ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ GaAs

Полезная модель относится к области фотоэнергетики, в частности к фотоэлектрическим преобразователям мощного узкополосного излучения в электроэнергию.
Применение GaAs в качестве фотопреобразователей (ФП) мощного лазерного излучения в настоящее время является перспективным направлением фотоэнергетики, поскольку практически достижимое КПД такого преобразования может достигать 60-65%.
rd
17
-3
19
-3
2
x
1-x
n
n
p
p
Известен фотопреобразователь на основе GaAs (см. Proceeding of 3 World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Osaka, Japan, Volume 1, 2003, pp. 761-764), включающий подложку из n-GaAs, на которую последовательно нанесены тыльный потенциальный барьер из n-AlGaAs (х=0,2), легированный Те толщиной 3 мкм, базовый слой из n-GaAs с уровнем легирования N=3⋅10 см (N - концентрация носителей тока в n-слое), легированный Те толщиной 3 мкм, эмиттерный и одновременно контактный слой из p-GaAs толщиной 1-1,5 мкм, легированный магнием и дополнительно цинком с целью повышения уровня легирования до N=(0,2-2)⋅10 см (N - концентрация носителей тока в р-слое), слой широкозонного окна из p-AlGaAs (х=0,85), легированного магнием толщиной 0,05 мкм, тыльный контакт к подложке из n-GaAs и лицевой контакт соответствующей топологии к слою из р-GaAs. Полученный фотопреобразователь оптимизирован для плотности лазерного изучения 50-100 Вт/см.
Недостатком известного фотопреобразователя является сложность его изготовления, так как необходимо выращивать как контактный слой, так и слой широкозонного окна, а также проводить дополнительную диффузию цинка в отдельном технологическом процессе для повышения уровня легирования слоя и снижения контактного сопротивления, а также удалять широкозонное окно в местах лицевого контакта посредством техники фотолитографии.
n
n
n
n
p
p
p
x
2
18
-3
18
-3
18
-3
17
-3
18
-3
18
-3
+
19
-3
2
Известен фотопреобразователь лазерного излучения на основе GaAs (см. Tiqiang Shan, Xinglin Qi, Design and optimization of GaAs photovoltaic converter for laser power beaming, Infrared Physics and Technology, 2015, v. 71, p. 144-150), включающий подложку n-GaAs толщиной 350 мкм (N=5⋅10 см), буферный слой из n-GaAs толщиной 1 мкм (N=5⋅10 см), слой тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs толщиной 0,05 мкм (N=5⋅10 см), базовый слой из n-GaAs толщиной 3,5 мкм (N=1⋅10 см), эмиттерный слой из р-GaAs толщиной 0,5 мкм (N=2⋅10 см), слой широкозонного окна из р-GaInP толщиной 0,05 мкм (N=5⋅10 см), контактный слой из р-GaAs толщиной 0,5 мкм (N=5⋅10 см), который в последствии вытравливается в местах фоточувствительной области ФП, тыльный и лицевой омические контакты, двухслойное антиотражающее покрытие из TaO/SiO для спектрального диапазона 810-840 нм. Эффективность таких элементов составила 53,2% при мощности падающего излучения 5 Вт/см для длины волны 808 нм.
Недостатком известного фотопреобразователя является наличие как контактного слоя, предназначенного для снижения омических потерь, так и слоя широкозонного окна, снижающего оптические потери. Дополнительным недостатком известного фотопреобразователя является большое количество технологических операций, которые необходимо выполнять при его изготовлении: вытравливание контактного слоя посредством техники фотолитографии (нанесение фоторезиста, его засветка для создания заданного рисунка, процесс травления через маску фоторезиста контактного слоя), а также последующего точного совмещения данного рисунка в процессе фотолитографии под лицевые контакты.
+
18
-3
+
+
19
-3
++
20
-3
2
++
n
0,5
p
0
5
p
х
2
Известен фотопреобразователь лазерного излучения на основе GaAs (см. E. Oliva, F. Dimroth and A.W. Bett. Converters for High Power Densities of Laser Illumination. - Prog. Photovolt: Res. Appl., 2008, 16:289-295), содержащий подложку из n-GaAs, слой тыльного потенциального барьера из n-GaInP (N=8⋅10 см), базовый слой из n-GaAs, эмиттерный слой из p-GaAs, слой широкозонного окна из p-GaInP и контактный слой из p-AlGaAs (N=1,5⋅10 см) или из p-Al,GaInAs (N=1⋅10 см), который в последствии вытравливается в местах фоточувствительной области ФП, тыльный контакт из Pd/Ge к n-GaAs, лицевой контакт из слоев Ti/Pd/Ag и антиотражающее покрытие из двух слоев: ТаО и MgF. Эффективность таких фотопреобразователей варьируется от 52% до 54,9% при интенсивности падающего излучения ~40 Вт/см для длины волны 810 нм. Максимальная эффективность была измерена на фотоэлементе, выращенном на n-GaAs подложке, с широкозонным окном р-GaInP и контактным слоем p-AlGaInAs.
