(57)【要約】  一つのプロセスにおいて複数のａ：ＤＬＣ層を形成することで、最初の接合から始まり最後の接合で終わる複数の連続して接続されたＰＩＮ接合を生成する工程であって、各ＰＩＮ接合が、ｐ型層、ｎ型層、及び真性層を有する、該工程と、少なくともｐ型層及びｎ型層のそれぞれのｓｐ３／ｓｐ２比を変更し、ＰＩＮ接合のそれぞれの電子移動度を高めるために、少なくとも銀でドーピングする工程と、光源に配向されると最適化されるスペクトル応答を有するデバイスを生じるように、第１の側及び第２の側において電極間に複数のａ：ＤＬＣ層を接続する工程と、を含む、ａ：ＤＬＣ多層ドーピング成長方法。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ：ＤＬＣ多層ドーピング成長方法であって、
（ａ）一つのプロセスで複数のａ：ＤＬＣ層を形成することで、最初の接合から始まり最後の接合で終わる複数の連続して接続されたＰＩＮ接合を生成する工程であって、各ＰＩＮ接合は、ｐ型層、ｎ型層、及び真性層を有する、該工程と、
（ｂ）少なくとも前記ｐ型層及びｎ型層のそれぞれのｓｐ２／ｓｐ３比を変更し、ＰＩＮ接合のそれぞれの電子移動度を高めるために、少なくとも銀でドーピングする工程と、
（ｃ）光源に配向されると最適化されるスペクトル応答を有するデバイスを生じるために、第１の側及び第２の側において電極間に前記複数のａ：ＤＬＣ層を接続する工程と、
を含む方法。
【請求項２】
ａ：ＤＬＣ層の前記ｓｐ３／ｓｐ２比が、光源に最も近いａ：ＤＬＣ層での実質的に４．０ｅＶ以上から、光源から最も遠いａ：ＤＬＣ層での実質的に０．６０までの範囲で変更される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも銀でａ：ＤＬＣ層をドーピングする工程が、前記最初の接合から前記最後の接合まで制御された光起電力応答を生じるように実行される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記最適化されたスペクトル応答が、前記デバイスの最適化されたエネルギー効率を生じる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記最適化されたスペクトル応答が、入射光を前記デバイスに集束させることを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記デバイスが、光起電力セルである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記デバイスが、集積回路の一部である、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記デバイスが、太陽電池である、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
（ａ）一つのプロセスで形成可能な複数のａ：ＤＬＣ層であって、最初の接合及び最後の接合を有する複数の連続して接続されたＰＩＮ接合を更に含み、ＰＩＮ接合のそれぞれがｐ型層、ｎ型層、及び真性層を有する、該複数のａ：ＤＬＣ層を備え、
（ｂ）前記ｐ型層及びｎ型層のそれぞれが、変化するｓｐ３／ｓｐ２を有し、少なくとも銀でドーピングされており、ＰＩＮ接合のそれぞれの電子移動度が向上されており、
（ｃ）前記複数ａ：ＤＬＣ層が、第１の側及び第２の側において電極間に接続可能であり、光源に配向されうると最適化されるスペクトル応答を有するデバイスを構成する、
ａ：ＤＬＣ多層デバイス。
【請求項１０】
光源に最も近いａ：ＤＬＣ層での実質的に４．０ｅＶ以上から、光源から最も遠いａ：ＤＬＣ層での実質的に０．６０までの範囲で変更可能なｓｐ３／ｓｐ２比を有する、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記ａ：ＤＬＣ層が、前記最初の接合から前記最後の接合まで制御された光起電力応答を生じるように、少なくとも銀でドープ可能である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記デバイスのスペクトル応答をさらに最適化するために、前記デバイスに入射光が集束可能である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記デバイスが、太陽電池である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記デバイスが、集積回路の一部である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
