一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池的制作方法

本发明涉及半导体材料
技术领域：
，具体为一种插入alingan势垒层结构的ingan/gan多量子阱太阳能电池。
背景技术：
：iii-v族氮化物半导体材料具有带隙宽、光谱范围广、耐高温、耐腐蚀性和抗辐射能力强等特点，在光电子学领域和太空领域都有巨大的应用价值。尤其是ingan材料，其禁带宽度从0.7-3.4ev连续可调，其波段完整从近红外光谱区覆盖到紫外光谱区域，与太阳光谱完美匹配，因此，ingan基太阳能电池的研究越来越受到人们的关注。ingan太阳能电池在实验上的研究始于2003年，wu等人提出将ingan应用到太阳能电池设计中；2005年，jani等人首先尝试设计及制作gan/ingan异质结和gan/ingan量子阱太阳能电池，并测量其在紫外及白光辐照下的光电响应特性；2007年他们进一步制作出具有高开路电压(2.4ev)、填充因子(80％)及外量子效率(40％)的p-gan/i-in0.05ga0.95n/n-gan异质结太阳能电池，并提出ingan材料的相分离现象及较差的p型欧姆接触会使电池的性能变差。在此后的研究中，研究者们改善了材料的质量并提升了in的组分。但是随着in组分的提高，研究发现高in组分引起的ingan材料的相分离会对器件性能产生负面影响，为了在保证材料质量的情况下进一步提高in组分，研究者们开始尝试采用新结构来制作ingan太阳能电池，例如ingan/gan量子阱和超晶格结构等。ingan/gan多量子阱太阳能电池具有以下特点：(1)采用多量子阱结构能够更有效地调节电池的吸收带隙，拓宽长波段的光谱响应，提升短路电流密度。同时，iii族氮化物半导体材料具有很高的吸收系数，能够在很短的耗尽区内吸收大部分的光子，采用多量子阱结构可以在很薄的有源层中获得较高的短路电流密度，有助于减轻电池重量，降低制作成本；(2)引入多量子阱结构，可以利用双轴应力保持不同材料的共格生长，形成应变结构，降低晶格失配，在改善材料的晶体质量的同时提高ingan薄膜中的in组分，使高in组分ingan太阳能电池的研发成为了可能；(3)对多结太阳能电池来说，采用多量子阱结构进行带隙优化调配，通过最优的带隙组合解决电流匹配问题，使得在设计中对不同子电池的带隙和数量的选择更加灵活，工艺上也可以降低制作难度，从而使多结太阳能电池的转换效率达到最高。但是，目前ingan太阳能电池仍然存在一定的问题，例如极化效应的影响。由于纤锌矿结构和晶格失配，导致在蓝宝石[0001]方向上生长的gan基材料及其他的iii-v族半导体材料都具有极性，包括ga极性和n极性。不论哪种极性，材料中都存在着很强的极化效应，包括自发极化和压电极化，其中自发极化是由纤锌矿结构在[0001]方向上的不对称引起的，压电极化是由于不同材料之间的晶格失配使得材料内部产生双轴应变，使得阴阳离子的排列发生位移引起的。在自发极化和压电极化的共同作用下，极化电荷会在界面处形成积累，产生很强的极化电场。极化电场会使基光电子器件的能带结构发生剧烈扭曲倾斜，产生附加势垒，严重阻碍光发生载流子的运输，进而影响器件的光电特性。同样ingan量子阱材料内部也存在载流子的输运问题，针对这一问题，研究者们通过减少多量子阱区域内部的双轴应力，进而调节势垒区的压电极化效应，从而增强光生电子的隧穿效应，使得较多的有效光生电子输运到n型区域，进而提高光生电子的输运效率，有利于太阳能电池光电转换效率的提升。但是，对改进p-gan的结构从而提高p-gan区域的空穴载流子的输运能力，进而改善器件性能的研究仍然较少。技术实现要素：为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种插入alingan势垒层结构的ingan/gan多量子阱太阳能电池，本发明对p-gan的结构进行了改进，也就是在外延p-gan之前插入一层allngan层，并调节alingan材料的al和in组分，得到势垒层为al0.2in0.04ga0.76n层，引入适当的晶格常数和热膨胀系数，使得该层结构不仅有较低的热膨胀系数，而且与gan材料相比具有较好的晶格匹配度，从而使得空穴载流子在p-gan层具有较强的运输效率，进而改善ingan/gan多量子阱太阳能电池效率。本发明提供一种插入alingan势垒层结构的ingan/gan多量子阱太阳能电池，包括一衬底，衬底上设置有gan层，gan层上设置有n型掺杂gan层，n型掺杂gan层上表面的一侧具有一台面，台面低于n型掺杂gan层的上表面，n型掺杂gan层上表面从下到上依次层叠设置有超晶格层、非掺杂gan缓冲层、非掺杂ingan/gan多量子阱层、gan势垒层、alingan势垒层和p型掺杂gan层，p型掺杂gan层上设置有多个p型电极，相邻的p型电极之间通过设置在p型掺杂gan层上的透明电极层连接；n型掺杂gan层的台面上设置有n型电极。