阅读说明：本技术 基于ScAlN与InAlN极化***层增强电场的N极性InGaN基太阳能电池 (N-polarity InGaN-based solar cell based on enhanced electric field of ScAlN and InAlN polarized insertion layer ) 是由 许晟瑞 高源� 吴浩洋 张雅超 陈大正 李培咸 张进成 郝跃 于 2020-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于ScAlN与InAlN极化插入层增强电场的N极性InGaN基太阳能电池及制备方法,主要解决现有太阳能电池光电转换效率低的问题。其包括电极及自下而上的衬底层、AlN成核层、i-GaN层、In<Sub>x</Sub>Al<Sub>1-x</Sub>N层、n型In<Sub>y</Sub>Ga<Sub>1-y</Sub>N层、In<Sub>z</Sub>Ga<Sub>1-z</Sub>N/GaN多量子阱层、p型GaN层和Sc<Sub>u</Sub>Al<Sub>1-u</Sub>N层。除衬底外各层均采用N极性材料,以在N极性下,分别在In<Sub>x</Sub>Al<Sub>1-x</Sub>N层与n型In<Sub>y</Sub>Ga<Sub>1-y</Sub>N层和Sc<Sub>u</Sub>Al<Sub>1-u</Sub>N层与p型GaN层间产生强极化电场,这两种电场与太阳能电池内建电场的方向相同,能增强载流子的漂移能力,增大光生电流,提高太阳能电池的效率,可用于航空航天设备。(The invention discloses an N-polarity InGaN-based solar cell based on an enhanced electric field of a ScAlN and InAlN polarized insertion layer and a preparation method thereof, and mainly solves the problem of low photoelectric conversion efficiency of the conventional solar cell. It comprises an electrode, and a substrate layer, an AlN nucleating layer, an i-GaN layer and In from bottom to top x Al 1‑x N layer, N-type In y Ga 1‑y N layer, In z Ga 1‑z N/GaN multi-quantum well layer, p-type GaN layer and Sc u Al 1‑u And N layers. All the layers except the substrate are made of N-polarity materials, so that In is respectively In under N polarity x Al 1‑x N layer and N-type In y Ga 1‑y N layer and Sc u Al 1‑u A strong polarization electric field is generated between the N layer and the p-type GaN layer, the directions of the two electric fields are the same as the direction of an electric field built in the solar cell, the drift capability of current carriers can be enhanced, the photo-generated current is increased, the efficiency of the solar cell is improved, and the solar cell can be used for aerospace equipment.)

基于ScAlN与InAlN极化***层增强电场的N极性InGaN基太阳 能电池

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种光电转换技术，可用于航空航天设备。

技术背景

电能是目前人类社会必不可少的能源，承载着人类信息社会与电力电子技术的发展。电能是一种二次能源，其洁净无污染。但是电能的来源并不全是无污染的，例如利用煤炭进行的火力发电，会产生大量的废气污染。作为代表性的新型能源，太阳能一直在被人们关注，所以太阳能电池也在不断的发展当中。结合传统的集成电路工艺，硅基太阳能电池顺理成章的成为主要的太阳能电池材料。然而硅基太阳能电池由于其不耐辐照，转换效率有限等原因而无法满足所有的需求，人们需要一种新型的半导体材料来代替硅材料从而制备高效而可靠的太阳能电池。

目前，对太阳能电池的研究主要分为了两个技术路线，一个是有机太阳能电池，其工艺简单、成本低廉，但由于其可靠性非常低下，目前完全无法投入使用。而另一条技术路线则是受到GaN高效率蓝光LED的启发，认为禁带宽度可调的InN，GaN合金体系可以涵盖大部分太阳能波段，有希望研制高效的InGaN基合金材料，除此之外，InGaN基合金材料被认为是高度耐辐照的半导体材料，其可靠性也远远大于硅基太阳能电池。