強化されたａ：ＤＬＣ多層ドーピング成長方法であって、
（ａ）一つのプロセスにおいて第１の複数のａ：ＤＬＣ層を形成することで、最初の接合から始まり最後の接合で終わる複数の連続して接続されたＰＩＮ接合を生成する工程であって、各ＰＩＮ接合が、ｐ型層、ｎ型層、及び真性層を有する、該工程と、
（ｂ）少なくとも前記ｐ型層及びｎ型層のそれぞれのｓｐ３／ｓｐ２比を変更し、ＰＩＮ接合のそれぞれの電子移動度を高めるために、少なくとも銀でドーピングする工程と、
（ｃ）工程ａ及びｂに従って、第２の複数のａ：ＤＬＣ層を作製する工程と、
（ｄ）前記第１の複数のａ：ＤＬＣ層を、該層の第１の側及び第２の側において電極間に接続し、前記第２の複数のａ：ＤＬＣ層を、該層の第１の側及び第２の側において電極間に接続する工程と、
（ｅ）光源に配向されると最適化されるスペクトル応答及び最適化された熱応答を有するデバイスを生じるように、前記二つの複数のａ：ＤＬＣ層それぞれの第２の側のそれぞれの電極を接続する工程と、
を含む方法。
【請求項１６】
前記最適化されたスペクトル応答が、入射光を前記デバイスに集束させることを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記デバイスが、太陽電池である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記デバイスが、集積回路の一部である、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本願は、２００７年２月１３日に出願された米国仮特許出願第６０／９０１，０３３号の優先権を主張するものであり、この仮出願を、参照することにより本明細書に援用する。
【発明の分野及び背景】
【０００２】
本発明は、アモルファスダイヤモンドライクカーボンの多層薄膜をドーピング成長する方法及びデバイスに関するものであり、特に、多接合光起電力セル及び熱太陽電池並びに他の応用に関して大きなスペクトルエネルギーギャップを得るために、混合制御（ｓｐ３／ｓｐ２比）を用いて可変構造を形成するプロセスに関するものである。
【０００３】
近年、アモルファスダイヤモンドライクカーボン（ａ：ＤＬＣ、又はａ−Ｃ：Ｈ）膜が開発されている。ａ：ＤＬＣ膜は、ＣＶＤダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜と比較すると、低温で大面積の基板（プラスチックなど）上に堆積することが容易である。ａ：ＤＬＣ膜の特異的性質は、単結晶バルクダイヤモンドのものに類似しており、例えば、高硬質性、低摩擦係数、化学的不活性、赤外線透過性、高電気抵抗、及び平滑性を備えており、したがって、多くの応用に適している。
【０００４】
将来、従来のエネルギー源が枯渇する恐れがあることから、世界規模でのエネルギー需要が高まるにつれ、太陽エネルギーの利用も確実に高まることが見込まれる。したがって、近年、太陽電池の研究は加速化されている。過去数十年の間、シリコン及び化合物半導体ベースの太陽電池が市場を独占してきたが、低コストで安定した高効率の太陽電池は、高い材料コストや生産コストの面から未だ商業的に実現されていない。しかしながら、炭素半導体材料の出現により、現状は変化すると期待されている。炭素は自然界で入手し易い。炭素は、化学的不活性、高硬質性、高熱伝導性、高絶縁耐力、赤外線（ＩＲ）光透過性等の点で優れた特性を示す。ａ：ＤＬＣ膜の炭素原子は、三つの異なる原子座標を有し得る。ｓｐ３（四面体又は脂肪族）、又は以下の説明及び特許請求の範囲において、「ｓｐ３」は、ダイヤモンドの典型的な結合タイプであり、ｓｐ２（三方晶又は芳香族）、又は以下の説明及び特許請求の範囲において、「ｓｐ２」は、グラファイトに典型的なものであり、ｓｐ１（直線又はアセチレン）、又は以下の記載において「ｓｐ１」は、アモルファスカーボンに典型的なものである。
【０００５】
