Концентраторный каскадный фотопреобразователь



Концентраторный каскадный фотопреобразователь
Концентраторный каскадный фотопреобразователь
Концентраторный каскадный фотопреобразователь
Концентраторный каскадный фотопреобразователь
Концентраторный каскадный фотопреобразователь
Концентраторный каскадный фотопреобразователь
Концентраторный каскадный фотопреобразователь

 

H01L27/14 - содержащие полупроводниковые компоненты, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, коротковолновому электромагнитному или корпускулярному излучению, и предназначенные для преобразования энергии этих излучений в электрическую энергию или для управления электрической энергией с помощью таких излучений (компоненты, чувствительные к излучению, конструктивно связанные только с одним или несколькими электрическими источниками света H01L 31/14; соединение световодов с оптоэлектронными элементами G02B 6/42)

Владельцы патента RU 2515210:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к полупроводниковым фотопреобразователям, в частности к концентраторным каскадным солнечным фотоэлементам, которые преобразуют концентрированное солнечное излучение в электроэнергию. Концентраторный каскадный фотопреобразователь содержит подложку (1) p-Ge, в которой создан нижний p-n переход (2), и последовательно выращенные на подложке нуклеационный слой (3) n-Ga0,51In0,49P, буферный слой (4) n-Ga0,99In0,01As, нижний туннельный диод (5), средний p-n переход (9), содержащий базовый слой (10) и эмиттерный слой (11), а также широкозонное окно (12), верхний туннельный диод (13), верхний p-n переход (14), содержащий слой (15) тыльного потенциального барьера, базовый слой (16) и эмиттерный слой (17), а также широкозонное окно (18), и контактный n+-подслой (19). При этом нижний туннельный диод содержит n - широкозонный слой (6), n++-туннельный слой (7) и p++-туннельный слой (8), примыкающий непосредственно к базовому слою (10) среднего p-n перехода (9). Изобретение обеспечивает снижение последовательного сопротивления концентрационного каскадного фотопреобразователя для обеспечения повышения эффективности преобразования высококонцентрированного солнечного излучения. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым фотопреобразователям, в частности к концентраторным каскадным солнечным фотоэлементам, которые преобразуют концентрированное солнечное излучение в электроэнергию, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности для создания систем генерации электрической энергии.

Преобразование энергии света в электроэнергию с использованием полупроводниковых фотопреобразователей с p-n переходом основано на рождении электрон-дырочных пар при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны материала фотопреобразователя, и разделении разнополюсных носителей тянущим полем p-n перехода. Значительное увеличение КПД таких фотопреобразователей возможно только при использовании структур многопереходных (каскадных) фотопреобразователей, из которых наиболее перспективными как с точки зрения возможности достижения высочайших значений КПД, так и с экономической точки зрения, являются монолитные гетероструктурные фотопреобразователи на основе твердых растворов A3B5, получаемые эпитаксиальным выращиванием на полупроводниковой подложке в одном ростовом процессе. Такие фотопреобразователи включают несколько фотоактивных p-n переходов, выполненных из различных материалов и расположенных по убыванию ширины запрещенной зоны от светочувствительной поверхности к подложке. Для обеспечения эффективной низкоомной развязки фотоактивных p-n переходов монолитных каскадных фотопреобразователей необходимо использование туннельных диодов, характеризующихся низким поглощением полезного излучения, низким последовательным сопротивлением и, в случае преобразования высококонцентрированного солнечного излучения, высоким пиковым током туннелирования. Каждый фотоактивный p-n переход каскадной структуры преобразует только часть солнечного спектра, что позволяет реализовать близкие к оптимальным условия преобразования и значительно повысить КПД. При этом p-n переходы, преобразующие коротковолновое излучение, характеризуются большим напряжением холостого хода, так как они выполнены из материалов с большей шириной запрещенной зоны, а возможность использования узкозонных материалов позволяет значительно расширить область фоточувствительности каскадных фотопреобразователей. К примеру, использование двухпереходных солнечных элементов позволяет повысить теоретическую эффективность преобразования до 40% (AM1,5D, 1 солнце), а трех переходных до 49% (AM1,5D, 1 солнце).

Наиболее перспективными на сегодняшний день являются трехпереходные солнечные элементы на основе изопериодных полупроводниковых материалов Ga0.51In0.49P/Ga0.99In0.01As/Ge. Равенство постоянных решеток позволяет получать структуры каскадных Ga0,51In0,49P/Ga0,99In0,01As/Ge фотопреобразователей, характеризующихся высоким кристаллическим совершенством, за один процесс, поэтому они являются в настоящий момент основой массового производства высокоэффективных фотопреобразователей

Известен концентраторный каскадный фотопреобразователь (см. патент US 7071407, МПК H01L 31/68, опубликован 04.07.2006), включающий три фотоактивных p-n перехода: нижний, созданный в подложке Ge, средний, выращенный из GaInAs, и верхний, выращенный из GaInP, при этом нижний и средний p-n переходы соединены через нижний туннельный диод, содержащий последовательные туннельные слои GaAs и AlGaAs, а средний и верхний p-n переходы соединены через верхний туннельный диод, содержащий последовательные слои GaInP и AlGaAs.

