(57)【要約】【課題】  太陽光を電力に変換する多接合太陽電池を提供する。【解決手段】  上部表面と底部表面を有する半導体基板、前記基板の上部表面に近接して配置され、上部開口を定める上部絶縁層、前記基板の底部表面に近接して配置され、底部開口を定める底部絶縁層、前記上部開口内に配置され、前記半導体基板に格子不整合し、前記基板に最も近い第１結晶質層の表面で生じた格子不整合欠陥の大部分は、前記上部開口内で終了する第１結晶質層、及び前記上部開口内に配置され、前記半導体基板に格子不整合し、前記基板に最も近い第２結晶質層の表面で生じた格子不整合欠陥の大部分は、前記底部開口内で終了する第２結晶質層を含む構造。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部表面と底部表面を有する半導体基板、
前記基板の上部表面に近接して配置され、上部開口を定める上部絶縁層、
前記基板の底部表面に近接して配置され、底部開口を定める底部絶縁層、
前記上部開口内に配置され、前記半導体基板に格子不整合し、前記基板に最も近い第１結晶質層の表面で生じた格子不整合欠陥の大部分は、前記上部開口内で終了する第１結晶質層、及び
前記上部開口内に配置され、前記半導体基板に格子不整合し、前記基板に最も近い第２結晶質層の表面で生じた格子不整合欠陥の大部分は、前記底部開口内で終了する第２結晶質層を含む構造。
【請求項２】
基板、
前記基板の上方に形成され、第１格子定数を有する第１半導体材料を含む第１光起電性サブセル、
前記第１光起電性サブセルの下方に形成され、前記第１格子定数と異なる第２格子定数を有する第２半導体材料を含む第２光起電性サブセル、及び
前記第２光起電性電池の下方と前記基板の下方に形成され、前記第２格子定数と異なる第３格子定数を有する第３半導体材料を含む第３光起電性サブセルを含む構造。
【請求項３】
前記第１半導体材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物を含み、前記第１光起電性サブセルは、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物によって定められた第１光起電性接合を含む請求項２に記載の構造。
【請求項４】
前記第２光起電性サブセルは、前記基板に定められた第２光起電性接合を含む請求項２に記載の構造。
【請求項５】
前記第１光起電性サブセルは、第１ＩＩＩ−Ｖ族化合物を含み、前記第２光起電性サブセルは、シリコンを含み、第３光起電性サブセルは、第２ＩＩＩ−Ｖ族化合物を含む請求項２に記載の構造。
【請求項６】
前記基板はシリコンを含む請求項２に記載の構造。
【請求項７】
前記第１と第２光起電性サブセル間に配置される組成的に傾斜した緩衝層を更に含む請求項２に記載の構造。
【請求項８】
前記第１と第２光起電性サブセル間に配置された欠陥捕獲層を更に含み、前記欠陥捕獲層は、（ｉ）結晶質材料と隣接の半導体材料の格子不整合から生じた欠陥を含む結晶質材料と、（ｉｉ）前記欠陥が非結晶質材料で終了する非結晶質材料を含む請求項２に記載の構造。
【請求項９】
第１格子定数と第１バンドギャップエネルギーを有する第１半導体材料を含む第１光起電性サブセル、
前記第１格子定数と異なる第２格子定数と前記第１バンドギャップエネルギーより低い第２バンドギャップエネルギーを有する第２半導体材料を含む第２光起電性サブセル、及び
前記第１と第２光起電性サブセルの間に配置された欠陥捕獲層であって、この欠陥捕獲層は、前記第２バンドギャップエネルギーより高い第３バンドギャップエネルギーを有すると共に、結晶質材料と非結晶質材料を含み、前記結晶質材料は、非結晶質材料で終了した欠陥を含むことを備えた構造。
【請求項１０】
第１非結晶質材料に近接して接触した第１結晶質材料を含む第１欠陥捕獲層であって、前記第１結晶質材料は、前記第１結晶質材料の格子不整合から第１隣接材料に生じた欠陥を含み、前記欠陥は第１非結晶質材料で終了すること、及び
前記第１欠陥捕獲層の下方に配置され、第２非結晶質材料に近接して接触した第２結晶質材料を含む第２欠陥捕獲層であって、前記第２結晶質材料は、格子不整合から第２隣接材料に生じた欠陥を含み、前記欠陥は前記第２非結晶質材料で終了することを備えた構造。
【請求項１１】
前記第１と第２欠陥捕獲層は、基板の対向面に配置され、前記基板は、前記第１と第２隣接材料を含み、前記第１と第２隣接材料は、同じ材料である請求項１０に記載の構造。
【請求項１２】
前記第１と第２欠陥捕獲層は、基板の上方にそれぞれ配置され、前記基板は前記第１隣接材料を含み、前記第１結晶質材料は、前記第２隣接材料を含む請求項１０に記載の構造。
【請求項１３】
前記第１と第２欠陥捕獲層間に配置された太陽電池サブセルを更に含む請求項１０に記載の構造。
【請求項１４】
前記第２欠陥捕獲層の下方に配置された太陽電池サブセルを更に含む請求項１０に記載の構造。
【請求項１５】
前記第１欠陥捕獲層の上方に配置された太陽電池サブセルを更に含む請求項１０に記載の構造。
【請求項１６】
第１欠陥捕獲層の上方に配置された第１格子定数を有する第１半導体層、及び
前記第２欠陥捕獲層の上方に配置された前記第１格子定数と異なる第２格子定数を有する第２半導体層を更に含む請求項１０に記載の構造。
【請求項１７】
光素子を形成する方法であって、前記方法は、
基板を提供するステップ、
前記基板の上方に第１活性光素子層を形成するステップ、及び
前記基板の下方に第２活性光素子層を形成するステップを含み、
前記第１と第２活性光素子層のそれぞれの形成は、エピタキシャル成長を含む方法。
【請求項１８】
前記基板は、第３光素子層を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１活性光素子層は、第１太陽電池接合を含み、前記第２活性光素子層は、第２太陽電池接合を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
多接合太陽電池素子であって、
前記第１非シリコン光起電性接合を含む第１太陽電池サブセル、
前記第１太陽電池サブセルの下方に配置され、シリコン光起電性接合を含む第２太陽電池サブセル、及び
前記第２太陽電池の下方に配置され、第２非シリコン光起電性接合を含む第３太陽電池を含む多接合太陽電池素子。
【請求項２１】
多接合太陽電池素子であって、
第１エネルギーバンドギャップを有する第１太陽電池サブセル、
前記第１太陽電池の下方に形成され、前記第１エネルギーバンドギャップより大きく、ほぼ１.１eVと等しい第２エネルギーバンドギャップを有する第２太陽電池サブセル、及び
前記第２太陽電池の下方に形成され、前記第２エネルギーバンドギャップより大きい第３エネルギーバンドギャップを有する第３太陽電池サブセルを含む多接合太陽電池素子。
【請求項２２】
前記第１エネルギーバンドギャップは、１.１eVより小さく、前記第３エネルギーバンドギャップは、１.１eVより大きい請求項２１に記載の多接合太陽電池素子。
【請求項２３】
前記第１エネルギーバンドギャップは、約０.８eVより小さい請求項２２に記載の多接合太陽電池素子。
【請求項２４】
前記第２バンドギャップは、約１.０eV〜約１.２eVの範囲から選択される請求項２１に記載の多接合太陽電池素子。
【請求項２５】
前記第３エネルギーバンドギャップは、１.６eVより大きい請求項２１に記載の多接合太陽電池素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を電力に変換する多接合太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