炭素の興味深く特異的な特徴は、上述したような特性が、ｓｐ３及びｓｐ２の混成結合比を変えることで、導体グラファイト（〜０．０ｅＶ）のものから絶縁ダイヤモンド（〜５．５ｅＶ）のものまで、著しく広範囲にわたって調整可能な点である。このように、炭素は、太陽電池や光起電力（ＰＶ）セルで応用するために、研究者らの関心を集めてきた。金属絶縁体半導体（ＭＩＳ）ダイオード、ショットキーダイオード、金属絶縁体半導体電界効果トランジスタ、ヘテロ接合ダイオード、及びシリコン上の光起電力セル等の既に報告されている炭素系ヘテロ構造により、電気光学デバイスにおける炭素材料の将来性が示唆されている。しかしながら、Ｃ／Ｓｉヘテロ構造のＰＶ特性に関する刊行物は、殆ど入手できない。注目すべき点は、炭素質の光起電力セルに関わる略全ての研究者らが、これらのセルの全光応答を報告していることである。しかし、Ｃ／ＳｉのＰＶセルにおける炭素とシリコンの寄与をそれぞれ分離させることが、未だに実現されていない。現在、Ｃ／Ｓｉヘテロ構造のスペクトル光応答特性を向上させ、Ｃ及びＳｉの寄与を別々に視覚化して、ａ：ＤＬＣ系ＰＶセルの実用化に向けて性質の理解及び特性の改善を進めることが必要とされている。
【０００６】
参照することにより本明細書に援用するＡｉｓｅｎｂｅｒｇ，ｓ．，Ｋｉｍｏｃｋ，Ｆ．Ｍ．，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ，５２−５３，（１９８８），１のようなこれまでの研究によれば、種々の調製法で生成した炭素種のエネルギーは様々であり、ｓｐ３／ｓｐ２比を制御する際に重要な役割を担うことが示されている。また、ｓｐ３及びｓｐ２結合の粒子数密度は、様々な種類の前駆体材料に依存し、この前駆体材料が、ａ：ＤＬＣ構造膜のｓｐ３／ｓｐ２比を定めることが認識されている。このように、薄い炭素膜の特性は、使用する堆積方法、堆積パラメータ、及び前駆体材料に依存する。
【０００７】
アモルファスカーボン及び／又はダイヤモンドライクカーボン層状構造の使用及びその作製に関する従来技術は数多く存在し、その中から例を挙げると、例えば、米国特許第６，０７８，１３３号（Ｍｅｎｕ等）、同第７，２１４，６００号（Ｗｏｎ等）、同第５，２０６，５３４号（Ｂｉｒｋｌｅ等）、及び同第５，３６６，５５６号（Ｐｒｉｎｃｅ等）があり、これらは全て参照することにより本明細書に援用されている。さらに、参照することにより本明細書に援用する米国特許出願公開第２００７／００４２６６７号及び同第２００６／００７８６７７号では、ダイヤモンドライクカーボン構造及びデバイスについて論じられている。これらの従来技術は、作製全体及び幾つかの前駆体の詳細に関して多くの点に触れているが、ｓｐ３及びｓｐ２結合レベル（及び、その結果、ｓｐ３／ｓｐ２比）を詳細に制御することに関しては開示されていない。
【０００８】
ＰＶセルに適した候補となる更なる炭素膜生成パラメータは、活性化エネルギーである。参照することにより本明細書に援用するＪ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ，Ａｄｖ．Ｐｈｙｓ．，３５（１９８６），３１７及びＣ．Ｂｅｎｎｄｏｒｆ，Ｍ．Ｇｒｉｓｃｈｋｅ，Ａ．Ｂｒａｕｅｒ及びＦ．Ｔｈｉｅｍｅ，Ｓｕｒｆ．Ｃｏａｔ．Ｔｅｃｈｎｏｌ，３６（１９８８），１７１のようなａ：ＤＬＣ膜（ＰＶセルで使用されるものなど）の研究によれば、堆積されドープされたａ：ＤＬＣ膜は、非ドープの膜と比較して活性化エネルギーを高めることが示されている。活性化エネルギーの研究により、炭素膜のフェルミ準位が、価電子帯の縁からミッドギャップを通って伝導帯の縁付近へ移動することが示されている。Ｔａｕｃギャップ及び伝導性は、膜ドーピングによる影響も受ける。
【０００９】
参照することにより本明細書に援用する米国特許第５，５６２，７８１号において、Ｉｎｇｒａｍらは、複数の膜層を備えるＰＶセルについて記載しており、これらの層の少なくとも一つは、アモルファス水素化炭素の半導体膜である。ＰＩＮ接合は、全てがアモルファス水素化炭素で作られた膜から形成され、それぞれＰＩＮ接合することなく、ドーパントレベルによってのみ変動する。各ＰＩＮ接合における光起電力効果が、光のスペクトルの異なる部分によって生じるように、あるＰＩＮ接合から次のＰＩＮ接合へバンドギャップにばらつきが存在する。Ｉｎｇｒａｍは、様々な作製ステージに及ぶことが明らかなアーク放電堆積技術について記載しており、材料特性を制御するために、従来のドーピングについて言及している。
【００１０】
以上のことから、改良された光起電力セルを作製するために、ｓｐ３／ｓｐ２比の良好及び／又は新規な制御方法の提供と、ａ：ＤＬＣ膜でのドーピングの利用が必要とされている。
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、アモルファスダイヤモンドライクカーボン多層ドーピング成長の方法及びデバイスであり、特に、多接合光起電力セル及び他の応用に対して大きなスペクトルエネルギーギャップを得るために、混合制御（ｓｐ３／ｓｐ２比）を用いて可変構造を形成するプロセスに関するものである。
【００１２】
本発明の教示によれば、ａ：ＤＬＣ多層ドーピング成長方法が提供される。この成長方法は、一つのプロセスで複数のａ：ＤＬＣ層を形成することで、最初の接合から始まり最後の接合で終わる複数の連続して接続されたＰＩＮ接合を生成する工程であって、各ＰＩＮ接合は、ｐ型層、ｎ型層、及び真性層を有する、工程と、少なくともｐ型層及びｎ型層のそれぞれのｓｐ２／ｓｐ３比を変更し、ＰＩＮ接合のそれぞれの電子移動度を高めるために、少なくとも銀でドーピングする工程と、光源に配向されると最適化されるスペクトル応答を有するデバイスを生じるために、第１の側及び第２の側において電極間に複数のａ：ＤＬＣ層を接続する工程と、を備える。ａ：ＤＬＣ層のｓｐ３／ｓｐ２比は、光源に最も近いａ：ＤＬＣ層での実質的に４．０ｅＶ以上から、光源から最も遠いａ：ＤＬＣ層での実質的に０．６０までの範囲で変更されることが好ましい。少なくとも銀でａ：ＤＬＣ層をドーピングする工程は、最初の接合から最後の接合まで制御された光起電力応答を生じるように実行されることが最も好ましい。典型的には、最適化されたスペクトル応答は、デバイスの最適化されたエネルギー効率を生じる。最も典型的には、最適化されたスペクトル応答は、入射光をデバイスに集束させることを更に含む。デバイスは、光起電力セルであることが好ましい。典型的には、デバイスは、集積回路の一部である。最も典型的には、デバイスは、太陽電池である。
【００１３】
さらに、ａ：ＤＬＣ多層デバイスが提供される。このデバイスは、一つのプロセスで形成可能な複数のａ：ＤＬＣ層であって、最初の接合及び最後の接合を有する複数の連続して接続されたＰＩＮ接合を含み、ＰＩＮ接合のそれぞれがｐ型層、ｎ型層、及び真性層を有する、当該複数のａ：ＤＬＣ層を備えており、ｐ型層及びｎ型層のそれぞれが、変化するｓｐ３／ｓｐ２比を有し、少なくとも銀でドーピングされ、ＰＩＮ接合のそれぞれの電子移動度が向上されており、ａ：ＤＬＣ層は、第１の側及び第２の側において電極間に接続可能であり、光源に配向されると最適化されるスペクトル応答を有するデバイスを構成する。ｓｐ３／ｓｐ２比は、光源に最も近いａ：ＤＬＣ層での実質的に４．０ｅＶ以上から、光源から最も遠いａ：ＤＬＣ層での実質的に０．６０までの範囲で変更可能であることが好ましい。ａ：ＤＬＣ層は、最初の接合から最後の接合まで制御された光起電力応答を生じるように、少なくとも銀でドープ可能であることが最も好ましい。典型的に、入射光は、デバイスのスペクトル応答を更に最適化するために、デバイスに集束可能である。最も典型的には、デバイスは、太陽電池である。デバイスは、集積回路の一部であることが好ましい。
【００１４】
さらに、強化されたａ：ＤＬＣ多層ドーピング成長方法が提供される。この成長方法は、一つのプロセスにおいて第１の複数のａ：ＤＬＣ層を形成することで、最初の接合から始まり最後の接合で終わる複数の連続して接続されたＰＩＮ接合を生成する工程であって、各ＰＩＮ接合は、ｐ型層、ｎ型層、及び真性層を有している、工程と、少なくともｐ型層及びｎ型層のそれぞれのｓｐ３／ｓｐ２比を変更し、ＰＩＮ接合のそれぞれの電子移動度を高めるために、少なくとも銀でドーピングする工程と、工程ａ及び工程ｂに従って第２の複数のａ：ＤＬＣ層を作製する工程と、第１の複数のａ：ＤＬＣ層を、当該層の対応の第１の側及び第２の側において電極間に接続し、第２の複数のａ：ＤＬＣ層を、当該層の対応の第１の側及び第２の側において電極間に接続する工程と、光源に配向されると最適化されるスペクトル応答及び最適化された熱応答を有するデバイスを生じるように、二つの複数のａ：ＤＬＣ層の第２の側のそれぞれの電極をそれぞれ接続する工程と、を含む。最適化されたスペクトル応答は、入射光をデバイスに集束させることを含むことが好ましい。デバイスは、太陽電池であることが最も好ましい。典型的に、デバイスは、集積回路の一部である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態による、複数の膜１５を有するデバイス１０の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、強化デバイス１００の概略図である。
【好ましい実施形態の記載】
【００１６】
本発明は、添付の図面を参照しながら、例示的目的でのみ、本明細書に記載される。
【００１７】
本発明は、アモルファスダイヤモンドライクカーボン多層ドーピング成長の方法及びデバイスであり、特に、多接合光起電力セル及び他の応用に対して大きなスペクトルエネルギーギャップを得るために、混合制御（ｓｐ３／ｓｐ２比）を用いて可変構造を形成するプロセスに関するものである
【００１８】
本発明によるアモルファスダイヤモンドライクカーボン多層ドーピング成長方法の原理は、図面及び添付の記載を参照することで、更に深く理解される。
【００１９】
本明細書及び以下の特許請求の範囲において、以下の用語が定義される。
【００２０】
「アモルファスダイヤモンドライクカーボン」（別の表記として、「ａ：ＤＬＣ」及び／又は「ａ−Ｃ：Ｈ」）は、主元素として炭素原子を有する水素化炭素質材料を意味することが意図されており、このような炭素原子の相当量が、歪みのある四面体座標で結合される。ａ：ＤＬＣは、典型的に、ＰＶＤプロセスによって形成され得るが、気相堆積プロセスなどのＣＶＤ又は他のプロセスも使用され得る。特に、水素、硫黄、リン、ホウ素、窒素、シリコン、及びタングステン等を含むが、これらに限定されるものではない種々の他の元素が、不純物、又はドーパントとしてＤＬＣ材料に含まれ得る。
【００２１】
「ｓｐ３／ｓｐ２比」は、ａ：ＤＬＣ材料の完全なダイヤモンド構造と、完全なグラファイト構造との間の比を意味することが意図されており、ここでの「ｓｐ３」及び「ｓｐ２」の用語は、上記に定義したものである。
【００２２】
「一つのプロセス」とは、一つの処理ツールで実質的に同時に起こるプロセスを意味することが意図されており、複数の処理ツールを必要とするプロセス及び／又は非同時の期間にわたって一つ以上の処理ツールを伴う反復工程とは対照的である。殆どの場合、一つのプロセスは、多数のプロセスを伴う同様の手順と比較すると、他の利点の中でも特に、時間とコストの面で利点を与える。
【００２３】
「仕事関数」は、典型的に、単位ｅＶで表され、材料の最高エネルギー状態にある電子を、材料から真空空間内に放出させるのに必要なエネルギー量を意味することが意図されている。したがって、約４．５ｅＶの仕事関数を有する銅のような材料では、電子が０ｅＶで表面から理論的に完全な真空に放出されるために、４．５ｅＶのエネルギーが必要である。
【００２４】
「熱電変換」は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換すること、又は電気エネルギーを熱エネルギー又は熱エネルギーの流れに変換することに関する。さらに、本発明の実施形態では、光起電力セルにおいて採用されたａ：ＤＬＣは、典型的に、熱電子放出下で動作する。以下で検討するように、熱電子放出は、温度の上昇とともに材料から電子放出が増大する性質である。ａ：ＤＬＣのような材料は、他の殆どの材料よりはるかに低い温度で熱電子を放出する。例えば、多くの材料は、約１，１００℃を超える温度で、放出特性に実質的な熱電子放出又は温度に関連する影響を呈する傾向にあるが、ａ：ＤＬＣは、室温付近から１０００℃以上の温度までの温度変化で放出の増大を呈する。ａ：ＤＬＣのような熱電子材料は、室温以下から約３００℃までの温度で有益となり得る。
【００２５】
ここで、図１を参照する。図１は、本発明の実施形態による、複数の膜１５を有するＰＶセル又は太陽電池のようなデバイス１０の概略図である。複数の膜は、複数のＰＩＮ接合２０を構成している。複数のＰＩＮ接合２０は、各ＰＩＮ接合について、三つのａ：ＤＬＣ薄膜（トリオ）（図示せず）によってそれぞれ形成されており、これらの層は、互いに連続して堆積されている。本発明の実施形態では、電極層２５（インジウムスズ酸化物）ＩＴＯに最も近いＰＩＮトリオは、以下に更に説明するように、ｓｐ３／ｓｐ２比が高いａ：ＤＬＣ層から作製されている。対照的に、電極層３０に最も近いＰＩＮトリオは、以下に更に説明するように、ｓｐ３／ｓｐ２比が低いａ：ＤＬＣ層で作製されている。電極層３０は、基板（図示せず）上に成長する。ＰＩＮ接合２０は、上側電極と下側電極との間に、完全に電気的に接触した状態で挟まれている。本発明の他の実施形態では、電極３０及び２５の何れか一方又は双方が、当技術分野で知られているように、ＩＴＯ層から作製されてもよい。デバイス１０は、光源３５に露光される。光源３５は、太陽光といったものであるが、これに限定されるものではない。上側電極層２５は、典型的には、光源に最も近くなるように配向され、上側電極は、光源からの入射光に対して高い透過性を備えて作製される。リード線４０が、電極に電気的に接続され、負荷４５に接続される。負荷４５は、電気ストレージデバイス、別の電気回路、又は通常電力を受ける他の電気／電子デバイス等であるが、これらに限定されるものではない。
【００２６】
ａ：ＤＬＣ層を備えるＰＩＮ接合トリオは、以下に説明するように、多数の重要な特性を備える。本明細書で説明する全ての層は、約１ミクロンから約０．１ミクロンのおおよその範囲にある当技術分野で知られているような典型的な厚みを有するが、この範囲よりも大きな厚み及び、小さな厚みも可能である。
【００２７】
参照することより本明細書に援用するＡｉｓｅｎｂｅｒｇ，Ｓ．，Ｋｉｍｏｃｋ，Ｆ．Ｍ．，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ，５２−５３（１９８８），１からの以下の表１．１は、様々なクラスのアモルファス及び結晶炭素材料の幾つかの重要な物理的特性を示す。本発明の実施形態は、太陽電池の熱伝導性及び表面保護性を高める働きをする大きなバンドギャップ（＞４ｅＶ）を有するａ：ＤＬＣ層を含む。
【表１】
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【００２８】
典型的には、ａ：ＤＬＣ層２０は、光源に最も近い層で最も高いｓｐ３／ｓｐ２比になるように、また、光源から最も遠い層で最も低いｓｐ３／ｓｐ２比になるように選択的に作製される。このようにして、デバイス１０は、光源に最も近いＰＩＮ接合においてより長い波長の光のみが吸収され、電流に変換され、より短い波長光は、光源に最も近い層を通過して、光が選択的に吸収され電流へ変換される後続の層へと進むという点で、光源に対して最適化された応答を有する。ｓｐ３／ｓｐ２比が約４．０ｅＶ以上（高い透過性を含むよりダイヤモンドのような特性に関連する層）から、約０．５ｅＶ（よりグラファイトのような特性に関連する層）の範囲にあるａ：ＤＬＣ層を有するＰＩＮ接合２０を選択的に形成することで、デバイス１０は、最適化されたスペクトル応答を有することができる。
【００２９】
さらに、本発明の実施形態では、硬質及び軟質ａ−Ｃ：Ｈに基づいて、略連続してａ：ＤＬＣ層を有するＰＩＮ接合２０を形成するために、一つのプロセスが使用されてもよい。デバイス１０は、固体グラファイトから導電性電極層３０を成長した後、一つのプロセスで電極の上方にａ：ＤＬＣ層の全てを作製することによって、ガラス基板上に作製されてもよい。このようにして、ａ：ＤＬＣ層は、ｓｐ３／ｓｐ２比の制御下で変更すること、さらに、以下に説明するように、下側電極から上側電極へ移動しながら、（当技術分野で知られているように、ｎドープ層、ｐドープ層、及び真性層を生じるように）膜に適切なドーピングを行うことで表されるように、変動する特性を備えた一つの連続した膜と同等のものであってもよい。
【００３０】
本発明の実施形態では、Ａｇ（銀）が、ａ：ＤＬＣ層２０のドーピング材料として組み込まれて、再結合を減少させ、キャリアの寿命を長くすることで、ａ：ＤＬＣ電子特性に影響を与えてもよい。この現象は、参考することにより本明細書に援用する以下の参考文献で報告されている。Ｈ．Ｂｉｅｄｅｒｍａｎ，Ｌ．Ｍａｒｔｉｎｕ，Ｄ．Ｓｌａｖｉｎｓｋａ，Ｉ．Ｃｈｕｄａｃｅｋ，Ｐｕｒｅ＆Ａｐｐｌ．Ｃｈｅｍ．，６０（１９８８），６０７；Ｈ．Ｂｉｅｄｅｒｍａｎ，Ｚ．Ｃｈｍｅｌ，Ａ．Ｆｅｊｆａｒ，Ｍ．Ｍｉｓｉｎａ，Ｊ．Ｐｅｓｉｃｋａ，Ｖａｃｕｕｍ，４０（１９９０）；Ｐ．Ｓｈｅｎｇ，Ｙ．Ａｂｅｌｅｓ，Ｐ．Ａｒｉｅ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，３１（１９７７），４４；及びＤ．Ｂａｂｏｎｎｅａｕ，Ｔ．Ｃａｂｉｏｃ’ｈ，Ａ．Ｎａｕｄｏｎ，Ｊ．Ｃ．Ｇｉｒａｒｄ，Ｍ．Ｆ．Ｄｅｎａｎｏｔ，Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，４０９（１９９８），３５８。Ｎａ、Ｉ、及びＢなど、ａ：ＤＬＣには他にも幾つかドーピング材料があるが、これらは全て、ｐ型ドーピングをもたらす。このように、効率的な考えは、ｐ−ｎ接合（例えば、ダイオード及びトランジスタ）に基づいてデバイスを製造するのに必要なｎ型ａ：ＤＬＣを得るために、ｐ型であるａ：ＤＬＣをドープすることである。Ａｇドーピングの更なる利点には、改良されたドーピングの均一性、低減された抵抗性（電流比Ｒ＝（ＩＬ−Ｉｄ）／ＩＬ（暗電流Ｉｄ）及び光電流（ＩＬ））、負の光導電性の更なる影響、及び太陽電池電流のエネルギーギャップの改良／増大がある。
【００３１】
ａ：ＤＬＣのＡｇドーピングに関する別の二次的な利点は、オフラインのプロセス制御において、表面増強ラマン分光法に関するものである。これは、グラファイトの散乱断面がダイヤモンドのものより５０倍大きいので、グラファイトの存在下では、僅かな量のダイヤモンド含有量は識別できないということに基づいている。しかしながら、ａ：ＤＬＣ膜の表面に非常に少量の銀がスパッタリングされれば、ダイヤモンドのラマン線特性が大幅に高められる。
【００３２】
本発明の実施形態では、Ａｇ−ａ：ＤＬＣ膜が、ＲＦスパッタリング法によって、シリコン、ガラス、プラスチック、サファイア基板、及び任意の他の適切な材料の基板（図示せず）上に成長されてもよく、この場合、Ａｒ＋ＣＨ４ガスの混合物が、電極の一つとしてＡｇプレートを有するチャンバ内に導入される。或いは、Ａｇ源が、ガス状のように異なる形態で導入されてもよい。
【００３３】
ａ：ＤＬＣ膜の一つの堆積プロセスでは、炭化水素（ＣＨ４）又は他のガスやドーピングガスと炭化水素混合物と共にＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）グロー放電を使用した。一つの実験では、チャンバを圧力ｐ≦１．３３×１０−４Ｐａになるように排気した後、堆積を行った。真空チャンバの寸法は、直径５０ｃｍ、高さ８０ｃｍであった。電極の直径は２０ｃｍで、陽極と陰極の間に８〜１０ｃｍの間隔をとった。基板ホルダとしての役目もある電極を水冷した。電源電極（所謂、陰極）を、グランドに対して電圧Ｖｂで負にＲＦ自己バイアスした。このようにして、イオン衝撃（例えば、Ｃ＋によって）を施した。
【００３４】
２〜１０ミリＴｏｒｒのＣＨ４圧力が認められ、放電出力は５０〜４００Ｗに変化した（−４００から−１０００Ｖへ自己バイアス）。高純度と良好な粘着性を備えたａ：ＤＬＣ膜を得るため、チャンバ内の許容ガスの純度は、９９．９９％より高いものであった。粒子がフィルタリングされた後、チャンバ内へのガスの流入を制御するために質量流量制御（ＭＦＣ）を使用した。
【００３５】
電気的に接地又は浮遊させた基板上に成長した複合膜に、電子及びイオン衝撃が施される。一般的な放電状況下では、浮遊又は接地基板は、プラズマ電位（約１０Ｖ降下）に対して負である。この平均エネルギーでの正のイオン衝撃は、界面のフリーラジカルの生成により、プラズマ重合を高めるため、特に重要である。通常の平面マグネトロンの場合、電位降下はより低く、電子の殆どは、トンネル磁場によって捕捉される。この状況は、独立したＲＦ発生器の容量結合により、又は元のＲＦ電源を分割することによって、増大したＵＢが基板上に作用すれば変化する。簡単な解決策は、励起電極上、例えば、堆積プラズマ中にＡｇプレート上に基板を配置することである。ＣＨ４＋Ａｒガスが使用される場合、競合反応性のＡｒイオンが、Ａｇ原子を除去しながら基板をエッチングし、ＣＨ４の分解と同時に、Ａｇ膜でドープされたａ：ＤＬＣが生成される。プロセス中にＡｒの部分圧力を上げると、膜中のＡｇ濃度も上がる。
【００３６】
ａ：ＤＬＣ膜にＡｇを堆積するために、真空チャンバが使用され、電極の一つとしてＡｇ箔が配置され、更なる電極として基板が配置される。ガスの流量の比は、質量流量制御（ＭＦＣ）によって制御される。ＣＨ４＋Ａｒの全圧力（６．７  １０−１Ｐａ）に対するＡｒ部分圧力［％］の範囲は、チャンバにおいてＭｉｃｒｏ  Ｐｏｌｅ  Ａｎａｌｙｚｅｒを使用して測定される。Ａｇのドーピングレベルは既知のものであり、ガス源前駆体又は液体蒸発ガスが使用される。
【００３７】
以下、図２を参照する。図２は、本発明の実施形態による、ＰＶセルや太陽電池などの強化されたデバイス１００の概略図である。以下に説明する相違点以外では、強化デバイス１００は、図１に示すデバイス１０の動作とほぼ類似したものであるため、同じ参照番号によって示す要素は、構成及び動作の面でほぼ同一のものである。
【００３８】
複数の膜が、多数のＰＩＮ接合１２０及び１２０’（図１に示すＰＩＮ接合２０に類似）と、上側電極層１２５及び１２５’（図１に示す上側電極層２５に類似）と、下側電極層１３０及び１３０’（図１に示す下側電極層３０に類似）とを備えている。図２では、二つのデバイス１０が、下側電極をそれぞれ密接させた状態で構成されているが、電極は、典型的には、互いに絶縁されている（図示せず）ということが分かる。このような絶縁の一つの例は、非導電性基板であり、又は、共通の接地として働く接地導電性材料であってもよく、その上に強化デバイスが成長されてもよい。
【００３９】
リード線４０及び４０’及び負荷４５及び４５’は、図１に示すリード線４０及び負荷４５とほぼ同様に機能する）。強化デバイス１００の利点は、図示した構成が、光源３５に対するスペクトル応答の面で、及びデバイスの全熱管理の面で最適化されたａ：ＤＬＣ層を有することである。例えば、照射源３５からの光が、上側電極１２５に入射し、ＰＩＮ接合１２０に選択的に吸収されると、デバイスが熱電子デバイスとして機能するように、熱が発生する。発熱は、ＰＩＮ接合１２０、下側電極１３０及び１３０’を通って、ＰＩＮ接合１２０’に伝わり、発生した熱エネルギーの一部分が、電気エネルギーに変換され、リード線４５’によって回収される。さらに、又は別の形態では、デバイス１００に入射した照射は、電気を更に発生するために、ＰＩＮ接合１２０’の一部又は全てによって更に吸収され得る。本発明の実施形態において、ＰＩＮ接合１２０及び１２０’のａ：ＤＬＣ層が、デバイス１００の全動作性能を最適化するために、前述したように、ｓｐ３／ｓｐ２比の面で選択的に作製される。
【００４０】
選択的な層に対して高いｓｐ３／ｓｐ２比を有するａ：ＤＬＣを用いる更なる利点は、これらの高い比の値を有するａ：ＤＬＣの熱伝導性が高いことである。この性質は、デバイス１０及び１００を熱的に管理し、一般に、それらの性能を強化するために有利に使用され得る。薄い層を使用すると、一般に、デバイスの全熱管理をしやすくなり、薄い層の熱伝導抵抗が低くなる。
【００４１】
本発明の他の実施形態では、デバイス１０及び１００は、異なる吸収帯を有する二つのＰＩＮ接合間で入射光スペクトルを分割する単一のダイクロイックミラーを利用する。このデザインは、多数の半導体変換器にも適用可能である。フレネルレンズを使用して、入射光を集め、ピラミッド形の集光器内に向けてもよい。集光器は、異なるスペクトル帯を吸収する太陽電池間の入力光を分割する小さなダイクロイック光学系、この場合、プリズムに光を送る。
【００４２】
本発明の別の実施形態は、ＰＩＮ接合の縁側に光を集束するためのマイクロ光学コンポーネントを用いる集光光学系である。この原理の利点は、入射光が全てのＰＩＮ接合に集光され、熱管理及びデバイス効率が高められる点である。
【００４３】
上述したようなａ：ＤＬＣを用いた本発明の実施形態は、上述したＰＩＮ接合の適用にかかわらず、従来のマイクロ電子集積回路作製に更に適用されてもよい。このような応用には、可変電子調光器、検出器及び可変光センサ（一つの検出器の波長の大きなスペクトル）、トランジスタ、コンデンサ（可変容量を有するナノコンデンサ）、可変アンチヒューズ、電界放出デバイス、可変抵抗アセンブリ、及び可変電子、機械、及び光学品質を有する保護光学系ウィンドウのアレイ、シリコン及び他の光起電力セルの改良、ＵＬＳＩ用の可変低誘電率膜、磁気ストレージディスク、光学ウィンドウ、マイクロ電子機械デバイス（ＥＭ）、ソリッドステート継電器、任意の種類の電子デバイス用のサーモスタット、導波路検知システム、医療デバイス、マイクロ光学コンポーネントコーティング、及びＭＥＭＳ製品システム用の異なる電子、機械、光学、及び形態特性を有する保護コーティングエリアを含むが、これらに限定されるものではない。
【００４４】
上記記載は、例示的目的のみを意図したものであり、他の多数の実施形態が、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲内で可能であることを認識されたい。
【図１】
2010521800.tif 000004
【図２】
2010521800.tif 000005
【国際調査報告】
2010521800.tif 000006