Метаморфный фотопреобразователь



Метаморфный фотопреобразователь
Метаморфный фотопреобразователь
Метаморфный фотопреобразователь

 

H01L31/0725 - Полупроводниковые приборы, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, электромагнитному, коротковолновому или корпускулярному излучению, предназначенные либо для преобразования энергии такого излучения в электрическую энергию, либо для управления электрической энергией с помощью такого излучения; способы или устройства, специально предназначенные для изготовления или обработки таких приборов или их частей; конструктивные элементы приборов (H01L 51/00 имеет преимущество; приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированных на общей подложке или внутри нее, кроме приборов, содержащих чувствительные к излучению компоненты, в комбинации с одним или несколькими электрическими источниками света H01L 27/00; кровельные покрытия с приспособлениями для размещения и использования устройств для накопления или концентрирования энергии E04D 13/18; получение тепловой энергии с

Владельцы патента RU 2611569:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания солнечных элементов. Метаморфный фотопреобразователь включает подложку (1) из GaAs, метаморфный буферный слой (2) и по меньшей мере один фотоактивный p-n-переход (3), выполненный из InGaAs и включающий базовый слой (4) и эмиттерный слой (5), слой (6) широкозонного окна из In(AlxGa1-x)As, где x=0,2-0,5, и контактный субслой (7) из InGaAs. Метаморфный фотопреобразователь, выполненный согласно изобретению, имеет повышенные величину фототока и КПД. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания фотопреобразователей (солнечных элементов).

В последние десятилетия в мире постоянно возрастал интерес к возобновляемым источникам энергии, в частности использующим солнечную энергию. Для космических летательных аппаратов фотовольтаика (солнечная энергетика) является единственным источником энергии, что во многом обуславливает ее развитие, однако в последние годы постоянно растет и доля фотовольтаики в общем объеме энергии, генерируемой наземными электростанциями. При этом разработка полупроводниковых структур каскадных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе соединений А3В5, преобразующих концентрированное излучение, является одним из наиболее перспективных путей к достижению наивысших значений КПД фотоэлектрического преобразования. Значительное ограничение на КПД каскадных ФЭП накладывают свойства полупроводниковых материалов, из которых выполнены элементы их полупроводниковой структуры. В первую очередь, это относится к параметру кристаллической решетки. Наличие рассогласования материалов по параметру решетки приводит к накапливанию упругих напряжений, которые релаксируют при достижении определенной толщины с образованием дефектов, что особенно критично для фотопреобразующих структур ввиду большой толщины их фотоактивных слоев. Таким образом, обеспечение возможности расширения спектрального диапазона фоточувствительности субэлементов каскадного ФЭП, которое влечет за собой увеличение генерируемого ими фототока, является важной задачей для реализации потенциала КПД каскадных фотопреобразователей.

Известен метаморфный фотопреобразователь (см. заявка US 20140370648, МПК H01L 31/18, опубл. 18.12.2014), содержащий подложку из GaAs и три инвертированных фотоактивных p-n-перехода, один из которых выполнен из GalnAs с использованием метаморфного буферного слоя, при этом GaInAs p-n-переход включает базовый слой, эмиттерный слой и слой широкозонного окна, выполненный из GaInP.

Недостатком известного метаморфного фотопреобразователя является недостаточный фототок GaInAs p-n-перехода, связанный с рекомбинацией носителей на гетерогранице эмиттерного слоя GaInAs и слоя широкозонного окна GaInP, а также с потерей носителей, фотогенерированных в слое широкозонного окна.

Известен метаморфный фотопреобразователь (см. заявка US 20120211068, МПК H01L 31/18, опубл. 24.09.2007), содержащий подложку из GaAs и четыре инвертированных фотоактивных p-n-перехода, два из которых выполнены из GaInAs с использованием метаморфных буферных слоев, при этом один из GaInAs p-n-переходов включает базовый слой, эмиттерный слой и слой широкозонного окна, выполненный из AlGaInAs.

Недостатком известного метаморфного фотопреобразователя является значительное последовательное сопротивление структуры за счет большого разрыва зон на гетерогранице широкозонное окно-эмиттерный слой, связанное с наличием AlGaInAs широкозонного окна с большим содержанием алюминия.

Известен метаморфный фотопреобразователь (см. заявка ЕР 2086024, МПК H01L 31/18, опубл. 24.09.2007), содержащий подложку из GaAs и четыре инвертированных фотоактивных p-n-перехода, два из которых выполнены из GaInAs с использованием метаморфных буферных слоев, при этом один из GaInAs p-n-переходов является гетеропереходом.

Недостатками известного метаморфного фотопреобразователя являются большое последовательное сопротивление структуры, связанное с наличием AlGaInAs широкозонного окна, а также малый фототок, генерируемый метаморфными p-n-переходами в случае использования широкозонного окна GaInP.

Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является метаморфный фотопреобразователь (см. заявка US 20120240987, МПК H01L 31/18, опубл. 27.09.2012), принятый за прототип и включающий подложку из Ge, метаморфный буферный слой и один фотоактивный p-n-переход, выполненный из GaInAs и включающий базовый слой, эмиттерный слой и слой широкозонного окна из GaInP.

Недостатками известного метаморфного фотопреобразователя является рекомбинация носителей на гетерогранице эмиттерного слоя из GaInAs и слоя широкозонного окна из GaInP, а также выход носителей, фотогенерированных в слое широкозонного окна за пределы фотоактивного перехода, что снижает эффективность его преобразования.

Задачей настоящего решения является создание такого метаморфного фотопреобразователя, в котором обеспечивалось бы хорошее собирание носителей, фотогенерированных в слое широкозонного окна и в эмиттерном слое, что обуславливает повышение фототока и КПД фотопреобразователя.

Поставленная задача достигается тем, что метаморфный фотопреобразователь включает последовательно выращенные на подложке из GaAs метаморфный буферный слой и по меньшей мере одни фотоактивный p-n-переход, выполненный из InGaAs и включающий базовый слой и эмиттерный слой, а также слой широкозонного окна из In(AlxGa1-x)As, где x=0,2-0,5, и контактный субслой из InGaAs.

В метаморфном фотопреобразователе p-n-переход может быть выполнен из InyGa1-yAs, где y=0,24.

Между метаморфным буферным слоем и базовым слоем может быть включен слой тыльного потенциального барьера из In(AlGa)As.

В метаморфном фотопреобразователе базовый слой может быть выполнен толщиной 3000 нм, эмиттерный слой может быть выполнен толщиной 500 нм, слой широкозонного окна может быть выполнен толщиной 50 нм, а контактный субслой может быть выполнен 300 нм.

Новым в метаморфном фотопреобразователе является выполнение слоя широкозонного окна из Inx(AlyGa1-y)1-xAs, где x=0,2-0,5, что позволяет повысить фототок, генерируемый фотопреобразователем, и сократить его последовательное сопротивление.

В метаморфном фотопреобразователе уровень легирования базового слоя атомами кремния может составлять порядка 1⋅1017 см-3, уровень легирования эмиттерного слоя атомами цинка может составлять порядка 1⋅1018 см-3, а уровень легирования слоя широкозонного окна атомами цинка может составлять порядка 2⋅1018 см-3.

В метаморфном фотопреобразователе уровень легирования контактного субслоя атомами цинка может составлять порядка 1⋅1019 см-3.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где

на фиг. 1 показано схематичное изображение поперечного сечения настоящего метаморфного фотопреобразователя;

на фиг. 2 представлены зонные диаграммы гетеропереходов: контактный субслой/слой широкозонного окна/эмиттер для метаморфного фотопреобразователя, включающего слой широкозонного окна, выполненный из In0.24Al0.76As (кривая 1 - зона проводимости, кривая 2 - валентная зона) и In0.24(Al0.5Ga0.5)0.76As (кривая 3 - зона проводимости, кривая 4 - валентная зона), кривая 5 - уровень Ферми;

на фиг. 3 представлены спектральные характеристики метаморфного фотопреобразователя, включающего слой широкозонного окна, выполненный из In0.24Al0.76As (кривая 6) и In0.24(Al0.5Ga0.5)0.76As (кривая 7);

на фиг. 4 представлены вольтамперные характеристики метаморфного фотопреобразователя, включающего слой широкозонного окна, выполненный из In0.24Al0.76As (кривая 8) и In0.24(Al0.5Ga0.5)0.76As (кривая 9).

Настоящий метаморфный фотопреобразователь (фиг. 1) включает подложку 1, выполненную из GaAs, метаморфный буферный слой 2 и по меньшей мере один фотоактивный p-n-переход 3, выполненный из InGaAs и включающий базовый слой 4, с толщиной, например, 3000 нм и уровнем легирования, например, атомами кремния порядка 1⋅1017 см-3, и эмиттерный слой 5, выполненный толщиной, например 500 нм и уровнем легирования, например, атомами цинка порядка 1⋅1018 см-3, слой 6 широкозонного окна, выполненный из In(AlxGa1-x)As, где x=0,2-0,5, толщиной, например, 50 нм, и уровнем легирования, например, атомами цинка порядка 2⋅1018 см-3, и контактный субслой 7, выполненный из InxGa1-xAs с толщиной, например 300 нм, и уровнем легирования, например, атомами цинка порядка 1⋅1019 см-3.

В случае рассогласования подложки 1 и растущего метаморфного буферного слоя 2 в последнем будут накапливаться упругие напряжения. При накоплении критического значения упругих напряжений происходит пластическая деформация, и часть упругой энергии превращается в энергию дислокаций. Другая часть упругой энергии идет на работу, совершаемую кристаллической решеткой при расширении или сжатии объема твердой фазы после частичной релаксации упругих напряжений.

Метаморфный буферный слой (МБС) 2 может представлять собой набор релаксированных субслоев переменного состава, на интерфейсы которого загибаются дислокации. Профиль изменения состава может быть линейным, ступенчатым или пилообразным.

С целью увеличения собирания фотогенерированных носителей из области широкозонного окна, в настоящем изобретении были оптимизированы параметры слоя 6 широкозонного окна. Для этого предварительно был проведен численный расчет зонной диаграммы структуры ФЭП. В результате было обнаружено, что при составе слоя 6 широкозонного окна In0.24AlAs (в случае ФЭП с концентрацией In 24%), данный слой имеет энергетический максимум для дна зоны проводимости (фиг 2, кривая 1). Так как слой 6 широкозонного окна легирован акцепторной примесью, неосновными носителями заряда (ННЗ) в нем являются электроны. Подобный вид дна зоны проводимости приводит к тому, что ННЗ, рожденные в области поля, направленного к контактному субслою 7, погибнут, не дав вклада в фототок. В результате в коротковолновой области снижается внутренний квантовый выход.

Такое же поведение происходит при использовании слоя 6 широкозонного окна, выполненного из GaInP. Важно также отметить, что интерфейс между слоями GaInP слоя 6 широкозонного окна и GaInAs эмиттерного слоя 5 может характеризоваться повышенной рекомбинацией, так как эти материалы этих слоев имеют разные атомы пятой группы (мышьяк и фосфор), что будет приводить к рекомбинации носителей, фотогенерированных в эмиттерном слое 5, вблизи слоя 6 широкозонного окна.

При добавлении в состав слоя 6 широкозонного окна In0.24AlAs галлия, ширина запрещенной зоны снижается, что существенно изменяет вид зонной диаграммы. Оптимальным составом для слоя 6 широкозонного окна в исследованной структуре ФЭП является состав In0.24(Al0.5Ga0.5)0.76As. При данном составе в слое 6 окна оказывается встроено поле (фиг. 2, кривая 3). Направление поля способствует движению фотогенерированных электронов в сторону эмиттера, что способствует более полному собиранию ННЗ.

Было дополнительно проведено сравнение спектральных характеристик квантового выхода ФЭП с различным составом широкозонного окна. Несмотря на то что уменьшение ширины запрещенной зоны слоя окна должно приводить к улучшению поглощения длинноволновых фотонов и, как следствие, являться оптическим фильтром для ФЭП, измеренная спектральная характеристика фотоэлемента с более узкозонным окном (фиг 4, кривая 7) имела более высокий внутренний квантовый выход. Это полностью подтверждает моделирование зонной диаграммы. При увеличении спектральной эффективности для коротковолнового диапазона была сохранена спектральная эффективность для длинноволнового края, тем самым увеличив суммарный вырабатываемый фототок.

Оптимизация широкозонного окна также позволила значительно улучшить электрические характеристики. Это является следствием уменьшения ширины запрещенной зоны и уменьшения барьера для основных носителей заряда в слое широкозонного окна (фиг. 2, кривая 4). Действительно, в случае использования широкозонного окна In0.24AlAs в валентной зоне возникал высокий барьер, препятствующий транспорту дырок в сторону контактного подслоя (фиг. 2, кривая 2), что выражалось в повышении последовательного сопротивления и падении КПД ФЭП (фиг 4, кривая 8). В результате использования широкозонного окна, выполненного из In0.24(Al0.5Ga0.5)0.76As, удалось уменьшить последовательное сопротивление структуры и существенно увеличить фактор заполнения (фиг. 4, кривая 9), а следовательно, и КПД.

1. Метаморфный фотопреобразователь, включающий последовательно выращенные на подложке из GaAs метаморфный буферный слой и по меньшей мере одни фотоактивный р-n-переход, выполненный из InGaAs и включающий базовый слой и эмиттерный слой, слой широкозонного окна из In(AlxGa1-x)As, где х=0,2-0,5, и контактный субслой из InGaAs.

2. Метаморфный фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что р-n-переход выполнен из InyGa1-yAs, где у=0,24.

3. Метаморфный фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что между метаморфным буферным слоем и базовым слоем включен слой тыльного потенциального барьера из In(AlGa)As.

4. Метаморфный фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что базовый слой выполнен толщиной 3000 нм, а эмиттерный слой выполнен толщиной 500 нм.

5. Метаморфный фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что слой широкозонного окна выполнен толщиной 50 нм.

6. Метаморфный фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что контактный субслой выполнен 300 нм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству каскадной солнечной батареи. Каскадная солнечная батарея выполнена с первой полупроводниковой солнечной батареей, причем в первой полупроводниковой солнечной батарее имеется р-n переход из первого материала с первой константой решетки, и со второй полупроводниковой солнечной батареей, причем во второй полупроводниковой солнечной батарее имеется р-n переход из второго материала со второй константой решетки, и причем первая константа решетки меньше, чем вторая константа решетки, и у каскадной солнечной батареи имеется метаморфный буфер, причем метаморфный буфер включает в себя последовательность из первого, нижнего слоя AlInGaAs или AlInGaP, и второго, среднего слоя AlInGaAs или AlInGaP, и третьего, верхнего слоя AlInGaAs или AlInGaP, и метаморфный буфер сформирован между первой полупроводниковой солнечной батареей и второй полупроводниковой солнечной батареей, и константа решетки метаморфного буфера изменяется по толщине (по координате толщины) метаморфного буфера, и причем между по меньшей мере двумя слоями метаморфного буфера константа решетки и содержание индия увеличивается, а содержание алюминия уменьшается.

Способ формирования туннельного перехода (112) в структуре (100) солнечных элементов, предусматривающий попеременное осаждение вещества Группы III и вещества Группы V на структуре (100) солнечных элементов и управление отношением при осаждении указанного вещества Группы III и указанного вещества Группы V.

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано при конструировании солнечных элементов, которые используются в энергетике, космических и военных технологиях, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности и др.

Изобретение может быть использовано для преобразования солнечной энергии в электроэнергию. Согласно изобретению предложено фотоэлектрическое устройство (1), содержащее солнечный концентратор (2), имеющий кольцеобразную форму, в свою очередь содержащий внешний проводник (3), расположенный вдоль внешней части кольца; внешнюю люминесцентную пластину (22), имеющую трапециевидный профиль и имеющую внешнюю периферийную приемную поверхность, выполненную с возможностью приема светового излучения, падающего и приходящего от проводника (3); внутреннюю люминесцентную пластину (21), расположенную вдоль внутренней части кольца и имеющую трапециевидный профиль; наноструктурный полупроводниковый слой (23), лежащий между двумя пластинами (21, 22) таким образом, что большие основания соответствующих трапециевидных профилей обращены к нему, причем упомянутый полупроводниковый слой (23) выполнен с возможностью приема излучения, переданного внешней и внутренней пластинами (21, 22), и реализации фотоэлектрического эффекта; средство (3, 5) передачи, выполненное с возможностью сбора и концентрации падающего светового излучения на упомянутой периферийной приемной поверхности.

Изобретение относится к области гелиоэнергетики и касается конструкции фотоэлектрического модуля космического базирования. Фотоэлектрический модуль включает в себя нижнее защитное покрытие, на котором с помощью полимерной пленки закреплены кремниевые солнечные элементы с антиотражающим покрытием, и расположенное над лицевой поверхностью солнечных элементов верхнее защитное покрытие, которое скреплено с солнечными элементами промежуточной пленкой из оптически прозрачного полимерного материала.

Использование: для создания многоэлементных фотоприемников. Сущность изобретения заключается в том, что способ сборки матричного модуля на держатель содержит стадии нанесения криостойкого клея на тыльную поверхность растра матричного модуля и на держатель, ориентации матричного модуля относительно держателя, прижима матричного модуля к держателю, приклеивают матричный модуль на держатель с помощью приспособления типа «насадка» в виде цилиндрического колпака, плотно надеваемого на растр с помощью выступов на окружности основания и содержащего четыре выреза под метки совмещения, расположенные под углом 90° по отношению соседних меток друг к другу, предназначенных для ориентации матричного модуля относительно держателя с помощью инструментального микроскопа, кроме этого, содержащего дополнительно четыре выреза по углам фоточувствительного элемента, предназначенные для бездефектного надевания «насадки» на растр, а также содержащего в центре верха колпака метку в виде отверстия для ориентации и коническое углубление для прижима с помощью зондовой головки и возможности поворота «насадки» для совмещения меток, расположенных на растре и держателе.

Изобретение относится к устройствам регистрации видеоизображений. Видеосистема на кристалле содержит цветное фотоприемное устройство с функцией спектрального разделения светового потока в зависимости от глубины проникновения фотоэлектронов в кристалл.

Изобретение относится к области электровакуумной техники, в частности к полупроводниковым оптоэлектронным устройствам - фотокатодам, а именно к гетероструктуре для полупрозрачного фотокатода с активным слоем из арсенида галлия, фоточувствительного в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, и может быть использовано при изготовлении фоточувствительного элемента оптоэлектронных устройств: электронно-оптических преобразователей фотоумножителей, используемых в детекторах излучений.

Изобретение относится к 8-алкил-2-(тиофен-2-ил)-8H-тиофен[2,3-6]индол замещенным 2-цианоакриловым кислотам формулы (I) которые могут быть использованы как перспективные красители для сенсибилизации неорганических полупроводников в составе цветосенсибилизированных солнечных батарей, способу их получения, а так же промежуточным соединениям, которые используют для синтеза данных соединений.

Настоящее изобретение относится к технологии термофотоэлектрических преобразователей с микронным зазором (MTPV) для твердотельных преобразований тепла в электричество.

Изобретение относится к аддитивным технологиям, биотехнологии и медицине, а именно к cпособу получения трехмерных конструкций в объеме полимеризуемого материала. Способ характеризуется тем, что осуществляют облучение фотоктиватора глубоко проникающим в полимеризуемую композицию непрерывным источником света ближнего ИК-диапазона, что приводит к активации процесса полимеризации посредством безызлучательного резонансного переноса энергии от наночастицы на фотоинициатор, при этом фотоактиватор представляет собой молекулярный комплекс, состоящий из апконвертирующей наночастицы NaYF4:Yb3+,Tm3+, обладающей антистоксовой люминесценцией в ультрафиолетовой (УФ) и синей области спектра.

Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул лекарственных растений, обладающих спазмолитическим действием, заключается в том, что 10 мл настойки валерьяны добавляют в суспензию конжаковой камеди в петролейном эфире, содержащую 3 г или 1 г конжаковой камеди в присутствии 0,01 г препарата Е472с в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1300 об/мин, полученную суспензию отфильтровывают и сушат при комнатной температуре.

Использование: для создания интегральных схем памяти с элементами нанометровых размеров. Сущность изобретения заключается в том, что бистабильная ячейка памяти на базе однослойной наноструктуры, имеющая горизонтально ориентированные слои, содержит диэлектрическую подложку, размещенные на диэлектрической подложке первый, второй логические транзисторы, первый, второй нагрузочные диоды и выполнена наноразмерной со ступенчатым профилем, где рабочие переходы «база-эмиттер», «база-коллектор» двух транзисторов являются поверхностными переходами, которые обладают низкой мощностью потребления и наименьшими поверхностями переходов.

Изобретение относится к области медицины и предназначено для прогнозирования аллергических реакций при использования дентальных имплантатов на основе сплавов оксида титана в реконструктивной хирургии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в конструкциях коаксиальных кабелей связи. В коаксиальном кабеле с нанотрубчатой изоляцией, содержащем центральный металлический проводник (1), расположенный на нем слой полимерной изоляции (2) и внешний металлический проводник (3), полимерная изоляция выполнена из n полимерных слоев нанотрубок (4,5,6), причем каждый слой полимерной изоляции отличается различным диаметром нанотрубок.

Изобретение может быть использовано при дуговой сварке и наплавке металлических деталей в среде защитного газа и под флюсом. Проволока содержит металлический стержень и электролитически нанесенное на него нанокомпозиционное покрытие, включающее металлическую матрицу с распределенными в ней наноразмерными частицами.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии, в частности к установкам для выращивания наногетероэпитаксиальных структур методом жидкофазной эпитаксии, и может быть использовано при производстве материалов для полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к разработке реактора-конвертера с расплавленным уран-плутониевым топливом, работающим со средним коэффициентом воспроизводства, достаточным для самообеспечения топливом.

Использование: для создания химических сенсоров, дисплеев, видеоэкранов, устройств фотовольтаики на гибких подложках. Сущность изобретения заключается в том, что устройство прозрачного проводящего электрода на полимерной подложке включает ориентированные и выстроенные вертикально молекулы поверхностно-активного вещества на поверхности гибкого и ориентированный за счет взаимодействия с поверхностно-активным веществом слой пленки углеродных нанотрубок.

Изобретение относится к нанотехнологии, может быть использовано в химической промышленности для создания эффективных катализаторов. Заключается в том, что на подложку наносят вспомогательный слой, в котором формируют ряды канавок нанометровой глубины с вертикальными стенками, наносят слой каталитического материала нанометровой толщины, поверх которого формируют маску из фоторезиста с рисунком узких полосок, расположенных поперек канавок, анизотропным травлением удаляют слой каталитического материала до вспомогательного слоя, оставляя его на боковых стенках канавок и под маской, маску удаляют.
Изобретение относится к химической технологии волокнистых материалов и касается способа получения волокон из углеродных нанотрубок, которые могут быть использованы для получения высокопрочных, высокомодульных, электропроводящих композиционных материалов специального назначения. Способ получения осуществляют путем воздействия на дисперсию углеродных нанотрубок в жидкой среде, с последующим удалением жидкой среды. В качестве среды используют хлорсодержащий органический растворитель. Воздействие включает смешение дисперсии нанотрубок с расположенной между электродами кремнийорганической жидкостью, причем напряженность электрического поля составляет 5-20 кВ/см, которая определяется по формуле E=U/d, где Е -напряженность электрического поля, кВ/см, U - поданное на электроды напряжение, кВ, d - расстояние между электродами, см. Изобретение обеспечивает технологичность получения волокон из углеродных нанотрубок. 5 пр.
Наверх