Недостатками известного концентраторного каскадного фотопреобразователя является невозможность обеспечения его работоспособности при высоком уровне концентрации падающего излучения, что связано с низким пиковым током нижнего туннельного диода, обусловленного размыванием профиля примесей из-за отсутствия широкозонных барьеров для этого туннельного диода.

Известен концентраторный каскадный фотопреобразователь (см. «Multi junction solar cells and novel structures for solar cell applications", Masafumi Yamaguchi, Physica E, 14 (2002), p.84-90), включающий три фотоактивных p-n перехода: нижний, созданный в подложке Ge, средний, выращенный из GaInAs, и верхний, выращенный из GaInP, при этом нижний и средний p-n переходы соединены через нижний туннельный диод, содержащий последовательные слои n++-GaInP и p++-AlGaAs, а средний и верхний p-n переходы соединены через верхний туннельный диод, содержащий последовательные слои n++-GaInP и p++-AlGaAs.

Известный концентраторный каскадный фотопреобразователь имеет низкое значение КПД, связанное с высоким последовательным сопротивлением нижнего туннельного диода из-за использования широкозонного слоя n++-GaInP, и не может работать при высокой кратности падающей мощности, что связано как с использованием широкозонного слоя n++-GaInP, так и с отсутствием широкозонных барьеров у нижнего туннельного диода.

Известен каскадный фотопреобразователь (см. заявка US 2003/0136442, МПК H01L 31/00, опубликована 24.08.2003), включающий три фотоактивных p-n перехода: нижний, созданный в подложке Ge, средний, выращенный из GaAs и верхний, выращенный из GaInP, при этом нижний и средний p-n переходы соединены через нижний туннельный диод, содержащий последовательные слои n-GaInP и p-AlGaAs, а также широкозонный слой p-GaInP, а средний и верхний p-n переходы соединены через верхний туннельный диод, содержащий последовательные слои n-GaInP и p-AlGaAs.

Недостатками известного концентраторного каскадного фотопреобразователя являются: использование слоя n-GaInP и широкозонного слоя p-GaInP в нижнем туннельном диоде, что приводит к высокому последовательному сопротивлению структуры фотопреобразователя и не позволяет обеспечить его работу при высоких уровнях падающей на него мощности излучения.

Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является концентраторный каскадный фотопреобразователь (см. патент RU 2382439, МПК H01L 31/0304, опубликован 20.02.2010), принятый за прототип и включающий подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход и последовательно выращенные на подложке нуклеационный слой n-Ga0,51In0,49P, буферный слой n-Ga0,99In0,01As, нижний туннельный диод, последовательно содержащий широкозонный слой n-Al0,53In0,47P или n-AlGaInP, туннельный слой n++-GaAs, туннельный слой p++-AlGaAs и широкозонный слой p-Al0,53In0,47P или p-AlGaInP, средний p-n переход, верхний туннельный диод, верхний p-n переход, и контактный n+- подслой.

В структуре концентраторного каскадного фотопреобразователя-прототипа важную роль играют широкозонные слои для нижнего туннельного диода, роль которых выполняют n-Al0,53In0,47P или n-AlGaInP, а также p-Al0,53In0,47P или p-AlGaInP. В связи с тем, что во время роста структуры каскадного фотопреобразователя происходит диффузия атомов примеси из n++-GaAs и p++-AlGaAs слоев нижнего туннельного диода, что приводит к деградации его характеристик, необходимо наличие широкозонных слоев, что позволяет подавить диффузию атомов примеси и обеспечивает работоспособность нижнего туннельного диода после роста структуры.

Недостатком известного концентраторного каскадного фотопреобразователя-прототипа является недостаточная эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию из-за значительного последовательного сопротивления структуры, обусловленного использованием широкозонного слоя p-Al0,53In0,47P или p-AlGaInP в нижнем туннельном диоде.

Задачей заявляемого технического решения является снижение последовательного сопротивления концентраторного каскадного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs/Ge для обеспечения повышения эффективности преобразования высококонцентрированного солнечного излучения.

Поставленная задача достигается тем, что концентраторный каскадный фотопреобразователь содержит подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход и последовательно выращенные на подложке нуклеационный слой n-Ga0,51In0,49P, буферный слой n-Ga0,99In0,01As, нижний туннельный диод, средний p-n переход, содержащий базовый и эмиттерный слои, а также широкозонное окно, верхний туннельный диод, верхний p-n переход, содержащий слой тыльного потенциального барьера, базовый и эмиттерный слои, а также широкозонное окно, и контактный n+ - подслой. Новым в концентраторном каскадном фотопреобразователе является выполнение нижнего туннельного диода из n - широкозонного слоя, n++ - туннельного слоя и p++ - туннельного слоя, примыкающего непосредственно к базовому слою среднего p-n перехода.

В качестве n-широкозонного слоя нижнего туннельного диода может быть использован слой n-AlInP, легированный атомами кремния в количестве (0.5-1)·1018 см-3, в качестве n++ -туннельного слоя может быть использован слой n++-GaAs, легированный атомами кремния в количестве (5-7)·1018 см-3, а в качестве p++-туннельного слоя может быть использован слой p++-AlGaAs, легированный атомами углерода в количестве (1-2)·1020 см-3.

Буферный слой, базовый и эмиттерный слои среднего p-n перехода и контактный подслой могут быть выполнены из Ga0,99In0,01As, согласованного по параметру решетки с подложкой Ge, а нуклеационный слой, базовый и эмиттерный слои верхнего p-n перехода могут быть выполнены из твердого раствора Ga0,51In0,49P, также согласованного по параметру решетки с подложкой Ge.