格子整合または準格子整合の必要性は、高効率のＩＩＩ−Ｖ族多接合太陽電池を構築する取り組みの上での制約である。太陽電池の格子整合は、電子−孔子ペアの非放射再結合を招く可能性がある結晶学的欠陥を減少させる（ｐ−ｎ接合が電子−孔子ペアを分離する前に電子−孔子ペアが再結合した時、太陽電池の効率が減少する）。現在のところ、格子整合の必要性は、太陽電池に用いる材料の選択に大きく影響し、その結果、効率は妥協して解決する場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
太陽光を電力に変換する多接合太陽電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施例は、格子整合の必要性によって制約を受けることなく、多接合太陽電池のさまざまな材料が電池の性能を向上するように選択することができる。一般のＩＩＩ−Ｖ族半導体のバンドギャップと格子定数が図１に示されている。現在、ゲルマニウム基板上に形成された、実質的に格子整合されたリン化インジウムガリウム／ガリウムヒ素／ゲルマニウム（InGaP／GaAs／Ge）構成（図１の点線に示されている）を用いた太陽電池が、太陽光を電力に変換する、相対的に高い効率（４０.１％）を達成している。太陽電池のエネルギー変換効率（η“eta”）は、太陽電池が電気回路に連結された時の、吸収された光エネルギーが電気エネルギーに変換されて太陽電池に収集された比率である。この値は、以下の方程式に基づいて、最大出力点Pmを基準試験条件（STC）下の入力光輝度（E，W/m2）と太陽電池の表面積（Ac，m2）で割ることで算出することができる。
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【０００５】
STCは、一般的に２５℃の温度、気団１.５（ＡＭ１.５）のスペクトルを有する１０００W／m2の放射照度である。
【０００６】
３接合太陽電池は、格子整合に関係なく効率を高めるように適合されるが、格子整合された材料のバンドギャップ（下記の表１に示される）が太陽スペクトルを捕獲する準最適な手法を提供するため、上述のInGaP／GaAs／Ge構造以外の構造を用いることができる。特に、太陽電池の理論効率は、太陽のスペクトルのそれぞれの部分の光子エネルギーに近いバンドギャップを有する材料を用いて太陽のスペクトルの各部分を吸収した時、理論効率の最大に到達する。図１の例では、GaAsの１.４２eVのバンドギャップは、InGaPとGeの３接合太陽電池の中間材料として、より適当となるようにモデル化することによって決定された約１.１eVのバンドギャップから離れている。モデル化は、バンドギャップが変数の１つである各サブセルの数学的モデルを作り、互いに等しい電流を設定して、各バンドギャップを変える効率最適化アルゴリズムを実行することが含まれた。
【０００７】
多接合セルを構成する、異なる光起電性電池は、“サブセル”と呼ぶことができ、光起電性サブセル（photovoltaic sub-cell）または太陽電池サブセル（solar sub-cell）を含む。よって、サブセルは、完全に機能的な光起電性電池であり、複数（multiple）のサブセルは、ここに記述される素子に含まれる。多接合太陽電池のサブセルの材料の好適なバンドギャップは、さまざまな要素によって決まる。サブセルのバンドギャップが高過ぎる場合、バンドギャップより低いエネルギーを有する光子は、吸収されることなくサブセルを通過することができ、それが下部のセルによって吸収されない限り、その光子のエネルギーは失われる可能性がある。サブセルのバンドギャップが低過ぎる場合、より多くの格子がそのサブセルによって吸収される可能性があるが、比較的高いエネルギーの光子は、非効率的に吸収される可能性がある。好適なバンドギャップのエネルギーは、これらの両者の効果の妥協を表す。
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【０００８】
図２は、６３.２%の効率で太陽エネルギーを電気に変換する理論的能力を提供するバンドギャップを有する３接合太陽電池に対する材料のいくつかの可能な組み合わせを表示している。
【０００９】
以下に詳しく述べられるように、シリコンを多接合太陽電池の中間サブセルとして用いる実施例は、性能の改善とコスト削減を提供する。ここに記述されたさまざまな実施例は、シリコン基板と現代のシリコンプロセスを用いて、シリコンを太陽電池の構造に用いている。いくつかの実施例では、アスペクト比捕獲（aspect ratio trapping; ART）技術は、シリコン上に高品質の格子不整合の材料を堆積する効果的なメカニズムを提供している。例えば、米国特許出願番号２００６／０２９２７１９を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００１０】
ゲルマニウムとGaAsの格子接合性により、ゲルマニウムが目下のところＩＩＩ−Ｖ族太陽電池にて好んで用いられる基板であるが、ゲルマニウムを基板として用いることに２つの実際の問題が関わる。まず、ゲルマニウム基板はＩＩＩ−Ｖ族太陽電池の高いコストの一因となる。ゲルマニウム基板はシリコン基板より小さく、高価であり、現在のシリコンプロセスのコスト削減の技術を用いることができない。また、ゲルマニウム基板の限られた供給は、これらの素子のマーケットの成長を制限する。
【００１１】
２つの主要な技術障害がシリコンプラットフォームへのＩＩＩ−Ｖ族太陽電池の統合を妨げるが、格子定数の不整合と熱膨張係数の不整合である。特に、シリコンより大きい格子定数を備えた材料がシリコン上に成長する時、Siテンプレートのより短い原子間距離を導入するため、格子定数がより大きい材料の原子は圧縮歪みを受ける。臨界厚さtc（一般的に実質的な不整合を備えた材料の数個の原子層）以下では、エピタキシャル層は、“非正規形（仮晶）（pseudomorphic）”または“完全歪み(fully strained)”を維持する。tc以上では、エピタキシャル層は、緩和され、即ち、その正常の格子パラメータが歪みを緩和させるものと考える。ミスフィット転位は、基板とエピタキシャル層間のインターフェースに現れ、インターフェースに沿って伝播する。
【００１２】
ミスフィット転位は、結晶または貫通転位の端、即ちインターフェースから上向きに伝播する欠陥で終了する。立方格子では、貫通転位は、＜１１０＞結晶方向に沿ってあり、基板に４５°で表面に接近する。貫通転位は、デバイス性能と信頼性を劣化するおそれがある。太陽電池では、電子と正孔の再結合を促進し、効率を低下するおそれがある。シリコン上に直接成長するＩＩＩ−Ｖ族の材料の貫通転位密度（TDD）は、一般的に約１０９／cm２である。
【００１３】
熱膨張不整合は、プロセスの困難を招く可能性がある。ＩＩＩ−Ｖ族の薄膜の成長温度は、一般的に４５０℃〜８００℃の範囲である。シリコン基板が冷却した時、その上に配置されたＩＩＩ−Ｖ族の材料は、シリコン以上に収縮する可能性がある。基板は、凹状に湾曲し、薄膜に応力を加え、最終的に亀裂してしまうおそれがある。
【００１４】
シリコン基板上に非シリコン半導体を統合する従来の試みは、主に３つの方法、傾斜緩衝層、ウエハボンディング、またはメサ領域上の選択エピタキシャル（selective epitaxy on mesa regions）に依存していた。以下に記述されるように、これらの各方法は、かなりの限界を示している。
【００１５】
傾斜緩衝層は、シリコン基板からエピタキシャル材料の活性領域までの格子定数の段階的な変化を提供する。しかし、傾斜緩衝層の一般的な厚さ（４％の格子不整合に１０マイクロメータ（μm）のエピタキシャル成長）は、エピキシャルの費用増加と亀裂を悪化させる。
【００１６】
ウエハボンディングは、格子整合基板上に素子を成長させ、素子を剥離してそれらをシリコン基板に接合することを含む。この方法は、比較的コストが掛かり、現在のシリコンプロセスと適合しない可能性がある。また、接合材料とシリコンの熱膨張係数の差異は、亀裂を招く可能性がある。
