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基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法

阅读：1137发布：2021-01-22

IPRDB可以提供基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，属于微电子技术领域，本发明为解决现有倒置四结太阳电池在空间带电粒子的辐照下抗位移辐照能力差，易产生位移辐射损伤，从而严重地影响太阳电池的性能参数的问题。本发明向倒置四结太阳电池的第四结有源区和第三结有源区模拟注入离子，获得离子能量和射程信息，模拟I-V特性，记录与未注入离子时的I-V特性变化量小于10％时的注入离子量，计算注入离子电压和离子束电流，设置注入离子时间，采用设置后的注入离子机进行离子注入，对完成离子注入的倒置四结太阳电池进行退火处理。本发明用于对倒置四结太阳电池进行抗位移辐照加固。，下面是基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，其特征在于，该加固方法的具体过程为：S1、根据倒置四结太阳电池的结构参数，向倒置四结太阳电池的第四结有源区和第三结有源区模拟注入离子，分别获得第四结有源区和第三结有源区注入离子的离子能量和射程信息；

S2、分别模拟第四结有源区未注入离子和模拟注入离子后的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％，记录第四结有源区的注入离子量；

S3、根据S1获取的第四结有源区注入离子的离子能量和射程信息，以及S2获取的第四结有源区注入离子量，计算注入离子机的第四结有源区注入离子电压和离子束电流；

S4、分别模拟第三结有源区未注入离子和模拟注入离子后的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％，记录第三结有源区的注入离子量；

S5、根据S1获取的第三结有源区注入离子的离子能量和射程信息，以及S4获取的第三结有源区注入离子量，计算注入离子机的第三结有源区注入离子电压和离子束电流；

S6、分别设置第四结有源区和第三结有源区的注入离子时间；

S7、根据注入离子机的注入离子电压、离子束电流和注入离子时间对注入离子机进行设置；

S8、采用注入离子机对倒置四结太阳电池的第四结有源区和第三结有源区分别进行离子注入；

S9、对完成离子注入的倒置四结太阳电池进行退火处理。

2.根据权利要求1所述的基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，其特征在于，所述第四结有源区和第三结有源区均为InGaA有源区。

3.根据权利要求1所述的基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，其特征在于，S1所述倒置四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。

4.根据权利要求1所述的基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，其特征在于，S1所述注入离子类型为硅离子、铟离子、镓离子或砷离子。

5.根据权利要求1所述的基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，其特征在于，S3所述计算注入离子机的第四结有源区注入离子电压和离子束电流的具体过程为：第四结有源区注入离子电压V1：

其中：E1表示第四结有源区的注入离子的离子能量，C1表示第四结有源区的离子电荷量；

第四结有源区离子束电流I1：

其中：Φ1表示第四结有源区的注入离子量，q表示单位电荷电量，t1表示第四结有源区的辐照时间。

6.根据权利要求1所述的基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，其特征在于，S5所述计算注入离子机的第三结有源区注入离子电压和离子束电流的具体过程为：第三结有源区注入离子电压V2：

其中：E2表示第三结有源区的注入离子的离子能量，C2表示第三结有源区的离子电荷量；

第三结有源区离子束电流I2：

其中：Φ2表示第三结有源区的注入离子量，q表示单位电荷电量，t2表示第三结有源区的辐照时间。

7.根据权利要求1所述的基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，其特征在于，S9所述对完成离子注入的倒置四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。

8.根据权利要求1所述的基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，其特征在于，S1所述向倒置四结太阳电池的第四结有源区和第三结有源区模拟注入离子采用SRIM软件实现。

9.根据权利要求1所述的基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，其特征在于，S2所述分别模拟第四结有源区未注入离子和模拟注入离子后的I-V特性采用TCAD软件实现。

10.根据权利要求1所述的基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，其特征在于，S4所述分别模拟第三结有源区未注入离子和模拟注入离子后的I-V特性采用TCAD软件实现。

说明书全文

基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种倒置四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

[0002] 21世纪人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成全球热点问题，而能源问题将更加突出。为了解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源，而太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点，因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视，成为理想的替代能源。

[0003] 太阳电池可以有效吸收太阳能，并将其转化成电能，是一种最有效的清洁能源形式，并且具有可靠性高、寿命长、转换效率高等优点，可做人造卫星﹑航标灯﹑晶体管收音机等的电源。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，晶格失配倒置四结太阳电池GaInP-1.87eV/GaAs-1.42eV/InGaAs-1.0Ev/InGaAs-0.7eV(IMM4J)的光电转换效率已经达34％，相比于正向三结太阳电池其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。

[0004] 影响空间太阳电池性能包括两个方面：第一个方面是初始的光电转换效率，另一个方面是在空间带电粒子辐照环境下的抗辐照损伤性能。而空间辐照效应中对倒置四结太阳电池影响最严重的是位移辐射损伤。位移辐射损伤是指：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)而产生的位移辐射效应。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，最终形成复合中心。在倒置四结太阳电池太阳电池中，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，在倒置四结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。

