Brevet FR2581797A1 — publié le 19861114

Dispositif semi-conducteur pour la conversion de la lumière en électricité La présente invention se rapporte à un disposi- tif semi- conducteur pour la conversion de la lumière en électricité, tel qu'une cellule solaire. La figure 2 représente un dispositif semi-con- ducteur pour la conversion de la lumière en électricité appartenant à l'art antérieur, montré à la page 692 du Recueil de la 16ème Conférence des Spécialistes du Do- maine Photovoltaique IEEE (16th IEEE Photovoltaic Spe- cialists Conference). A la figure 2, la référence numérique 1 désigne un substrat en silicium de type n (appelé ci-après "sub- strat en Si-n"). La référence numérique 2 désigne une couche en silicium de type p produite sur le substrat 1 en Si n. La référence numérique 3 désigne une couche en germanium produite sur la couche 2 en Si p. La référence numérique 4 désigne une couche en arseniure de gallium de type n produite sur la couche 3 en germanium. La ré- férence numérique 5 désigne une couche en arseniure de gallium de type p produite sur la couche 4 en GaAs n. La référence numérique 6 désigne une pellicule en nitrure de silicium ayant une épaisseur de 600 à 800 À produite sur la couche 5 en GaAs p. Les références numériques 7 et 8 désignent des électrodes respectivement disposées en contact ohmique avec la couche 5 en GaAs p et le sub- strat 1 en Si n. Le dispositif fonctionne comme suit: - lorsque la lumière du soleil est projetée sur le dispositif par le dessus, selon figure 2, un courant photoélectrique produit par la conversion de la lumière en électricité, à la jonction entre la couche 4 en GaAs n et la couche 5 en GaAs p pour sa composante à longueur d'onde relativement courte et à la jonction entre le substrat 1 en Si n et la couche 2 en Si p pour sa compo- sante à longueur d'onde relativement grande est repris respectivement par les électrodes 7 et 8. Dans ce cas, la couche 3 en Ge est produite sur la couche 2 en Si p en tant que pellicule à l'état amor- phe par exemple par métallisation en phase vapeur, et on lui donne une bonne qualité de structure cristalline par une technique de recristallisation, telle qu'un recuit au laser. De plus, cette couche 3 en Ge améliore la structure cristalline de la couche en GaAs n à produire sur elle, car la couche 3 en Ge présente une constante de réseau tout à fait voisine de celle de la couche 4 en GaAs n. Comme il découle de la description ci-dessus, cette conception de dispositif semi-conducteur de con- version de la lumière en électricité appartenant à l'art antérieur ne permet pas d'obtenir une bonne propriété cristalline de la couche 4 en GaAs n si elle est produi- te directement sur la couche 2 en Si p et, par consé- quent, la couche 3 en Ge est disposée entre la couche 2 en Si p et la couche 4 en GaAs n. Dans ce cas, toute- fois, la couche 3 en Ge possède un écartement de bande d'énergie plus étroit que celui du silicium (le germa- nium et le silicium présentant une largeur de bande d'énergie de 0,66 eV et de 0,11 eV, respectivement), et elle arrête la lumière de cette région de longueur d'on- de, capable d'être convertie par la diode constituée par le substrat 1 en Si n, et la couche 2 en Si p, ce qui fait que la conversion de la lumière en électricité de la diode n'est pas menée à bien. Un autre dispositif semi-conducteur pour la con- version de la lumière en électricité appartenant à l'art antérieur, est décrit dans l'article "GaAs/Ge/Si SOLAR CELLS (cellules solaires en GaAs/Ge/Si)", par B-Y Tsaur, John C.C. Fan, G.W. Tuner, B.D. King, Proc. 17 th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., pp. 440 (1984). Cet ar- ticle indique qu'on produit un élément de conversion photoélectrique comprenant du GaAs ayant une jonction pn, après avoir revêtu la surface d'un substrat en sili- cium d'une couche de germanium par métallisation en pha- se vapeur créée par faisceau d'électrons. - Une autre réalisation de l'art.antérieur est dé- crite dans l'article "OPTIMAL DESIGN OF HIGH-EFFICIENCY TANDEM CELLS" (conception optimale de cellules en tandem à haut rendement) par John C.C. Fan, B-Y Tsaur, et B.J. Palon, Proc. 16th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., pp.692 (1982). Cet article indique qu'on produit un élé- ment de conversion photoélectrique comprenant du GaAs ayant une jonction pn, après avoir déposé une couche de Ge sur la surface d'un substrat en silicium par métalli- sation en phase vapeur créée par faisceau d'électrons. Des recherches sur la densité des piqûres d'attaque y sont également présentées. La présente invention vise à résoudre les pro- blêmes énumérés ci-dessus et a pour objectif de fournir un