基于深层离子注入方式的倒置三结太阳电池抗位移辐照加固方法与流程

本发明涉及一种倒置三结太阳电池抗位移辐照加固方法，属于微电子技术领域。

背景技术：

晶格失配倒置三结太阳电池gainp-1.87ev/gaas-1.42ev/ingaas-1.0ev(imm3j)的光电转换效率已经达33％，超过目前空间服役的正向三结太阳电池gainp/gaas/ge，正向三结太阳电池的效率为30％。相比于单晶硅、单结gaas太阳电池，晶格失配倒置多结太阳电池具有较强的抗辐照性能；相比于正向三结太阳电池，具有更高的转换效率，因此是下一代空间太阳电池的主要研究方向。

目前倒置三结太阳电池的制备技术已基本成熟，随着航天事业的迅猛发展，迫切需要空间倒置多结太阳电池更早服役。而影响空间太阳电池性能的因素，一方面是初始的光电转换效率，另一个重要方面是在空间带电粒子辐照环境下的抗辐照损伤性能。因此需要在结构方面针对倒置三结太阳电池的抗辐照性能进一步优化，提高其空间服役稳定性。

空间辐照效应中，对倒置三结太阳电池影响最严重的是位移辐射损伤。入射粒子与靶材原子相互作用，导致靶材原子晶格点阵发生变化(局部)而产生位移辐射效应。当入射粒子与靶材原子发生交互作用时，可在靶材中产生空位、间隙原子及相关缺陷等体损伤。这些间隙原子和空位会再次发生交互作用，形成更为复杂的缺陷。所涉及的物理过程比较复杂，最终的结果是形成复合中心。以倒置三结太阳电池为例，辐射缺陷主要是导致有源区内的有效载流子被辐射缺陷俘获，使得有源区的有效载流子浓度大幅降低，有效载流子寿命降低，从而造成i-v特性的退化。能够产生位移损伤的带电粒子辐照注量越大，在imm3j太阳电池晶格失配缓冲层材料内形成的复合中心数量越多，造成的性能退化也就更加严重。

在imm3j太阳电池的第三结ingaas子电池有源区内通过离子注入的方式人为地引入缺陷陷阱，可以对由位移辐射造成的缺陷产生复合作用，使太阳电池内部的位移辐射缺陷保持稳定，不因辐射注量的增大而明显变化，从而提高imm3j太阳电池的抗辐照能力。因此急需一种提高imm3j太阳电池抗位移辐照能力的技术。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有空间带电粒子会在太阳电池内部产生位移辐射损伤，在太阳电池内部产生空位、间隙原子等缺陷，从而严重地影响太阳电池的性能参数的问题，提供了一种基于深层离子注入方式的倒置三结太阳电池抗位移辐照加固方法。

本发明所述基于深层离子注入方式的倒置三结太阳电池抗位移辐照加固方法，该方法向倒置三结太阳电池的ingaas有源区模拟注入离子，改变注入离子量，模拟注入离子的i-v特性，获取模拟注入离子后的i-v特性与未注入离子的i-v特性的变化量小于10％时的注入离子量，计算注入离子机的电压和离子束电流，设置注入离子时间，对倒置三结太阳电池进行离子注入，通过离子注入的方式引入缺陷陷阱，对由位移辐射造成的缺陷产生复合作用，使位移辐射缺陷保持稳定，提高倒置三结太阳电池的抗辐照能力。

优选的，该加固方法的具体过程为：

s1、根据倒置三结太阳电池的结构参数，向倒置三结太阳电池的ingaas有源区模拟注入离子，获得注入离子的离子能量和射程信息；

s2、分别模拟未注入离子和模拟注入离子后倒置三结太阳电池的i-v特性，改变注入离子量，使模拟注入离子后的i-v特性与未注入离子的i-v特性的变化量小于10％，记录注入离子量；

