WO2015047125A1 - Photoconverter with quantum dots - Google Patents
Photoconverter with quantum dots Download PDFInfo
- Publication number
- WO2015047125A1 WO2015047125A1 PCT/RU2013/000841 RU2013000841W WO2015047125A1 WO 2015047125 A1 WO2015047125 A1 WO 2015047125A1 RU 2013000841 W RU2013000841 W RU 2013000841W WO 2015047125 A1 WO2015047125 A1 WO 2015047125A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- layer
- gaas
- galnp
- quantum dots
- galnas
- Prior art date
Links
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 title claims abstract description 58
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 73
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 25
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 26
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 13
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims description 12
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims description 9
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 claims description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 claims description 2
- 125000004437 phosphorous atom Chemical group 0.000 claims description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 abstract description 15
- 230000008021 deposition Effects 0.000 abstract description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 9
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N carbonyl sulfide Chemical compound O=C=S JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035209—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
- H01L31/035218—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures the quantum structure being quantum dots
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/0725—Multiple junction or tandem solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/075—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PIN type, e.g. amorphous silicon PIN solar cells
- H01L31/077—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PIN type, e.g. amorphous silicon PIN solar cells the devices comprising monocrystalline or polycrystalline materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
Definitions
- the invention relates to semiconductor photoconverters (solar cells) that convert solar radiation to electricity, and can be used in the semiconductor industry to create systems for generating electrical energy.
- the conversion of light energy into electricity using semiconductor photoconverters with an rn junction is based on the creation of electron-hole pairs upon absorption of photons with an energy exceeding the band gap of the material of the photoconverter, and separation of different-pole carriers by a pulling field of the rn junction.
- a significant increase in the efficiency of such photoconverters is possible only when using structures of multi-junction (cascade) photoconverters, of which the most promising, both in terms of the possibility of achieving the highest values of efficiency and from an economic point of view, are monolithic heterostructure photoconverters based on A 3 B 5 solid solutions obtained by epitaxial growth on a semiconductor substrate in a single growth process.
- Such photoconverters consist of several subcells, including a photoactive pn junction, made of various materials and arranged in decreasing order of the band gap from the photosensitive surface to the substrate.
- a photoactive pn junction made of various materials and arranged in decreasing order of the band gap from the photosensitive surface to the substrate.
- Each photoactive rn junction of the cascade structure converts only a part of the solar spectrum, which allows realizing transformation conditions close to optimal and significantly increasing the efficiency.
- the subcells that convert short-wave radiation are characterized by a high open-circuit voltage, since they are made of materials with a larger band gap, and the possibility of using narrow-gap materials can significantly expand the photosensitivity region of cascade photoconverters.
- cascade photoconverters that convert concentrated radiation is one of the most promising ways to achieve solar energy parity with traditional sources. Their efficiency exceeds the efficiency of silicon photoconverters by 2-3 times, and the cost can be significantly reduced by using cheap lenses that concentrate solar radiation on small chips. At this, the need for expensive heterostructures of cascade photoconverters, and, consequently, the cost of energy decreases in proportion to the concentration factor, which in modern solar photovoltaic plants reaches 500 - 1000 suns.
- the inconsistency of the currents is due to the low current of the middle subcell based on GalnAs, which limits the current of the entire structure, therefore, expanding the spectral range of its photosensitivity, which entails an increase in the current generated by it, is the most important task for realizing the efficiency potential of cascade photoconverters.
- a known photoconverter with quantum dots (see US patent 6,507,042 B1, issued January 14, 2003), including a semiconductor substrate made of at least 3 elements, and quantum dots that are formed on a semiconductor substrate in such a way that the radiation wavelength can be determined using the lattice parameter of the semiconductor substrate.
- the disadvantage of the known photoconverter with quantum dots is the high cost, because the creation of substrates from three or more component solid solutions requires a significant increase in the cost of technology. In addition, low absorption at standard quantum dots can lead to a small increase in photocurrent.
- a known photoconverter with quantum dots (see patent CN 202111103U, issued January 11, 2012), comprising at least one layer of quantum dots made by means of elastic stress relaxation, comprising a substrate, a buffer layer, an ⁇ -type region, i is an inner region , and a p-type region, with quantum dots made of GaNAs.
- Arrays of quantum dots play an important role in the structure of the prototype photoconverter, which expand the photosensitivity of the sub-element to the long-wavelength region.
- the disadvantage of the known photoconverter prototype is the low absorption in arrays of standard quantum dots, which makes it impossible to ensure current matching for a cascade photoconverter based on GalnP / GalnAs / Ge.
- the objective of the proposed solution is to create quantum dots with increased absorption, formed by the deposition of an InGaAs layer with an indium concentration of 20-50% on the surface of GaAs or InGaAs.
- This will increase the efficiency of the technical solution by increasing the current generated by the photoactive transition based on Ga (ln) As.
- An increase in the photogenerated current, as well as the efficiency of the two-stage GalnP / GaAs based photoconverter, is achieved by spreading the spectral sensitivity of the Ga (ln) As transition to the long-wavelength region due to the introduction of quantum dot arrays into it.
- Ga (ln) As junction opens up the possibility of matching currents in the most promising three-stage structure based on GalnP / GalnAs / Ge, which will significantly increase the efficiency of such a photoconverter.
- the photoconverter with quantum dots contains a substrate of Ge or GaAs and at least one photoactive transition made of GaAs or a solid solution of GalnAs with an indium content of 0 - 2%, and includes at least one a layer of self-organized quantum dots formed by deposition of a ln x Ga 1-x As layer with an indium x content of 20 to 50%.
- a photoactive transition made of GaAs or a GalnAs solid solution with an indium content of 0 - 2% can include more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made, for example, of GaAs or a GalnAs solid solution with an indium content of 0 - 2%.
- n-GaAs substrate can be used as a substrate in the photoconverter, onto which a buffer layer can be sequentially deposited, for example, from n-GaAs with a thickness of, for example, 200-300 nm with a doping level of (1-2) 10 18 cm "3 and a photoactive transition, including a successively deposited layer of the back potential barrier, for example, of n-AIGaAs with an aluminum content of 30%, a thickness of, for example, 100 nm and a doping level of (1-2) 10 18 cm '3 , a base layer, for example, of n-GaAs with a thickness of, for example, 3-3.5 ⁇ m and a doping level of (5-9) 10 16 cm "3 , undoped layer, for example measures, from GaAs, which can include more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made, for example, of GaAs, an emitter layer, for example, of p-GaAs with a thickness of,
- a p-GaAs substrate can be used as a substrate on which a buffer layer can be sequentially deposited, for example, from p-GaAs with a thickness of, for example, 200-300 nm with a doping level of (1-2) 10 18 cm “3 , and a photoactive transition, including a successively deposited layer of the back potential barrier, for example, of p-AIGaAs with an aluminum content of 30%, a thickness of, for example, 100 nm and a doping level of (1-2) 10 18 cm “3 , the base layer, for example, of p-GaAs with a thickness of, for example, 3-3.5 ⁇ m and a doping level of (1-2) 10 17 cm "3 , unalloyed layer, for example p, from GaAs, which can include more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made, for example, of GaAs, an emitter layer, for example, of n-GaAs with a
- a p-GaAs substrate can be used as a substrate, onto which a buffer layer, for example, from p-GaAs, a lower photoactive transition, including a successively deposited layer of the back potential barrier, for example, from p-AIGaAs or GalnP, can be sequentially deposited, base layer, e.g.
- a layer for example, of GaAs, which may include more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made, for example, of GaAs, an emitter layer, for example of l-GaAs, and a layer of a wide-gap window, for example, of n-AIGaAs or a two-layer a wide-gap window including a layer, for example, of GalnP and a layer, for example, of AllnP, a tunnel diode, which may contain successively deposited layers / i ++ -GaAs or n ++ -GalnP and a p ++ -AIGaAs layer, the upper photoactive transition comprising a sequentially deposited layer of the back potential barrier, for example, from p-AIGalnP, b zovy layer, for example, p-GalnP, an emitter layer, e.g., of p-GalnP, an emitter layer, e.g.
- a p-Ge substrate can be used as a substrate, onto which a nucleation layer can be sequentially deposited, for example, from GalnP, which creates a lower photoactive transition in the germanium substrate due to diffusion of phosphorus atoms, a buffer layer, for example, from GalnAs, with the indium content of 0-2%, the lower tunnel diode, which may include sequentially osazhennye wide-barrier layers, n ++ -layer p ++ -layer, average photoactive transition layer comprising a rear potential barrier nap an example, from p-AIGaAs or GalnP, a base layer, for example, from p-GalnAs with an indium content of 0-2%, an undoped layer, for example, from GalnAs with an indium content of 0-2%, which may include more than 10 layers of quantum dots, separated by spacers made, for example, of GalnAs with an indium content of 0-2%, an
- An important feature of the present invention is the ability to provide increased absorption in quantum dot arrays, which allows a significant increase in the photocurrent of the subcell from Ga (ln) As.