К недостатку известного фотопреобразователя относится усложненная технология его изготовления, а также необходимость использования токсичных газов (в частности арсина, фосфина и металлорганических соединений), особо чистых химических веществ, а также применять сложное и дорогостоящее оборудование.
x
1-x
2
Известен фотопреобразователь на основе GaAs (см. патент RU 2547004, МПК H01L 31/18, опубликован 10.04.2015), воспринимающий монохроматическое (в частности лазерное) излучение, совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фотопреобразователь-прототип включает подложку из n-GaAs, легированную оловом, буферный слой из n-GaAs толщиной не менее 10 мкм, легированный оловом или теллуром, базовый слой из n-GaAs толщиной 3-5 мкм, легированный оловом или теллуром, эмиттерный слой из p-GaAs толщиной 1,5-2,0 мкм, легированный магнием, слой из p-AlGaAs толщиной 3-30 мкм, легированный магнием или германием, при х=0,3-0,4 в начале роста слоя и при х=0,10-0,15 в приповерхностной области слоя, тыльный омический контакт из Au(Ge)/Au, лицевой омический контакт из Cr/Au и двухслойное антиотражающее покрытие (ZnS/MgF).
Недостатком фотопреобразователя-прототипа является совпадение в структуре фотопреобразователя металлургической границы между р- и n-эпитаксиальными слоями с границей p-n-перехода, что увеличивает вероятность рекомбинационных потерь носителей тока на дефектах роста в области p-n перехода, а также отсутствие тянущего встроенного электрического поля, что снижает коэффициент собирания носителей тока и соответственно КПД фотопреобразователя. Недостатком фотопреобразователя-прототипа является также недостаточно высокая эффективность преобразования лазерного излучения.
Задачей настоящей полезной модели являлось создание мощного фотопреобразователя на основе GaAs, в котором бы обеспечивалось увеличение собирания носителей тока в длинноволновой области спектра и в результате повышение КПД преобразования узкополосного, в частности, лазерного излучения.
x
1-x
n
x
1-x
2
5
17
-3
Поставленная задача решается тем, что фотопреобразователь на основе GaAs содержит подложку из GaAs n-типа проводимости, слой тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs, где 0,08≤х≤0,15, легированный оловом, базовый слой из n-GaAs, легированный оловом или теллуром N=2-6⋅10 см, эмиттерный слой из p-GaAs, диффузионно легированный цинком, слой из p-AlGaAs, легированный цинком, при 0,2≤х≤0,3 в начале роста слоя и при 0,10≤х≤0,15 в приповерхностной области слоя, тыльный и лицевой омические контакты и антиотражающее покрытие из слоя оксида тантала ТаO.
x
1-x
x
1-x
Новым в настоящем фотопреобразователе является введение в структуру слоя тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs, где 0,08≤х≤0,15, способствующего собиранию носителей тока в длинноволновой области спектра, а также легирование цинком слоя из p-AlGaAs и диффузионное легирование цинком эмиттерного слоя из p-GaAs.
p
p
p
19
-3
18
-3
Диффузионное легирование формирует градиент концентрации Nпримеси, например, в слое из p-AIGaAs от N=(1-3)-10 см на поверхности структуры до N~(1-5)⋅10 см на границе со слоем из p-GaAs, в результате образуется встроенное тянущее электрическое поле, которое способствует увеличению коэффициента собирания носителей тока и повышению КПД преобразования.
p
18
19
-3
Выбор цинка обусловлен высоким коэффициентом диффузии в арсениде галлия при температурах выше 600°С, что позволяет за время роста слоя p-AlGaAs сформировать диффузионный р-n переход в GaAs, а также получить высоколегированный поверхностный слой с уровнем легирования N=(5⋅10-3⋅10) см, что позволяет создавать к такому слою низкоомные контакты.
x
1-x
Слой из n-AlGaAs, где 0,08≤х≤0,15, обеспечивает потенциальный барьер для генерированных в слое n-GaAs неосновных носителей заряда (ННЗ), что способствует эффективному собиранию носителей из n-GaAs области обратно к р-n-переходу.
x
1-x
Изменение содержания алюминия в слое из p-AlGaAs от 0,2≤х≤0,3 до 0,10≤х≤0,15 в процессе роста из одной жидкой фазы обеспечивает как пассивацию поверхности фотоактивного слоя (0,2≤х≤0,3), так и возможность получения низкоомных контактов к поверхностному слою (0,10≤х≤0,15) структуры, а также прозрачность этого слоя для падающего лазерного излучения в диапазоне длин волн (0,8-0,86) мкм.
x
1-x
В настоящем фотопреобразователе слой тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs может иметь толщину 0,2-5,0 мкм.
n
17
Базовый слой из n-GaAs может иметь толщину 2-4 мкм и концентрацию носителей тока N=(2-6)⋅10 см.
Эмиттерный слой из p-GaAs может иметь толщину 1-2 мкм.
x
1-x
Слой из p-AlGaAs может иметь толщину 8-15 мкм.