优选的，alingan势垒层为al0.2in0.04ga0.76n层，alingan势垒层的厚度为40nm。优选的，非掺杂ingan/gan多量子阱层包括10～13个层叠设置的ingan/gan周期结构，每个周期内ingan的厚度为2～5nm，gan的厚度为5～10nm。优选的，超晶格层包括10～15个ingan/gan周期结构，每个周期内ingan的厚度为2～5nm，gan的厚度为3～5nm。优选的，非掺杂gan缓冲层的厚度为80nm，gan势垒层的厚度为20nm，gan势垒层的掺杂浓度为1×1019cm-3。优选的，n型掺杂gan层为si掺杂的n-gan层，n型掺杂gan层的厚度为2μm，n型掺杂gan层的掺杂浓度为1×1019cm-3。优选的，p型掺杂gan层为mg掺杂的p-gan层，p型掺杂gan层的厚度为40nm，p型掺杂gan层的掺杂浓度为1×1021cm-3。优选的，p型电极由cr、ni和au依次沉积得到，透明电极层的材料为ito，n型电极由cr、ni和au依次沉积得到。优选的，gan层的厚度为2μm。优选的，衬底为蓝宝石衬底，衬底的厚度为430μm。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、本发明通过对p-gan的结构进行改进，也就是在外延p-gan之前插入一层allngan层，并调节alingan材料的al和in组分，得到势垒层为al0.2in0.04ga0.76n层，使该层结构具有较好的晶格匹配和较低的热膨胀系数，使得空穴载流子的输运效率强烈提高，从而得到高效的ingan太阳能电池；2、本发明中对插入的alingan材料的厚度进行调节，得到40nm的最佳厚度，从而在一定程度上减缓了ingan层应力的释放；3、本发明中引入了al0.2in0.04ga0.76n层结构的太阳能电池的光电转换效率达到1.96％，与传统ingan基太阳能电池相比提高了226.7％。附图说明图1为本发明一种插入alingan势垒层结构的ingan/gan多量子阱太阳能电池的结构示意图；图2为本发明实施例1的太阳能电池的性能图。图中：1、衬底；2、gan层；3、n型掺杂gan层；4、超晶格层；5、非掺杂gan缓冲层；6、非掺杂ingan/gan多量子阱层；7、gan势垒层；8、alingan势垒层；9、p型掺杂gan层；10、p型电极；11、透明电极层；12、n型电极。具体实施方式以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明不限于这些实施例。实施例1本实施例提供一种插入alingan势垒层结构的ingan/gan多量子阱太阳能电池，如图1所示，包括一蓝宝石衬底1，蓝宝石衬底1的厚度为430μm，蓝宝石衬底1上设置有gan层2，gan层的厚度为2μm，gan层2上设置有n型掺杂gan层3，也就是厚度为2nm，掺杂浓度为1×1019/cm3的si掺杂的n-gan层，si掺杂的n-gan层3上表面的一侧具有一台面，台面低于si掺杂的n-gan层3的上表面，si掺杂的n-gan层3上表面设置有超晶格层4，超晶格层4包括10个ingan/gan周期结构，每个周期内ingan的厚度为2nm，gan的厚度为3nm，超晶格层4上设置有厚度为80nm的非掺杂gan缓冲层5，非掺杂gan缓冲层5上设置有非掺杂ingan/gan多量子阱层6，非掺杂ingan/gan多量子阱层6包括13个层叠设置的ingan/gan周期结构，每个周期内ingan的厚度为3nm，gan的厚度为9nm，非掺杂ingan/gan多量子阱层6上设置有厚度为20nm、掺杂浓度为1×1019/cm3的gan势垒层7，gan势垒层7上设置有厚度为40nm的al0.2in0.04ga0.76n势垒层8，al0.2in0.04ga0.76n势垒层8上设置有厚度为40nm、掺杂浓度为1×1021/cm3的mg掺杂的p-gan层9，mg掺杂的p-gan层9上设置有多个p型电极10，相邻的p型电极10之间通过设置在p型掺杂gan层上的ito11连接，n型掺杂gan层3的台面上设置有n型电极12，p型电极10和n型电极12都由cr、ni和au依次沉积得到。本实施例还提供本发明还提供了上述alingan势垒层结构的ingan/gan量子阱太阳能电池结构的生长方法，包括以下步骤：1.表面清洗用比例为5：1：1的硫酸、双氧水、水混合液，其温度为60℃，将材料浸泡5分钟后，冲水甩干，然后在盐酸和水的比例为l：5的混合液中浸泡5分钟，冲水甩干；2.蒸渡透明电极层(ito)蒸渡的ito的厚度为230nm；3.一次光刻(透明电极图形光刻)用500转涂正性光刻胶5秒，再用4000转涂正性光刻胶25秒，然后用热板在105℃烘烤90秒，将光刻胶烘干。