- FIG. 1 schematically shows a real photoconverter with quantum dots
- FIG. Figure 2 shows typical spectral characteristics of the external quantum efficiency Ga (ln) As of the GalnP / GalnAs / Ge subcell of a cascade photoconverter without quantum-well heterostructures (curve 1), with quantum wells (curve 2), and with quantum dots (curve 3).
- FIG. Figure 3 shows the photocurrent generated by 10 rows of quantum dots obtained upon relaxation of an InGaAs quantum well with various indium concentrations from 20 to 100%).
- the present quantum dot photoconverter is shown in FIG. 1. It consists of a substrate 1, for example, Ge or GaAs and at least one photoactive pn junction 2, for example, of GaAs or GalnAs with an indium concentration of 0-2%, containing a base layer 3, for example, of GaAs or GalnAs with an indium concentration of 0-2%, unalloyed layer 4, for example, of GaAs or GalnAs with an indium concentration of 0-2%, containing at least one layer of self-organized quantum dots 5 made by deposition of the ln x Gai layer.
- the emitter layer 6 for example, from GaAs or GalnAs with an indium concentration of 0-2%.
- the main disadvantage of the combination of materials Gao.51 lno.49 Ga 0 gglno.oiAs - Ge is the large band gap of the middle Gao.99lno.01As subelement.
- One of the ways to achieve the current balance and, accordingly, increase the efficiency of the traditional structure of cascade photoconverters is to use metamorphic (i.e., strongly mismatched in lattice parameter) structures of the wide-gap GalnP / GalnAs tandem with the indium content in solid solutions 10-20% higher than the matched by the lattice parameter of the structure.
- metamorphic photoconverters the wide-band tandem approaches the optimal distribution of spectral density transformed by each sub-element (current matching mode), but it requires the III-V structure to be grown on Ge through buffer layers with variable composition and significant a change in the lattice parameter, which entails the presence of a large number of defects and misfit dislocations and levels the increase in efficiency.
- Another way to increase the current of the middle subcell of the GalnP / GalnAs / Ge photoconverter is to use quantum-well heterostructures with quantum wells or quantum dots.
- quantum-well heterostructures with quantum wells or quantum dots.
- both of these approaches have limitations that do not allow matching the currents of the GalnP / GalnAs / Ge subcells of the photoconverter.
- this limitation is elastic stresses. This is due to the fact that the creation of a material with a band gap of less than GaAs is possible only with a change in the lattice parameter. The most typical is the use of InGaAs quantum wells, which have a lower absorption energy in comparison with Ga (ln) As. In view of the fact that quantum wells are stressed structures, i.e. the elastic stresses of the crystal lattice remain after their growth; there is a limitation on the shift of the absorption edge of the Ga (ln) As-based subcell (not more than 950–980 nm).
- the advantages of quantum wells in comparison with quantum dots are that they have a relatively large absorption coefficient, which can provide a level of external quantum efficiency of the photoconverter in the absorption range of more than 30%.
- the photocurrent is defined as the integral under the curve of the external quantum efficiency of the photoconverter (Fig. 2)
- the total photocurrent gain when using quantum wells (integral in the region> 900 nm) will be small, which will not allow matching the currents of the GalnP / GalnAs / Ge subcells of the photoconverter .
- Quantum dots solves the problem of elastic stresses.
- Quantum dots as a rule, are created by the method of self-organization during relaxation of a highly stressed InAs or InGaAs layer with an indium concentration of 50% or more (Stransky-Krastanov growth mode and its modifications).
- the relaxation of elastic stresses leads to the appearance of pyramidal islands, called quantum dots, located on a thin wetting layer that completely covers the surface.
- quantum dots allows one to obtain a relaxed defect-free medium that absorbs in the wavelength range up to 1100 nm and beyond.
- quantum dots the low absorption of photons in them. This is due to the fact that quantum dots cover only 10-20% of the surface.
- the density of states of quantum dots is a set of delta functions, which also reduces the absorption in them compared to quantum wells, and limits the level of external quantum efficiency of the photoconverter in the absorption region of a medium with quantum dots at a level of less than 10%
- the essence of the invention is an original method of forming quantum dots during the deposition of InGaAs with a relatively small composition of 20-50% on the GaAs surface.
- the present invention it is proposed to incorporate into the Ga (ln) As sub-element an absorbing medium based on quantum dots formed by the deposition of 20-50% InGaAs onto the GaAs surface and providing effective stress relaxation inside the InGaAs quantum well.
- GaAs based photoconverters with quantum dots were obtained by relaxing the InGaAs quantum well layer with an indium concentration of 20 to 100%. The maximum increase in photocurrent was observed at an indium concentration of 20 to 50% (Fig. 3).
- the well relaxation will occur at a very large thickness due to the small difference in the lattice parameters of the quantum well and GaAs, which will not allow one to obtain dislocationless quantum dots.
- the shift of the absorption edge will be small due to the small InGaAs band gap at an indium concentration of less than 20%.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
Abstract
The present photoconverter with quantum dots consists of a substrate (1), for example Ge or GaAs, and at least one photoactive p-n junction (2), for example, of GaAs or GaInAs with an indium concentration of 0-2%, said p-n junction comprising a base layer (3), for example, of GaAs or GaInAs with an indium concentration of 0-2%, an undoped layer (4), for example, of GaAs or GaInAs with an indium concentration of 0-2%, containing at least one layer of self-organized quantum dots (5), which are formed by deposition of a layer of lnxGa1-xAs with an indium content of from 20 to 50%, and an emitter layer (6), for example, of GaAs or GaInAs with an indium concentration of 0-2%.
Description
ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ PHOTO TRANSDUCER WITH QUANTUM DOTS
Изобретение относится к полупроводниковым фотопреобразователям (солнечным элементам), которые преобразуют солнечное излучение в электроэнергию, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности для создания систем генерации электрической энергии. The invention relates to semiconductor photoconverters (solar cells) that convert solar radiation to electricity, and can be used in the semiconductor industry to create systems for generating electrical energy.
Преобразование энергии света в электроэнергию с использованием полупроводниковых фотопреобразователей с р-п переходом основано на рождении электрон-дырочных пар при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны материала фотопреобразователя, и разделении разнополюсных носителей тянущим полем р-п перехода. Значительное увеличение КПД таких фотопреобразователей 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 А3В5, получаемые эпитаксиальным выращиванием на полупроводниковой подложке в одном ростовом процессе. Такие фотопреобразователи состоят из нескольких субэлементов, включающих фотоактивный р-п переход, выполненных из различных материалов и расположенных по убыванию ширины запрещенной зоны от светочувствительной поверхности к подложке. Для обеспечения эффективной низкоомной развязки субэлементов монолитных каскадных фотопреобразователей необходимо использование туннельных диодов. The conversion of light energy into electricity using semiconductor photoconverters with an rn junction is based on the creation of electron-hole pairs upon absorption of photons with an energy exceeding the band gap of the material of the photoconverter, and separation of different-pole carriers by a pulling field of the rn junction. A significant increase in the efficiency of such photoconverters is possible only when using structures of multi-junction (cascade) photoconverters, of which the most promising, both in terms of the possibility of achieving the highest values of efficiency and from an economic point of view, are monolithic heterostructure photoconverters based on A 3 B 5 solid solutions obtained by epitaxial growth on a semiconductor substrate in a single growth process. Such photoconverters consist of several subcells, including a photoactive pn junction, made of various materials and arranged in decreasing order of the band gap from the photosensitive surface to the substrate. To ensure effective low-impedance isolation of sub-elements of monolithic cascade photoconverters, the use of tunnel diodes is necessary.
Каждый фотоактивный р-п переход каскадной структуры преобразует только часть солнечного спектра, что позволяет реализовать близкие к оптимальным условия преобразования и значительно повысить КПД. При этом субэлементы, 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. Each photoactive rn junction of the cascade structure converts only a part of the solar spectrum, which allows realizing transformation conditions close to optimal and significantly increasing the efficiency. At the same time, the subcells that convert short-wave radiation are characterized by a high open-circuit voltage, since they are made of materials with a larger band gap, and the possibility of using narrow-gap materials can significantly expand the photosensitivity region of cascade photoconverters.
