一种基区带隙递变的空间GaInP/GaInAs/Ge电池外延片的制造方法与流程

本发明涉及电池外延片的制造方法技术领域，尤其是涉及一种基区带隙递变的空间gainp/gainas/ge电池外延片的制造方法。

背景技术：

gaas太阳能电池是空间飞行器的主要动力来源，与其他光伏电池相比具有抗辐射性能好，光电转化效率高等特点。空间用的gaas太阳能电池发展有常规晶格匹配的gainp/gainas/ge结构、失配gainp/gainas/ge结构、倒装gaas结构和更多节电池等多种结构。常规晶格匹配gainp/gainas/ge结构较其他结构光电转化效率低，但由于不需要生长较厚的缓冲层使其制造成本较低，是目前空间电池最常用的结构。

晶格匹配的三节gainp/gainas/ge结构由于晶格匹配，外延生长过程中位错密度较少，光电转化效率能达到30％左右，但由于gainp和gainas晶格参数固定，导致了结构中顶电池和中电池禁带宽度并非是最优的带隙组合，这就限制了此结构电池的开路电压和光电转化效率。

为了进一步提升空间gainp/gainas/ge晶格匹配电池的效率，同时控制电池外延片制造成本，优化顶电池或中电池带隙是一条途径。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基区带隙递变的空间gainp/gainas/ge电池外延片的制造方法，即优化空间gainp/ingaas/ge匹配结构顶电池带隙、提高电池开路电压的方法。

本发明的目的是这样实现的：一种基区带隙递变的空间gainp/gainas/ge电池外延片的制造方法，其中：在顶电池基区沉积四元系材料alxgayin1-x-yp，通过改变al、ga和in的组分使其禁带宽度递变；设计的alxgayin1-x-yp禁带宽度较顶电池gainp禁带宽度增大，使得电池的开路电压增加；同时禁带宽度的递减设计使得顶电池基区形成导带带阶，有利于光生载流子少子的收集；另外通过alxgayin1-x-yp组分的控制使得其与gainp晶格匹配，减少位错引起的复合，从而提升整个电池的光电转化效率。

具体步骤如下：

运用mocvd设备技术，在p-ge衬底上依次沉积n-algainp成核层，n-gaas/n-gainas缓冲层，n++-gaas/p++-gaas隧穿结层，p-algaas/p-algainas(dbr)反射层，p-gainp背场层，p-gainas基区层，再沉积n-gainas发射区层，n-alinp窗口层，n++-gainp/p++-algaas隧穿结层，p-algainp背场层，p-alxgayin1-x-yp/gainp基区层，再沉积n-gainp发射区层，n-alinp窗口层和n+-gaas欧姆接触层。

衬底材料为p-ge，厚度为130～150μm，掺杂ga源、掺杂浓度为0.2e18～3e18cm^-3,9°切角；

n-algainp成核层沉积厚度为0.01μm，掺杂浓度为1～2×10¹⁸cm^-3。

n-gaas/n-gainas缓冲层沉积厚度为0.5μm，掺杂浓度为≥1×10¹⁸cm^-3。

n++-gaas/p++-gaas隧穿结层，其中n++-gaas层沉积厚度为0.01～0.03μm，掺杂浓度为≥5×10¹⁸cm^-3，p++-gaas层沉积厚度为0.01～0.03μm，掺杂浓度为≥1×10¹⁹cm^-3。

p-algaas/p-algainas(dbr)反射层沉积厚度为1.8μm，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。

p-gainp背场层沉积厚度为0.07μm，掺杂浓度为5×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3。

p-gainas基区层沉积厚度共为2.1μm，掺杂浓度都为2～8×10¹⁶cm^-3。

n-gainas发射区层沉积厚度为0.1μm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

n-alinp窗口层沉积厚度为0.1μm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

n++-gainp/p++-algaas隧穿结层，其中n++-gainp层沉积厚度为0.01～0.03μm，掺杂浓度为≥5×10¹⁸cm^-3，p++-algaas层沉积厚度为0.01～0.03μm，掺杂浓度为≥5×10¹⁹cm^-3。

p-algainp背场层沉积厚度为0.1μm，掺杂浓度为1～2×10¹⁸cm^-3。

p-alxgayin1-x-yp/gainp基区层总沉积厚度为0.7μm，分为七层材料，依次为al51.4ga6.2in42.4p，al51.6ga13.0in35.3p、al51.8ga19.9in28.3p、al52.0ga26.7in21.3p、al52.2ga33.5in14.3p、al52.4ga40.3in7.3p、ga49.7in50.3p，沉积厚度都为0.1μm，掺杂浓度为1～8×10¹⁶cm^-3。

n-gainp发射区层沉积厚度为0.1μm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

n-alinp窗口层沉积厚度为0.1μm，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

n+-gaas欧姆接触层沉积厚度为0.5μm，掺杂浓度大于5×10¹⁸cm^-3。

本发明提供了一种基区带隙递变的空间gainp/gainas/ge电池外延片的制造方法，其优点在于：和常规空间gainp/ingaas/ge电池结构相比，本发明在顶电池引入带隙递变的alxgayin1-x-yp/gainp结构，通过al、ga、in组分的变化使得顶电池禁带宽度递减，同时使各材料的晶格匹配；通过这样的设计使得顶电池整体禁带宽度增大，提升了电池的开路电压，另外禁带宽度递变的设计，有利于光生载流子少子的收集，对电池的短路电流有益。最后晶格常数的一致，使得材料生长中的缺陷密度得到控制。总的来说，此方法可以改善空间gainp/ingaas/ge匹配电池的光电转化效率。