В концентраторном каскадном фотопреобразователе в качестве широкозонного окна для среднего p-n перехода может быть использована пара слоев Ga0,51In0,49P/Al0.53In0.47P, в качестве тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода может быть использован согласованный по параметру решетки с подложкой слой AlGaInP, а слой широкозонного окна верхнего p-n перехода может быть выполнен из n-Al0.53In0.47P.

Толщина буферного слоя может составлять 0,7-1,2 мкм, а уровень легирования атомами кремния - 1·1018-2·1018 см-3, толщина базового слоя среднего перехода может составлять 2,8-3,4 мкм, а уровень легирования атомами цинка - 1·1016-2·1018 см-3, толщина эмиттерного слоя среднего перехода может составлять 0,1-0,15 мкм при уровне легирования атомами кремния 1·1018-5·1018 см-3, уровень легирования атомами кремния слоев широкозонного «окна» среднего перехода может составлять 0,2·1018-2·1018, толщина слоя тыльного потенциального барьера верхнего перехода может составлять 0,05-0,1 мкм, а уровень легирования атомами цинка - 1·1018-2·1018 см-3, толщина базового слоя верхнего перехода может составлять 0,3-0,9 мкм, а уровень легирования атомами цинка - 0,5·1017-2·1017 см-3, толщина эмиттерного слоя верхнего перехода может составлять 0,1-0,2 мкм при уровне легирования атомами кремния 2·1018-5·1018, уровень легирования атомами кремния слоя широкозонного «окна» верхнего перехода может составлять 0,5·1018-1·1018 см-3 при его толщине 20-40 нм, толщина контактного подслоя может составлять 0,3-0,5 мкм, а уровень легирования атомами кремния - 2·1018-5·1018.

Важной особенностью настоящего изобретения является возможность обеспечения работоспособности нижнего туннельного диода каскадного фотопреобразователя при высоких концентрациях падающего излучения при отсутствии p-широкозонного слоя в этом диоде. Как оказалось, коэффициенты диффузии атомов углерода из p++-AlGaAs слоя нижнего туннельного диода достаточно малы, и размытие профиля легирования этого слоя не происходит даже при отсутствии p-широкозонного слоя. Это дает возможность исключить p/p изотопный гетеропереход между арсенидными и фосфидными слоями из нижнего туннельного диода и значительно понизить его последовательное сопротивление.

Настоящая конструкция нижнего туннельного диода позволяет обеспечить работоспособность и высокое значение КПД концентраторного каскадного фотопреобразователя при преобразовании высококонцентрированного солнечного излучения, что особенно важно в концентраторных фотоэнергоустановках.

Использование широкозонного барьера n-AlInP в туннельном диоде позволяет минимизировать диффузию атомов кремния, характеризующихся большими коэффициентами диффузии в A3B5 полупроводниковых слоях, из расположенного выше слоя n++-GaAs во время выращивания верхней части структуры, что обеспечивает высокий уровень легирования этого слоя после окончания ростового процесса и обуславливает высокий пиковый ток и низкое последовательное сопротивление туннельного диода.

Использование слоя n++-GaAs, характеризующегося наименьшей шириной запрещенной зоны среди полупроводниковых материалов, согласованных по параметру решетки с Ge, позволяет обеспечить максимальный пиковый ток туннелирования для нижнего туннельного диода и повысить эффективность преобразования высококонцентрированного излучения.

Использование p++-AlGaAs слоя позволяет применять технологию автолегирования таких слоев атомами углерода, которые характеризуются малыми коэффициентами диффузии в полупроводниковых слоях A3B5, и получать уровни легирования более 1020 см-3, что позволяет обеспечить высокий пиковый ток туннельного диода.

Отсутствие p-широкозонного слоя в нижнем туннельном диоде позволяет значительно сократить последовательное сопротивление диода, которое возникает вследствие разрыва зон на изотипных p-p гетеропереходах и приводит к резкому снижению эффективности преобразования при высоких уровнях падающего излучения.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображена схема настоящего концентраторного каскадного фотопреобразователя;

на фиг.2 в таблице приведены параметры структур концентраторных каскадных фотопреобразователей, для которых применялось численное моделирование;

на фиг.3 представлены расчетные зонные диаграммы туннельного диода структуры 1 (см. таблицу), включающего слои p+-GaAs/p+-GaInP/p+-AlGaInP/p++-Al0.4Ga0.6As/n++-GaAs/n+-AlInP (Ec - энергия дна зоны проводимости, эВ; Ev - энергия потолка валентной зоны, эВ; Ef - положение уровня Ферми, эВ);

на фиг.4 показаны расчетные зонные диаграммы туннельного диода структуры 2 (см. таблицу), включающего слои p+-GaAs/p+-Al0.3Ga0.7As/p+-AlGaInP/p++-Al0.4Ga0.6As/n++-GaAs/n+-AlInP (Ec - энергия дна зоны проводимости, эВ; Ev - энергия потолка валентной зоны, эВ; Ef - положение уровня Ферми, эВ);