Разработка каскадных фотопреобразователей, преобразующих концентрированное излучение, является одним из наиболее перспективных путей к достижению паритета солнечной энергии с традиционными источниками. Их КПД превосходит КПД кремниевых фотопреобразователей в 2-3 раза, а себестоимость может быть заметно уменьшена при использовании дешевых линз, концентрирующих солнечное излучение на чипы малого размера. При
этом потребность в дорогостоящих гетероструктурах каскадных фотопреобразователей, а, следовательно, и себестоимость энергии уменьшаются пропорционально кратности концентрирования, которая в современных солнечных фотоэнергоустановках достигает 500 - 1000 солнц. The development of cascade photoconverters that convert concentrated radiation is one of the most promising ways to achieve solar energy parity with traditional sources. Their efficiency exceeds the efficiency of silicon photoconverters by 2-3 times, and the cost can be significantly reduced by using cheap lenses that concentrate solar radiation on small chips. At this, the need for expensive heterostructures of cascade photoconverters, and, consequently, the cost of energy decreases in proportion to the concentration factor, which in modern solar photovoltaic plants reaches 500 - 1000 suns.
Основной проблемой наиболее перспективных на сегодняшний день каскадных фотопреобразователей, пригодных к промышленному производству, на основе согласованных по параметру решетки материалов GalnP/GalnAs/Ge, является несогласованность токов, генерируемых субэлементами такой структуры. Это приводит к тому, что их КПД составляет порядка 39%, при теоретическом пределе более 50%. The main problem of the most promising cascade photoconverters suitable for industrial production today, based on the GalnP / GalnAs / Ge materials matched by the lattice parameter, is the inconsistency of the currents generated by the subcells of such a structure. This leads to the fact that their efficiency is about 39%, with a theoretical limit of more than 50%.
Несогласованность токов обусловлена малым током среднего субэлемента на основе GalnAs, который ограничивает ток всей структуры, поэтому расширение спектрального диапазона его фоточувствительности, которое влечет за собой увеличение генерируемого им тока, является важнейшей задачей для реализации потенциала КПД каскадных фотопреобразователей. The inconsistency of the currents is due to the low current of the middle subcell based on GalnAs, which limits the current of the entire structure, therefore, expanding the spectral range of its photosensitivity, which entails an increase in the current generated by it, is the most important task for realizing the efficiency potential of cascade photoconverters.
Известен фотопреобразователь с квантовыми точками (см. патент US 6,507,042 В1 , выданный 14.01.2003), включающий полупроводниковую подложку, изготовленную из, по крайней мере, 3 элементов, и квантовые точки, которые образованы на полупроводниковой подложке таким образом, что длина волны излучения может быть определена с помощью параметра решётки полупроводниковой подложки. A known photoconverter with quantum dots (see US patent 6,507,042 B1, issued January 14, 2003), including a semiconductor substrate made of at least 3 elements, and quantum dots that are formed on a semiconductor substrate in such a way that the radiation wavelength can be determined using the lattice parameter of the semiconductor substrate.
Недостатком известного фотопреобразователя с квантовыми точками является высокая себестоимость, т.к. создание подложек из трех и более компонентных твёрдых растворов требует значительного удорожания технологии. Кроме того низкое поглощение в стандартных квантовых точках может приводить к малому приросту фототока. The disadvantage of the known photoconverter with quantum dots is the high cost, because the creation of substrates from three or more component solid solutions requires a significant increase in the cost of technology. In addition, low absorption at standard quantum dots can lead to a small increase in photocurrent.
Известен фотопреобразователь с квантовыми точками (см. патент CN 202111103U, выданный 11.01.2012), включающий, по меньшей мере, один слой квантовых точек, выполненных посредством релаксации упругих напряжений, содержащий подложку, буферный слой, область η-типа, i - внутреннюю область, и область р-типа, при этом квантовые точки сделаны из GaNAs. A known photoconverter with quantum dots (see patent CN 202111103U, issued January 11, 2012), comprising at least one layer of quantum dots made by means of elastic stress relaxation, comprising a substrate, a buffer layer, an η-type region, i is an inner region , and a p-type region, with quantum dots made of GaNAs.
Недостатками известного фотопреобразователя с квантовыми точками являются малое поглощение и сложность технологии получения азотсодержащих слоев. The disadvantages of the known photoconverter with quantum dots are the low absorption and complexity of the technology for producing nitrogen-containing layers.
Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является фотопреобразователь с квантовыми точками
(см. патент US 7,863,516, выданный 4.01.2011), принятый за прототип и включающий подложку из Ge или GaAs набор фотоактивных переходов, один из которых включает слои самоорганизованных InGaAs квантовых точек разделенных спейсерными слоями из GaAs, AIGaAs или GaPAs, при этом эффективная ширина запрещенной зоны данного перехода составляет 1.16 эВ. The closest to this technical solution for the combination of essential features is a photoconverter with quantum dots (see US patent 7,863,516, issued January 4, 2011), adopted as a prototype and including a Ge or GaAs substrate, a set of photoactive transitions, one of which includes layers of self-organized InGaAs quantum dots separated by spacer layers of GaAs, AIGaAs or GaPAs, while the effective width The band gap of this transition is 1.16 eV.
В структуре фотопреобразователя-прототипа важную роль играют массивы квантовых точек, обеспечивающие расширение фоточувствительности субэлемента в длинноволновую область. Arrays of quantum dots play an important role in the structure of the prototype photoconverter, which expand the photosensitivity of the sub-element to the long-wavelength region.
Недостатком известного фотопреобразователя-прототипа является малое поглощение в массивах стандартных квантовых точек, что обуславливает невозможность обеспечения согласования по току для каскадного фотопреобразователя на основе GalnP/GalnAs/Ge. The disadvantage of the known photoconverter prototype is the low absorption in arrays of standard quantum dots, which makes it impossible to ensure current matching for a cascade photoconverter based on GalnP / GalnAs / Ge.
Задачей заявляемого решения является создание квантовых точек с повышенным поглощением, формирующихся путем осаждения слоя InGaAs с концентрацией индия 20-50% на поверхность GaAs или InGaAs . Это позволит увеличить КПД технического решения за счет повышения тока, генерируемого фотоактивным переходом на основе Ga(ln)As. Повышение фотогенерированного тока, а так же КПД двухкаскадного фотопреобразователя на основе GalnP/GaAs достигается посредством распространения спектральной чувствительности Ga(ln)As перехода в длинноволновую область, за счет введения в него массивов квантовых точек. Кроме того использование Ga(ln)As перехода с такими квантовыми точками открывает возможность обеспечения согласования токов в наиболее перспективной трехкаскадной структуре на основе GalnP/GalnAs/Ge, что позволит значительно повысить КПД такого фотопреобразователя. The objective of the proposed solution is to create quantum dots with increased absorption, formed by the deposition of an InGaAs layer with an indium concentration of 20-50% on the surface of GaAs or InGaAs. This will increase the efficiency of the technical solution by increasing the current generated by the photoactive transition based on Ga (ln) As. An increase in the photogenerated current, as well as the efficiency of the two-stage GalnP / GaAs based photoconverter, is achieved by spreading the spectral sensitivity of the Ga (ln) As transition to the long-wavelength region due to the introduction of quantum dot arrays into it. In addition, the use of the Ga (ln) As junction with such quantum dots opens up the possibility of matching currents in the most promising three-stage structure based on GalnP / GalnAs / Ge, which will significantly increase the efficiency of such a photoconverter.
Поставленная задача достигается тем, что фотопреобразователь с квантовыми точками, содержит подложку из Ge или GaAs и, по меньшей мере, один фотоактивной переход, выполненный из GaAs или твердого раствора GalnAs с содержанием индия 0 - 2%, и включает, по меньшей мере, один слой самоорганизованных квантовых точек, сформированных посредством осаждения слоя lnxGa1-xAs с содержанием индия х от 20 до 50%. This object is achieved in that the photoconverter with quantum dots, contains a substrate of Ge or GaAs and at least one photoactive transition made of GaAs or a solid solution of GalnAs with an indium content of 0 - 2%, and includes at least one a layer of self-organized quantum dots formed by deposition of a ln x Ga 1-x As layer with an indium x content of 20 to 50%.
В фотопреобразователе фотоактивный переход, выполненный из GaAs или твердого раствора GalnAs с содержанием индия 0 - 2%, может включать более 10 слоев квантовых точек, разделенных между собой спейсерами, выполненными например из GaAs или твердого раствора GalnAs с содержанием индия 0 - 2%.