s3、根据s1获取的注入离子的离子能量和射程信息，以及s2获取的注入离子量，计算注入离子机的电压和离子束电流；

s4、设置注入离子时间，根据注入离子机的电压、离子束电流和注入离子时间对注入离子机进行设置；

s5、采用注入离子机对倒置三结太阳电池进行离子注入；

s6、对完成离子注入的倒置三结太阳电池进行退火处理。

优选的，s1所述倒置三结太阳电池的结构参数包括各部分材料的成分、密度、掺杂浓度和厚度。

优选的，s1所述注入离子类型为硅离子、铟离子、镓离子或砷离子。

优选的，s3所述计算注入离子机的电压和离子束电流的具体过程为：

注入离子机的电压v：

其中：e表示注入离子的离子能量，c表示离子电荷量；

离子束电流i：

其中：φ表示注入离子量，q表示单位电荷电量，t表示辐照时间。

优选的，s6所述对完成离子注入的倒置三结太阳电池进行退火处理的工艺为：

退火温度为550℃，退火时间为0.5分钟到1分钟。

优选的，s1所述向倒置三结太阳电池的ingaas有源区模拟注入离子采用srim软件实现。

优选的，s2所述分别模拟未注入离子和模拟注入离子后倒置三结太阳电池的i-v特性采用tcad软件实现。

本发明的优点：本发明通过深层离子注入的方式，在倒置三结太阳电池内部的一定深度范围内(ingaas有源区)通过离子注入的方式人为地引入缺陷陷阱，注入离子可以是硅离子、铟离子、镓离子或砷离子，注入离子后可以对由位移辐射造成的缺陷产生复合作用，使太阳电池内部的位移辐射缺陷保持稳定，不因辐射注量的增大而明显变化，从而提高倒置三结太阳电池的抗辐照能力。选用in/ga/as离子辐照源，剂量率为1rad/s，总剂量为100krad，选择100krad处，倒置三结太阳电池的i-v特性变化量归一化结果可以看出，采用本发明所述的方法进行处理的倒置三结太阳电池抗辐照能力提高约2.5-3倍。

附图说明

图1是本发明所述基于深层离子注入方式的倒置三结太阳电池抗位移辐照加固方法的流程框图；

图2是深层离子注入方式示意图，图中1表示电极，2表示gainp有源区，3表示gaas有源区，4表示aigaas晶格失配缓冲层，5表示ingaas有源区，a表示离子注入，即：向ingaas有源区注入离子；

图3是辐照损伤后采用本发明所述的深层离子注入方式与无深层离子注入的倒置三结太阳电池抗位移辐照能力对比图。

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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于深层离子注入方式的倒置三结太阳电池抗位移辐照加固方法，该方法向倒置三结太阳电池的ingaas有源区模拟注入离子，改变注入离子量，模拟注入离子的i-v特性，获取模拟注入离子后的i-v特性与未注入离子的i-v特性的变化量小于10％时的注入离子量，计算注入离子机的电压和离子束电流，设置注入离子时间，对倒置三结太阳电池进行离子注入，通过离子注入的方式引入缺陷陷阱，对由位移辐射造成的缺陷产生复合作用，使位移辐射缺陷保持稳定，提高倒置三结太阳电池的抗辐照能力。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，该加固方法的具体过程为：

s1、根据倒置三结太阳电池的结构参数，向倒置三结太阳电池的ingaas有源区模拟注入离子，获得注入离子的离子能量和射程信息；

s2、分别模拟未注入离子和模拟注入离子后倒置三结太阳电池的i-v特性，改变注入离子量，使模拟注入离子后的i-v特性与未注入离子的i-v特性的变化量小于10％，记录注入离子量；

s3、根据s1获取的注入离子的离子能量和射程信息，以及s2获取的注入离子量，计算注入离子机的电压和离子束电流；

s4、设置注入离子时间，根据注入离子机的电压、离子束电流和注入离子时间对注入离子机进行设置；

s5、采用注入离子机对倒置三结太阳电池进行离子注入；

s6、对完成离子注入的倒置三结太阳电池进行退火处理。

本实施方式中，在向倒置三结太阳电池的ingaas有源区模拟注入离子的过程中，随着注入离子量的改变，根据离子能量和射程信息模拟i-v特性，选取i-v特性变化量小于10％，是为了避免对倒置三结太阳电池的输出电性能造成太大的影响。