发明内容

[0005] 本发明目的是为了解决现有倒置四结太阳电池在空间带电粒子的辐照下抗位移辐照能力差，易产生位移辐射损伤，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四结太阳电池抗位移辐照加固方法。

[0006] 本发明所述基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法，该加固方法的具体过程为：

[0007] S1、根据倒置四结太阳电池的结构参数，向倒置四结太阳电池的第四结有源区和第三结有源区模拟注入离子，分别获得第四结有源区和第三结有源区注入离子的离子能量和射程信息；

[0008] S2、分别模拟第四结有源区未注入离子和模拟注入离子后的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％，记录第四结有源区的注入离子量；

[0009] S3、根据S1获取的第四结有源区注入离子的离子能量和射程信息，以及S2获取的第四结有源区注入离子量，计算注入离子机的第四结有源区注入离子电压和离子束电流；

[0010] S4、分别模拟第三结有源区未注入离子和模拟注入离子后的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％，记录第三结有源区的注入离子量；

[0011] S5、根据S1获取的第三结有源区注入离子的离子能量和射程信息，以及S4获取的第三结有源区注入离子量，计算注入离子机的第三结有源区注入离子电压和离子束电流；

[0012] S6、分别设置第四结有源区和第三结有源区的注入离子时间；

[0013] S7、根据注入离子机的注入离子电压、离子束电流和注入离子时间对注入离子机进行设置；

[0014] S8、采用注入离子机对倒置四结太阳电池的第四结有源区和第三结有源区分别进行离子注入；

[0015] S9、对完成离子注入的倒置四结太阳电池进行退火处理。

[0016] 优选的，所述第四结有源区和第三结有源区均为InGaAs有源区。

[0017] 优选的，S1所述倒置四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。

[0018] 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。

[0019] 优选的，S3所述计算注入离子机的第四结有源区注入离子电压和离子束电流的具体过程为：

[0020] 第四结有源区注入离子电压V1：

[0021]

[0022] 其中：E1表示第四结有源区的注入离子的离子能量，C1表示第四结有源区的离子电荷量；

[0023] 第四结有源区离子束电流I1：

[0024]

[0025] 其中：Φ1表示第四结有源区的注入离子量，q表示单位电荷电量，t1表示第四结有源区的辐照时间。

[0026] 优选的，S5所述计算注入离子机的第三结有源区注入离子电压和离子束电流的具体过程为：

[0027] 第三结有源区注入离子电压V2：

[0028]

[0029] 其中：E2表示第三结有源区的注入离子的离子能量，C2表示第三结有源区的离子电荷量；

[0030] 第三结有源区离子束电流I2：

[0031]

[0032] 其中：Φ2表示第三结有源区的注入离子量，q表示单位电荷电量，t2表示第三结有源区的辐照时间。

[0033] 优选的，S9所述对完成离子注入的倒置四结太阳电池进行退火处理的工艺为：

[0034] 退火温度为550℃，退火时间为0.5分钟到1分钟。

[0035] 本发明的优点：本发明通过深层离子注入的方式，在倒置四结太阳电池内部的一定深度范围内(InGaAs(1.0eV)有源区和InGaAs(0.7eV)有源区)通过离子注入的方式(硅离子、铟离子、镓离子或砷离子)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，从而提高倒置四结太阳电池的抗辐照能力。经过倒置四结太阳电池的I-V特性变化量归一化结果的验证，采用本发明所述的方法进行处理的倒置四结太阳电池相比抗辐照能力提高约2.5-3倍。

附图说明

[0036] 图1是本发明所述基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法的流程框图；

[0037] 图2是深层离子注入方式示意图，1表示电极，2表示GaInP有源区，3表示AaAs有源区，4表示AlxGa1-xAs晶格失配缓冲层，5表示InGaAs(1.0eV)有源区，6表示AlxGa1-xAs晶格失配缓冲层，7表示InGaAs(0.7eV)有源区，a表示离子注入，即：向InGaAs(1.0eV)有源区和InGaAs(0.7eV)有源区注入离子；

[0038] 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四结太阳电池抗位移辐照能力对比图。

具体实施方式

[0039] 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。

[0040] 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。

[0041] 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。

[0042] 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四结太阳电池抗位移辐照加固方法，该加固方法的具体过程为：

[0043] S1、根据倒置四结太阳电池的结构参数，向倒置四结太阳电池的第四结有源区和第三结有源区模拟注入离子，分别获得第四结有源区和第三结有源区注入离子的离子能量和射程信息；

[0044] S2、分别模拟第四结有源区未注入离子和模拟注入离子后的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％，记录第四结有源区的注入离子量；

[0045] S3、根据S1获取的第四结有源区注入离子的离子能量和射程信息，以及S2获取的第四结有源区注入离子量，计算注入离子机的第四结有源区注入离子电压和离子束电流；

[0046] S4、分别模拟第三结有源区未注入离子和模拟注入离子后的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％，记录第三结有源区的注入离子量；