В фотопреобразователе в качестве подложки может быть использована подложка из n-GaAs, на которую могут быть последовательно осаждены буферный слой, например, из n-GaAs толщиной, например, 200-300 нм с уровнем легирования (1-2) 1018 см"3, и фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера, например, из n-AIGaAs с содержанием алюминия 30%, толщиной, например, 100 нм и уровнем легирования (1-2) 1018 см'3, базовый слой, например, из n-GaAs толщиной, например, 3-3,5 мкм и уровнем легирования (5-9)Ю16 см"3, нелегированный слой, например, из GaAs, который может включать более 10 слоев квантовых точек, разделенных между собой спейсерами, выполненными, например, из GaAs, эмиттерный слой, например, из p-GaAs толщиной, например, 300-500 нм и уровнем легирования (2-5) 018 см"3, слой широкозонного окна, например, из p-AIGaAs с содержанием алюминия 85%, толщиной, например, 30 нм и уровнем легирования (1-2) 1018 см"3, а так же контактный подслой, например, из p-GaAs толщиной 300 нм и уровнем легирования (5- 9) 1018 см"3. In a photoconverter, a photoactive transition made of GaAs or a GalnAs solid solution with an indium content of 0 - 2% can include more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made, for example, of GaAs or a GalnAs solid solution with an indium content of 0 - 2%. An n-GaAs substrate can be used as a substrate in the photoconverter, onto which a buffer layer can be sequentially deposited, for example, from n-GaAs with a thickness of, for example, 200-300 nm with a doping level of (1-2) 10 18 cm "3 and a photoactive transition, including a successively deposited layer of the back potential barrier, for example, of n-AIGaAs with an aluminum content of 30%, a thickness of, for example, 100 nm and a doping level of (1-2) 10 18 cm '3 , a base layer, for example, of n-GaAs with a thickness of, for example, 3-3.5 μm and a doping level of (5-9) 10 16 cm "3 , undoped layer, for example measures, from GaAs, which can include more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made, for example, of GaAs, an emitter layer, for example, of p-GaAs with a thickness of, for example, 300-500 nm and a doping level (2-5 ) 0 18 cm "3 , a wide-gap window layer, for example, of p-AIGaAs with an aluminum content of 85%, a thickness of, for example, 30 nm and a doping level of (1-2) 10 18 cm " 3 , as well as a contact sublayer, for example , of p-GaAs with a thickness of 300 nm and a doping level of (5–9) 10 18 cm "3 .
В фотопреобразователе в качестве подложки может быть использована p-GaAs подложка, на которую могут быть последовательно осаждены буферный слой, например, из p-GaAs толщиной, например, 200-300 нм с уровнем легирования (1-2) 1018 см"3, и фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера, например, из p-AIGaAs с содержанием алюминия 30%, толщиной, например, 100 нм и уровнем легирования (1-2) 1018 см"3, базовый слой, например, из p-GaAs толщиной, например, 3-3,5 мкм и уровнем легирования (1-2) 1017 см"3, нелегированный слой, например, из GaAs, который может включать более 10 слоев квантовых точек, разделенных между собой спейсерами, выполненными, например, из GaAs, эмиттерный слой, например, из n-GaAs толщиной, например, 100-200 нм и уровнем легирования (2-5)Ю18 см"3, слой широкозонного окна, например, из n-AIGaAs с содержанием алюминия 85%, толщиной, например, 30 нм и уровнем легирования (1-2) 1018 см"3, а так же контактный подслой, например, из n-GaAs толщиной, например, 300 нм и уровнем легирования (2-5) 1018 см"3. In the photoconverter, a p-GaAs substrate can be used as a substrate on which a buffer layer can be sequentially deposited, for example, from p-GaAs with a thickness of, for example, 200-300 nm with a doping level of (1-2) 10 18 cm "3 , and a photoactive transition, including a successively deposited layer of the back potential barrier, for example, of p-AIGaAs with an aluminum content of 30%, a thickness of, for example, 100 nm and a doping level of (1-2) 10 18 cm "3 , the base layer, for example, of p-GaAs with a thickness of, for example, 3-3.5 μm and a doping level of (1-2) 10 17 cm "3 , unalloyed layer, for example p, from GaAs, which can include more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made, for example, of GaAs, an emitter layer, for example, of n-GaAs with a thickness of, for example, 100-200 nm and a doping level (2-5 ) Yu 18 cm "3 , a wide-gap window layer, for example, of n-AIGaAs with an aluminum content of 85%, a thickness of, for example, 30 nm and a doping level of (1-2) 10 18 cm " 3 , as well as a contact sublayer, for example , of n-GaAs with a thickness of, for example, 300 nm and a doping level of (2-5) 10 18 cm "3 .
В фотопреобразователе в качестве подложки может быть использована подложка p-GaAs, на которую могут быть последовательно осаждены буферный слой, например, из p-GaAs, нижний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера, например, из p-AIGaAs или GalnP, базовый слой, например, из p-GaAs, нелегированный
слой, например, из GaAs, который может включать более 10 слоев квантовых точек, разделенных между собой спейсерами, выполненными, например, из GaAs, эмиттерный слой, например, из л-GaAs и слой широкозонного окна, например, из n-AIGaAs или двухслойное широкозонное окно, включающее слой, например, из GalnP и слой, например, из AllnP, туннельный диод, который может содержать последовательно осажденные слои /i++-GaAs или n++-GalnP и слой p++-AIGaAs, верхний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера, например, из p-AIGalnP, базовый слой, например, из p-GalnP, эмиттерный слой, например, из п- GalnP и слой широкозонного окна, например, из л-АИпР а так же контактный подслой, например, из л-GaAs. In the photoconverter, a p-GaAs substrate can be used as a substrate, onto which a buffer layer, for example, from p-GaAs, a lower photoactive transition, including a successively deposited layer of the back potential barrier, for example, from p-AIGaAs or GalnP, can be sequentially deposited, base layer, e.g. from p-GaAs, unalloyed a layer, for example, of GaAs, which may include more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made, for example, of GaAs, an emitter layer, for example of l-GaAs, and a layer of a wide-gap window, for example, of n-AIGaAs or a two-layer a wide-gap window including a layer, for example, of GalnP and a layer, for example, of AllnP, a tunnel diode, which may contain successively deposited layers / i ++ -GaAs or n ++ -GalnP and a p ++ -AIGaAs layer, the upper photoactive transition comprising a sequentially deposited layer of the back potential barrier, for example, from p-AIGalnP, b zovy layer, for example, p-GalnP, an emitter layer, e.g., of p-GalnP and layer of a wide window, for example, n-AIpR as well as a contact sublayer, e.g., of n-GaAs.
В фотопреобразователе в качестве подложки может быть использована подложка p-Ge, на которую могут быть последовательно осаждены последовательно осаждены нуклеационный слой, например, из GalnP, создающий нижний фотоактивный переход в подложке германия за счет диффузии атомов фосфора, буферный слой, например, из л-GalnAs, с содержанием индия 0-2%, нижний туннельный диод, который может включать последовательно осаженные слои широкозонного барьера, л++-слой р++-слой, средний фотоактивный переход, включающий слой тыльного потенциального барьера, например, из p-AIGaAs или GalnP, базовый слой, например, из р- GalnAs с содержанием индия 0-2%, нелегированный слой, например, из GalnAs с содержанием индия 0-2%, который может включать более 10 слоев квантовых точек, разделенных между собой спейсерами, выполненными, например, из GalnAs с содержанием индия 0-2%, эмиттерный слой, например, из л- GalnAs с содержанием индия 0-2%, и слой широкозонного окна, например, из л-AIGaAs или двухслойное широкозонное окно, которое может включать слой, например, из GalnP и слой, например, из AllnP, верхний туннельный диод, который может содержать последовательно осажденные слои n++-GaAs или n++-GalnP и слой p++-AIGaAs, верхний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера, например, из p-AIGalnP, базовый слой, например, из p-GalnP, эмиттерный слой, например, из л- GalnP и слой широкозонного окна, например, из л-ΑΙΙηΡ а так же контактный подслой, например, из л- GalnAs с содержанием индия 0-2%. In the photoconverter, a p-Ge substrate can be used as a substrate, onto which a nucleation layer can be sequentially deposited, for example, from GalnP, which creates a lower photoactive transition in the germanium substrate due to diffusion of phosphorus atoms, a buffer layer, for example, from GalnAs, with the indium content of 0-2%, the lower tunnel diode, which may include sequentially osazhennye wide-barrier layers, n ++ -layer p ++ -layer, average photoactive transition layer comprising a rear potential barrier nap an example, from p-AIGaAs or GalnP, a base layer, for example, from p-GalnAs with an indium content of 0-2%, an undoped layer, for example, from GalnAs with an indium content of 0-2%, which may include more than 10 layers of quantum dots, separated by spacers made, for example, of GalnAs with an indium content of 0-2%, an emitter layer, for example of l-GalnAs with an indium content of 0-2%, and a layer of a wide-gap window, for example, of l-AIGaAs or a two-layer wide-gap a window, which may include a layer, for example, of GalnP and a layer, for example, of AllnP, the upper tunnel diode, which may contain after ovatelno deposited layers n ++ -GaAs or n ++ -GalnP and a layer of p ++ -AIGaAs, upper photoactive transition comprising sequentially osazhennye rear potential barrier layer, for example, p-AIGalnP, a base layer, e.g., of the p-GalnP , an emitter layer, for example, of l-GalnP and a wide-gap window layer, for example, of l-ΑΙΙηΡ, as well as a contact sublayer, for example, of l-GalnAs with an indium content of 0-2%.
