专利名称：一种宽带隙多异质结隧穿结结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种宽带隙多异 质结隧穿结结构，是用于串接多个子电池的高倍聚光砷化镓多结太阳电池的隧穿结结构。
背景技术：
砷化镓多结太阳电池由若干不同带隙的子电池串接而成，各子电池均为p-n结构，如果直接串联在一起，则子电池接触界面会形成反偏的p-n结而导致电压相互抵消而不导电。采用隧穿结联结可以解决这一问题。隧穿结也是P-n结构，其特点是功能层厚度薄且掺杂浓度非常高，费米能级分别进入P区和N区的价带和导带，当有太阳光照时，隧穿结两端出现电势差，N区多数载流子-电子可以从N区导带直接隧穿进入P区价带，于是产生隧穿电流，达到联接两个子电池的作用，当电势差不断增加，N区载流子费米能级高于P区载流子费米能级时，载流子便不能隧穿，此时隧穿结电流称为峰值峰穿电流。隧穿结的峰值峰穿电流与掺杂浓度有关，掺杂浓度越高，隧穿结的峰值隧穿电流越大。为了降低隧穿结对太阳光的吸收，隧穿结功能层要求采用宽带隙材料。然而，随着材料带隙的增加，半导体层的有效掺杂浓度和载流子隧穿几率都会下降，导致隧穿结峰值电流密度会呈指数形式下降。传统的隧穿结由两个功能层构成，即仅具有第二和第三功能层。如N^GaAsA^GaAs' N++GaAs/P++AlGaAs等结构，其带隙较小，限制了更宽带隙子电池的应用，而采用宽带隙的AlInP2/GaInP2隧穿结[Electronics letters 1998 Vol.34 No. 4]、Ala2Gaa3Ina5PZAla9GaaiAs 隧穿结[Sharps, P. R. Photovoltaic SpecialistsConference, 2000. Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE],峰值电流密度均低于2A/cm2，难以满足高倍聚光太阳电池的应用。
发明内容
为了解决上述宽带隙隧穿结峰值电流密度低的问题，本发明的目的在于提供一种宽带隙多异质结隧穿结结构，以提高峰值隧穿电流，满足高倍聚光太阳电池的应用。为了达成上述目的，本发明的解决方案是
一种宽带隙多异质结隧穿结结构，由四个功能层组成；第一功能层具有第一带隙和第一型掺杂；第二功能层具有第二带隙和第一型掺杂，且带隙小于第一带隙；第三功能层具有第三带隙和第二型掺杂；第四功能层具有第四带隙和第二型掺杂，且带隙大于第三带隙。对于位于外层的第一功能层和第四功能层，其带隙2. 20eV (电子伏特)(Eg (半导体化合物能隙 Energy gapX 2. 50eV,组成成分为(AlyGa^y) ^xInxP 或(AlyGa1I)1-JnxAs,其中In的组分为0<x<0. 85，Al的组分为0. 50 < y < I. 00，各组分含量以摩尔比计，薄膜厚度为20-100 nm，掺杂浓度为5 X 1018_5 X 102°cnT3。对于位于内层的第二功能层和第三功能层，其带隙I. 80eV彡Eg彡2. 20eV，组成成分为(AlyGa1J ι-χΙηχΡ 或(AlyGa1J ^xInxAs,其中 In 的组分 O 彡 χ 彡 0. 85，Al 的组分 O 彡 y< 0. 50，薄膜厚度为10-20 nm，掺杂浓度为5 X 1018-5 X IO2W0
采用上述方案后，本发明解决了现有技术宽带隙隧穿结峰值电流密度低的问题，采用四个功能层组成隧穿结结构，各功能层之间形成异质结，既可以通过PN型或nP型异质结构的带阶提高峰值隧穿电流，又可以通过Pp型或Nn型异质结构的载流子的注入效应来实现载流子补偿，进一步提高峰值隧穿电流和更小的串联电阻，从而满足高倍聚光太阳电池的应用。
图I是第一实施例的结构示意 图2是第二实施例的结构示意 图3是第二实施例的结构意 图4是第三实施例的剥离键合后结构示意图。
