каскадный фотопреобразователь и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Каскадный фотопреобразователь, содержащий эпитаксиальную структуру, сплошной тыльный металлический контакт и лицевую металлическую контактную сетку, нанесенные соответственно на тыльную и лицевую сторону эпитаксиальной структуры, а также антиотражающее покрытие, состоящие из, по меньшей мере, двух слоев, при этом эпитаксиальная структура включает подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход за счет диффузии атомов пятой группы элементов во время эпитаксиального выращивания нуклеационного слоя, и последовательно выращенные на подложке нуклеационный слой толщиной 170÷180 нм, выполненный из n-Ga_0,51In_0,49P, согласованный по параметру решетки с подложкой, буферный слой, нижний туннельный диод, включающий в себя n⁺⁺- и p⁺⁺-слои, заключенные между широкозонными слоями, средний элемент, верхний туннельный диод, верхний элемент, и контактный n⁺-подслой, при этом нижний туннельный диод включает в себя последовательно выращенные широкозонный слой из n-Al_0,53In_0,47 P или n-AlGaInP толщиной 30÷50 нм, согласованный по параметру решетки с подложкой, слой из n⁺⁺-GaAs толщиной 20÷30 нм, слой из p⁺⁺-AlGaAs толщиной 20÷30 нм, и широкозонный слой из p-Al_0,53In_0,47P толщиной 20÷50 нм или из n-AlGaInP толщиной 30÷50 нм, согласованный по параметру решетки с подложкой, средний элемент включает последовательно выращенные p⁺-слой тыльного потенциального барьера, базовый p-слой, эмиттерный n-слой, n-слой широкозонного окна из n-AlGaAs или из n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 30÷120 нм, верхний туннельный диод включает последовательно выращенные слой из n⁺⁺-Ga_0,51In_0,49 P или n⁺⁺-GaAs толщиной 10÷20 нм и слой из p ⁺⁺-AlGaAs толщиной 10÷20 нм, а верхний элемент включает последовательно выращенные p⁺-слой тыльного потенциального барьера, базовый p-слой толщиной 0,35÷0,70 мкм, эмиттерный n-слой и n-слой широкозонного окна.

2. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена толщиной 200÷400 мкм.

3. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что уровень легирования подложки атомами p-примеси составляет 10 ¹⁷÷10¹⁸ см^-3.

4. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что толщина базового слоя верхнего элемента составляет 0,65÷0,7 мкм.

5. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что толщина базового слоя верхнего элемента составляет 0,385÷0,415 мкм.

6. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что буферный слой, базовый и эмиттерный слои среднего элемента и контактный подслой выполнены из Ga _0,99In_0,01As, согласованного по параметру решетки с подложкой, а слой тыльного потенциального барьера среднего элемента, слой тыльного потенциального барьера, базовый и эмиттерный слои верхнего элемента выполнены из твердого раствора Ga _0,51In_0,49P, согласованного по параметру решетки с подложкой, а слой широкозонного окна верхнего элемента выполнен из n-Al_0,53In_0,47P.

7. Фотопреобразователь по п.6, отличающийся тем, что толщина буферного слоя составляет 0,5÷3 мкм, а уровень легирования атомами кремния и германия составляет 5·10¹⁷÷2·10¹⁸ , толщина слоя тыльного потенциального барьера среднего элемента составляет 0,09÷0,1 мкм при уровне легирования атомами цинка 1÷2·10¹⁷ см^-3, толщина базового слоя среднего элемента составляет 2,8÷3,1 мкм, а уровень легирования атомами цинка составляет 7·10¹⁶÷2·10 ¹⁷ см^-3, толщина эмиттерного слоя среднего элемента составляет 0,05÷0,15 мкм при уровне легирования атомами кремния 1÷5·10¹⁸ см^-3, уровень легирования атомами кремния слоя широкозонного «окна» среднего элемента составляет 1÷5·10¹⁸, толщина слоя тыльного потенциального барьера верхнего элемента составляет 0,09÷0,1 мкм, а уровень легирования атомами цинка составляет 1÷2·10¹⁸ см^-3, уровень легирования атомами цинка базового слоя верхнего элемента составляет 1÷2·10 ¹⁷ см^-3, толщина эмиттерного слоя верхнего элемента составляет 0,05÷0,1 мкм при уровне легирования атомами кремния 2÷5·10¹⁸, уровень легирования атомами кремния слоя широкозонного «окна» верхнего элемента составляет 1÷5·10¹⁸ см^-3 при его толщине 20÷40 нм.

8. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что толщина контактного подслоя составляет 0,2÷0,5 мкм, а уровень легирования атомами кремния составляет 2÷5·10 ¹⁸.

9. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что нижний туннельный диод состоит из последовательно осажденных слоев n-Al_0,53In_0,47P толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами кремния 1÷2·10¹⁸ см^-3, n⁺⁺-GaAs толщиной 30 нм и уровнем легирования атомами кремния 3÷5·10¹⁸ см ^-3, p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹ ÷2·10²⁰ см^-3 и слой, p-Al _0,53In_0,47P толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами цинка 1÷5·10¹⁷ см^-3.

10. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что нижний туннельный диод состоит из последовательно осажденных слоев n-Al _0,53In_0,47P толщиной 50 нм с уровнем легирования атомами кремния 1÷2·10¹⁸ см^-3 , n⁺⁺-GaAs толщиной 20 нм и уровнем легирования атомами кремния 3÷5·10¹⁸ см^-3, p ⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As толщиной 20 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹÷2·10 ²⁰ см^-3, и слой p-Al_0,53In_0,47 P толщиной 50 нм с уровнем легирования атомами цинка 1÷5·10 ¹⁷ см^-3.

11. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что нижний туннельный диод состоит из последовательно осажденных слоев n-(Al_0,3G_0,7)_0,52 In_0,48P толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами кремния 1÷2·10¹⁸ см^-3, n ⁺⁺-GaAs толщиной 30 нм и уровнем легирования атомами кремния 3÷5·10¹⁸ см^-3, p⁺⁺ -Al_0,4Ga_0,6As толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹÷2·10 ²⁰ см^-3, и слой p-(Al_0,3Ca_0,7 )_0,52In_0,48P толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами цинка 2÷7·10¹⁷ см^-3.

12. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что широкозонное окно среднего элемента выполнено из Al_0,8Ga₀₂₆ As толщиной 115 нм.

13. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что широкозонное окно среднего элемента выполнено из Ga _0,51In_0,49P толщиной 100 нм.

14. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что широкозонное окно среднего элемента выполнено из Al_0,4Ga_0,6As толщиной 110 нм.

15. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что верхний туннельный диод состоит из последовательно осажденных слоев n⁺⁺-Ga_0,51In_0,49P толщиной 15 нм и уровнем легирования атомами кремния 3÷9·10 ¹⁸ см^-3 и p⁺⁺-Al_0,4Ga _0,6As толщиной 15 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹÷2·10²⁰ см^-3 .

16. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что верхний туннельный диод состоит из последовательно осажденных слоев n⁺⁺-GaAs толщиной 15 нм и уровнем легирования атомами кремния 3÷5·10¹⁸ см^-3 и p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As толщиной 15 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹ ÷2·10²⁰ cм^-3.

17. Фотопреобразователь по п.15, отличающийся тем, что толщина широкозонного окна среднего элемента составляет 30 нм.

18. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве слоев антиотражающего покрытия используют последовательно напыленные слои ZnS толщиной 60 нм и MgF₂ толщиной 100 нм.

19. Способ изготовления каскадного фотопреобразователя, включающий последовательное эпитаксиальное выращивание методом металлоорганических соединений (МОС)-гидридной эпитаксии на подложке p-Ge нуклеационного слоя из n-Ga_0,51 In_0,49P толщиной 170÷180 нм, буферного слоя из Ga_0,99In_0,01As толщиной 0,5÷3 мкм, нижнего туннельного диода, включающего в себя слой из n-Al _0,53In_0,47P или n-AlGaInP толщиной 30÷50 нм, слой из n⁺⁺-GaAs толщиной 20÷30 нм, слой из p⁺⁺-AlGaAs толщиной 20÷30 нм, и широкозонный слой из p-Al_0,53In_0,47P толщиной 20÷50 нм или из n-AlGaInP толщиной 30÷50 нм, p-слоя тыльного потенциального барьера среднего элемента, базового p-слоя среднего элемента из Ga_0,99In_0,01As при температуре 595÷605°С, эмиттерного n-слоя среднего элемента из Ga_0,99In _0,01As при температуре 595÷605°С, n-слоя широкозонного окна из n-AlGaAs или n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 30÷120 нм, n⁺⁺-слоя верхнего туннельного диода из Ga_0,51In_0,49P или GaAs толщиной 10÷20 нм, p⁺⁺-слоя верхнего туннельного диода из AlGaAs толщиной 10÷20 нм, p⁺-cлoя тыльного потенциального барьера верхнего элемента из Ga_0,51In_0,49 P при температуре 720÷730°С, базового p-слоя из Ga _0,51In_0,49P при температуре 720÷730°С толщиной 0,35÷0,70 мкм, эмиттерного n-слоя из Ga_0,51 In_0,49P при температуре 720÷730°С, n-слоя широкозонного окна и n⁺ контактного подслоя.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что базовый и эмиттерный слои среднего перехода выращивают при температуре 600°С, а слой тыльного потенциального барьера, базовый и эмиттерный слои верхнего перехода выращивают при температуре 725°С.

21. Способ по п.19, отличающийся тем, что при выращивании слоев структуры в качестве источников атомов третьей группы элементов используют триметилгаллий, триметилалюминий и триметилиндий, а в качестве источников атомов пятой группы элементов используют арсин и фосфин.

22. Способ по п.19, отличающийся тем, что при выращивании слоев структуры методом МОС-гидридной эпитаксии в качестве источника атомов кремния используют силан, а в качестве источника атомов цинка используется диметилцинк.

23. Способ по п.19, отличающийся тем, что на лицевой поверхности эпитаксиальной структуры создают металлическую контактную сетку вакуумным распылением металла через маску из фоторезиста, создаваемую методом фотолитографии.

24. Способ по п.19, отличающийся тем, что на тыльной поверхности подложки создают сплошной металлический контакт методом вакуумного распыления металла.