Важной особенностью настоящего изобретения является возможность обеспечения повышенного поглощения в массивах квантовых точек, что позволяет получить значительный прирост фототока субэлемента из Ga(ln)As. An important feature of the present invention is the ability to provide increased absorption in quantum dot arrays, which allows a significant increase in the photocurrent of the subcell from Ga (ln) As.
Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 схематически показан настоящий фотопреобразователь с квантовыми точками; This technical solution is illustrated in the drawing, where: in FIG. 1 schematically shows a real photoconverter with quantum dots;
на фиг. 2 изображены типичные спектральные характеристики внешней квантовой эффективности Ga(ln)As субэлемента GalnP/GalnAs/Ge каскадного фотопреобразователя без квантоворазмерных гетероструктур (кривая 1), с квантовыми ямами (кривая 2) и с квантовыми точками (кривая 3). in FIG. Figure 2 shows typical spectral characteristics of the external quantum efficiency Ga (ln) As of the GalnP / GalnAs / Ge subcell of a cascade photoconverter without quantum-well heterostructures (curve 1), with quantum wells (curve 2), and with quantum dots (curve 3).
на фиг. 3 показан фототок, генерируемый 10 рядами квантовых точек, полученных при релаксации квантовой ямы InGaAs с различной концентрацией индия от 20 до 100%). in FIG. Figure 3 shows the photocurrent generated by 10 rows of quantum dots obtained upon relaxation of an InGaAs quantum well with various indium concentrations from 20 to 100%).
Настоящий фотопреобразователь с квантовыми точками показан на фиг. 1. Он состоит из подложки 1 , например, Ge или GaAs и по меньшей мере одного фотоактивного р-п перехода 2, например, из GaAs или GalnAs с концентрацией индия 0-2%, содержащего базовый слой 3, например, из GaAs или GalnAs с концентрацией индия 0-2%, нелегированный слой 4, например, из GaAs или GalnAs с концентрацией индия 0-2%, содержащий по меньшей мере один слой самоорганизованных квантовых точек 5, выполненных посредством осаждения слоя lnxGai.xAs с содержанием индия х от 20 до 50%, эмиттерный слой 6, например, из GaAs или GalnAs с концентрацией индия 0-2%. The present quantum dot photoconverter is shown in FIG. 1. It consists of a substrate 1, for example, Ge or GaAs and at least one photoactive pn junction 2, for example, of GaAs or GalnAs with an indium concentration of 0-2%, containing a base layer 3, for example, of GaAs or GalnAs with an indium concentration of 0-2%, unalloyed layer 4, for example, of GaAs or GalnAs with an indium concentration of 0-2%, containing at least one layer of self-organized quantum dots 5 made by deposition of the ln x Gai layer. x As with an indium content of x from 20 to 50%, the emitter layer 6, for example, from GaAs or GalnAs with an indium concentration of 0-2%.
Для получения полупроводниковых гетероструктур каскадных фотопреобразователей с высоким качеством, которое необходимо для создания эффективных р-п переходов, необходимо опираться на существующие в природе материалы, чтобы обеспечить согласование параметров решетки всех слоев, составляющих гетероструктуру. Именно поэтому наиболее перспективными на сегодняшний день являются трехпереходные фотопреобразователи на основе строго изопериодичных полупроводниковых материалов Gao.51 lno.49 Gao.99lno.01As/Ge. Однако материалы Ga0.5iln0.49 (Eg = 1.9 эВ),
(Eg = 1.4 эВ) и Ge (Eg = 0.66 эВ) не позволяют реализовать оптимальную с точки зрения спектральных плотностей фотонов, приходящихся на каждый субэлемент, конструкцию трехпереходного фотопреобразователя. Но благодаря высокой стабильности параметров даже при длительной эксплуатации и воспроизводимости промышленной технологии эта структура на данный момент является основным промышленным трендом, и обладает КПД при производстве порядка 39%. To obtain semiconductor heterostructures of cascade photoconverters with high quality, which is necessary to create efficient pn junctions, it is necessary to rely on materials existing in nature to ensure the matching of the lattice parameters of all layers that make up the heterostructure. That is why the most promising today are three-junction photoconverters based on strictly isoperiodic semiconductor materials Gao.51 lno.49 Gao.99lno.01As / Ge. However, the materials are Ga 0 . 5 iln 0 .49 (Eg = 1.9 eV), (Eg = 1.4 eV) and Ge (Eg = 0.66 eV) do not allow the implementation of an optimal three-junction photoconverter design from the point of view of the spectral density of photons per each subcell. But due to the high stability of the parameters, even with prolonged operation and reproducibility of industrial technology, this structure is currently the main industrial trend, and has an efficiency in the production of about 39%.
Основным недостатком комбинации материалов Gao.51 lno.49 Ga0 gglno.oiAs - Ge является большая ширина запрещенной зоны среднего Gao.99lno.01As субэлемента. Как для космического, так и для и наземного солнечных спектров в случае поглощения каждым субэлементом всех фотонов с б
энергией большей ширины запрещенной зоны их материала и разделении всех фотогенерированных носителей фототоки субэлементов составят: The main disadvantage of the combination of materials Gao.51 lno.49 Ga 0 gglno.oiAs - Ge is the large band gap of the middle Gao.99lno.01As subelement. For both the cosmic and the terrestrial solar spectra in the case of absorption by each subelement of all photons with with the energy of the greater band gap of their material and the separation of all photogenerated carriers, the photocurrents of subcells will be:
- 22,43 мА/см2 (АМО) и 18,1 1 мА/см2 (AM1.5D) для Ga0.5iln0.49P перехода (все фотоны от 0 до 670 нм); - 22.43 mA / cm 2 (AMO) and 18.1 1 mA / cm 2 (AM1.5D) for the Ga 0 .5iln 0 .49P transition (all photons from 0 to 670 nm);
- 16,58 мА/см2 (АМО) и 15,62 мА/см2 (AM1.5D) для Ga0,99ln0,oiAs перехода- 16.58 mA / cm 2 (AMO) and 15.62 mA / cm 2 (AM1.5D) for Ga 0 , 99ln 0, oiAs transition
(все фотоны от 670 до 900 нм); (all photons from 670 to 900 nm);
- 37,08 мА/см2 (АМО) и 29,21 мА/см2 (AM1.5D) для Ge перехода (все фотоны от 900 до 1900 нм). - 37.08 mA / cm 2 (AMO) and 29.21 mA / cm 2 (AM1.5D) for the Ge transition (all photons from 900 to 1900 nm).
Это приводит к тому, что, как для спектра АМО, 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 субэлемент, а ток, генерируемый нижним будет значительно превосходить токи верхнего и среднего субэлементов. This leads to the fact that, for both the AMO spectrum and the AM1.5D spectrum, the minimum current (in the case of absorption of all photons with energies in the range 1, 9 -1, 4 eV) will generate an average subelement, and the current generated lower will significantly exceed the currents of the upper and middle subelements.
Таким образом, в GalnP/GalnAs/Ge фотопреобразователе в первом субэлементе на основе GalnP поглощается -25% светового потока, во втором (GalnAs) ~15%, а в третьем (Ge) ~ 40% (для 20% фотонов структура прозрачна). Иными словами широкая спектральная характеристика Ge субэлемента обуславливает избыточную генерацию неравновесных носителей. Поскольку в каскадных фотопреобразователях общий рабочий фототок лимитируется наименьшим из генерируемых субэлементами, то для повышения общей эффективности выгодно расширить спектральный диапазон чувствительности такого субэлемента. Thus, in a GalnP / GalnAs / Ge photoconverter, in the first GalnP-based sub cell, -25% of the light flux is absorbed, in the second (GalnAs) ~ 15%, and in the third (Ge) ~ 40% (the structure is transparent for 20% of photons). In other words, the wide spectral characteristic of the Ge subelement causes the excessive generation of nonequilibrium carriers. Since the total working photocurrent in cascade photoconverters is limited by the smallest of the generated subcells, it is advantageous to expand the spectral sensitivity range of such a sub cell to increase the overall efficiency.
Важно отметить, что в реальных каскадных фотопреобразователях на основе GalnP/GalnAs/Ge фототоки субэлементов составляют порядка: It is important to note that in real cascade photoconverters based on GalnP / GalnAs / Ge, the photocurrents of subcells are of the order of:
- 20 мА/см2 (АМО) и 18 мА/см2 (АМ1.5D) для Ga0.5 ln0.49P перехода; - 20 mA / cm 2 (AMO) and 18 mA / cm 2 (AM1.5D) for Ga 0 . 5 ln 0 .49P transition;
- 17 мА/см2 (АМО) и 14 мА/см2 (AM1.5D) для Ga0,99lno,oiAs перехода; - 17 mA / cm 2 (AMO) and 14 mA / cm 2 (AM1.5D) for Ga 0 , 99lno , oiAs transition;
- 25 мА/см2 (АМО) и 22 мА/см2 (АМ1.5D) для Ge перехода. - 25 mA / cm 2 (AMO) and 22 mA / cm 2 (AM1.5D) for the Ge junction.