на фиг.5 представлены расчетные зонные диаграммы туннельного диода структуры 3 (см. таблицу), включающего слои p+-GaAs/p++-Al0.4Ga0.6As/n++-GaAs/n+-AlInP (Ec - энергия дна зоны проводимости, эВ; Ev - энергия потолка валентной зоны, эВ; Ef - положение уровня Ферми, эВ);

на фиг.6 приведены расчетные вольтамперные характеристики структур, представленных на фиг.2 в таблице (кривая 1 - структура 1, кривая 2 - структура 2, кривая 3 - структура 3, при плотности падающего излучения в 1000 солнц);

на фиг.7 изображены экспериментально полученные нагрузочные характеристики концентраторных каскадных фотопреобразователей на основе GaInP/GaInAs/Ge (4 - с нижним туннельным диодом, состоящим из слоев p+-AlGaInP/p++-Al0.4Ga0.6As/n++-GaAs/n+-AlInP; 5 - с нижним туннельным диодом, состоящим из слоев p++-Al0.4Ga0.6As/n++-GaAs/n+-AlInP при плотности падающего излучения 1000 солнц AM 1,5D).

Ввиду того, что концентраторный каскадный фотопреобразователь представляет собой последовательное включение фотоактивных p-n переходов и туннельных диодов, его суммарная вольтамперная характеристика будет включать в себя вклад от всех переходов, составляющих структуру фотопреобразователя. Особенно важным является вклад сопротивления гетеропереходов, входящих в полупроводниковую гетеростуктуру концентраторного каскадного фотопреобразователя, потому что оно представляет собой прямые потери эффективности преобразования.

Для обеспечения работы фотопреобразователя при высоких концентрациях падающего излучения, т.е. при больших плотностях падающего излучения, что приводит к протеканию больших плотностей тока, необходимо, чтобы пиковый ток туннелирования входящих в его состав туннельных диодов был максимальным. Туннельный диод представляет собой p-n переход между вырожденными (высоколегированными) полупроводниковыми слоями. При этом уменьшение ширины запрещенной зоны и увеличение легирования слоев туннельного диода приводит к возрастанию пикового тока туннелирования и уменьшению его последовательного сопротивления. Поэтому для туннельных диодов необходимо использовать материалы с минимально возможной шириной запрещенной зоны, а так же обеспечить максимально возможный уровень легирования их слоев. При выращивании структуры концентраторных каскадных фотопреобразователей, атомы примеси могут диффундировать из слоев туннельных диодов, что будет приводить к падению их пикового тока.

Для обеспечения работоспособности туннельных диодов при высоких плотностях тока необходимо минимизировать диффузию примеси из их высоколегированных слоев, что достигается посредством выращивания широкозонных слоев, примыкающих непосредственно к слоям туннельного диода. При этом для типичной структуры n++-GaAs/p++-AlGaAs туннельного диода, со слоями, легированными кремнием и углеродом соответственно, наибольшей эффективностью для подавления диффузии атомов примеси является использование широкозонных барьеров AlGaInP. Однако при этом наличие p/p изотипных гетеропереходов между фофсидными и арсенидными слоями может приводить к возрастанию последовательного сопротивления структуры.

Для оценки этого явления были проведены серии численных моделирований структур фотопреобразователей с различным дизайном нижнего туннельного диода (фиг.2).

Использование p-AlGaInP широкозонного барьера для нижнего туннельного диода GaInP/GaInAs/Ge каскадного фотопреобразователя как в случае тыльного потенциального барьера p-GaInP (фиг.3), так и в случае тыльного потенциального барьера p-AlGaAs (фиг.4) приводит к возникновению потенциального барьера для протекания дырок, что выражается в значительном вкладе неомичного сопротивления в вольтамперную характеристику концентраторного каскадного фотопреобразователя (см. фиг 6, кривые 1 и 2 соответственно), Эта неомичное сопротивление проявляется в наличии «хвостов», приводящих к падению фактора заполнения и КПД при высоких концентрациях падающего излучения.

Нивелирование этого сопротивления в настоящем концентраторном каскадном фотопреобразователе осуществляется за счет исключения слоев p-AlGaInP из структуры нижнего туннельного диода GaInP/GaInAs/Ge каскадного фотопреобразователя. При этом отсутствуют барьеры для протекания носителей (см. фиг.5), а вольтамперная характеристика имеет правильный вид (см. фиг 6, кривая 3). Важно отметить, что малые коэффициенты диффузии атомов углерода в A3B5 полупроводниковых слоях позволяют сохранить высокий пиковый ток туннелирования, даже при отсутствии p-широкозонного барьера.