25. Способ по п.19, отличающийся тем, что на участках лицевой поверхности структуры, не закрываемых контактной сеткой, удаляют контактный подслой эпитаксиальной структуры и последовательно осаждают вакуумным распылением по меньшей мере два слоя антиотражающего покрытия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковым фотопреобразователям, в частности к каскадным солнечным фотоэлементам, которые преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую энергию, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности для создания систем генерации электрической энергии.

В настоящий момент наземная солнечная энергетика является быстро развивающейся энергетической отраслью. По некоторым оценкам к 2020 г. общая мощность, вырабатываемая наземными концентраторными фотоэнергоустановками, превысит 50 ГВатт/год. Конкурентоспособность солнечной энергетики связана, в первую очередь, с использованием энергоустановок с многопереходными (каскадными) полупроводниковыми солнечными элементами, преобразующими концентрированное солнечное излучение.

Кроме того, солнечная энергия является основным источником питания космических летательных аппаратов, поэтому увеличение их КПД и срока активной эксплуатации на орбите являются первостепенной задачей космической энергетики, которая в настоящее время может быть решена только за счет использования полупроводниковых каскадных солнечных элементов.

Наибольшей эффективностью преобразования (до 40%) обладают каскадные гетероструктурные фотопреобразователи на основе соединений А³B⁵ , которые находят свое применение как в наземных (концентраторных), так и космических солнечных батареях.

Известен каскадный фотопреобразователь (см. заявка US № 2004/0187912, Кл. H01L 31/00, опубликована 30.09.2004), включающий подложку p-Ge, нижний переход, созданный за счет диффузии атомов мышьяка при выращивании нуклеационного слоя GaAs, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-GaAs толщиной 0,3 мкм, n-GaInP слой нижнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-AlgaAs слой нижнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-GaInP слой тыльного потенциального барьера среднего перехода толщиной 0,1 мкм, p-GaAs базовый слой среднего элемента толщиной 3 мкм, n-GaAs эмиттерный слой среднего элемента толщиной 0,1 мкм, n-AlInP слой широкозонного «окна» среднего элемента толщиной 0,03 мкм, n-GaInP слой верхнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-AlGaAs слой верхнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм, p-AlInP слой тыльного потенциального барьера верхнего элемента толщиной 0,03 мкм, p-AlGaInP базовый слой верхнего элемента, n-AlGaInP эмиттерный слой верхнего перехода толщиной 0,05 мкм, n-AlInP слой широкозонного «окна» верхнего перехода толщиной 0,03 мкм и контактный подслой n-GaAs толщиной 0,4 мкм.

Недостатками этого известного каскадного фотопреобразователя являются: использование GaAs в качестве нуклеационного слоя, что приводит к возникновению глубокого диффузионного перехода в подложке и выражается в низком токе короткого замыкания нижнего элемента. Низкий ток короткого замыкания среднего элемента каскада AlGaInP/GaAs/Ge, который связан с отражением значительной части полезного для него излучения вследствие использования не оптимизированных по толщине слоев верхнего туннельного диода и использования AlInP в качестве широкозонного «окна» и тыльного потенциального барьера для среднего и верхнего элементов каскада AlGaInP/GaAs/Ge соответственно. Отсутствует также антиотражающее покрытие, что приводит к отражению порядка 30% излучения от поверхности структуры.

Известен каскадный фотопреобразователь (см. патент US № 7071407, Кл. H01L 31/68, опубликован 04.07.2006), включающий подложку Ge с нижним элементом с диффузионным p-n переходом и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой GaInP, буферный слой GaAs, GaAs слой нижнего туннельного диода, AlGaAs слой нижнего туннельного диода, AlGaAs слой тыльного потенциального барьера среднего элемента, GaInAs базовый слой среднего элемента, GaInP эмиттерный слой среднего элемента, AlInP слой широкозонного «окна» среднего элемента, GaInP слой верхнего туннельного диода, AlGaAs слой верхнего туннельного диода, AlGaInP слой тыльного потенциального барьера верхнего элемента, GaInP базовый слой верхнего элемента, GaInP эмиттерный слой верхнего элемента, AlInP слой широкозонного «окна» и контактный подслой GaAs.

Недостатками этого известного каскадного фотопреобразователя являются: низкие спектральная чувствительность и ток короткого замыкания среднего элемента каскада вследствие использования слоев AlGaInP, содержащих алюминий, в качестве широкозонного «окна» и тыльного потенциального барьера для среднего и верхнего элементов каскада соответственно и отсутствие антиотражающего покрытия, приводящее к падению тока короткого замыкания и КПД структуры.

Известен каскадный фотопреобразователь (см. заявка US № 2002/0040727, Кл. H01L 31/00, опубликована 11.04.2002), включающий подложку p-Ge, нижний элемент, созданный в подложке за счет диффузии примеси при выращивании нуклеационного слоя n⁺-GaAs или n⁺-GaInP толщиной 35 нм или меньше, буферный слой n⁺-GaAs, нижний p⁺⁺ /n⁺⁺ туннельный диод, средний n⁺/p элемент на основе GaAs, верхний p⁺⁺/n⁺⁺ туннельный диод и верхний n⁺/p переход на основе GaInP, при этом толщина верхнего элемента находится в диапазоне 0,3-0,7 мкм.

Недостатками этого известного каскадного фотопреобразователя являются: отсутствие "широкозонных" окон - потенциальных барьеров на границах эмиттерных слоев и тыльных потенциальных барьеров на границах базовых слоев для среднего и верхнего элементов каскада GaInP/GaAs/Ge. Это приводит к заметному падению коротковолновой и длинноволновой чувствительности этих элементов и выражается в меньших токе короткого замыкания и КПД для приборов на основе такой структуры. Малая толщина нуклеационного слоя n⁺ -GaInP приводит к повышенному отражению полезного излучения от гетерограницы GaInP/Ge и выражается в падении тока короткого замыкания нижнего элемента. Отсутствие антиотражающего покрытия приводит к отражению порядка 30% излучения от поверхности структуры. Кроме того, известный фотопреобразователь имеет низкую фоточувствительность среднего и нижнего элементов, связанную с отражением полезного для них излучения от гетерограниц внутри структуры.

Известен каскадный фотопреобразователь (см. «Multi junction solar cells and novel structures for solar cell applications», Masafumi Yamaguchi, Physica E, 14 (2002), 84-90), включающий подложку p-Ge, нижний элемент, созданный за счет диффузии атомов мышьяка при выращивании нуклеационного слоя GaAs, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n⁺-GaAs, буферный слой n⁺-GaInAs, n⁺⁺-GaInP слой нижнего туннельного диода, p⁺⁺-AlGaAs слой нижнего туннельного диода, p-GaInP слой тыльного потенциального барьера среднего элемента, p-GaInAs базовый слой среднего элемента, n⁺ -GaInAs эмиттерный слой среднего элемента, n⁺-AlInP слой широкозонного «окна» среднего элемента, n ⁺⁺-GaInP слой верхнего туннельного диода, p⁺⁺ -AlGaAs слой верхнего туннельного диода, p-AlInP слой тыльного потенциального барьера верхнего перехода, p-GaInP базовый слой верхнего элемента, n⁺-GaInP эмиттерный слой верхнего элемента, n⁺-AlInP слой широкозонного «окна» верхнего элемента и контактный подслой n⁺-GaInAs, при этом на поверхность нанесено антиотражающее покрытие.

Недостатками этого известного каскадного фотопреобразователя являются: низкий ток короткого замыкания нижнего элемента из-за использования GaAs в качестве нуклеационного слоя, что приводит к возникновению глубокого диффузионного перехода в подложке, и низкая спектральная чувствительность среднего элемента каскада GaInP/GaInAs/Ge, связанная с отражением значительной части полезного для него излучения.

Известен способ изготовления каскадного фотопреобразователя (см. заявка US № 2002/0040727, Кл. H01L 31/00, опубликована 11.04.2002), включающий подготовку подложки в реакторе установки металлоорганических соединений (МОС)-гидридной эпитаксии p-Ge для создания в ней диффузионного перехода, осаждение нуклеационного слоя из GaInP толщиной 35 нм и проведение последующего выращивания структуры фотопреобразователя.

Недостатками этого известного способа изготовления каскадного фотопреобразователя являются: низкий ток короткого замыкания нижнего перехода за счет использования не оптимальной толщины нуклеационного слоя, возможное низкое качество среднего элемента, связанное с автолегированием его слоев атомами германия, возможное низкое напряжение холостого хода, генерируемое верхним элементом, связанное с малой шириной запрещенной зоны его материала, и невозможность получения структуры с пониженным отражением полезного излучения как от поверхности, так и внутри структуры.

Известен способ изготовления каскадного фотопреобразователя (см. патент US № 6951819 В2, Кл. H01L 21/302, опубликован 04.07.2006), включающий последовательное выращивание на подложке Ge, GaAs, Si или InP методом МОС-гидридной эпитаксии верхнего элемента, среднего элемента и нижнего элемента, создание на поверхности нижнего элемента толстого металлического слоя, несущего структуру, и удаление подложки.

Недостатками известного способа изготовления каскадного фотопреобразователя являются: высокая стоимость технологического процесса и невозможность получения оптимизированной структуры с повышенными токами, генерируемыми переходами фотопреобразователя.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является каскадный фотопреобразователь (см. заявка US № 2003/0136442, Кл. H01L 31/00, опубликована 24.08.2003), принятый за прототип и включающий подложку p-Ge, нижний элемент, созданный за счет диффузии атомов мышьяка при выращивании нуклеационного слоя GaAs, и последовательно осажденные слои: нуклеационный слой n-GaAs толщиной 0,1 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10¹⁸ см^-3, n-GaAs буферный слой толщиной 3 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10 ¹⁸ см^-3, n-AlInP широкозонный слой нижнего туннельного диода толщиной 0,05 мкм и уровнем легирования атомами кремния 2·10¹⁸ см^-3, n-GaInP слой нижнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм и уровнем легирования атомами кремния 5·10¹⁹ см^-3, p-AlGaAs слой нижнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм и уровнем легирования атомами углерода 1·10²⁰ см^-3, p-GaInP слой тыльного потенциального барьера среднего элемента толщиной 0,1 мкм и уровнем легирования атомами цинка 2·10¹⁸ см¹⁸, p-базовый слой среднего элемента GaAs толщиной 3 мкм и уровнем легирования атомами цинка 1·10¹⁷ см^-3, n-GaAs эмиттерный слой среднего элемента толщиной 0,1 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10¹⁸ см^-3, n-AlInP слой широкозонного «окна» среднего элемента толщиной 0,05 мкм и уровнем легирования атомами кремния 2·10¹⁸ см^-3, n-GaInP слой верхнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм и уровнем легирования атомами кремния 5·10¹⁹ см^-3, p-AlGaAs слой верхнего туннельного диода толщиной 0,02 мкм и уровнем легирования атомами углерода 1·10²⁰ см^-3, p-AlInP слой тыльного потенциального барьера верхнего перехода толщиной 0,05 мкм и уровнем легирования атомами цинка 1·10¹⁸ см^-3, p-GaInP базовый слой верхнего элемента толщиной 0,4 мкм и уровнем легирования атомами цинка 1.5·10¹⁷ см^-3, n-GaInP эмиттерный слой верхнего элемента толщиной 0,05 мкм и уровнем легирования атомами кремния 1·10 ¹⁸ см^-3, n-AlInP слой широкозонного «окна» верхнего элемента толщиной 0,03 мкм и уровнем легирования атомами кремния 2·10¹⁸ см^-3 и контактный подслой n-GaAs толщиной 0,3 мкм и уровнем легирования атомами кремния 5·10¹⁸ см^-3.

