(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体構造体または半導体デバイスを形成する方法であって、
ベース基板の上に半導体材料の少なくとも一層を堆積するステップと、
１つまたは複数の吸収構造を含むサブセルを形成するステップであって、前記１つまたは複数の吸収構造のそれぞれを形成することは、
窒化インジウムガリウムを含む複数の量子ドットを配置して、半導体材料の前記少なくとも一層の少なくとも一部分の上にあるようにすることと、
窒化インジウムガリウムを含むバリア材料を第１の温度で堆積することであって、前記バリア材料は前記複数の量子ドットの少なくとも一部分の上にあるとともに少なくとも部分的に取り囲む、こととを含む、ステップと、
１つまたは複数の吸収構造を含む少なくとも１つの別のサブセルを形成するステップであって、前記１つまたは複数の吸収構造のそれぞれを形成することは、
窒化インジウムガリウムを含む複数の量子ドットを配置して、前記バリア材料の少なくとも一部分の上にあるようにすることと、
窒化インジウムガリウムを含む別のバリア材料を第２の温度で堆積することであって、前記第２の温度は前記第１の温度と異なっており、前記別のバリア材料は前記複数の量子ドットの少なくとも一部分の上にあるとともに少なくとも部分的に取り囲む、こととを含む、ステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記半導体構造体または半導体デバイスを反転するステップと、
前記半導体構造体または半導体デバイスにキャリア基板を接合するステップであって、前記キャリア基板は、前記別のサブセルに隣接する前記半導体構造体または半導体デバイスの表面に接合される、ステップと、
前記ベース基板を除去するステップと
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
窒化インジウムガリウムを含むバリア材料を前記複数の量子ドットを覆うとともに少なくとも部分的に取り囲んで堆積することは、前記複数の量子ドットのインジウム含有率より低いインジウム含有率を有するバリア材料を堆積することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の量子ドットのインジウム含有率より低いインジウム含有率を有するバリア材料を堆積することは、前記複数の量子ドットの成長温度よりも高い温度で前記バリア材料を堆積することを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
別のバリア材料を堆積することは、前記バリア材料を堆積するために用いられた第１の温度よりも低い第２の温度で前記別のバリア材料を堆積して、別のサブセルを、その下にあるサブセルより低いインジウム含有率にすることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
１つまたは複数の吸収構造を含む少なくとも１つの別のサブセルを形成するステップは、前記下にあるサブセルより低い有効バンドギャップを有する少なくとも１つの別の吸収構造を形成することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
窒化インジウムガリウムを含む複数の量子ドットを配置して前記バリア材料の少なくとも一部分の上にあるようにすることは、前記バリア材料の上に配置された中間層の上に前記複数の量子ドットを成長させることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
窒化インジウムガリウムを含む複数の量子ドットを配置して前記バリア材料の少なくとも一部分の上にあるようにすることは、前記バリア材料の上に直に前記複数の量子ドットを成長させることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
光起電力構造体であって、
基板上の半導体材料の第１の層の上にある積層構成の複数のサブセルであって、前記基板に隣接するサブセルのバンドギャップは、上にある最少１つのサブセルのバンドギャップより小さく、前記複数のサブセルのそれぞれは、
窒化インジウムガリウムをそれぞれが含む複数の量子ドットと、
前記複数の量子ドットを密閉する、窒化インジウムガリウムを含むバリア材料と
を含む、複数のサブセルと、
前記複数のサブセルの上面の上にある、前記半導体材料と異なる半導体材料の第２の層と
を備えることを特徴とする光起電力構造体。
【請求項１０】
前記バリア材料の有効バンドギャップは、前記複数の量子ドットの有効バンドギャップと異なることを特徴とする請求項９に記載の構造体。
【請求項１１】
前記複数のサブセルのそれぞれは、ほぼ同じ平均の大きさを有する量子ドットを含むことを特徴とする請求項９に記載の構造体。
【請求項１２】
前記基板に隣接するサブセルは、前記基板ともっと離れている前記複数のサブセルと比較して、減少したインジウム含有率を有する窒化インジウムガリウムを含むことを特徴とする請求項９に記載の構造体。
【請求項１３】
前記基板に隣接する前記サブセルの量子ドット構造の平均直径は、前記基板ともっと離れている前記複数のサブセルの量子ドット構造の平均直径より小さいことを特徴とする請求項９に記載の構造体。
【請求項１４】
各サブセルの前記量子ドット構造は、前記バリア材料の有効バンドギャップよりも小さい有効バンドギャップを有することを特徴とする請求項９に記載の構造体。
【請求項１５】
光起電力構造体であって、
基板上の半導体材料の第１の層の上にある積層構成の複数のサブセルであって、前記基板に隣接するサブセルのバンドギャップは、上にある最少１つのサブセルのバンドギャップより大きく、前記複数のサブセルのそれぞれは、
窒化インジウムガリウムをそれぞれが含む複数の量子ドットと、
前記複数の量子ドットを密閉する、窒化インジウムガリウムを含むバリア材料と
を含む、複数のサブセルと、
前記複数のサブセルの上面の上にある半導体材料の第２の層と、
前記複数のサブセルの上面の上にある半導体材料の前記第２の層の表面に対向して、半導体材料の前記第２の層の表面に接合されたキャリア基板と
を備えることを特徴とする光起電力構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張
本出願は、２００９年７月２０日出願の米国特許仮出願第６１／２２７，００６号明細書、「Methods of Fabricating Semiconductor Structures and Devices Using Quantum DOT Structures and Related Structures」の出願日の利益を主張する。
【０００２】
本発明は一般に、量子ドット構造を含む光起電力デバイスなどの半導体構造体または半導体デバイスの製造に関し、より具体的には、異なる有効バンドギャップを有する複数の吸収構造を含む中間構造体に関する。
【背景技術】
【０００３】
太陽エネルギーは、代替電気エネルギー源になりうる豊富な資源である。しかし、太陽エネルギーは、経済的に集め、貯蔵し、輸送することに問題がありうる。太陽エネルギーを集め、利用する方法の１つは、太陽エネルギーを直接電気エネルギーに変換する光起電力セルによるものである。このエネルギー変換は、半導体材料中のｉ型（真性）、ｎ型およびｐ型の伝導領域を利用して行われ、それによって、電子−ホール対が半導体材料中に形成されるときに発生する光起電力電位および光電流を生成することができる。これらの電子−ホール対は、光起電力セル内の衝突光子に対する反応として形成される。
【０００４】
半導体によって吸収されるエネルギーは、その特性バンドギャップによって決まる。半導体材料の「バンドギャップエネルギー」は、外郭電子をその原子核のまわりの軌道から自由状態に解放するのに必要なエネルギー量で定義される。半導体では、電子が価電子帯から半導体伝導帯まで励起されるのに必要なエネルギーは、２つのバンド間の分離（すなわちバンドギャップ）に基づいて異なる。材料が異なると特性バンドギャップエネルギーが異なりうる。バンドギャップエンジニアリングは、ある材料のバンドギャップを制御または変更する方法である。従来のシリコンベースの、光起電力セル（ＰＶ）に使用される半導体材料は、約１．１ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するが、これはすなわち、光子領域のおよそ０．４ｅＶから４．０ｅＶの使用可能エネルギーを持つ広帯域の太陽放射スペクトルのほんの一部しかカバーしていない。
【０００５】
エネルギーが半導体のバンドギャップより下にある光は吸収されず、電力に変換されない。エネルギーが半導体のバンドギャップより上にある光は吸収されるが、生成された電子−ホール対は、そのバンドギャップより上の過剰エネルギーを熱の形で早く失う。したがって、このエネルギーは電力への変換には利用できない。
【０００６】
したがって、光起電力セルでのエネルギーの吸収および変換を最大にするために、多層、多接合、または多サブセルの光起電力デバイスが開発されてきた。これらの多サブセルデバイスでは、より広いスペクトルの太陽エネルギーを吸収できるように、異なる特性バンドギャップエネルギーを有する様々な材料を利用する。
【０００７】
多サブセル光起電力デバイスは従来から、垂直積層方向に半導体材料の多数の層（すなわちサブセル）を含む。各サブセルは、異なる材料の別の層とは異なる太陽エネルギー帯域または波長域を吸収し変換するように設計されている。放射エネルギーに最初に露光されるサブセルは、一般に最も高いバンドギャップエネルギーを有し、その下に配置されたサブセルは、それに対応する小さいバンドギャップエネルギーを有する。この構成の結果、１つのサブセル（すなわち、基準面）で吸収されないエネルギーは、そのデバイスの別のサブセルに伝達され、そこで変換されて、広いスペクトルの太陽エネルギーを電力に変換することが可能になる。
【０００８】
しかし、このタイプの多接合光起電力デバイスは、ヘテロエピタキシャル成長によっていくつかの異種の材料を格子整合する能力に限界がある。隣り合うサブセルの間の格子不整合により、歪みおよび転位が生じることになり、そのため光起電力デバイスの総合効率が低下する。通常、光起電力デバイスに使用できる材料は、格子不整合の問題のために厳しく限定される。この問題を克服し、光起電力セル効率を向上させる試みは、例えば、Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈの特許文献１、およびＦｒｅｕｎｄｌｉｃｈらの特許文献２に記載されており、１つまたは複数の量子井戸を含む光起電力セルが開示されている。加えて、Ｋｕｒｔｚらの特許文献３では、エネルギー変換を改善するためのヒ化窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＮ）／ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）半導体ｐ−ｎヘテロ接合を含む多接合太陽電池が開示されている。
【０００９】
光起電力セルの効率を高める上で興味のある別の領域は、量子ドット（ＱＤ）を使用することに関連する。量子ドットのバンドギャップエネルギーは、その組成による影響だけでなく、その大きさを変えることによる影響も受ける。量子ドットは、光起電力デバイスに組み入れられてきた。例えば、Ｆａｆａｒｄの２００５年１月２１日出願の特許文献４（２００５年７月２１日公開の特許文献５）では、複数のサブセルを含む太陽光発電セルで、そのサブセルの少なくとも１つがエピタキシャル成長自己集合量子ドット材料を含むものを開示している。ゲルマニウム（Ｇｅ）下部サブセルがゲルマニウム基板上に成長され、ヒ化ガリウム中間サブセルと、ガリウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）またはアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）の上部サブセルとが直列に接続される。太陽光発電セルの効率は、中間サブセルにバルクヒ化ガリウム材料ではなく自己集合量子ドット材料を使用することによって改善される。
【００１０】
光起電力デバイスでは、広いスペクトルの太陽エネルギーを吸収する能力を得るために、異種の諸材料を利用する。しかし、異種の材料は、結晶特性が悪くなり太陽電池の効率が制限されることになる格子不整合の問題を引き起こす。したがって、吸収されるエネルギーの複数の波長で光起電力を生成できるいくつかのサブセル要素がある光起電力デバイスを、高品質の結晶を維持しながら形成する方法を提供することは、当技術分野の進歩になるはずである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，３７２，９８０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，８５１，３１０号明細書
【特許文献３】米国特許第６，２５２，２８７号明細書
【特許文献４】米国特許出願第１１／０３８，２３０号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０１５５６４１  Ａ１号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００７／０１３７６９８号明細書
【特許文献７】米国特許第ＲＥ３９，４８４号明細書
【特許文献８】米国特許第６，３０３，４６８第号明細書
【特許文献９】米国特許第６，３３５，２５８号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，７５６，２８６号明細書
【特許文献１１】米国特許第６，８０９，０４４号明細書
【特許文献１２】米国特許第６，９４６，３６５号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Adelmann et al, "Growth and Optical Characterization of LiGaN QDs Resulting from 2D-3D Transition," Phys. Stat. Sol. (a), (176):639-642
【非特許文献２】Tanaka et al., "Fabrication of Self- Assembling GaN Quantum Dots on AlxGa1-xN Surfaces Using a Surfactant," App. Phys. Lett., 69:4096 (1996)
【非特許文献３】Choi et al., "Fabrication of InGaN Quantum Dots by Periodically Interrupted Growth in MOCVD," Proceedings of the SPEE, v. 6831, pp. 683119 (2008)
【発明の概要】
【００１３】
いくつかの実施形態では、本発明は、半導体構造体または半導体デバイスを形成する方法を含む。この方法は、半導体材料の層を基板の上に堆積するステップと、この半導体材料の層の上に、少なくとも１つの構造を含むサブセルを形成し、バリア材料の上に少なくとも１つの別のサブセルを形成するステップとを含むことができる。この少なくとも１つの構造体は、バリア材料によって少なくとも部分的に取り囲まれた複数の量子ドットを含むことができる。少なくとも１つの別のサブセルは、別のバリア材料で取り囲まれた別の複数の量子ドット構造を含むことができる。別のバリア材料は、下にあるサブセルのバリア材料よりもかなり低い有効バンドギャップを有することができる。
【００１４】
本発明は、半導体構造体または半導体デバイスを形成する方法の追加の実施形態を含む。このような方法は、ベース基板の上に半導体材料の少なくとも１つの層を堆積するステップと、この半導体材料の少なくとも１つの層の上に少なくとも１つの吸収構造を製造して、サブセルを形成するステップと、少なくとも１つの吸収構造の上に少なくとも１つの別の吸収構造を形成して、別のサブセルを形成するステップとを含むことができる。このサブセルは、第１の温度で、窒化インジウムガリウムを含む複数の量子ドットを半導体材料の少なくとも１つの層の上に成長させ、窒化インジウムガリウムを含むバリア材料を、複数の量子ドットを覆うとともに少なくとも部分的に取り囲んで堆積することによって形成でき、一方、別のサブセルは、第１の温度と異なる第２の温度で、窒化インジウムガリウムを含む複数の量子ドットを少なくとも１つの吸収構造のバリア材料の上に成長させ、窒化インジウムガリウムを含む別のバリア材料を、複数の量子ドットを覆うとともに少なくとも部分的に取り囲んで堆積することによって形成することができる。
【００１５】
さらに別の実施形態では、本発明は光起電力構造体を含み、この構造体は、基板上の半導体材料の第１の層の上にある積層構成の形で複数のサブセルを含む。複数のサブセルのそれぞれは、隣り合うサブセルよりも低い有効バンドギャップを有することができ、かつ少なくとも１つの吸収構造を含むことができる。半導体材料の第２の層は、複数のサブセルの上面を覆って配置することができ、第１の半導体材料と異なる材料を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本明細書は、具体的に指し示し明瞭に特許請求している特許請求の範囲とともに、どれが本発明とみなされるかを結論付けているが、本発明の利点は、添付の図面を併せ読めば、本発明の説明からより容易に確認することができるであろう。
【００１７】
【図１】本発明の方法の実施形態の間に形成することができ、成長基板の上にある半導体材料の少なくとも一層を含む、部分形成構造体の簡略断面図である。
【図２】本発明の方法の実施形態の間に形成することができ、成長基板の上にある半導体材料の層の上に複数の量子ドット構造を含む、別の部分形成構造体の簡略断面図である。
【図３】本発明の方法の実施形態の間に形成することができ、図２に示される複数の量子ドット構造を密閉するバリア材料からなる吸収構造を含む、別の部分形成構造体の簡略断面図である。
【図４】本発明の方法の実施形態の間に形成することができ、成長基板の上にあるサブセルを形成する複数の垂直に積層された吸収構造を含む、別の部分形成構造体の簡略断面図である。
【図５】本発明の方法の実施形態の間に形成することができ、成長基板の上にある複数のサブセルを含む、別の部分形成構造体の簡略断面図である。
【図６】本発明の方法の実施形態の間に生成することができ、別の複数のサブセルの上にある半導体材料の別の層を含む、別の部分形成構造体の簡略断面図である。
【図７】本発明の方法の実施形態の間に形成することができ、成長基板の上にある半導体材料の少なくとも一層を含む、部分形成構造体の簡略断面図である。
【図８】本発明の方法の実施形態の間に生成することができ、複数の吸収構造を含むサブセルを含む、部分形成構造体の簡略断面図である。
【図９】本発明の方法の実施形態の間に生成することができ、最も高い有効バンドギャップを有するベース基板に隣接する複数のサブセルを含む、部分形成構造体の簡略断面図である。
【図１０】本発明の方法の実施形態の間に生成することができ、基板上の半導体材料の層の上にあり、第２の半導体材料の下に配置された複数のサブセルを含む、部分形成構造体の簡略断面図である。
【図１１】図１０の部分形成構造体に接合基板が、反転された構造の上で第２の半導体材料に付着して取り付けられていることを示す図である。
【図１２】図８〜１１に示すように形成された光起電力デバイスの、ベース基板を第１の半導体材料から層剥離した後の簡略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本明細書で提示される説明は、何か特定の材料、装置、システム、または方法の実際の概観を示すのではなく、単に理想化して表現されたものであり、本発明を説明するために用いられている。加えて、各図の間で共通の要素は、同じ数字表示を保持しうる。
【００１９】
本明細書で、「上部」および「下部」という語は、ベースまたは成長基板に対する位置を指す。「上部」という語は基板と離れた位置を指し、「下部」という語は基板に近いことを示す。
【００２０】
本明細書では、「有効バンドギャップ」という語は、光子が材料に吸収される可能性があり、かつ光子がヘテロ構造（すなわち、量子ドット構造およびバリア材料）の量子化エネルギーレベルによって選択される最低エネルギー遷移を意味し含む。
【００２１】
本明細書では、「吸収端」という語は、吸収が急激な値の低下を示す波長値を意味し含む。
【００２２】
本明細書では、「ＩＩＩ型半導体材料」という語は、周期表のＩＩＩＡ族（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、およびＴi）の１つまたは複数の元素から主として構成される任意の材料を意味し含む。
【００２３】
本明細書では、「ＩＩＩ−窒化材料」という語は、窒素と、周期表のＩＩＩ族の例えば、通常はアルミニウム（Ａl）、ガリウム（Ｇａ）および／またはインジウム（Ｉｎ）などの１つまたは複数の元素とから実質的に構成される任意の材料を意味し含む。
【００２４】
本明細書では、「ＩＩＩ−Ｖ型半導体材料」という語は、周期表のＩＩＩＡ族（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、およびＴｌ）の１つまたは複数の元素と、周期表のＶＡ族（Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、およびＢｉ）の１つまたは複数の元素とから主として構成される任意の材料を意味し含む。
【００２５】
本明細書では、「ドーパント」または「ドーピング剤」という語は、自由電荷キャリアの数を増やすために半導体格子の中に付加される原子を意味し含む。さらに「ｎ型」ドーパントは、電子ドナーとして作用しＧｅ、Ｓｉ、Ｏなどの原子を含む作用物を意味し、「ｐ型」ドーパントは、電子アクセプタとして作用しＭｇ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃなどの原子を含む作用物を意味する。
【００２６】
本明細書で「加工基板」という語は、その広義では、材料の２つ以上の層からなる任意の基板で、その上に１つまたは複数の半導体デバイスを製造する基板として使用するための基板を意味し含む。加工基板には、例えば半導体オンインシュレータ型基板が含まれる。
【００２７】
本明細書では、「材料のエピタキシャル層」という語は、材料の層で、その材料の少なくとも実質的に単結晶であり、その単結晶が既知の結晶方位を呈示するように形成されている材料の層を意味する。
【００２８】
本明細書では、「格子歪み」という語は、材料の層に関して用いられる場合、材料の層の面に少なくとも実質的に平行な方向の結晶格子の歪みを意味する。
【００２９】
他の層または基板の「上（ｏｎ）」または「上方（ｏｖｅｒ）」にあると言われる層は、その層または基板と直に接触して配置されていることがあり、あるいは、その層または基板の上にある介在層の上に配置されていることがあると理解されたい。また、ある層が他の層または基板の「上」または「上方」にあると言われる場合、その層は、他の層もしくは基板の全体、または他の層もしくは基板の一部分を覆っていることがあると理解されたい。
【００３０】
本発明の実施形態は、広いスペクトルの太陽エネルギーを吸収し電気エネルギーに変換できるように有効バンドギャップエネルギーの程度が選択された太陽電池または光起電力デバイスの製造を容易にする方法および構造体を含む。このような有効バンドギャップ特性を含む光起電力デバイスを製造する方法の例示的な実施形態を、図１から１２を参照して以下で説明する。
【００３１】
本発明の実施形態は、非反転および反転光起電力構造体を含むことができ、図１〜６は、非反転光起電力構造体に関連する実施形態を対象とし、図６〜１２は、反転光起電力構造体に関連する実施形態を対象としている。本明細書で、見出しは分かりやすくするためだけに用いられており、何も限定するものではない。いくつかの参照文献が引用される。さらに、上記でどのように示されているかにかかわらず、引用文献のどれも、本明細書で特許請求される主題の本発明に対する先行技術とは認められない。
【００３２】
非反転光起電力構造体
図１を参照すると、部分形成光起電力デバイス構造体１１０を製造することができ、この構造体は、成長基板１１２の上にある半導体材料の層１１４を含む。半導体材料の層１１４は、その上に半導体材料の１つまたは複数の層を光起電力デバイスの製造の一部として形成するためのシード層を含む。いくつかの実施形態では、半導体材料の層１１４は、半導体材料の単一のエピタキシャル層または複数のエピタキシャル層を含むことができる。さらに、いくつかの実施形態では、半導体材料の層１１４は、ＩＩＩ−Ｖ型半導体材料のドープされたエピタキシャル層を含むことができる。非限定的な例として示すと、半導体材料の層１１４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の少なくとも１つのエピタキシャル層と、窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）のエピタキシャル層とを含むことができる。いくつかの実施形態では、半導体材料の層１１４は、シリコンｎ型ドープ窒化ガリウムまたは窒化インジウムガリウムなどのｎ型材料またはｐ型材料を含む。非限定的な例として、半導体材料の層は、約１２．５％よりも高いインジウム濃度を有することができる。
【００３３】
成長基板１１２は、ＩＩＩ−窒化物材料を成長させるのに適した同種基板または異種基板を含むことができる。具体的な非限定的例として、成長基板１１２は、よく「サファイア」と呼ばれる酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ＧａＮオンサファイア、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、ＩｎＧａＮオンサファイア、石英（ＳｉＯ2）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、溶融石英（ＳｉＯ2）ガラス、ガラス−セラミック複合材料（例えば、ペンシルベニア、ＤｕｒｙｅａのＳｃｈｏｔｔ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ，  Ｉｎｃ．からＺＥＲＯＤＵＲ（登録商標）の商標で販売されているものなど）、または溶融石英ガラス複合材料（例えば、ＳｉＯ2−ＴｉＯ2またはＣｕ2−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2など）を含むことができる。
【００３４】
図１を引き続き参照すると、成長基板１１２はベース材料１１３を含み、また任意選択で、シャドーラインを用いて描かれた半導体材料の１つまたは複数の中間層１１５を含み、これらは最終的に、半導体材料の層１１４と成長基板１１２の間に配置される。材料のこのような中間層１１５は、例えば、圧縮歪みまたは引っ張り歪みの程度を低減させるためのシード層として、成長基板１１２のベース材料１１３の上に直に半導体材料の層１１４を形成することが困難または不可能である場合に使用することができる。図は原寸に比例して示されていなく、実際には、半導体材料の中間層１１５および半導体材料の層１１４は、成長基板１１２のベース材料１１３の厚さに対して相対的に薄いことがある。
【００３５】
限定ではなく例として示すと、部分形成構造体１１０は、成長基板１１２のベース材料１１３の上に形成された半導体材料の単一の中間層１１５を含むことができ、半導体材料の層１１４は、半導体材料の単一の中間層１１５の上に形成することができる。半導体材料の中間層１１５は、例えばＩＩＩ−Ｖ型半導体材料などの半導体材料の１つまたは複数の層を含むことができ、その上の半導体材料の追加層がエピタキシャル成長するのに十分な厚さを有するように形成することができる。いくつかの実施形態では、半導体材料の層１１４は、ｎ型またはｐ型ドープされた半導体材料を含むことができる。非限定的な例として、半導体材料の中間層１１５は、ドープされた半導体材料が積み重なった層などのトンネル接合構造を含むことができる。加えて、半導体材料の中間層１１５は、分離材料の層または伝導性材料の層を含むことができるが、その諸例は当業者に知られており、本明細書では詳細に説明しない。半導体材料の中間層１１５は、例えば、ハイブリッド気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）、および分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）など、当業者に知られている様々な方法を用いて成長させることができる。加えて、半導体材料の中間層１１５を形成する際に、例えば、ＥＬＯ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｌａｔｅｒａｌ  ｏｖｅｒ−ｇｒｏｗｔｈ）、ＦＩＥＬＯ（ｆａｃｅｔ−ｉｎｉｔｉａｔｅｄ  ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｌａｔｅｒａｌ  ｏｖｅｒ−ｇｒｏｗｔｈ）、ｉｎ−ｓｉｔｕマスキング、およびウェハボンディングなどの様々な方法を用いて、中間層中の転位密度を低減させることができる。
【００３６】
図１に示される部分形成光起電力構造体１１０を形成するために、半導体材料の１つまたは複数の中間層１１５をベース材料１１３の主面上にエピタキシャル成長させること、または他の方法で形成することができ、その後、半導体材料の１つまたは複数の中間層１１５の上に半導体材料の層１１４をエピタキシャル成長させること、または他の方法で形成することができる。別の実施形態では、半導体材料の層１１４は、半導体材料の中間層１１５を全く含まずに、ベース材料１１３上に直にエピタキシャル成長させること、または他の方法で形成することができる。
【００３７】
図２を参照すると、ドープされた半導体材料１１４上に複数の量子ドット構造１１８を形成して、部分形成光起電力デバイス構造体１１６を形成することができる。複数の量子ドット構造１１８は、例えば、窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）または窒化アルミニウムガリウム（ＡｌｘＧａ1−ｘＮ）などのＩＩＩ−窒化物材料を含むことができる。量子ドット構造１１８を形成する際は、当業者に知られている様々な方法を用いることができる。具体的な非限定的例として、量子ドット構造１１８は、よく「層プラスアイランド成長」と呼ばれるＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ（Ｓ−Ｋ）成長モード（非特許文献１に詳細に記載されているものなど）を用いて形成することができる。このようなＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ（Ｓ−Ｋ）成長モードは、例えば、プラズマ利用分子ビームエピタキシ（ＰＡ−ＭＢＥ）法もしくはＭＢＥ法、またはＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮの歪み層を形成するステップを含むことができ、その後、三次元構造が形成される再編成（すなわち、歪み緩和）が続く。
【００３８】
追加の実施形態では、量子ドット構造１１８は、非特許文献２に詳細に記載されているものなどの方法を利用し、界面活性剤または反界面活性剤を使用して形成することができる。具体的には、量子ドット構造１１８は、窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）層などのＩＩＩ−窒化物材料の第１の層の表面に、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）法を用いて製造することができる。自己集合量子ドット構造１１８を形成するには、ＩＩＩ−窒化物材料の第１の層の表面に、窒化ガリウム層、または第１の層と異なるインジウム組成物を有する窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）などのＩＩＩ−窒化物材料の第２の層を形成でき、「界面活性剤」を使用することによって三次元モードに修正することができる。何か特定の理論に拘束されることを望むものではないが、界面活性剤は、ＩＩＩ−窒化物材料の第２の層がＩＩＩ−窒化物材料の第１の層の表面を表面自由エネルギーの変化により濡らすことを抑制すると考えられる。
【００３９】
別の実施形態では、量子ドット構造１１８は、ＩＩＩ型金属のナノ小滴の堆積を用い、その後にナノ小滴の窒化および選択的成長法を続けることで形成することができる。加えて、量子ドット構造１１８は、窒化インジウムガリウムなどのＩＩＩ−窒化物材料の薄いエピタキシャル層を約４００℃から約１０００℃の間の温度において分子窒素中でアニーリングすることによって形成することができる。量子ドット構造１１８はまた、中断成長モード（例えば、非特許文献３に開示されているものなど）を用いて形成することもできる。量子ドット構造１１８は、前駆体としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、およびアンモニア（ＮＨ3）を使用し、キャリアガスとしてＮ2またはＨ2を使用する有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって形成することができる。
【００４０】
当技術分野で知られているように、量子ドット構造１１８の量子化エネルギーおよび有効バンドギャップエネルギーは、量子ドット構造１１８の組成、大きさ、および構成を変えることによって制御することができる。いくつかの実施形態では、有効バンドギャップエネルギーは、量子ドット構造１１８を１００ｎｍ未満の平均直径、および２５ｎｍ未満の平均高さを有するように成長させることによって制御することができる。非限定的な例として、量子ドット構造１１８の初期成長温度を調整して、量子ドット構造１１８の形状および組成を制御することができる。例えば、量子ドット構造１１８の初期成長温度は、約４００℃から約１０００℃の間に調整することができる。加えて、量子ドット構造１１８の大きさおよび組成は、量子ドット構造１１８の成長の継続時間によって制御することができ、例えば、約１５秒と約１２０秒の間の成長継続時間を用いることができる。さらに、量子ドット構造１１８の大きさおよび組成は、形成中の前駆体ガスの分圧を変えることによって制御することができる。半導体材料の層１１４の表面に形成された、または半導体材料の中間層１１５があればその表面に形成された量子ドット構造１１８は、ほぼ同じまたは同様の大きさを備えることができる。別の実施形態では、有効バンドギャップエネルギーは、例えば、ドット１１８のパーセントインジウム含有率を変えることによって制御される。量子ドット構造１１８は、約０．７ｅＶから約３．４ｅＶの範囲のバンドギャップエネルギーを有することができる。非限定的な例として、量子ドット構造１１８は、約１．０ｅＶの有効バンドギャップエネルギーを有することができる。
【００４１】
図３を参照すると、バリア材料１２２を量子ドット構造１１８の上に形成して、吸収構造１２４を含む部分形成光起電力デバイス構造体１２０を形成することができる。非限定的な例として、バリア材料１２２は、量子ドット構造１１８の露出面を取り囲むように、または密閉するように堆積することができる。バリア材料１２２は、半導体材料の層１１４の主面に対向する、または半導体材料の中間層１１５があればその主面に対向する、量子ドット構造１１８のそれぞれの表面を実質的に覆うのに十分な厚さを有することができる。非限定的な具体的な一例として、バリア材料１２２は、約５０ｎｍ未満の厚さ、より具体的には約２０ｎｍと約４０ｎｍの間の厚さを有することができる。
【００４２】
バリア材料１２２は、量子ドット構造１１８と比較して有効バンドギャップがかなり高められた材料を含むことができる。限定ではなく例として示すと、バリア材料１２２は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌxＧａ1-xＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）などのＩＩＩ−窒化物材料、および他の２元または３元のＩＩＩ−窒化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、バリア材料１２２は、量子ドット構造１１８と比較してかなり減少したインジウム含有率を有することができ、その結果、バリア材料１２２の有効バンドギャップは、それが取り囲む量子ドット構造１１８の有効バンドギャップよりも大きくなる。さらに、３元の窒化インジウムガリウム中へのインジウムの混合が少なくとも一部には堆積温度に依存するので、量子ドット構造１１８の堆積温度とバリア材料１２２の堆積温度との差を２００℃未満とすることがある。この堆積温度の差を維持して、量子ドット構造１１８からの諸成分の脱離を実質的に防止することができる。例えば、窒化インジウムガリウム材料の温度をその堆積温度を超えて高めると、その材料からの脱離が生じうることが当技術分野で知られている。さらに、窒化インジウムガリウム量子ドット構造からインジウムが脱離することにより、量子ドット構造の組成が変化することがあり、したがって、量子ドット構造の有効バンドギャップが変化することになりうる。
【００４３】
別の実施形態では、バリア材料１２２の形成時の温度を量子ドット構造１１８の過成長中に変化させて、量子ドット構造１１８のサイズおよび組成をさらに制御することができる。例えば、バリア材料１２２の形成時に成長温度が変化すると、量子ドット構造１１８からの脱離が減少し、ドット構造の大きさが制御され、バリア材料１２２の結晶特性が向上することになりうる。
【００４４】
非限定的な例として、バリア材料１２２形成時の成長温度の変化は、量子ドット構造に隣接するバリア材料の一部分を形成するための初期成長温度と、量子ドット構造１１８からもっと離れているバリア材料の残り部分のための次の成長温度を含むことがある。例えば、量子ドット構造１１８に隣接するバリア材料の一部分を形成するための初期成長温度は、量子ドット構造を成長させるのに用いられる温度とほぼ等しくすることができる。バリア材料の成長が継続するにつれて成長温度を高めることができ、バリア材料１２２の厚さが増大するにつれて成長温度がこのように上昇することが、バリア材料１２２の結晶特性を改善する助けになりうる。
【００４５】
本発明の別の実施形態では、バリア材料の一部分が、量子ドット構造１１８を形成するのに使用される温度とほぼ等しい初期成長温度で成長することができ、次に成長は、量子ドット構造がバリア材料１２２によって密封されるときまで初期成長温度で継続することができる。バリア材料１２２で量子ドット構造１１８の密閉することにより、バリア層の成長温度を高めてバリア材料の結晶特性をより改善することができ、または量子ドット構造を密閉することにより成長を停止させ、結晶特性を維持するのに適したガス雰囲気中でリアクタの温度を高めることができ、例えばアンモニア（ＮＨ3）を導入してＩＩＩ−窒化物材料の特性を維持することができる。所望の次の成長温度に達すると、バリア材料１２２の残り部分を成長させることができる。
【００４６】
さらに別の実施形態では、量子ドット構造１１８の諸特性を、例えば、前駆体ガスの分圧、基板の選択および成長速度を変えることによって修正することができ、このようにして吸収構造１２４の有効バンドギャップエネルギーを制御することができる。
【００４７】
図４を参照すると、任意選択でｐ型またはｎ型原子でドープされた半導体材料１１４と、その上に形成された第１のサブセル１２８とを有する成長基板１１２を含む、部分形成光起電力デバイス構造体１２６を製造することができる。第１のサブセル１２８は、半導体材料１１４を覆って積層構成の形で次々に上に配置された複数の吸収構造１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃを含むことができる。第１のサブセル１２８の内部で、各吸収構造１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃは、図２および図３に関して説明した方法と同様または同一の方法を用いて製造することができる。例えば、第１の吸収構造１２４Ａは、図３に関して説明したように、量子ドット構造１１８の層を初期温度で成長させ、その後に量子ドット１１８の周りにバリア材料１２２を異なる温度で堆積させることによって形成することができる。
【００４８】
第１の吸収構造１２４Ａの形成に続いて、第１の吸収構造１２４Ａのバリア材料１２２の上面に複数の吸収構造１２４Ｂ、１２４Ｃを製造して、第１のサブセル１２８を形成することができる。サブセル内の吸収構造の数は、吸収されるべき電磁放射に基づいて選択することができる。例えば、光起電力構造体１２６内の吸収構造１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃのそれぞれの厚さを増大させ、吸収構造１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃの数を増加することによって、電磁放射を吸収する確率を高めることができる。したがって、吸収構造１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃの数は、入ってくる電磁放射の吸収深さに基づいて選択することができる。いくつかの実施形態では、所与のサブセル内の吸収構造１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃは、ほぼ同じ構成を有することができる。非限定的な一例として、吸収構造１２４Ａの量子ドット構造１１８のそれぞれは、吸収構造１２４Ｂおよび１２４Ｃの量子ドット構造１１８のそれぞれとほぼ同じ全体サイズおよび組成を有することができる。あるいは、吸収構造１２４Ａの量子ドット構造１１８のそれぞれは、吸収構造１２４Ｂおよび１２４Ｃの量子ドット構造１１８のそれぞれと比較してかなり異なるサイズおよび組成を有することもできる。
【００４９】
引き続き図４を参照すると、いくつかの実施形態では、第１のサブセル１２８内の吸収構造１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃの各量子ドット構造１１８は、互いにほぼ一直線上にありうる。量子ドット構造１１８の整列は、下にある吸収構造１２４内の、量子ドット構造１１８の材料とバリア材料１２２の間の格子不整合の結果として存在する歪みによって、当技術分野で知られている製造方法を用いて生じさせることができる。すなわち、バリア材料１２２の格子パラメータを選択的に調整することによって、上にある吸収構造１２４Ｂ、１２４Ｃの一部を形成するバリア材料１２２と量子ドット構造１１８との間の格子不整合は、次の吸収構造１２４Ｂ、１２４Ｃ内の次の量子ドット構造１１８の整列を促進するのに利用することができる。その結果、本発明の諸実施形態では、吸収構造１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃのそれぞれにおいてほぼ一直線上にある量子ドット構造１１８の製造を可能にすることができ、これにより光起電力デバイス構造体１２６の効率がかなり向上しうる。
【００５０】
量子ドット構造１１８のそれぞれの平均の大きさは、所望の有効バンドギャップを有するように選択することができる。量子ドット構造１１８それぞれの有効バンドギャップは、量子ドット構造１１８の平均直径を減少させることによってかなり増大させることができる。例えば、サブセル１２８内の量子ドット構造１１８の平均の大きさは、約０．７ｅＶと約６．２ｅＶの間、より具体的には約０．７ｅＶから約４ｅＶの吸収エネルギー（すなわち、有効バンドギャップ）を有するように形成することができる。量子ドット構造１１８のそれぞれの有効バンドギャップはさらに、光起電力デバイス中に組み込まれるべきサブセルの数に基づいて選択することができ、理想的な吸収エネルギー、したがって個々のサブセルの有効バンドギャップエネルギーは、下の表１に応じて変化しうる。この表は、理想的な条件のもとで求められた、１つまたは複数のサブセルを含む光起電力構造体の計算された効率を示す。このような条件は、例えば、Ｗａｎｌａｓｓらの特許文献６に詳細に記載されている。
【００５１】
【表１】
0005529963.tif 000002
【００５２】
図５を参照すると、別の部分形成光起電力構造体１３０が示されており、これは、第１のサブセル１２８のバリア材料１２２の上に形成された第２のサブセル１３６を有する。サブセル１３６は、例えば、複数の吸収構造１３４Ａ、１３４Ｂ、および１３４Ｃを含むことができ、これらのそれぞれが複数の量子ドット構造１１８’の上にあるバリア材料１２２’を含み、図２または図３に関して説明した方法と同様または同一の方法を用いて形成することができる。いくつかの実施形態では、吸収構造１３４Ａ、１３４Ｂ、および１３４Ｃのそれぞれの量子ドット構造１１８’は、ほぼ同じ平均の大きさで形成して、図５に示された部分形成光起電力構造体１３０を形成することができる。他の実施形態では、吸収構造１３４Ａ、１３４Ｂ、および１３４Ｃのそれぞれの量子ドット構造１１８’は、それぞれ異なる平均の大きさで形成することができる。量子ドット構造１１８’の平均の大きさは、図４に関して説明した所望の有効バンドギャップを有するように選択することができる。非限定的な例として、量子ドット構造１１８’は、その有効バンドギャップが約０．７ｅＶと約４ｅＶの間になるように、または特定の実施形態では、およそ１．６ｅＶの有効バンドギャップになるように形成することができる。バリア材料１２２’は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌxＧａ1-xＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）などのＩＩＩ−窒化物材料、および他の２元または３元のＩＩＩ−窒化物を含むことができ、図３に関して説明した方法と同様または同一の方法を用いて形成することができる。バリア材料１２２’は、第１のサブセル１２８のバリア材料１２２のインジウム含有率よりもかなり少ないインジウム含有率を有することができ、したがって、バリア材料１２２よりもかなり大きい有効バンドギャップを有することができる。このようなバリア材料１２２’を形成するために、第２のサブセル１３６のバリア材料１２２’は、第１のサブセル１２８のバリア材料１２２の堆積温度よりも高い温度で堆積されることがある。前に論じたように、バリア材料１２２’第２のサブセル１３６の堆積温度は、第１のサブセル１２８のバリア材料１２２の堆積温度を約２００℃以上超えない温度に維持して、量子ドット構造１１８および１１８’からのインジウムの脱離を防止することができる。
【００５３】
図６を参照すると、第３のサブセル１４４を第２のサブセル１３６の上に形成して、成長基板１１２の上にある複数のサブセル１２８、１３６、１４４を有する部分形成光起電力構造体１３８を形成することができる。第３のサブセル１４４は、複数の量子ドット構造１１８”と、量子ドット構造１１８”のそれぞれを覆うとともに少なくとも部分的に取り囲んで形成されたバリア材料１２２”とを含むことができる。第３のサブセル１４４の量子ドット構造１１８”は、下にあるサブセル１３６の量子ドット構造１１８’の平均の大きさよりもかなり小さい平均の大きさで形成することができる。バリア材料１２２”は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌxＧａ1-xＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）などのＩＩＩ−窒化物材料、および他の２元または３元のＩＩＩ−窒化物を含むことができる。第３のサブセル４０のバリア材料１２２”は、第２のサブセル１３６のバリア材料１２２’の堆積温度よりも高い温度で堆積することができ、その結果、第３のサブセル１４４のバリア材料１２２”は、第２のサブセル１３６のバリア材料１２２’のインジウム含有率よりもかなり少ないインジウム含有率を有するようになる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、サブセル１２８、１３６、１４４それぞれの中の量子ドット構造１１８のそれぞれの平均の大きさは、サブセル１２８、１３６、１４４のうちの１つの中の量子ドット構造１１８のそれぞれがほぼ同様または同一の有効バンドギャップを含むように、ほぼ同一または同様とすることができる。次のサブセル１３６、１４４の量子ドット構造１１８のそれぞれの平均の大きさは、それぞれのサブセル１２８、１３６、１４４の中で異なりうる。サブセル１２８、１３６、１４４のうちの選択されたものの中の量子ドット構造１１８のそれぞれの有効バンドギャップエネルギーは、量子ドット構造１１８の平均の大きさを変えることによって、サブセル１２８、１３６、１４４のうちの選択されたものの吸収端が電磁スペクトルの所望の部分に対応するように制御することができる。非限定的な例として、第１のサブセル１２８の量子ドット構造１１８は約１．０ｅＶの有効バンドギャップを有することができ、第２のサブセル１３６の量子ドット構造１１８’は約１．６ｅＶのバンドギャップを有することができ、第３のサブセル１４４の量子ドット構造１１８”は約２．２ｅＶのバンドギャップを有することができる。
【００５５】
加えて、バリア材料１２２の組成は、サブセル１２８、１３６、１４４の間のバリアを形成しながら、量子ドット構造１１８の間の有効バンドギャップを維持するように選択することができる。非限定的な例として示すと、バリア材料１２２が窒化インジウムガリウムを含む場合、バリア材料１２２の有効バンドギャップは、バリア材料中のインジウムの原子百分率を低下させることによってかなり増大させることができる。窒化インジウムガリウムバリア材料１２２へのインジウムの混合は、当技術分野で知られている方法を用い、かなりの高温において窒化インジウムガリウムバリア材料１２２を堆積することによってかなり低減させることができる。サブセル１２８、１３６、１４４のそれぞれが形成されるとき、その堆積温度を以前に形成されたサブセルと比較して高めることができ、その結果、インジウム濃度が減少し、したがって、隣り合うサブセル１２８、１３６、１４４の吸収端が順次的に増大するようになる。
【００５６】
図６に示されているこのような一例として、各サブセル１２８、１３６、１４４の量子ドット構造１１８の大きさは、電磁放射源との関係で順次に減少することができ、したがって、サブセルの有効バンドギャップは電磁放射源との関係で増大する。サブセル１２８、１３６、１４４のそれぞれの対応するバリア層１２２、１２２’、１２２”は、窒化インジウムガリウムを含むことができ、サブセルの有効バンドギャップは、前に説明したように堆積温度を高めることによって順次的にかなり増大させることができる。それぞれが異なる吸収端を有する所望の数のサブセル１２８、１３６、１４４を形成した後、最上部のサブセル（例えば、サブセル１４４）の上面１３１を覆って、半導体材料の別の層１４０を堆積することができる。半導体材料１４０は、例えば、ＩＩＩ−窒化物材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、半導体材料の層１４０は、ｎ型またはｐ型ドープされたＩＩＩ−窒化物材料を含むことができる。非限定的な例として、半導体材料の層１４０は、マグネシウム（Ｍｇ）ドープされた窒化ガリウム、またはマグネシウムドープされた窒化インジウムガリウムを含むことができる。限定ではなく例として示すと、半導体材料の層１１４は、ｎ型ドープされたＩＩＩ−窒化物材料を含むことができ、半導体材料の別の層１４０は、ｐ型ドープされたＩＩＩ−窒化物材料を含むことができ、それによって、ＰＩＮ光起電力ダイオードデバイス１３８が生成される。
【００５７】
図６を引き続き参照すると、別の実施形態では、サブセル１２８、１３６、１４４のバンドギャップエネルギーを制御できる一方で、サブセル間の量子ドット構造１１８、１１８’、１１８”の平均の大きさは、量子ドット構造１１８、１１８’、１１８”の組成を変えることによって、ほぼ同様または同一のままになる。いくつかの実施形態では、サブセル１２８、１３６、１４４のそれぞれの量子ドット構造１１８のインジウム含有率は、サブセルが成長基板１１２からは遠くに、入射電磁源には近くに配置されているので、かなり減少しうる。限定ではなく例として示すと、量子ドット構造１１８、１１８’、１１８”およびバリア材料１２２、１２２’、１２２”の百分率インジウム含有率は、光起電力デバイスの上面に向かって減少しうる。あるいは、バリア材料１２２のインジウム含有率は一定のままとすることができ、一方、量子ドット構造１１８、１１８’、１１８”のインジウム含有率は、成長基板１１２から遠いほど、かつ入射電磁源に近いほど減少する。サブセル１２８、１３６、１４４それぞれの中の量子ドット構造１１８、１１８、１１８”およびバリア材料１２２、１２２’、１２２”の堆積温度を高めることによって、サブセル１２８、１３６、１４４のそれぞれのインジウム含有率を下にあるサブセルのインジウム含有率よりもかなり少なくすることができ、したがって、サブセル１２８、１３６、１４４のそれぞれの有効バンドギャップが、下にあるサブセルよりもかなり大きくなりうる。
【００５８】
反転光起電力構造体
以下の諸実施形態は、反転光起電力構造体を生成するための構造および方法を含む。決して限定するのではなく説明としてのみ示すと、光起電力デバイス構造では、吸収構造、すなわちサブセルに関して、当たっている放射源（例えば、太陽放射）に最大有効吸収エネルギー（すなわち、最大有効バンドギャップ）が最も近くなっているのが一般的である。このような構成では、最上部の吸収構造で吸収されなかった放射は、前記構造を通して伝達し、下にある有効吸収エネルギー（すなわち低い有効バンドギャップ）の低い吸収構造で吸収することができる。このような構成では、当たっている放射をより高い割合で有効に電気エネルギーに変換することができる。反対の構成では、すなわち、当たっている放射に最小有効吸収エネルギーが隣接する場合では、光起電力デバイス構造体中の損失により、例えば熱の形で、当たっている放射がより高い割合で浪費されうる。
【００５９】
完成した光起電力デバイス構造体内で所望の吸収構成をより効率的に生成するために、結晶吸収構造を反転して、すなわち最小有効吸収エネルギーがベース基板から最も離れた吸収構造と、最大有効吸収エネルギーがベース基板に最も近くにある吸収構造とを用いて、結晶吸収構造を成長させる必要がありうる。このような反転成長構成は、それぞれ異なる吸収構造を互いに整合させ、かつベース基板と整合させる成長パラメータまたは格子の故に効果的でありうる。
【００６０】
反転結晶構造の完成時に、その構造を反転することが、入ってくる放射をより効率的に電気エネルギーに変換するのに有利な最終デバイスを生成するために必要になりうる。光起電力デバイス構造体の反転には、光起電力デバイス構造体の上面をキャリア基板に取り付けることが伴いうる。適切なキャリア基板への取付けの後に、最初のベース基板を取り除くことができ、それによって、当たっている太陽放射に光起電力デバイス構造体を露光することが可能になる。
【００６１】
図７を参照すると、成長基板１１２の上にある半導体材料の層１１４が含まれる部分形成光起電力デバイス構造体１１０を、図１に関して説明した方法と同様または同一の方法を用いて製造することができる。非限定的な例として、半導体材料の層１１４は、ｐ型ドープされたＩＩＩ−窒化物材料を含むことができる。
【００６２】
図８を参照すると、成長基板１１２に取り付けられた半導体材料の層１１４を含む部分形成光起電力デバイス構造体１４６の別の実施形態を、図１に関して説明した方法と実質的に同様または同一の方法を用いて製造することができる。成長基板１１２は、ＩＩＩ−窒化物材料を成長させるのに適した同種基板または異種基板を含むことができ、半導体材料の層１１４は、図１に関して前に説明したように、半導体材料の単一のエピタキシャル層または複数のエピタキシャル層を含むことができる。
【００６３】
成長基板１１２は、ベース材料１１３（図１）を含むことができ、また任意選択で、シャドーラインを用いて描かれた半導体材料の１つまたは複数の中間層１１５（図１）を含むことができ、これらは最終的に、半導体材料の層１１４とベース基板１１３の間に配置される。
【００６４】
図８をなお参照すると、部分形成光起電力デバイス構造体１４６は第１のサブセル１５０を含むことができ、第１のサブセル１５０は、バリア材料１２２”によって取り囲まれた量子ドット構造１１８”を有する複数の吸収構造１４８Ａ、１４８Ｂ、１４８Ｃを含むことが示されている。サブセル１５０は、前記の図２〜４に関して説明した方法とほぼ同様または同一の方法を用いて製造することができる。非限定的な例として示すと、量子ドット構造１１８”は窒化インジウムガリウム（ＩｎxＧａ1-xＮ）を含むことができる。次に、ＩＩＩ−窒化物材料を含むバリア材料１２２”を量子ドット構造１１８”の上に、ある堆積温度で堆積することができる。複数の吸収構造１４８Ａ、１４８Ｂ、１４８Ｃそれぞれの中の量子ドット構造１１８”は、同じ大きさになりうる。加えて、吸収構造１４８Ａ、１４８Ｂ、１４８Ｃのそれぞれは、図４に関して論じたように、量子ドット構造１１８”およびバリア材料１２２”の平均の大きさおよび組成を制御することによって、所望の有効バンドギャップを有して形成することができる。例えば、量子ドット構造１１８”は、２．２ｅＶの有効バンドギャップを有するように形成することができる。
【００６５】
図９を参照すると、ベース基板１１２の上に複数のサブセル１５０、１５６を含む部分形成光起電力構造１５２が示されている。第２のサブセル１５６は、図２〜４に関して論じた方法と実質的に同様または同一の方法を用いて、第１のサブセル１５０の上に形成することができる。第２のサブセル１５６は、第１のサブセルの吸収構造１４８Ａ、１４８Ｂ、１４８Ｃの吸収端と異なる電磁スペクトルの部分に対応する吸収端をそれぞれが有する、複数の吸収構造１５４Ａ、１５４Ｂ、１５４Ｃを含むことができる。限定ではなく例として示すと、第１のサブセル１５０の量子ドット構造１１８”の大きさは、第２のサブセル１５６の量子ドット構造１１８’の大きさよりかなり小さくなりうる。サイズが増大された結果として、量子ドット構造１１８’の有効バンドギャップはかなり減少する。大きさを増した量子ドット構造１１８’を形成するために、第２のサブセル１５６の量子ドット構造１１８’は、第１のサブセル１５０の量子ドット構造１１８”が形成される温度よりも低い温度で形成されることがある。
【００６６】
追加の実施形態では、サブセル１５０、１５６の有効バンドギャップは、サブセル間の量子ドット構造１１８”、１１８’の大きさを維持しながら、量子ドット構造１１８’の組成を変えることによって制御することができる。非限定的な例として、量子ドット構造１１８”、１１８’は、実質的に同様または同一の大きさを有することができ、かつ光起電力構造体のサブセル全体にわたって窒化インジウムガリウムを含むことができる。量子ドット構造１１８”、１１８’それぞれの、例えばインジウム含有率などの組成を変えて、各サブセルの所望の有効バンドギャップを得ることができる。
【００６７】
複数の量子ドット構造のそれぞれの上に堆積されるバリア材料１２２”、１２２’を選択して、量子ドット構造１１８”、１１８’の有効バンドギャップとバリア材料１２２”、１２２’の有効バンドギャップとの間の所望の差を維持することができる。量子ドット構造１１８”、１１８’の有効バンドギャップが、量子ドット構造１１８”、１１８’の平均の大きさを増大させることによってかなり低減されているので、バリア材料１２２”、１２２’の有効バンドギャップは、バリア材料１２２”、１２２’のインジウム含有率を増大させることによって低減することができる。したがって、量子ドット構造１１８”、１１８’の有効バンドギャップとバリア材料１２２”、１２２’の有効バンドギャップとの間の差は、下にある第１のサブセル１５０などの構造の堆積温度と比較してかなり低下した温度でバリア材料１２２”、１２２’を堆積することによって維持することができる。低下した温度で第２のサブセル１５６のバリア材料１２２’を形成することによって、第１のサブセル１５０のバリア材料１２２”から第２のサブセル１５６のバリア材料１２２’へのインジウムの脱離がかなり低減され、またはなくなる。
【００６８】
図１０に示されるように、第３のサブセル１６２を第２のサブセル１５６の上に形成して部分形成光起電力構造体１５８を形成することができる。第３のサブセル１６２は、複数の吸収構造１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃを含むことができ、これらのそれぞれが、バリア材料１２２によって取り囲まれた複数の量子ドット構造１１８を含む。第３のサブセル１６２の各量子ドット構造１１８は、実質的に同様または同一の平均の大きさを有することができ、かつ第１のサブセル１５０および第２のサブセル１５６の量子ドット構造１１８”、１１８’の有効バンドギャップよりも小さい有効バンドギャップを有するように形成することができる。例えば、第３のサブセル１６２の量子ドット構造１１８は、約１．０ｅＶの有効バンドギャップを有することができる。前に説明したように、量子ドット構造１１８の大きさは、吸収構造１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃのそれぞれが、電磁スペクトルの別の部分に対応する吸収端を含むように選択することができる。非限定的な例として示すと、第３のサブセルの吸収構造１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃの吸収端は、第１のサブセル１５０および第２のサブセル１５６と異なる電磁スペクトルの部分に対応することができる。バリア材料１２２は、図３に関して説明した方法と同様または同一の方法を用いて、各吸収構造１５６の量子ドット構造１１８の上に堆積することができる。第３のサブセル１６２のバリア材料１２２の有効バンドギャップは、バリア材料１２２の堆積温度を下げることによってかなり低減されて、バリア材料１２２中のインジウムの混合がかなり増加し、かつ上にある材料（すなわち、第１のサブセル１５０のバリア材料１２２”、および第２のサブセル１５６のバリア材料１２２’、および量子ドット構造１１８”、１１８’）からのインジウムの脱離がかなり低減し、またはなくなる。
【００６９】
部分形成光起電力構造体１５８のサブセル１５０、１５６、１６２はそれぞれ、個々のサブセル１５０、１５６、１６２を形成するために用いられる堆積温度がサブセルごとにかなり低下するように形成されており、したがって、各サブセルは、下にあるサブセルと比較して増大されたインジウム含有率を有する。その結果、図１０に示される各サブセル１５０、１５６、１６２の有効バンドギャップエネルギーは、ベース基板１１２に最も近い下部サブセル１５０で最高になり、上部サブセル１６２で、すなわちベース基板１１２から最も遠くで最低になる。対照的に、図１０に示される各サブセル１５０、１５６、１６２のインジウム含有率は、ベース基板１１２に最も近い下部サブセル１５０で最低になり、上部サブセル１６２で、すなわちベース基板１１２から最も遠くで最高になる。
【００７０】
サブセル形成中に堆積温度を低下させると、下にあるサブセルの脱離を防止する助けになり、それによって、下にある材料の組成の安定性が改善され、したがって、下にある吸収構造の有効バンドギャップが改善される。部分形成光起電力構造１５８は、効果的な太陽光デバイスとして動作するように反転させることができる。
【００７１】
図１０をなお参照すると、別の半導体材料の層１４０を部分形成光起電力構造体１５８の上部サブセル（すなわち、第３のサブセル１６２）の上に堆積することができる。限定ではなく例として示すと、半導体材料の層１１４は、ｐ型ドープされた半導体材料を含むことができ、別の半導体材料の層１４０は、ｎ型ドープされた半導体材料を含むことができる。
【００７２】
各サブセル１５０、１５６、１６２、および付随する吸収構造１４８Ａ〜Ｃ、１５４Ａ〜Ｃ、１６０Ａ〜Ｃは、光起電力デバイスに組み込まれるべきサブセルの数に応じて、電磁スペクトルの特定の部分を吸収するように形成することができる。それに応じて、理想的な吸収エネルギーが、したがって個々のサブセルの有効バンドギャップが異なりうる。非限定的な例として、サブセル１５０、１５６、１６２のそれぞれの有効バンドギャップは、各サブセル内の量子ドット構造１１８”、１１８’、１１８の大きさを変えることによって制御することができる。いくつかの実施形態では、量子ドット構造１１８”、１１８’、１１８の大きさがサブセルごとに異なるのに対して、個々のサブセル１５０、１５６、１６２の中では、これらの大きさが維持される。図１０に示されるこのような一例として、サブセル１５０、１５６、１６２のそれぞれの量子ドット構造１１８”、１１８’、１１８のサイズは、電磁放射源に対するサブセルの近さと関連して順次的に増大しうる。別の実施形態では、複数のサブセル１５０、１５６、１６２のそれぞれの量子ドット構造１１８”、１１８’、１１８の物理的サイズは一定のままにとどめることができ、量子ドット構造１１８”、１１８’、１１８の組成を変えて所望の有効バンドギャップにすることができる。図を簡単にするために、部分形成光起電力構造体１５８は、３つの吸収構造をそれぞれが含む３つのサブセルを含めて示されている。しかし、部分形成光起電力構造体１５８は、本明細書で説明されている方法を用い、任意の数の吸収構造をそれぞれが含む、任意の数のサブセルを含むように形成することができる。
【００７３】
図１１を参照すると、部分形成光起電力構造体１６４が、図１０に示された構造の半導体材料１４０に取り付けられた接合基板１６６を含めて示されている。中間光起電力デバイス１６４を製造するために、図１０の構造体が反転され、当技術分野で知られている方法を用いて、接合基板１６６に取り付けられる。その結果、バンドギャップエネルギーもまた反転されて、最高有効バンドギャップエネルギーサブセルが、入ってくる電磁放射に最も近く配置されることになる。しかし、ベース基板１１２は、入ってくる太陽放射をサブセルが吸収することを妨げる可能性がある。いくつかの実施形態では、ベース基板１１２が中間構造１６４から除去され、それによって、図１２に示された、太陽放射を電気エネルギーに変換できる光起電力デバイス１６８が形成される。ベース基板１１２は、イオン注入、エッチング、リフトオフ、研磨、およびレーザリフトオフなどの知られている方法によって除去することができる。このような非限定的な一例として、ベース基板１１２は、例えばＢｒｕｅｌの特許文献７、Ａｓｐａｒらの特許文献８、Ａｓｐａｒらの特許文献９、Ｍｏｒｉｃｅａｕらの特許文献１０、Ａｓｐａｒらの特許文献１１、Ａｓｐａｒらの特許文献１２に詳細に記載されているスマートカット法により分離することができる。
【００７４】
例えば、上述の本発明の方法の実施形態を用いて、吸収構造を、窒化ガリウムバリア材料によって取り囲まれた複数の窒化インジウム量子ドット構造を含むように形成することができる。窒化ガリウム（ＧａＮ）材料は、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、サファイア基板を約１１７０℃の温度でアンモニアおよびトリメチルガリウムにさらすことによって、サファイア基板の上に形成することができる。ＧａＮ材料の成長の後、その上に窒化インジウム（ＩｎＮ）量子ドット構造。量子ドット構造は、窒化ガリウムを約５２０℃の温度でトリメチルインジウムおよびアンモニアに約１０秒から６０秒さらすことによって成長させることができる。量子ドットは、約１×１０12ｃｍ-2の密度、約１０ｎｍの平均高さ、および約１０ｎｍの平均幅を有することができる。
【００７５】
ＩｎＮ量子ドットの形成の後、量子ドットの上にＧａＮのバリア材料を堆積することができる。この例では、ＧａＮは、トリメチルガリウム前駆体を使用して、量子ドットと同じ温度で堆積することができる。あるいは、トリメチルガリウムはまた、バリア材料の前駆体として使用することもできる。本明細書で説明されているように、複数のサブセルは、上記の原理により製造することができる。
【００７６】
本発明の諸実施形態を本明細書では主として、窒化インジウムガリウムを含む半導体材料の層１１４、１４０に関して説明したが、本発明はそのように限定されず、また本発明の諸実施形態を用いて、他のＩＩＩ−窒化物材料を含む半導体材料の層、他のＩＩＩ−Ｖ型半導体材料の層、または他の半導体材料の層（例えば、ＩＩ−ＶＩ型半導体材料の層、シリコンの層、およびゲルマニウムの層など）を形成することができる。加えて、本発明の諸実施形態を本明細書では主として３つのサブセルにより説明したが、本発明はそのように限定されず、本発明の諸実施形態で含むサブセルは、もっと多くすることも少なくすることもできる。
【００７７】
本発明を本明細書では、特定の好ましい実施形態に関して説明したが、本発明がそのように限定されないことを当業者は認識および理解されよう。むしろ、好ましい実施形態に対し多くの追加、削除および修正を行うことが、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく可能である。加えて、１つの実施形態の特徴は、別の実施形態の特徴と組み合わせることができる一方で、本発明者によって企図された本発明の範囲内に依然として包含されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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