ZP mit 0.48 < z < 0.82 und 0 < w < 0.8, insbesondere 0.01 < w < 0.1 gebildet ist.
3. 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.
4. 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.
5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die p-dotierte Halbleiterschicht l nx(AlyGai-y)i-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, insbesonde- re aus Gal nP und/oder ln(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 μιη, insbesondere von 90 nm bis 500 nm,
• p-dotierte Halbleiterschicht im Bereich von 30 nm bis 5 μιη, insbesondere von 500 nm bis 3 μιη,
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichten folgende Dotierstoffe aufweisen:
• n-dotierte Halbleiterschicht Silicium, Tellur, Selen und M i¬
16 schungen hiervon, bevorzugt in einer Konzentration von 1*10 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.
8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Übergang ein n auf p Übergang oder ein p auf n Übergang ist.
9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement mindestens eine Barriereschicht, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus AIGalnAs und/oder AIGalnP, aufweist.
10. Halbleiterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Barrierenschicht eine Schichtdicke im Bereich von 15 nm bis 150 nm aufweist.
11. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement aufrecht oder invertiert gewachsen ist.
12. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Übergang eine interne Quanten- effizienz von mindestens 80% bei mindestens einer Wellenlänge im Bereich von 300 nm bis 840 nm aufweist.
13. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine Solarzelle oder Mehrfachsolarzelle ist.
14. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement ein Photodetektor oder ein Empfänger zur Laserleistungsübertragung ist.
15. Verwendung des Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für die Stromerzeugung im Weltraum oder im terrestrischen Bereich.
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