一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池

摘要

本发明公开一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN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层上面的一侧有一低于n型掺杂GaN层的上表面的台面，n型掺杂GaN层上依次层叠设有AlGaN势垒层Ⅰ、超晶格层、非故意掺杂GaN缓冲层、量子阱吸收层、AlGaN势垒层Ⅱ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层的台面设有n型电极。本发明通过在多量子阱两边插入AlGaN层，有效增强了多量子阱界面陡峭性，提高了界面质量，光电转换效率达到1.432％，相比传统太阳能电池提高了138.7％,具有美好的应用前景。

权利要求

1.一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池，其特征在于，包括一衬底(1)；所述衬底(1)上设置有GaN层(2)，所述GaN层(2)上设置有n型掺杂GaN层(3)，所述n型掺杂GaN层(3)上表面的一侧具有一台面，所述台面低于所述n型掺杂GaN层(3)的上表面，所述n型掺杂GaN层(3)上表面从下到上依次层叠设置有AlGaN势垒层Ⅰ(4)、超晶格层(5)、非故意掺杂GaN缓冲层(6)、量子阱吸收层(7)、AlGaN势垒层Ⅱ(8)和p型掺杂GaN层(9)，所述p型掺杂GaN层(9)上设置有多个p型电极(11)，相邻的所述p型电极(11)之间通过设置在所述p型掺杂GaN层(9)上的透明电极层(10)连接；

所述n型掺杂GaN层(3)的台面上设置有n型电极(12)；

所述AlGaN势垒层Ⅰ(4)为AlxGa1‑xN，其中0＜x≤0.2，所述AlGaN势垒层Ⅰ(4)的厚度为35～45nm；

所述AlGaN势垒层Ⅱ(8)为AlxGa1‑xN，其中0＜x≤0.2，所述AlGaN势垒层Ⅱ(8)的厚度为

25～35nm；

所述p型掺杂GaN层(9)为Mg掺杂的p‑GaN层，所述p型掺杂GaN层(9)的厚度为30～50μm，

21 ‑3

掺杂浓度为1×10 cm 。

2.如权利要求1所述的一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池，其特征在于，所述量子阱吸收层(7)包括10～15个层叠设置的In0.16Ga0.84N/GaN周期结构，每个周期内In0.16Ga0.84N层的厚度为2～5nm，GaN层的厚度为5～10nm。

3.如权利要求1所述的一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池，其特征在于，所述超晶格层(5)包括10个层叠设置的In0.04Ga0.96N/GaN周期结构，每个周期内In0.04Ga0.96N层的厚度为1～3nm，GaN层的厚度为1～5nm。

4.如权利要求1所述的一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池，其特征在于，所述n型掺杂GaN层(3)为Si掺杂的n‑GaN层，所述n型掺杂GaN层(3)的厚度为1～3μm，掺杂浓

19 ‑3

度为1×10 cm 。

5.如权利要求1所述的一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池，其特征在于，所述GaN层(2)的厚度为1～3μm，所述非故意掺杂GaN缓冲层(6)的厚度为60～100nm。

6.如权利要求1所述的一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池，其特征在于，所述p型电极(11)由Cr、Ni和Au依次沉积得到，所述n型电极(12)由Cr、Ni和Au依次沉积得到。

7.如权利要求1所述的一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池，其特征在于，所述衬底(1)为蓝宝石衬底。

说明书

一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体为一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池。

背景技术

[0002] III‑V族氮化物半导体材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、热导率高、硬度高、化学性质稳定、介电常数小以及抗辐射能力强等优点，因此其在微电子学、光电子学甚至空间
领域都有巨大的应用潜力。尤其对于InGaN材料和器件，其禁带宽度从0.7eV到3.4eV连续可
调，其波段完整从近红外光谱区域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科研工作者的关注。

[0003] 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。

[0004] 量子阱的概念是由贝尔实验室的Esaki和Tsu于1970年首次提出的。上世纪90年代，英国伦敦大学的Keith Bambam等人首次将多量子阱结构引入到p‑i‑n型太阳能电池的
本征层中，将器件的转换效率提升至14％。目前，该结构已在InGaAs/GaAS、AlGaAs/GaAS、
InGaAsP/InP等多种材料体系中广泛使用。多量子阱结构太阳能电池的能带结构为：本征层
(i层)由不同带隙的半导体材料薄层周期性交替生长组成，一般带隙宽的作为垒层，带隙窄
的作为阱层。通过合理调整量子阱层材料、量子阱的数目和量子阱的宽度，就可以对多量子
阱太阳能电池的吸收带隙进行调节，扩宽器件的光谱响应范围。引入量子阱结构已经成为
III‑V族太阳能电池未来的一个发展趋势。

[0005] 目前InGaN太阳能电池广泛使用蓝宝石作为衬底材料，但是蓝宝石和GaN、InN之间存在着很大的晶格失配和热失配，即使使用GaN衬底或其他缓冲层，其与InN的失配度也高
达10％，导致外延层中有大量的位错和缺陷，这些位错和缺陷作为非辐射复合中心，会与光
生载流子相作用，引起其寿命降低，导致器件的短路电流和开路电压降低。为解决InGaN/
GaN多量子阱外延材料高质量的生长，当前采用插入超晶格层作为应力释放层来释放GaN与
蓝宝石衬底的应力，然后外延较高质量的多量子阱材料，最后生长p‑GaN材料。然而，虽然采
用量子阱结构的太阳能电池能提高材料结晶质量，但是其多量子阱的电池效率仍然较低，
10层多量子阱结构的电池效率仅有0.6％，这是因为其量子阱内界面陡峭度较小，引入了较
多的位错，导致了器件性能的降低。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池，通过在多量子阱两边插入一定厚度的AlGaN层，有效提高了InGaN多量子
阱的界面陡峭度，改进了p‑GaN的结晶质量，减少了界面浓度，降低了p‑GaN层的非辐射复合
中心，从而降低非辐射复合几率，提高了有效载流子输运到p‑GaN层的规律，最终改善了器
件的性能。

[0007] 本发明提供插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池，即在多量子阱两边插入AlGaN层，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层上表面依次从下
到上层叠设置有AlGaN势垒层Ⅰ、超晶格层、非故意掺杂GaN缓冲层、量子阱吸收层、AlGaN势
垒层Ⅱ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
置在所述p型掺杂GaN层上的透明电极层连接；

[0008] n型掺杂GaN层的台面上设置有n型电极。

[0009] 优选的，AlGaN势垒层Ⅰ为AlxGa1‑xN，其中0＜x≤0.2，AlGaN势垒层Ⅰ的厚度为35～45nm。

[0010] 优选的，AlGaN势垒层Ⅱ为AlxGa1‑xN，其中0＜x≤0.2，AlGaN势垒层Ⅱ的厚度为25～35nm。

[0011] 优选的，量子阱吸收层包括10～15个层叠设置的In0.16Ga0.84N/GaN周期结构，每个周期内In0.16Ga0.84N层的厚度为2～5nm，GaN层的厚度为5～10nm。

[0012] 优选的，超晶格层包括10个层叠设置的In0.04Ga0.96N/GaN周期结构，每个周期内In0.04Ga0.96N层的厚度为1～3nm，GaN层的厚度为1～5nm。

[0013] 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30～50μm，掺21 ‑3
杂浓度为1×10 cm 。

[0014] 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1～3μm，掺杂19 ‑3
浓度为1×10 cm 。

[0015] 优选的，GaN层的厚度为1～3μm，非故意掺杂GaN缓冲层的厚度为60～100nm。

[0016] 优选的，p型电极由Cr、Ni和Au依次沉积得到，n型电极由Cr、Ni和Au依次沉积得到。

[0017] 优选的，衬底为蓝宝石衬底。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0019] 1、本发明通过在多量子阱两边插入AlGaN层，有效增强了多量子阱的界面陡峭性，进一步提高界面质量；减小非辐射复合中心，降低非辐射复合几率，提高载流子的隧穿几
率，最终提升了太阳能电池的性能；2、本发明的太阳能电池的具有良好的性能，本发明的太
2
阳能电池短路电流密度达到9.25A/m ，与传统太阳能电池相比提高77.7％，本发明的太阳
能电池的光电转换效率达到1.432％，与传统太阳能电池相比提高138.7％，同时由于InGaN
基材料具有较强的抗辐射能力，此结构的电池在空间领域具有较强的应用价值，为航天电
池提供技术支撑。

附图说明

[0020] 图1为本发明一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池的结构示意图；

[0021] 图2为本发明实施例1的太阳能电池的性能图。

[0022] 图中：1、衬底；2、GaN层；3、n型掺杂GaN层；4、AlGaN势垒层Ⅰ；5、超晶格层；6、非故意掺杂GaN缓冲层；7、量子阱吸收层；8、AlGaN势垒层Ⅱ；9、p型掺杂GaN层；10、透明电极层；11、
p型电极；12、n型电极。

具体实施方式

[0023] 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。

[0024] 实施例1

[0025] 本实施例提供一种插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池，如图1所示，包括一衬底1；衬底1为蓝宝石，蓝宝石衬底1上设置有厚度为2μm的GaN层2，GaN层2上设置有厚度
19 ‑3
为2μm，掺杂浓度为1×10 cm 的Si掺杂的n‑GaN层3，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上表面从下到上依次层
叠设置有厚度为40nm的Al0.15Ga0.85N势垒层Ⅰ4、InGaN/GaN超晶格层5、厚度为80nm的非故意
掺杂GaN缓冲层6、InGaN/GaN量子阱吸收层7、厚度30nm的Al0.15Ga0.85N势垒层Ⅱ8和厚度为
21 ‑3
40nm，掺杂浓度为1×10 cm 的Mg掺杂的p‑GaN层9；其中超晶格层5为生长周期数为10，每
层In0.04Ga0.96N层的厚度为2nm，每层GaN层的厚度为3nm的In0.04Ga0.96N/GaN层；量子阱吸收
层7为周期数为13，每层In0.16Ga0.84N层的厚度为3nm，每层GaN层的厚度为9nm的层
In0.16Ga0.84N/GaN层；

[0026] Mg掺杂的p‑GaN层9上设置有多个p型电极11，相邻的p型电极11之间通过设置在p型掺杂GaN层上的透明电极层10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
11和n型电极均由Cr、Ni和Au依次沉积得到。

[0027] 上述插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池的制备过程如下：

[0028] 步骤1：将生长于蓝宝石衬底1上的GaN基薄膜外延片用体积比为5：1：1的硫酸、双氧水、水的混合液浸泡，浸泡温度为60度，将材料浸泡5分钟后，冲水甩干，然后在体积比为
l：5的盐酸和水混合液中浸泡5分钟，冲水甩干；

[0029] 步骤2：在外延片表面蒸镀透明电极层(ITO)10，蒸渡的ITO的厚度为230nm；

[0030] 步骤3：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2
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/cm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；最后，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；

[0031] 步骤4：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；

[0032] 步骤5：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；

[0033] 步骤6：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
2
其表面，用曝光机将其曝光6秒，曝光机的功率为13mW/cm ；曝光后用显影剂对其显影30秒，
然后再冲洗干净。最后，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；

[0034] 步骤7：将样品放入感应耦合等离子体ICP(inductively coupled plasma)刻蚀机中刻蚀外延片材料，刻蚀深度根据外延层的厚度估计；

[0035] 步骤8：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；

[0036] 步骤9：将退火炉的温度设置为520℃，氮气的流量为2L/min，退火18分钟；

[0037] 步骤10：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3μm；然后用热板在100℃烘烤90秒，将光刻胶烘干，将试片取出冷却至室温；将光刻板L3
2
盖在其表面，用曝光机将其曝光9秒，曝光机的光强为13mW/cm ；曝光后用显影剂对其显影
45秒，然后再冲洗干净；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；最后，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；

[0038] 步骤11：使用电子束蒸镀机分别在P型和n型掺杂GaN层上蒸镀电极，顶面p‑GaN上的电极采用栅指状结构，蒸镀的金属依次为Cr/Ni/Au(30nm/13nm/1200nm)，蒸镀的速度均
设定为0.1nm/s；