Настоящий концентраторный каскадный фотопреобразователь (трехпереходный GaInP/GaInAs/Ge, выращенный на подложке Ge) показан на фиг.1. Он состоит из подложки 1, например p-Ge, нижнего p-n перехода 2, созданного в подложке 1, нуклеационного слоя 3, выполненного, например, из n-Ga0,51In00,49P буферного слоя 4, выполненного, например, из n-Ga0,99In0,01As, толщиной, например, 0,7-1,2 мкм, с уровнем легирования, например, атомами кремния 1·1018-2·1018 см-3, нижнего туннельного диода 5, содержащего широкозонный слой 6 n-AlInP, легированный, например, атомами кремния на 0,5·1018-1·1018 см-3, туннельный слой 7 n++-GaAs, легированный, например, атомами кремния на 5·1018-7·1018 см-3, и туннельный слой 8 p++-AlGaAs, легированный, например, атомами углерода на 1·1020-2·1020 см-3, среднего p-n перехода 9 на основе, например, Ga0,99In0,01As, содержащего базовый слой 10 толщиной, например, 2,8-3,4 мкм при уровне легирования, например, атомами цинка 1·1016-2·1018 см-3, эмиттерный слой 11 толщиной, например, 0,1-0,15 мкм при уровне легирования, например, атомами кремния 1·1018-5·1018 см-3, и широкозонное «окно» 12, содержащее, например, пару слоев Ga0,51In0,49P/Al0.51In00.49P, легированных, например, атомами кремния на уровне 0,2·1018-2·1018, верхнего туннельного диода 13, верхнего p-n перехода 14 на основе, например, материала Ga0,51In0,49P, содержащего слой 15 тыльного потенциального барьера толщиной, например, 0,05-0,1 мкм при уровне легирования, например, атомами цинка 1·1018-2·1018 см-3, базовый слой 16 толщиной, например, 0,6-0,7 мкм при уровне легирования, например, атомами цинка 0,5·1017-2·1017 см-3, эмиттерный слой 17 толщиной, например, 0,1-0,2 мкм при уровне легирования, например, атомами кремния 2·1018-5·1018, широкозонное «окно» 18 толщиной, например, 20-40 нм, легированное, например, атомами кремния на уровне 0,5·1018-1·1018 см-3, и контактный подслой 19, например, из n+-Ga0,99In0,01As, толщиной, например, 0,3-0,5 мкм, и уровнем легирования, например, атомами кремния, составляющим, например 2·1018-5·1018.

Экспериментально созданные образцы концентраторных каскадных фотопреобразователей продемонстрировали согласование с теоретическими расчетами. При этом нивелирование последовательного сопротивления нижнего туннельного диода GaInP/GaInAs/Ge каскадного фотопреобразователя позволило повысить его КПД при концентрациях падающего излучения более 500 солнц на величину порядка 3%, а пиковый ток тунелирования нижнего туннельного диода позволил обеспечить работоспособность каскадных концентраторных фотопреобразователей вплоть до концентраций падающего излучения порядка 4000 солнц.

Пример 1. Был создан концентраторный каскадный фотопреобразователь на основе структуры, содержащей подложку p-Ge, в которой был создан нижний p-n переход, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-Ga0,51In0,49P толщиной 100 нм, n-Ga0,99In0,01As буферный слой толщиной 1 мкм, широкозонный слой n-Al0,53In0,47P нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой n++-GaAs нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p++-Al0,4Ga0,6As нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p+-GaAs тыльного потенциального барьера среднего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой среднего перехода p-Ga0,99In0,01As толщиной 3 мкм, эмиттерный слой n-Ga0,99In0,01As среднего перехода толщиной 0,1 мкм, слои n-Ga0,52In0,48P/n-Al0,53In0,47P широкозонного «окна» среднего перехода толщиной 100 и 30 нм соответсвенно, слой n++-GaAs верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p++-Al0,4Ga0,6As верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p-Ga0,51In0,49P тыльного потенциального барьера верхнего перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой p-Ga0,51In0,49P верхнего p-n перехода толщиной 0,65 мкм, n-Ga0,51In0,49P эмиттерный слой верхнего перехода толщиной 0,05 мкм, слой n-Al0,53In0,47P широкозонного «окна» верхнего p-n перехода толщиной 0,03 мкм и контактный подслой n+-GaAs толщиной 500 нм. Такой фотопреобразователь продемонстрировал отсутствие «хвостов» на ВАХ при высоких плотностях падающего излучения (1000 солнц), что свидетельствовало об отсутствии нефотоактивного барьера в его структуре. КПД при 1000 солнцах AM1,5D составил 36,0%.

Пример 2. Для сравнения был создан концентраторный каскадный фотопреобразователь на основе структуры, содержащей подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-Ga0,51In0,49P толщиной 100 нм, буферный слой n-Ga0,99In0,01As толщиной 1 мкм, широкозонный слой n-Al0,53In0,47P нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой n++-GaAs нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p++-Al0,4Ga0,6As нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, широкозонный слой p-(Al0,3Ga0,7)0,52In0,48P нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, слой p-AlGaAs тыльного потенциального барьера среднего перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой p-Ga0,99In0,01As среднего p-n перехода толщиной 3 мкм, эмиттерный слой n-Ga0,99In0,01As среднего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, слои n-Ga0,52In0,48P/n-Al0,53In0,47P широкозонного «окна» среднего p-n перехода толщиной 100 и 30 нм соответсвенно, слой n++-GaAs верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p++-Al0,4Ga0,6As верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, слой p-Ga0,51In0,49P тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода толщиной 0,1 мкм, базовый слой n-Ga0,51In0,49P верхнего p-n перехода толщиной 0,65 мкм, эмиттерный слой n-Ga0,51In0,49P верхнего p-n перехода толщиной 0,05 мкм, слой n-Al0,53In0,47P широкозонного «окна» верхнего p-n перехода толщиной 0,03 мкм и контактный подслой n+-GaAs толщиной 500 нм. Такой фотопреобразователь продемонстрировал наличие «хвостов» на ВАХ при высоких концентрациях падающего излучения (1000 солнц), что свидетельствовало о наличии нефотоактивного барьера в его структуре и приводило к снижению фактора заполнения ВАХ. КПД при 1000 солнцах AM1,5D составил 32,9%.