具体实施例方式本发明的第一种实施方式如图I所示，在衬底10上依次有第一带隙子电池11、第一功能层12、第二功能层13、第三功能层14、第四功能层15、第二带隙子电池16和帽子层 17。衬底 10 为 Ge 或 GaAs。第一带隙子电池 11 由 GaAs、GaInAs、GaInNAs、GaInNAsSb、GalnAsP、AlGaAs> AlGaAsP、AlGalnAs、GalnP、AlGaInP 等一种或几种材料构成的极性为PN型的同质结或异质结。第一功能层12由AlGaInP构成，Al组分O. 85，掺杂Si，厚度20-100nm，掺杂浓度I X IO19CnT3 ;第二功能层13由AlGaInP构成，Al组分为O. 15，掺杂为Si，厚度为10-20nm，掺杂浓度5X IO19CnT3 ;第三功能层14由AlGaAs组成，Al组分为O. 15，掺杂为C，厚度为10-20nm，掺杂浓度IXlO2ciCnT3 ;第四功能层15由AlGaAs组成，Al组分为O. 85，掺杂为C，厚度为20-100nm，掺杂浓度lX102°cnT3。第二带隙子电池16由AlGaAs、AlInAs、AlInP、GaInP、GaAsP、AlGaInP等一种或几种材料构成的极性为PN型的同质结或异质结。帽子层17为GaAs或GaInAs。其中,第二功能层13与第三功能层14形成pN型异质结，多数载流子复合形成隧穿电流；第一功能层12与第二功能层13形成Nn型异质结，异质结界面会通过扩散形成有效力场，使多数载流子通过漂移不断补偿到第二功能层13中，且异质结会形成带阶会形成势垒，有效阻止多数载流子泄漏；第三功能层14与第四功能层15形成PP型异质结，异质结界面会通过扩散形成有效力场，使多数载流子通过漂移不断补偿到第三功能层14中，且异质结会形成带阶会形成势垒，有效阻止多数载流子泄漏。由于第一功能层12、第四功能层15的载流子注入与防泄漏功效，增加了第二功能层13、第三功能层14中的有效载流子浓度，因而该隧穿结结构具有更高的峰值隧穿电流，采用该隧穿结构的电池能在更高聚光倍数的太阳光下正常工作。本发明的第二种实施方式如图2所示，在衬底200上依次有第一带隙子电池201、第一隧穿结第一功能202、第一隧穿结第二功能203、第一隧穿结第三功能204、第一隧穿结第四功能205、第二带隙子电池206、第二隧穿结第一功能207、第二隧穿结第二功能208、第二隧穿结第三功能209、第二隧穿结第四功能210、第三带隙子电池211、帽子层212。衬底200为Ge。第一带隙子电池201由Ge的p-n结组成。第一隧穿结第一功能202由AlGaInP构成，Al组分O. 15，掺杂Si，厚度20-100nm，掺杂浓度5 X IO19CnT3 ;第一隧穿结第二功能层203由AlGaInP构成，Al组分O. 05，掺杂Si，厚度10_20nm，掺杂浓度5X IO19CnT3 ;第一隧穿结第三功能层204由AlGaAs组成，Al组分O. 10，掺杂C，厚度10_20nm，掺杂浓度I X IO2qChT3 ；第一隧穿结第四功能层205由AlGaAs组成，Al组分O. 30，掺杂C，厚度20_100nm，掺杂浓度IXlO20Cm-3O 第二带隙子电池 206 由 AlGaAs、AlInAs、AlInP、GaInP、GaAsP、AlGaInP 等一种或几种材料构成的极性为PN型的同质结或异质结。第二隧穿结第一功能207由AlGaInP构成，Al组分O. 85，掺杂Si，厚度20-100nm，掺杂浓度5 X IO19CnT3 ;第二隧穿结第二功能层208由AlGaInP构成，Al组分O. 15，掺杂Si，厚度10_20nm，掺杂浓度5X IO19CnT3 ;第二隧穿结第三功能层209由AlGaAs组成，Al组分O. 15，掺杂C，厚度10_20nm，掺杂浓度I X 102°cnT3 ；第二隧穿结第四功能层210由AlGaAs组成，Al组分O. 85，掺杂C，厚度20_100nm，掺杂浓度 IXlO2W30 第三带隙子电池 211 由 AlGaAs, AlInAs, AlInP、GaInP、GaAsP、AlGaInP、GaAsSb等一种或几种材料构成的极性为PN型的同质结或异质结。