[0039] 步骤12：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；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；然后，将晶圆浸入到去胶液#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；最后冲洗甩干；

[0040] 步骤13：将退火炉的温度设置为300℃，氮气的流量为2L/min，退火30分钟；得到插入AlGaN结构的多量子阱InGaN太阳能电池。

[0041] 实施例2

[0042] 与实施例1的结构相同，不同的是AlGaN势垒层Ⅰ为Al0.1Ga0.9N。

[0043] 实施例3

[0044] 与实施例1的结构相同，不同的是AlGaN势垒层Ⅰ为Al0.2Ga0.8N，厚度为35nm。

[0045] 实施例4

[0046] 与实施例1的结构相同，不同的是AlGaN势垒层Ⅰ为Al0.2Ga0.8N，厚度为45nm。

[0047] 实施例5

[0048] 与实施例1的结构相同，不同的是AlGaN势垒层Ⅱ为Al0.2Ga0.8N，厚度为20nm。

[0049] 实施例6

[0050] 与实施例1的结构相同，不同的是AlGaN势垒层Ⅱ为Al0.1Ga0.9N。

[0051] 实施例7

[0052] 与实施例1的结构相同，不同的是AlGaN势垒层Ⅱ为Al0.2Ga0.8N，厚度为35nm。

[0053] 实施例8

[0054] 与实施例1的结构相同，不同的是量子阱吸收层7包括10个层叠设置的In0.16Ga0.84N/GaN周期结构，每个周期内In0.16Ga0.84N层的厚度为2nm，GaN层的厚度为10nm。

[0055] 实施例9

[0056] 与实施例1的结构相同，不同的是量子阱吸收层7包括15个层叠设置的In0.16Ga0.84N/GaN周期结构，每个周期内In0.16Ga0.84N层的厚度为5nm，GaN层的厚度为5nm。

[0057] 实施例10

[0058] 与实施例1的结构相同，不同的超晶格层5中每个内In0.04Ga0.96N层的厚度为1nm，GaN层的厚度为5nm。

[0059] 实施例11

[0060] 与实施例1的结构相同，不同的超晶格层5中每个内In0.04Ga0.96N层的厚度为3nm，GaN层的厚度为1nm。

[0061] 实施例12

[0062] 与实施例1的结构相同，不同的是Mg掺杂的p‑GaN层9的厚度为50μm。

[0063] 实施例13

[0064] 与实施例1的结构相同，不同的是p型电极11的材料为Ni，n型电极的材料均为CrMg掺杂的p‑GaN层9的厚度为30μm。

[0065] 实施例14

[0066] 与实施例1的结构相同，不同的是Si掺杂的n‑GaN层3的厚度为1μm。

[0067] 实施例15

[0068] 与实施例1的结构相同，不同的是Si掺杂的n‑GaN层3的厚度为3μm。

[0069] 实施例16

[0070] 与实施例1的结构相同，不同的是GaN层2的厚度为3μm。

[0071] 实施例17

[0072] 与实施例1的结构相同，不同的是GaN层2的厚度为1μm。

[0073] 实施例18

[0074] 与实施例1的结构相同，不同的是非故意掺杂GaN缓冲层6的厚度为60nm。

[0075] 实施例19

[0076] 与实施例1的结构相同，不同的是非故意掺杂GaN缓冲层6的厚度为100nm。

[0077] 对比例1

[0078] 与实施例1的结构相同，不同的是不加入Al0.15Ga0.85N势垒层Ⅰ4和Al0.15Ga0.85N势垒层Ⅱ8，即传统太阳能电池。

[0079] 实施例1～实施例19都具有较好的性能，我们以实施例1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为实施例1的太阳能电池的性能数据，通过图2和表1可知，实施例1的太阳能电
池光电转换效率达到1.432％，对比例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，光电转换效率提高138.7％；本发明的短路电流密度达到9.25A/
2
m，相对于对比例1的太阳能电池提高77.7％，所以，本发明的太阳能电池具有优异的性能。

[0080] 表1实施例1的太阳能电池的数据表

[0081] VOC(V) JSC(A/m2) η FF2.17 9.25 1.38％ 68.73％

[0082] 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。