1. Концентраторный каскадный фотопреобразователь, содержащий подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход и последовательно выращенные на подложке нуклеационный слой n-Ga0,51In0,49P, буферный слой n-Ga0,99In0,01As, нижний туннельный диод, средний p-n переход, содержащий базовый и эмиттерный слои, а также широкозонное окно, верхний туннельный диод, верхний p-n переход, содержащий слой тыльного потенциального барьера, базовый и эмиттерный слои, а также широкозонное окно, и контактный n+-подслой, при этом нижний туннельный диод содержит n-широкозонный слой, n++-туннельный слой и р++ -туннельный слой, примыкающий непосредственно к базовому слою среднего p-n перехода.

2. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве n-широкозонного слоя нижнего туннельного диода использован слой n-AlInP, легированный атомами кремния в количестве 0,5·1018-1·1018 см-3, в качестве n++-туннельного слоя использован слой n++-GaAs, легированный атомами кремния в количестве 0,5·1018-1·1018 см-3, а в качестве p++ - туннельного слоя использован слой p++-AlGaAs, легированный атомами углерода в количестве 1·1020-2·1020 см-3.

3. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что буферный слой, базовый и эмиттерный слои среднего p-n перехода и контактный подслой выполнены из Ga0,99In0,01As, согласованного по параметру решетки с подложкой Ge, а нуклеационный слой, базовый и эмиттерный слои верхнего p-n перехода выполнены из твердого раствора Ga0,51In0,49P, также согласованного по параметру решетки с подложкой Ge.

4. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве широкозонного окна для среднего p-n перехода использована пара слоев Ga0,51In0,49P/Al0,53In0,47P, в качестве тыльного потенциального барьера верхнего p-n перехода использован согласованный по параметру решетки с подложкой слой AlGaInP, а слой широкозонного окна верхнего p-n перехода выполнен из n-Al0,53In0,47P.

5. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что толщина буферного слоя составляет 0,7-1,2 мкм, а уровень легирования атомами кремния составляет 1·1018-2·1018 см-3, толщина базового слоя среднего перехода составляет 2,8-3,4 мкм, а уровень легирования атомами цинка составляет 1·1016-2·1018 см-3, толщина эмиттерного слоя среднего перехода составляет 0,1-0,15 мкм при уровне легирования атомами кремния 1·1018-5·1018 см-3, уровень легирования атомами кремния слоев широкозонного «окна» среднего перехода составляет 0,2·1018-2·1018, толщина слоя тыльного потенциального барьера верхнего перехода составляет 0,05-0,1 мкм, а уровень легирования атомами цинка составляет 1·1018-2·1018 см-3, толщина базового слоя верхнего перехода составляет 0,3-0,9 мкм, а уровень легирования атомами цинка составляет 0,5·1017-2·1017 см-3, толщина эмиттерного слоя верхнего перехода составляет 0,1-0,2 мкм при уровне легирования атомами кремния 2·1018-5·1018, уровень легирования атомами кремния слоя широкозонного «окна» верхнего перехода составляет 0,5·1018-1·1018 см-3 при его толщине 20-40 нм, толщина контактного подслоя составляет 0,3-0,5 мкм, а уровень легирования атомами кремния составляет 2·1018-5·1018.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к мультиспектральному светочувствительному устройству и способу его изготовления. Мультиспектральное светочувствительное устройство содержит по меньшей мере один непрозрачный слой основы; причем каждый слой основы имеет по меньшей мере две стороны, причем по меньшей мере две из сторон снабжены группами светочувствительных пикселей, каждая группа светочувствительных пикселей используется для восприятия света любого спектра, излучаемого с фронтального направления расположенной стороны.

Изобретение относится к области создания детекторов инфракрасного излучения и касается болометрического ИК-детектора. Детектор состоит из мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к подложке с помощью токопроводящих шинок.

Изобретение относится к устройству отображения, оснащенному оптическим датчиком в области пикселей. Техническим результатом является повышение чувствительности и высокое отношение сигнал/шум в светочувствительном датчике.

Изобретение относится к устройствам формирования изображения. Твердотельное устройство формирования изображений включает в себя подложку, область датчика изображения и схему обработки сигналов, которые электрически соединены друг с другом, область с низкой теплопроводностью, расположенную между областью датчика изображения и схемой обработки сигналов, и сквозное отверстие, сформированное в подложке, при этом область с низкой теплопроводностью находится в сквозном отверстии и имеет более низкую теплопроводность, чем у подложки.

Изобретение относится к устройству отображения, снабженному оптическим датчиком в пиксельной области. Техническим результатом является повышение точности при захвате изображений посредством улучшения линейности характеристик чувствительности фотодиода.

Изобретение относится к устройствам захвата изображения. Твердотельное устройство захвата изображения включает в себя множество пикселей, причем каждый из множества пикселей содержит участок фотоэлектрического преобразования, сконфигурированный для генерации зарядов в соответствии с падающим светом, участок удержания заряда, сконфигурированный так, чтобы включать в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости, и участок передачи, сконфигурированный так, чтобы включать в себя электрод передающего затвора, который управляет потенциалом между участком удержания заряда и узлом считывания.