帽子层212为GaAs或GaInAs0其中，第一隧穿结的第二功能层203与第三功能层204形成pN型异质结，多数载流子复合形成隧穿电流；第一隧穿结的第一功能层202与第二功能层203形成Nn型异质结，异质结界面会通过扩散形成有效力场，使多数载流子通过漂移不断补偿到第二功能层203中，且异质结会形成带阶会形成势垒，有效阻止多数载流子泄漏；第一隧穿结的第三功能层 204与第四功能层205形成pP型异质结，异质结界面会通过扩散形成有效力场，使多数载流子通过漂移不断补偿到第三功能层204中，且异质结会形成带阶会形成势垒，有效阻止多数载流子泄漏；由于第一功能层202和第四功能层205的载流子注入与防泄漏功效，增加了第二功能层203和第三功能层204中的有效载流子浓度，从而增加了该隧穿结结构的峰值隧穿电流。第二隧穿结的第二功能层208与第三功能层209形成pN型异质结，多数载流子复合形成隧穿电流；第二隧穿结的第一功能层207与第二功能层208形成Nn型异质结，异质结界面会通过扩散形成有效力场，使多数载流子通过漂移不断补偿到第二功能层208中，且异质结会形成带阶会形成势垒，有效阻止多数载流子泄漏；第二隧穿结的第三功能层209与第四功能层210形成pP型异质结，异质结界面会通过扩散形成有效力场，使多数载流子通过漂移不断补偿到第三功能层209中，且异质结会形成带阶会形成势垒，有效阻止多数载流子泄漏；由于第一功能层207和第四功能层210功能层的载流子注入与防泄漏功效，增加了第二功能层208和第三功能层209功能层中的有效载流子浓度，从而增加了该隧穿结结构的峰值隧穿电流。三结电池由于采用了两组宽禁带异质结隧穿结结构，隧穿结对太阳光的吸收损耗减少，隧穿结的峰值隧穿电流较大，能在较高聚光倍数的太阳光下正常工作。本发明的第三种实施方式如图3所示，在衬底300上依次有第一帽子层301、第一带隙子电池302、第一隧穿结第一功能层303、第一隧穿结第二功能层304、第一隧穿结第三功能层305、第一隧穿结第四功能层306、第二带隙子电池307、第二隧穿结第一功能层308、第二隧穿结第二功能层309、第二隧穿结第三功能层310、第二隧穿结第四功能层311、第三带隙子电池312、第二帽子层313。衬底300为Ge或GaAs，第一帽子层301为GaAs或GalnAs。第一带隙子电池 302 由 AlGaAs、AlInAs、AlInP、GaInP、GaAsP、AlGaInP、GaAsSb 等一种或几种材料构成的同质结或异质结。第一隧穿结第一功能层303由AlGaAs组成，Al组分O. 85，掺杂C，厚度20-100nm，掺杂浓度IX IO2tlCnT3 ;第一隧穿结第二功能层304由AlGaAs组成，Al组分O. 15，掺杂C，厚度10-20nm，掺杂浓度I X 102°cnT3 ;第一隧穿结第三功能层305由AlGaInP构成，Al组分O. 30，掺杂Si，厚度10_20nm，掺杂浓度5X IO19CnT3 ;第一隧穿结第四功能306由AlGaInP构成，Al组分O. 85，掺杂Si，厚度20_100nm，掺杂浓度5X 1019cm_3。第二带隙子电池 307 由 AlGaAs、AlInAs, AlInP, GalnP, GaAsP, AlGaInP 等一种或几种材料构成的同质结或异质结。第二隧穿结第一功能层308由AlGaAs组成，Al组分O. 45，掺杂C，厚度20-100nm，掺杂浓度IX 102°cnT3 ;第二隧穿结第二功能层309由AlGaAs组成，Al组分O. 05，掺杂C，厚度10-20nm，掺杂浓度I X 102°cnT3 ;第二隧穿结第三功能层310由AlGaInP构成，Al组分O. 10，掺杂Si，厚度10-20nm，掺杂浓度5X IO19CnT3 ;第二隧穿结第四功能层311由AlGaInP构成，Al组分O. 45，掺杂Si，厚度20_100nm，掺杂浓度IXlO2W30第三带隙子电池312由GalnAs、GaInAsP、GaInNAsP、AlGaInAs等一种或几种材料构成的同质结或异质结。第二帽子层313为GalnAs。外延生长完成后，把外延层键合在新衬底314上，然后剥离去掉衬底300。外延层反转并与新衬底314键合后所构成的新结构如图4所示。在衬底314上依次有第二帽子层313、第三带隙子电池312、第二隧穿结第四功能层311、第二隧穿结第三功能层310、第二隧穿结第二功能层309、第二隧穿结第一功能层308、第二带隙子电池307、第一隧穿结第四功能层306、第一隧穿结第三功能层305、第一隧穿结第二功能层304、第一隧穿结第一功能层303、第一带隙子电池302、第一帽子层301。由于采用了两组宽 禁带多异质结隧穿结结构，隧穿结对太阳光的吸收损耗减少，隧穿结的峰值隧穿电流较大，能在较高聚光倍数的太阳光下正常工作。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制。本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可做出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴。
权利要求
1.一种宽带隙多异质结隧穿结结构，其特征在于由四个功能层组成；第一功能层具有第一带隙和第一型掺杂；第二功能层具有第二带隙和第一型掺杂，且带隙小于第一带隙；第三功能层具有第三带隙和第二型掺杂；第四功能层具有第四带隙和第二型掺杂，且带隙大于第三带隙。
2.根据权利要求I所述的一种宽带隙多异质结隧穿结结构，其特征在于位于外层的第一功能层和第四功能层，其带隙2. 20eV≤Eg≤2. 50eV。
3.根据权利要求2所述的一种宽带隙多异质结隧穿结结构，其特征在于第一功能层和第四功能层的组成成分为(AlyGa1I) ^xInxP或(AlyGapy) ^xInxAs,其中In的组分O≤0.85, Al的组分0. 50 < y < I. 00，各组分含量以摩尔比计，薄膜厚度为20_100nm。
4.根据权利要求2所述的一种宽带隙多异质结隧穿结结构，其特征在于第一功能层和第四功能层的掺杂浓度为5X 1018-5X IO2tlCm'
5.根据权利要求I所述的一种宽带隙多异质结隧穿结结构，其特征在于位于内层的第二功能层和第三功能层，其带隙I. 80eV≤Eg≤2. 20eV。
6.根据权利要求5所述的一种宽带隙多异质结隧穿结结构，其特征在于第二功能层和第三功能层的组成成分为(AlyGa1I) ^xInxP或(AlyGapy) ^xInxAs,其中In的组分0≤X≤0. 85，Al的组分0≤y < 0. 50，各组分含量以摩尔比计，薄膜厚度为10_20nm。
7.根据权利要求5所述的一种宽带隙多异质结隧穿结结构，其特征在于第二功能层和第三功能层的掺杂浓度为5X 1018-5X IO2tlCm'
全文摘要
本发明公开一种宽带隙多异质结隧穿结结构，由四个功能层组成；第一功能层具有第一带隙和第一型掺杂；第二功能层具有第二带隙和第一型掺杂，且带隙小于第一带隙；第三功能层具有第三带隙和第二型掺杂；第四功能层具有第四带隙和第二型掺杂，且带隙大于第三带隙。本发明解决了现有技术宽带隙隧穿结峰值电流密度低的问题，采用四个功能层组成隧穿结结构，各功能层之间形成异质结，既可以通过pN型或nP型异质结构的带阶提高峰值隧穿电流，又可以通过Pp型或Nn型异质结构的载流子的注入效应来实现载流子补偿，进一步提高峰值隧穿电流和更小的串联电阻，从而满足高倍聚光太阳电池的应用。
文档编号H01L31/0304GK102709349SQ20121020723
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者单智发, 张永, 林志伟, 蔡建九, 陈凯轩 申请人:厦门乾照光电股份有限公司