[0047] S5、根据S1获取的第三结有源区注入离子的离子能量和射程信息，以及S4获取的第三结有源区注入离子量，计算注入离子机的第三结有源区注入离子电压和离子束电流；

[0048] S6、分别设置第四结有源区和第三结有源区的注入离子时间；

[0049] S7、根据注入离子机的注入离子电压、离子束电流和注入离子时间对注入离子机进行设置；

[0050] S8、采用注入离子机对倒置四结太阳电池的第四结有源区和第三结有源区分别进行离子注入；

[0051] S9、对完成离子注入的倒置四结太阳电池进行退火处理。

[0052] 本实施方式中，在向倒置四结太阳电池的第四结有源区有第三结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％，是为了避免对倒置四结太阳电池的输出电性能造成太大的影响。

[0053] 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。

[0054] 进一步的，所述第四结有源区和第三结有源区均为InGaAs有源区。

[0055] 本实施方式中，第三结有源区为InGaAs(0.7eV)有源区，具体为In0.58Ga0.42As，第四结有源区为InGaAs(1.0eV)有源区，具体为In0.3Ga0.7As。

[0056] 本实施方式中，第四结有源区和第三结有缘去之间为AlxGa1-xAs晶格失配缓冲层。

[0057] 进一步的，S1所述倒置四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。

[0058] 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。

[0059] 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，以避免改变倒置四结太阳电池内部的掺杂类型和浓度。

[0060] 进一步的，S3所述计算注入离子机的第四结有源区注入离子电压和离子束电流的具体过程为：

[0061] 第四结有源区注入离子电压V1：

[0062]

[0063] 其中：E1表示第四结有源区的注入离子的离子能量，C1表示第四结有源区的离子电荷量；

[0064] 第四结有源区离子束电流I1：

[0065]

[0066] 其中：Φ1表示第四结有源区的注入离子量，q表示单位电荷电量，t1表示第四结有源区的辐照时间。

[0067] 本实施方式中，t1表示第四结有源区的辐照时间，即注入离子机向第四结有源区注入离子时的运行时间。

[0068] 进一步的，S5所述计算注入离子机的第三结有源区注入离子电压和离子束电流的具体过程为：

[0069] 第三结有源区注入离子电压V2：

[0070]

[0071] 其中：E2表示第三结有源区的注入离子的离子能量，C2表示第三结有源区的离子电荷量；

[0072] 第三结有源区离子束电流I2：

[0073]

[0074] 其中：Φ2表示第三结有源区的注入离子量，q表示单位电荷电量，t2表示第三结有源区的辐照时间。

[0075] 本实施方式中，t2表示第三结有源区的辐照时间，即注入离子机向第三结有源区注入离子时的运行时间。

[0076] 进一步的，S9所述对完成离子注入的倒置四结太阳电池进行退火处理的工艺为：

[0077] 退火温度为550℃，退火时间为0.5分钟到1分钟。

[0078] 进一步的，S1所述向倒置四结太阳电池的第四结有源区和第三结有源区模拟注入离子采用SRIM软件实现。

[0079] 本实施方式中，SRIM软件，全称The Stopping and Range of Ions in Matter，由James Ziegler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。

[0080] 进一步的，S2所述分别模拟第四结有源区未注入离子和模拟注入离子后的I-V特性采用TCAD软件实现。

[0081] 进一步的，S4所述分别模拟第三结有源区未注入离子和模拟注入离子后的I-V特性采用TCAD软件实现。

[0082] 本实施方式中，TCAD软件，全称为Technology Computer Aided Design，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。

[0083] 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IMM4J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IMM4J太阳电池中第三结InGaAs(1.0eV)子电池和第四结InGaAs(0.7eV)子电池。因此，在两结InGaAs子电池的有源区是IMM4J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。

[0084] 本发明采用在IMM4J太阳电池的两结InGaAs子电池有源区内深层离子注入的方式有效的提高了IMM4J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AaAs有源区，4表示AlxGa1-xAs晶格失配缓冲层，5表示InGaAs(1.0eV)有源区，6表示AlxGa1-xAs晶格失配缓冲层，7表示InGaAs(0.7eV)有源区，a表示离子注入，即：向InGaAs(1.0eV)有源区和InGaAs(0.7eV)有源区注入离子。

[0085] 采用本发明所述方法对IMM4J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IMM4J太阳电池同时进行辐照对比，如图3所示，IMM4J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，IMM4J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IMM4J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2.6倍。基于深层离子注入方式的IMM4J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IMM4J太阳电池的抗辐照能力。

[0086] 本发明采用现有的SRIM软件和TCAD软件，对IMM4J太阳电池进行性能仿真，有效地缩短了参数的确定时间与程序，能够快速的确定离子注入所需参数。

[0087] 本发明所述的基于深层离子注入方式的IMM4J太阳电池抗位移辐照加固方法既可用于对现有的IMM4J太阳电池进行抗辐照加固，也可以在IMM4J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IMM4J太阳电池，优化了IMM4J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。

[0088] 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。

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基于深层离子注入方式的倒置四结太阳电池抗位移辐照加固方法

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