Одним из путей достижения токового баланса и соответственно повышения КПД традиционной структуры каскадных фотопреобразователей является использование метаморфных (т.е. сильно рассогласованных по параметру решетки) структур широкозонного тандема GalnP/GalnAs с содержанием индия в твердых растворах на 10-20% больше по сравнению с согласованной по параметру решетки структурой. В случае метаморфных фотопреобразователей широкозонный тандем приближается к оптимальному распределению спектральной плотности, преобразуемой каждым субэлементом (режим согласования токов), но при этом требуется выращивание III-V структуры на Ge через буферные слои с переменным составом и значительным
изменением параметра решетки, что влечет за собой наличие большого количества дефектов и дислокаций несоответствия и нивелирует прирост КПД. One of the ways to achieve the current balance and, accordingly, increase the efficiency of the traditional structure of cascade photoconverters is to use metamorphic (i.e., strongly mismatched in lattice parameter) structures of the wide-gap GalnP / GalnAs tandem with the indium content in solid solutions 10-20% higher than the matched by the lattice parameter of the structure. In the case of metamorphic photoconverters, the wide-band tandem approaches the optimal distribution of spectral density transformed by each sub-element (current matching mode), but it requires the III-V structure to be grown on Ge through buffer layers with variable composition and significant a change in the lattice parameter, which entails the presence of a large number of defects and misfit dislocations and levels the increase in efficiency.
Другим способом увеличения тока среднего субэлемента GalnP/GalnAs/Ge фотопреобразователя является использование квантоворазмерных гетероструктур с квантовыми ямами или квантовыми точками. Однако оба этих подхода имеют ограничения, не позволяющие обеспечить согласование токов субэлементов GalnP/GalnAs/Ge фотопреобразователя. Another way to increase the current of the middle subcell of the GalnP / GalnAs / Ge photoconverter is to use quantum-well heterostructures with quantum wells or quantum dots. However, both of these approaches have limitations that do not allow matching the currents of the GalnP / GalnAs / Ge subcells of the photoconverter.
В случае квантовых ям этим ограничением являются упругие напряжения. Это связано с тем, что создание материала с шириной запрещенной зоны меньшей GaAs возможно только при изменении параметра решетки. Наиболее типичным является использование квантовых ям из InGaAs, обладающих меньшей энергией поглощения в сравнении с Ga(ln)As. Ввиду того, что квантовые ямы являются напряженными структурами, т.е. упругие напряжения кристаллической решетки остаются после их выращивания, существует ограничение по сдвигу края поглощения субэлемента на основе Ga(ln)As (не более 950-980 нм). Увеличение концентрации индия или толщины квантовых ям, приводящее к уменьшению энергии края поглощения и соответственно к длинноволновому сдвигу края фоточувствительности Ga(ln)As субэлемента, будет увеличивать упругие напряжения, что в конечном итоге будет приводить к деградации параметров субэлемента за счет образования дислокаций несоответствия. Кроме того, очень высокие напряжения в структурах с квантовыми ямами не позволяют складировать большое количество квантовых ям, т.е. увеличивать поглощения за счет увеличения их числа. В случае квантовых ям излучающих в диапазоне длин волн 980 нм возможно складирование не более трех ям без образования дислокаций. Складирование четырех и более квантовых ям требует использования слоев, компенсирующих напряжения или очень широких спейсеров. Однако формирование слоев, компенсирующих напряжения является сложной методикой и приводит к введению в структуру дополнительных интерфейсов, отрицательно влияющих на характеристики прибора, в то время как использование слишком широких спейсеров уменьшило бы эффективность сбора носителей. In the case of quantum wells, this limitation is elastic stresses. This is due to the fact that the creation of a material with a band gap of less than GaAs is possible only with a change in the lattice parameter. The most typical is the use of InGaAs quantum wells, which have a lower absorption energy in comparison with Ga (ln) As. In view of the fact that quantum wells are stressed structures, i.e. the elastic stresses of the crystal lattice remain after their growth; there is a limitation on the shift of the absorption edge of the Ga (ln) As-based subcell (not more than 950–980 nm). An increase in the indium concentration or the thickness of the quantum wells, which leads to a decrease in the energy of the absorption edge and, accordingly, to a long-wavelength shift of the photosensitivity edge of the Ga (ln) As subelement, will increase the elastic stresses, which will ultimately lead to degradation of the subelement parameters due to the formation of misfit dislocations. In addition, very high stresses in structures with quantum wells do not allow storing a large number of quantum wells, i.e. increase absorption by increasing their number. In the case of quantum wells emitting in the wavelength range of 980 nm, storage of no more than three wells is possible without the formation of dislocations. Storing four or more quantum wells requires the use of voltage compensating layers or very wide spacers. However, the formation of stress compensating layers is a complex technique and leads to the introduction of additional interfaces into the structure that adversely affect the characteristics of the device, while the use of too wide spacers would reduce the efficiency of carrier collection.
Однако преимущества квантовых ям по сравнению с квантовыми точками состоит в том, что они обладают относительно большим коэффициентом поглощения, что может обеспечить уровень внешней квантовой эффективности фотопреобразователя в диапазоне их поглощения более чем 30%.
Таким образом, при использовании квантовых ям существует возможность получения высокого уровня квантовой эффективности, однако сдвиг края поглощения при их использовании остается небольшим. Ввиду того, что фототок определяется как интеграл под кривой внешней квантовой эффективности фотопреобразователя (фиг. 2) общий прирост фототока при использовании квантовых ям (интеграл в области >900 нм) будет небольшим, что не позволит обеспечить согласование токов субэлементов GalnP/GalnAs/Ge фотопреобразователя. However, the advantages of quantum wells in comparison with quantum dots are that they have a relatively large absorption coefficient, which can provide a level of external quantum efficiency of the photoconverter in the absorption range of more than 30%. Thus, when using quantum wells, it is possible to obtain a high level of quantum efficiency, however, the shift of the absorption edge during their use remains small. Due to the fact that the photocurrent is defined as the integral under the curve of the external quantum efficiency of the photoconverter (Fig. 2), the total photocurrent gain when using quantum wells (integral in the region> 900 nm) will be small, which will not allow matching the currents of the GalnP / GalnAs / Ge subcells of the photoconverter .
Использование квантовых точек позволяет решить проблему упругих напряжений. Квантовые точки, как правило, создаются методом самоорганизации при релаксации высоко напряженного слоя InAs или InGaAs с концентрацией индия 50% и более (режим роста Странского-Крастанова и его модификации). Релаксация упругих напряжений приводит к возникновению пирамидальных островков, называемых квантовыми точками, располагающихся на тонком смачивающем слое, полностью закрывающим поверхность. Таким образом, использование квантовых точек позволяет получить релаксированную бездефектную среду, поглощающую в диапазоне длин волн до 1100 нм и далее. The use of quantum dots solves the problem of elastic stresses. Quantum dots, as a rule, are created by the method of self-organization during relaxation of a highly stressed InAs or InGaAs layer with an indium concentration of 50% or more (Stransky-Krastanov growth mode and its modifications). The relaxation of elastic stresses leads to the appearance of pyramidal islands, called quantum dots, located on a thin wetting layer that completely covers the surface. Thus, the use of quantum dots allows one to obtain a relaxed defect-free medium that absorbs in the wavelength range up to 1100 nm and beyond.
Однако недостатком квантовых точек является малое поглощение фотонов в них. Это связано с тем, то квантовые точки покрывают лишь 10-20% поверхности. Кроме того, плотность состояний квантовых точек представляет собой набор дельта функций, что также уменьшает поглощение в них по сравнению с квантовыми ямами, и ограничивает уровень внешней квантовой эффективности фотопреобразователя в области поглощения среды с квантовыми точками на уровне менее 10% However, the disadvantage of quantum dots is the low absorption of photons in them. This is due to the fact that quantum dots cover only 10-20% of the surface. In addition, the density of states of quantum dots is a set of delta functions, which also reduces the absorption in them compared to quantum wells, and limits the level of external quantum efficiency of the photoconverter in the absorption region of a medium with quantum dots at a level of less than 10%
Таким образом, при использовании квантовых точек выращенных методом Странского-Крастанова существует возможность значительного сдвига края поглощения, однако невозможно получение высокого уровня квантовой эффективности (фиг. 2). При этом общий прирост фототока при использовании квантовых точек также будет небольшим, что не позволит обеспечить согласование токов субэлементов GalnP/GalnAs/Ge фотопреобразователя. Thus, when using quantum dots grown by the Stransky-Krastanov method, there is the possibility of a significant shift of the absorption edge, however, it is impossible to obtain a high level of quantum efficiency (Fig. 2). In this case, the total increase in the photocurrent when using quantum dots will also be small, which will not allow matching the currents of the GalnP / GalnAs / Ge subcells of the photoconverter.