Изобретения могут быть использованы в устройствах для формирования изображения, определения координат исследуемых объектов, оптической пеленгации, автоматического управления, контроля и измерения параметров излучения, экологического мониторинга, медицинской диагностики и неразрушающего контроля.

Изобретение относится к твердотельному устройству захвата изображения. В твердотельном устройстве захвата изображения участок фотоэлектрического преобразования, участок удержания зарядов, участок переноса и узел считывания формируются в кармане p-типа.

Изобретение относится к датчикам электромагнитного излучения и, в частности, к массивам твердотельных датчиков изображения, имеющим световые рецепторы с размерами меньше дифракционного предела, и к цветовым фильтрам, с которыми они используются.

Изобретение относится к твердотельному датчику изображения, способу его изготовления и аппарату для съемки. Твердотельный датчик изображения включает в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости, вторую полупроводниковую область второго типа проводимости, расположенную в контакте с нижней поверхностью первой полупроводниковой области и функционирующую в качестве области накопления зарядов, третью полупроводниковую область, включающую в себя боковые поверхности, окруженные второй полупроводниковой областью, четвертую полупроводниковую область второго типа проводимости, расположенную на удалении от второй полупроводниковой области, и затвор переноса, который образует канал для переноса зарядов, накапливаемых во второй полупроводниковой области, в четвертую полупроводниковую область.

Изобретение относится к области оптоэлектроники, а именно к многоэлементным приемникам субмиллиметрового и дальнего инфракрасного излучения, и может найти применение в терагерцовой микроскопии, при исследовании полупроводниковых излучателей, в системах безопасности, медицине и др. Технический результат изобретения заключается в снижении влияния ВЧ-тока каждой планарной антенны на соседние антенны и, как следствие, в уменьшении взаимовлияния соседних антенн друг на друга. Матрица сверхпроводящих детекторов на электронном разогреве содержит соединенные друг с другом планарные антенны с интегрированным в каждую элементом, чувствительным к ИК-излучению, причем ветви каждой антенны имеют форму логарифмических спиралей. На каждом участке, соединяющем антенны друг с другом, выполнена по меньшей мере одна продольная прорезь или заужение. Этот участок обладает повышенным волновым сопротивлением, и, благодаря конструктивной интерференции волн, отраженных от ближнего и дальнего краев отрезка, на конце спирали реализуется режим, близкий к режиму холостого хода. ВЧ-ток отражается в месте начала отрезка с повышенным волновым сопротивлением, и антенна работает в режиме, близком к уединенной антенне. 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области создания детекторов инфракрасного излучения и касается болометрического ИК-детектора. Детектор состоит из мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к подложке с помощью токопроводящих шинок. Функции (ТЧЭ) и (ПЭЭ) объединены в одном элементе, который выполнен в виде 2N периодических решеток, ориентированных взаимно перпендикулярно друг к другу. Решетки состоят из n тонкопленочных монокристальных полосок, изготовленных из Bi1-xSbx (0<x<12), и представляют собой n фазированных антенн с периодом L=λ/2. Параметры болометра удовлетворяют следующим соотношениям: Δλ≤(λ/n+λR0/2Z), τ<20a×b/χ, R0/2Z<0,5, где Δλ - интервал регистрируемых длин волн на основной длине волны λ, Z=120π Ом - импеданс свободного пространства, χ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной, а - ширина, b - длина полосок, Ro - сопротивление квадратного участка поверхности полоски, τ - время выхода на стационарное состояние при воздействии прямоугольного импульса электромагнитной энергии. Технический результат заключается в повышении быстродействия устройства. 1 ил.

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к фоточувствительным матрицам приемников оптических, рентгеновских излучений и изображений для применения в фотоаппаратах, видеокамерах, сотовых телефонах, медицинских рентгеновских панелях, а также в универсальных твердотельных экранах, способных одновременно как принимать фотоизображение, так его и воспроизводить на этом же экране. Функционально-интегрированная ячейка фоточувствительной матрицы согласно изобретению содержит фоточувствительный элемент, шины общую, питания, адресную и разрядную, транзистор выборки строк, затвор которого соединен с адресной шиной, при этом ячейка дополнительно содержит конденсатор и биполярный n-p-n (p-n-p) транзистор, коллектор которого соединен с шиной питания, а эмиттер - с разрядной шиной, база со стоком p(n) канального МОП транзистора - выборки строк, общая шина соединена с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с коллектором биполярного транзистора. Также согласно изобретению предложены еще три варианта функционально-интегрированная ячейка фоточувствительной матрицы. Изобретение обеспечивает улучшение чувствительности, быстродействия фоточувствительной матрицы, а также возможность двойного использования в качестве приемника и передатчика изображения. 4 н.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к многоэлементным или матричным фотоприемникам (МФП) на основе антимонида индия, чувствительным в спектральном диапазоне 3-5 мкм. Конструкция МФП позволяет повысить выход годных и улучшить однородность параметров МФП в серийном производстве за счет увеличения квантовой эффективности и устранения эффекта «памяти» и влияния клеевого соединения на величину фототоков фоточувствительных элементов (ФЧЭ). Многоэлементный фотоприемник на основе антимонида индия включает матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с тонкой базой, скоммутированных с мультиплексором, на тыльную сторону матрицы фоточувствительных элементов нанесено просветляющее покрытие, содержащее встроенный заряд, знак которого противоположен знаку основных носителей заряда в базе МФЧЭ. 3 ил.

Обеспечено твердотельное устройство захвата изображения, способное на подавление генерирования темнового тока и/или тока утечки. Твердотельное устройство захвата изображения имеет первую подложку, снабженную фотоэлектрическим преобразователем на ее первичной поверхности, первую структуру разводки, имеющую первый контактный участок, который содержит проводящий материал, вторую подложку, снабженную частью периферийной схемы на ее первичной поверхности, и вторую структуру разводки, имеющую второй контактный участок, который содержит проводящий материал. В дополнение, первый контактный участок и второй контактный участок соединены так, что первая подложка, первая структура разводки, вторая структура разводки и вторая подложка расположены в указанном порядке. Кроме того, проводящий материал первого контактного участка и проводящий материал второго контактного участка окружены пленками предотвращения диффузии. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к способам и устройствам для управления затворами полевых транзисторов или затворами биполярных транзисторов с изолированными затворами. Техническим результатом изобретения является создание способа и устройства для управления затворами полевых транзисторов или затворами биполярных транзисторов с изолированными затворами, обеспечивающих высокую стабильность и надежность процесса управления затворами, высокую электрическую прочность гальванической развязки устройства управления и силовых элементов транзисторов, исключение генерации электрических помех в устройстве управления от токов в выходных цепях управляемых транзисторов. В способе управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами путем совместной передачи управляющей информации и энергии для управления затворами между источником и приемником управляющей информации и энергии для управления затворами транзисторов создают беспроводной энерготранспортирующий канал в электроизолирующей среде светопроводящего стержня путем размещения на одном из торцов стержня мощного светодиода, на другом торце стержня матричного солнечного элемента, при помощи светодиода в направлении к матричному солнечному элементу в стержне возбуждают световой поток, энергию светового потока преобразуют в матричном солнечном элементе в энергию электрического тока, с помощью которой питают затвор транзистора, при этом управляющую информацию кодируют путем изменения времен включенного и выключенного состояний светодиода. 6 н. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к светочувствительному устройству, а также к способу считывания и к его схеме считывания. Светочувствительное устройство содержит пиксельную матрицу и схему считывания, причем передающий затвор для соединения соседних пикселей и переноса заряда между соединенными пикселями расположен между, по меньшей мере, некоторыми указанными пикселями в пиксельной матрице, схема считывания используется для считывания заряда пикселя в пиксельной матрице, упомянутый заряд является, по меньшей мере, одним из собственного заряда упомянутого пикселя, заряда, переносимого из пикселя, соседнего с упомянутым пикселем, суперпозиции собственного заряда упомянутого пикселя и заряда, переносимого из одного или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем, и суперпозиции зарядов переноса двух или более пикселей, соседних с упомянутым пикселем. Изобретение обеспечивает удобство в обработке и считывании. 3 н. и 17 з.п.ф-лы, 24 ил.

Изобретение относится к мультиспектральному считывающему устройству для считывания инфракрасных, монохромных и цветных изображений. Мультиспектральное фоточувствительное устройство содержит базовый слой со множеством макроблоков из составных считывающих пикселов, по меньшей мере, один составной считывающий пиксел содержит, по меньшей мере, два базовых считывающих пиксела, размещенных в слоях вдоль направления испускания света, причем каждый слой имеет один базовый считывающий пиксел, и базовые считывающие пикселы распределены на верхней стороне или нижней стороне, либо на верхней стороне и нижней стороне базового слоя, и каждая сторона содержит самое большее два слоя, причем полосы спектра, считываемые посредством базовых считывающих пикселов в одних и тех же составных считывающих пикселах, соответственно, являются ортогональными друг другу. Изобретение обеспечивает лучшее выполнение цветового считывания и интеграцию цветового считывания и инфракрасного считывания. 13 з.п. ф-лы, 28 ил.

Изобретение относится к электронной технике. В фоточувствительном приборе с зарядовой связью, имеющем подложку первого типа проводимости, в ее приповерхностной части, внутри области объемного канала переноса второго типа проводимости дополнительно сформирована примыкающая к обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной области и имеющая с ней омический контакт дополнительная фоточувствительная область первого типа проводимости, имеющая область перекрытия с областью стоп-диффузии с образованием в этой области перекрытия омического контакта, причем находящаяся под ней область объемного канала переноса второго типа проводимости имеет более низкую концентрацию примеси, чем область объемного канала переноса под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью, при этом величина потенциала объемного канала переноса под дополнительной фоточувствительной областью меньше величины потенциала объемного канала переноса под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью, а глубина залегания дополнительной фоточувствительной области в области канала переноса соответствует глубине проникновения ультрафиолетового излучения в данную полупроводниковую подложку. Изобретение обеспечивает создание фоточувствительного прибора с зарядовой связью с увеличенной чувствительностью к УФ излучению. 1 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области интегральной микроэлектроники и предназначено для обработки оптической информации. Техническим результатом является повышение точности определения дальности до объектов в одном кадре одновременно с получением тепловизионного изображения. Устройство содержит многоканальную систему считывания с каналами считывания тепловизионного сигнала и измерения дальности до объектов изображения в составе матрицы ячеек считывания форматом m×n, трансимпедансный усилитель, фильтр высоких частот, усилитель, компаратор, счетчики, строчные шины управления, столбцовые шины считывания, логические элементы И. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх