(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光起電力接合を含み、前記接合が１つ以上の第１半導体層を含む光電池であって、
前記１つ以上の第１半導体層がＧａＡｓに格子整合したＳｉＧｅのエピタキシャル成長層であり、
前記１つ以上の第１半導体層は、ＧａＡｓ基板上にて当該ＧａＡｓ基板と一体的にエピタキシャル成長した、ドープされたＳｉxＧｅ1-xから形成され、ここで０．０１≦ｘ≦０．０３である、光電池。
【請求項２】
前記第１光起電力接合が２つの前記半導体層を使用して形成される、請求項１に記載の光電池。
【請求項３】
前記２つの半導体層が反対型にドープされた、請求項２に記載の光電池。
【請求項４】
前記第１光起電力接合上に配置され、前記第１光起電力接合より大きいバンドギャップを有する１つ以上のさらなる光起電力接合をさらに含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の光電池。
【請求項５】
シリコン‐ゲルマニウムグレードが前記第１光起電力接合上に形成され、前記１つ以上のさらなる光起電力接合が、前記シリコン‐ゲルマニウムグレード上に形成された第２光起電力接合を含み、前記第２光起電力接合が、前記１つ以上の第１半導体層より高いシリコン含有量を有するＳｉＧｅ材料のエピタキシャル成長層である１つ以上の第２半導体層を含み、前記シリコン‐ゲルマニウムグレードが下部及び上部境界のそれぞれで前記第１および第２光起電力接合の格子定数と整合するように形成されており、前記第２光起電力接合が０．８５ｅＶから１．０５ｅＶの間のバンドギャップを有する、請求項４に記載の光電池。
【請求項６】
前記第１および第２光起電力接合のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する１つ以上の付帯光起電力接合の一体形成された付帯構造をさらに含み、前記付帯構造が前記第２光起電力接合の上に位置し、かつそれと格子不整合である、請求項５に記載の光電池。
【請求項７】
前記付帯構造がＧａＡｓに格子整合する、請求項６に記載の光電池。
【請求項８】
前記付帯光起電力接合の１つがＧａＡｓ光起電力接合であり、かつ前記付帯光起電力接合の別の１つがＩｎＧａＰ光起電力接合である、請求項７に記載の光電池。
【請求項９】
前記１つ以上のさらなる光起電力接合が、前記第１光起電力接合と一体的に形成されたＧａＡｓ材料の光起電力接合を含む、請求項４に記載の光電池。
【請求項１０】
前記１つ以上のさらなる光起電力接合が、ＧａＡｓ光起電力接合と一体的に形成されたＩｎＧａＰ材料の光起電力接合を含む、請求項９に記載の光電池。
【請求項１１】
ＧａＡｓに格子整合したエピタキシャル成長ＳｉＧｅ層を含むゲルマニウム系第１光起電力接合と、エピタキシャル成長した中間ＧａＡｓ系光起電力接合と、上部光起電力接合とを備え、前記エピタキシャル成長ＳｉＧｅ層は、ＧａＡｓ基板上にて当該ＧａＡｓ基板と一体的にエピタキシャル成長した、ドープされたＳｉxＧｅ1-xから形成され、ここで０．０１≦ｘ≦０．０３である、一体型トリプル接合太陽電池。
【請求項１２】
ＧａＡｓに格子整合したエピタキシャル成長ＳｉＧｅ層を含むゲルマニウム系第１光起電力接合と、前記第１光起電力接合のＳｉＧｅ層より高いシリコン含有量を有するエピタキシャル成長ＳｉＧｅ層を含む第２光起電力接合と、それぞれの面で前記第１および第２光起電力接合の格子定数に整合するように構成されたＳｉＧｅグレードとを備え、前記第１光起電力接合のエピタキシャル成長ＳｉＧｅ層は、ＧａＡｓ基板上にて当該ＧａＡｓ基板と一体的にエピタキシャル成長した、ドープされたＳｉxＧｅ1-xから形成され、ここで０．０１≦ｘ≦０．０３である、クワドロプル接合太陽電池。
【請求項１３】
ＧａＡｓ基板を提供するステップと、
前記ＧａＡｓ基板に格子整合したＳｉＧｅからなる１つ以上のエピタキシャル成長第１半導体層を含む第１光起電力接合を前記ＧａＡｓ基板上に形成するステップと、を含み、
前記１つ以上の第１半導体層が反対型にドープされたＳｉxＧｅ1-xから形成され、ここで０．０１≦ｘ≦０．０３である、光電池を形成する方法。
【請求項１４】
前記第１半導体層が前記ＧａＡｓ基板上に直接成長した、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
動作中に共通光電流が前記第１光起電力接合およびさらなる光起電力接合に流れるように、前記第１光起電力接合上に１つ以上のさらなる光起電力接合を形成するステップをさらに含む、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ＧａＡｓ基板の一部または全部を除去するステップをさらに含む、請求項１３ないし１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記除去ステップが、前記ＧａＡｓ基板の少なくとも一部を機械的に又はエッチングにより除去するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ＧａＡｓ基板の少なくとも一部を機械的に除去する前記ステップが、イオン注入によって前記ＧａＡｓ基板に劈開面を形成するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記劈開面を形成する前記ステップが、前記１つ以上の第１半導体層の最初の層の成長後、２番目の層もしくは前記１つ以上の第１半導体層の成長前に実行される