Недостатками этого известного каскадного фотопреобразователя-прототипа являются: отсутствие антиотражающего покрытия, использование GaAs в качестве материала нуклеационного слоя, что приводит к низкому току короткого замыкания нижнего элемента; низкий ток короткого замыкания среднего элемента, связанный с отражением значительной части полезного для него излучения вследствие больших толщин слоев верхнего туннельного диода и использования AlInP в качестве широкозонного «окна» и тыльного потенциального барьера для среднего и верхнего элементов, и малая толщина базового слоя верхнего перехода, при которой не представляется возможным достигнуть согласования токов и высокой эффективности преобразования для наземного спектра.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является способ изготовления каскадного фотопреобразователя (см. патент US № 7071407, Кл. H01L 31/68, опубликован 04.07.2006), включающий осаждение на подложку p-Ge методом МОС-гидридной эпитаксии нуклеационного слоя из GaInP, буферного слоя из GaAs, гетеропереходного среднего элемента и гомопереходного верхнего элемента.

Недостатками этого известного способа изготовления каскадного фотопреобразователя являются отсутствие возможности получения оптимизированной структуры каскадного фотопреобразователя, в котором обеспечивались бы условия максимального прохождения полезного излучения в элементы и возможное низкое качество среднего элемента, связанное с автолегированием его базового слоя атомами германия.

Техническим результатом заявленного технического решения является создание каскадного фотопреобразователя на основе GaInP/GaInAs/Ge, работающего как в условиях космоса, так и в наземных условиях, а также способа его изготовления, которые бы обеспечили повышение токов короткого замыкания отдельных переходов, увеличение напряжения холостого хода и фактора заполнения ВАХ, а также повышение КПД.

Указанный технический результат достигается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

В части устройства результат достигается тем, что каскадный фотопреобразователь, содержит эпитаксиальную структуру, сплошной тыльный металлический контакт и лицевую металлическую контактную сетку, нанесенные соответственно на тыльную и лицевую сторону эпитаксиальной структуры, а так же антиотражающее покрытие, состоящие из, по меньшей мере, двух слоев, при этом эпитаксиальная структура включает подложку p-Ge, в которой создан нижний p-n переход за счет диффузии атомов пятой группы элементов во время эпитаксиального выращивания нуклеационного слоя, и последовательно выращенные на подложке: нуклеационный слой толщиной 170-180 нм, выполненный из n-Ga_0,51In_0,49P, согласованный по параметру решетки с подложкой; буферный слой; нижний туннельный диод, включающий в себя n⁺⁺- и p⁺⁺-слои, заключенные между широкозонными слоями; средний элемент; верхний туннельный диод; верхний элемент и контактный n⁺-подслой, при этом нижний туннельный диод включает в себя последовательно выращенные широкозонный слой из n-Al_0,53In_0,47 Р или n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, согласованный по параметру решетки с подложкой, слой из n⁺⁺-GaAs толщиной 20-30 нм, слой из p⁺⁺-AlGaAs толщиной 20-30 нм и широкозонный слой из p-Al_0,53In_0,47P толщиной 20-50 нм или из n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, согласованный по параметру решетки с подложкой, средний элемент включает последовательно выращенные p⁺-слой тыльного потенциального барьера, базовый p-слой, эмиттерный n-слой, n-слой широкозонного окна из n-AlGaAs или из n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 30-120 нм, верхний туннельный диод включает последовательно выращенные слой из n⁺⁺-Ga_0,51In_0,49P или n⁺⁺-GaAs толщиной 10-20 нм и слой из p⁺⁺ -AlGaAs толщиной 10-20 нм, а верхний элемент включает последовательно выращенные p⁺-слой тыльного потенциального барьера, базовый p⁺-слой толщиной 0,35-0,70 мкм, эмиттерный n-слой и n-слой широкозонного окна.

В качестве подложки для эпитаксиальной структуры фотопреобразователя может быть использована подложка p-Ge толщиной 200-400 мкм и уровнем легирования атомами p-примеси 10¹⁷-10¹⁸ см^-3.

В фотопреобразователе толщина базового слоя верхнего элемента может предпочтительно составлять 0,385-0,415 мкм для спектра АМ0 (космический спектр) и 0,65-0,7 мкм для спектра AM1,5D (стандартизированный наземный спектр)

В фотопреобразователе буферный слой, базовый и эмиттерный слои среднего элемента и контактный подслой могут быть выполнены из Ga_0.99In_0.01As, согласованного по параметру решетки с подложкой, слой тыльного потенциального барьера среднего элемента, слой тыльного потенциального барьера, базовый и эмиттерный слои верхнего элемента могут быть выполнены из твердого раствора Ga_0.51In_0.49P, согласованного по параметру решетки с подложкой, а слой широкозонного окна верхнего элемента выполнен из n-Al_0.53In_0.47P.

При этом в фотопреобразователе толщина буферного слоя может составлять 0,5-3 мкм, а уровень легирования атомами кремния и германия может быть 5·10¹⁷-2·10¹⁸, толщина слоя тыльного потенциального барьера среднего элемента может составлять 0,1 мкм при уровне легирования атомами цинка 2·10¹⁷ см^-3, толщина базового слоя среднего элемента может составлять 2,8-3,1 мкм, а уровень легирования атомами цинка может быть 7·10¹⁶-2·10¹⁷ см^-3 , толщина эмиттерного слоя среднего элемента может составлять 0,05-0,15 мкм при уровне легирования атомами кремния 1-5·10 ¹⁸ см^-3, толщина слоя тыльного потенциального барьера верхнего элемента может составлять 0,1 мкм, а уровень легирования атомами цинка может составлять 2·10¹⁸ см^-3, уровень легирования атомами цинка базового слоя верхнего элемента может быть 1-2·10¹⁷ см ^-3, толщина эмиттерного слоя верхнего элемента может составлять 0,05-0,1 мкм при уровне легирования атомами кремния 2-5·10 ¹⁸, уровень легирования атомами кремния слоя широкозонного «окна» верхнего перехода может составлять 1-5·10 ¹⁸ см^-3 при его толщине 20-40 нм, а толщина контактного подслоя может составлять 0,2-0,5 мкм, а уровень легирования атомами кремния может быть 2-5·10¹⁸.

Нижний туннельный диод фотопреобразователя может состоять из последовательно осажденных слоев n-Al_0,53In_0,47 P толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами кремния 1-2·10 ¹⁸ см^-3, n⁺⁺-GaAs толщиной 30 нм и уровнем легирования атомами кремния 3-5·10¹⁸ см^-3, p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6 As толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10 ¹⁹-2·10²⁰ см^-3 и слоя p-Al _0,53In_0,47P толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами цинка 1-5·10¹⁷ см^-3.

Нижний туннельный диод фотопреобразователя может состоять из последовательно осажденных слоев n-Al_0,53In_0,47 P толщиной 50 нм с уровнем легирования атомами кремния 1-2·10 ¹⁸ см^-3, n⁺⁺-GaAs толщиной 20 нм и уровнем легирования атомами кремния 3-5·10¹⁸ см^-3, p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6 As толщиной 20 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10 ¹⁹-2·10²⁰ см^-3 и слоя p-Al _0,53In_0,47Р толщиной 50 нм с уровнем легирования атомами цинка 1-5·10¹⁷ см^-3.

Нижний туннельный диод фотопреобразователя может состоять из последовательно осажденных слоев n-(Al_0,3Ga_0,7 )_0.52In_0.48Р толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами кремния 1-2·10¹⁸ см^-3, n ⁺⁺-GaAs толщиной 30 нм и уровнем легирования атомами кремния 3-5·10¹⁸ см^-3, p⁺⁺-Al _0,4Ga_0,6As толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹-2·10²⁰ см^-3 и слоя p-(Al_0,3Ga_0,7) _0,52In_0,48P толщиной 30 нм с уровнем легирования атомами цинка 2-7·10¹⁷ см^-3.

Толщина широкозонного окна среднего элемента фотопреобразователя может составлять 115 нм, при этом оно выполнено из n-Al_0,48 Ga_0,2As.

Верхний туннельный диод фотопреобразователя может состоять из последовательно осажденных слоев n⁺⁺ -GaAs толщиной 15 нм и уровнем легирования атомами кремния 2-5·10 ¹⁸ см^-3 и p⁺⁺-Al_0,4Ga _0,6As толщиной 15 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10¹⁹-2·10²⁰ см^-3 .

В фотопреобразователе широкозонное окно среднего элемента может быть выполнено из n-Ga_0,51In_0,49 P с толщиной 100 нм или n-Al_0,4Ga_0,6As толщиной 110 нм.

В фотопреобразователе верхний туннельный диод может состоять из последовательно осажденных слоев n⁺⁺-Ga_0,51In_0,49P толщиной 15 нм и уровнем легирования атомами кремния 3-9·10¹⁸ см^-3 и p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6 As толщиной 15 нм с уровнем легирования атомами углерода 5·10 ¹⁹-2·10²⁰ см^-3.

Толщина широкозонного окна среднего элемента фотопреобразователя может составлять 30 нм.