本实施方式中，可以通过均衡考虑确定注入离子时间的具体数值，通常注入离子的时间应大于5分钟，以控制注入量误差。

进一步的，s1所述倒置三结太阳电池的结构参数包括各部分材料的成分、密度、掺杂浓度和厚度。

进一步的，s1所述注入离子类型为硅离子、铟离子、镓离子或砷离子。

本实施方式中，注入离子类型为硅离子、铟离子、镓离子或砷离子，以避免改变倒置三结太阳电池内部的掺杂类型和浓度。

进一步的，s3所述计算注入离子机的电压和离子束电流的具体过程为：

注入离子机的电压v：

其中：e表示注入离子的离子能量，c表示离子电荷量；

离子束电流i：

其中：φ表示注入离子量，q表示单位电荷电量，t表示辐照时间。

本实施方式中，t表示辐照时间，即注入离子机的运行时间。

进一步的，s6所述对完成离子注入的倒置三结太阳电池进行退火处理的工艺为：

退火温度为550℃，退火时间为0.5分钟到1分钟。

进一步的，s1所述向倒置三结太阳电池的ingaas有源区模拟注入离子采用srim软件实现。

本实施方式中，srim软件，全称thestoppingandrangeofionsinmatter，由jamesziegler编制，是国际上常用的粒子与材料交互作用模拟软件。该软件为开源软件，即公开源代码。其作用是模拟粒子在材料中的运动及作用方式，可以计算粒子在材料中的能量损失、射程、碰撞截面等信息。

进一步的，s2所述分别模拟未注入离子和模拟注入离子后倒置三结太阳电池的i-v特性采用tcad软件实现。

本实施方式中，tcad软件，全称为technologycomputeraideddesign，半导体工艺模拟以及器件模拟工具，该软件的发行商为美国silvaco公司。其作用是通过设定器件的结构参数、加工工艺、外界条件等参数，来模拟器件的电性能及内部状态。

本发明采用srim软件和tcad软件对imm3j太阳电池进行性能仿真，能够快速的确定离子注入所需参数，有效地缩短了参数的确定时间与程序。

结合图3说明本发明的工作原理：空间带电粒子会在太阳电池内部产生多种辐射损伤，其中位移辐射损伤对其输出电性能影响最为严重。位移辐射损伤会在太阳电池内部产生空位、间隙原子等缺陷，从而严重地影响太阳电池的性能参数。位移辐射缺陷主要是导致imm3j太阳电池有源区的载流子被辐射缺陷俘获，使得有源区的载流子浓度大幅降低，有源区的电导率减小，从而造成正向特性的退化。而imm3j抗辐照性能最差的是第三结ingaas子电池。因此，在ingaas子电池的有源区是imm3j太阳电池位移辐射损伤的敏感区，严重地受到位移辐射损伤的影响。

本发明采用在ingaas子电池有源区内深层离子注入的方式有效的提高了imm3j太阳电池的抗辐照能力。如图2所示，1表示电极，2表示gainp有源区，3表示gaas有源区，4表示aigaas晶格失配缓冲层，5表示ingaas有源区，a表示离子注入，即：向ingaas有源区注入离子。

采用本发明所述方法对imm3j太阳电池进行抗位移辐照加固，并将加固后的器件与未进行抗位移辐照加固的imm3j太阳电池同时进行辐照对比，如图3所示，imm3j太阳电池的抗辐照能力对比示意图。选用in/ga/as离子辐照源，剂量率为1rad/s，总剂量为100krad，选择100krad处，imm3j太阳电池的i-v特性变化量归一化结果(正向电压1v处的正向电流)作为抗辐射能力判据。由图3可见，与未加入抗辐照加固的imm3j太阳电池相比，经过本发明所述方法加固后的晶体管抗位移辐照能力提高约2.5-3.1倍。基于深层离子注入方式的imm3j太阳电池抗位移辐照加固方法，可以大大减小位移辐射缺陷对太阳电池性能的影响，提高imm3j太阳电池的抗辐照能力。

本发明所述的基于深层离子注入方式的imm3j太阳电池抗位移辐照加固方法既可用于对现有的imm3j太阳电池进行抗辐照加固，也可以在imm3j太阳电池的生产过程中进行，直接生产出具有抗位移辐照性能的imm3j太阳电池，优化了imm3j太阳电池的抗辐照性能，是一项重要的抗位移辐照加固技术。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。