Сутью предлагаемого изобретения является оригинальный метод формирования квантовых точек при осаждении InGaAs относительно малого состава 20 - 50% на поверхность GaAs. The essence of the invention is an original method of forming quantum dots during the deposition of InGaAs with a relatively small composition of 20-50% on the GaAs surface.
В настоящем изобретении в субэлемент на основе Ga(ln)As предлагается встроить поглощающую среду на основе квантовых точек, сформированных за счет осаждения InGaAs состава 20 - 50% на поверхность GaAs и
обеспечивающих эффективную релаксацию напряжений внутри квантовой ямы InGaAs. In the present invention, it is proposed to incorporate into the Ga (ln) As sub-element an absorbing medium based on quantum dots formed by the deposition of 20-50% InGaAs onto the GaAs surface and providing effective stress relaxation inside the InGaAs quantum well.
Применение данной технологии позволило создать фотоэлектрические преобразователи на основе GaAs с краем поглощения вплоть до 1100 нм и уровнем квантовой эффективность более 30%, т.е. было продемонстрировано высокое поглощение (как в случае квантовых ям) наряду с длинноволновым краем спектра поглощения (как в квантовых точках). Общий прирост фототока за счет введения квантовых точек составил более 3 мА/см2, что позволяет обеспечить согласование токов субэлементов каскадного GalnP/GalnAs/Ge фотопреобразователя для наземного спектра АМ1.5D. The application of this technology made it possible to create GaAs-based photoelectric converters with an absorption edge up to 1100 nm and a quantum efficiency level of more than 30%, i.e. high absorption (as in the case of quantum wells) was demonstrated along with the long-wavelength edge of the absorption spectrum (as in quantum dots). The total increase in the photocurrent due to the introduction of quantum dots amounted to more than 3 mA / cm 2 , which makes it possible to match the subcell currents of the cascade GalnP / GalnAs / Ge photoconverter for the AM1.5D ground-based spectrum.
Были исследованы фотопреобразователи на основе GaAs с квантовыми точками, полученными посредством релаксации слоя квантовой ямы InGaAs с концентрацией индия от 20 до 100%. При этом максимальный прирост фототока наблюдался при концентрации индия от 20 до 50% (фиг. 3). GaAs based photoconverters with quantum dots were obtained by relaxing the InGaAs quantum well layer with an indium concentration of 20 to 100%. The maximum increase in photocurrent was observed at an indium concentration of 20 to 50% (Fig. 3).
В случае меньшего состава по индию релаксация ямы будет происходить при очень большой толщине из-за малой разницы параметров решетки квантовой ямы и GaAs, что не позволит получить бездислокационные квантовые точки. При этом сдвиг края поглощения будет мал из-за малой ширины запрещенной зоны InGaAs при концентрации индия менее 20%. In the case of a smaller composition according to India, the well relaxation will occur at a very large thickness due to the small difference in the lattice parameters of the quantum well and GaAs, which will not allow one to obtain dislocationless quantum dots. In this case, the shift of the absorption edge will be small due to the small InGaAs band gap at an indium concentration of less than 20%.
Увеличение концентрации индия более 50% приводило к снижению коэффициента поглощения среды с квантовыми точками и уменьшению фототока от них (фиг. 3). An increase in the indium concentration of more than 50% led to a decrease in the absorption coefficient of the medium with quantum dots and a decrease in the photocurrent from them (Fig. 3).
Ю
YU
Claims
1. Фотопреобразователь с квантовыми точками, содержащий подложку из Ge или GaAs и, по меньшей мере, один фотоактивной переход, выполненный из GaAs или твердого раствора GalnAs с содержанием индия 0 - 2%, и включает, по меньшей мере, один слой самоорганизованных квантовых точек, сформированных посредством осаждения слоя lnxGa1-xAs с содержанием индия х от 20 до 50%. 1. Photoconverter with quantum dots, containing a substrate of Ge or GaAs and at least one photoactive transition made of GaAs or a solid solution of GalnAs with an indium content of 0 - 2%, and includes at least one layer of self-organized quantum dots formed by depositing a ln x Ga 1-x As layer with an indium x content of 20 to 50%.
2. Фотопреобразователь по п. 1 , отличающийся тем, что фотоактивный переход, выполненный из GaAs или твердого раствора GalnAs с содержанием индия 0 - 2%, включает более 10 слоев квантовых точек, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GaAs или твердого раствора GalnAs с содержанием индия 0 - 2%. 2. The photoconverter according to claim 1, characterized in that the photoactive transition made of GaAs or GalnAs solid solution with indium content of 0 - 2% includes more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made of GaAs or GalnAs solid solution with the indium content is 0 - 2%.
3. Фотопреобразователь по п. 1 , отличающийся тем, что на подложку п- GaAs последовательно осаждены буферный слой из n-GaAs толщиной 200-300 нм с уровнем легирования (1-2) 1018 см"3, и фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера из п- AIGaAs с содержанием алюминия 30%, толщиной 100 нм и уровнем легирования (1-2) 1018 см"3, базовый слой из n-GaAs толщиной 3-3,5 мкм и уровнем легирования (5-9)Ю16 см"3, нелегированный слой из GaAs, включающий более 10 слоев квантовых точек, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GaAs, эмиттерный слой из p-GaAs толщиной 300-500 нм и уровнем легирования (2-5) 1018 см"3, слой широкозонного окна из p-AIGaAs с содержанием алюминия 85%, толщиной 30 нм и уровнем легирования (1-2)Ю18 см"3, а так же контактный подслой из p-GaAs толщиной 300 нм и уровнем легирования (5-9) 1018 см"3. 3. A photoconverter according to claim 1, characterized in that a buffer layer of n-GaAs 200-300 nm thick with a doping level of (1-2) 10 18 cm "3 , and a photoactive transition, consistently deposited on a p-GaAs substrate are sequentially deposited a deposited back-potential barrier layer of p-AIGaAs with an aluminum content of 30%, a thickness of 100 nm and a doping level of (1-2) 10 18 cm "3 , a base layer of n-GaAs with a thickness of 3-3.5 μm and a doping level (5 -9) 10 16 cm "3 , unalloyed GaAs layer, including more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made of GaAs, 300-500 nm thick p-GaAs emitter layer with a doping level of (2-5) 10 18 cm "3 , p-AIGaAs wide-gap window layer with 85% aluminum content, 30 nm thickness and a doping level of (1-2) 10 18 cm "3 , as well as a contact sublayer of p-GaAs 300 nm thick and a doping level of (5-9) 10 18 cm " 3 .
4. Фотопреобразователь по п. 1 , отличающийся тем, что на подложку р- GaAs последовательно осаждены буферный слой из p-GaAs толщиной 200-300 нм с уровнем легирования (1-2) 1018 см"3, и фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера из р- AIGaAs с содержанием алюминия 30%, толщиной 100 нм и уровнем легирования (1 -2) 1018 см"3, базовый слой из p-GaAs толщиной 3-3,5 мкм и уровнем легирования (1-2) 1017 см"3, нелегированный слой из GaAs, включающий более 10 слоев квантовых точек, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GaAs, эмиттерный слой из n-GaAs толщиной 100-200 нм и уровнем легирования (2-5) 1018 см"3, слой широкозонного окна из n-AIGaAs с содержанием алюминия 85%, толщиной 30 нм и уровнем легирования (1-2) 1018
см"3, а так же контактный подслой из n-GaAs толщиной 300 нм и уровнем легирования (2-5) 1018 см"3. 4. The photoconverter according to claim 1, characterized in that a buffer layer of p-GaAs 200-300 nm thick with a doping level of (1-2) 10 18 cm "3 , and a photoactive transition including deposited p-AIGaAs back potential barrier layer with an aluminum content of 30%, a thickness of 100 nm and a doping level of (1 -2) 10 18 cm "3 , a base layer of p-GaAs with a thickness of 3-3.5 μm and a doping level (1 -2) 10 17 cm "3 , unalloyed GaAs layer, including more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made of GaAs , an emitter layer of n-GaAs with a thickness of 100-200 nm and a doping level of (2-5) 10 18 cm "3 , a wide-gap window layer of n-AIGaAs with an aluminum content of 85%, a thickness of 30 nm and a doping level of (1-2) 10 18 cm "3 , as well as a contact sublayer of n-GaAs with a thickness of 300 nm and a doping level of (2-5) 10 18 cm " 3 .