Тыльный омический контакт может содержать слои: сплава золота с германием Au(Ge) и слоя золота Аu. Лицевой омический контакт может быть выполнен из последовательных слоев хрома Сr и золота Аu
2
5
На поверхность фотопреобразователя может быть нанесено антиотражающее покрытие с минимумом отражения в спектральном интервале (810-860) нм из слоя оксида тантала ТаO.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где схематично показан фотопреобразователь в поперечном сечении.
x
1-x
x
1-x
2
5
17
-3
Фотопреобразователь содержит полупроводниковую подложку 1 из GaAs n-типа проводимости; слой 2 тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs, где 0,08≤х≤0,15, толщиной 0,5-5 мкм, легированный оловом; базовый слой 3 из n-GaAs, легированный оловом или теллуром, с концентрацией носителей тока (2-6)⋅10 см, толщиной 2-4 мкм; эмиттерный слой 4 из p-GaAs, толщиной 1-2 мкм, сформированный диффузионным легированием цинком во время роста слоя 5; слой 5 из p-AlGaAs при 0,2≤х≤0,3 в начале роста и при 0,10≤х≤0,15 в приповерхностной области слоя, толщиной 8-15 мкм, легированный цинком; тыльный омический контакт 6, например, из Au(Ge)-Au; фронтальный омический контакт 7, например, из Cr-Au. На лицевую поверхность подложки нанесено антиотражающее покрытие 8, выполненное, например, из ТаO.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
n
x
1-x
p
17
-3
18
19
-3
Фотопреобразователь работает следующим образом. При попадании излучения в слой 5 из p-AlGaAs образуются электронно-дырочные пары, при этом фотоны, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны материала, создают носители тока. Выращивание слоя p-AlGaAs и формирование градиентного легирования цинком (встроенное электрическое поле) увеличивает собирание носителей в коротковолновой области. Далее в области p-n-перехода носители разделяются (на границе базового слоя 3 из n-GaAs и эмиттерного слоя 4 из p-GaAs) и направляются соответственно к контакту 6 и контакту 7, в результате чего возникает фото-ЭДС. Для увеличения собирания длинноволновых фотонов (улучшения спектральных характеристик ФП) структура фотопреобразователя содержит слой 2 тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs. Для более эффективного собирания носителей толщина базового слоя 3 из n-GaAs должна составлять 2-4 мкм, поскольку диффузионная длина неосновных носителей тока в n-GaAs с N=(2-6)⋅10 см составляет 4-8 мкм, а носители проходят расстояние от слоя тыльного потенциального барьера и обратно в сторону р-n перехода. Для снижения контактного сопротивления слой 5 p-AlGaAs легирован цинком с достаточно высокой концентрацией носителей тока на поверхности N=(5-10-3⋅10) см. Для снижения оптических потерь (отражение света от поверхности ФП) в фотопреобразователе использовано антиотражающее покрытие 8, которое позволяет повысить фототок фотопреобразователя на величину порядка 30%.
x
1-x
x
1-x
2
5
17
-3
Пример 1. По настоящей полезной модели методом жидкофазной эпитаксии был изготовлен фотопреобразователь лазерного излучения. Он содержит последовательно выращенные на монокристаллической подложке арсенида галлия n-типа проводимости слои: слой тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs с х=0,08, толщиной 5 мкм, легированный оловом, базовый слой из n-GaAs, легированный оловом, с концентрацией носителей тока 2⋅10 см, толщиной 4 мкм, эмиттерный слой из p-GaAs, толщиной 2 мкм, сформированный диффузионным легированием цинком, слой из p-AlGaAs при х=0,3 в начале роста слоя и при х=0,15 в приповерхностной области слоя, толщиной 15 мкм, легированный цинком. Затем были сформированы: тыльный контакт из сплава золота с германием Au(Ge) и слоя золота Аu, лицевой контакт из слоев Сr и Аu и антиотражающее покрытие (ТаO).
x
1-x
x
1-x
2
5
17
-3
Пример 2. По настоящей полезной модели методом эпитаксиального выращивания был изготовлен фотопреобразователь монохроматического излучения, содержащий последовательно выращенные слои на подложке арсенида галлия n-типа проводимости: слой тыльного потенциального барьера n-AlGaAs с х=0,15, легированный оловом, толщиной 0,5 мкм, базовый слой n-GaAs, с концентрацией носителей тока 6⋅10 см, толщиной 2 мкм, легированный оловом, эмиттерный слой p-GaAs, толщиной 1 мкм, сформированный диффузионным легированием цинком, слой p-AlGaAs при х=0,2 в начале роста слоя и с х=0,1 в приповерхностной области слоя, толщиной 8 мкм, легированный цинком, тыльный контакт из сплава Au(Ge) и слоя золота Аu, лицевой контакт из слоев Сr и Аu и антиотражающее покрытие (ТаO).
2
2
Были сняты нагрузочные характеристики фотопреобразователей, полученных в примере 1 и в примере 2. Для падающего лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,8-0,86 мкм были достигнуты значения КПД вплоть до 57-58% на образцах размером от 2,5×2,5 мм до 20×20 мм, что находится на уровне лучших мировых значений.