[发明专利]一种生长在GaAs衬底上的InGaAsN薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体叠层太阳电池材料的技术领域，特别涉及一种生长在GaAs衬底上的InGaAsN薄膜及其制备方法。

背景技术

随着太阳能光伏发电产业和市场的迅速发展，以及在空间飞行器能源系统需求的牵引下，光伏技术不断取得重要突破：晶体硅、非晶硅、多晶硅太阳电池，III-V族化合物半导体电池，II-VI族化合物半导体电池等，越来越多的太阳电池技术日趋成熟，同时，相应的光电转换效率不断提高，使今天的光伏技术在空间和地面都得到了越来越广泛的应用。基于GaAs的III-V族化合物半导体电池技术的迅速发展是最引人瞩目、里程碑式的突破；并且GaAs基系太阳电池效率高、抗辐照性能好、耐高温、可靠性好，符合空间环境对太阳电池的要求，因此，GaAs基系太阳电池在空间科学领域正逐步取代硅系列太阳电池，成为空间太阳能发电系统的主电源。目前，基于GaAs衬底的GaAs高效多结叠层太阳电池已经获得＞41%的光电转换效率。由于GaAs材料的能带为1.42eV，而单结GaAs太阳电池只能吸收某一特定波长的太阳光，因此其光电转换效率受到限制。为了提高太阳能电池对太阳光的利用率，需要采用多结叠层太阳能电池结构，对太阳光谱进行“分割”。

在此之上，要获得更高光电转换效率，多结叠层太阳电池的能带匹配是关键。目前常规三结GaAs系太阳电池方面，主要是GaInP/InGaAs/Ge(1.84/1.4/0.67)结构太阳电池，该体系以晶格匹配为首要考虑原则，限制了材料体系的选择，电池的转换效率提升空间非常有限。为了解决带隙失配严重制约三结叠层电池性能的问题，最新技术尝试采用GaAs为衬底的晶格匹配，且底电池带宽变为1eV的较理想能带匹配体系，这样转换效率会有所提高。除三结叠层电池外，通过理论计算，带宽为1eV的材料也可作为四结叠层太阳电池的第三结电池，这样能带匹配更为理想（1.8/1.4/1.0/0.67eV），光的转换效率会更高。而目前应用最多的带宽为1eV的材料为In_0.3Ga_0.7As，但是，由于In_0.3Ga_0.7As与GaAs晶格失配较大（晶格失配度为2.15%）会降低薄膜外延质量，晶格失配所带来的穿透位错、应力，会使外延材料体内产生大量的位错、缺陷以及表面起伏，从而恶化器件的性能，造成太阳能电池光电转换效率低。为降低缺陷密度，生长In_0.3Ga_0.7As需要引入生长工艺较复杂的缓冲层环节，无疑增加了不少时间和经济成本，不利于当前太阳电池发展的趋势，因此新的1eV材料有待进一步开发。研究发现，稀N半导体化合物，即在传统的III-V族半导体化合物中，并入少量的N，形成多元半导体化合物，这种材料体系具有独特的能带特性。其中，InGaAsN这种稀N半导体化合物，对于太阳电池，更是有着诱人的研究前景，因为该材料体系不仅可大范围调节带宽（理论上的带宽可达到1eV），而且当含量比为In/N=2.8时，InGaAsN晶体材料恰与GaAs衬底晶格完全匹配。这样的能隙及晶格常数特点，是太阳电池第三结最为理想的材料。但是GaInNAs薄膜的获得是十分困难的：首先，N在GaAs中的并入存在一个极限值，约为2%，而要实现InGaAsN材料带宽为1eV，则N的含量必须达到3%左右，可见要实现N在材料中的有效并入是十分困难的；其次，要使InGaAsN与GaAs晶格匹配，则材料中In/N=2.8，要精确控制这种比例难度也是很大的；最后，N的并入后，材料也十分容易发生相分离，尤其是In原子，容易在表面析出，同时相分离容易发生，In和N的均匀并入也有一定的难度。因此1eV InGaAsN的外延生长一直是研究的重点，尤其是在太阳电池领域。而根据目前外延生长技术，尤其是低温MBE技术的发展，能带为1eV的材料InGaAsN已经具备了生长的可行性。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种生长在GaAs衬底上的InGaAsN薄膜，表面平整、晶体质量好。

本发明的另一目的在于提供上述生长在GaAs衬底上的InGaAsN薄膜的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种生长在GaAs衬底上的InGaAsN薄膜，包括生长在GaAs衬底上的GaAs缓冲层、生长在GaAs缓冲层上的InGaAsN外延层薄膜。

所述GaAs缓冲层的厚度为100～150nm。

所述InGaAsN外延层薄膜的厚度为300nm～1μm。

一种生长在GaAs衬底上的InGaAsN薄膜的制备方法，包括以下步骤：