ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СТРУКТУРА МНОГОПЕРЕХОДНОГО ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
SEMICONDUCTOR STRUCTURE OF MULTI-JUNCTION PHOTOCONVERTER

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым многопереходным фотоэлектрическим преобразователям мощного оптического излучения с соединительными туннельными диодами.
В связи с повышением темпов развития концентраторной фотовольтаики и радиофотоники появляется необходимость в разработке высокоэффективных фотоэлектрических устройств, преобразующих мощное оптическое излучение. К таким устройствам относятся, например, концентраторные многопереходные солнечные элементы и многопереходные фотоприемники. Важной задачей при эпитаксиальном росте многопереходных гетероструктур является создание в них монолитно интегрированных соединительных туннельных диодов (ТД) с низкими оптическими потерями и удельным сопротивлением и высокими пиковыми плотностями туннельного тока.
Известна полупроводниковая структура многопереходного фотопреобразователя (см. патент RU 2376679, МПК H01L 31/042, опубликован 20.12.2009) предназначенная для использования в солнечных элементах. Структура включает выполненные из полупроводникового материала слои n-типа проводимости и р-типа проводимости, образующие не менее двух сопряженных посредством туннельного перехода двухслойных компонентов с n-р или р-n переходами между слоями.
Недостатком известной структуры является относительно низкая эффективность фотоэлектрического преобразования.
1
2
2
1
Известна полупроводниковая структура многопереходного фотопреобразователя (см. заявка US 2018374973, МПК H01L 31/043, H01L 31/0304, H01L 31/047, H01L 31/0684, H01L 31/0735, опубликована 27.12.2018), включающая первую субструктуру, имеющую ширину запрещенной зоны Eg и вторую субструктуру с шириной запрещенной зоны Eg, причем Eg>Eg. Между первой и второй субструктурами расположена промежуточная структура. Промежуточная структура содержит первый барьерный слой, туннельный диод, включающий сильнолегированный слой n-типа проводимости и сильнолегированный слой р-типа проводимости, и второй барьерный слой, причем слои расположены в указанном порядке.
Известная полупроводниковая структура многопереходного фотопреобразователя имеет недостаточно высокую плотность пикового туннельного тока и, соответственно, невысокую предельную мощность преобразуемого излучения.
Известна полупроводниковая структура многопереходного фотопреобразователя (см. заявка US 20180315879, МПК H01L 31/0725, H01L 31/0735 H01L 31/0352, опубликована 01.11.2018), совпадающая с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Полупроводниковая структура-прототип включает субструктуры с р-n переходами на основе соединений А3В5, соединенные между собой туннельным диодом. Туннельный диод содержит сильнолегированный слой р-типа проводимости из AlGaAs 20 нм, сильнолегированный слой n-типа проводимости из GaAs, представляющий собой квантовую яму с толщиной 1-20 нм и сильнолегированный слой n-типа проводимости из AlGaAs толщиной 50 нм.
2
Известная полупроводниковая структура-прототип имеет относительно низкую плотность пикового туннельного тока (до 400 А/см).
Задачей настоящего технического решения является разработка полупроводниковой структуры многопереходного фотопреобразователя, которая бы имела более высокую плотность пикового туннельного тока соединительного туннельного диода.
Поставленная задача достигается тем, что полупроводниковая структура многопереходного фотопреобразователя содержит по меньшей мере две субструктуры с р-n переходами на основе соединений А3В5, соединенные между собой туннельным диодом. Туннельный диод включает сильнолегированный слой р-типа проводимости из AlGaAs, нелегированный слой с собственной проводимостью из GaAs толщиной 1-3 нм, сильнолегированный слой n-типа проводимости из GaAs и слой n-типа проводимости из AlGaAs.
Сильнолегированный слой р-типа проводимости туннельного диода может быть выполнен толщиной 10-20 нм.
Сильнолегированный слой n-типа проводимости туннельного диода может быть выполнен толщиной 10-20 нм.
Слой n-типа проводимости туннельного диода может быть выполнен толщиной 40-50 нм.
x
1-x
Сильнолегированный слой р-типа проводимости туннельного диода может быть выполнен из AlGaAs, где х=0,2-0,8.
x
1-x
Слой n-типа проводимости туннельного диода может быть выполнен из AlGaAs, где х=0,2-0,8.
Включение нелегированного слоя с собственной проводимостью толщиной 1-3 нм между высоколегированными слоем р-типа проводимости и высоколегированными слоем n-типа проводимости туннельного диода, позволяет повысить плотность туннельного пикового тока за счет увеличения концентрации электронов в высоколегированном слое n-типа проводимости, снижения эффективной массы электронов в нелегированном слое и повышения вероятности туннелирования носителей через потенциальный барьер.
Выполнение нелегированного слоя с толщиной 1-3 нм обусловлено тем, что при толщине слоя менее 1 нм, эффект увеличения плотности туннельного пикового тока незначителен, а при толщине нелегированного слоя более 3 нм наблюдается спад плотности туннельного пикового тока обусловленного ростом длины пути туннелирования носителей заряда и снижением вероятности туннелирования.
Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 схематически изображена, для примера, полупроводниковая структура двухпереходного фотопреобразователя по настоящему изобретению (i-GaAs - нелегированный слой с собственной проводимостью);
на фиг. 2 приведена зависимость плотности туннельного пикового тока J от толщины нелегированного слоя туннельного диода полупроводниковой структуры двухпереходного фотопреобразователя по настоящему изобретению (кривая 1) и плотность туннельного пикового тока J туннельного диода полупроводниковой структуры-прототипа ( 2).
Полупроводниковая структура (см. фиг. 1) содержит верхнюю субструктуру 1 с р-n переходом, выполненную, например, из GaAs, и нижнюю субструктуру 2 с р-n переходом, выполненную, например, из GaAs, сопряженные между собой туннельным диодом 3. Туннельный диод 3 содержит: сильнолегированный слой 4 р-типа проводимости из AIGaAs, например, толщиной 10-20 нм, нелегированный слой 5 из GaAs с собственной проводимостью толщиной 1-3 нм, сильнолегированный слой 6 n-типа проводимости, выполненный из GaAs, например, толщиной 10-20 нм и слой 7 n-типа проводимости из AlGaAs, например, толщиной 40-50 нм.
18
-3
Настоящая полупроводниковая структура многопереходного фотопреобразователя работает следующим образом. Наличие высоколегированных слоя 4 р-типа проводимости и слоя 6 n-типа проводимости с концентрацией >7×10 см в соединительном туннельном диоде 3 многопереходного фотопреобразвателя обеспечивает перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, что ведет к снижению толщины потенциального барьера и росту вероятности туннелирования через него генерированных носителей заряда в верхней субструктуре 1 и нижней субструктуре 2 под действием мощного оптического излучения. Наличие нелегированного слоя 5 с собственной проводимостью позволяет повысить концентрацию электронов в сильнолегированном слое 6 n-типа проводимости, снизить величину эффективной массы электронов по сравнению с эффективной массой электронов в высоколегированных слоях 4, 6 туннельного диода 3. При этом величина пиковой плотности туннельного тока туннельного диода 3 должна превышать плотность фототока многопереходного преобразователя при возбуждении мощным оптическим излучением.
0,2
0,8
0
2
0,8
20
-3
15
-3
19
-3
18
-3
Пример 1. Была изготовлена полупроводниковая структура двухпереходного фотопреобразователя, которая содержала верхнюю субструктуру с р-n переходом, выполненную из GaAs, и нижнюю субструктуру с р-n переходом, выполненную из GaAs, сопряженные между собой туннельным диодом. Туннельный диод содержал: сильнолегированный слой р-типа проводимости из AlGaAs толщиной 10 нм и концентрацией примеси 1×10 см, нелегированный слой с собственной проводимостью из GaAs с концентрацией примеси 1×10 см толщиной 3 нм, сильнолегированный слой n-типа проводимости, выполненный из GaAs толщиной 12 нм с концентрацией примеси 1,7×10 см и слой n-типа проводимости из Al,GaAs толщиной 40 нм с концентрацией примеси 8×10 см.
0,8
0,2
0,8
0,2
20
-3
15
-3
19
-3
18
-3
Пример 2. Была изготовлена полупроводниковая структура двухпереходного фотопреобразователя, которая содержала верхнюю субструктуру с р-n переходом, выполненную, из GaAs, и нижнюю субструктуру с р-n переходом, выполненную из GaAs, сопряженные между собой туннельным диодом. Туннельный диод содержал: сильнолегированный слой р-типа проводимости из AlGaAs толщиной 20 нм и концентрацией примеси 1×10 см, нелегированный слой с собственной проводимостью из GaAs с концентрацией примеси 1×10 см толщиной 1 нм, сильнолегированный слой n-типа проводимости, выполненный из GaAs толщиной 20 нм с концентрацией примеси 1,7×10 см и слой n-типа проводимости из AlGaAs толщиной 50 нм с концентрацией примеси 8×10 см.
0
6
0,4
0,3
0,7
20
-3
19
-3
18
-3
15
-3
Пример 3. Были изготовлены также 6 полупроводниковых структур двухпереходного фотопреобразователя, которые содержали верхнюю субструктуру с р-n переходом, выполненную, из GaAs, и нижнюю субструктуру с р-n переходом, выполненную из GaAs, сопряженные между собой туннельным диодом. Туннельные диоды содержали: сильнолегированный слой р-типа проводимости из Al,GaAs толщиной 20 нм и концентрацией примеси 1×10 см, сильнолегированный слой n-типа проводимости, выполненный из GaAs толщиной 12 нм с концентрацией примеси 1,7×10 см и слой n-типа проводимости из AlGaAs толщиной 50 нм с концентрацией примеси 8×10 см. В одной полупроводниковой структуре нелегированный слой отсутствовал, а в остальных 5 полупроводниковых структурах нелегированный слой с собственной проводимостью из GaAs с концентрацией примеси 1×10 см имел толщину соответственно 1 нм, 2 нм, 3 нм, 4 нм и 5 нм. У изготовленных полупроводниковых структур двухпереходных фотопреобразователей и у полупроводниковой структуры-прототипа была определена величина плотности туннельного пикового тока (см. фиг. 2). Изготовленные по настоящему изобретению полупроводниковые структуры двухпереходного фотопреобразователя имеют в 1,5 раза большую плотность туннельного пикового тока соединительного туннельного диода по сравнению со структурой-прототипом.