5. Фотопреобразователь по п. 1 , отличающийся тем, что на подложку р- GaAs последовательно осаждены буферный слой из p-GaAs, нижний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера из p-AIGaAs или GalnP, базовый слой из р- GaAs, нелегированный слой из GaAs, включающий более 10 слоев квантовых точек, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GaAs, эмиттерный слой из л-GaAs и слой широкозонного окна из л-AIGaAs или двухслойное широкозонное окно, включающее слой из GalnP и слой из АИпР, туннельный диод, содержащий последовательно осажденные слои n++-GaAs или n++-GalnP и слой p++-AIGaAs, верхний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера из р- AIGalnP, базовый слой из p-GalnP, эмиттерный слой из п- GalnP и слой широкозонного окна из л-ΑΙΙηΡ а так же контактный подслой из n-GaAs. 5. The photoconverter according to claim 1, characterized in that a p-GaAs buffer layer, a lower photoactive transition including a sequentially deposited back-potential barrier layer of p-AIGaAs or GalnP, and a base layer of p-GaAs are successively deposited on the p-GaAs substrate an undoped GaAs layer comprising more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made of GaAs, an emitter layer of l-GaAs and a layer of a wide-gap window of l-AIGaAs, or a two-layer wide-gap window, comprising a layer of GalnP and an A&R layer, tunnel diode containing been consistent deposited layers n ++ -GaAs or n ++ -GalnP and a layer of p ++ -AIGaAs, upper photoactive transition layer comprising sequentially osazhennye rear of the potential barrier of the p- AIGalnP, the base layer of the p-GalnP, an emitter layer of n GalnP and a wide-gap window layer of n-лηΡ as well as a contact sublayer of n-GaAs.
6. Фотопреобразователь по п. 1 , отличающийся тем, что на подложку р- Ge последовательно осаждены нуклеационный слой из GalnP, создающий нижний фотоактивный переход в подложке германия за счет диффузии атомов фосфора, буферный слой из л-GalnAs, с содержанием индия 0-2%, буферный слой, нижний туннельный диод, включающий последовательно осаженные слои широкозонного барьера, л++-слой р+*-слой, средний фотоактивный переход, включающий слой тыльного потенциального барьера из p-AIGaAs или GalnP, базовый слой из p-GalnAs с содержанием индия 0-2%, нелегированный слой из GalnAs с содержанием индия 0-2%, включающий более 10 слоев квантовых точек, разделенных между собой спейсерами, выполненными из GalnAs с содержанием индия 0-2%,, эмиттерный слой из п- GalnAs с содержанием индия 0-2%, и слой широкозонного окна из л-AIGaAs или двухслойное широкозонное окно, включающее слой из GalnP и слой из АНпР, верхний туннельный диод, содержащий последовательно осажденные слои n++-GaAs или n++-GalnP и слой p++-AIGaAs, верхний фотоактивный переход, включающий последовательно осаженные слой тыльного потенциального барьера из p-AIGalnP, базовый слой из p-GalnP, эмиттерный слой из п- GalnP и слой широкозонного окна из л-ΑΙΙηΡ а так же контактный подслой из п- GalnAs с содержанием индия 0-2%.
6. The photoconverter according to claim 1, characterized in that a GalnP nucleation layer is successively deposited onto the p-Ge substrate, creating a lower photoactive transition in the germanium substrate due to diffusion of phosphorus atoms, a buffer layer of l-GalnAs, with an indium content of 0-2 %, buffer layer, lower tunneling diode, including successively deposited wide-gap barrier layers, L ++ p + * layer, middle photoactive transition, including back potential barrier layer from p-AIGaAs or GalnP, base layer from p-GalnAs with content of indium 0-2%, unalloyed layer of GalnAs with an indium content of 0-2%, including more than 10 layers of quantum dots separated by spacers made of GalnAs with an indium content of 0-2%, an emitter layer of p-GalnAs with an indium content of 0-2%, and a wide-gap layer window of l-AIGaAs or wideband bilayer window, comprising a layer and a layer of GalnP ANpR upper tunnel diode comprising sequentially deposited layers of n ++ -GaAs or n ++ -GalnP and a layer of p ++ -AIGaAs, upper photoactive junction, including sequentially deposited layer of the back potential barrier of p-AIGalnP, the base layer of p-GalnP, um tterny layer of p-GalnP and layer of a wide window of L-ΑΙΙηΡ as well as a contact sublayer of a p-GalnAs indium content of 0-2%.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016115439A RU2670362C2 (en) | 2013-09-26 | 2013-09-26 | Photoconverter with quantum dots |
PCT/RU2013/000841 WO2015047125A1 (en) | 2013-09-26 | 2013-09-26 | Photoconverter with quantum dots |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU2013/000841 WO2015047125A1 (en) | 2013-09-26 | 2013-09-26 | Photoconverter with quantum dots |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2015047125A1 true WO2015047125A1 (en) | 2015-04-02 |
Family
ID=52744075
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2013/000841 WO2015047125A1 (en) | 2013-09-26 | 2013-09-26 | Photoconverter with quantum dots |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2670362C2 (en) |
WO (1) | WO2015047125A1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011040459A (en) * | 2009-08-07 | 2011-02-24 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Multilayered quantum dot structure and method of manufacturing the same, and solar cell element and light emitting element using the same |
US20110067752A1 (en) * | 2004-01-20 | 2011-03-24 | Cyrium Technologies Incorporated | Solar cell with epitaxially grown quantum dot material |
CN202111103U (en) * | 2011-07-04 | 2012-01-11 | 天津蓝天太阳科技有限公司 | PIN (personal identification number) type strain compensation quantum dot solar cell |
CN103280482A (en) * | 2012-04-29 | 2013-09-04 | 天津三安光电有限公司 | Multi-junction solar cell and manufacturing method thereof |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2383083C1 (en) * | 2008-11-05 | 2010-02-27 | Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук | Solar cell (versions) |
-
2013
- 2013-09-26 WO PCT/RU2013/000841 patent/WO2015047125A1/en active Application Filing
- 2013-09-26 RU RU2016115439A patent/RU2670362C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110067752A1 (en) * | 2004-01-20 | 2011-03-24 | Cyrium Technologies Incorporated | Solar cell with epitaxially grown quantum dot material |
JP2011040459A (en) * | 2009-08-07 | 2011-02-24 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Multilayered quantum dot structure and method of manufacturing the same, and solar cell element and light emitting element using the same |
CN202111103U (en) * | 2011-07-04 | 2012-01-11 | 天津蓝天太阳科技有限公司 | PIN (personal identification number) type strain compensation quantum dot solar cell |
CN103280482A (en) * | 2012-04-29 | 2013-09-04 | 天津三安光电有限公司 | Multi-junction solar cell and manufacturing method thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016115439A (en) | 2017-10-31 |
RU2670362C2 (en) | 2018-10-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US12068426B2 (en) | Group-IV solar cell structure using group-IV or III-V heterostructures | |
TWI600173B (en) | Multijunction solar cell with low band gap absorbing layer in the middle cell and method for fabricating the same | |
Dimroth et al. | Metamorphic GayIn1− yP/Ga1− xInxAs tandem solar cells for space and for terrestrial concentrator applications at C> 1000 suns | |
TWI441343B (en) | Heterojunction subcells in inverted metamorphic multijunction solar cells | |
US7122734B2 (en) | Isoelectronic surfactant suppression of threading dislocations in metamorphic epitaxial layers | |
EP2745329B1 (en) | Photovoltaic device | |
EP1469528B1 (en) | Triple-junction photovoltaic cell grown on high-miscut-angle substrate | |
US11417788B2 (en) | Type-II high bandgap tunnel junctions of InP lattice constant for multijunction solar cells | |
US9153724B2 (en) | Reverse heterojunctions for solar cells | |
US20170338357A1 (en) | Exponential doping in lattice-matched dilute nitride photovoltaic cells | |
JP2004296658A (en) | Multijunction solar cell and its current matching method | |
EP3579282B1 (en) | Multi-layer back surface field layer in a solar cell structure | |
CN104091849A (en) | Multi-junction solar cell and manufacturing method thereof | |
TWI489652B (en) | A semiconductor epitaxial structure and apparatus comprising the same | |
US20190288147A1 (en) | Dilute nitride optical absorption layers having graded doping | |
RU2539102C1 (en) | Multijunction solar cell | |
US10910506B1 (en) | Solar cell with gradation in the top window layer | |
WO2020247691A1 (en) | Dilute nitride optical absorption layers having graded doping | |
RU2364007C1 (en) | Multi-layer photo converter | |
RU2670362C2 (en) | Photoconverter with quantum dots | |
JP2005347402A (en) | Rear surface reflection compound semiconductor solar cell and its manufacturing process | |
RU2611569C1 (en) | Metamorphic photovoltaic converter | |
WO2016013954A1 (en) | Cascade photoconverter with quantum-sized structures | |
Sugiyama et al. | InGaAs/GaAsP quantum-well superlattice solar cell for better carrier collection and higher efficiency |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 13894225 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2016115439 Country of ref document: RU Kind code of ref document: A |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 13894225 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |