ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ МНОГОПЕРЕХОДНАЯ СТРУКТУРА

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым многопереходным структурам, используемым, в частности, в фотоэлектрических преобразователях.
Известна полупроводниковая многопереходная структура, описанная в RU 2265915, включающая последовательно расположенные на полупроводниковой подложке полупроводниковые слои n-типа проводимости и p-типа проводимости, образующие совокупность двухслойных компонентов с n-p переходами между слоями. При работе рассматриваемой структуры в составе фотогенератора указанные выше компоненты являются фотопреобразователями, в которых осуществляется преобразование световой энергии в электрическую, и через n-p переходы между слоями компонентов (фоточувствительные переходы) протекает фототок. При этом образующиеся в рассматриваемой структуре p-n переходы между смежными слоями, расположенными в зонах сопряжения компонентов друг с другом (соединительные переходы), являются барьерами, препятствующими протеканию фототока.
Для устранения барьеров перед присоединением токоотводов на структуру, сформированную указанным выше образом, подают импульсное напряжение и пробивают барьеры (соединительные переходы) с обеспечением последовательной коммутации двухслойных компонентов.
Однако в рассматриваемой структуре велика вероятность возникновения неконтролируемого повреждения фоточувствительных переходов, обусловленного импульсным пробоем ее соединительных переходов.
Известна полупроводниковая многопереходная структура солнечного элемента, описанная в US 20100006136, включающая последовательно расположенные на подложке полупроводниковые слои n-типа проводимости и р-типа проводимости, образующие совокупность двухслойных компонентов с n-p фоточувствительными переходами между слоями - совокупность фотопреобразователей, сопряженных друг с другом посредством туннельных переходов.
Недостатком рассматриваемой структуры является сложность ее изготовления, обусловленная необходимостью формирования в зонах сопряжения двухслойных компонентов двух сильно легированных дополнительных слоев, образующих туннельные переходы. Кроме того, рассматриваемая структура не обеспечивает высокой стабильности рабочих характеристик вследствие деградации туннельных переходов.
Известна полупроводниковая многопереходная структура [RU 2376679], предназначенная для использования в солнечном элементе, которая выбрана авторами в качестве ближайшего аналога.
Рассматриваемая структура включает последовательно расположенные на полупроводниковой подложке выполненные из полупроводникового материала слои n-типа проводимости и р-типа проводимости, образующие не менее двух сопряженных друг с другом двухслойных компонентов с n-p или p-n переходами между слоями.
Двухслойные компоненты сопряжены друг с другом посредством омических контактов в виде напыленного слоя металла, в частности, серебра.
Недостатком рассматриваемой структуры является то, что в слоях напыленного металла поглощается большая часть светового излучения, что приводит к уменьшению эффективности фотоэлектрического преобразования. Кроме того, сплошной слой металла обуславливает высокую вероятность возникновения дефектов в слоях выращиваемой на нем полупроводниковой структуры.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности фотоэлектрического преобразования.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в многопереходной полупроводниковой структуре, включающей последовательно расположенные на полупроводниковой подложке выполненные из полупроводникового материала слои n-типа проводимости и р-типа проводимости, образующие не менее двух сопряженных друг с другом двухслойных компонентов с n-p или p-n переходами между слоями, согласно полезной модели каждые два соседних компонента сопряжены друг с другом посредством введенных в зону сопряжения компонентов микрочастиц из проводящего или полупроводникового материала, размеры которых превышают толщину области пространственного заряда в рассматриваемой зоне сопряжения.
В частном случае выполнения полезной модели ширина запрещенной зоны материала микрочастиц больше ширины запрещенной зоны материала ниже лежащих компонентов в направлении от источника света.
Наличие в заявляемой полупроводниковой структуре выполненных из полупроводникового материала слоев n-типа проводимости и р-типа проводимости, образующих не менее двух сопряженных друг с другом двухслойных компонентов с n-p или p-n переходами (фоточувствительными переходами) между слоями, позволяет использовать данную полупроводниковую структуру в приборах, в которых осуществляется преобразование световой энергии в электрическую, при этом двухслойные компоненты структуры выполняют функцию фотопреобразователей.
Принципиально важным в заявляемой полупроводниковой структуре является то, что в зонах сопряжения каждых двух соседних двухслойных компонентов друг с другом (в зонах соединительных переходов) присутствуют микрочастицы из проводящего или полупроводникового материала, размеры которых превышают толщину области пространственного заряда (ОПЗ) в рассматриваемой зоне сопряжения.
Введенные в указанные зоны полупроводниковой структуры микрочастицы представляют собой проводящие микровключения. При этом за счет того, что их размеры превышают толщину ОПЗ, микрочастицы образуют в рассматриваемых зонах структуры локальные каналы проводимости, благодаря которым достигается прозрачность барьеров соединительных переходов для носителей электрического заряда и обеспечивается последовательная коммутации двухслойных компонентов.
За счет того, что в зонах сопряжения двухслойных компонентов световое излучение имеет возможность прохождения между микрочастицами, в заявляемой полупроводниковой структуре значительно снижаются потери излучения, и, как следствие, повышается эффективность фотопреобразования.
Кроме того, введенные в зону сопряжения компонентов микрочастицы обуславливают меньшую вероятность возникновения дефектов в прочих слоях полупроводниковой структуры, чем в случае формировании в указанной зоне сплошного слоя металла, что также увеличивает эффективность фотопреобразования.
Толщину ОПЗ в зонах сопряжения компонентов определяют по известным формулам [см., например, кн. С.Зи, Физика полупроводниковых приборов: М., 1984 г.]:
III
V
II
VI
В качестве микрочастиц могут быть использованы металлические частицы или микрочастицы, изготовленные из полупроводниковых материалов, например, таких как: Si, GaAs, GaP, InP, твердые растворы на основе соединений АВ, АВ.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой полезной модели, является повышение эффективности фотоэлектрического преобразования.
В случае, когда ширина запрещенной зоны материала микрочастиц больше ширины запрещенной зоны материала ниже лежащих компонентов в направлении от источника света, обеспечивается уменьшение поглощения микрочастицами светового излучения, падающего на полупроводниковую многопереходную структуру.
На фигуре представлен общий вид заявляемой полупроводниковой многопереходной структуры.
17
-3
17
-3
Полупроводниковая многопереходная структура в примере, представленном на фигуре, содержит последовательно расположенные на полупроводниковой подложке 1, выполненной, в частности, из GaSb, слой 2 n-типа проводимости, выполненный, в частности, из GaInAsSb, слой 3 р-типа проводимости, выполненный, в частности, GaInAsSb, слой 4 n-типа проводимости, выполненный, в частности, из GaSb, слой 5 р-типа проводимости, выполненный, в частности, из GaSb. Слои 2 и 3 и слои 4 и 5 образуют два смежных двухслойных компонента 6 с n-p фоточувствительными переходами 7 между слоями, соответственно, 2 и 3 и 5 и 6. В зоне 8 сопряжения компонентов 6, а именно в ОПЗ соединительного p-n перехода между слоем 3 p-типа проводимости, в котором концентрация акцепторной примеси составляет, в частности, 4·10см, и слоем 4 n-типа проводимости, в котором концентрация донорной примеси составляет, в частности, 1,5-10см, введены микрочастицы 9, выполненные, в частности, из кристаллического Si. Средний линейный размер микрочастиц 9 составляет около 1,0 мкм, что превышает толщину ОПЗ, величина которой менее 1,0 мкм.
Ширина запрещенной зоны компонентов 6 увеличивается в направлении к источнику светового излучения (на фигуре обозначен стрелками), падающего на полупроводниковую структуру.
Формирование слоев 2, 3, 4, 5 полупроводниковой структуры, а также формирование частиц 9 в зоне 8 сопряжения компонентов 6 друг с другом осуществляют методом газовой эпитаксии. При этом микрочастицы 9 оказываются частично внедренными в материалы двух смежных эпитаксиальных слоев 3 и 4. Требуемый размер микрочастиц 9 достигается путем выбора концентрации служащих для их образования реагентов.
Полупроводниковая многопереходная структура работает следующим образом.
На внешнюю поверхность полупроводниковой структуры падает световое излучение. Часть фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны верхнего компонента 6, поглощается последним и вызывает генерацию электронно-дырочных пар. Разделение электронов и дырок достигается за счет электрического поля n-p фоточувствительного перехода 7 между слоями 4 и 5. Фотоны с меньшей энергией поглощаются нижним компонентом 6 и также вызывают генерацию электронно-дырочных пар. Аналогичным образом разделение электронов и дырок достигается за счет электрического поля n-p фоточувствительного перехода 7 между слоями 2 и 3. Между внешней поверхностью верхнего компонента 6 и поверхностью нижнего компонента 6, смежной с поверхностью подложки 1, возникает разность потенциалов. При замыкании расположенных на указанных поверхностях металлических контактов (на фигуре не показаны) в структуре протекает электрический ток, при этом микрочастицы 9 обеспечивают последовательную коммутацию компонентов 6.
Как показали испытания заявленной полупроводниковой структуры, введение микрочастиц 9 приводит к увеличению прямого тока на прямой ветви ВАХ в p-n соединительном переходе на 3 порядка по сравнению с током в аналогичной полупроводниковой структуре без указанных микровключений.