【００１７】
メサ領域上の選択エピタキシャルは、一部の転位の滑り挙動（glissile behavior）を利用しようと試みた技術である。上述の方策は、長さ１０〜１００μmのメサ領域にＩＩＩ−Ｖ族材料を堆積することで、短経路を提供し、これに沿って貫通転位はその領域の端に滑り、素子から転位を取り除くことができるものである。しかし、メサ領域上の選択エピタキシャルによって形成された構造は、一般的に１０８／cm２以上の高貫通転位密度を有する。これはおそらく、選択エピタキシャルが格子不整合が２％を超える時に支配するセシル（不動）転位を取り除くことができないからである。
【００１８】
本発明のいくつかの実施例は、上述の方法の素子を含むことができ、他の実施例はART方法（アプローチ）を用いてシリコン基板上に非シリコン半導体を統合する。
【００１９】
一態様では、本発明の実施例は、上部表面と底部表面を有する半導体基板を含む構造を特徴とする。上部絶縁層は、基板の上部表面に近接して配置され、上部開口を定める(define)。底部絶縁層は、基板の底部表面に近接して配置され、底部開口を定める。第１結晶質層は、上部開口内に配置され、第１結晶質層は、半導体基板に格子不整合し、基板に最も近い第１結晶質層の表面で生じた格子不整合欠陥の大部分は、上部開口内で終了する。第２結晶質層は、上部開口内に配置される。第２結晶質層は、半導体基板に対して格子不整合し、基板に最も近い第２結晶質層の表面で生じた格子不整合欠陥の大部分は、底部開口内で終了する。
【００２０】
もう一つの態様では、本発明の実施例は、基板を含む構造を特徴とし、第１光起電性サブセルは、基板上に形成され、第１格子定数を有する第１半導体材料を含む。第２光起電性サブセルは、第１サブセルの下方に形成され、第１格子定数と異なる第２格子定数を有する第２半導体材料を含む。第３光起電性サブセルは、第２光起電性電池の下方と基板の下方に形成され、第２格子定数と異なる第３格子定数を有する第３半導体材料を含む。
【００２１】
いくつかの実施例では、第１半導体材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物を含むか、または本質的にＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成され、第１光起電性サブセルは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物によって定められた第１光起電性接合を備える。第２光起電性サブセルは、基板に定められた第２光起電性接合を含むことができる。特定の実施例では、第１光起電性サブセルは、第１ＩＩＩ−Ｖ族化合物を含み、第２光起電性サブセルは、シリコンを含むか、または本質的にシリコンで構成され、第３光起電性サブセルは、第２ＩＩＩ−Ｖ族化合物を含む。各種の実施例では、基板はシリコンを含む。組成的に傾斜した緩衝層は、第１と第２光起電性サブセル間に配置することができる。欠陥捕獲層は、第１と第２光起電性サブセル間に配置することができ、欠陥捕獲層は、（ｉ）結晶質材料と隣接の半導体材料の格子不整合から生じた欠陥を含む結晶質材料と、（ｉｉ）欠陥が非結晶質材料で終了する非結晶質材料を含む。
【００２２】
もう一つの態様では、本発明の実施例は、第１格子定数と第１バンドギャップエネルギーを有する第１半導体材料を含む第１光起電性サブセルを含む構造を含む。第２光起電性サブセルは、第１格子定数と異なる第２格子定数と第１バンドギャップエネルギーより低い第２バンドギャップエネルギーを有する第２半導体材料を含む。欠陥捕獲層は、第１と第２光起電性サブセルの間に配置され、第２バンドギャップエネルギーより高い第３バンドギャップエネルギーを有する。欠陥捕獲層は、非結晶質材料に近接して接触した結晶質材料を含み、結晶質材料は、非結晶質材料で終了した欠陥を含む。
【００２３】
もう一つの態様では、本発明の実施例は、第１非結晶質材料に近接して接触した第１結晶質材料を含み、第１結晶質材料は、第１結晶質材料の格子不整合から第１隣接材料に生じた欠陥を含み、欠陥は第１非結晶質材料で終了する第１欠陥捕獲層を特徴とする構造を含む。第２欠陥捕獲層は、第１欠陥捕獲層の下方に配置される。第２欠陥捕獲層は、第２非結晶質材料に近接して接触した第２結晶質材料を含む。第２結晶質材料は、第２結晶質材料の格子不整合から第２隣接材料に生じた欠陥を含み、欠陥は第２非結晶質材料で終了する。
【００２４】
第１と第２欠陥捕獲層は、基板の対向面に配置することができ、基板は、第１と第２隣接材料を含み、同じ材料とすることができる。第１と第２欠陥捕獲層は、基板の上方にそれぞれ配置することができ、第１隣接材料を含み、第１結晶質材料は、第２隣接材料を含む。太陽電池サブセルは、第２欠陥捕獲層の下方、または第１欠陥捕獲層の上方の第１と第２欠陥捕獲層間に配置される。第１格子定数を有する第１半導体層は、第１欠陥捕獲層の上方に配置され、第１格子定数と異なる第２格子定数を有する第２半導体層は、第２欠陥捕獲層の上方に配置される。
【００２５】
もう一つの態様では、本発明は、光素子を形成する方法を含む。前記方法は、基板を提供するステップを含む。基板の上方の第１活性光素子層と、第２活性光素子層は、基板の下方に形成される。第１と第２活性光素子層のそれぞれの形成は、エピタキシャル成長を含む。基板は、第３光素子層を含むことができる。第１活性光素子層は、第１太陽電池接合を含むことができ、第２活性光素子層は、第２太陽電池接合を含むことができる。
【００２６】
もう一つの態様では、本発明の実施例は、多接合太陽電池素子を特徴とする。前記素子は、第１非シリコン光起電性接合を含む第１太陽電池、第１太陽電池の下方に配置され、シリコン光起電性接合を含む第２太陽電池と、第２太陽電池の下方に配置され、第２非シリコン光起電性接合を含む第３太陽電池を含む。
【００２７】
もう一つの態様では、本発明の実施例は、多接合太陽電池素子を特徴とする。前記素子は、第１エネルギーバンドギャップを有する第１太陽電池サブセルを含む。前記素子は、第１太陽電池サブセルの下方に形成され、第１エネルギーバンドギャップより大きく、ほぼ１.１eVと等しい第２エネルギーバンドギャップを有する第２太陽電池サブセルも含む。第３太陽電池サブセルは、第２太陽電池の下方に形成され、第２エネルギーバンドギャップより大きい第３エネルギーバンドギャップを有する。第１エネルギーバンドギャップは、１.１eVより小さく、好ましくは約０.８eVより小さくすることができ、第３エネルギーバンドギャップは、１.１eVより大きくすることができる。第２バンドギャップは、一般的に約１.０eV〜約１.２eVの範囲から選択される。第３エネルギーバンドギャップは、一般的に１.６eVより大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】一般の格子整合のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料のバンドギャップと格子定数を示すグラフである。
【図２】６３.２％の効率で太陽エネルギーを電気に変換する理論的能力を提供するバンドギャップの格子非整合の３接合太陽電池のための材料の選択を示しているグラフである。
【図３】ARTの基本原理を示す概略図である。
【図４】２つの誘電体層の側壁に隣接するファセット形成を示す概略図である。
【図５】２つの誘電体層の側壁に隣接するファセット形成を示す概略図である。
【図６】ARTを用いて形成された材料の成長面を示す概略図である。
【図７】ARTを用いて形成された各種サンプルを示す概略図である。
【図８】ARTを用いて形成された各種サンプルを示す概略図である。
【図９】ARTを用いて形成された各種サンプルを示す概略図である。
【図１０】ARTを用いて形成された各種サンプルを示す概略図である。
【図１１】３接合太陽電池構造を示す概略図である。