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＧａＡｓ基板の少なくとも一部を機械的に除去する前記ステップが、前記ＧａＡｓ基板を研削するステップを含む、請求項１７ないし１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記ＧａＡｓ基板を除去するステップが、前記ＧａＡｓ基板の少なくとも残存部分をエッチングするステップを含む、請求項１６ないし２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記ＧａＡｓ基板を部分的にまたは全体的に代替ベースに交換するステップをさらに含む、請求項１６ないし２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記代替ベースがヒートシンクを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記代替ベースがシリコンウェハを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記１つ以上のさらなる光起電力接合が、前記第１半導体層より高いシリコン含有量を有するＳｉＧｅ材料の１つ以上の第２エピタキシャル成長層を含む第２光起電力接合を備え、前記第２光起電力接合の成長前に、シリコン‐ゲルマニウムグレードが下部および上部境界のそれぞれで前記第１および第２光起電力接合の格子定数に整合するように、前記シリコン‐ゲルマニウムグレードを前記第１光起電力接合上に形成するステップをさらに含み、前記第２光起電力接合が０．８５ｅＶから１．０５の間のバンドギャップを有する、請求項１５ないし２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
前記第１および第２光起電力接合のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、かつ前記第２光起電力接合と格子不整合である、１つ以上のエピタキシャル成長した付帯光起電力接合の付帯構造を形成するステップと、動作時に、共通光電流が前記第１、第２、および付帯光起電力接合を通過するように、前記付帯構造を前記第２光起電力接合の上に結合するステップとをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記付帯構造が付帯基板上に形成され、かつ前記結合ステップ後に前記付帯基板が除去される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記付帯構造がＧａＡｓに格子整合する、請求項２６または２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記付帯光起電力接合の１つがＧａＡｓ材料の光起電力接合であり、かつ前記付帯光起電力接合の別の１つがＩｎＧａＰ材料の光起電力接合である、請求項２６ないし２８のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
前記１つ以上のさらなる光起電力接合が、前記ゲルマニウム系の第１光起電力接合と一体的に形成されたＧａＡｓ光起電力接合を含む、請求項１５ないし２４のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
前記１つ以上のさらなる光起電力接合が、前記ＧａＡｓ接合と一体的に形成されたＩｎＧａＰ光起電力接合を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
ゲルマニウム材料の１つ以上の層を含む光起電力接合を備えた光電池を形成する方法であって、前記１つ以上の層をＧａＡｓ基板上に成長させるステップと、前記ゲルマニウム材料をエッチストップとして使用して前記ＧａＡｓ基板を除去するステップとを含む方法。
【請求項３３】
前記除去ステップが、前記ＧａＡｓ基板を剥離によって前記ゲルマニウム材料から機械的に分離するステップを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記分離されたＧａＡｓ基板を、さらなる半導体装置の製造時にＧａＡｓウェハとして再使用するステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記ゲルマニウム材料がＳｉＧｅである、請求項３２ないし３４のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
前記１つ以上の層がエピタキシャル成長する、請求項３２ないし３５のいずれかに記載の方法。
【請求項３７】
前記１つ以上の層が前記ＧａＡｓ基板の表面に直接成長する、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
請求項１３ないし３７のいずれかのステップを含む方法を用いて形成された光電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電池に関し、特に、太陽スペクトルの長波長部を吸収するための低光起電接合がゲルマニウム系である多接合太陽電池に関するが、それに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
光電池は光エネルギ、例えば太陽光を有用な電力に変換する。典型的には、半導体材料で電荷キャリアを分離するように働くｐｎ接合付近における光子の吸収によって電子‐正孔対が形成され、分離された電荷キャリアは次いで、電池装置の金属接点を介して電気回路に送達される。吸収プロセスは、光子が局所半導体材料のバンドギャップより高いエネルギを有する場合にだけ発生するので、より低いバンドギャップの材料はより多くの光子を吸収する傾向がある。バンドギャップエネルギを超える特定の光子の過剰なエネルギは、半導体格子内に熱として消失する。高いバンドギャップを持つ材料のｐｎ接合が形成される場合、低エネルギの光子は吸収されないが、光電流が送達される電圧が高くなる。
【０００３】
太陽光は広範囲の波長にわたって大きなエネルギを含んでおり、太陽電池の効率を最大化するには、したがって高エネルギの光子をバンドギャップの高い上部接合で吸収し、順次低いエネルギの光子を順次低い特性バンドギャップエネルギを持つ下層の接合で吸収することが適切である。この技術は、高エネルギの光子を高電圧接合で吸収することによって、太陽スペクトルの各部分から得られる電力を最大化しようとするものである。エピタキシャル成長技術を用いて、単一半導体基板上に複数の接合を一体的に形成することは公知である。各接合からの光電流は構造全体に流れ、上部電池の上および基板の下の金属接点を使用して外部回路に結合される。このように形成された太陽電池はしばしば多接合電池と呼ばれる。
【０００４】
周知の多接合電池構造は、米国特許第6,380,601号の概要部に概説されている。上部の高バンドギャップエネルギの接合はＩｎＧａＰ材料に基づく。中間の接合はＧａＡｓ材料に基づく。底部の低バンドギャップエネルギの接合はゲルマニウム材料に基づく。特に、下部の接合はＧｅ基板の適切なドーピングによって形成され、その上に、エピタキシャル成長技術を用いて中間および上部接合が形成される。各接合に使用される材料は、各層の結晶格子の面間隔がその下の層の面間隔と一致するという、良質のエピタキシャル成長の要件によって制約される。１％の数分の１を超える格子面間隔の不一致が成長欠陥を導き、それは結果的に材料品質を低下させ、かつ光生成電荷キャリアは装置内で容易に再結合するので、太陽電池の効率を大きく低下させる。ＧａＡｓおよびＧｅは密接に格子整合する。ＩｎＧａＰ材料は、Ｉｎ、Ｇａ、およびＰ成分の正確な比率を確実にすることによって、ＧａＡｓと格子整合することができる。そのようなトリプル接合タンデム電池に使用することのできる他の材料は、基板に対しかつ相互に同様に格子整合しなければならない。
【０００５】
米国特許第6,380,601号では、ゲルマニウム基板は、約１×１０18ｃｍ-3の濃度にゲルマニウムがｐドープされる。底部ｐｎ接合は次いで、Ｇｅ基板の表面層へのリンの拡散によって形成される。バルクｐ型ドーピングを克服するために、拡散ｎ型リンドーピングが約５×１０18ないし１×１０19ｃｍ-3の比較的高濃度で行なわれ、拡散プロセスは、鮮明な境界よりむしろ深さと共に濃度の漸減を導く。
【０００６】
同様の装置を記載している米国特許第6,380,601号および米国特許出願公開第2002/0040727号の両方の目的は、Ｇｅ基板の表面における拡散ｎ型ドープ層の特性を改善することである。しかし、記載した技術を用いてもｎドープ層の厚さを正確に制御することは難しいままであり、ｎおよびｐドープ領域間の境界は事実上拡散し、かつｎ型ドーピングの濃度は、基板のバルクｐ型ドーピングと均衡させるために、高くしなければならない。
【０００７】
本発明は、関連する先行技術のこれらおよび他の問題に取り組むものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第6,380,601号
【特許文献２】米国特許出願公開第2002/0040727号
【発明の概要】
【０００９】
したがって、本発明は、ゲルマニウム系の第１光起電力接合、すなわちＧａＡｓと格子整合または実質的に格子整合したＳｉＧｅまたは別のゲルマニウム材料の１つ以上のエピタキシャル成長した第１層を含む接合を備えた、太陽電池のような光電池を提供する。特に、１つ以上の層をＧａＡｓ基板、またはＧａＡｓオンインシュレータ基板のようなＧａＡｓ面を提供する別の基板と一体的に成長させることができる。接合は、反対の型にドープされたＳｉＧｅまたは別のゲルマニウム材料の２つのそのような層を含むか、またはそれによって形成することができ、層の一方または両方が前記ＳｉＧｅおよび／またはＧｅ材料の相異なるエピタキシャル成長層である。両方の層がＧａＡｓと格子整合または実質的に格子整合することができる。代替的に、または追加的に、光起電力接合は、１つ以上のエピタキシャル成長層の１つ以上に、または下層もしくは基板のような他の部分に、例えば拡散またはビーム打込みによってドーパントを添加することによって形成することができる。
【００１０】
ゲルマニウムだけ、または少なくともｘ＝０．０４およびおそらくｘ＝０．０６以上までのシリコン含有量のＳｉxＧｅ1‐xをゲルマニウム材料の１つ以上の層に使用することができるが、層は適切にドープされたＳｉxＧｅ1-x（０．０１≦ｘ≦０．０３）から形成することがより好ましい。第１接合は０．７６ｅＶ未満の特性バンドギャップを有することが好ましく、０．７３ｅＶ未満がより好ましい。しかし、より一般的には、本書で使用する場合、ゲルマニウム材料という用語は、ゲルマニウムモル分率が少なくとも０７、任意選択的に少なくとも０．９の材料とすることができ、かつゲルマニウム材料は単結晶および／または一体に形成される。
【００１１】
ＣＶＤまたはＭＢＥのような適切なエピタキシャル技術を使用して、１つ以上の層を１つ以上の段階で成長させることができる。ドーパント拡散および／または反対型のドープ層の成長によって光起電力接合の形成を促進するために、層はｐ型またはｎ型にドープすることができる。
【００１２】
１つ以上の第１層は同一材料組成から形成することができ、あるいは良好な材料品質を維持するために格子整合の制約条件を前提として、組成がわずかに異なってもよい。１つ以上の第１層は典型的には反対型にドープされるが、ドーピングの順序は、当業者が精通している他の設計上の制約条件に従って選択することができる。第１接合および電池に設けることのできる他の光起電力接合は、反対型のドープ層の間の真性領域のような他の層または構造を含むことができる。
【００１３】
米国特許第6,380,601号および米国特許出願公開第2002/0040727号に概説された技術と比較して、本発明の態様は接合の上層のドーピング濃度を著しく低減させることができ、それは結果的にキャリアの再結合寿命を改善し、かつその結果、接合の開路電圧および全体的効率が改善される。１つ以上の第１層のエピタキシャル成長は層の厚さおよび接合位置のずっと正確な制御を可能にし、特に、拡散カウンタドーピング方法を用いて達成することのできない、鮮明な接合境界を持つ薄い上層の形成を容易化する。１つ以上の第１層はＧａＡｓと格子整合するので、上側の光起電力接合におけるＧａＡｓ層のような上側のＧａＡｓ層は正確に格子整合することができ、成長欠陥の低減を導き、その結果、ＧａＡｓ接合層が下側のＧｅ基板と大まかに格子整合するだけの装置と比較して、材料の品質および装置の性能が改善される。
【００１４】
多接合太陽電池を適用するために、一般的に、下部接合はゲルマニウムによってもたらされるより大きいバンドギャップを設けることが望ましいと考えられており、これは、ＳｉＧｅから１つ以上の第１層を形成し、Ｓｉ含有量で材料のバンドギャップを増大することによって達成される。シリコン含有量が２％の場合、接合のバンドギャップは約０．６８ｅＶである。
【００１５】
太陽電池用の拡散下部接合を形成するためのＧｅウェハの処理は、最大１００ｍｍのウェハサイズに制約される傾向があり、ＧａＡｓウェハ基板を使用することにより、ＧａＡｓでより幅広く利用可能な１５０ｍｍおよび２００ｍｍのようなより大きいウェハサイズにアクセスが広がる。
【００１６】
典型的には、１つ以上の第１層は、最適なＧａＡｓ格子整合をもたらすようにＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長するが、操作可能な装置では、ＧａＡｓ基板は、ＧａＡｓのエッチング時に例えばＧｅまたはＳｉＧｅ層のエッチストップ効果を利用して、下述の通り除去することができる。この目的のために、１つ以上の第１層は、基板によってもたらされるＧａＡｓ表面上に直接かつそれに接触して成長させることができる。ＧａＡｓ基板の一部または全部を除去した後、これを代替ベース、例えば金属または他のヒートシンク層もしくは構造、またはシリコンのようなより安価もしくは便利な基板に置き換えることができ、それは酸化シリコン層をも有することができる。ヒートシンク構造を使用する場合、これは金属または別の分類の材料製とすることができるが、それが代替するＧａＡｓ基板より優れた熱伝達特性を有し、例えば通常の動作状態でＧａＡｓ基板の少なくとも２倍の熱伝導率を有する必要がある。ＧａＡｓ基板のほとんどまたは全部が剥離または層転移方法によって分離され、次いで例えば他の同様のまたは異なる半導体装置を形成するために、それを後続プロセスで再使用することができる。
【００１７】
第１接合より大きいバンドギャップを有する１つ以上のさらなる光起電力接合を、第１接合上に配置することができる。さらなる接合はエピタキシャル成長させ、かつ第１接合と一体にすることができ、介在グレード層を用いて異なる格子定数で成長させることができ、かつ／または例えば異なる基板上に別々に成長し、その後装置の一部を形成するように結合される接合を含むことができる。
【００１８】
例えば、シリコン‐ゲルマニウムグレードをゲルマニウム系の第１光起電力接合上に形成することができ、前記１つ以上のさらなる光起電力接合はその場合、シリコン‐ゲルマニウムグレード上に形成された少なくとも第２光起電力接合を含むことができ、該第２接合は第１接合の１つ以上の第１層より高いシリコン含有量を有するＳｉＧｅ材料を含み、シリコン‐ゲルマニウムグレードは下部および上部境界のそれぞれで第１および第２接合の格子定数と整合するように形成される。典型的な多接合太陽電池に適用するために、そのような第２接合は典型的には約０．８５ないし１．０５ｅＶのバンドギャップを有することができるが、ゲルマニウムのバンドギャップからシリコンのバンドギャップまでの全範囲が利用可能である。
【００１９】
ＳｉＧｅ材料の第２接合の上にさらなる光起電力接合を設けるために、さらなる接合は第２接合と格子整合する必要がなく（例えばそれらはＧａＡｓ層を含み、かつ一体とすることができ、そのように格子整合することができ）、付帯構造は別個の基板上に形成することができ、付帯構造は、ゲルマニウム系の第１および第２光起電力接合のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する１つ以上の付帯的光起電力接合を有する。付帯構造の接合は次いで第２光起電力接合の上に結合される。付帯構造の接合は、付帯構造を主構造上に倒置することができるように、逆転構成に形成することが便利である。
【００２０】
本発明を具現する完成した光電池の一例として、ＧａＡｓに実質的に格子整合されたエピタキシャル成長ＧｅまたはＳｉＧｅ層を含む第１ゲルマニウム系光起電力接合と、エピタキシャル成長中間ＧａＡｓ系光起電力接合と、上部光起電力接合とを備えた一体型トリプル接合太陽電池がある。別の例として、ＧａＡｓに格子整合されたエピタキシャル成長ＧｅまたはＳｉＧｅ層を含む第１ゲルマニウム系光起電力接合と、第１接合のＧｅまたはＳｉＧｅ層より高いシリコン含有量を有するエピタキシャル成長ＳｉＧｅ層を含む第２光起電力接合と、そのそれぞれの面で第１および第２接合の格子定数と整合するように構成された中間ＳｉＧｅグレードとを備えたクワドロプル接合太陽電池がある。言うまでもなく、異なる数の接合および異なる接合材料を使用することができる。
【００２１】
本発明はまた、例えばＧａＡｓ基板またはＧａＡｓ面をもたらす他の基板を用意するステップと、ＧａＡｓ基板に実質的に格子整合されたＳｉＧｅ、Ｇｅ、または別のゲルマニウム材料の１つ以上の第１半導体層のエピタキシャル成長によってＧａＡｓ基板上にゲルマニウム系の第１光起電力接合を形成するステップとを含む、上述した光電池を形成する方法をも提供する。上述した種々の構造を実行する方法も提供する。
【００２２】
１つ以上の第１半導体層の第１層はＧａＡｓ基板上に直接成長することができ、それによってＧａＡｓ基板の一部または全部を除去するその後のエッチング段階のためのエッチストップがもたらされる。研削および層転移／剥離を含め、ＧａＡｓ基板の一部または全部を除去するための他の技術を使用することができる。剥離技術は、厚さがわずかに減少したＧａＡｓウェハの形で基板の再使用を可能にする。ＧａＡｓ基板が全体的にまたは部分的に除去される場合、代替半導体基板（例えばシリコン）または金属ヒートシンクのような交換構造または層をその代わりに設けることができる。
【００２３】
本発明の実施形態について以下で、単なる実施例として添付の図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長したＳｉＧｅ材料層を使用して形成された光接合の略図である。
【図１Ｂ】単一ＳｉＧｅ材料層および基板へのドーパント拡散を使用して形成された同様の光接合を示す略図である。
【図１Ｃ】単一ＳｉＧｅ材料層およびＳｉＧｅ層へのドーパント拡散を使用して形成された同様の光接合を示す略図である。
【図２】図１Ａの構造に追加的光接合および他の機能構造が追加されて、多接合モノリシック光電池が形成された状態を示す略図である。
【図３Ａ】図２の構造をハンドルウェハに結合し、ＧａＡｓ基板を除去して金属ヒートシンクのような別のベース構造に置換するプロセスの最初の段階を示す略図である。
【図３Ｂ】同プロセスの次の段階を示す略図である。
【図３Ｃ】同プロセスのさらなる段階を示す略図である。
【図３Ｄ】同プロセスの最後の段階を示す略図である。
【図４Ａ】図１Ａと同様の構造を酸化シリコンウェハのような代替基板上に形成し、ＧａＡｓ基板ウェハの再使用を可能にするプロセスの最初の段階を示す略図である。
【図４Ｂ】同プロセスの次の段階を示す略図である。
【図４Ｃ】同プロセスのさらなる段階を示す略図である。
【図４Ｄ】同プロセスの最後の段階を示す略図である。
【図５】図１Ａまたは図４Ｄと同様の構造にグレード層が追加され、シリコンの割合が下にある光接合より高いＳｉＧｅ材料層から形成されたさらなる光接合がグレード層上にエピタキシャル成長した状態を示す略図である。
【図６Ａ】付帯光接合構造を示す略図である。
【図６Ｂ】図６Ａの構造を倒置させ、図５と同様の構造に結合した状態を示す略図である。
【図６Ｃ】酸化シリコンまたは他の基板の除去を含むさらなる処理の結果形成された光電池を示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図は、構造を切断した半導体層の断面を概略的に示しており、一定の縮尺で描かれていない。ｐ型またはｎ型ドーピングが示されている場合、当業者は、機能を失うことなく相補型装置を記載するようにこれらを交換することができることを承知されるであろう。説明では、用語「上」、「下」、「上方」、「下方」、および同様の用語は一般的に、記載する光電池構造が光電流を発生するために上から受光するように意図されているという意味で使用されるが、構造、電池、および装置の実際の向きは、特定の用途に適合するように明瞭に変化することができる。
【００２６】
簡潔性および一般性のために、記載する光電池を形成するために望ましくまたは必要な全ての層および構造を図示または記載するわけではなく、相反することが本文に示されていない場合、記載する構造内に他の機能層および非機能層を含めてよい。
【００２７】
図１Ａを参照すると、本発明の第１実施形態に係る光電池構造１０が概略的に示されている。構造１０はＧａＡｓ基板１２を含む。ＧａＡｓ基板上で、ＳｉＧｅ材料の２つの連続的第１層１４、１６がＧａＡｓ基板上にそれと一体にエピタキシャル成長し、これらの層は共に第１ゲルマニウム系光起電力接合１８を形成する。ＳｉＧｅの第１層は、ＧａＡｓ基板と実質的に格子整合するように選択されたシリコン含有量を有する。これを達成するために、ＳｉxＧｅ1-xのシリコン分率ｘは０〜０．０４、より好ましくは０．０１〜０．０３、さらに好ましくは約０．０１６〜０．０２の範囲とすることができる。実用的な光起電力接合を形成するために、下方のＳｉＧｅ層は典型的に約５×１０16ないし５×１０19ｃｍ-3の濃度にｐドープされ、約１〜２μｍの厚さを有する。上方のＳｉＧｅ層は典型的に約１×１０17ｃｍ-3の濃度にｎドープされ、約０．２〜１μｍの厚さを有することができる。
【００２８】
言うまでもなく、当業者には明白である通り、ｐ型およびｎ型ドーピングは、対応する変化が構造の他の部分で行なわれる限り、逆転させることができる。ＳｉxＧｅ1-xに対し０および０．０４のシリコン分率ｘに基づいて、接合のバンドギャップはそれぞれ約０．６７ｅＶおよび０．６９ｅＶとなる。ＧａＡｓに対するＳｉxＧｅ1-xの対応する格子不整合は、約ｘ＝０．０１８における格子整合状態からｘが０．０１変化する毎に０．０４％となる。接合は、Ｓｉ含有量が０または０に近い層を使用して形成することができ、その場合、層はＳｉＧｅ層というより、むしろゲルマニウム層と記載することができるが、ＧａＡｓに近い格子整合を持つＳｉＧｅを使用することが有利である。第１層の組成は同一または略同一とすることができ、あるいは欠陥形成を抑制するために実質的に格子整合するという制約条件を前提として異なってもよい。
【００２９】
記載する構造における第１ゲルマニウム系接合および他の光起電力接合は、直接接触状態のｐドープ層およびｎドープ層によって設けることができ、あるいは、当業者にはよく知られている通り、例えば低濃度ドープ材料または非ドープ材料の真性領域を含む、他のより複雑な構造を、ドープ領域間に設けることができる。下述する図１Ｂに示す通り、拡散または他の方法で添加されるドーパントを使用することもできる。
【００３０】
必要に応じて、さらなる光起電力接合、そのような光起電力接合間のトンネル接合、ウィンドウ層、および導電性電極接点のようなさらなる層を、第１ＳｉＧｅ層の上に形成することができる。第１ＳｉＧｅ層とＧａＡｓ基板との間、または光起電力接合内の非ドープＳｉＧｅの真性領域のような第１ＳｉＧｅ層間に、他の層をも設けることができる。
【００３１】
第１ＳｉＧｅ層１４、１６は、ゲルマニウム含有前駆物質（例えばＧｅＨ4、ＧｅＣｌ4等）およびシリコン含有前駆物質（例えばＳｉＨ4、ＳｉＨ2Ｃｌ2、ＳｉＨＣｌ3、ジシラン等）とキャリアガス（例えばＨ2）のガス混合物を使用して、エピタキシャルプロセスを用いてＧａＡｓ基板１２上に格子整合層として成長させることができる。ジボラン、ホスフィン、およびアルシンを含め、それらに限らず、気体または固体ドーパント源を使用して、第１ＳｉＧｅ層１４、１６にｐ型もしくはｎ型ドーパント、または両方をその場でドープすることができる。層１４、１６は例えば大気圧または１〜１０００トルの範囲の減圧下で３５０℃〜８００℃の温度で成長させることができる。ｐ型、ｎ型、および半絶縁性を含む一連のＧａＡｓ基板、およびウェハはチャンバ外で、またはエピタキシの前にプロセスチャンバ内で洗浄することができる。ＳｉＧｅ層１４、１６の結晶化特性は、例えば格子整合を確認するために、Ｘ線回折技術を用いて測定することができ、層の厚さは典型的には可変角度スペクトル偏光解析法を用いてモニタすることができるが、他の技術も利用可能である。
【００３２】
本発明のこの実施形態および関連態様の利点は、上記の発明の概要に記載されている。
【００３３】
図１Ｂは図１Ａの変形を示し、そこではＳｉＧｅまたは別のゲルマニウム材料の単一層が光起電力接合の形成に使用されている。図１Ｂにおいて、ＳｉＧｅ層１４はその構造全体に１つの型のドーピングを担持するが、上部領域１７は拡散によりカウンタドープされて、層１４内に接合が形成される。接合は他のドーピング技術および例えば層の他の領域および／または基板の構造によっても形成することができる。図１Ａに関して、任意選択的にさらなる層を追加することができる。層１４は非ドープｐ型またはｎ型層として成長させることができる。
【００３４】
図１Ｃでは、ゲルマニウム系ではない材料のさらなる層１５が、ゲルマニウム材料層１４と共に光起電力接合１８の一部を形成する。
【００３５】
下述する本発明の態様および実施形態を図１Ａの略図を用いて概略的に例証するが、図１Ｂおよび１Ｃのようなまたはそれらと同様の略図を用いて、同等に実現することもできる。
【００３６】
図２を参照すると、図１Ａの光電池構造１０（または他の同様の構造）が、さらに上位の光起電力接合を追加した状態で概略的に示されている。これらの上位接合は典型的には、例えばＧａＡｓと実質的に格子整合する材料を使用してエピタキシャル形成される。特に、ＧａＡｓ材料から形成された中間光起電力接合は接合２０として示され、かつＩｎＧａＰ材料から形成された上部光起電力接合は接合２２として示される。キャップ層２４は上部接合の上に位置する。適切なトンネル接合を光起電力接合間に設けることができる。中間接合は典型的には約１．４ｅＶのバンドギャップを有することができる。上部接合は典型的には約１．８５ｅＶのバンドギャップを有することができる。当業界で公知の種々の材料および構造の光起電力接合の他の組合せを使用することができる。
【００３７】
図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、および２に示すような光電池構造からのＧａＡｓ基板の除去を含むプロセスについて、ここで説明する。図２の構造を一例として使用するが、図１Ａ〜１Ｃの構造に基づく他の光電池構造も使用することができることを理解されたい。図３Ａに示すように、ハンドルウェハ３０が構造１０の上面に結合される。これは、ウィンドウおよび電極層のような一部または全部のキャップ層２４が追加される前、または後にすることができる。結合は仮結合層３２を用いて達成することができる。ＧａＡｓ基板は次いで、例えば研削に続いて選択的ウェットエッチングによって除去され、図３Ｂに示すような構造が残る。ＧａＡｓ基板が除去されると、代替ベース３４を変わりに設けることができる。図３Ｃは、ＧａＡｓ基板に代わって設けられるヒートシンクが、例えば金属層によってもたらされることを示す。他の代替ベースを設けることもできる。最終的に、図３Ｄに示す通り、ハンドルウェハ３０および仮結合層３２は除去される。さらに必要な場合、装置構造の上にさらなる層３５を追加することができる。
【００３８】
このプロセスにおいて、ＧａＡｓ基板と１つ以上の第１ＳｉＧｅ層１４、１６との間の材料組成の変化は、適正なエッチストップとして働くヘテロ界面をもたらし、ＧａＡｓ基板を便利かつ正確に除去し、下部ＳｉＧｅ層１４の平滑な表面を残すことを可能にする。ＧａＡｓ基板の一部は、機械的手段がより迅速なまたはそれ以外で便利なまたは費用効率の高い製造工程を達成する場合には、それによって除去することができる。例えばＧａＡｓ基板が５００μｍの厚さである場合、約４００μｍは研削によって除去することができ、そこからＧａＡｓ材料をより容易に回収して再使用することができ、最後の１００μｍは選択的ウェットエッチングによって除去することができる。
【００３９】
図３Ｄに示す通り、この方法を使用して結果的に得られる光電池構造は、基板の厚さが除去されたので、軽量化することができ、それは特に宇宙ベースの利用分野では特に重要である。好適な柔軟性、熱的挙動、または他の望ましい機械的または電気的性質を有する代替ベースを有利に提供することができる。基板がもはや熱の流れを低減するように働かないので、基板をヒートシンクと交換することにより、装置からの熱伝達の効率が結果的に高まる。ヒートシンクまたは別の金属ベース層は、装置の底部に対し導電性電極として直接作用することができる。
【００４０】
米国特許第6,380,601号および米国特許出願公開第2002/0040727号に概説された先行技術では、基板と下部接合１８との間のエッチストップとして働く適切なヘテロ界面が得られないので、このプロセスは、これらの技術により構築された装置では実行することができない。
【００４１】
図１Ａ〜１Ｃの構造に代替ベースを提供するための別の技術を、図４Ａ〜４Ｅに示す。ＧａＡｓ基板から出発して、前述の通り、かつ図４Ａに示す通り、ＳｉＧｅの下層１４がエピタキシャル成長する。次いで層転移技術を使用して、ＧａＡｓ基板の薄い層を除いて全部を除去する。層転移は、Ｓｍａｒｔ  Ｃｕｔ（登録商標）等のような専有剥離技術を用いて達成することができる。ＳｉＧｅの第１層１４の真下でＧａＡｓ基板に劈開面４０が形成される。ビーム粒子エネルギによって決定される正確な深さに、例えば最高約１．５μｍまでの深さに水素またはヘリウム原子をデポジットするためにイオンビーム打込み技術を使用して、劈開面４０を形成することができ、下層のＳｉＧｅの厚さがおおよそこの厚さである場合、本文脈で該技術が実用化される。該技術はまた、２つの層の複合厚さが層転移技術を効果的にまたは便利に使用するのに大きすぎなければ、ＳｉＧｅの第１層の両方の成長後に使用することもできる（逆の順序）。
【００４２】
次いで代替ベースはＳｉＧｅ層１４に結合される。図４Ｂに示す通り、ＳｉＧｅ層がＳｉＯ2の層に結合されるように、代替ベースは酸化シリコンウェハ４２とすることができるが、上述した金属ヒートシンク層のような他のベースを使用してもよい。使用することのできる幾つかの他のベースとして金属、ガラス、および半導体ベースがあり、それらはそれ自体すでに金属、半導体、および絶縁体材料から選択された２つ以上の層を含むことができ、かつ１つ以上の光起電力接合のような能動素子を含むことができる。次いでＧａＡｓ基板の大部分は構造から分離され、ＧａＡｓの微細残存層は例えば選択的ウェットエッチングによって除去され、図４Ｃに示す通り、記載した酸化シリコンウェハのような代替ベース上にＳｉＧｅの第１層１４が残る。
【００４３】
図４Ｄに示す通り、例えば本明細書のどこか別の場所に記載する通り、かつ図１Ａおよび２にすでに示した通り、ＳｉＧｅの別の第１層１６（すでに存在していなければ）およびその結果生じる光起電力装置構造を形成することができる。
【００４４】
記載した技術の１つの変形は、下部ＳｉＧｅ層内で、基板との界面の真上に劈開面を形成することである。層転移の後、転移されたＳｉＧｅは、必要なさらなる準備のためにすでに露出されている。ＧａＡｓ基板上に残っている残留ＳｉＧｅは、ＳｉＧｅに対して選択的でありかつＧａＡｓでは無効であるネットエッチングを用いて、再使用可能なＧａＡｓ基板ウェハを残すように少なくとも部分的に除去することができる。
【００４５】
これおよび使用することのできる他の層転移技術は、あらゆる目的のためにその全体を参照によって本書に援用する、「Formation of thin layers of GaAs and germanium materials」と称する同時係属特許出願に詳述されている。
【００４６】
金属、ガラス、および半導体ベースを含め、種々の異なる代替ベースを図４Ｄの構造用に企図することができ、それらはそれ自体すでに金属、半導体、および絶縁体材料から選択された２つ以上の層を含むことができ、かつ１つ以上の光起電力接合のような能動素子を含むことができる。ＧａＡｓ基板上の１つ以上のＳｉＧｅ層の初期形成は、劈開または剥離後の残存ＧａＡｓの正確な除去のための理想的なエッチストップをもたらす。
【００４７】
図１Ａまたは図４Ｄの構造から出発して、さらなる層を構築するための代替スキームを図５に示す。図５はシリコン基板上の酸化シリコンのベース層５０を示すが、元のＧａＡｓ基板を含め他のベース層を使用することもできる。図１Ａに関連して記載した２つの第１ＳｉＧｅ層１４、１６の形成の後、グレード層５２が上部の第１ＳｉＧｅ層１６上に成長している。グレード層５２もＳｉＧｅから形成され、Ｓｉの分率がｘで表わされた上部第１ＳｉＧｅ層１６のＳｉＧｅと、Ｓｉの分率がｙで表わされた、上にあるさらなる下部第２ＳｉＧｅ層５４との間の格子間隔のトランジションをもたらす。ここでｙ＞ｘである。Ｓｉ分率ｙが同様または同一の上部第２ＳｉＧｅ層５６が下部第２層の上に成長し、それによって第２ＳｉＧｅ光起電力接合５８が形成される。第２光起電力接合５８のＳｉＧｅ材料は第１接合１８より高いシリコン含有量を有するので、この第２ＳｉＧｅ接合の方がバンドギャップが高く、かつさらに製造中にｙの値を調整することによって、Ｓｉをほとんどまたは全く含有しない材料の場合の約０．６７ｅＶのＧｅのバンドギャップ付近から、Ｇｅをほとんどまたは全く含まない材料の場合の約１．１２ｅＶのＳｉのバンドギャップ付近まで調整可能である。多接合太陽電池で望ましい適切なバンドギャップ範囲は、約０．８５ｅＶないし約１．０５ｅＶである。ＳｉＧｅグレード層は、低密度の貫通転移により、第２ＳｉＧｅ層のひずみ緩和を可能にし、かつ第１層について図１Ｂおよび１Ｃに示す通り、１つだけの第２層を使用することもできる。
【００４８】
１つ以上の第２ＳｉＧｅ層は、第１層に関連して上述したものと同様の技術およびパラメータを用いて成長することができる。第２層に格子整合された材料を使用することによって、または下述する他の技術によって、さらなる接合層を含め、さらなる層を構造に追加することができる。
【００４９】
ＳｉＧｅグレード５２は、第２ＳｉＧｅ接合５８がＧａＡｓに格子整合されていない材料から形成されるという効果を有する。ＧａＡｓに格子整合された１つ以上のさらなる光起電力接合を提供するために、図５の構造の上に、図６Ａに示す付帯構造６０が形成される。この構造は付帯基板６２に基づく。第２ＳｉＧｅ接合５８の上に追加するために必要な光起電力接合は次いで、逆の順序で付帯基板６２上に形成される。付帯構造６０は次いで転倒され、図６Ｂに示す通り、第２ＳｉＧｅ接合５８に結合され、上の付帯基板６２と下のベース層５０との間に挟まれた必要な光電池構造をもたらす。ベース層５０は次いで、例えばヒートシンクと、または前の実施例において列挙した通り別のベース構造と交換するために、必要ならば除去することができる。光電池構造の上部が露出するように付帯基板６２が除去され、まだ設けられていないウィンドウ層および電極層のようなさらなる層を追加することができ、それによって図６Ｃに示す通りクワドロプルタンデム光電池構造がもたらされる。
【００５０】
図６Ａに示す付帯構造は、酸化シリコンウェハから形成された付帯基板６２を含み、その上に、図４Ａおよび４Ｂに関連してすでに上述した通り例えば層転移／剥離によって、例えばＳｉＧｅまたはＧａＡｓから形成された薄い格子整合層６４が設けられる。この格子整合層はＧａＡｓ、またはＧａＡｓに格子整合されたＳｉＧｅから充分に形成されるので、ＧａＡｓを組み込んださらなる構造を優れた材料品質で成長させることができる。図６Ａの実施例では、ＧａＩｎＰ材料に基づく上部光起電力接合２２が次いで、格子整合層６４の上に形成され、かつＧａＡｓ材料から形成された中間光起電力接合２０が上部接合２２の上に形成される。これらの接合の適切な材料、構造、および他の変形については、図２に関連してすでに上述されている。上部接合が約１．８５ｅＶのバンドギャップを有することに注目して、中間接合は約１．４ｅＶのバンドギャップを有することができ、かつ第１ＳｉＧｅ接合は約０．７ｅＶのバンドギャップを有することができ、第２ＳｉＧｅ接合の適切なバンドギャップは約０．９５ｅＶとすることができるが、記載した構造及び技術を使用して、光電池の効率を最適化するように希望に応じて、例えば異なる光スペクトルおよび強度に合わせてバンドギャップを調整することができる。装置の種々の部品間の適切な電流を確保するために、トンネル接合および他の素子を設けることができる。
【００５１】
〔変形例〕
本発明から逸脱することなく、記載した実施形態に関して一連の変化および変形を施すことができることは明らかであろう。当該方法および構造は、太陽電池用途、熱起電力用途のみならず、光検出器および他の電子機器用途をも含め、種々の用途に使用することができる。
【００５２】
本発明は、要求される一体型構造を形成するために、種々の製作技術を使用して実施することができる。
【００５３】
記載した種々の態様のための代替ベース構造は、半導体、金属、セラミックス、ガラス、およびそのような材料の組合せを含むことができる。代替ベースは、熱起電力接合を含む光起電力接合、およびそのような接合の付帯素子のような能動素子を含むことができる。代替ベース構造は、改善された熱伝達（例えば当初の基板と比較して）および他の所望の機能性を達成するヒートシンクとして使用することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ−１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ−３Ｂ】
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【図３Ｃ−３Ｄ】
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【図４Ａ−４Ｄ】
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【図５】
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【図６Ａ−６Ｃ】
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