dispositif semi-conducteur pour la conversion de la lumière en électricité, présentant un rendement total élevé tout en conservant une bonne propriété cristalline de la couche en GaAs n. D'autres objectifs et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée donnée ci-après; il reste entendu, néanmoins, que la description détaillée et le mode de réalisation spécifique ne sont fournis qu'à titre d'illustration. Cette description détaillée fait apparaître à l'homme de l'art différentes modifications-et variantes dans l'es- prit et la portée de l'invention. Selon la présente invention, un dispositif semi- conducteur pour la conversion de la lumière en électri- cité, comprend: une région semi-conductrice de composé du groupe III-V ayant une jonction pn comprenant du gallium et de l'arsenic; une région en silicium ayant une jonction pn; une couche en sélénium-zinc insérée entre lesdites deux régions; et plusieurs électrodes de prélèvement d'un courant photoélectrique à partir desdi- tes deux régions. Sur les dessins: - La figure 1 est une vue en coupe transversale montrant un mode de réalisation de la présente inven- tion; - La figure 2 est une vue en coupe transversale montrant un dispositif semi-conducteur de conversion photoélectrique de l'art antérieur; et - Les figures 3 à 8 sont des vues en coupe transversale montrant divers modes de réalisation de la présente invention. Il sera particulièrement fait référence à la fi- gure i pour expliquer la présente invention dans le dé- tail. La figure 1 montre un substrat 1 en Si n, et une couche 2 en Si p produite sur le substrat 1 en Si n par diffusion de bore. La référence 3A désigne une cou- che en sélénium-zinc de 0,1 à plusieurs microns d'épais- seur, déposée sur la couche 2 Si p par le procédé épita- xial de faisceau moléculaire et recristallisée par re- cuit au laser sous pression élevée. La référence numéri- que 4 désigne une couche en GaAs n comprenant du sili- cium, du sélénium, du tellure sulfurique ou l'élément quaternaire produit sur la couche 3A en sélénium-zinc par croissance épitaxiale en phase gazeuse ou en phase liquide. On obtient une couche de GaAs bien cristalline car la constante de réseau de 5,667 A du sélénium-zinc est proche de celle de 5,65 A, du GaAs. La couche 5 en GaAs p comprenant un élément du groupe II tel que le zinc, le béryllium, ou le magnésium, est produite sur la couche 4 en GaAs n par croissance épitaxiale similaire. La pellicule anti-réfléchissante 6 en nitrure de sili- cium est produite sur la couche 5 en GaAs p par dépôt chimique en phase vapeur au plasma. Des ouvertures sont pratiquées dans cette pellicule aux positions requises, par photolithographie. Des électrodes 7 et 8 sont mises en contact ohmique avec la couche 5 en GaAs p et le substrat 1 en Si n respectivement. La référence numérique 9 désigne une région en silicium constituée par le substrat-1 en Si n et la couche 2 en Si p. La ré- férence numérique 10 désigne une région semi-conductrice de composé du groupe III-V comprenant du gallium et de l'arsenic, constituée par la couche 4 en GaAs n et la couche 5 en GaAs p. Dans une telle exécution, lorsque de la lumière, telle que la lumière du soleil, est projetée par le des- sus, selon la figure 1, la composante de lumière dans la région de longueur d'onde relativement courte est absor- bé par la jonction pn constituée par la couche 4 en GaAs n et la couche 5 en GaAs p pour être convertie en un si- gnal électrique, et la composante de lumière dans la ré- gion de longueur d'onde relativement grande qui a péné- tré dans les couches 4 et 5 en GaAs et la couche 3A en ZnSe décrites cidessus, est convertie en un signal électrique par la jonction pn constituée par le substrat 1 en Si n et la couche 2 en Si p, et un courant photo- électrique est prélevé à l'aide des électrodes 7 et 8 à travers la couche 3A en ZnSe. Au contraire, la couche 3 en Ge arrête complètement la composante de lumière dans la région de longueur d'onde requise par les régions 1 et 2 en silicium dans le dispositif selon l'art anté- rieur. La couche 3A en ZnSe de ce mode de réalisation présente un écart de bande d'énergie plus grand de 2,67 eV que celui du silicium et fonctionne en transparence dans la région de longueur d'onde en question, de sorte que les inconvénients du dispositif de l'art antérieur sont éliminés. Contrairement au dispositif de l'art antérieur, les couches 4 et 5 en GaAs sont produites sur la couche 3A en ZnSe, mais ces couches 4 et 5 en GaAs présentent des rendements de conversion approximativement égaux à ceux du dispositif de l'art antérieur car elles possè- dent de bonnes propriétés cristallines. Si l'on considère dans leur. totalité les cir- constances décrites ci-dessus, on peut dire que le ren- dement global du présent mode de réalisation est élevé à un niveau supérieur à celui du dispositif de l'art anté- rieur. Dans le mode de réalisation illustré, on utilise le GaAs pour la région semi-conductrice 10 en composé du groupe III-V, mais celui-ci peut être remplacé par du AlxGal xAs ayant une proportion arbitraire x (ici O la couche 3A en ZnSe. De plus, on peut produire plusieurs régions 10A, 10B, 10C en Al xGa As de telle manière que la propor- x l-x tion Alx de la composition en x augmente à mesure qu'el- le s'approche de la couche supérieure et les couches 4A, 4B, 4C en AlxGal xAs n et les couches 5A, 5B et 5C en AlxGa 1xAs p sont disposées au niveau de chaque région 10A, lOB, 10C en Alx Ga xAs du dessous vers le dessus. Dans les modes de réalisation ci-dessus, toutes les jonctions pn sont produites de telle manière que la couche p soit située sur le dessus et la couche n sur le dessous, mais ceci peut être inversé. Dans les modes de réalisation ci-dessus, toutes les jonctions pn sont en série, mais les jonctions pn peuvent également être disposées en parallèle et leurs courants peuvent être prélevés séparément en pratiquant une rainure 11 au niveau des couches 4 et 5 et en dispo- sant une électrode 12 en contact avec la couche 3A en ZnSe, comme cela est montré à la figure 4. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire que les jonctions pn soient dis- posées dans la même direction. Dans le mode de réalisation illustré, la région 9 en silicium, la région 10 en GaAs, et les régions 10A, 10B, 10C en AlxGalxAs sont toutes plates, mais elles peuvent également présenter une configuration concave ou convexe comme cela est montré à la figure 5. Dans le mode de réalisation illustré, le subs- trat 1 est en silicium et constitue une portion de la jonction pn, toutefois, le substrat peut également être un substrat SOS (silicium sur saphir) qui comprend un substrat en saphir 1A et une couche lB en Si n produite sur celui-ci comme le montre la figure 6. Dans ce cas, on pourra produire une électrode 8 de façon similaire à ce qui est montré à la figure 4. Dans le mode de réalisation illustré, la région 9 en Si est située sur le côté du substrat 1, toutefois, la région 10 semi-conductrice en composé du groupe III-V peut être disposée sur le côté du substrat 1 comme le montre la figure 7. Mais dans ce cas, la couche 1 est en un matériau tel que ZnSe comportant une extrémité d'une bande d'absorption de lumière sur le côté des longueurs d'ondes plus courtes que GaAs, AlxGalxAs, Si, et une lumière telle que la lumière du soleil est projetée par le dessous selon la figure. Un tel dispositif est réali- sé par exemple en produisant d'abord un substrat épais en Si n, puis en produisant les couches inférieures 2, 3A, 4, 5, 1, 6, 7, et en produisant une électrode 8 en arrachent ultérieurement le substrat en Si n. De plus, dans le mode de réalisation illustré, bien que l'électrode 7 soit reliée directement à la cou- che 5 en GaAs p dans la figure 1, une résistance existe dans la direction transversale entre l'électrode 7 et la portion de la couche 5 en GaAs p o l'électrode 7 n'existe pas. Afin de l'éviter, on peut prévoir une couche 13 en AlxGal xAS p en un matériau ayant une ex- trémité de bande d'absorption de lumière sur le côté de longueur d'onde courte par rapport la couche 5 et ayant une faible résistivité sur la couche 5 en GaAs p comme l'indique la figure 8. Comme il ressort de la description précédente, selon la présente invention, une couche en sélénium- zinc est insérée entre la région en silicium et la ré- gion semi-conductrice en composé chimique, permettant ainsi de fournir une lumière dans la région de longueur d'onde, nécessaire pour la conversion de la lumière en électricité de la jonction pn au niveau de la région en silicium, et d'améliorer le caractère cristallin de la région semi-conductrice en composé chimique, ce qui se traduit par une amélioration du rendement de conversion global de lumière en électricité.. REVENDICATIONS 1. Dispositif semi-conducteur pour la conversion de lumière en électricité, caractérisé en ce qu'il com- prend: - une région semi-conductrice (4, 5) en composé du groupe III-V comportant une jonction pn comprenant du gallium et de l'arsenic; - une région en silicium (1, 2) comportant une jonction pn; - une couche en sélénium-zinc (3A) insérée entre lesdites deux régions; et - plusieurs électrodes (7, 8) pour prélever un courant'photoélectrique à partir desdites deux régions. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en que ladite couche a une épaisseur comprise entre 0,1 et quelques pm.