【図１２】InGaPを成長させるART構造を示す概略図である。
【図１３】格子非整合材料のさまざまな成長モードを示す概略図である。
【図１４】ART領域のInGaAsの下方の広いバンドギャップInPの成長を示す概略図である。
【図１５】単一接合InGaP太陽電池の構造を示す概略図である。
【図１６】単一接合InGaAs太陽電池の構造を示す概略図である。
【図１７】２接合InGaP／Si太陽電池を示す概略図である。
【図１８】２接合InGaAs／Si太陽電池を示す概略図である。
【図１９】合体材料を用いた単一接合InGaAs太陽電池のもう１つの構造を示す概略図である。
【図２０】合体緩衝領域を有するInGaP／Si／InGaAs電池のもう１つの実施例を示す概略図である。
【図２１ａ】３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池の製造を示す一連の概略図である。
【図２１ｂ】３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池の製造を示す一連の概略図である。
【図２１ｃ】３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池の製造を示す一連の概略図である。
【図２１ｄ】３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池の製造を示す一連の概略図である。
【図２１ｅ】３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池の製造を示す一連の概略図である。
【図２１ｆ】３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池の製造を示す一連の概略図である。
【図２１ｇ】３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池の製造を示す一連の概略図である。
【図２１ｈ】３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池の製造を示す一連の概略図である。
【図２１ｉ】３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池の製造を示す一連の概略図である。
【図２１ｊ】３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池の製造を示す一連の概略図である。
【図２２】５接合InGaP／GaAs／Si／GaAsSb／InGaAs太陽電池を示す概略図である。
【図２３】シリコン基板上に配置された３接合InGaP／GaAs／InGaAs太陽電池を示す概略図である。
【図２４】シリコン基板の両面にInGaP傾斜緩衝層を組み込んだ３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池を示す概略図である。
【図２５ａ】ウエハボンディング、または層変換を用いて３接合InGaP／Si ／Ge太陽電池を形成するのを示している概略図である。
【図２５ｂ】ウエハボンディング、または層変換を用いて３接合InGaP／Si ／Ge太陽電池を形成するのを示している概略図である。
【図２６】（ａ）〜（ｆ）はART構造を形成するもう１つの方法を示す一連の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。
［実施例］
【００３０】
ここで用いられる用語“太陽電池（solar cell）”、“光起電性電池（photovolatic cell）”と、“光起電性サブセル（photovolatic sub-cell）”は、それぞれ、例えば、p-n接合など光起電性接合を有する構造を示している。光デバイス層は、例えば太陽電池などの光活性素子を示している。
【００３１】
ARTは、太陽電池の設計者が材料の格子定数によって制約を受けることなく、材料のバンドギャップに基づいて接合材料を選択できるようにしている。ARTはまた、太陽電池の製造業者が安価なシリコン基板と現代のシリコン製造技術を利用できるようにしている。ARTによってシリコン基板に製造された多接合太陽電池は、ゲルマニウム基板に比べ、良好な機械強度、軽量で、且つ優れた熱放散も提供している。優れた熱放散は、太陽電池は通常、上昇した温度下ではあまり効率よく作動しないので、集光（concentrator）アプリケーションで特に重要となる場合がある。
【００３２】
ARTは、薄膜と下にある基板の格子整合間の不整合から生じる貫通転位からの問題をなくす。熱膨張係数の不整合により応力を減少し、標準の設備を採用した、非常に高価なプロセスを必要としない。
【００３３】
図３を参照して、ART構造は、次のステップに従って形成することができる。半導体基板３００、即ち半導体ウェハが提供される。半導体基板３００は、半導体材料を含むことができ、例えばバルクシリコンウェハ、またはバルクゲルマニウムウェハとすることができる。基板３００は、例えば、第ＩＶ族元素（例えば、ゲルマニウムまたはシリコン）のような第１半導体材料を含む、または実質的にそれから構成することができる。一実施例では、基板１００は、（３００）シリコンを含む、または実質的にそれから構成される。
【００３４】
誘電材料を含む誘電体層３１０、即ち、例えばSiO2などの非晶質材料が半導体基板３００上に形成される。SiO2は、誘電材料の１つの例だけで、当業者は、例えばSiNxなど適当に再結合の影響を低減する他の材料に置き換えることもできる。誘電体層３１０は、例えば熱酸化またはプラズマ化学気相成長法（PECVD）などの当業者に周知の方法によって、例えばSanta Clara, CAを本拠地にしているApplied Materialによって製造されたCENTURA ULTIMAなどの適当なシステムで形成することができる。誘電材料は、結晶質材料が誘電体層に穿通して形成された開口に堆積されるのに必要な高さに対応した厚さt1を有することができる。いくつかの実施例では、誘電体層３１０の厚さt１は、例えば２５nm〜２０μmの間を上下することができる。
【００３５】
複数の狭いサブミクロン幅の開口、例えばトレンチ３２０は、従来のリソグラフィーと反応性イオンエッチングによって誘電体層３１０に定められ、この開口は誘電側壁３２５を有する。当業者は又、トレンチの側壁を不活性化するため、例えば水素プラズマを用いたSiO2処理などの各種アプリケーションに対してプロセスを適合する追加ステップをどのように行うかは分かる。
【００３６】
洗浄後、格子不整合材料３３０は、開口３２０内で選択的に成長する。格子不整合材料は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体またはゲルマニウムであることができ、例えば、選択エピタキシャルによって開口に成長される。格子不整合材料の貫通転位は、通常、開口の側壁に向いて傾斜し、例えばSiO2の誘電材料に届いた時、終了する。よって、トレンチの上部付近のエピタキシャル材料の領域は、実質的に転位が含まれないことが望ましい。
【００３７】
ART構造は、以下に論ぜられるように太陽電池の欠陥捕獲（defect-trapping）層として用いることができる。ART構造は、（ｉ）結晶質材料と隣接の半導体材料間の格子不整合から生じる欠陥を含む結晶質材料と（ｉｉ）非結晶質材料で終了する欠陥の非結晶質材料を含む。
【００３８】
例えばゲルマニウムをSiO2側壁間のトレンチに堆積する時、ゲルマニウム原子と酸素原子間の結合は、２つのゲルマニウム原子間の結合より高いエネルギーを必要とする。よって、Ge-O結合はあまり好都合ではないため、あまり形成されそうもない。よって、典型的な成長条件下では、図４に示すようにゲルマニウム原子は、ファセット４００、一般的に｛１１１｝または｛１１３｝の結晶面を形成する。
【００３９】
２つの誘電体層の側壁間では、２つの結晶面、例えば｛１１１｝面５００と｛１００｝面５００’は、同時に形成することができる。２つの面の成長率（レート）は、異なってもよい。例えば、図５に示されるように、ゲルマニウムでは、｛１００｝面は｛１１１｝面より早く成長する。また図５に示されるように、早い（ファースト）成長面の方向の結晶成長は、遅い（スロー）成長面の成長率によって制限されるので、最終的に早い成長面は消失する。
【００４０】
これらの２つの結晶方向の観測を可能にするために、マーカー（marker）層６００を定めるマーカー材料の薄膜領域が格子不整合材料３３０間に挟設することができる。例えば、薄膜Si-Ge領域、または“マーカー層”は、ゲルマニウムマトリクス内に挟設され、TEM像のコントラストを提供することができる。これらのマーカー層６００は、図６のTEM顕微鏡写真の略図に黒山形(chevron)で表示されている。ゲルマニウムは、図（文字Aの下方）の最下部分で｛１００｝結晶方向に成長される。その領域の上方では、角度のあるSi-Geマーカー層は、ゲルマニウムが｛１１１｝成長面またはファセットに遷移されるのを示している。貫通転位６１０の下記の挙動が観測される。
基板３００から｛１００｝結晶方位を具備した領域５００’を穿通し、文字Aに向いて垂直に成長する
Aの位置では、貫通転位は、｛１１１｝結晶方位領域５００に交差する。結晶のファセットは、貫通転位を｛１１１｝ファセットと垂直の方向に向け、側壁の方に向く。
貫通転位は、SiO2の側壁に到達し、終了する。
【００４１】
貫通転位がファセットの境界線に届いた時、結晶境界は、通常ファセットに垂直な方向にそれを再度向ける。ファセットは、側壁に向いて貫通転位を傾斜する。材料の全ての貫通転位は、下方の基板に平行しないファセットを有するため、側壁が十分高い時、通常側壁に交差する。いくつかの実施例では、トレンチのアスペクト比、即ち縦横比は、約１より大きいことが好ましい。側壁は、好ましくは転位を捕獲し、トレンチの上部にエピタキシャル材料の欠陥のない領域を残す。このアプローチは、１つのリソグラフィーと１つの選択エピタキシャル成長ステップで基板のインターフェース欠陥を実質的に除去する。
【００４２】
ARTサンプルは、ゲルマニウムとヒ化ガリウム（GaAs）を用いて作成される。ゲルマニウムは、シリコン基板上のSiO2トレンチ内に堆積される。サンプルの薄膜のTEM像は、SiO2側壁が全ての貫通転位を捕獲し、トレンチの上部に欠陥のないゲルマニウムを残すことを示した。図７を参照して、TEM像の概略図は、例えば２００nm幅のトレンチの開口３２０に堆積されたゲルマニウムは、捕獲領域の上方は欠陥６１０は無くすことができることを示している。材料の上面図（“平面図”）のTEM像が捕らえられた。図８に示されるように、TEM像に基づいた概略図は、SiO2側壁３２５による貫通転位の捕獲を示しており、転位がART領域の底部の側壁で終了している。
【００４３】
図９を参照して、転位を含むゲルマニウムの下部領域は、除去することができる。基板３００と転位６１０領域の除去後、上部領域は、欠陥は無くすことができる。上部領域のゲルマニウムは、格子不整合による無穿通転位、無堆積欠陥、無双晶（２次元的格子欠陥）と、無亀裂を含有することができる。
【００４４】
図１０は、例えばシリコンなどの基板３００上の誘電体の側壁（例えばSiO2）間に、結晶質材料（例えばGaAs）で充填されたトレンチを示している。貫通転位６１０は、トレンチの底部付近の側壁３２５に向いて傾斜する。GaAsは、点線以上の領域に欠陥がない。ARTの使用により、シリコン基板上に高品質のＩＩＩ−Ｖ族材料の堆積は立証されており、これによりシリコン基板上に高効率、低コストの多接合太陽電池を形成する実現性を裏付けることができる。
【００４５】
分析により、熱膨張係数の不整合は、ARTを用いて格子不整合材料を成長する時、通常亀裂は生じないことが証明された。亀裂の不存在は、下記のうちの１つ以上によるものである：
エピタキシャル層は薄いので、応力は小さい。
非常に広いトレンチと対比して、トレンチは比較的狭いので熱膨張係数の不整合から生じる応力を弾性的に緩和することができ、材料反応(behavior)はバルク膜（bulk film）に近似する。
例えばSiO2などの側壁の誘電材料は、半導体材料よりも適合性が高い傾向があり、膨張接点となって応力を暖和するように伸びることができる。
【００４６】
図２を再度参照して、In0.5Ga0.5 P (1.86 eV)、Si (1.15 eV)と、In0.7Ga0.3As (0.61 eV)から作られた３接合太陽電池の実施例の格子とバンドギャップのパラメータが示されている。太陽電池は、６３.２％の理論的最大効率を有する。この図は、５０％のインジウムと５０％のガリウムを有するInGaP材料を用いた素子（device）が示されているが、他の濃度のインジウムとガリウムが用いられて材料のバンドギャップと格子定数を調整し、太陽電池の性能を改善することができることを示している。同じことがInGaAs層にも当てはまり、７０％のインジウムと３０％のガリウムのバンドギャップが示されているが、他の比率のインジウムとガリウムがInGaAs層に用いられて、性能改善のためバンドギャップと格子定数を調整することができる。例えば、以下に述べるように、InPに格子整合したInGaAs層を用いることが望ましく、この場合、In0.53Ga0.47Asを用いることができる。
【００４７】
図１１は、ARTによって、シリコン基板３００の上部に形成されたp-n接合を有するInGaP領域を含む上部ART領域１１１０、シリコン基板内のp-n接合１１２０と、ARTによってシリコン基板の底部表面に定められたp-n接合を有するInGaAs領域を含む底部ART領域１１３０を含む３接合太陽電池構造１１００を示している。上述の構造は、トンネル接合を組み込み、３つのサブセル、即ち、上部ART領域、基板と、底部ART領域間の電気的コンタクトを作る。
【００４８】
特に、上部ART領域１１１０は、第１非結晶質材料３１０（例えば、SiO2）に近接して接触している第１結晶質材料３３０（例えば、InGaP）を含む第１欠陥捕獲層として機能を果たすことができる。第１結晶質材料は、第１結晶質材料の格子不整合と第１隣接材料（例えばシリコン基板３００）間に生じた欠陥６１０を含み、この欠陥は第１非結晶質材料３１０で終了する。上部ART領域１１１０は、例えばp+型GaAsの湿潤層１１４０を含むことができる。湿潤層１１４０の構成は、第１結晶質材料（例えばInGaP）の連続成長を可能にするため、下方の材料（例えばシリコン）上に高品質かつ連続する層を形成するように選択される。上部ART領域は、例えばp型InGaPのベース１１４５と、例えばn+型InGaPのエミッタ１１５０を含むこともできる。InGaPは、適当なバンドギャップを有するので、選択することができる。光起電性接合１１５２は、ベース１１４５とエミッタ１１５０間のインターフェースによって定められる。InGaP材料とInとGaの比率は、材料が約１.８６eVのバンドギャップを有するように選択される。このバンドギャップは、上部サブセルが高エネルギー光子を効率よく吸収するが、低エネルギー光子が障害なく通過することが可能なように選択される。エミッタは、高ドープされたn型であり、InGaPと上部接触金属間の低抵抗を提供する。ベースは、InGaPが少数キャリア寿命を有するように低ドープされたp型であり、電子−孔子ペアがp-n接合によって分離される前に電子−孔子ペアが再結合しないように選ばれる。上部ART領域は、例えば約１〜５μmの厚さを有することができる。例えばNiAuなどの導電材料の上部接触層１１５５は、上部ART領域をおおって配置することができる。
【００４９】
底部ART領域１１３０は、第１欠陥捕獲層の下に配置された第２欠陥捕獲層として機能することができ、この第２欠陥捕獲層は、第２非結晶質材料３１０’（例えば、SiO2）に隣接して接触している第２結晶質材料３３０’（例えば、InGaP）を含む。第２結晶質材料は、格子不整合と第２隣接材料（例えばシリコン基板）間に生じる欠陥６１０’を含み、この欠陥は第２非結晶質材料３１０’で終了する。底部ART領域１１３０は、例えばn+型GaAsの湿潤層１１４０’、例えばn+型InPの底部捕獲領域１１６０、例えばn+型InGaAsのエミッタ１１５０’と、p型InGaAsのベース１１４５’を含むことができ、光起電性接合１１５２’は、例えばn+型InGaAsのエミッタ１１５０’と例えばp型InGaAsのベース１１４５’間のインターフェースによって定められる。底部ART領域１１３０は、例えば約１〜５μmの厚さを有することができる。例えばNiAuなどの例えば導電材料の底部接触層１１５５’は、底部ART領域上に配置することができる。
【００５０】
太陽電池、即ち、p-n接合１１２０は、例えばシリコン基板の上部および底部欠陥捕獲層間に配置され、n+とp+ドーピングを用いて定めることができる。p-n接合は、例えばイオン注入によってp型Siの基板に形成された、例えばn+型Siのエミッタ１１６７によって定めることができ、基板の残りの部分はベース１１６８を定め、p-n接合１１２０は、エミッタとベース間に配置されている。
【００５１】
トンネル接合１１７０は、基板３００と上部ART領域間に形成されることができ、他のトンネル接合１１７０’は、基板と底部ART領域間に形成することができる。トンネル接合は、非常に高ドープのp+／n+ダイオードである。ドーピングは、電流をp+とn+層間を通り抜ける（トンネルする）のに十分高く、トンネル接合は、２つの隣接層間の低抵抗接触を形成する。言い換えれば、上部ART領域が光にさらされた時、ドーピングは、p+／n+接合の空乏領域がトンネルを生じるように十分に小さくなり、電流が上部ART領域に流れるように十分に高い。電流は、トンネル接合をフォワードバイアスする。トンネル接合は、半導体基板３００の上方と下方に形成されたＩＩＩ−Ｖ族材料に形成することができる。成長中の現場(in-situ)ドーピングによってこのような層の高濃度、例えば約１×１０１９／cm3より上のp+とn+ドーピングが得ることができる。好適なトンネル接合は、空乏領域の厚さが約１０nmであるように選択することができる。例示されるように、実施例では、トンネル接合１１７０、１１７０’は、シリコン基板３００の上部と底部に定めることができる。次に、シリコン基板の上部から始まるシリコンのドーピングは、以下の通りである：
p++ (トンネル接合)            1170
n++ (トンネル接合)            1170
n+ (エミッタ)        1167
p (ベース)               1168
p++(トンネル接合)              1170'
n++(トンネル接合)              1170'
【００５２】
構造は、例えば、第２欠陥捕獲層の下方、または第１欠陥捕獲層の上方に配置された追加の太陽電池を含むことができる。いくつかの実施例では、第１と第２欠陥捕獲層の双方が、基板の上方に配置される。
【００５３】
各種の実施例では、３００nm〜５００nm幅のトレンチの大きなアレイ（〜５００,０００が１２インチの基板にある）がシリコン基板上の各ダイの表面を覆う。他の実施例では、トレンチ幅は、例えば１８０nm〜５μmのより広い範囲で変化することができる。トレンチ間の距離は、太陽放射のほぼ全ての波長以下である。この構成は、太陽放射がトレンチ間を通過するのから防ぐことができる。よって、太陽電池は、ほぼ全ての入射光を吸収することができる。〜１５０nmの間隔は、一部の基準には好ましいが、間隔は、必要なアプリケーションと、または材料に基づいて実質的に調整することができる。
【００５４】
図１１に示されたARTベースの３接合太陽電池構造は、以下のように動作する：
まず、太陽光が上部ART太陽電池１１１０のInGaP材料３３０を照射する。InGaPは、１.８２eV以上の高いエネルギーの光子を吸収する。１.８２eVより低いエネルギーの光子は、InGaPを通過し、シリコン基板３００に入射する。
InGaPを通過した光子は、上部欠陥捕獲層１１６５に入射する。この領域の吸収は、光生成キャリアが貫通転位６１０で再結合する可能性があるため、回避、または低下することが好ましい。ほとんどの上部捕獲領域は、InGaPから作られるため、上述のInGaPの領域によって吸収されない光子に対して透明である。GaAsの湿潤層１１４０がシリコン上にInGaPの２次元成長を促進するように提供されている間、この層は、シリコンに通過する光子の吸収を低下するように非常に薄く保持される。当業者は、湿潤層により吸収を減少するため他の材料を適用することが理解されよう。
シリコンは、１.１５eV以上の高いエネルギーの光子を吸収する。１.１５eVより低いエネルギーの光子はシリコン基板３００を通過する。
シリコンを通過した光子は、第２捕獲領域、即ち、底部捕獲領域１１６０を通過する。再度、この目標は、光生成されたキャリアが貫通転位で再結合する可能性があるため、この領域での吸収を回避することである。よって、捕獲領域は、高バンドギャップの材料のInPから作られることが好ましい。低エネルギー（≦１.１５eV）の光子はInP捕獲領域を通過してInGaAs領域に入る。InPは、シリコン上に非平面モード（mode）で成長するため、薄層GaAs湿潤層は、シリコン上に形成され、InPの２次元層を形成することが好ましい。GaAsは、広いバンドギャップを有するため、この領域の低エネルギー光子を吸収しない。
次に、InGaAsは、０.６１eV以上の高いエネルギーの光子を吸収し、InGaAsのp-n接合が光生成の電子−孔子ペアを分離する。
【００５５】
上述のように、光はART太陽電池の捕獲領域を通過する。転位は、サブバンドギャップの光子を吸収する可能性があるが、このサブバンドギャップの吸収は、ARTベースセルの性能に大きく影響しない。
【００５６】
捕獲領域では、貫通転位は、バンドギャップ内に電子状態を作る。よって材料は、捕獲領域を通過するサブバンドギャップの光子を数パーセント吸収する。光生成キャリアは貫通転位付近に現れることから、非放射で、即ち、太陽電池の出力電力に貢献することなく、再結合する傾向がある。吸収係数αと厚さｔの関数の透過率Ｔを提供する以下の公式でこの損失機構の影響を推定することが可能である：
Ｔ =ｅ-αt
【００５７】
シリコン上に成長したInPとGaAs領域の吸収係数は、バンドギャップより下の０と０.５eV間のエネルギーの光子に対して約５×１０３／cmであることが伝えられている。高転位領域の厚さは、約１００nmであり、ARTトレンチは通常５００nm以下のオーダーの幅を有するのが通常となりうる装置は、捕獲領域を介する透過率は、約９５％と見込まれる。
【００５８】
ここに記述された３接合太陽電池の効率に対する上述の現象の影響を推定することは可能である。InGaPは、光子が捕獲領域に入る前に、光子の約３３％を吸収する。光子の残りの６７％は、InGaPセルの捕獲領域に入る。InGaPセルの捕獲領域は、その６７％のうちの約５％、または太陽電池に入射した全ての光子の約３.３％を名目上吸収する。
【００５９】
次に、残りの光子は、InGaAsセルの捕獲領域に入る前にシリコンセルに通過する。この時までに、２つの上部（InGaPとシリコン）セルは、太陽電池に入射した全ての光子の約６７％を吸収している。太陽電池に入射した全ての光子の約３３％だけがInGaAsセルの捕獲領域に到達する。捕獲領域は、その３３％のうちの約５％、または太陽電池に入射した全ての光子の約１.７％を名目上吸収する。
【００６０】
次に、総計で、捕獲領域は、入射した全ての光子の〜３.３％＋〜１.７％＝〜５％吸収する。これらの簡単な計算は、貫通転位付近のサブバンドギャップ領域の光子吸収量が小さい損失機構であることを示し、これにより、ART太陽電池が６３％の最大理論効率を達成することから防げられる可能性があるが、５０％を超える生産効率を妨げることはない。
【００６１】
太陽電池におけるARTの利用により、転位の不利な影響を減少することができる。バルク材料では、転位は、例えば約１０μmまでの比較的長い距離に対して再結合を誘起することができる。３００〜５００nm幅のトレンチの太陽電池を作るためのARTの利用により、転位は隣接するトレンチの再結合を誘起することができないので、バルク材料または薄膜における欠陥の影響に比べ、欠陥の影響領域を大きく減少する。
【００６２】
ARTを用いてシリコン上にInGaPとInGaAsを形成することは、図１１に示された３接合セルを形成するのに用いられる製造プロセスの重要な部分である。ARTを用いてシリコン上にInGaPとInGaAsを形成する技術をより詳細に述べる。
【００６３】
図１２は、InGaPを成長させるART構造の実施例を示している。適当なシリコン基板３００は、例えばSEMATECHの子会社ATDFから入手することができる。例として、p型シリコン（００１）基板は、６°でオフカットされ、逆位相領域境界を回避する。例えば熱酸化物の１〜１.５μmの厚さを有する比較的厚い誘電体層３１０は、基板上に形成される。例えば０.２〜２.５μmの幅を有するトレンチ３２０は、フォトリソグラフィーとドライエッチングによって熱酸化物にパターン化される。
【００６４】
パターン化ステップ後、カーボン残留物は、酸素プラズマ灰化ステップ（酸素プラズマ灰化装置で８００W、１.２トール(Torr)、３０分間の条件下で処理）によって、基板表面から除去することができる。残留物の除去は、例えば、Fremont，CAを本拠地にしているMattson Technology, Inc. によって製造されたASPEN STRIPIIシステムで実行することができる。パターン化された基板は、例えば、Piranha溶液、SC2溶液と、低濃度フッ酸（HF） 溶液で順次に清浄される。エピタキシャル格子不整合材料３３０は、例えば有機金属気相成長（MOCVD）によってトレンチに選択的に形成される。エピタキシャル格子不整合材料３３０は、GaAsの湿潤層１１４０上に配置されたInGaPを含むことができる。
【００６５】
図１３は、格子不整合材料３３０の３つの可能な成長モードを示している。Frank-Van der Merwe (FM) モードでは、材料３３０は、２次元で一層ずつ基板上に成長する。Volmer-Weber (VW)モードでは、界面エネルギーは、エピタキシャル材料３３０の孤立（isolated）パッチを形成し、成長して合体（coalesce）する。Stranski-Krastanov (SK)モードでは、材料３３０は、臨界膜厚に達成するまで一層ずつ成長してから、パッチで成長する。
【００６６】
InGaPは、非平面モード、即ち、第２（VW）か、第３（SK）モードのいずれかでシリコン上に成長する傾向がある。非平面成長（即ち、VWまたはSKモード）は、一般的に高濃度の欠陥と粗面を招く。いくつかの実施例では、この問題は、例えばGaAsの湿潤層１１４０をInGaPに堆積する前に、シリコン基板上に直接堆積することで対応できる。GaAsは、シリコン上に２D層で成長し、InGaPは、GaAs上に２D層で成長する。表２は、GaAs とInGaPを成長させるように調整されることができる条件の模範的なセットを示している。
2010538495.tif 000005
【００６７】
Ｖ／ＩＩＩ元素比は、Ｖ族前駆体中のＶ族元素の流量とＩＩＩ族前駆体中のＩＩＩ族元素の流量間の比率として定められており、（Ｖ族前駆体流量／ＩＩＩ族前駆体流量）＊（Ｖ族前駆体中のＶ族元素の比率／ＩＩＩ族前駆体中のＩＩＩ族元素の比率）で算出される。要約すれば、Ｖ−ＩＩＩ族の比率は、処理チャンバに入るＶ族原子／秒の数を処理チャンバに入るＩＩＩ族原子／秒の数で割ったのと等しい。
【００６８】
成長条件は、さまざまな方法で調整することができる。例えば：
例えば８００℃〜１０００℃の温度範囲で基板をプレエピタキシーベーキング（pre-epitaxy bake）する。
成長中、室内温度から８００℃の温度で熱サイクルアニールする。
例えばInGaP、Si、SiO2などの異なる材料間の熱膨張係数の不整合の結果として堆積欠陥の可能性を軽減し、１つ以上の材料を処理してその熱膨張性質を変える、例えば、SiO2を熱窒化処理（thermal nitrogen treatment）に付して、その熱膨張係数をシリコンに近づける。
【００６９】
図１１に示された３接合太陽電池構造などのいくつかの実施例では、高バンドギャップのInP捕獲領域は、シリコン基板とInGaAs間に挟設され、最下層の太陽電池の捕獲領域の光子吸収を回避することができる。捕獲領域のバンドギャップは、捕獲領域下方のサブセルのバンドギャップより大幅に高いことが好ましい。光子が捕獲領域で吸収された場合、吸収された光子は、捕獲領域の転位で再結合するため、電気エネルギーに変換しない。捕獲領域のバンドギャップが大きい場合、光子は、捕獲領域を通過し易く、下方にあるサブセルによって効果的に吸収される。
【００７０】
上述の考察において、InGaAsは、InPとほぼ格子整合するので、InPが他の高バンドギャップ材料よりもむしろ挟設されるよりも適するが、当業者は、どのように他の適合する材料を用いるかはわかるだろう。
【００７１】
図１４は、例えば広バンドギャップInPの第１結晶質材料３３０がトレンチ３２０に配置されたGaAs湿潤層１１４０上に形成された構造を示している。続いて、例えばInGaAsのもう１つの結晶質材料１４００が例えばInPの第１結晶質材料上に形成される。InPは、欠陥を捕獲するように用いられ、大きいバンドギャップを有するため、光がそれに吸収されない。InGaAsは、太陽電池として機能する。表３は、InPとInGaAsを成長するように調整することができる条件の模範的なセットを示している。
2010538495.tif 000006
【００７２】
図１５は、単一接合InGaP太陽電池１５００の模範的な構造を表している。注意するのは、図１５とここでの太陽電池の他の図は、正確な図というよりむしろ、概略図である。これらは例えば、接触（contact）ドーピング領域、窓層と、裏面電界を省略しているが、その存在は当業者には容易にわかるであろう。
【００７３】
単一接合太陽電池１５００は、図１１を参照して述べられたように、上部ART領域１１１０と、p＋型Siの基板３００上のトレンチ３２０に配置されるp+型GaAsの湿潤層１１４０を含む。InGaPのベース層１１４５は、湿潤層１１４０上に配置され、n+型InGaPのエミッタ層１１５０は、ベース層上に配置され、その間に光起電性接合１１５２を定める。上部ART領域は、例えば約１〜５μmの厚さを有することができる。例えばNiAuなどの導電材料の上部接触層１１５５は、上部ART領域上に配置することができる。例えばアルミニウム層の底部接触層１１５５’は、上部ART領域の反対側のシリコン基板側に形成することができる。上部および底部接触層の金属層は、隣接の半導体材料により低接触抵抗を提供するよう選択されることが好ましい。例えば、アルミニウムは、ＩＩＩ−Ｖ材料でなくドープされたシリコンで低接触抵抗を提供する。よって、アルミニウムは、ドープされたシリコンに隣接する接触層として用いられることが好ましい。シリコン基板３００は、p＋型でドープされ、約２００〜７００μmの厚さを有し、好ましくは、約３００μmの厚さを有する。太陽光は、上部接触層１１５５を経由して単一接合太陽電池１５００を照射することができる。
【００７４】