然而对于氮化物体系材料而言，位错密度较大，掺杂难度较高使得光生载流子在空间电荷区的漂移运动能力受限。不仅如此，对于常规Ga极性InGaN基太阳能电池来说，高In组分的InGaN光吸收层的压电极化与自发极化强度与异质结另一侧的GaN层有差异，产生了固定极化电荷并形成的极化电场。极化电场与耗尽区的载流子漂移电场方向相反，从而抑制了电池中光电转换效率。为解决这个问题，有人提出了利用N极性结构，从而可以使用极化电场来辅助增强漂移电场，从而加强光生载流子的漂移能力，但是由于GaN与InGaN三元合金之间的自发极化本身差异不大，仅仅依靠InGaN合金材料与GaN之间的压电极化差是难以形成较大的极化电场，加上高In组分InGaN材料的外延难度较大，所以仅仅依靠N极性结构来增强InGaN基太阳能电池中光生载流子的漂移能力也效果甚微。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于ScAlN与InAlN极化***层增强电场的N极性InGaN基太阳能电池及制备方法，以提高太阳能电池的光电转换效率。

为实现上述目的，本发明的太阳能电池结构，自下而上包括：衬底层、高温AlN成核层、i-GaN层、n型In_yGa_1-yN层、In_zGa_1-zN/GaN多量子阱层和p型GaN层，n型In_yGa_1-yN层左右两端和p型GaN层上沉积有电极(9)，其特征在于：

在i-GaN层与n型In_yGa_1-yN层之间***有In_xAl_1-xN层，在p型GaN层上增设有Sc_uAl_{1- u}N层，以通过在In_xAl_1-xN层与n型In_yGa_1-yN层之间的极化矢量差值，和p型GaN层与Sc_uAl_1-uN层之间的极化矢量差值，产生强极化电场，并实现In_xAl_1-xN层分别与i-GaN层和n型In_yGa_1-yN层的晶格匹配；

所述In_xAl_1-xN层的In组分x为0.21-0.24，厚度为10-30nm，所述Sc_uAl_1-uN层的Sc的组分u为0.2-0.4，且该两层均采用N极性氮化物材料，即材料的最表层中心原子为N原子，在N极性下，极化电场与内建电场的方向相同，以增强载流子的漂移能力，提高太阳能电池的效率。

进一步，所述衬底采用的为SiC，GaN或者蓝宝石。

进一步，所述高温AlN成核层的厚度为20-30nm；所述的n型In_yGa_1-yN层的厚度为1-2μm，In的组分为0.02-0.06；所述的p型GaN层的厚度为100-200nm。

进一步，所述In_zGa_1-zN/GaN多量子阱层的周期数为10-30个周期，即In_zGa_1-zN层和GaN层交替生长，每个In_zGa_1-zN层和它上面的GaN层组合为一个周期，且每个In_zGa_1-zN层的厚度为3-5nm，每个GaN层的厚度为5-10nm，In含量x的调整范围为0.15-0.3。

为实现上述目的，本发明基于ScAlN与InAlN极化***层增强电场的N极性InGaN基太阳能电池制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对衬底层进行加热和高温氮化的预处理；

2)在预处理后的衬底上采用MOCVD工艺生长20-30nm的高温AlN成核层；

3)在高温AlN成核层上采用MOCVD工艺生长2-3μm的i-GaN层；

4)在i-GaN层上采用MOCVD工艺生长In的含量为0.21-0.24、厚度为10-30nm的In_xAl_1-xN层；

5)在In_xAl_1-xN层上采用MOCVD工艺生长In含量y的范围为0.02-0.06、厚度为300nm的n型In_yGa_1-yN层；

6)在n型In_yGa_1-yN层上采用MOCVD工艺生长10-30个周期的In_zGa_1-zN/GaN量子阱层，每个周期的单层In_zGa_1-zN阱层和GaN垒层的厚度分别为3-5nm和5-10nm，In含量z的调整范围分别为0.15-0.30；

7)在In_zGa_1-zN/GaN量子阱层上采用MOCVD工艺生长厚度为100-200nm的p型GaN层；

8)在p型GaN层上采用MOCVD工艺生长Sc组分为0.2-0.4、厚度为10-20nm的Sc_uAl_{1- u}N层；

9)将反应室温度维持在800-1000℃，在H₂气氛下，退火5-10min，再采用溅射金属的方法分别在n型In_yGa_1-yN层上沉积n型电极，在Sc_uAl_1-uN层沉积p型电极，完成对太阳能电池的制作。

与传统InGaN基太阳能电池相比，本发明具有如下优点：

1.本发明由于在i-GaN层与n-In_yGa_1-yN层之间***In_xAl_1-xN层，能在In_xAl_1xN_-层与n-In_yGa_1-yN层之间产生了极化矢量差，产生较大的极化电场，并通过In组分x的调整可以与i-GaN层和n-In_yGa_1-yN层达到晶格匹配，减少了对后续结构的外延生长的影响，从而保证了器件的晶体质量。

2.本发明由于在p-GaN层上增加了Sc_uAl_1-uN层，可通过在p-GaN层与Sc_uAl_1-uN层之间形成的极化矢量差，产生较大的极化电场，

3.本发明由于各层材料均采用N极性氮化物材料，可在N极性下，使得In_xAl_1-xN和Sc_uAl_1-uN层的两种强极化电场与太阳能电池内建电场相同，极大地增强了载流子的漂移能力，从而显著地增大了光生电流，提高了太阳能电池的效率。

附图说明

图1是本发明太阳能电池的结构示意图；

图2是本发明制作太阳能电池的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明的太阳能电池包括：衬底层1、高温AlN成核层2、i-GaN层3、In_xAl_1-xN层4、n型In_yGa_1-yN层5、In_zGa_1-zN/GaN多量子阱层6、p型GaN层7、Sc_uAl_1-uN层8。其中：

高温AlN成核层2位于衬底1之上，其采用厚度为20-30nm的N极性AlN材料；

i-GaN层3位于高温成核层2之上，其采用厚度为2-3μm的N极性GaN材料；

In_xAl_1-xN层4位于i-GaN层3之上，其采用厚度为10-30nm的N极性InAlN材料，通过调整温度，铟源的流量来调整In的含量，In含量的参数x调整范围为0.21-0.24，选取不同的x值可以调整极化强度和与n型In_yGa_1-yN层5的晶格匹配程度。

n型In_yGa_1-yN层5位于In_xAl_1-xN层4之上，其采用厚度为300nm的N极性InGaN材料，通过调整温度，铟源的流量来调整In的含量，In含量的参数y调整范围为0.02-0.06，选取不同的y值可以调整与In_xAl_1-xN层4的晶格匹配程度；

In_zGa_1-zN/GaN多量子阱层6位于n型In_yGa_1-yN层5之上，即In_zGa_1-zN层和GaN层交替生长，每个In_zGa_1-zN层和它上面的GaN层组合起来为一个周期，周期数目为10-30个周期，其中每个In_zGa_1-zN层的厚度为3-5nm，每个GaN层的厚度为5-10nm，其采用的是N极性的InGaN材料和GaN材料，通过调整生长阱层时铟源的流量、生长阱层时的温度、阱层的厚度来调整In的含量，In含量的参数z调整范围为0.15-0.3，选取不同的值可以改变制备出的InGaN基太阳能电池所吸收的波长。

p型GaN层7位于In_zGa_1-zN/GaN多量子阱层6之上，其采用厚度为100-200nm的N极性GaN材料。

Sc_uAl_1-uN层8位于p型GaN层7之上，其采用厚度为10-30nm的N极性ScAlN材料，通过调整Sc的流量来调整In的含量，Sc含量的参数调整范围为0.2-0.4，选取不同的x值可以调整Sc_uAl_1-uN层的极化强度。

参照图2，本发明给出制备ScAlN与InAlN极化***层增强电场的N极性InGaN基太阳能电池的三种实施例。

实施例1，在SiC衬底上制备厚度为10nm的In_0.21Al_0.79N极化增强层和厚度为10nm的Sc_0.3Al_0.7N极化增强层，30个周期的In_0.15Ga_0.85N/GaN多量子阱，可吸收420nm光波长的N极性InGaN基太阳能电池。

步骤一，对衬底进行预处理。

1a)将SiC衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至2×10^-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到50Torr的条件下，将衬底加热到温度为900℃，并保持5min，完成对衬底基片的热处理；

2a)将热处理后的衬底置于温度为1050℃的反应室，通入流量为3000sccm的氨气，持续5min进行氮化，完成氮化。

步骤二，生长高温AlN层,如图2(a)。

采用MOCVD工艺在反应室温度为1100℃、压力为60Torr的条件下，同时通入流量为3500sccm的氨气，流量为1200sccm氢气和流量为20sccm的铝源，在氮化后的衬底上生长厚度为20nm的N极性高温AlN成核层。

步骤三，生长i-GaN层，如图2(b)。

采用MOCVD工艺在反应室温度为1100℃、压力为60Torr的条件下，同时通入流量为3500sccm的氨气，流量为1200sccm氢气和流量为20sccm的铝源，在高温AlN层上生长厚度为20nm的N极性i-GaN层。

步骤四，生长In_0.21Al_0.79N层，如图2(c)。

采用MOCVD工艺在反应室温度为730℃，压力为20Torr的条件下，同时通入流量为1200sccm的氨气、流量为200sccm的铟源和流量为160sccm的铝源，控制In的含量x为0.21，在i-GaN层上生长厚度为10nm的N极性In_0.21Al_0.79N层。

步骤五，生长n型In_0.02Ga_0.98N层，如图2(d)。

采用MOCVD工艺在反应室温度为980℃的条件下，压力为20Torr的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气、流量为1200sccm氢气、流量为150sccm的镓源、流量为20sccm的铟源和流量为20sccm硅源，控制In的含量y为0.02，在i-GaN层上生长厚度为300nm的N极性In_0.02Ga_0.98层。

步骤六，生长In_0.15Ga_0.85N/GaN多量子阱层，如图2(e)

采用MOCVD工艺在压力为20Torr的条件下，在n型In_0.02Ga_0.98N层上生长In_0.15Ga_0.85N/GaN多量子阱，每个周期的单层In_0.15Ga_0.85N阱层和GaN垒层的厚度为3nm和5nm，其中生长过程中氮源的流量保持在3000sccm，且生长In_0.15Ga_0.85N阱层和生长GaN垒层的气体流量和温度不同，分别如下：

在生长In_0.15Ga_0.85N阱层时保持流量为50sccm的镓源和流量为160sccm的铟源，生长温度为840℃，控制In的含量z为0.15；

在生长GaN垒层时保持流量为150sccm的镓源，生长温度为930℃。

步骤七，生长p型GaN层，如图2(f)。

采用MOCVD工艺在反应室温度为1000℃、压力为20Torr的条件下，同时通入流量为3000sccm的氨气，流量为1200sccm氢气，流量为150sccm的镓源和流量为100sccm的镁源的条件下，在In_0.15Ga_0.85N/GaN多量子阱层上生长厚度为200nm的N极性p型GaN层。

步骤八，生长Sc_0.3Al_0.7N层，如图2(g)

采用MOCVD在反应室温度为950℃、压力为20Torr的条件下，生长过程中保持钪源流量为60sccm，铝源流量为250sccm，控制Sc的含量u为0.3，在p型GaN层上生长厚度为10nm的Sc_0.3Al_0.7N层。

步骤九，淀积电极，如图2(h)

将反应室温度维持在1000℃，在H₂气氛下，进行退火9min，再采用溅射金属的方法分别在n型GaN层上沉积n型电极，在Sc_0.3Al_0.7N层上沉积p型电极。

步骤十，将反应室温度维持在860℃，在H₂气氛下，退火12min完成对吸收光波长为420nm的InGaN基太阳能电池制作。

实施例2，在GaN衬底上制备厚度为15nm的In_0.22Al_0.77N层和厚度为15nm的Sc_0.35Al_0.7N极化增强层，20个周期的In_0.22Ga_0.78N/GaN多量子阱，吸收光波长为510nm的N极性InGaN基太阳能电池。

步骤1，对衬底进行预处理。

1.1)将GaN衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至1.5×10^-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到750Torr的条件下，将衬底加热到温度为1100℃，并保持3min，完成对衬底基片的热处理；

1.2)将热处理后的衬底置于温度为1150℃的反应室，通入流量为4000sccm的氨气，持续5min进行氮化，完成氮化。

步骤2，生长高温AlN层,如图2(a)。

采用MOCVD工艺在在氮化后的衬底上生长厚度为30nm的N极性高温AlN成核层。

该MOCVD工艺条件为：反应室温度为1200℃、压力为40Torr，同时通入流量为4500sccm的氨气、流量为1200sccm氢气和流量为25sccm的铝源这三种气体。

步骤3，生长i-GaN层，如图2(b)。

采用MOCVD工艺在AlN成核层上生长厚度为2.5μm的N极性i-GaN层。

该MOCVD工艺条件为：反应室温度为1030℃，压力为20Torr，同时通入流量为4000sccm的氨气、流量为1300sccm氢气和流量为130sccm的镓源这三种气体。

步骤4，生长In_0.22Al_0.79N层，如图2(c)。

采用MOCVD工艺在n型GaN层上生长厚度为15nm的N极性In_0.22Al_0.79N层。

该MOCVD工艺条件为：反应室温度为760℃、压力为40Torr，同时通入流量为1200sccm的氨气、流量为250sccm的铟源和流量为140sccm的铝源这三种气体，控制In的含量x为0.22。

步骤5，生长n型In_0.06Ga_0.94N层，如图2(d)。

采用MOCVD工艺在In_0.22Al_0.79N层上生长厚度为300nm的N极性n型In_0.06Ga_0.94N层。

该MOCVD工艺条件为：反应室温度为950℃、压力为20Torr，同时通入流量为3000sccm的氨气、流量为1200sccm氢气、流量为100sccm的镓源、流量为50sccm的铟源和流量为20sccm硅源这五种气体，控制In的含量y为0.06。

步骤6，生长In_0.22Ga_0.78N/GaN多量子阱层，如图2(e)

采用MOCVD工艺在n型In_0.06Ga_0.94N层上生长In_0.22Ga_0.78N/GaN多量子阱，生长周期为20个周期，每个周期的单层In_0.22Ga_0.78N阱层和GaN垒层的厚度为3nm和8nm。

该MOCVD工艺条件为：氨气的流量保持在3500sccm，且生长In_0.22Ga_0.78N阱层和生长GaN垒层的气体流量和温度不同，分别如下：

在生长In_0.3Ga_0.7N阱层时保持流量为30sccm的镓源和流量为200sccm的铟源，生长温度为800℃，控制In的组分z为0.3；

在生长GaN垒层时保持流量为200sccm的镓源，生长温度为850℃。

步骤7，生长p型GaN层，如图2(f)。

采用MOCVD工艺在In_0.22Ga_0.78N/GaN多量子阱层上生长厚度为200nm的N极性p型GaN层。

该生长条件为：反应室温度为1100℃、压力为20Torr，同时通入流量为3500sccm的氨气、流量为1200sccm氢气、流量为130sccm的镓源和流量为150sccm的镁源这四种气体。

步骤8，生长Sc_0.35Al_0.65N层，如图2(g)

采用MOCVD工艺在p型GaN层上生长15nm的Sc_0.35Al_0.65N层。

该MOCVD工艺条件为：反应室温度为1050℃、压力为20Torr，生长过程中保持钪源流量为80sccm，铝源流量为220sccm这两种气体，控制Sc的组分u为0.35。

步骤9，淀积电极，如图2(h)

将反应室温度维持在1100℃，在H₂气氛下，进行退火12min，再采用溅射金属的方法分别在n型GaN层上沉积n型电极，在Sc_0.35Al_0.65N层上沉积p型电极。

步骤10，将反应室温度维持在900℃，在H₂气氛下，退火5min完成对吸收光波长为550nm的InGaN基太阳能电池的制作。

实施例3，在蓝宝石衬底上制备厚度为20nm的In_0.23Al_0.78N层和厚度为20nm的Sc_0.4Al_0.6N极化增强层，10个周期的In_0.3Ga_0.7N/GaN多量子阱，吸收光波长为550nm的N极性InGaN基太阳能电池。

步骤A，对衬底进行预处理。

将蓝宝石衬底经过清洗之后，先置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至1.7×10^-2Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到500Torr的条件下，将衬底加热到温度为1300℃，并保持10min，完成对衬底基片的热处理；再将热处理后的衬底置于温度为1300℃的反应室，通入流量为5000sccm的氨气，持续15min进行氮化，完成氮化。

步骤B，生长高温AlN层,如图2(a)。

向反应室内通入流量为5000sccm的氨气、流量为1300sccm氢气和流量为30sccm的铝源，并且在保持反应室的温度为1300℃、压力为20Torr的条件下，采用MOCVD工艺在氮化后的衬底上生长25nm的N极性高温AlN成核层

步骤C，生长i-GaN层，如图2(b)。

向反应室内通入流量为4500sccm的氨气、流量为1200sccm氢气和流量为150sccm的镓源，在保持反应室的温度为1000℃、压力为30Torr的条件下，采用MOCVD工艺在AlN成核层上生长3μm的N极性i-GaN层。

步骤D，生长In_0.23Al_0.78N层，如图2(c)。

向反应室内通入量为1500sccm的氨气、流量为200sccm的铟源和流量为120sccm的铝源，并在保持反应室的温度850℃，压力为20Torr的条件下，控制In的组分为0.23，采用MOCVD工艺在i-GaN层上厚度为20nm的N极性In_0.23Al_0.79N层。

步骤E，生长n型In_0.04Ga_0.96N层，如图2(d)。

向反应室内通入流量为4000sccm的氨气、流量为1200sccm氢气、流量为150sccm的镓源、流量为60sccm的铟源和流量为60sccm硅源，并在保持反应室的温度870℃，压力为50Torr的条件下，控制In的组分为0.04，采用MOCVD工艺在In_0.22Al_0.78N层上生长厚度为300nm的N极性In_0.04Ga_0.96层。

步骤F，生长In_0.3Ga_0.7N/GaN多量子阱层，如图2(e)

向反应室内通入流量为3000sccm的氨气，采用MOCVD工艺在n型In_0.04Ga_0.96N层上交替生长厚度10个周期的In_0.3Ga_0.78N/GaN多量子阱层，且生长In_0.3Ga_0.7N阱层和生长GaN垒层采用不同的气体流量和温度，即：

在生长In_0.3Ga_0.7N阱层时保持流量为80sccm的镓源和流量为170sccm的铟源，生长温度为750℃，控制In的组为在0.3；

在生长GaN垒层时保持流量为100sccm的镓源，生长温度为880℃。

步骤G，生长p型GaN层，如图2(f)。

向反应室内通入流量4500sccm的氨气、流量为1200sccm氢气、流量为150sccm的镓源和流量为50sccm的镁源，并在保持反应室的温度为1000℃，压力为20Torr的条件下，采用MOCVD工艺在In_0.3Ga_0.78N/GaN多量子阱层上生长厚度为150nm的N极性p型GaN层。

步骤H，生长Sc_0.4Al_0.6N层，如图(g)

向反应室内通入流量为100sccm的钪源、流量为180sccm的铝源，并在保持反应室温度为1050℃，压力为20Torr的条件下，控制Sc的组分为0.4，采用MOCVD工艺在p型GaN层上生长厚度为10nm的Sc_0.4Al_0.6N层。

步骤I，淀积电极，如图2(h)

将反应室温度维持在1200℃，在H₂气氛下，先进行退火10min，再采用溅射金属的方法分别在n型GaN层上沉积n型电极，在Sc_0.4Al_0.6N层上沉积p型电极。

步骤J，将反应室温度维持在950℃，在H₂气氛下退火7min，完成对吸收光波长为510nm的InGaN基太阳能电池的制作。

以上描述仅是本发明的三个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。