附图说明

图1是本发明涉及到的外延层结构的示意图；

图2是本发明涉及到的顶电池alxgayin1-x-yp/gainp基区层能带结构，alxgayin1-x-yp/gainp基区层由七层带隙递减的材料组成；

附图标识如下：

100：p型ge衬底；101：n-algainp成核层；

102：n-gaas/n-gainas缓冲层；103：n++-gaas/p++-gaas隧穿结层；

104：p-algaas/p-algainas(dbr)反射层；

105：p-gainp背场层；106：p-gainas基区层；

107：n-gainas发射区层；108：n-alinp窗口层；

109：n++-gainp/p++-algaas隧穿结层；

110：p-algainp背场层；111：p-alxgayin1-x-yp/gainp基区层；

112：n-gainp发射区层；113：n-alinp窗口层；

114：n+-gaas欧姆接触层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基区带隙递变的空间gainp/gainas/ge电池外延片的制造方法，采用的设备为德国axitron公司生产的2600g3型mocvd(metalorganicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)，衬底为p-ge衬底，掺杂ga源、掺杂浓度为0.2e18～3e18cm^-3,厚度为130～150μm，9°切角，使用的mo源为tmga、tmal和tmin，使用的掺杂源为ccl4、dezn和sih4，使用的特气为ash3和ph3。

具体步骤如下：

a、mocvd反应室升温至400℃通入ph3，将反应室升温至690℃，压力设为230mbar，在p-ge衬底表面通过p扩散形成n型掺杂约1×10¹⁸cm^-3的ge子电池。将反应室温度降至620℃，通入tmal、tmga、tmin源、特气ph3，沉积n-algainp成核层，algainp成核层沉积厚度为0.01μm，掺杂源sih4、掺杂浓度为1～2×10¹⁸cm^-3；

b、反应室升温至650℃、压力设为在450mbar，在n-algainp成核层上沉积n-gaas/n-gainas缓冲层，n-gaas/n-gainas缓冲层沉积厚度为0.5μm，掺杂sih4源、掺杂浓度为≥1×10¹⁸cm^-3；

c、反应室将温至630℃、压力设为50mbar，在gaas/gainas缓冲层上沉积n++-gaas层，其中n++-gaas层沉积厚度为0.01-0.03μm，掺杂sih4源、掺杂浓度为≥5×10¹⁸cm^-3，反应降温至620℃，在n++-gaas层上以沉积p++-gaas层，p++-gaas层沉积厚度为0.01-0.03μm，掺杂ccl4源、掺杂浓度为≥1×10¹⁹cm^-3；

d、反应室温度升至650℃、在p++-gaas层上沉积p-algaas/p-algainas(dbr)反射层，p-algaas/p-algainas反射层沉积厚度为1.8μm，掺杂dezn源、掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3；

e、在algaas/algainas反射层上以650℃温度沉积p-gainp背场层，p-gainp背场层沉积厚度为0.07μm，掺杂dezn源、掺杂浓度为5×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3；

f、在gainp背场层上以650℃温度沉积p-gainas基区层，沉积厚度2.1μm，掺杂dezn源、掺杂浓度都为5×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3；

g、在p-gainas基区层上以650℃温度沉积n-gainas发射区层，n-gainas发射区层沉积厚度为0.1μm，掺杂sih4源、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

h、在gainas发射区层上以650℃温度沉积n-alinp窗口层，n-alinp窗口层沉积厚度为0.1μm，掺杂sih4源、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

i、反应室温度降至620℃、在alinp窗口层上沉积n++-gainp/p++-algaas隧穿结层，其中：n++-gainp层沉积厚度为0.01-0.03μm，掺杂sih4源、掺杂浓度为≥5×10¹⁸cm^-3，p++-algaas层沉积厚度为0.01-0.03μm，掺杂源ccl4、掺杂浓度为≥5×10¹⁹cm^-3；

j、在gainp/algaas隧穿结层上以620℃温度沉积p-algainp背场层，p-algainp背场层沉积厚度为0.1μm，掺杂dezn源、掺杂浓度为1～2×10¹⁸cm^-3；

k、应室温度升至630℃、在algainp背场层上沉积p-alxgayin1-x-yp/gainp基区层，沉积总厚度为0.7μm，分为七层材料，依次沉积组分为al51.4ga6.2in42.4p，al51.6ga13.0in35.3p、al51.8ga19.9in28.3p、al52.0ga26.7in21.3p、al52.2ga33.5in14.3p、al52.4ga40.3in7.3p、ga49.7in50.3p的材料，沉积厚度都为0.1μm，掺杂dezn源、掺杂浓度为1～8×10¹⁶cm^-3；

l、在gainp基区层上以630℃温度沉积n-gainp发射区层，n-gainp发射区层沉积厚度为0.1μm，掺杂sih4源、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

m、在gainp发射区层上以630℃温度沉积n-alinp窗口层，n-alinp窗口层沉积厚度为0.1μm，掺杂sih4源、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

n、在alinp窗口层上以630℃温度沉积n+-gaas欧姆接触层，n+-gaas欧姆接触层沉积厚度为0.5μm，掺杂sih4源、掺杂浓度大于5×10¹⁸cm^-3。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。