[发明专利]一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池

说明书

本发明公开了一种插入AlInGaN势垒层结构的InGaN/GaN多量子阱太阳能电池，包括一衬底，衬底上依次设有GaN层和n型掺杂GaN层，n型掺杂GaN层上一侧有一台面，n型掺杂GaN层上表面依次设有超晶格层、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层上设有多个p型电极，p型电极之间通过透明电极层连接；n型掺杂GaN层台面上设有n型电极。本发明通过在外延p‑GaN之前插入一层AllnGaN层来对改进p‑GaN结构，使该层结构具有较好的晶格匹配和较低的热膨胀系数，空穴载流子的输运效率提高，光电转化率达到1.96％。

技术领域

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-In_0.05Ga_0.95N/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。