(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ウエハー（１１０、２０３）、
第１ウエハー（１１０、２０３）上の第１接合層（１２０、２２０）、
第２ウエハー（１３０、２６０）、および、
第２ウエハー（１３０、２６０）上の第２接合層（１４０、２４０）、
を含む組立品（２００、２００ａ）であって、
第１接合層と第２接合層（１２０、２２０、１４０、２４０）とが、直接接合されて、接合済み層を形成しており、
第１接合層および第２接合層（１２０、２２０、１４０、２４０）が、それぞれ第１ウエハーおよび第２ウエハー（１１０、２０３、１３０、２６０）に格子整合していて、
第１接合層および第２接合層（１２０、２２０、１４０、２４０）が、（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）である、組立品。
【請求項２】
第１ウエハー（１１０、２０３）がＧａＡｓであり、第２ウエハー（１３０、２６０）がＩｎＰである、請求項１に記載の組立品。
【請求項３】
第１接合層および第２接合層（１２０、２２０、１４０、２４０）が、約５×１０１８／ｃｍ３以上のドーパント濃度を有する、請求項１または２に記載の組立品。
【請求項４】
ドーパント濃度が、約５×１０１８／ｃｍ３以下である、請求項１または２に記載の組立品。
【請求項５】
第１接合層と第２接合層（１２０、２２０、１４０、２４０）とが、同様にドープされている、請求項１または２に記載の組立品。
【請求項６】
第１接合層と第２接合層（１２０、２２０、１４０、２４０）とが、異なってドープされている、請求項１または２に記載の組立品。
【請求項７】
接合層が、トンネル接合である、請求項１から３のいずれか一項に記載の組立品。
【請求項８】
第１ウエハーおよび第２ウエハー（１１０、２０３、１３０、２６０）が、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＧａＳｂ系およびＧａ（Ｉｎ）Ｎ系材料からなる群から選択される１層以上の層を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の組立品。
【請求項９】
第１ウエハーおよび／または第２ウエハー（１１０、２０３、１３０、２６０）のいずれかまたは両方が、１層以上の半導体層を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の組立品。
【請求項１０】
第１ウエハーおよび／または第２ウエハー（１１０、２０３、１３０、２６０）のいずれかまたは両方が、１つ以上の半導体装置を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の組立品。
【請求項１１】
１つ以上の半導体装置が、ＩｎＰ系装置である、請求項１０に記載の組立品。
【請求項１２】
ＩｎＰ系装置が、太陽電池である、請求項１１に記載の組立品。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の接合済み組立品を含む装置であって、光起電装置、太陽電池、光センサ、発光ダイオードおよびトランジスタのうちの少なくとも１つである装置。
【請求項１４】
第１ウエハー（１１０、２０３）を設けること、
第１ウエハー（１１０、２０３）上に第１接合層（１２０、２２０）を形成して、第１部分組立品（１０２、２０２）を形成すること、
第２ウエハー（１３０、２６０）を設けること、
第２ウエハー（１３０、２６０）上に第２接合層（１４０、２４０）を形成して、第２部分組立品（１０４、２０４）を形成すること、および、
第１接合層（１２０、２２０）を第２接合層（１４０、２４０）に直接接合すること、
を含む、接合済み組立品を作成するための方法であって、
第１接合層および第２接合層（１２０、２２０、１４０、２４０）を、それぞれ第１ウエハーおよび第２ウエハー（１１０、２０３、１３０、２６０）に格子整合させ、
第１接合層および第２接合層（１２０、２２０、１４０、２４０）が、（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）である、方法。
【請求項１５】
第１接合層と第２接合層とを、約３００℃から約５００℃までの間の温度で接合する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
第１接合層と第２接合層とを、約２０ｐｓｉから約５０ｐｓｉまでの圧力で接合する、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１接合層および第２接合層が、約５×１０１８／ｃｍ３以上のドーパント濃度を有する（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）層である、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
第１接合層および第２接合層が、約５×１０１８／ｃｍ３以下のドーパント濃度を有する、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
第１接合層と第２接合層とを、同様にドープする、請求項１４から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
第１接合層と第２接合層とを、異なってドープする、請求項１４から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
第１ウエハーおよび第２ウエハーが、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＧａＳｂ系およびＧａ（Ｉｎ）Ｎ系材料からなる群から選択される１層以上の層を含む、請求項１４から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
第１ウエハーおよび／または第２ウエハーのいずれかまたは両方が、１層以上の半導体層を含む、請求項１４から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
第１ウエハーおよび／または第２ウエハーのいずれかまたは両方が、１つ以上の半導体装置を含む、請求項１４から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
１つ以上の半導体装置が、ＩｎＰ系装置である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
接合済み組立品が、太陽電池である、請求項１４から２４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して、異種材料同士を結合するための装置および方法に関し、とりわけ、（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）接合中間層を用いて２つの半導体ウエハーを結合するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウエハー結合技術は、さまざまな特性を有する異なる材料を１つのコンパクトなプロセス互換性のある材料システムへと集積化するために用いることができる。該技術は、現在のハイテク産業を取り入れる大いなる潜在性を有している。例えば、ＧａＡｓ系材料またはＩｎＰ系材料を他の半導体材料と結合することにより、光学装置、光起電装置および電子装置の集積化をもたらし、コンピュータ、太陽電池、発光ダイオードおよびその他の電子装置の性能を高めることができる。
【０００３】
多接合太陽電池といったＩＩＩ−Ｖ族半導体装置における限界の一つは、成長基板に格子整合した装置に所望のバンドギャップの組み合わせを有するＩＩＩ−Ｖ族層を組み込むことである。このことが、装置に組み込むことができるバンドギャップの選択を大きく限定し、よって、最適性能を有する装置の製作を妨げる。ゆえに、成長基板における格子整合の制約を減ずることができるように、異なる基板上に成長した装置の集積化を可能とする方法を開発することが望ましい。
【０００４】
格子不整合（変成）層の成長、機械的積層およびウエハーの間接接合といった既存の解決法が用いられている。変成層の取り組みでは、基板と所望の変成層との間に格子定数の勾配が制御されたバッファ層を成長させる。ウエハーの間接接合の取り組みでは、異なる格子定数を有する異なる基板上に装置を成長させ、装置の上面に誘電体層または金属層を堆積させる。次いで、ウエハー接合を介して装置を機械的または電気的に集積化する。基板の一方または両方は、最終的に除去されてもよい。
【０００５】
変成層の取り組みにおいて、格子定数が制御調整されたバッファ層を導入することにより、欠陥の密度が高くなる可能性があり、最適でない品質の装置層の成長につながることにより、装置性能が低下することがある。ウエハーの間接接合の取り組みにおいて、接合前に個々のウエハー上への接着層、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、その他の誘電体、金属酸化物、金属などの堆積を介して接合を行う（間接接合と呼ぶ）。高温焼鈍の必要は生じないが、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４および金属酸化物などの「接合層」は、絶縁性を有することにより、接合済み装置のモノリシック電気集積化ができない。他方で、接合中間層として金属層を用いる間接接合により、接合界面が光学的に不透明となり、これにより、接合界面の対向側面上の装置の光学的集積化が妨げられる。直接接合の従来技術では、電気抵抗の低い機械的に強固な界面を得るために、直接接合界面をかなりの時間（典型的には数時間）にわたり高温（典型的には５００℃を超える温度）焼鈍をする必要がある。そのような長時間の高温焼鈍は、多くの装置において性能低下につながることがよくある。
【０００６】
ＧａＡｓ材料とＩｎＰ材料との間の既存の半導体と半導体の直接接合の解決法は、長い時間の高温（＞５００℃）焼鈍を行わなければ、接合強度が低くなる。既存の間接接合の解決法は、間接接合界面の端から端までで導電性と光学的透明性の両方を備えた集積化ができない。
【発明の概要】
【０００７】
接着界面における機械的完全性、光学的透明性および電気抵抗を向上させることにより、電力出力、効率性、性能および費用対効果の増大を達成する半導体ウエハーを直接接合するための改良された方法が必要である。
【０００８】
本開示は、太陽電池およびその他の用途のためのＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＧａＳｂ系、Ｇａ（Ｉｎ）Ｎ系材料を有するＧａＡｓ系材料の半導体の直接接合を向上させるために、ＧａＡｓおよびＩｎＰ装置または基板上にエピタキシャル成長させた（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）接合層を提供する。（４Ｊ／ｍ２を超える）高い機械的強度を有する非常に均一なウエハーレベルの半導体の直接接合は、３５０℃という比較的低い接合温度において達成される。これに加えて、（およそ０．３オーム・ｃｍ２）という非常に低い電気抵抗および（９７％を超える）高い光学的透過性は、半導体の接合界面の端から端までで達成される。
【０００９】
本開示にしたがって、第１ウエハー、第１ウエハー上の第１接合層、第２ウエハー、および、第２ウエハー上の第２接合層を含む組立品を開示する。第１接合層と第２接合層とは、直接接合されて、接合済み界面を形成している。第１接合層および第２接合層は、それぞれ第１ウエハーおよび第２ウエハーに格子整合している。
【００１０】
本開示にしたがって、第１ウエハーを設けること、第１ウエハー上に第１接合層を形成して、第１部分組立品を形成すること、第２ウエハーを設けること、第２ウエハー上に第２接合層を形成して、第２部分組立品を形成すること、および、第１接合層を第２接合層に接合することを含む、接合済み組立品を作成するための方法を開示する。第１接合層および第２接合層を、それぞれ第１ウエハーおよび第２ウエハーに格子整合させる。
【００１１】
本開示のその他の特徴および利点は、本開示の原理を実施例により示す添付の図面とともに考慮される好適な実施形態のより詳細な以下の説明から明らかとなる。ただし、本開示の範囲は、この好適な実施形態には限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本開示に係る組立て前の構造体のある実施形態を示している。
【図１Ａ】図１Ａは、本開示に係る組立て前の構造体の別の実施形態を示している。
【図２】図２は、図１の組立て前の構造体が組立てられた様子を示している。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａの組立て前の構造体が組立てられた様子を示している。
【図３】図３は、本開示に係るウエハーを結合するための方法工程のフローチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、本開示に係る組立て前の構造体の別の実施形態を示している。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本開示に係る図４Ａの組立て済み構造体を示している。
【図５Ａ】図５Ａは、本開示に係る組立て前の構造体の別の実施形態を示している。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本開示に係る図５Ａの組立て済み構造体を示している。
【図６】図６は、本開示に係るウエハーを結合するための方法工程のフローチャートである。
【図７Ａ】図７Ａは、本開示に係る組立て済み構造体の別の実施形態を示している。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本開示に係る組立て済み構造体の別の実施形態を示している。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本開示に係る組立て済み構造体の別の実施形態を示している。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本開示に係る組立て済み構造体の別の実施形態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
可能な場合はいつでも、図面全体を通じて同じ部分を表すために同じ参照番号を用いる。
【００１４】
本開示は、直接接合界面の端から端までの電気抵抗を制御するために所望の通りドープ可能な接合界面におけるエピタキシャル成長された接合層を取り上げ、機械的接合強度の向上を達成する。エピタキシャル成長された接合層は、高濃度にドープされた（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）層である。
【００１５】
図１は、本開示の一実施形態に係る組立て前の構造体１００のある実施形態を示している。図１において理解可能なように、組立て前の構造体１００は、第１部分組立品１０２および第２部分組立品１０４を含む。第１部分組立品１０２は、第１ウエハー１１０と、第１ウエハー１１０の第１表面１１０ａに直接隣接かつ接触した第１接合層１２０とを含む。
【００１６】
第１ウエハー１１０は、ＩＩＩ−Ｖ族材料から選択される半導体である。ある実施形態において、第１ウエハー１１０は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＧａＳｂ系、Ｇａ（Ｉｎ）Ｎ系材料からなる群から選択される。別の実施形態において、第１ウエハー１１０は、１層以上の材料層を含む。別の実施形態において、第１ウエハー１１０は、１つ以上の半導体材料層、構造体または装置を含む。ある実施形態において、第１ウエハー１１０は、光起電装置であってもよい。別の実施形態において、第１ウエハー１１０は、１つ以上のサブセルを有する太陽電池であってもよい。
【００１７】
第１ウエハー１１０は、表面１１０ａを含む。表面１１０ａは、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＧａＳｂ系、Ｇａ（Ｉｎ）Ｎ系材料からなる群から選択される材料層の表面でなければならない。
【００１８】
第１接合層１２０は、第１ウエハー１１０上、とりわけ、表面１１０ａ上にエピタキシャル成長されている。第１接合層は、（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）材料である。ある実施形態において、第１接合層は、約５×１０１８／ｃｍ３以上のドーパント濃度を有する（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）材料である。良好な機械的接合のために高いドーピング濃度は必要ないが、接合界面の端から端までで低い電気抵抗を達成するためには不可欠である。ある特定の装置に対して低い抵抗が必要ない場合、接合層における高いドーピング濃度は必要ない。ここで用いられているように、かつ、当該技術において従来通り、（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）材料における括弧の使用は、アルミニウム、ガリウム、ヒ素およびアンチモンの組み込みが任意であることを示している。第１接合層１２０は、第１ウエハー１１０に格子整合している。第１接合層１２０は、接合表面１２０ａを有する。ここで用いられているように、「格子整合」という語は、比較されている層の格子定数が１％未満だけ異なることを意味し、「格子不整合」という語は、比較されている層の格子定数が１％を超えて異なることを意味する。
【００１９】
第２部分組立品１０４は、第２ウエハー１３０と、第２ウエハー１３０の表面１３０ａに直接隣接かつ接触した第２接合層１４０とを含む。第２ウエハー１３０は、ＩＩＩ−Ｖ族材料から選択される。ある実施形態において、第２ウエハー１３０は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＧａＳｂ系、Ｇａ（Ｉｎ）Ｎ系材料からなる群から選択される。別の実施形態において、第２ウエハー１３０は、１層以上の材料層を含む。別の実施形態において、第２ウエハー１３０は、１つ以上の半導体材料層または構造体を含む。ある実施形態において、第２ウエハー１３０は、光起電装置であってもよい。別の実施形態において、第２ウエハー１３０は、１つ以上のサブセルを有する太陽電池であってもよい。
【００２０】
第２ウエハー１３０は、表面１３０ａを含む。表面１３０ａは、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＧａＳｂ系、Ｇａ（Ｉｎ）Ｎ系材料からなる群から選択される材料層の表面でなければならない。第２接合層１４０は、第２ウエハー１３０上、とりわけ、表面１３０ａ上にエピタキシャル成長されている。とりわけ、第２接合層１４０は、第２ウエハー１３０の半導体材料層上に成長されている。第２接合層１４０は、約５×１０１８／ｃｍ３以上のドーパント濃度を有する（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）である。上で取り上げたように、良好な機械的接合のために高いドーピング濃度は必要ないが、接合界面の端から端までで低い電気抵抗を達成するためには不可欠である。ある特定の装置に対して低い抵抗が必要ない場合、接合層における高いドーピング濃度は必要ない。第２接合層１４０は、第２ウエハー１３０に格子整合している。第２接合層１４０は、接合表面１４０ａを有する。
【００２１】
図１Ａは、本開示の一実施形態に係る組立て前の構造体１００ａの別の実施形態を示している。図１Ａにおいて理解可能なように、組立て前の構造体１００ａは、第１部分組立品２０２および第２部分組立品２０４を含む。第１部分組立品２０２は、第１ウエハー２０３と、第１ウエハー２０３の第１表面２１０ａに直接隣接かつ接触した第１接合層２２０とを含む。
【００２２】
第１ウエハー２０３は、第１層２１０および第１ベース層２１２を含む。別の実施形態において、第１ウエハー２０３は、２層以上の材料層を含む。別の実施形態において、第１ウエハー２０３は、２つ以上の半導体材料層、構造体または装置を含む。ある実施形態において、第１ウエハー２０３は、光起電装置であってもよい。別の実施形態において、第１ウエハー２０３は、多接合太陽電池であってもよい。別の実施形態において、第１ウエハー２０３は、１つ以上のサブセルを有する太陽電池であってもよい。別の実施形態において、第１ウエハー２０３は、多接合太陽電池であってもよい。ある実施形態において、第１ベース層２１２は、基板であってもよい。
【００２３】
第１ウエハー２０３は、表面２１０ａを含む。表面２１０ａは、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＧａＳｂ系、Ｇａ（Ｉｎ）Ｎ系材料からなる群から選択される材料層の表面でなければならない。第１接合層２２０は、第１ウエハー２０３上、とりわけ、表面２１０ａ上にエピタキシャル成長されている。第１接合層は、（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）材料である。ある実施形態において、第１接合層は、約５×１０１８／ｃｍ３以上のドーパント濃度を有する（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）材料である。第１接合層２２０は、第１ウエハー２０３に格子整合している。
【００２４】
第２部分組立品２０４は、第２ウエハー２０６と、第２ウエハー２０６の表面２３０ａに直接隣接かつ接触した第２接合層２４０とを含む。第２ウエハー２０６は、第１層２６０および第２ベース層２７０を含む。別の実施形態において、第２ウエハー２０６は、２層以上の材料層を含む。別の実施形態において、第２ウエハー２０６は、２つ以上の半導体材料層、構造体または装置を含む。ある実施形態において、第２ウエハー２０６は、光起電装置であってもよい。別の実施形態において、第２ウエハー２０６は、多接合太陽電池であってもよい。別の実施形態において、第２ウエハー２０６は、１つ以上のサブセルを有する太陽電池であってもよい。ある実施形態において、第２ベース層２７０は、基板であってもよい。
【００２５】
第２ウエハー２０６は、表面２３０ａを含む。表面２３０ａは、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＧａＳｂ系、Ｇａ（Ｉｎ）Ｎ系材料からなる群から選択される材料層の表面でなければならない。第２接合層２４０は、第２ウエハー２０６上、とりわけ、表面２３０ａ上にエピタキシャル成長されている。第２接合層２４０は、（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）材料である。ある実施形態において、第２接合層２４０は、約５×１０１８／ｃｍ３以上のドーパント濃度を有する（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）材料である。第２接合層２４０は、第２ウエハー２０６に格子整合している。
【００２６】
図２は、本開示のある実施形態に係る接合済み組立品２００を示している。図２において理解可能なように、第１部分組立品１０２を第２部分組立品１０４に結合するために第１接合層１２０と第２接合層１４０とが接合されている。ある実施形態において、接合済み組立品２００は、光起電装置であってもよい。別の実施形態において、接合済み組立品２００は、太陽電池、光センサ、発光ダイオード、トランジスタまたはその他の装置であってもよい。
【００２７】
図２Ａは、本開示のある実施形態に係る接合済み組立品２００ａを示している。図２Ａにおいて理解可能なように、第１部分組立品２０２を第２部分組立品２０４に結合するために第１接合層２２０と第２接合層２４０とが接合されている。ある実施形態において、接合済み組立品２００ａは、光起電装置であってもよい。別の実施形態において、接合済み組立品２００ａは、太陽電池、光センサ、発光ダイオード、トランジスタまたはその他の装置であってもよい。
【００２８】
ここで、図１の第１部分組立品１０２と第２部分組立品１０４とを接合して、図２の接合済み組立品を形成する方法の実施形態を取り上げる。図１および図２を参照して、本開示に係る第１部分組立品１０２と第２部分組立品１０４とを接合する方法の一例をここで取り上げる。第１接合層１２０と第２接合層１４０とが直接接触するよう配置することにより、第１部分組立品１０２と第２部分組立品１０４とを直接接合して、組立て済み構造体を形成し、かつ、熱および圧力を加えて第１部分組立品１０２と第２部分組立品１０４とを接合して、接合済み組立品２００を形成する。第１接合表面１２０ａと第２接合表面１４０ａとは、接触するよう配置され、ともに拡散する。一実施形態において、第１接合表面１２０ａおよび第２接合表面１４０ａは、これらの層を接触させる前に研磨される。一実施形態において、研磨は、接合が従来のウエハー接合設備を用いて行われる状況で、化学機械研磨（ＣＭＰ）により行われてもよい。
【００２９】
組立て済み構造体は、約３００℃から約５００℃の間の接合温度に加熱される。一実施形態において、接合温度は、約３５０℃から約４５０℃の間である。さらに別の実施形態において、接合温度は、約４００℃である。組立て済み構造体は、約２０ｐｓｉから約５０ｐｓｉまでの圧力で加熱される。一実施形態において、組立て済み構造体は、約３０ｐｓｉから約４０ｐｓｉまでの圧力で加熱される。さらに別の実施形態において、組立て済み構造体は、約３５ｐｓｉの圧力で加熱される。組立て済み構造体は、約２０から３００分間圧力下で加熱される。ある実施形態において、組立て済み構造体は、約６０から約１８０分間圧力下で加熱される。さらに別の実施形態において、組立て済み構造体は、約１２０分間圧力下で加熱される。（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）接合層による半導体の直接接合は、接合界面にわたって４．１Ｊ／ｍ２を超える接合強度、０．３オーム・ｃｍ２まで低い電気抵抗および９７％を超える光学的透明性を達成している。第１接合層１２０と第２接合層１４０とは、ともに拡散して、接合層を形成する。接触している第１接合表面１２０ａと第２接合表面１４０ａとは、接合プロセス中に拡散して、強固な接合をもたらす。上で説明した一般的な直接接合方法のフロー図を図３に示す。
【００３０】
ここで、図１Ａの第１部分組立品２０２と第２部分組立品２０４とを接合して、図２Ａの接合済み組立品２００ａを形成する方法の実施形態を取り上げる。第１接合層２２０と第２接合層２４０とが直接接触するよう配置することにより、第１部分組立品２０２と第２部分組立品２０４とを直接接合して、組立て済み構造体を形成し、かつ、熱および圧力を加えて第１部分組立品２０２と第２部分組立品２０４とを接合して、接合済み組立品２００ａを形成する。第１接合表面２２０ａと第２接合表面２４０ａとは、接触するよう配置され、ともに拡散する。一実施形態において、第１接合表面２２０ａおよび第２接合表面２４０ａは、これらの層を接触させる前に研磨される。一実施形態において、研磨は、接合が従来のウエハー接合設備を用いて行われる状況で、化学機械研磨（ＣＭＰ）により行われてもよい。
【００３１】
組立て済み構造体は、約３００℃から約５００℃の間の接合温度に加熱される。一実施形態において、接合温度は、約３５０℃から約４５０℃の間である。さらに別の実施形態において、接合温度は、約４００℃である。組立て済み構造体は、約２０ｐｓｉから約５０ｐｓｉまでの圧力で加熱される。一実施形態において、組立て済み構造体は、約３０ｐｓｉから約４０ｐｓｉまでの圧力で加熱される。さらに別の実施形態において、組立て済み構造体は、約３５ｐｓｉの圧力で加熱される。組立て済み構造体は、約２０から３００分間圧力下で加熱される。ある実施形態において、組立て済み構造体は、約６０から約１８０分間圧力下で加熱される。さらに別の実施形態において、組立て済み構造体は、約１２０分間圧力下で加熱される。（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）接合層による半導体の直接接合は、接合界面にわたって４．１Ｊ／ｍ２を超える接合強度、０．３オーム・ｃｍ２まで低い電気抵抗および９７％を超える光学的透明性を達成している。第１接合層２２０と第２接合層２４０とは、ともに拡散して、接合層を形成する。接触している第１接合表面２２０ａと第２接合表面２４０ａとは、接合プロセス中に拡散して、強固な接合をもたらす。直接接合後、第１ベース層２１２および／または第２ベース層２７０の一方または両方を除去してもよい。
【００３２】
図４Ａは、本開示に係る組立て前の構造体４００のある実施形態を示している。組立て前の構造体４００は、第１部分組立品４０２および第２部分組立品４０４を含む。第１部分組立品４０２は、第１ＰＶ構造体４１０および第１接合層４２０を含む。第１ＰＶ構造体４１０は、ＧａＡｓ基板４１１、第１太陽電池４１２および第１トンネル接合４１３を含む。別の実施形態において、第１ＰＶ構造体４１０は、１つ以上の太陽電池、または言い換えると、サブセルを含んでいてもよい。別の実施形態において、第１ＰＶ構造体４１０は、１つ以上のトンネル接合により結合されている１つ以上の太陽電池、または言い換えると、サブセルを含んでいてもよい。別の実施形態において、第１太陽電池４１２は、ＧａＡｓ基板４１１に格子整合している半導体材料から形成されていてもよい。ＧａＡｓ基板４１１は、成長基板と呼ばれることもある。ある実施形態において、半導体材料は、ＩＩＩ−Ｖ族材料であってもよい。別の実施形態において、第１ＰＶ構造体４１０は、ＧａＡｓ基板４１１に格子整合しているＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＧａＳｂ系、Ｇａ（Ｉｎ）Ｎ系材料、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＰＡｓなどであってもよい。
【００３３】
第１太陽電池４１２は、ｎ型にドープされた窓層４１４と、ｎ型にドープされたＧａＩｎＰセル層４１５と、ｐ型にドープされたＧａＩｎＰセル層４１６と、ｐ型にドープされた裏面電界（ＢＳＦ）層４１７とを含む。第１トンネル接合４１３は、ｐ型にドープされたトンネル接合層４１８およびｎ型にドープされたトンネル接合層４１９を含む。
【００３４】
第１接合層４２０は、ｎ型に高濃度にドープされた（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）層である。ここで用いられているように、かつ、当該技術において従来通り、（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）材料における括弧の使用は、アルミニウム、ガリウム、ヒ素およびアンチモンの組み込みが任意であることを示している。第１接合層４２０は、第１トンネル接合４１３上にエピタキシャル成長されている。第１接合層４２０は、約０．５ミクロンから約２ミクロンまでの厚みを有する。別の実施形態において、第１接合層４２０は、約０．７５ミクロンから約１．５ミクロンまでの厚みを有する。さらに別の実施形態において、第１接合層４２０は、約１ミクロンの厚みを有する。
【００３５】
第１接合層４２０は、高濃度にドープされた接合層である。ここで用いられているように、「高濃度にドープされた」とは、約５×１０１８／ｃｍ３以上のドーパント濃度を有するという意味である。ある実施形態において、第１接合層４２０は、約１×１０１９／ｃｍ３以上のドーパント濃度を有する。本実施形態において、ドーパントはｎ型ドーパントである。ドーパントは、ｎ型ドーパントであってもよく、シリコンまたはテルルであってもよい。第１接合層４２０は、基板４１１に格子整合している。第１接合層４２０は、透明である。ここで用いられているように、透明という語は、その下に配置されているセルまたはサブセルを作動させるある波長の光または電磁放射の９７％以上の透過性を有することを意味する。第１接合層４２０は、平坦化および／または平滑化されていてもよい。一実施形態において、第１接合層４２０は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨されていてもよい。
【００３６】
別の実施形態において、基板４１１の第２側面上に成長させた別の第１ＰＶ装置上で、別の接合層（図示せず）をエピタキシャル成長させる。ある実施形態において、次に、対向する接合層を除去してもよい。
【００３７】
第２部分組立品４０４は、第２ＰＶ構造体４３０および第２接合層４４０を含む。第２ＰＶ構造体４３０は、ＩｎＰ基板４３１と、第２太陽電池４３２と、第２トンネル接合４３３とを含む。第２太陽電池４３２は、ｎ型にドープされた窓層４３４と、ｎ型にドープされたＧａｌｎＡｓセル層４３５と、ｐ型にドープされたＧａｌｎＡｓセル層４３６と、ｐ型にドープされた裏面電界（ＢＳＦ）層４３７とを含む。第２トンネル接合４３３は、ｐ型にドープされたトンネル接合層４３８およびｎ型にドープされたトンネル接合層４３９を含む。別の実施形態において、第２ＰＶ構造体４３０は、１つ以上の太陽電池、または言い換えると、サブセルを含むＰＶ装置であってもよい。別の実施形態において、第２ＰＶ構造体４３０は、成長基板４３１と整合している格子定数を有するＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＩｎＡｓ系、ＡｌＡｓ系、ＧａＳｂ系またはＧａ（Ｉｎ）Ｎ系材料、例えば、ＧａｌｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂなどであってもよい。
【００３８】
第２接合層４４０は、ｎ型に高濃度にドープされた（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）層である。第２接合層４４０は、ｎ型にドープされた窓層４３４上にエピタキシャル成長されている。第２接合層４４０は、約０．５ミクロンから約２ミクロンまでの厚みを有する。別の実施形態において、第２接合層４４０は、約０．７５ミクロンから約１．５ミクロンまでの厚みを有する。さらに別の実施形態において、第２接合層４４０は、約１ミクロンの厚みを有する。一実施形態において、第２接合層４４０は、第１接合層４２０と同じ厚みを有する。別の実施形態において、第２接合層４４０は、第１接合層４２０と異なる厚みを有する。本開示によると、接合層４２０と接合層４４０との厚みを一致させる／異ならせることは、接合層における光吸収を制御することにより接合界面の下の層に対する光透過を制御することが望ましい場合に、有利である可能性がある。また、例えば接合界面にｐｎ接合が形成されている場合、接合界面の端から端までの電界勾配を制御することも有利である可能性がある。第２接合層４４０は、第２部分組立品４０４に格子整合している。第２接合層４４０は、透明である。第２接合層４４０は、平坦化および／または平滑化されていてもよい。一実施形態において、第２接合層４４０は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨されていてもよい。
【００３９】
別の実施形態において、トンネル接合４３３は省かれる。トンネル接合４３３が必要であるか否かは、第２基板４３１の極性次第である。ｎ型基板４３１が用いられていればトンネル接合４３３は必要となり、一方、ｐ型基板４３１が用いられていればトンネル接合４３３は不要となる。
【００４０】
別の実施形態において、同じ組成の対向する第２接合層（図示せず）を、基板４３１の第２側面上に成長させた別の第２ＰＶ装置上にエピタキシャル成長させる。一実施形態において、次に、対向する接合層を除去してもよい。
【００４１】
別の実施形態において、第１トンネル接合４１３は省かれ、かつ、第１接合層４２０は、第２部分組立品４０４に結合されるとき、ｐ型にドープされてトンネル接合を形成する。ｐ型ドーパントは、炭素または亜鉛であってもよい。例示的な本実施形態において、第１部分組立品４０２と第２部分組立品４０４とを結合して、二接合太陽電池を形成してもよい。別の実施形態において、第２トンネル層４３３を省いてもよく、その結果、第１部分組立品４０２と第２部分組立品４０４とが結合されたときに二接合太陽電池が形成される。
【００４２】
さらに、接合済み部分組立品４００Ａを加工してもよい。一実施形態において、ＧａＡｓ第１基板４１１を除去してもよく、かつ、第１ＰＶ装置のｎ型にドープされた窓層４１４上に反射防止（ＡＲ）膜を堆積させてもよい。
【００４３】
第１接合層４２０と第２接合層４４０とを直接接触するよう配置することにより、第１部分組立品４０２と第２部分組立品４０４とを直接接合して、組立て済み構造体４００Ａを形成し、次いで、熱および圧力を加えて第１部分組立品４０２と第２部分組立品４０４とを接合する。接触している表面は、ともに拡散するが、層全体がそうではない。一実施形態において、第１接合層４２０および第２接合層４４０は、これらの層を接触させる前に研磨される。一実施形態において、研磨は、接合が従来のウエハー接合設備を用いて行われる状況で、化学機械研磨（ＣＭＰ）により行われてもよい。
【００４４】
組立て済み構造体は、約３００℃から約５００℃の間の接合温度に加熱される。一実施形態において、接合温度は、約３５０℃から約４５０℃の間である。さらに別の実施形態において、接合温度は、約４００℃である。組立て済み構造体は、約２０ｐｓｉから約５０ｐｓｉまでの圧力で加熱される。一実施形態において、組立て済み構造体は、約３０ｐｓｉから約４０ｐｓｉまでの圧力で加熱される。さらに別の実施形態において、組立て済み構造体は、約３５ｐｓｉの圧力で加熱される。組立て済み構造体は、約２０から３００分間圧力下で加熱される。ある実施形態において、組立て済み構造体は、約６０から約１８０分間圧力下で加熱される。さらに別の実施形態において、組立て済み構造体は、約１２０分間圧力下で加熱される。（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）接合層による半導体の直接接合は、接合界面にわたって４．１Ｊ／ｍ２を超える接合強度、０．３オーム・ｃｍ２まで低い電気抵抗および９７％を超える光学的透明性を達成している。直接接合後に、基板４１１と基板４３１との一方または両方を除去してもよい。接合層４２０と接合層４４０とは、ともに拡散して、融合した強固な接合層４５０を形成する（図４Ｂ）。一般的な直接接合方法のフロー図を図６に示す。
【００４５】
開示されている方法は、２つ以上のセルを有するＰＶ装置の形成に用いられてもよい。一実施形態において、開示されている方法は、接合層の対向する側面上に等しいか、または、異なる数のＰＶ装置を有するＰＶ装置の形成に用いられてもよい。開示されている方法はまた、ＬＥＤ、センサまたはその他の装置といった非ＰＶ装置の作成に用いられてもよい。
【００４６】
図４Ｂは、本開示に係る図４Ａの組立て前の構造体４００から形成された組立て済み構造体４００Ａを示している。組立て済み構造体４００Ａは、第１部分組立品４０２および第２部分組立品４０４を含む。第１部分組立品４０２と第２部分組立品４０４とは、それぞれの第１接合層４２０および第２接合層４４０において結合されている。例示的な本実施形態において、第１および第２接合層４２０はともに、ｎ型にドープされ、または換言すると、同様にドープされて接合層４５０を形成する。
【００４７】
図５Ａは、本開示に係る組立て前の構造体５００の別の実施形態を示している。組立て前の構造体５００は、第１部分組立品５０２および第２部分組立品５０４を含む。第１部分組立品５０２は、第１ＰＶ構造体５１０および第１接合層５２０を含む。第１ＰＶ構造体５１０は、ＧａＡｓ基板５１１および第１太陽電池５１２を含む。別の実施形態において、第１ＰＶ構造体５１０は、１つ以上の太陽電池、または言い換えると、サブセルを含んでいてもよい。別の実施形態において、第１ＰＶ構造体５１０は、１つ以上のトンネル接合により結合されている１つ以上の太陽電池、または言い換えると、サブセルを含んでいてもよい。別の実施形態において、第１太陽電池５１２は、ＧａＡｓ基板５１１に格子整合している半導体材料から形成されていてもよい。ＧａＡｓ基板５１１は、成長基板と呼ばれることもある。ある実施形態において、半導体材料は、ＩＩＩ−Ｖ族材料であってもよい。別の実施形態において、第１ＰＶ構造体５１０は、ＧａＡｓ基板５１１に格子整合しているＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＧａＳｂ系、Ｇａ（Ｉｎ）Ｎ系材料であってもよい。
【００４８】
第１太陽電池５１２は、ｎ型にドープされた窓層５１４と、ｎ型にドープされたＧａＩｎＰセル層５１５と、ｐ型にドープされたＧａＩｎＰセル層５１６と、ｐ型にドープされた裏面電界（ＢＳＦ）層５１７とを含む。
【００４９】
第１接合層５２０は、ｐ型に高濃度にドープされた（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）層である。ここで用いられているように、かつ、当該技術において従来通り、（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）材料における括弧の使用は、アルミニウム、ガリウム、ヒ素およびアンチモンの組み込みが任意であることを示している。ｐ型ドーパントは、炭素または亜鉛であってもよい。第１接合層５２０は、ＢＳＦ層５１７上にエピタキシャル成長されている。第１接合層５２０は、約０．５ミクロンから約２ミクロンまでの厚みを有する。別の実施形態において、第１接合層５２０は、約０．７５ミクロンから約１．５ミクロンまでの厚みを有する。さらに別の実施形態において、第１接合層５２０は、約１ミクロンの厚みを有する。第１接合層５２０は、基板５１１に格子整合されている。第１接合層５２０は、透明である。第１接合層５２０は、平坦化および／または平滑化されていてもよい。一実施形態において、第１接合層５２０は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨されていてもよい。
【００５０】
別の実施形態において、基板５１１の第２側面上に成長させた別の第１ＰＶ装置上で、別の接合層（図示せず）をエピタキシャル成長させる。ある実施形態において、次に、対向する接合層を除去してもよい。
【００５１】
第２部分組立品５０４は、第２ＰＶ構造体５３０および第２接合層５４０を含む。第２ＰＶ構造体５３０は、ＩｎＰ基板５３１と、第２太陽電池５３２と、第２トンネル接合５３３とを含む。第２太陽電池５３２は、ｎ型にドープされた窓層５３４と、ｎ型にドープされたＧａｌｎＡｓセル層５３５と、ｐ型にドープされたＧａｌｎＡｓセル層５３６と、ｐ型にドープされた裏面電界（ＢＳＦ）層５３７とを含む。第２トンネル接合５３３は、ｐ型にドープされたトンネル接合層５３８およびｎ型にドープされたトンネル接合層５３９を含む。別の実施形態において、第２ＰＶ構造体５３０は、１つ以上の太陽電池、または言い換えると、サブセルを含むＰＶ装置であってもよい。別の実施形態において、第２ＰＶ構造体５３０は、成長基板５３１と整合している格子定数を有するＩｎＰ系、ＩｎＡｓ系、ＡｌＡｓ系、ＧａＳｂ系またはＧａ（Ｉｎ）Ｎ系構造体、例えば、ＧａｌｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂなどであってもよい。
【００５２】
第２接合層５４０は、ｎ型に高濃度にドープされた（Ａｌ）（Ｇａ）ＩｎＰ（Ａｓ）（Ｓｂ）層である。第２接合層５４０は、ｎ型にドープされた窓層５３４上にエピタキシャル成長されている。第２接合層５４０は、約０．５ミクロンから約２ミクロンまでの厚みを有する。別の実施形態において、第２接合層５４０は、約０．７５ミクロンから約１．５ミクロンまでの厚みを有する。さらに別の実施形態において、第２接合層５４０は、約１ミクロンの厚みを有する。一実施形態において、第２接合層５４０は、第１接合層５２０と同じ厚みを有する。別の実施形態において、第２接合層５４０は、第１接合層５２０と異なる厚みを有する。本開示によると、厚みを一致させる／異ならせることは、接合層における光吸収を制御することにより接合界面の下の層に対する光透過を制御することが望ましい場合に、有利である可能性がある。また、接合界面にはｐｎ接合が形成されているので、本実施形態における接合界面の端から端までの電界勾配を制御することも有利である可能性がある。第２接合層５４０は、第２部分組立品５０４に格子整合している。第２接合層５４０は、透明である。第２接合層５４０は、平坦化および／または平滑化されていてもよい。一実施形態において、第２接合層５４０は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨されていてもよい。
【００５３】
別の実施形態において、トンネル接合５３３は省かれ、これにより、第１部分組立品５０２と第２部分組立品５０４とが結合されるときに二接合装置を形成する。トンネル接合５３３が必要であるか否かは、第２基板５３１の極性次第である。ｎ型基板５３１が用いられていればトンネル接合５３３は必要となり、一方、ｐ型基板５３１が用いられていればトンネル接合５３３は不要となる。
【００５４】
別の実施形態において、同じ組成の対向する第２接合層（図示せず）を、基板５３１の第２側面上に成長させた別の第２ＰＶ装置上にエピタキシャル成長させる。一実施形態において、次に、対向する接合層を除去してもよい。
【００５５】
第１部分組立品５０２と第２部分組立品５０４とは、上で説明した直接接合方法により直接接合されている。第１部分組立品５０２と第２部分組立品５０４とは、図５Ｂに示されている組立て済み構造体５００Ａを形成するために直接接合されている。例示的な本実施形態において、第１接合層５２０と第２接合層５４０とは異なってドープされ、すなわち、第１接合層５２０はｐ型にドープされ、第２接合層はｎ型にドープされており、かつ、結合されてｐｎ接合またはトンネル接合５５０を形成している。
【００５６】
さらに、接合済み部分組立品５００Ａを加工してもよい。一実施形態において、ＧａＡｓ第１基板５１１を除去してもよく、かつ、第１ＰＶ装置のｎ型にドープされた窓層５１４上に反射防止（ＡＲ）膜を堆積させてもよい。
【００５７】
図７Ａ〜図７Ｄは、本開示のある実施形態に係る多接合太陽電池のさまざまな実施形態を示している。図７Ａ〜図７Ｄにおいて理解可能なように、接合層は、接合層の対向する側面上に等しいか、または、異なる数のセルを有するＰＶ装置を形成するために用いられてもよい。例えば、図７Ａに示されている二接合太陽電池は、接合層の各側面上に１つの太陽電池を有する。図７Ｂは、接合層の対向する側面上に異なる数のセルを有する三接合ＰＶ装置を示している。図７Ｃは、接合層の対向する側面上に等しい数のセルを有する四接合ＰＶ装置を示している。図７Ｄは、対向する側面上に異なる数のセルを有する五接合ＰＶ装置を示している。
【００５８】
開示されている直接接合方法は、２、３、４、５またはそれ以上の接合を有する半導体接合済み多接合太陽電池装置の形成に用いられてもよい。接合済み材料は、成長基板と、メサエッチ分離、反射防止膜、接点金属の堆積、フォトリソグラフィックパターニング、相互接続子のはんだ付けおよびソーダイシングといったその後の加工工程との排除を可能としたことにより、接合界面の優れた機械的強固さを裏付けている。開示されている直接接合方法により形成された太陽電池は、底面のサブセルにおいて８５％を超える曲線因子および９０％を超える外部量子効率を示したことにより、接合界面の低い電気抵抗および高い光学的透過性を裏付けている。
【００５９】
本開示によると、限定はされないがＧａＩｎＰからＩｎＰといったＩｎおよびＰを含む接合層を接合することにより、３５０℃という比較的低い接合温度において達成可能な（４Ｊ／ｍ２を超える）高い機械的強度を有する非常に均一なウエハー接合を生じるということを、本発明者らは思いがけなく発見した。これに加えて、接合界面の端から端までで、（およそ０．３オーム・ｃｍ２の）非常に低い電気抵抗および（９７％を超える）高い光学的透過性が達成される。
【００６０】
例示の目的で本開示の特定の実施形態を詳細に説明したが、本開示の精神および範囲を逸脱することなく、さまざまな修正および増強を行ってもよい。したがって、本開示は、添付の請求項によって以外は限定されるものではない。
【図１】
0005905021.tif 000002
【図１Ａ】
0005905021.tif 000003
【図２】
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【図２Ａ】
0005905021.tif 000005
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
0005905021.tif 000009
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
0005905021.tif 000013
【図７Ｃ】
0005905021.tif 000014
【図７Ｄ】
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