将光刻板ll盖其表面，用光强为13mw/cm2的曝光机将其曝光6秒；曝光后用显影剂对其显影20秒，然后再冲洗干净。然后对显影后的图形进行检查，若无异常，则用热板在125℃时烘烤25分钟；4.ito腐蚀把ito刻蚀液加热到47℃，每次腐蚀前用温度计测温，确保溶液温度到达47℃，然后在腐蚀液中腐蚀7分钟。ito腐蚀结束后，在显微镜下观察腐蚀结果，如果在显微镜下可以看到双线，则腐蚀成功，若没有腐蚀干净，则将外延片再浸入腐蚀液中30秒或者1分钟，然后冲洗甩干；5.光刻胶去除将晶圆浸入到去胶液#2里10分钟，然后浸入到去胶液#1里10分钟，去胶液的温度控制在75-85℃之间，然后将晶圆冲洗甩干，采用氧气等离子体去除光刻胶，氧气等离子体的功率为200w，去除时间为90秒；6.二次光刻(平台图形光刻)甩胶前将晶圆在105℃的热板上烘烤60秒，然后用500转涂正性光刻胶5秒，再用2500转涂正性光刻胶20秒，然后用热板在105℃烘烤90秒，将光刻胶烘干。将光刻板l2盖在其表面，用曝光机将其曝光6秒，曝光机的功率为13mw/cm2。曝光后用显影剂对其显影30秒，然后再冲洗干净。然后对显影后的图形进行检查，若无异常，则用热板在125℃时烘烤30分钟。7.干法刻蚀(icp刻蚀)8.去除光刻胶将晶圆冲洗甩干，采用氧气等离子体去除光刻胶，将晶圆浸入到去胶液2里10分钟，然后浸入到去胶液l里15分钟，去胶液的温度控制在75-85℃之间。然后将晶圆冲洗甩干，采用氧气等离子体去除光刻胶，氧气等离子体的功率为200w，去除时间为90秒；9.退火将退火炉的温度设置为520℃，氮气的流量为2l/min，退火18分钟。10.三次光刻(n极图形光刻)(1)涂光刻胶用500转涂负性光刻胶5秒，再用4000转涂负性光刻胶25秒，光刻胶厚度约为3.0μm。(2)软烤用热板在100℃烘烤90秒，将光刻胶烘干。将试片取出冷却至室温。(3)曝光将光刻板l3盖在其表面，用曝光机将其曝光9秒，曝光机的光强为13mw/cm2。(4)显影曝光后用显影剂对其显影45秒，然后再冲洗干净。(5)硬烤将试片置于烤箱中，以120℃的温度加热15分钟，完成后将试片从烤箱取出并冷却至室温。(6)检查对显影后的图形进行检查，若无异常，则用氧等离子清洁其表面。11.蒸镀电极用电子束蒸镀机，蒸镀的金属依次为cr/ni/au(30nm/l3nm/1200nm)，蒸镀的速度均设定为0.1nm/s。12.剥离(1)将晶圆浸入到去胶液2里10分钟，然后浸入到去胶液l里10分钟，去胶液的温度控制在75-85℃之间。(2)把晶圆排放在工作台上，正面朝上，用白膜全部覆盖晶圆表面，用无尘纸轻轻按压，反复擦拭，确保白膜与晶圆表面接触紧密，然后轻轻拉起白膜，检查晶圆表面，确保剥离干净。(3)将晶圆浸入到去胶液捍2里5分钟，然后浸入到去胶液l里10分钟，去胶液的温度控制在75-85℃之间。(4)冲洗甩干。13.退火将退火炉的温度设置为300℃，氮气的流量为2l/min，退火30分钟。材料生长完毕后，利用常规半导体器件工艺，经过光刻、刻蚀和蒸镀金属等工艺，先形成3×3ranl2mm2的电池台面，再分别在p型和n型gan层上制备cr/ni/au金属电极，顶面p-gan上的电极采用栅指状结构，电极宽度为5μm，中心间距为65μm；得到alingan势垒层结构的ingan/gan量子阱太阳能电池。实施例2与实施例1的结构相同，不同的是非掺杂ingan/gan多量子阱层6包括10个层叠设置的ingan/gan周期结构，每个周期内ingan的厚度为2nm，gan的厚度为10nm。实施例3与实施例1的结构相同，不同的是非掺杂ingan/gan多量子阱层6包括12个层叠设置的ingan/gan周期结构，每个周期内ingan的厚度为5nm，gan的厚度为5nm。实施例4与实施例1的结构相同，不同的是超晶格层4包括15个ingan/gan周期结构，每个周期内ingan的厚度为5nm，gan的厚度为5nm。对比例1与实施例1的结构相同，不同的是不插入al0.2in0.04ga0.76n层8，也就是传统的太阳能电池。本发明的实施例1～实施例4的太阳能电池都具有较好的性能，我们以实施例1的太阳能电池为例，将实施例1的太阳能电池与对比例的太阳能电池进行了性能测试，并进行比较，图2为实施例1的太阳能电池的性能图，表1为图2的数据表，通过图2和表1可知，实施例1的太阳能电池的光电转换效率达到1.96％，对比例1的太阳能电池的光电转换效率达到0.6％，实施例1的太阳能电池相较于对比例的太阳能电池提高了226.7％。表1实施例1的太阳能电池的性能voc(v)jsc(a/m2)ηff2.2410.21.96％85.94％以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12