Что касается способа, то указанный технический результат достигается тем, что каскадный фотопреобразователь получают последовательным эпитаксиальным выращиванием методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке p-Ge нуклеационного слоя из n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 170-180 нм, буферного слоя из Ga_0,99In _0,01As толщиной не менее 0,5 мкм, нижнего туннельного диода, включающего в себя слой из n-Al_0,53In_0,47 P или n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, слой из n⁺⁺-GaAs толщиной 20-30 нм, слой из p⁺⁺-AlGaAs толщиной 20-30 нм и широкозонный слой из p-Al_0,53In_0,47 P толщиной 20-50 нм или из n-AlGaInP толщиной 30-50 нм, p ⁺-слоя тыльного потенциального барьера среднего элемента, базового p-слоя среднего элемента из Ga_0,99In _0,01As при температуре 595-605°С, эмиттерного n-слоя среднего элемента из Ga_0,99In_0,01As при температуре 595-605°С, n-слоя широкозонного окна из n-AlGaAs или n-Ga_0,51In_0,49P толщиной 30-120 нм, n⁺⁺-слоя верхнего туннельного диода из Ga_0,51 In_0,49P или GaAs толщиной 10-20 нм, p⁺-слоя верхнего туннельного диода из AlGaAs толщиной 10-20 нм, p ⁺-cлoя тыльного потенциального барьера верхнего элемента из Ga_0,51In_0,49P при температуре 720-730°С, базового p-слоя верхнего элемента из Ga_0,51In _0,49P при температуре 720-730°С толщиной 0,35-0,70 мкм, эмиттерного n-слоя верхнего элемента из Ga_0,51 In_0,49P при температуре 720-730°С, n-слоя широкозонного окна верхнего элемента и n⁺-контактного слоя.

При этом базовый и эмиттерный слои среднего перехода могут быть выращены при температуре 600°С, а слой тыльного потенциального барьера, базовый и эмиттерный слои верхнего перехода выращиваются при температуре 725°С.

При выращивании слоев структуры методом МОС-гидридной эпитаксии в качестве источников атомов третьей группы элементов могут быть использованы триметилгаллий, триметилалюминий и триметилиндий; в качестве источников атомов пятой группы - арсин и фосфин; в качестве источника атомов кремния - силан, а в качестве источника атомов цинка - диметилцинк.

Кроме того, на лицевой поверхности эпитаксиальной структуры может создаваться металлическая контактная сетка посредством напыления металлического контакта методом вакуумного распыления через маску из фоторезиста, создаваемую методом фотолитографии; на тыльной поверхности подложки может создаваться сплошной металлический контакт методом вакуумного распыления металлов; в участках лицевой поверхности структуры, не закрываемых контактной сеткой, может удаляться контактный подслой эпитаксиальной структуры и последовательно осаждаться, по меньшей мере, два слоя антиотражающего покрытия методом вакуумного распыления.

Использование GaInP в качестве нуклеационного слоя нижнего элемента позволяет создать эффективный неглубокий p-n переход, а при его толщине 170-180 нм достигается минимальное отражение полезного излучение от поверхности нижнего перехода.

Заявляемые конструкции нижних и верхних туннельных диодов позволяют наряду с обеспечением эффективной низкоомной развязки нижнего, среднего и верхнего элементов каскада GaInP/GaInAs/Ge создать условия для максимального пропускания полезного излучения в нижний элемент и средний элемент соответственно. При этом использование широкозонного окна среднего перехода с толщиной 100-120 нм позволяет повысить пропускание полезного излучения в средний переход.

Заявляемое антиотражающее покрытие позволяет обеспечить наиболее оптимальные условия вхождения солнечного излучения в структуру фотопреобразователя.

Выращивание буферного слоя толщиной более 0,5 мкм в заявляемом способе изготовления позволяет подавить влияние твердотельной диффузии атомов германия в базовый слой среднего перехода, а его выращивание при температуре 595-605°С позволяет предотвратить диффузию атомов германия через газовую фазу.

В заявляемом способе изготовления выращивание верхнего перехода при температуре 720-730°С позволяет повысить напряжение холостого хода, генерируемое верхним переходом.

В заявляемой конструкции обеспечивается согласование токов, генерируемых верхним (GaInP) и средним (GaInAs) элементами при преобразовании спектров АМ0 (условия космоса) и AM1.5D (наземные условия).

Толщина среднего элемента выбирается достаточной для эффективного поглощения фотонов с энергией кванта >1,4 эВ.

Толщина верхнего элемента выбирается из соображений согласования токов, генерируемых верхним (GaInP) и средним (GaAs) элементами каскада GaInP/GaInAs/Ge.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и описанием конструкции и способа изготовления каскадного фотопреобразователя:

на фиг.1 изображена схема каскадного фотопреобразователя;

на фиг.2 приведена блок-схема, иллюстрирующая способ создания эпитаксиальной структуры каскадного фотопреобразователя с использованием метода МОС-гидридной эпитаксии;

на фиг.3 изображены дисперсионные зависимости показателей преломления слоев, составляющих заявляемый каскадный фотопреобразователь: 1 - Ga_0,51 In_0,49P, 2 - Ga_0,99In_0,01As, 3 - Ge, 4 - Al_0,4Ga_0,6As, 5 - Al_0,8 Ga_0,2As, 6 - Al_0,53In_0,47P;

на фиг.4 приведены расчетные спектральные зависимости коэффициента прохождения света в Ge элемент в случае использования нуклеационного слоя: 1 - Ga_0,99In_0,01As, 2 - Ga_0,51In_0,49P толщиной 175 нм, 3 - Ga_0,51In_0,49P толщиной 35 нм. При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя (туннельные диоды, верхний и средний переходы, антиотражающее покрытие) были одинаковыми;

на фиг.5 показаны расчетные спектральные зависимости внешнего квантового выхода Ge элемента в случае использования нуклеационного слоя: 1 - Ga_0,99In_0,01As, 2 - Ga_0,51In_0,49P толщиной 175 нм, 3 - Ga_0,51In_0,49P толщиной 35 нм. При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя (туннельные диоды, верхний и средний элементы, антиотражающее покрытие) были одинаковыми;

на фиг.6 изображены расчетные спектральные зависимости коэффициента прохождения света в Ga_0,99 In_0,01As элемент при использовании различных материалов для широкозонного «окна» этого элемента: 1 - Al _0,8Ga_0,2As толщиной 30 нм, 2 - Al_0,8 Ga_0,2As толщиной 115 нм, 3 - Al_0,4Ga _0,6As толщиной 110 нм, 4 - Ga_0,5In_0,49 P толщиной 100 нм. При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя были одинаковыми;

на фиг.7 приведены расчетные спектральные зависимости коэффициента прохождения света в Ga_0,99In_0,01As элемент при использовании различных конфигураций верхнего туннельного диода: 1 - p ⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As (20 нм)/n⁺⁺ -GaAs (20 нм), 2 p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6 As (15 нм)/n⁺⁺-Ga_0,51In_0,49P (20 нм). При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя были одинаковыми;

на фиг.8 изображены расчетные спектральные зависимости коэффициента прохождения света в Ga _0,99In_0,01As элемент при использовании различных материалов тыльного потенциального барьера верхнего элемента и широкозонного «окна» среднего элемента: 1 - р-Al _0,53In_0,47P (50 нм)/n-Al_0,53In _0,47P, 2 p⁺-Ga_0,51In_0,49 P (50 нм)/n-Al_0,8Ga_0,2As (115 нм). При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя были одинаковыми;

на фиг.9 приведены расчетные спектральные зависимости коэффициента отражения от поверхности каскадного фотопреобразователя при отсутствии слоев антиотражающего покрытия (кривая 1) и при использовании оптимизированного антиотражающего покрытия ZnS (60 нм) / MgF₂ (100 нм) (кривая 2). При расчетах параметры остальных слоев каскадного фотопреобразователя были одинаковыми;

на фиг.10 изображены расчетные спектральные зависимости внешней квантовой эффективности верхнего (кривая 1), среднего (кривая 2) и нижнего (кривая 3) элементов заявляемого каскадного фотопреобразователя, оптимизированного под спектр АМ0;

на фиг.11 изображены расчетные спектральные зависимости внешней квантовой эффективности верхнего (кривая 1), среднего (кривая 2) и нижнего (кривая 3) элементов заявляемого каскадного фотопреобразователя, оптимизированного под спектр AM1.5D.

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. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) таких преобразователей имеют экспоненциальный вид и характеризуются напряжением холостого хода, током короткого замыкания и фактором заполнения ВАХ. Произведение этих величин дает мощность, вырабатываемую фотопреобразователем.

Снижение фактора заполнения ВАХ в основном обусловлено наличием рекомбинационного механизма протекания тока в p-n переходах и наличием различного рода утечек в структурах фотопреобразователей.

Отношение количества падающих фотонов к разделившимся электрон-дырочным парам называется внешней квантовой эффективностью фотопреобразователя. Интеграл произведения ее спектрального распределения на плотность фотов падающего спектра позволяет вычислять ток короткого замыкания. Очевидно, что он будет возрастать с уменьшением ширины запрещенной зоны материала фотопреобразователя за счет расширения его спектральной чувствительности, а напряжение холостого хода, прямо зависящее от контактной разности потенциалов p-n перехода, будет при этом уменьшаться. Это обуславливает тот факт, что зависимость эффективности преобразования однопереходных фотопреобразователей от ширины запрещенной зоны имеет один максимум для каждого падающего спектра.

Для солнечных спектров АМО (космический спектр) и AM1,5D (стандартизированный наземный спектр) этот максимум находится в области 1.1-1.5 эВ и составляет 27% (АМО) и 31% (AM1.5D). Одним из способов повышения КПД солнечных элементов является преобразование ими концентрированного солнечного излучения. Увеличение потока падающего излучения приводит к пропорциональному росту тока короткого замыкания. При этом повышение эффективности преобразования становится возможным за счет роста напряжения холостого хода, которое зависит от тока короткого замыкания по логарифмическому закону, и фактора заполнения ВАХ, связанного с переходом от рекомбинационного к инжекционному механизму и насыщением каналов утечек структур солнечных элементов при увеличении тока. Преобразование концентрированного излучения спектра AM1,5D позволяет повысить теоретическую эффективность однопереходных солнечных элементов с 31 (1 солнце) до 37% (1000 солнц).

Дальнейшее увеличение КПД 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 А³B⁵, получаемые эпитаксиальным выращиванием на полупроводниковой подложке в одном ростовом процессе. Такие фотопреобразователи включают несколько элементов, выполненных из различных материалов и расположенных по убыванию ширины запрещенной зоны от светочувствительной поверхности к подложке. Для обеспечения эффективной низкоомной развязки 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 p-n переход каскадной структуры преобразует только часть солнечного спектра, что позволяет реализовать более оптимальные условия преобразования и значительно повысить КПД. При этом элементы, 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. Использование двухпереходных солнечных элементов позволяет повысить теоретическую эффективность преобразования до 40% (AM1,5D, 1 солнце), а трех переходных до 49% (AM1,5D, 1 солнце).

Ввиду того, что подобные структуры представляют собой последовательное включение однопереходных элементов, их напряжение холостого хода будет равно сумме напряжений всех элементов каскада, а ток короткого замыкания будет определяться минимальным из генерируемых каждым элементом токов. Поэтому оптимальная структура каскадного фотопреобразователя должна включать элементы, выполненные из материалов, обеспечивающих равенство токов которого замыкания при поглощении каждым элементом всех фотонов с энергией большей его ширины запрещенной зоны. При этом необходимо учитывать, что все элементы, кроме верхнего, преобразуют лишь часть спектра с энергией фотона большей ширины запрещенной зоны их материала и меньшей ширины запрещенной зоны материала элемента, расположенного непосредственно над ними. Однако в каскадных структурах существует возможность повысить ток любого элемента, кроме верхнего, за счет уменьшения толщины элементов, расположенных над ним, что будет способствовать прохождению части фотонов, которая могла бы поглотиться в них, в элемент, расположенный ниже, и выражаться в увеличении его фототока.

Для получения полупроводниковых гетероструктур с высоким качеством, которое необходимо для создания эффективных p-n переходов, необходимо опираться на существующие в природе материалы, чтобы обеспечить согласование параметров решетки всех слоев, составляющих гетероструктуру. Поэтому реализация оптимальной структуры каскадного фотопреобразователя, характеризующейся высоким кристаллическим совершенством, и в которой обеспечивался бы баланс спектральной плотности фотонов, достигающих каждого перехода, на данный момент не представляется возможной.

Наиболее перспективными на сегодняшний день являются трехпереходные солнечные элементы на основе изопериодичных полупроводниковых материалов Ga_0,51In_0,49P/Ga_0,99 In_0,01As/Ge, несмотря на то, что материалы Ga _0,51In_0,49P (E_g=1.9 эВ), Ga_0,99 In_0,01As (E_g=1.4 эВ) и Ge(E_g =0.66 эВ) не позволяют реализовать оптимальную с точки зрения спектральных плотностей фотонов, приходящихся на каждый элемент, конструкцию трехпереходного фотопреобразователя.

Основным недостатком такой комбинации материалов является большая ширина запрещенной зоны среднего элемента Ga_0.99In _0.01As. Плотность фотонов космического и наземного солнечных спектров позволяет, в случае поглощения и разделения всех фотонов, генерировать следующие токи:

- 22,43 мА/см ² (АМ0) и 17,58 (AM1,5D) для Ga_0.51In_0.49 P перехода (все фотоны от 0 до 670 нм);

- 16,58 мА/см² (АМ0) и 15,62 (AM1,5D) для Ga_0,99 In_0,01As перехода (все фотоны от 670 до 900 нм);

- 37,08 мА/см² (АМ0) и 29,21 (AM1.5D) для Ge перехода (все фотоны от 900 до 1900 нм).

Это приводит к тому, что как для спектра АМ0, так и для спектра AM1,5D минимальный ток (в случае поглощения всех фотонов с энергией в диапазоне 1,9-1,4 эВ) будет генерировать средний элемент, а ток, генерируемый нижним элементом, будет значительно превосходить токи верхнего и среднего переходов. Таким образом, для достижения максимальных значений КПД подобных структур необходимо уменьшать толщину верхнего элемента для пропускания части фотонов с энергией большей 1,9 эВ в средний элемент, что позволит сравнять токи верхнего и нижнего элемента и обеспечить максимальный общий ток структуры.

Несмотря на отмеченные недостатки, равенство постоянных решеток позволяет получать структуры каскадных Ga_0,51In_0,49P/Ga_0,99In_0,01 As/Ge фотопреобразователей, характеризующихся высоким кристаллическим совершенством, за один процесс, поэтому они являются в настоящий момент основой массового производства высокоэффективных фотопреобразователей

Таким каскадным гетероструктурным фотопреобразователем является заявляемый трехпереходный GaInP/GaInAs/Ge каскадный фотопреобразователь, выращенный на подложке Ge (см. фиг.1).

Заявляемый многослойный фотопреобразователь состоит из подложки 1, например, p-Ge толщиной, например, 200-400 мкм и уровнем легирования, например 10¹⁷-10¹⁸ см^-3, нижнего элемента 2, созданного за счет диффузии атомов пятой группы элементов, например фосфора, в подложку во время выращивания нуклеационного слоя, нуклеационный слой 3, выполненный, например, из n-Ga_0,51In_0,49 P, изопериодичного с Ge толщиной, например, 175 нм, легированного, например, атомами кремния на уровне 3·10¹⁷ см ^-3, буферного слоя 4, выполненного, например, из n-Ga _0,99In_0,01As, изопериодичного с Ge, толщиной, например, 0,5-3 мкм, с уровнем легирования, например, атомами кремния и германия 5·10¹⁷-2·10¹⁸ см^-3, нижнего туннельного диода 5, среднего элемента 6 на основе, например, Ga_0,99In_0,01As, изопериодичного с Ge, верхнего туннельного диода 7, верхнего элемента 8 на основе, например, материала Ga_0,51In _0,49P, изопериодичного с Ge, и контактного подслоя 9, например, n⁺-Ga_0,99In_0,01As толщиной, например, 0,2-0,5 мкм, и уровнем легирования, например, атомами кремния, составляющим, например 2-5·10¹⁸. На тыльную поверхность подложки нанесен сплошной металлический контакт 10. На поверхность структуры нанесена контактная сетка 11. При этом в местах, не закрытых контактной сеткой, контактный слой удален и нанесено антиотражающее покрытие 12. Нижний переход 2 состоит из базы 13 - фотоактивной части подложки, например, p-Ge, диффузионного эмиттера 14, например, n-Ge и выращенного нуклеационного слоя 3, выполняющего роль широкозонного «окна», нижний туннельный диод 5 состоит последовательно осажденных слоев: широкозонного n-слоя 15, например, из n-Al_0,53In _0,47P или n-AlGaInP, согласованных по параметру решетки с подложкой с толщиной, например, 20-50 нм и уровнем легирования, например, атомами кремния, составляющим, например, 1-2·10 ¹⁸ см^-3, n⁺⁺-слой 16, например, n ⁺⁺-GaAs толщиной, например, 20-30 нм с уровнем легирования, например, атомами кремния, составляющим, например, 3-5·10 ¹⁸ см^-3, p⁺⁺-слой 17, например, p ⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As толщиной, например, 20-30 нм с уровнем легирования, например, атомами углерода, составляющим, например, 5·10¹⁹-2·10²⁰ см ^-3, и широкозонный слой 18, например, из p-Al_0,53 In_0,47P или p-AlGaInP, согласованных по параметру решетки с подложкой с толщиной, например, 20-50 нм и уровнем легирования, например, атомами цинка, составляющим, например, 1-7·10¹⁷ см^-3, средний элемент 6 включает последовательно выращенные p⁺-слой тыльного потенциального барьера 19, например, из Ga_0,51In_0,49P, согласованного по параметру решетки с подложкой, толщиной, например, 0,1 мкм и уровнем легирования, например, атомами цинка на уровне, например, 2·10¹⁷ см^-3, базовый p-слой 20, например из согласованного по параметру решетки с подложкой p-Ga_0.99In_0.01As, толщиной, например, 2,8-3,1 мкм, с уровнем легирования, например, атомами цинка на уровне 7·10¹⁶-2·10¹⁷ см^-3 , эмиттерный n-слой 21, например, n-Ga_0.99In_0.01 As толщиной, например, 0,05-0,15 мкм и уровнем легирования, например, атомами кремния, составляющим, например, 1-5·10¹⁸ см^-3, n-слой широкозонного окна 22, например, n-Al _0.8Ga_0.2As толщиной 30-120 нм и уровнем легирования, например, атомами кремния, составляющим, например, 1-5·10 ¹⁸, верхний туннельный диод 7 включает последовательно выращенные n⁺⁺-слой 23, например, из Ga_0,51 In_0,48P толщиной 10-20 нм и уровнем легирования, например, атомами кремния, составляющим, например, 3-9·10¹⁸ или, например, из GaAs, толщиной 10-20 нм и уровнем легирования атомами кремния, составляющим, например, 3-5·10¹⁸ и p⁺⁺-слой 24, например, p⁺⁺-AlGaAs толщиной, например, 10-20 нм и уровнем легирования атомами углерода, составляющим, например, 5·10¹⁹-2·10²⁰ см ^-3, а верхний элемент 8 включает последовательно выращенные p⁺-слой тыльного потенциального барьера 25, например из p⁺-Ga_0,51In_0,49P, согласованного по параметру решетки с подложкой, толщиной, например, 0,1 мкм, и уровнем легирования, например, атомами цинка, составляющим, например, 2·10¹⁸ см^-3, базовый p-слой 26, например, p-Ga_0,51In_0,49P толщиной, например, 0,35-0,70 мкм и уровнем легирования, например, атомами цинка составляющим, например, 1-2·10¹⁷ см ^-3, эмиттерный n-слой 27, например, n-Ga_0,51 In_0,49P толщиной, например, 0,05-0,1 мкм и уровнем легирования, например, атомами кремния, составляющим, например, 2-5·10¹⁸ и n-слой широкозонного окна 28, например, из n-Al_0.53In_0.47P толщиной, например, 20-40 нм и уровнем легирования, например, атомами кремния, составляющим, например, 1-5·10¹⁸ см^-3.

Наиболее подходящим для изготовления эпитаксиальной структуры заявляемого каскадного фотопреобразователя является метод МОС-гидридной эпитаксии. Он обладает целым рядом преимуществ над другими методами эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур, такими как метод жидкофазной эпитаксии и метод молекулярно лучевой эпитаксии. Эти преимущества, к которым относятся возможность выращивания гетероструктур любой сложности, характеризующихся высоким кристаллическим совершенством и резкими качественными гетерограницами, возможность осаждения слоев как при высоких скоростях роста (до 17 мкм/час), так и при низких, высокая производительность промышленных установок и другие, приводят к тому, что метод МОС-гидридной эпитаксии является на сегодняшний день единственным экономически оправданным методом для производства подобных структур.

