[实用新型]生长在GaAs衬底上的InGaAs薄膜

说明书

技术领域

本实用新型涉及光电材料技术领域，特别涉及生长在GaAs衬底上的InGaAs薄膜。

背景技术

随着太阳能光伏发电产业和市场的迅速发展，以及在空间飞行器能源系统需求的牵引下，光伏技术不断取得重要突破：晶体硅、非晶硅、多晶硅太阳电池，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体电池，Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体电池等，越来越多的太阳电池技术日趋成熟，同时，相应的光电转换效率不断提高，使今天的光伏技术在空间和地面都得到了越来越广泛的应用。基于GaAs的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体电池技术的迅速发展是最引人瞩目、里程碑式的突破；并且GaAs基系太阳电池效率高、抗辐照性能好、耐高温、可靠性好，符合空间环境对太阳电池的要求，因此，GaAs基系太阳电池在空间科学领域正逐步取代硅系列太阳电池，成为空间太阳能发电系统的主电源。由于GaAs材料的能带为1.42eV，单结GaAs太阳电池只能吸收某一特定波长的太阳光，因此其光电转换效率受到限制。为了提高太阳能电池对太阳光的利用率，需要采用多结叠层太阳能电池结构，对太阳光谱进行“分割”。目前，基于GaAs衬底的GaAs高效多结叠层太阳电池已经获得＞41%的光电转换效率。

要获得更高光电转换效率，多结叠层太阳电池的能带匹配是关键。目前常规三结GaAs系太阳电池方面，主要是GaInP/InGaAs/Ge(1.84/1.4/0.67)结构太阳电池，该体系以晶格匹配为首要考虑原则，进而限制了材料体系的选择，电池的转换效率提升空间非常有限。为了解决带隙失配严重制约三结叠层电池性能的问题，最新技术尝试采用选择GaAs为衬底的晶格失配体系，底电池带宽为1eV的理想能带匹配体系。四结叠层太阳电池的理想能带匹配是1.8/1.4/1.0/0.67eV，通过理论计算，尽管1eV GaInNAs材料作为第三结太阳电池的带隙和晶格大小较为合适，但GaInNAs外延材料的少子寿命低，严重限制了四结叠层太阳电池的电流密度，成为制约效率提高的关键因素。因此，根据目前外延生长技术、外延设备的发展及材料的性能，能带为1eV的最佳材料为三元半导体化合物In_0.3Ga_0.7As。

化合物半导体的光电特性与材料缺陷密度有很密切的联系。因此，制备高质量、低缺陷密度的In_0.3Ga_0.7As薄膜具有极其重要的意义。In_0.3Ga_0.7As（1eV,a=0.57748nm）与GaAs（a=0.56533nm）衬底的晶格失配度为2.15%，如果在GaAs衬底直接生长In_0.3Ga_0.7As材料，晶格失配所带来的穿透位错、应力，会使外延材料体内产生大量的位错、缺陷以及表面起伏，从而恶化器件的性能，造成太阳能电池光电转换效率低。因此，在GaAs衬底上制备高质量的In_0.3Ga_0.7As薄膜一直是研究的热点与难点。为了获得缺陷密度低、材料性能好的In_0.3Ga_0.7As材料，最佳途径是先在GaAs衬底上外延生长缓冲层材料，然后再外延生长In_0.3Ga_0.7As材料。

目前，GaAs基系高效多结叠层太阳能电池中采用的都是多层的组分渐变、组分跳变、组分逆变等缓冲层结构由于设计和工艺上的不足，在太阳电池器件中生长InGaAs梯度缓冲层时，缓冲层In组分含量大多是通过经验来确定的，而且厚度较大，因此高质量外延生长In_0.3Ga_0.7As所引入的缓冲层结构在设计上缺乏一定的合理性，且较大的厚度会导致生长时间较长，成本较高，In_0.3Gs_0.7As外延质量也达不到最佳的实用效果。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种生长在GaAs衬底上的InGaAs薄膜，缺陷密度低、晶体质量高。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：