用于光伏电池和其他光吸收装置的啁啾分布式布拉格反射器

摘要

诸如多结光伏电池的半导体光吸收装置包括在结下方的啁啾分布式布拉格反射器。啁啾分布式布拉格反射器在大波长范围内提供高反射率，并且具有改进的角容差，以便在大波长范围和入射角上在上覆结内提供增加的吸收。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2018年3月12日提交的第62/641,482号美国临时申请的优先权，该申请通过引用清楚地并入本文。

技术领域

本发明涉及具有啁啾分布式布拉格反射器的半导体光吸收装置，具体地，涉及具有设置在结下方的啁啾分布式布拉格反射器的多结光伏电池。啁啾分布式布拉格反射器在宽波长范围内提供高反射率，以及具有改进的角度容限，以便在较宽的波长范围和入射角内在装置内提供增加的吸收。

背景技术

已知主要基于III-V化合物半导体材料的多结光伏电池产生最高效率的电池，使得该电池非常适合地面应用，诸如聚光光伏(CPV)系统和空间应用。如图1和图2A-2D所示，多结光伏电池(100)包括串联连接的多个二极管，在本领域中称为结(图1中106、107和108)，其通过在半导体基底上的堆叠部中生长薄外延区来实现。堆叠部中的每个结均具有唯一的带隙，以及优化用于吸收太阳光谱的不同部分，从而提高太阳能转换的效率。这些结可从具有不同光学和电学特性的各种半导体材料中选择，以吸收太阳光谱的不同部分。这些材料布置成使得结的带隙从顶部结(106)到底部结(108)逐渐变低。因而，在顶部结中吸收高能光子，而能量较低的光子通过顶部结到达较低的结，在该较低的结中，吸收低能量光子。在每个结中，产生电子-空穴对，以及在光伏电池(图1中的2和52)的欧姆接触处收集电流。用于形成结的半导体材料包括例如锗和元素周期表第III族和第V族的一种或多种元素的合金。这些合金的示例包括磷化铟镓、磷化铟、砷化镓、砷化铝镓、砷化铟镓、锑化镓、磷化铟和稀氮化物化合物。对于三元和四元化合物半导体，可使用大范围的合金比率。在相邻电池之间使用隧道结来使电池互连。

将稀氮化物作为光伏电池材料是有利的，因为晶格常数可变化，以匹配由除了稀氮化物之外的半导体材料形成的大范围的基底和/或结。因为稀氮化物提供高质量的、晶格匹配的且带隙可调的结，因而包含稀氮化物结的光伏电池可在工业标准基底上实现高转换效率。效率的提高很大程度上是由于较少的光能作为热而损失，因为附加结允许更多的入射光子由带隙更接近入射光子能量的半导体材料吸收。另外，与其它光伏电池相比，由于工作电流较低，因而在这些多结光伏电池中将存在较低的串联电阻损耗。在较高的阳光浓度下，降低的串联电阻损失变得更加显著。根据底部结的带隙，光伏光谱中的较大范围的光子收集也可有助于提高效率。稀氮化物材料也可用作红外光电探测器中的吸收体层。

稀氮化物的示例包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi和GaNAsSbBi。稀氮化物的晶格常数和带隙可通过不同第IIIA族和第VA族元素的相对分数来控制。另外，通过选择特定晶格常数和带隙周围的组成，同时将总锑和/或铋含量限制在例如不超过第V族晶格位置的20％，可获得高质量的材料。锑和铋被认为是促进III-ASNV稀氮化物合金的平滑生长形态的表面活性剂。因而，通过调整稀氮化物材料的组成(即，元素和量)，可获得大范围的晶格常数和带隙。可调整带隙和成分，使得由光伏电池中的稀氮化物结产生的短路电流密度将与光伏电池中的其它结中的每一个的短路电流密度相同或略大于光伏电池中的其它结中的每一个的短路电流密度。还可调整稀氮化物的带隙和组成，从而为光电检测器提供改进的检测器响应性。

具有最低电流的光伏电池中的结是限流结，并且限制装置中的最大电流，从而降低效率。低电流可由光吸收系数较弱的电池产生，或由载流子收集或寿命终止问题需要薄结的结产生。因此，需要增加这种结内的吸收，并因而增加由结产生的电流。

已经提出分布式布拉格反射器(DBR)来改善多结光伏电池中的结的性能。结下方的DBR可设计成将未吸收的光反射回结中，反射的光可被吸收，并有助于改善电流的产生。

第8,716,493号美国专利和第9,257,586号美国专利公开了在3J装置的GaInNAsJ2结下方的DBR。为了使3J光伏电池以合理的效率工作，J1/GaInNAs J2/Ge3J光伏电池的带隙可为例如1.9eV/1.35至1.4eV/0.7eV。反射率谱显示，在从约800nm到900nm的约100nm的波长范围内，可实现大于60％的高反射率，其中长于约900nm的波长以低损耗透射到下方的Ge结。

第9,018,521号美国专利公开了一种DBR，其位于倒转的异质的非晶格匹配的多结(IMM)光伏电池的第一结J1的下面。

美国申请公开2010/0147366公开了在倒转的异质的非晶格匹配的多结(IMM)光伏电池的第二结J2和第三结J3下方的DBR。

美国申请公开2017/0200845公开了具有第一DBR和第二DBR的光伏电池，其中DBR在不同的波长范围反射，在多结光伏电池中的稀氮化物电池的下面。

然而，半导体DBR的反射率带宽通常限于约100nm。尽管一些工作提到了更宽的反射率带宽，但是没有描述实现更宽带宽的特定设计。例如，虽然双层DBR看起来在约150nm的波长范围内是可操作的，但是没有描述能够在较大波长范围扩展反射率的设计，例如，对应于稀氮化物结中的吸收光谱上扩展反射率的设计。

稀氮化物异质结构可表现出高的背景掺杂水平、低的少数载流子寿命和短的少数载流子扩散长度，这可减小装置内的光载流子收集体积。这可限制由稀氮化物产生的短路电流密度(Jsc)，以及还降低电池效率。可通过降低氮化物含量来改善材料质量，但是这增加了材料的带隙，改变了吸收光谱，并降低了吸收水平。反射器可用于将未吸收的光子反射回较薄的吸收区，从而有效地增加较薄区的吸收水平。反射器也可用于补偿与较大带隙材料相关的较长波长处的降低的吸收。优选的是，在覆盖特定结的整个吸收范围的较宽波长范围内实现反射率。

DBR的反射率谱可在不同入射角在幅度和工作波长上移动。这可减小反射器对设备的影响。在光的入射角随时间变化的一些应用中，可限制DBR的效果。在诸如使用光学装置的聚光光伏(CPV)系统的系统中，其中，可在较宽的角度范围上引入光以提高效率，或在粗糙表面用于降低空气-半导体界面处的反射率的情况下，较宽的入射角范围意味着光不能同样有效地反射回来。

因此，需要用于包括光伏系统和光电探测器的光吸收装置的新反射器结构，其提供更宽的反射率谱，并且对入射光的角度变化也不太敏感。

发明内容

根据本发明，半导体结构包括：包括高波长吸收边缘的光吸收区；以及在光吸收区下方的啁啾分布式布拉格反射器，其中啁啾分布式布拉格反射器配置为提供：在与法线相距±45度的范围内的入射角处的反射率大于50％；100nm或更大的半峰全宽波长范围；以及在比上覆光吸收区的高波长吸收边缘长50nm的波长处的大于80％的传递率。

根据本发明，半导体结构包括啁啾分布式布拉格反射器；以及光吸收区，其覆盖在啁啾分布式布拉格反射器上。

根据本发明，多结光伏电池包括根据本发明的半导体结构；在啁啾分布式布拉格反射器下方的第一掺杂层；以及覆盖光吸收区的第二掺杂层。

根据本发明，半导体装置包括根据本发明的半导体结构。

根据本发明，多结光伏电池包括根据本发明的半导体结构。

根据本发明，光伏模块包括根据本发明的多结光伏电池。

根据本发明，电力系统包括根据本发明的光伏模块。

根据本发明，制造半导体结构的方法包括：设置半导体基底；在半导体基底上沉积啁啾半导体反射器，并在反射器上沉积第一光吸收区，其中第一光吸收区具有带隙和相关的吸收光谱，以及其中，啁啾半导体反射器将波长范围反射回第一光吸收区，反射回的波长范围可由所述吸收区吸收。

附图说明

本领域的技术人员将了解的是，本文所描述的附图仅用于说明性目的。附图不旨在限制本公开的范围。

图1示出了现有技术的多结光伏电池的示例的横截面。

图2A示出了具有三个结的多结光伏电池的横截面的示意图。

图2B和图2C示出了具有四个结的多结光伏电池的示意性横截面。

图2D示出了具有五个结的多结光伏电池的示意性横截面。

图3示出了根据本公开的光吸收装置的示意性横截面。

图4示出了根据本公开的三结光伏电池的示意性横截面。

图5示出了根据本公开的四结光伏电池的示意性横截面。

图6示出了可存在于包括AlInGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb的3J多结光伏电池中的某些层的组成和功能的示例。

图7示出了可存在于包括AlInGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb/Ge的4J多结光伏电池中的某些层的组成和功能的示例。

图8示出了具有固定层厚度和不同数量的电介质对的非啁啾DBR设计的反射率谱。

图9示出了根据本公开的实施方式的啁啾DBR反射器的示意性横截面。

图10示出了根据本公开的两个啁啾DBR的DBR反射率谱。

图11示出了稀氮化物J3结和4J光伏电池的(Si,Sn)Ge J4结的模拟波长相关量子效率，其中在稀氮化物J3结(Si,Sn)Ge J4结之间具有啁啾DBR和不具有啁啾DBR。

图12示出了从图11所示的模拟结果得到的稀氮化物J3结的模拟波长相关吸收率差。

图13示出了基线稀氮化物J3结和具有下方的啁啾DBR的较薄的稀氮化物J3结的波长相关量子效率。

图14示出了根据本公开的实施方式的非啁啾DBR反射率谱和啁啾DBR反射率谱。

具体实施方式

下方的详细描述参考附图，这些附图通过示例的方式示出了可实施本发明的具体细节和实施方式。充分详细地描述了这些实施方式，以使本领域技术人员能够实施本发明。可利用其它实施方式，以及可在不脱离本发明的范围的情况下进行结构、逻辑和电气方面改变。本文所公开的各种实施方式不一定相互排斥，因为一些所公开的实施方式可与一个或多个其它所公开的实施方式组合，以形成新的实施方式。因此，不应认为以下详细描述是限制性的，以及本发明的实施方式的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求所授权的等同物的全部范围来限定。

尽管阐述本发明的大范围的数值范围和参数是近似值，但在具体实施方式中阐述的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包括由在它们各自的测试测量中发现的标准变化而必然产生的某些误差。

另外，应当理解的是，本文所述的任何数值范围均旨在包括其中涵盖的所有子范围。例如，“1至10”的范围旨在包括所述最小值约1和所述最大值约10之间(并包括)所有子范围，即，具有等于或大于约1的最小值和等于或小于约10的最大值。

“晶格匹配”是指当材料的厚度大于100nm时，相邻材料在其完全松弛状态下的面内晶格常数相差小于0.6％的半导体层。另外，基本上彼此晶格匹配的结意味着在厚度大于100nm的结中的所有材料在它们的完全弛豫状态下具有相差小于0.6％的面内晶格常数。在替代的含义中，基本上晶格匹配是指应变。因此，基层可具有0.1％至6％、0.1％至5％、0.1％至4％、0.1％至3％、0.1％至2％或0.1％至1％的应变；或可具有小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％或小于1％的应变。应变是指压缩应变和/或拉伸应变。

本文所用的术语“假晶应变”是指由具有晶格参数差异的不同材料制成的层可生长在其它晶格匹配或应变层之上，而不产生错配位错。假晶应变层可具有例如相差高达+/-2％、高达+/-1％、或高达+/-0.5％的晶格参数。晶格参数可相差高达+/-0.2％。

术语“长波长吸收边缘”是指可由诸如光吸收区的半导体材料吸收的最长波长，其与半导体的带隙能量有关。波长比长波长吸收边缘长的光具有比半导体材料的带隙小的相关能量，因而不被材料吸收。长波长吸收边缘更具体地指在吸收光谱的长波长边缘处的波长，在该吸收光谱的长波长边缘处，吸收是诸如光吸收区的半导体层的吸收光谱内的最大吸收的50％。例如，参考图11，J3结的长波长吸收边缘约为1150nm，而J4结的长波长吸收边缘约为1650nm。

术语“短波长吸收边缘”是指可由装置内的半导体材料吸收并且有助于在该半导体材料中产生电流的最短波长。更具体地，短波长吸收边缘是指吸收光谱的短波长边缘处的波长，在该波长处的吸收是诸如光吸收区的半导体层的吸收光谱内的最大吸收的50％。例如，参考图11，用于J3结的短波长吸收边缘是大约825nm，以及用于J4结的短波长吸收边缘是大约1150nm。

本发明的装置和方法便于制造高质量的含稀氮化物的半导体装置，诸如多结光伏电池。本公开教导了在诸如多结光伏电池的稀氮化物结之类的稀氮化物层下面具有啁啾反射器的装置以及制造这种装置的方法。诸如包括在稀氮化物层下方的啁啾反射器的多结光伏电池的半导体表现出改进的性能。啁啾反射器可为啁啾DBR(CDBR)。

本公开提供的半导体装置可包括含有稀氮化物的第一半导体层；在第一半导体层下方的啁啾反射器；以及位于啁啾反射器下方的第二半导体层，其中，第一半导体层、啁啾反射器和第二半导体层与其它层中的每一个晶格匹配。可结合三层结构的半导体装置的示例包括功率转换器、光电探测器、晶体管、激光器、发光二极管、光电子装置和诸如多结光伏电池的光伏电池。稀氮化物层可包括GaInNAs、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi或GaNAsSbBi。稀氮化物层可包括GaInNAsSb、GaInNAsBi或GaInNAsSbBi。稀氮化物层可包括GaInNAsSb。

多结光伏电池可包括至少三个结，诸如三结3J、四结(4J)、五结(5J)或六结(6J)光伏电池，其中节中的至少一个包括稀氮化物。多结光伏电池可包括例如一个稀氮化物结或两个稀氮化物结。

多结光伏电池可包括稀氮化物结、在稀氮化物结下方的CDBR层、以及在CDBR层下方的(Si,Sn)Ge结。在包括两个稀氮化物结的多结光伏电池中，单独的CDBR层可位于稀氮化物结中的每个的下方，或单个CDBR层可位于最下方的稀氮化物结的下方。

稀氮化物结可具有例如从0.5微米至4微米、从0.5微米至3.5微米、从0.5微米至3微米、从0.5微米至2.5微米、从0.5微米至2微米、从0.5微米至1.5微米、或从1微米至2微米的厚度。

如图1所示，多结光伏电池100可包括基底5、背金属接触52、包括盖区3的顶金属接触2和形成结中的每个的异质外延层45。ARC1覆盖在金属接触2、盖区3和最上面的结106的前表面上。图1所示的多结光伏电池包括三个结106、107和108。每个结均可包括形成元件132的前表面场4和发射极102、耗尽区103、基极104、后表面场105和隧道结167。ARC 1可覆盖多结光伏电池的顶表面。隧道结178使第二结107和第三结108互连。异质外延层45覆盖基底5，以及金属接触52设置在基底5的背侧上。基底5还可为多结光伏电池的有源结，诸如当基底包括(Si,Sn)Ge时。

图2A-图2D示出了包括至少一个稀氮化物结的多结光伏电池的示意图。图2A示出了包括(Al,In)GaP结、(Al,In)GaAs结和稀氮化物结的三结3J光伏电池。图2B示出了包括(Al,In)GaP结、(Al,In)GaAs结、稀氮化物结和(Si,Sn)Ge结的四结4J光伏电池。(Al,In)GaP结可具有1.9eV至2.2eV的带隙；(Al,In)GaAs结可具有1.4-1.7eV的带隙；稀氮化物结可具有0.9eV至1.3eV的带隙；并且(Si,Sn)Ge结可具有0.7eV至0.9eV的带隙。图2C示出了包括(Al,In)GaP结、(Al,In)GaAs结和两个稀氮化物结的四结4J光伏电池。(Al,In)GaP结可具有1.9eV至2.2eV的带隙；(Al,In)GaAs结可具有1.4-1.7eV的带隙；稀氮化物结(J3)可具有1.0eV至1.3eV的带隙；以及稀氮化物结(J4)可具有0.7eV至1.1eV的带隙。图2D示出了包括(Al,In)GaP结、(Al,In)GaAs结、两个稀氮化物结和(Si,Sn)Ge结的五结5J光伏电池。

可配置多结光伏电池，使得具有最高带隙的结面向入射太阳辐射，其中结的特征在于位于最上面的结下面或下方的逐渐降低的带隙。为了优化效率，结的特定带隙至少部分地由底部结的带隙、结层的厚度和入射光的光谱决定。多结光伏电池内的所有结均可基本上与其它结中的每一个晶格匹配。可在诸如(Si,Sn)Ge基底的基底上制造多结光伏电池。基底可包括砷化镓、磷化铟、锑化镓、(Si,Sn)Ge、硅、或工程基底，诸如缓冲硅基底。可在硅上生长以产生具有等于或近似等于Ge或GaAs的晶格常数的晶格常数的基底的缓冲器的示例包括SiGeSn和稀土氧化物(REOs)。结中的每个均可基本上与基底晶格匹配。

稀氮化物有利地用作光伏电池材料，因为晶格常数可变化，以基本上匹配由除了稀氮化物之外的半导体材料形成的大范围的基底和/或结。稀氮化物的示例包括GaInNAs、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi和GaNAsSbBi。稀氮化物的晶格常数和带隙可通过不同IIIA族和VA族元素的相对分数来控制。因而，通过调整稀氮化物材料的组成(即，元素和量)，可获得大范围的晶格常数和带隙。另外，通过调节特定晶格常数和带隙周围的组成，同时将总Sb和/或Bi含量限制为例如不超过V族晶格位置的20％，例如不超过V族晶格位置的10％，可获得高质量的材料。认为Sb和Bi作为表面活性剂，促进III-ASNV稀氮化物合金的平滑生长形态。另外，Sb和Bi可促进氮的均匀结合，并最小化氮相关缺陷的形成。Sb和Bi的引入可增强整个氮的引入并减小合金带隙。然而，Sb和Bi可能产生额外的缺陷，因此希望将Sb和/或Bi的总浓度限制在不超过V族晶格位置的20％。另外，Sb和Bi含量的极限随着氮含量的降低而降低。包括铟的合金对总含量具有乃至更低的限制，因为In可减少调整晶格常数所需的Sb的量。对于包括In的合金，可将Sb和/或Bi的总含量限制为不超过V族晶格位置的5％，在某些实施方式中，限制为不超过V族晶格位置的1.5％，在某些实施方式中，限制为不超过V族晶格位置的0.2％。

例如，在第8,912,433号美国专利中公开的Ga

在本公开提供的稀氮化物中，N含量不超过V族晶格位点的10％、不超过7％、不超过5.5％、不超过4％，以及在某些实施方式中，不超过3.5％。

在本公开提供的稀氮化物中，稀氮化物可包括Ga

本公开的实施方式包括稀氮化物结，其在基层中包括例如GaInNAsSb、GaInNAsBi或GaInNAsBiSb，其可并入到以高效率运行的多结光伏电池中。可通过改变组成同时控制Sb和/或Bi的总含量来调整稀氮化物的带隙。因而，可制造具有适于与其它结集成的带隙的稀氮化物结，同时保持与其它结中的每一个以及与基底的基本晶格匹配。可调整带隙和成分，使得由稀氮化物结产生的Jsc将与光伏电池中的其它结中的每一个的Jsc相同或略大。因为稀氮化物提供高质量的、晶格匹配的和带隙可调的结，所以包括稀氮化物结的光伏电池可实现高转换效率。效率提高主要是由于较少的光能作为热而损失，因为附加结允许更多的入射光子由带隙更接近入射光子能量的半导体材料吸收。另外，与其它光伏电池相比，由于工作电流较低，因而在这些多结光伏电池中将存在较低的串联电阻损耗。在较高的阳光浓度下，降低的串联电阻损失变得更加显著。根据底部结的带隙，在太阳光谱中收集更大范围的光子也可有助于提高效率。

由于不同元素之间的相互作用，以及诸如稀氮化物层中的应变的因素，因而对于诸如Ga

在第9,214,580号、美国专利申请公开2016/9118526和美国专利申请公开2017/0338357中公开了具有渐变掺杂分布的稀氮化物子电池，通过引用将其全文并入本文。已表明渐变掺杂分布改善了稀氮化物结的性能。这种结可包括：具有第一厚度，并且具有小于大约1×1015/cm

图3示出了根据本公开的半导体光电吸收装置300的示例的侧视图。装置300包括基底302、第一半导体层306、啁啾反射器304、吸收层308和第二半导体层310。为简单起见，每个层均被示为单层。然而，应当理解的是，每个层均可包括具有不同组成、厚度和掺杂水平的一个或多个层，以提供适当的光学和/或电学功能，并改善界面质量、电子传输、空穴传输和/或其它光电子特性。

基底302可具有与GaAs或Ge的晶格常数匹配或几乎匹配的晶格常数。基底可为GaAs。基底302可为掺杂的p型或n型，或可为半绝缘(SI基底)。基底302的厚度可选择为任何合适的厚度。基底302可包括一个或多个层，例如具有上覆SiGeSn缓冲层的Si层，上覆SiGeSn缓冲层设计成具有与GaAs或Ge的晶格常数匹配或几乎匹配的晶格常数。这可意味着基底的晶格参数可与GaAs或Ge的晶格参数相差小于或等于3％、小于或等于1％、或小于或等于0.5％。

第一掺杂层306可具有一种类型的掺杂，以及第二掺杂层310具有相反类型的掺杂。如果第一掺杂层306是n型掺杂的，则第二掺杂层310是p型掺杂的。相反，如果第一掺杂层306是掺杂p型，则第二掺杂层310是掺杂n型。p型掺杂剂的示例包括C和Be。n型掺杂剂的示例包括Si和Te。掺杂层306和310选择为具有与基底晶格匹配或假晶应变的组成。掺杂层可包括任何III-V材料，诸如GaAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、GaInPA、GaInNAs、GaInNAsSb。第一掺杂层和第二掺杂层的带隙可高于有源区308的带隙。可使用在约1×10

啁啾反射器304可包括交替的具有不同折射率的材料层。层之间的折射率差和层厚度在期望的波长范围内提供反射率。啁啾反射器304包括具有不同折射率和至少两种不同层厚度的至少两种不同材料。啁啾反射器304的层可包括例如周期表的III族和V族的半导体材料，诸如AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、InGaAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。

吸收层308与基底和/或掺杂层晶格匹配或假晶应变。吸收层308的带隙小于掺杂层306和310的带隙。吸收层308包括能够在所需波长范围内吸收的层。

吸收层308可包括稀氮化物材料。稀氮化物材料是Ga

啁啾反射器304覆盖基底层302和第一掺杂层306，并位于吸收层308之下。啁啾反射器304与基底和其它上覆和下方层晶格匹配或伪晶应变。啁啾反射器304可设计成具有反射光谱，该反射光谱反射可由吸收区308吸收的波长的光。在第一次通过吸收层308期间最初没有被吸收在吸收层308中的光可反射回吸收层308中，从而可进行吸收。

可用与第一掺杂层306相同的掺杂类型来掺杂啁啾反射器304。

吸收区308和掺杂层306和310形成p-i-n或n-i-p结。该结提供用于操作诸如光电探测器或发光二极管的装置的基本结构。对于光电探测器，p-i-n外延结构对装置的本征区(有源区)中的背景掺杂具有严格的要求，所述本征区(有源区)通常在零或非常低的偏压下操作。因此，有源区不是故意掺杂的。有源层可为本征层或无意掺杂层。非故意掺杂的半导体没有故意添加的掺杂剂，但是可包括作为掺杂剂的杂质的非零浓度。例如，有源区的载流子浓度可为例如小于1×10

图4示出了三结(3J)多结光伏电池400的示意性横截面。以GaAs作为基底402为例，可在基底402上沉积半导体材料，以形成啁啾反射器404。然后可形成第一结406。第一结406可为稀氮化物结。在该示例中，在结构中包括两个另外的结(408和410)，其中所有结均通过隧道结(未示出)电连接，从而提供多个p-n结的串联连接。

图5示出了四结(4J)多结光伏电池500的示意性横截面。以Ge作为基底502为例，一个或多个Ge层可形成底部结，从而具有p-n结。然后，可在基底上形成啁啾反射器504，接着形成结506。在该示例中，结506可为稀氮化物结。在该示例中，可在结构中包括两个另外的结(508和510)，所有结均通过隧道结(未示出)互连，从而提供多个p-n结的串联连接。

本领域技术人员可理解的是，在多结光伏电池400和500中可结合或省略其它类型的层，以产生功能装置，因此不进行详细描述。这些其它类型的层包括，例如，覆盖玻璃、抗反射涂层(ARC)、接触层、前表面场(FSF)、隧道结、窗口、发射器、后表面场(BSF)、成核层、缓冲层和基底或晶片手柄。在本文描述和说明的每个实施方式中，可存在附加半导体层以产生多结光伏电池。具体而言，可在顶部结之上形成帽或一个或多个接触层、ARC层和电触点(也称为金属栅格)，以及一个或多个缓冲层、基底或手柄和底部触点可形成或存在于底部结之下。在某些实施方式中，基底也可用作底部结，诸如在锗结中。如本领域技术人员已知的是，也可在没有一个或多个上面列出的层的情况下形成多结光伏电池。这些层中的每一个都需要仔细设计，以确保其并入多结光伏电池中不会损害高性能。

图6示出了3J结构(例如，AlInGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb)的示例，其示出了可能存在于多结光伏电池400中的可能的附加半导体层。在这种结构中，啁啾反射器覆盖在沉积在基底上的缓冲层上。在一些实施方式中，啁啾反射器也可用作缓冲层。所示的啁啾反射器包括GaAs/AlGaAs层。该啁啾反射器包括具有不同折射率和至少两种不同层厚的至少两种不同材料。啁啾反射器304可包括例如周期表的III族和V族的半导体材料，例如AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、InGaAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、AlInGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。在该示例中，如本领域所公知的是，啁啾反射器位于隧道结、包括高n掺杂层和高p掺杂层的两层结构的下面，以及位于稀氮化物吸收体的下面。稀氮化物吸收剂可具有单层或可具有多于一层。在第2016/0118526号美国专利申请和第2017/0338357号美国专利申请中描述了具有两个层的稀氮化物吸收剂的示例，每个层均具有不同的掺杂分布，这两个专利申请通过引用结合于本文中。

图7示出了具有包括InAlPSb的成核层和高温势垒的4J结构(例如，AlInGaP/(Al,In)GaAs/GaInNAsSb/Ge)的示例，示出了可存在于多结光伏电池500(图5)中的这些可能的附加半导体层。在这种结构中，啁啾反射器覆盖在沉积在基底上的缓冲层上。在一些实施方式中，啁啾反射器也可用作缓冲层。所示的啁啾反射器包括GaAs/AlGaAs层。该啁啾反射器包括具有不同折射率和至少两种不同层厚的至少两种不同材料。啁啾反射器504(图5)可包括例如周期表的III族和V族的半导体材料，例如AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、InGaAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。与前述示例中的示例类似，在该示例中，啁啾反射器位于隧道结、包括高n-掺杂层和高p-掺杂层的两层结构的下方，以及如本领域所公知的，位于稀氮化物吸收器的下方。稀氮化物吸收剂可具有单层或可具有多于一层。在第2016/0118526号美国专利申请和第2017/0338357号美国专利申请中描述了具有两个层的稀氮化物吸收剂的示例，每个层具有不同的掺杂分布，这两个专利申请通过引用结合于本文中。

DBR是由具有不同折射率的交错半导体材料形成的周期性结构，其可用于在频率或波长范围内实现高反射。反射镜结构的两个这样的层可称为镜面对。在非啁啾DBR设计中，基于期望的设计波长λ

DBR是GaAs VCSEL(垂直腔表面发射激光器)领域中的成熟技术，其中覆盖量子阱有源区的两个DBR产生面外法布里-珀罗激光腔。GaAs VCSEL使用存在于典型光伏电池中的材料，诸如GaAs和AlGaAs。估计表明，由15至20个80nm至90nm厚的GaAs和90nm至100nm厚的Al0.75Ga0.25As夹层的交替对构成的DBR在950nm至1,100nm范围内的波长下可实现90％至97％的反射率。

图8示出了具有五(5)个周期结构的非啁啾DBR的计算的光谱反射率，其中每个周期结构均包括一对GaAs/AlGaAs夹层、十(10)个周期结构和十五(15)个周期结构。DBR设计用于在1.05μm(1,050nm)处的正常最大反射率。每个夹层的厚度在70nm和90nm之间。DBR的法向反射率随着周期结构数量的增加而增加。峰值反射率和停止带宽(即，半峰全宽值)二者均随着周期结构数量的增加而增加。如图5所示，该效应是高度非线性的，以及快速地使接近100％的反射率最大化。边带反射率(即，在大于1,050nm的波长下的反射率)导致诸如(Si,Sn)Ge结的下层的吸收的一些损失。具有十五(15)个GaAs/AlGaAs对的DBR具有大约130nm的半高全宽(FWHM)。

DBR叠层可通过分子束外延(MBE)或通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长。优化的高掺杂可降低电阻(VCSEL技术中公知的工艺)，并且可保持光伏电池中由下方的(Si,Sn)Ge结吸收的光的光学透明度。例如，相邻层之间的界面可为德耳塔掺杂的。界面层也可具有在薄厚度上的渐变组成，从而从一层的组成转变到相邻层的组成。可使用薄层，诸如厚度为0.5nm至3nm、或1nm或2nm的层来实现组合物渐变。例如，可使用Al0.2Ga0.8As、Al0.5Ga0.5As和Al0.8Ga0.2As的薄层来对GaAs和AlAs层之间的界面进行渐变。在DBR夹层之间使用渐变界面层可有益于DBR的电性能，而不会不利地影响光学特性。

DBR可位于隧道结的下方或上方。当位于隧道结之下时，DBR可为n型，而当位于隧道结之上时，DBR可为p型。

诸如稀氮化物结的结的吸收光谱可在300nm和400nm之间。设计成在单个波长下优化反射率的非啁啾DBR不足以在多结光伏电池的结的整个吸收范围上提供高反射率。另外，反射率谱大小和位置取决于入射光的角度。这可降低在多结光伏装置中使用的DBR的有效性，所述多结光伏装置在大范围的入射角上最优地收集光。

为了增加用于多结光伏装置的DBR的反射率谱，可使用啁啾反射器或啁啾DBR(CDBR)。

图9示出了啁啾反射器的设计示例。啁啾反射器904可包括具有不同折射率的两种晶格匹配或假晶材料。啁啾反射器904可包括第一CDBR夹层901和第二CDBR夹层903的交替层，其中第一CDBR夹层901包括第一组合物和第一折射率，以及第二CDBR夹层903包括第二组合物和第二折射率。相邻的第一CDBR夹层901和相邻的第二CDBR夹层903提供第二镜面对。镜面对可包括含有GaAs的第一CDBR夹层和含有AlGaAs的第二CDBR夹层。参照图9，顶部的两个CDBR夹层903/901形成第一镜面对，以及接下来的两个CDBR夹层形成第二镜面对。镜面对可包括含有Al

CDBR可包括两个或更多个镜面对。CDBR可包括例如5至30个镜面对，或5至20个镜面对。第一镜面对可具有相应的厚度t

而对于非啁啾DBR，层厚度选择为λ

为了在多结光伏装置中使用，CDBR可位于稀氮化物层下面，以及夹层可具有50nm至110nm的厚度，以及镜面对可具有100nm至210nm的厚度。CDBR可设计成在例如从900nm到1,200nm的范围内、或在从950nm到1,100nm的范围内的波长处具有反射最大值。为了在光电探测器中使用，CDBR可具有50nm和160nm的夹层厚度，以及在900nm到1700nm范围内的波长处的反射最大值。

CDBR可具有线性啁啾(如上所述)，或者啁啾可为非线性的。CDBR可具有加权啁啾，使得可使用具有相同设计厚度的至少两个镜面对，以便增强在CDBR的期望高反射率区内的期望波长范围的反射。可在出现局部反射率最小值的反射率谱内的波长处引入另外的镜面对。在一些示例中，啁啾分数可具有1％至30％之间的值。在一些示例中，啁啾分数可在10％至25％的范围内，或在15％至25％的范围内。

CDBR中的相邻层之间的界面可为德耳塔掺杂的。CDBR的界面可在薄的厚度上具有渐变组成，从而从一层的组成转变到相邻层的组成。夹层可包括具有不同元素组成、不同掺杂水平和/或不同折射率的子层，而不降低CDBR的光学性能。

CDBR可包括周期性重复的结构，其包括例如2-6层，诸如2层(镜面对)、3层、4层、5层或6层。形成周期性重复结构的每一层均可具有不同的元素组成和/或不同的折射率，其中在相邻重复结构之间只有层厚度变化。

CDBR的峰值反射率可通过选择形成CDBR周期结构的夹层的材料和厚度来调节。对于适合用于光伏电池的诸如GaInNAsSb、GaInNAsBi和GaInNAsSbBi的稀释氮化物，取决于材料的带隙，CDBR的正常峰值反射率可在例如从900nm(1.378eV)到1,400nm(0.885eV)、从900nm(1378eV)到1,300nm(0.954eV)、从900nm(1.378eV)到1,200nm(1.033eV)、或从900nm(1378eV)到1,100nm(1.127eV)的范围内的波长处。对于适合用于光伏电池的诸如GaInNAsSb、GaInNAsBi和GaInNAsSbBi的稀释氮化物，取决于材料的带隙，DBR的正常峰值反射率可在例如1,000nm至1,200nm、1,050nm至1,150nm或1,050nm至1,100nm的范围内；CDBR的正常峰值反射率可在比下方的诸如下方的(Sn,Si)Ge层的层的吸收边缘小至少50nm、小至少75nm、小至少100nm、小至少125nm、或小至少150nm的波长处。对于适合用于光伏电池的诸如GaInNAsSb、GaInNAsBi和GaInNAsSbBi的稀释氮化物，取决于材料的带隙，CDBR的正常峰值反射率可在例如从900nm到1,200nm、从950nm到1,150nm、或从1,000nm到1,100nm的范围内。

CDBR的FWHM可例如大于100nm，或大于200nm或大于300nm，以及CDBR的长波长FWHM值可在25nm至150nm、25nm至125nm、25nm至100nm、25nm至75nm、50nm至150nm范围内的波长处。从50nm到125nm，从50nm到100nm，从50nm到75nm比下方的层(例如下方的光吸收层，例如下方的(Sn,Si)Ge层)的短波长吸收边缘小，或者可在上面的光吸收区(例如稀氮化物层)的长波长吸收边缘的50nm内。Ge层的长波长吸收边缘可为大约1800nm。

对于适于在各种短波长红外波长的光电探测器中使用的诸如GaInNAsSb、GaInNAsBi和GaInNAsSbBi的稀释氮化物，取决于材料的组成和带隙，CDBR的正常峰值反射率可在例如从900nm(1.378eV)到1700nm(0.729eV)的范围内的波长处。

CDBR的反射率在由CDBR反射率谱的半峰全宽(FWHM)限定的波长范围内可大于30％、或大于50％或大于70％、或大于90％。FWHM范围被定义为在峰值反射率值的任一侧上的波长，对于该峰值反射率值，光谱的反射率是峰值反射率值的至少50％。例如，如果反射率谱的峰值反射率是60％，则FWHM由反射率值降至30％的波长范围定义。如果峰值反射率值为90％，则FWHM由反射率值降至45％的波长范围来定义。例如，参考图10，CDBR设计A具有约300nm的FWHM，其从约900nm的低波长截止延伸到约1200nm的高波长截止。

图10示出了在垂直入射时两个CDBR的模拟反射率谱。设计A设计成在大约1,040nm处具有峰值反射率，以及设计B设计成在大约1,000nm处具有峰值反射率。两种设计的啁啾因子都是0.18。每个设计均包括10对GaAs/AlAs反射镜。对于GaAs和AlAs层，设计A中第一镜面对的镜层厚度分别为60nm和73nm，而对于GaAs和AlAs层，第十镜面对的镜层厚度分别为89nm和102nm。对于GaAs和AlAs层，设计B中第一镜面对的镜层厚度分别为57nm和70nm，而对于GaAs和AlAs层，第十镜面对的镜层厚度分别为86nm和99nm。对于0.18的啁啾因子，相邻的镜面对之间的厚度变化大约为6.4nm(或每个夹层3.2nm)。曲线1002示出了设计A的计算的反射率谱，以及曲线1004示出了设计B的计算的反射率谱。设计A的峰值反射率出现在1041nm处，以及反射率谱的半峰全宽(FWHM)为300nm。设计B的峰值反射率出现在1,005nm处，以及反射率谱的FWHM为285nm。设计A和设计B二者的峰值反射率都是64％，与之相比，图8中所示的在1,040nm处设计具有峰值反射率的10周期DBR的峰值反射率是85％。尽管CDBR的峰值反射率已降低，但FWHM相当宽，从而覆盖多结光伏电池内的稀氮化物结的吸收光谱的全部或大部分。在上覆结的吸收光谱的较大部分上提供反射率的能力是很重要的，因为可在较宽的波长范围内增加诸如光电探测器的装置的光谱响应性或光伏电池的结中的吸收。增加镜面对的数量可提高反射率。

当上覆结包括具有低扩散长度的材料时，或当结的少数载流子扩散长度在其工作寿命期间显著劣化时，将CDBR集成到多结光伏电池中特别有利。在部署到空间中并暴露于高能粒子的光伏电池中，装置劣化是不可避免的。辐射损伤导致结中的扩散长度减小，使得仅产生的少数载流子的部分到达耗尽层。因此，这种劣化可降低由稀释的含氮化物的多结光伏电池供电的航天器的工作能力和寿命。利用CDBR，可减小上覆的稀氮化物结的厚度，而不损害稀氮化物结中的光吸收。CDBR有效地将光学厚度的影响与物理厚度分离。引入CDBR并同时减小稀氮化物结厚度的组合对产生电流具有积极影响。可在稀释氮化物结的有源层的整个深度上获得更有利的电流产生分布。特别重要的是，由于减小的稀氮化物结厚度，因而所产生的少数载流子到耗尽层的平均距离显著减小。这导致少数载流子在扩散期间遭遇耗尽层的概率增加，并因而有助于在接触处收集的电流。通过使用下方的CDBR，可使用4J光伏电池中的较薄的稀氮化物第三结(J3)，并由此由于用于载流子收集的减小的扩散长度而改善在寿命开始(BOL)和寿命结束(EOL)条件下的载流子收集。

本公开提供的CDBR层可设计成改善诸如稀氮化物结的上覆的稀氮化物层的性能，从而改善诸如包括稀氮化物层和下覆的CDBR层的多结光伏电池的装置的性能。本公开提供的CDBR层可设计成：(1)将能够由稀氮化物结吸收的光反射回上覆的稀氮化物结中；以及(2)透射能够被下方的结吸收的波长的光。

如稍后将描述的是，本公开提供的CDBR层可设计成减小诸如稀氮化物结的上覆的稀氮化物层的厚度，从而允许改进的载流子收集，从而改进诸如包括稀氮化物结和下覆的CDBR层的多结光伏电池的装置的性能。

为了比较的目的，模拟了几种结构，以评估CDBR对光伏电池中结的性能的影响。模拟具有2.5μm的稀释氮化物(J3)厚度的基线4J结构。然后，在J3和J4(Ge)之间具有和不具有CDBR的情况下，模拟具有较薄(1.5mm厚)的稀氮化物吸收区的4J结构。使用21个GaAs/AlAs镜面对设计CDBR，使其具有950nm的峰值波长和具有17％的啁啾因子的线性啁啾分布。该设计中第一镜面对的镜层厚度对于GaAs和AlAs层分别为约54nm和66nm，以及最后一个镜面对的镜层厚度对于GaAs和AlAs层分别为约79nm和93nm，以及CDBR的总厚度为约3.07μm。

表1示出了用AM0源在垂直入射下照射的4J光伏电池的计算的J3和J4电流密度。

表1:AM0源的4J光伏电池的计算的J3和J4电流密度。

顶部电池(J1)和第二电池(J2)的短路电流密度分别计算为15.6mA/cm

图11示出了在稀氮化物J3结和Ge J4结之间具有和不具有CDBR的4J光伏电池的J3结(稀氮化物)和结J4(Ge)的模拟波长相关吸收率(定义为对于层或层组的净入射通量和净出射通量之间的差)。J3结的厚度为1.5μm。可看出的是，对于对应于J3稀氮化物结的吸收光谱的从850nm到1,150nm范围内的所有波长，在具有CDBR的设计中对于J3的吸收率大于没有CDBR的设计的吸收率，从而证实CDBR在稀氮化物结的吸收光谱的较宽部分上反射。在没有CDBR的情况下，对于较薄的J3不能很好地吸收的波长的光，使J3变薄的效果导致更宽的J4的吸收光谱，但是这种用于J4的短波长尾部由CDBR消除。如图11所示，在从约825nm到约1150nm的整个J3吸收光谱中，具有下方的CDBR的J3结的吸收率大于没有CDBR的类似J3结的吸收率。J3结的吸收率在整个J3结的吸收光谱中从约850nm处的低波长吸收边缘增加到约1150nm处的高波长吸收边缘。

图12中示出了两种设计之间的J3吸收率随波长的差异。可看出的是，CDBR在大约850nm和1,150nm之间的波长范围内具有增加的吸收率。非啁啾DBR具有较窄的反射率FWHM，因而只能在该波长范围的部分上增加吸收率。

将在具有CDBR的设计中J3和J4的波长相关效率与具有2.5μm厚的稀氮化物层的基线结构的性能进行比较。在图13中示出了该比较。可看出的是，基线结构和具有CDBR的较薄(1.5μm厚)J3结构的吸收率对于J3匹配地非常好，其中，CDBR在基线特性的任一侧引入振荡，以及短电流密度紧密匹配，如表1所示。J4结的吸收率与基线结构的吸收率相似，其中，小变化导致短路电流降低6％。然而，J4结相对于其余结仍然表现出过电流。

图14示出了非啁啾DBR和CDBR在垂直入射时的模型反射率谱。这两种设计均配置为在约0.76eV的能量下具有反射光谱的FWHM的长波长截止，对应于约1,630nm的波长。非啁啾DBR的反射率谱显示为曲线1402，而CDBR的反射率谱显示为曲线1404。

非啁啾DBR包括20.5对GaAs/AlAs镜面层，对于GaAs和AlAs层，分别具有大约115nm和132nm的镜面层厚度。对于反射率谱1402，正好超过99％的峰值反射率出现在大约1540nm的波长处，以及反射率谱1402的FWHM大约为175nm。因此，可在大约1460nm和1635nm之间的大约175nm范围内增强用于光电探测器的上覆吸收体层的响应性。

CDBR包括20.5对GaAs/AlAs镜面层，啁啾因子约为5％。在该示例中，在分组中使用具有相同厚度的几对层，啁啾施加在相邻分组上。对于GaAs和AlAs层，最厚的镜面层分别具有大约115nm和132nm的厚度。对于GaAs和AlAs层，最薄的镜面层分别具有大约105nm和121nm的厚度。对于反射率谱1404，在大约1480nm的波长处出现大约98％的峰值反射率，以及在大约1345nm和1630nm的波长之间，FWHM大约为285nm。因此，可在大约1345nm和1630nm之间的大约285nm范围内增强光探测器的上覆吸收体层的响应性。

可看到反射率谱1404在FWHM内具有两个凹陷1406和1408。然而，应当理解的是，这些可通过插入具有不同厚度的附加GaAs和AlAs层来补偿，所述附加GaAs和AlAs层设计成在与凹陷1405和1407相关联的波长处增加反射率。虽然光谱1404的最大反射率小于光谱1402的最大反射率，但FWHM与非啁啾DBR的FWHM相比增加了大约110nm，从而在比非啁啾DBR更大的波长范围内提高了检测器的上覆吸收区的响应性。

两个CDBR也可用于半导体装置，诸如光伏电池和检测器，诸如谐振腔光电检测器(RCPD)，以及特别地，配置为吸收波长范围超过非啁啾DBR的反射率带宽的光的RCPD阵列。RCPD可具有稀释氮化物材料的体区，但也可配置成包括至少一个量子阱。在这种装置中，可改变阵列中每个检测器的谐振腔峰值，该谐振腔峰值由检测器的腔长度确定。这种改变可通过包括非均匀生长(例如，通过在生长期间不旋转基底)、图案化生长、附加处理(例如蚀刻和再生长)以及这种技术的组合的技术来实现。在空腔内使用的半导体吸收体层可吸收波长比其带隙短的光，但是在一些实施方式中，使用包括非均匀生长、混合和这些技术的组合的技术，吸收体层的带隙可在整个晶片上变化。

稀氮化物层可包括：具有第一厚度和非故意掺杂浓度小于约1×1015/cm

CDBR可允许稀氮化物层的厚度为例如从0.5μm至2μm、从0.5μm至1.5μm或从0.5μm至1μm，使得稀氮化物结不是多结光伏电池中的限流结。这种减薄可以以成比例的方式施加至UID区和/或掺杂区。可以以非成比例的方式施加减薄，其中UID区的减小的厚度比p掺杂区的减小的厚度薄。例如，可优先对p掺杂区施加减薄，使得UID区的厚度大于或等于p掺杂区的厚度。例如，对于1.5μm的氮化物结厚度，UID区的厚度可为1μm，并且p型掺杂区的厚度可为0.5μm，其中所有的减薄都应用于p型掺杂区，或者UID区的厚度可为0.8μm，并且p型掺杂区的厚度可为0.7μm。UID区的厚度可为例如0.3μm至1.5μm、0.5μm至1.2μm、0.5μm至1μm或0.5μm至0.8μm；以及p掺杂区的厚度可为例如从0.1μm至1.5μm、从0.2μm至1.2μm、从0.4μm至1μm或从0.5μm至0.8μm，其中UID区的厚度大于或等于p掺杂区的厚度。优选地，减薄p型区可有利于电流收集。CDBR的反射率允许使用更薄的p掺杂区，以及允许在更靠近UID区及其与p掺杂区的界面发生更多光吸收。更接近稀氮化物结的结的更大的吸收导致改进的载流子收集效率，从而增加短路电流，并增加结的效率。

本发明所提供的CDBR可设计成允许通过在稀氮化物层的至少部分上改变材料组成，诸如通过降低氮含量，而调节或增加上覆的稀氮化物层(例如稀氮化物结)的带隙。降低氮含量可以以长波长吸收为代价来提供改进的质量材料。还可通过改变铟含量或通过改变Sb含量来调节材料组成。CDBR可通过将较宽波长范围内的光反射回结中来补偿降低的吸收，使得可反射的光吸收，并产生光电流。

稀氮化物的带隙可增加2meV和100meV之间的值。稀氮化物的带隙可增加2meV和50meV之间的值。可增加UID层和p掺杂层的带隙。可增加p掺杂层的带隙。在一些实施方式中，可实现多于一个带隙增加，例如，可将两个带隙增加施加至p掺杂区的不同部分，其中，两个带隙增加之和在2meV和100meV之间。增加带隙可改善结两端的电压，其中也可实现确保电流匹配的CDBR，从而改善稀氮化物结的性能。

带隙增加可在稀氮化物层上渐变。带隙渐变可为线性的，或可为非线性的，诸如在稀氮化物层或稀氮化物层的部分上的二次渐变。例如，UID层可没有带隙变化，但是p掺杂区的带隙可从在与UID区的界面处的零带隙增加变化到在p掺杂区和稀氮化物结的背表面场之间的界面处的高达10meV或30meV或50meV或100meV的带隙增加。阶梯式带隙结构和渐变带隙结构可通过在整个结上提供场效应来改善电流收集，从而改善稀氮化物结的性能。

在其它实施方式中，如上所述的层的厚度变化可与如上所述的成分(和带隙)变化相结合。

制造诸如本公开提供的稀释的含氮化物多结光伏电池的半导体装置的方法可包括：设置p型半导体；通过将p型半导体暴露于气相n型掺杂剂而在p型半导体中形成n型区，形成n-p结；在n型区上沉积ae阻挡层；在阻挡层上沉积含砷层；以及在600℃至900℃范围内的温度下将半导体装置热退火5秒至5小时的持续时间。在热退火步骤之后，半导体装置保持与热处理之前一样的性能属性。

可在第一材料沉积室中在基底上沉积多个层。该多个层可包括蚀刻停止层、释放层(即，设计成在应用诸如化学蚀刻的特定工艺顺序时从基底释放半导体层的层)、诸如横向传导层的接触层、缓冲层或其它半导体层。在一个具体实施方式中，所沉积的层的序列包括一个或多个缓冲层，然后是一个或多个释放层，然后是一个或多个横向导电或接触层。接下来，将基底转移到第二材料沉积室中，在该第二材料沉积室中，在现有半导体层的顶部上沉积一个或多个结。然后可将基底转移到第一材料沉积室或第三材料沉积室，用于沉积一个或多个结，然后沉积一个或多个接触层。隧道结也形成在结之间。

基底和半导体层从一个材料沉积室到另一个材料沉积室的移动被定义为转移。例如，将基底放置在第一材料沉积室中，然后沉积一个或多个缓冲层和一个或多个底部结。然后，将基底和半导体层转移到第二材料沉积室中，在该第二材料沉积室中沉积剩余的结。转移可在真空中、在大气压下在空气或其它气体环境中、或在它们之间的任何环境中进行。该转移还可在一个位置的材料沉积室之间进行，该材料沉积室可以以或可不以某种方式互连，或可包括在不同位置之间传输基底和半导体层，这称为传输。传输可在基底和半导体层在真空下密封、被氮气或另一种气体包围、或被空气包围的情况下进行。附加的半导体、绝缘层或其它层可在转移或传输期间用作表面保护，以及在转移或传输之后在进一步沉积之前去除。

可在第一材料沉积室中沉积稀氮化物结，以及可在第二材料沉积室中沉积(Al,In)GaP和(Al,In)GaAs结，在结之间形成隧道结。转移可发生在一个结的生长的中间，使得结具有在一个材料沉积室中沉积的一个或多个层和在第二材料沉积室中沉积的一个或多个层。

可通过分子束外延(MBE)，在一个材料沉积室中沉积稀氮化物结和隧道结的一些或全部层，以及通过化学气相沉积(CVD)在另一材料沉积室中沉积光伏电池的剩余层。例如，将基底放置在第一材料沉积室中，以及在基底上生长可包括成核层、缓冲层、发射极和窗口层、接触层和隧道结的层，随后生长一个或多个稀氮化物结。如果存在多于一个的稀氮化物结，则在相邻结之间生长隧道结。可生长一个或多个隧道结层，然后将基底转移到第二材料沉积室中，在第二材料沉积室中通过化学气相沉积生长剩余的光伏电池层。在某些实施方式中，化学气相沉积系统是MOCVD系统。在本发明的相关实施方式中，将基底放置在第一材料沉积室中，以及通过化学气相沉积在基底上生长可包括成核层、缓冲层、发射极和窗口层、接触层和隧道结的层。随后，在现有半导体层上生长两个或更多个顶部结，在结之间生长隧道结。然后可生长最顶部的稀释氮化物结的部分，诸如窗口层。然后，将基底转移到第二材料沉积室中，在该沉积室中可沉积最顶部稀氮化物结的剩余半导体层，随后沉积达三个另外的稀氮化物结，在它们之间具有隧道结。

在一些实施方式中，当沉积装置的任何层时，可使用表面活性剂，诸如Sb或Bi。表面活性剂的小部分也可结合在层内。

可在生长之后对光伏电池进行一个或多个热退火处理。例如，热退火处理包括施加400℃至1,000℃的温度10微秒至10小时。热退火可在包括空气、氮、砷、胂、磷、膦、氢、形成气体、氧、氦和前述材料的任何组合的气氛中进行。可在制造额外的结之前对结和相关联的隧道结的堆叠进行退火。

除了在结的发射极-基极结处的内置电场之外，掺杂还引入电场。由结结构中的光伏效应产生的少数载流子受到该附加电场的影响，从而影响电流收集。可将掺杂分布跨过稀氮化物基极层的定位设计成产生将少数载流子推向结的前面的附加电场，从而导致高复合速度和少数载流子收集的显著改进。具有改进的性能特性的稀氮化物结可具有渐变掺杂，其中掺杂剂浓度随着结的竖直轴线而变化。掺杂分布可不是恒定的，而是可为线性的，指数的或具有其它对位置的依赖性，从而对电场产生不同的影响。当将具有渐变掺杂的稀氮化物结与具有宽的、均匀的本征掺杂区(即，未掺杂的)的常规光伏结进行比较时，对于增强的载流子收集(对于与常规半导体材料一起工作来说是公认的最佳实践)，渐变掺杂稀氮化物结，特别是指数掺杂稀氮化物结，表现出优异的性能特性。位置相关掺杂也可施加至发射极，当与稀氮化物基极的掺杂结合使用时，进一步增加了结的电流收集。

尽管本公开的焦点在用于多结光伏电池的线性啁啾反射器上，但是啁啾反射器也可用于其它光吸收装置，例如光电探测器，以及也可用于其它半导体材料，包括但不限于InGaAs和GaAsSb。

本发明的各个方面

通过以下方面进一步限定本发明。

方面1。啁啾分布式布拉格反射器，其中，所述啁啾分布式布拉格反射器配置为提供：在与法线±45度范围内的入射角处的反射率大于50％，以及具有大于100nm的半峰全宽；以及在比波长范围的高端高50nm的波长处大于80％的传递率。

方面2。一种半导体结构，包括：啁啾分布式布拉格反射器；以及光吸收区，其覆盖在所述啁啾分布式布拉格反射器上。

方面3。根据方面2至3中任一项所述的半导体结构，其中，所述光吸收区配置为在大于100nm的整个波长范围内吸收光；啁啾分布式布拉格反射器配置为在整个波长范围内反射光。

方面4。根据方面2至4中任一方面所述的半导体结构，其中所述光吸收区配置成吸收辐射，诸如在900nm至1800nm的波长范围的部分内的太阳辐射。

方面5。根据方面2至4中任一项所述的半导体结构，还包括：在所述啁啾分布式布拉格反射器下方的第一掺杂层；以及覆盖光吸收区的第二掺杂层。

方面6。根据方面5所述的半导体结构，其中所述第一掺杂层是n型掺杂的，且所述第二掺杂层是p型掺杂的。

方面7。根据方面5至6中任一项所述的半导体结构，其中所述第一掺杂层是p型掺杂的，以及所述第二掺杂层是n型掺杂的。

方面8。根据方面2至7中任一项所述的半导体结构，其中，所述第一掺杂层的特征在于第一带隙；第二掺杂层的特征在于具有第二带隙；光吸收区的特征在于第三带隙；第一带隙和第二带隙中的每个均高于第三带隙。

方面9。根据方面5至8中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器包括与所述第一掺杂层相同的掺杂类型。

方面10。根据方面2至9中任一项所述的半导体结构，其中所述光吸收区包括稀氮化物材料。

方面11。根据方面2至10中任一项所述的半导体结构，其中所述光吸收区包括GaInNAsSb、GaInNAsBi或GaInNAsSbBi。

方面12。根据方面2至11中任一项所述的半导体结构，其中所述光吸收区与Ge或GaAs晶格匹配。

方面13。根据方面2至12中任一项所述的半导体结构，其中所述光吸收区包括Ga

方面14。根据方面2至13中任一项所述的半导体结构，其中所述光吸收区的特征在于在0.7eV至1.2eV范围内的带隙。

方面15。根据方面2至14中任一项所述的半导体结构，其中，所述啁啾分布式布拉格反射器配置为反射能够由所述光吸收区吸收的波长的光。

方面16。根据方面2至15中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器包括多个层，其中所述多个层中的相邻层的特征在于不同的折射率和不同的厚度。

方面17。根据方面16所述的半导体结构，其中所述层中的每一个的厚度为设计波长的四分之一波长的整数倍。

方面18。根据方面16至17中任一项所述的半导体结构，其中所述层中的每一个均具有λ

方面19。根据方面16到18中任一项所述的半导体结构，其中所述层中的每一个均独立地包括AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、GaInAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。

方面20。根据方面16至19中任一方面所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器配置为透射波长高于所述上覆光吸收层的低波长吸收截止波长的光。

方面21。根据方面16至20中任一项所述的半导体结构，还包括在相邻层之间的渐变夹层。

方面22。根据方面2至21中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器包括两个或更多个镜面对，其中所述两个或更多个镜面对中的每一个的特征在于不同的设计波长λ

方面23。根据方面22所述的半导体结构，其中每个所述镜面对均包括相同的材料，并且其特征在于不同的厚度。

方面24。根据方面22至23中任一项所述的半导体结构，其中每个所述镜面对的厚度在(1+C)λ

方面25。根据方面24所述的半导体结构，其中所述啁啾分数在0.01至0.3的范围内。

方面26。根据方面2至25中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器包括第一镜面对和第二镜面对。

方面27。根据方面2至25中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器包括两个或更多个第一镜面对。

方面28。根据方面2至25中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器包括两个或更多个第一镜面对和两个或更多个第二镜面对。

方面29。根据方面2至28中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的反射率的特征在于在100nm至500nm的范围内的半峰全宽值。

方面30。根据方面2至28中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的反射率的特征在于在从250nm至450nm的范围内的半峰全宽。

方面31。根据方面2至28中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的特征在于在850nm至1150nm的整个入射波长范围内的反射率大于50％。

方面32。根据方面2至31中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的特征在于在900nm至1200nm的整个入射波长范围内的反射率大于50％。

方面33。根据方面2至32中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的特征在于在从900nm(1.378eV)至1,400nm(0.885eV)、从900nm(1.378eV)至1,300nm(0.954eV)、从900nm(1.378eV)至1,200nm(1.033eV)、或从900nm(1.378eV)到1,100nm(1.127eV)的范围内的正常峰值反射率。

方面34。根据方面2至33中任一方面所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的特征在于其正常峰值反射率比下伏层的短波长吸收边缘小至少50nm。

方面35。根据方面2至34中任一方面所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的特征在于大于100nm的半峰全宽值。

方面36。根据方面2至35中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的特征在于长波长半峰全宽波长在所述光吸收层的长波长吸收截止的50nm内。

方面37。根据方面2至36中任一方面所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的特征在于，在大于100nm的波长范围内，在距法线±45度的范围内的入射角大于50％的反射率，以及在比所述波长范围的高端大50nm的波长处的传递率大于80％。

方面38。根据方面2至37中任一项所述的半导体结构，其中所述光吸收区包括非故意掺杂区和故意掺杂区。

方面39。根据方面2至38中任一项所述的半导体结构，其中所述光吸收区包括故意掺杂区，其中所述故意掺杂区包括非线性掺杂分布。

方面40。一种多结光伏电池，包括：根据方面2至39中任一项所述的半导体结构；在所述啁啾分布式布拉格反射器下方的第一掺杂层；以及覆盖光吸收区的第二掺杂层。

方面41。根据方面40所述的多结光伏电池，还包括至少一个半导体层，其中所述至少一个半导体层位于所述第一掺杂层下方。

方面42。一种半导体装置，包括方面2至39中任一项所述的半导体结构。

方面43。一种多结光伏电池，其包括方面2至39中任一项所述的半导体结构。

方面44。一种光伏模块，包括方面43所述的多结光伏电池。

方面45。一种电力系统，包括方面44所述的光伏模块。

方面46。根据方面42所述的半导体装置，其中所述半导体装置包括光电检测器。

方面1A。一种半导体结构，包括：包括高波长吸收边缘的光吸收区；以及在所述光吸收区下方的啁啾分布式布拉格反射器，其中所述啁啾分布式布拉格反射器配置为提供：在与法线相距±45度的范围内的入射角处大于50％的反射率；100nm或更大的半峰全宽波长范围；以及在比上覆光吸收区的高波长吸收边缘长50nm的波长处的大于80％的传递率。

方面2A。根据方面1A所述的半导体结构，其中，所述光吸收区配置为吸收在从900nm至1800nm的波长范围的部分内的光；以及所述啁啾分布式布拉格反射器配置为在所述波长范围的整个部分中反射光。

方面3A。根据方面1A至2A中任一方面所述的半导体结构，还包括：在所述啁啾分布式布拉格反射器下方的第一掺杂半导体层；以及覆盖光吸收区的第二掺杂半导体层。

方面4A。根据方面3A所述的半导体结构，其中，所述第一掺杂半导体层的特征在于第一带隙；第二掺杂半导体层的特征在于第二带隙；光吸收区的特征在于第三带隙；第一带隙和第二带隙中的每个均大于第三带隙。

方面5A。根据方面1A至4A中任一项所述的半导体结构，其中所述光吸收区包括稀氮化物材料。

方面6A。根据方面1A至5A中任一项所述的半导体结构，其中所述光吸收区的特征在于在0.7eV至1.2eV范围内的带隙。

方面7A。根据方面1A至6A中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器包括多个层，其中所述多个层中的相邻层的特征在于不同折射率和不同厚度。

方面8A。根据方面7A所述的半导体结构，还包括在所述多个层的相邻层之间的渐变夹层。

方面9A。根据方面1A到8A中任一方面所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器配置成透射波长比所述上覆光吸收区的高波长吸收边缘长的光。

方面10A。根据方面1A至9A中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器包括两个或更多个镜面对，其中所述两个或更多个镜面对中的每一个的特征在于不同的设计波长λ

方面11A。根据方面10A所述的半导体结构，其中，所述两个或更多个镜面对中的每一个均独立地具有在从(1+C)λ

方面12A。根据方面1A到11A中任一方面所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的反射率的特征在于在100nm到500nm范围内的半峰全宽值。

方面13A。根据方面1A到12A中任一方面所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的特征在于在从850nm到1150nm的整个入射波长范围内的大于50％的反射率。

方面14A。根据方面1A到13A中任一方面所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的特征在于在比下方光吸收区的短波长吸收边缘小至少50nm的波长处的正常峰值反射率。

方面15A。根据方面1A至14A中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的特征在于在所述光吸收层的所述长波长吸收边缘的50nm内的长波长截止。

方面16A。根据方面1A至15A中任一项所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器的特征在于：在从法线±45度范围内的入射角下，在大于100nm的波长范围内的大于50％的反射率；以及在比波长范围的最长波长长50nm的波长处的大于80％的传递率。

方面17A。根据方面1A至16A中任一项所述的半导体结构，其中所述光吸收区包括非故意掺杂区和故意掺杂区。

方面18A。根据方面1A到17A中任一方面所述的半导体结构，其中所述啁啾分布式布拉格反射器配置成反射在所述上覆光吸收层的整个吸收范围内的波长的光。

方面19A。一种多结光伏电池，其包括：根据方面1A至18A中任一项所述的半导体结构；在所述啁啾分布式布拉格反射器下方的第一掺杂半导体层；以及覆盖光吸收区的第二掺杂层。

方面20A。一种半导体装置，包括方面1A至19A中任一项所述的半导体结构。

方面21A。根据方面20A所述的半导体装置，其中所述半导体装置包括光电探测器。

方面22A。根据方面20A到22A中任一方面所述的半导体装置，其中所述啁啾分布式布拉格反射器配置成反射所述上覆光吸收层的整个吸收范围内的波长的光。

应注意的是，存在实现本文所公开的实施方式的替代方式。因此，认为本实施方式是说明性的，而不是限制性的。另外，权利要求不限于本文给出的细节，以及被赋予其全部范围及其等同物。