Эпитаксиальную структуру заявляемого каскадного фотопреобразователя выращивают в реакторе установки МОС-гидридной эпитаксии в следующей последовательности (см. фиг.2). После загрузки подложки германия в реакторную камеру установки производят выход на ростовые условия (понижается давление в реакторе, выставляются потоки газов, повышается температура). Далее подложку экспонируют в реакторе перед началом роста для подготовки ростовой поверхности германия к эффективному осаждению слоев структуры и обеспечения оптимальных условий для создания диффузионного p-n перехода в подложке. Затем проводят последовательное осаждение следующих слоев (см. фиг.1): нуклеационного слоя, 3, например, из n-Ga_0,51In_0,49P толщиной, например, 170-180 нм, легированного, например, атомами кремния, с использованием, например, триметилгаллия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы, фосфина в качестве источника атомов фосфора и моносилана в качестве источника атомов кремния, буферного слоя 4, например, из n-Ga_0,99In _0,01As, толщиной, например, 0,5-3 мкм, легированного, например, атомами кремния с использованием, например, триметилгаллия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы, арсина в качестве источника атомов мышьяка и моносилана в качестве источника атомов кремния, широкозонного n-слоя нижнего туннельного диода 15, например, из n-Al_0,53In_0,47P или n-AlGaInP, толщиной, например, 30-50 нм легированного, например, атомами кремния с использованием, например, триметилгаллия, триметилалюминия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы элементов, фосфина в качестве источника атомов фосфора и моносилана в качестве источника атомов кремния, n⁺⁺-слоя нижнего туннельного диода 16, например, n⁺⁺-GaAs толщиной, например, 20-30 нм легированного, например, атомами кремния с использованием, например, триметилгаллия в качестве источника атомов галлия, арсина в качестве источника атомов мышьяка и моносилана в качестве источника атомов кремния, p⁺⁺-слоя нижнего туннельного диода 17, например, p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6 As толщиной, например, 20-30 нм с использованием, например, триметилгаллия и триметилалюминия в качестве источников атомов третьей группы элементов, арсина в качестве источника атомов мышьяка, широкозонного слоя нижнего туннельного диода 18, например, из p-Al_0,53 In_0,47P или p-AlGaInP с толщиной, например, 20-50 нм легированного, например, атомами цинка с использованием, например, триметилгаллия, триметилалюминия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы элементов, фосфина в качестве источника атомов фосфора и диметилцинка в качестве источника атомов цинка, p⁺-слоя тыльного потенциального барьера среднего элемента 19, например, из Ga_0,51In_0,49P легированного, например, атомами цинка с использованием, например, триметилгаллия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы элементов, фосфина в качестве источника атомов фосфора и диметилцинка в качестве источника атомов цинка, базового p-слоя среднего элемента 20 при температуре 595-605°С, например, из p-Ga_0.99 In_0.01As, легированного, например, атомами цинка с использованием, например, триметилгаллия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы элементов, арсина в качестве источника атомов мышьяка и диметилцинка в качестве источника атомов цинка, эмиттерного n-слоя среднего элемента 21 при температуре, например, 595-605°С, например, из n-Ga_0.99In _0.01As, легированного, например, атомами кремния с использованием, например, триметилгаллия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы элементов, арсина в качестве источника атомов мышьяка и моносилана в качестве источника атомов кремния, n-слоя широкозонного окна среднего элемента 22, например из n-Al _0.8Ga_0.2As или n-Ga_0.51In_0.49 P толщиной, например 30-120 нм легированного, например, атомами кремния с использованием например, триметилгаллия, триметилалюминия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы элементов, арсина или фосфина в качестве источника атомов пятой группы элементов и моносилана в качестве источника атомов кремния, n⁺⁺ -слоя верхнего туннельного диода 23, например, из Ga_0,51 In_0,48P или GaAs толщиной 10-20 нм, легированного, например, атомами кремния с использованием например, триметилгаллия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы, фосфина или арсина в качестве источника атомов пятой группы элементов и моносилана в качестве источника атомов кремния, и p⁺⁺ -слоя верхнего туннельного диода 24, например, из p⁺⁺ -AlGaAs толщиной, например, 10-20 нм и легированного, например, атомами углерода с использованием например, триметилгаллия и триметилалюминия в качестве источников атомов третьей группы элементов и арсина в качестве источника атомов мышьяка, p ⁺-cлoя тыльного потенциального барьера верхнего элемента 25 при при температуре 720-730°С, например, из p⁺ -Ga_0,51In_0,49P, легированного, например, атомами цинка с использованием, например, триметилгаллия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы элементов, фосфина в качестве источника атомов фосфора и диметилцинка в качестве источника атомов цинка, базового p-слоя верхнего элемента 26, при температуре 720-730°С, например, p-Ga_0,51 In_0,49P толщиной, например, 0,35-0,70 мкм, легированный, например, атомами цинка с использованием, например, триметилгаллия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы элементов, фосфина в качестве источника атомов фосфора и диметилцинка в качестве источника атомов цинка, эмиттерного n-слоя верхнего элемента 27 при температуре 720-730°С, например, из n-Ga _0,51In_0,49P, легированного, например, атомами кремния с использованием, например, триметилгаллия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы элементов, фосфина в качестве источника атомов фосфора и моносилана в качестве источника атомов кремния, n-слоя широкозонного окна верхнего элемента 28, например, из n-Al_0,53In_0,47P, легированного, например, атомами кремния с использованием, например, триметилалюминия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы элементов, фосфина в качестве источника атомов фосфора и моносилана в качестве источника атомов кремния и контактного подслоя 9, например, из n⁺-Ga_0,99In_0,01As, легированного, например, атомами кремния с использованием например триметилгаллия и триметилиндия в качестве источников атомов третьей группы элементов, арсина в качестве источника атомов мышьяка и моносилана в качестве источника атомов кремния.

После окончания роста, условия в реакторе изменяют для обеспечения возможности выгрузки подложки и производят выгрузку подложки и загрузку новой подложки в реактор для последующего выращивания (см. фиг.2).

Во время выращивания полупроводниковых слоев на подложках германия происходит диффузия атомов германия как через твердую фазу, так и через газовую, что может приводить к деградации параметров выращиваемых переходов каскадного фотопреобразователя. В первую очередь это относиться к среднему элементу на основе Ga_0,99 In_0,01As, так как германий, являющийся мелким донором для этого материала, активно встраивается в эти слои. Встраивание атомов германия в слои GaInP значительно ниже и влияния автолегирования этих слоев атомами германия на характеристики верхнего перехода не было обнаружено.

По данным измерений вторичной ионной масс-спектроскопии твердотельная диффузия в слои GaInAs может проходить на расстояние до 0,5 мкм, поэтому перед выращиванием слоев нижнего туннельного диода необходимо осаждение буферного слоя толщиной, превышающей 0,5 мкм.

Слои Ga _0.99In_0.01As, выращенные на подложках германия при температурах более 700°С, обладали n-проводимостью с концентрацией электронов более 5·10¹⁷ см ^-3, что было обусловлено испарением атомов германия с тыльной стороны подложки, их диффузией через газовую фазу к ростовой поверхности и встраиванию в растущий слой. Учитывая тот факт, что уровень легирования базового слоя среднего элемента из Ga _0.99In_0.01As атомам p-примеси не превышает 2·10 ¹⁷ см^-3, автолегирование атомами германия будет приводить к отсутствию активного p-n перехода в случае выращивания этого слоя при температуре 700°С и более.

Для создание качественного фотоактивного среднего перехода в заявляемом способе изготовления каскадного фотопреобразователя предлагается выращивание базового и эмиттерного слоев среднего перехода при температуре 595-605°С. Это обусловлено тем, что слои Ga_0.99In_0.01As, выращенные на подложках германия при температуре 600°С, обладали n-проводимостью с концентрацией электронов порядка 10¹⁵ см^-3 .

Осаждение слоев GaInP методом МОС-гидридной эпитаксии сопровождается эффектом упорядочения, обусловленным возникновением доменов, обогащенных атомами галлия, и доменов, обогащенных атомами индия, и выражающемся в понижении ширины запрещенной зоны выращиваемого материала. При этом упорядочение твердых растворов GaInP может приводить к уменьшению ширины запрещенной зоны на величину вплоть до 120 мэВ (см. Zunger A. and Mahajan S., 1994, Handbook on Semiconductors, vol 3, Amsterdam: Elsevier).

Меньшая ширина запрещенной зоны будет приводить к понижению напряжения холостого хода верхнего элемента на основе Ga_0,51In_0,49P, поэтому в способе изготовления каскадного фотопреобразователя предлагается выращивание верхнего перехода при температуре 720-730°С, при которой, по результатам наших исследований, достигается минимальное упорядочение твердого раствора GaInP.

После получения эпитаксиальной структуры заявляемого каскадного фотопреобразователя методом МОС-гидридной эпитаксии на ее лицевой стороне формируют металлическую контактную сетку с использованием метода фотолитографии, причем металлический контакт наносят вакуумным распылением. Так же на тыльной стороне эпитаксиальной структуры создают сплошной металлический контакт с использованием вакуумного распыления. Контактный слой удаляют в местах, не закрытых контактной сеткой, в которые проводят осаждение слоев антиотражающего покрытия с использованием технологии вакуумного напыления.

При преобразовании солнечного спектра каскадными фотопреобразователями возникают потери полезной энергии, связанные с поглощением полезного излучения в слоях, находящихся между фотоакивными элементами (широкозонные «окна», туннельные диоды, тыльные потенциальные барьеры), и отражением излучения как от поверхности фотопреобразователя, так и от границ раздела отдельных переходов. Это связано с наличием большого количества гетерограниц внутри структуры фотопреобразователя. Эти потери в основном выражаются в понижении тока короткого замыкания, который генерируют отдельные переходы и весь фотопреобразователь в целом, и в случае использования не оптимизированной структуры отражение от гетерограниц может приводить к его значительному снижению

Отражение света от гетерограниц связано с тем, что показатели преломления полупроводниковых слоев различны, причем, чем больше разница показателей преломления материалов, тем большим будет амплитуда отраженной волны. Уменьшить отражение от границы двух объемных материалов возможно за счет использования слоя, просветляющего гетерограницу, который вводится между ними. Причем показатель преломления этого слоя должен равняться среднему геометрическому показателей преломления материалов, которые, образуют просветляемую границу, а произведение толщины на показатель преломления просветляющего слоя должно составлять четверть длины волны, для которой производится просветление. В этом случае в структуре будет две гетерограницы и амплитуды отраженных от них волн будут одинаковы, причем при указанной толщине просветляющего слоя эти две волны будут находиться в противофазе и погасят друг друга. Поэтому отражение для данной длины волны будет равно нулю. При этом для других длин волн показатель преломления просветляющего слоя может удовлетворять вышеуказанным оптимальным критериям только в случае удачной дисперсионной зависимости, поэтому в общем случае такой слой будет оптимально просветлять гетерограницу только в узком диапазоне длин волн.

Если показатель преломления просветляющего слоя не равен среднему геометрическому показателей преломления слоев просветляемой гетерограницы, то амплитуды отраженных от гетерограниц волн не будут одинаковы и, даже в случае оптимального выбора толщины просветляющего слоя, амплитуда отраженной волны будет больше нуля. В этом случае возможно использование нескольких слоев, просветляющих гетерограницу, у которых показатели преломления равноудалены друг от друга и от слоев, составляющих просветляемую гетерограницу.

Если показатель преломления вводимого между двумя материалами слоя больше либо меньше их показателей преломления, а не находится между ними, такой слой будет увеличивать амплитуду отраженной волны, выполняя роль селективного отражателя. Причем, чем больше разница показателей преломления материалов, составляющих гетерограницу с материалом слоя отражателя, тем выше будет амплитуда отраженной волны. При этом минимальное отражение будет в случае, когда произведение показателя преломления отражающего слоя на его толщину будет составлять половину длины волны.

Заявляемый каскадный фотопреобразователь содержит объемные слои GaInP, GaInAs и Ge, между которыми находятся тонкие слои туннельных диодов, широкозонных окон и тыльных потенциальных барьеров, выполняемых из AlGaInP, GaInP, AlInP и AlGaAs, которые могут выполнять роль как просветляющих слоев, так и слоев, увеличивающих отражение от границ элементов.

Дисперсионные зависимости показателей преломления основных материалов заявляемого каскадного фотопреобразователя (см. фиг.3) позволяют сделать вывод о том, что граница Ga _0,99In_0,01As с Ge будет характеризоваться большим отражением в области фотоактивности нижнего элемента (900-1900 нм), причем введение любого слоя между этими слоями будет приводить к увеличению амплитуды отраженной волны. Отражение от гетерограницы Ga_0,51In_0,49P/Ga_0,99In_0,01 As в области фотоактивности среднего перехода 600-900 нм может быть заметно снижено при использовании слоя Al_0,4Ga _0,6As, однако, при этом необходимо учитывать, что в этом слое будет иметь место поглощение полезного для среднего элемента излучения. Для просветления границы структуры фотопреобразователя с воздухом необходимо нанесение антиотражающего покрытия из материалов с показателем преломления, находящимся в диапазоне 1-4 (в зависимости от длины волны).

Необходимость использования слоев, увеличивающих отражение от поверхности элементов каскадного фотопреобразователя, обуславливает важность поиска их оптимальных параметров для минимизации потерь, связанных с отражением полезного излучения. Для определения параметров оптимальных конструкций каскадных фотопреобразователей были проведены расчеты картины электромагнитного поля внутри их структуры с помощью решения системы уравнений Максвелла для слоистых структур в формализации его методом матриц Абелеса. Это позволило рассчитать спектральные распределения коэффициентов прохождения света в активные переходы каскадного фотопреобразователя и рассчитать спектры фотоответов переходов при помощи классической теории фотовольтаического эффекта.

При этом в расчет закладывались следующие параметры слоев:

- для GaInP перехода L_p=0,3 мкм, L_n=2 мкм (диффузионные длины неосновных носителей в эмиттере и базе);

- для GaInAs перехода L_p=1 мкм, L _n=10 мкм (диффузионные длины неосновных носителей в эмиттере и базе);

- для Ge перехода L_p=2 мкм, L_n=100 мкм (диффузионные длины неосновных носителей в эмиттере и базе);

- скорость поверхностной рекомбинации на всех гетерограницах составляла менее 10⁴ см/сек.

Даже в случае не оптимального просветления нижнего элемента каскада GaInP/GaAs/Ge его ток короткого замыкания будет превосходить токи кроткого замыкания остальных элементов, и он не будет ограничивать общий ток, генерируемый каскадным фотопреобразователем. Однако увеличение тока Ge элемента будет приводить к росту его напряжения холостого хода и КПД фотопреобразователя в целом.

Ввиду невозможности просветления границы Ge с объемным слоем Ga_0,99In_0,01As буферного слоя, служащего для предотвращения автолегирования слоев среднего элемента атомами германия, и объемными слоями среднего элемента в области фотоактивности Ge (900-1900 нм) необходимо обеспечить наименьшую разницу показателей преломления Ge с нуклеационным слоем. Это достигается в случае использования нуклеационного слоя Ga_0,9In_0,01As (см. фиг.3), что приводит к тому, что прохождение света в нижний элемент будет максимальным при использовании этого материала (см. фиг.4). Однако при этом диффузионный переход в германии будет создаваться за счет диффузии атомов мышьяка, и глубина его залегания будет составлять порядка 1 мкм (см. заявка US № 20020040727, Кл. H01L 31/00, опубликована 11.04.2002), что будет приводить к значительному падению коротковолновой чувствительности Ge перехода (см. фиг.5). Это связано с низким собиранием носителей из его диффузионного эмиттера, приводящим к тому, что практически весь ток собирается из базы.

В заявляемом каскадном фотопреобразователе используют нуклеационный слой Ga_0,51 In_0,49P, позволяющий уменьшить толщину эмиттера Ge элемента. В этом случае диффузия атомов фосфора будет приводить к возникновению p-n перехода на глубине порядка 0,5 мкм (см. заявка US № 2002004072, Кл. H01L 31/00, опубликован 11.04.2002). Однако при этом будут возрастать потери, связанные с отражением света от германиевого элемента, так как слой Ga_0,51In _0,49P будет выполнять роль селективного отражателя. При этом, однако, существует возможность увеличения прохождение света в Ge посредством оптимизации толщины нуклеационного слоя, поэтому толщина нуклеационного слоя в заявляемом каскадном фотопреобразователе составляет 170-180 нм (см. фиг.4). Уменьшение или увеличение толщины Ga_0,51In_0,49P будет приводить к снижению тока короткого замыкания Ge элемента (см. фиг.5). Использование нуклеационного слоя Ga_0,51In_0,49P толщиной 35 нм позволяет повысить ток, генерируемый Ge переходом на величину порядка 4,5 мА/см², по сравнению с нуклеационным слоем Ga_0,99In_0,01As, а использование оптимальной толщины Ga_0,51In_0,49P слоя (170-180 нм) приводит к возрастанию фототока Ge перехода на величину порядка 1,5 мА/см, по сравнению с нуклеационным слоем Ga_0,51 In_0,49P толщиной 35 нм.

При расчетах не было выявлено сильного влияния материалов и толщин слоев нижнего туннельного диода на спектры фотоответа Ge элемента. Однако в заявляемом каскадном фотопреобразователе используются следующие комбинации слоев туннельных диодов, которые все же обладают незначительным преимуществом:

- n-Al_0,53In_0,47 P (30 нм)/n⁺⁺-GaAs (30 нм)/p⁺⁺-Al_0,4 Ga_0,6As (30 нм)/p-Al_0,53In_0,47 P (30 нм);

- n-Al_0,53In_0,47 P (50 нм)/n⁺⁺-GaAs (20 нм)/p⁺⁺-Al_0,4 Ga_0,6As (20 нм)/p-Al_0,53In_0,47 p (50 нм);

- n-(Al_0,3Ga_0.7 )_0,52In_0,48P (30 нм)/n⁺⁺-GaAs (360 нм)/p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As(30 нм)/p-(Al_0,3Ga_0,7)_0,52In _0,48P (30 нм).

Использование широкозонных барьеров AlGaInP необходимо для подавления диффузии атомов примеси из сильнолегированных слоев туннельных диодов во время выращивания среднего и верхнего переходов, причем, чем выше состав алюминия в твердом растворе AlGaInP, тем резче будут профили диффузии. Однако существуют технологические трудности достижения уровня легирования более 10¹⁶ при выращивании слоев p-Al _0,53In_0,47P, легированных атомами цинка, поэтому в заявляемом каскадном фотопреобразователе могут быть использованы слои (Al_0,3Ga_0,7)_0,52In _0,48P в качестве широкозонных барьеров.

В качестве n⁺⁺-слоя нижнего туннельного диода в заявляемом фотопреобразователе использован узкозонный слой n⁺⁺ -GaAs. Это связано с тем, что уменьшение ширины запрещенной зоны материалов туннельного диода приводит к возрастанию их пикового тока туннелирования, что особенно важно при преобразовании концентрированного солнечного излучения. В качестве p⁺⁺-слоя использован p⁺⁺-Al_0,4Ga_0,6As, который позволяет достигать максимальной концентрации примеси при выращивании слоев автолегированных углеродом, что позволяет повысить пиковый ток туннелирования и уменьшить последовательное сопротивление туннельных диодов.

Как уже отмечалось ранее, основным фактором, ограничивающим эффективность преобразования каскадных фотопреобразователей на основе Ga_0,51In_0,49P/Ga_0,99 In_0,01As/Ge, является низкий ток короткого замыкания среднего элемента. Поэтому его повышение или понижение будет иметь самый значительный эффект на КПД каскадного фотопреобразователя. Причем равенство токов короткого замыкания верхнего и нижнего элементов можно будет обеспечить даже в случае, когда все падающие на средний элемент фотоны будут давать вклад в фототок.

Уменьшение количества фотонов, приходящих в средний элемент каскада Ga_0,51In_0,49P/Ga_0,99In_0,01 As/Ge, связано, в первую очередь, с поглощением света в слоях верхнего туннельного диода и его отражением от гетерограницы Ga_0,51In_0,49P/Ga_0,99In_0,01 As, причем слои тыльного потенциального барьера верхнего элемента, туннельного диода и широкозонного «окна» среднего элемента, как правило, не просветляют эту границу.

Увеличение количества падающих на Ga_0,99In_0,01As переход фотонов возможно при оптимизации толщины и материала широкозонного «окна» этого перехода (см. фиг.6). Повышенное пропускание в средний переход заявляемого каскадного фотопреобразователя почти во всей области от 675 до 900 нм достигается за счет использования оптимизированных толщин широкозонного окна (Ga_0,51 In_0,49P - 100 нм, Al_0,4Ga_0,6 As - 110 нм, Al_0,8Ga_0,2As - 115 нм), что позволяет повысить ток короткого замыкания на величину порядка 0.5 мА/см². Однако использование узкозонных материалов (Ga_0,51In_0,49P или Al_0,4Ga _0,6As) будет приводить к небольшому снижению количества падающих на Ga_0,99In_0,01As переход фотонов в области 500-675 нм (см. фиг.6), что связано с поглощением в них этих фотонов.

Наличие поглощения полезного для Ga_0,99In_0,01As перехода излучения в слоях верхнего туннельного диода так же снижает ток короткого замыкания среднего перехода, поэтому в заявляемом каскадном фотопреобразователе предлагается уменьшение толщин слоев туннельного диода до 15 нм и использование n⁺⁺-Ga_0,51In_0,49 P в верхнем туннельном диоде (см. фиг.7). В этом случае повышается пропускание света верхним туннельным диодом (см. фиг.7) и ток короткого замыкания Ga_0,99In_0,01As элемента повышается на величину порядка 0,5 мА/см².

Заметное уменьшение количества падающих на Ga_0,99In _0,01As переход фотонов происходит при использовании материала Al_0,53In_0,47P между Ga_0,51In _0,49P и Ga_0,99In_0,01As (см. фиг.8). Это связано с тем, что показатель преломления Al_0,53 In_0,47P ниже показателей преломления Ga_0,51 In_0,49P и Ga_0,99In_0,01As (см. фиг.3). Поэтому в заявляемом каскадном фотопреобразователе в качестве тыльного потенциального барьера верхнего элемента используется слой p⁺-Ga_0,51In_0,49P, а в качестве широкозонного окна могут быть использованы оптимизированные по толщине Ga_0,51In_0,49P, Al_0,4 Ga_0,6As или Al_0,8Ga_0,2As. Это позволяет повысить ток короткого замыкания Ga_0,99In _0,01As перехода на величину порядка 0,8 мА/см² по сравнению с широкозонным «окном» Al_0,53 In_0,47P.

Для минимизации отражения от поверхности заявляемого фотопреобразователя необходимо использование антиотражающего покрытия. Граница фотопреобразователя с воздухом (показатель преломления равен 1) будет характеризоваться высоким отражением (см. фиг.9), обусловленным большой разницей показателей преломления воздуха и полупроводниковых материалов. Ввиду отсутствия материалов, которые могли бы эффективно просветлить поверхность фотопреобразователя в широком диапазоне длин волн, необходимо подбирать толщины слоев антиотражающего покрытия таким образом, чтобы максимально повысить токи короткого замыкания, в первую очередь среднего Ga_0,99In_0,01As и верхнего Ga_0,51In_0,49P элементов.

В заявляемом каскадном фотопреобразователе это может достигаться за счет использования антиотражающего покрытия ZnS (60 нм)/MgF ₂ (100 нм) (см. фиг.9), при этом общий ток, генерируемый каскадным фотопреобразователем, повышается на величину порядка 0,5 мА/см² по сравнению со случаем, когда толщины слоев антиотражающего покрытия отличаются на 10-15% от оптимальных, и порядка 5 мА/см² по сравнению со случаем, когда антиотражающее покрытие отсутствует.

Таким образом, указанные особенности заявляемого фотопреобразователя позволяют существенно повысить его ток короткого замыкания, что приведет к существенному увеличению эффективности преобразования солнечного спектра в электроэнергию.

Пример 1.

Был произведен расчет внешней квантовой эффективности элементов оптимизированного каскадного фотопреобразователя, состоящего из подложки p-Ge и последовательно осажденных слоев: нуклеационного слоя Ga_0,51In_0,49P толщиной 175 нм, Ga _0,99In_0,01As буферного слоя толщиной 2 мкм, (Al_0,3Ga_0,7)_0,52In_0,48 P широкозонного слоя нижнего туннельного диода толщиной 0.03 мкм, GaAs слоя нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, Al _0,4Ga_0,6As слоя нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, (Al_0,3Ga_0,7)_0,52In _0,48P широкозонного слоя нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, Ga_0,51In_0,49P слоя тыльного потенциального барьера среднего элемента толщиной 0,1 мкм, базового слоя среднего элемента Ga_0,99In_0,01As толщиной 3 мкм, Ga_0,99In_0,01As эмиттерного слоя среднего элемента толщиной 0,1 мкм, Al_0,8Ga_0,2As слоя широкозонного «окна» среднего элемента толщиной 115 нм, Ga_0,51In_0,49P слоя верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, Al_0,4Ga_0,6As слоя верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, Ga_0,51 In_0,49P слоя тыльного потенциального барьера верхнего элемента толщиной 0,1 мкм, Ga_0,51In_0,49 P базового слоя верхнего элемента толщиной 0,4 мкм, Ga_0,51 In_0,49P эмиттерного слоя верхнего элемента толщиной 0,05 мкм, Al_0,53In_0,47P слоя широкозонного «окна» верхнего элемента толщиной 0,03 мкм, слоя антиотражающего покрытия ZnS толщиной 60 нм и слоя антиотражающего покрытия MgF ₂ толщиной 100 нм (см. фиг.10). Такой фотопреобразователь продемонстрировал высокие теоретические токи короткого замыкания отдельных переходов для спектра АМ0: J_GaInP=18,27 мА/см², J_gaInAs=18,32 мА/см² , J_Ge=33,01 мА/см² и согласование токов для спектра АМ0.

Пример 2.

Был произведен расчет внешней квантовой эффективности элементов оптимизированного каскадного фотопреобразователя, состоящего из подложки p-Ge и последовательно осажденных слоев: нуклеационного слоя Ga _0,51In_0,49P толщиной 175 нм, Ga_0,99 In_0,01As буферного слоя толщиной 2 мкм, (Al_0,3 Ga_0,7)_0,52In_0,48P широкозонного слоя нижнего туннельного диода толщиной 0.03 мкм, GaAs слоя нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, Al_0,4Ga_0,6 As слоя нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, (А1 _0,3Са_0,7)_0,52In_0,48P широкозонного слоя нижнего туннельного диода толщиной 0.03 мкм, Ga_0,51 In_0,49P слоя тыльного потенциального барьера среднего элемента толщиной 0,1 мкм, базового слоя среднего элемента Ga _0,99In_0,01As толщиной 3 мкм, Ga_0,99 In_0,01As эмиттерного слоя среднего элемента толщиной 0,1 мкм, Al_0,8Ga_0,2As слоя широкозонного «окна» среднего элемента толщиной 115 нм, Ga_0,5 In_0,49P слоя верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, Al_0,4Ga_0,6As слоя верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, Ga_0,51In_0,49P слоя тыльного потенциального барьера верхнего элемента толщиной 0,1 мкм, Ga_0,51In_0,49P базового слоя верхнего элемента толщиной 0,7 мкм, Ga_0,51In_0,49 P эмиттерного слоя верхнего элемента толщиной 0,05 мкм, Al _0,53In_0,47P слоя широкозонного «окна» верхнего элемента толщиной 0,03 мкм, слоя антиотражающего покрытия ZnS толщиной 60 нм и слоя антиотражающего покрытия MgF₂ толщиной 100 нм (см. фиг.11). Такой фотопреобразователь продемонстрировал высокие теоретические токи короткого замыкания отдельных переходов для сектра AM1,5D: J_GaInP=14,88 мА/см², J_GaInAs=14,93 мА/см², J_Ge=25,88 мА/см и согласование токов для спектра AM1,5.

Пример 3.

Методом МОС-гидридной эпитаксии была выращена эпитаксиальная структура каскадного фотопреобразователя, состоящая из последовательно осажденных на подложку p-Ge слоев: нуклеационного слоя Ga_0,52In_0,49P толщиной 175 нм, Ga_0,99In_0,01As буферного слоя толщиной 2 мкм, (Al_0,3Ga_0,7)_0,52In _0,48P широкозонного слоя нижнего туннельного диода толщиной 0,1 мкм, GaAs слоя нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, Al_0,4Ga_0,6As слоя нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, (Al_0,3Ga_0,7)_0,52 In_0,48P широкозонного слоя нижнего туннельного диода толщиной 0,03 мкм, Ga_0,51In_0,49P слоя тыльного потенциального барьера среднего элемента толщиной 0,1 мкм, базового слоя среднего элемента Ga_0,99In_0,01As толщиной 2,8 мкм при температуре 600°С, Ga_0,99In_0,01 As эмиттерного слоя среднего элемента толщиной 0,1 мкм при температуре 600°С, Al_0,8Ga_0,2As слоя широкозонного «окна» среднего элемента толщиной 30 нм, GaAs слоя верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, Al_0,4 Ga_0,6As слоя верхнего туннельного диода толщиной 0,015 мкм, Ga_0,51In_0,49P слоя тыльного потенциального барьера верхнего элемента толщиной 0,1 мкм при температуре 725°С, Ga_0,51In_0,49P базового слоя верхнего элемента толщиной 0,65 мкм при температуре 725°С, Ga_0,51 In_0,49P эмиттерного слоя верхнего элемента толщиной 0,05 мкм при температуре 725°С, Al_0,53In _0,47P слоя широкозонного «окна» верхнего элемента толщиной 0,03 мкм и контактного подслоя Ga_0,99In _0,01As толщиной 0,5 мкм. При этом в качестве источников атомов третьей группы элементов использовались триметилгаллий, триметилалюминий и триметилиндий; в качестве источников атомов пятой группы элементов использовались арсин и фосфин; а в качестве источников легирующей примеси использовались диметилцинк и силан. После выращивания эпитаксиальной структуры на ее лицевой поверхности была создана металлическая контактная сетка вакуумным распылением металла, через маску из фоторезиста, созданную методом фотолитографии, а на тыльной поверхности подложки был создан сплошной металлический контакт методом вакуумного распыления металла, после чего в участках лицевой поверхности структуры, не закрытых контактной сеткой, был удален контактный подслой эпитаксиальной структуры и нанесено антиотражающее покрытие ZnS/MgF₂. Такие фотопреобразователи продемонстрировали согласование токов для наземного спектра, а токи короткого замыкания отдельных переходов для спектра AM1,5D составили: J_GaInP=14,6 мА/см², J_GaInAs =14,44 мА/см, J_Ge=18,02 А/см².