トレンチ幅、層厚と、ドーピングレベルは、効率を増すために変えることができる。いくつかの実施例では、InGaPの厚さは、約１〜１.５μmの間である。当業者は、特定のアプリケーションの実験を実施しなくともどのように素子の幾何学的構造、ドーピングレベルと、材料係数を調整するかがわかるであろう。
【００７５】
図１６は、単一接合InGaAs太陽電池１６００の構造を示している。InGaP太陽電池と同じように、トレンチ幅、層厚と、ドーピングレベルは、効率を増すために合わせることができる。
【００７６】
単一接合InGaAs太陽電池１６００は、図１１を参照して述べられたように、n+型Siの基板３００上に形成された底部ART領域１１３０を含む。底部ART領域１１３０は、例えばn+型GaAsの湿潤層１１４０’、例えばn+型InPの底部捕獲領域１１６０、例えばn+型InGaAsのエミッタ１１５０’と、p型InGaAsのベース１１４５’を含むことができ、光起電性接合１１５２’は、エミッタ１１５０’とベース１１４５’間のインターフェースによって定められる。底部ART領域１１３０は、例えば約１〜５μmの厚さを有することができる。例えばNiAuなどの例えば導電材料の底部接触層１１５５’は、底部ART領域上に配置することができる。例えばアルミニウム層の上部接触層１１５５は、底部ART領域の反対側のシリコン基板側に形成することができる。太陽光は、上部接触層１１５５を経由して単一接合太陽電池１５００を照射することができる。
【００７７】
いくつかの実施例では、InGaAsの厚さは、約１〜３μmの間にある。底部ART領域１１３０は、１〜５μmの厚さを有することができる。基板は、約３００μmの厚さを有することができる。当業者は、どのように素子の幾何学的構造、ドーピングレベルと、材料係数を調整して、特定のアプリケーションの素子性能を最適化するかがわかるであろう。
【００７８】
図１７は、２接合InGaP／Si太陽電池１７００の実施例を示しており、図１８は、InGaAs／Si太陽電池１８００の実施例を示している。２接合InGaP／Si太陽電池１７００は、図１１を参照して述べられたように、上部ART領域１１１０を含み、第１光起電性接合１１５２を有し、基板上に配置されて第２接合を定める。特に、基板は、p型シリコンとし、約３００μmの厚さを有することができる。n+型Siのエミッタ領域１７０５は、イオン注入によって基板３００内に形成されることができる。ベース１７１０は、基板３００の残りによって定めることができる。よって、第２光起電性接合１７２０は、エミッタ１７０５とベース１７１０の間に形成される。トンネル接合１１７０は、上部ART領域１１１０とエミッタ１７０５の間に配置することができる。例えば、アルミニウムの底部金属層１１５５’は、基板３００の背面上に形成される。上部ART領域１１１０は、エミッタ１７０５に隣接して形成することができる。
【００７９】
図１８の２接合太陽電池１８００は、第１格子定数と第１バンドギャップエネルギーを有する、例えばシリコンの第１半導体材料を含む第１光起電性電池を含み、第１光起電性電池は、シリコン基板３００に対応し、n+型Siのエミッタ１７０５、p型Siのベース１７１０と、光起電性接合１７２０を含む。第２光起電性電池は、第１格子定数と異なる第２格子定数と第１バンドギャップエネルギーより低い第２バンドギャップエネルギーを有する第２半導体材料を含む。第２光起電性電池は、図１１を参照して述べられたように、底部ART領域１１３０の例えばInGaAsのベース１７１０に隣接して形成することができる。特に、第２光起電性電池は、n+型InGaAsのエミッタ１１５０’と、p型InGaAsのベース１１４５’を含むことができ、光起電性接合１１５２’は、エミッタとベース間のインターフェースに形成される。
【００８０】
欠陥捕獲層１１６０は、第１と第２光起電性電池間に配置される。欠陥捕獲層は、第２バンドギャップエネルギーより高い第３バンドギャップエネルギーを有する例えばn+型InPの材料を含む。欠陥捕獲層１１６０は、非結晶質材料３１０（例えばSiO２）に近接した結晶質材料（例えばInP）を含み、結晶質材料は、非結晶質材料で終了した欠陥を含む。
【００８１】
図１５と図１６に示された構造の代案では、太陽電池構造がトレンチからあふれ出るまで成長する膜を含み、図１９に示されたようにART緩衝層１９００を形成することができる。例示された実施例は、ART緩衝層１９００を組み込んだ単一接合ART太陽電池１９０５を示している。隣接の不連続領域の格子不整合材料は、単一連続膜、即ちART緩衝層１９００を形成するように合体（coalesce）される。次に、太陽電池のp-n接合は、緩衝層上に形成される。太陽電池のp-n接合は、ベース１９１０とエミッタ１９２０を含み、金属１９３０をその上に配置することができる。エミッタ、ベースと、誘電体層の総厚は、約１〜５μmとすることができる。上述の構造は、例えばシリコンの基板３００上に形成され、約３００μmの厚さを有することができる。図１９の具体例に示されたように、ART緩衝層に基づいた実施例では、太陽電池の活性領域がトレンチ３２０内に存在しないため、側壁の再結合が太陽電池の性能を低下させることはない。
【００８２】
図１９は又、合体欠陥（coalescence defect）１９４０も示し、垂直の点線がSiO2側壁３２５の上表面から現れている。これらのタイプの欠陥は、SiO2ペデスタル（pedestal）の一定の割合より高く、選択的に成長したエピタキシャル膜に現れる可能性があり、堆積条件の関数として変動する可能性がある。これらの合体欠陥の密度を減少する模範的な方法は、
MOCVD条件の調整、及び
欠陥を生ずる可能性のある合体領域の密度を減少する。これらの領域の密度を減少するために、過成長領域（図１９のLog）の長さを増加することができ、SiO2ペデスタルの幅を増加することを意味する。
【００８３】
Logが増加するにつれて、SiとInGaAs領域に移行したより低いエネルギー光のより少ない割合は捕獲領域を通過しなければならない。その結果、この構造は、捕獲領域内の転位によるサブバンドギャップ光吸収にはあまり影響は被らない。
【００８４】
いくつかの実施例では、ART緩衝層は、主要の太陽電池材料、例えば、上部のInGaPと底部のInGaAsから形成される。他の材料を緩衝層上に形成する前に、緩衝層１９００を平坦化することが望ましい。InGaPとInGaAsに対して化学機械研磨を用いる平坦化プロセスは、その主要パラメータの調整は、
表面を攻撃し、化学結合を弱体化させるスラリー
研磨粒子の大きさと材料
パッドの硬度
ダウンフォース （down force）
回転速度
処理時間
適当なCMP後の洗浄ステップ
からの選択を含むことができる。
【００８５】
図２０は、合体緩衝層領域を用いて３接合InGaP／Si／InGaAsセル２０００を形成するもう１つの実施例を示している。単一接合ART太陽電池１９０５は、誘電体材料３１０内に定められた開口内に形成されたp+型GaAsの湿潤層１１４０上に配置されたp+型InGaPを含むART緩衝層１９００を取り入れる。例えばp+型InGaPのベース１９１０は、緩衝層１９００上に配置され、例えばn+型InGaPのエミッタ１９２０は、ベース上に配置され、光起電性接合２０２０は、エミッタ層１９２０とベース１９１０間のインターフェースに形成されている。単一接合ART太陽電池１９０５は、例えば約１〜５μmの厚さを有することができる。例えばNiAuの金属１９３０は、単一接合ART太陽電池１９０５上に配置されることができる。
【００８６】
単一接合ART太陽電池１９０５は、例えばp型Siの基板３００上に形成され、約７００μmの厚さを有する。例えばn+型Siのエミッタ領域２０３０は、基板に定められ、p型Si基板の残りの部分はベース２０４０を定める。よって、第２光起電性接合２０２０’は、エミッタ層２０３０とベース２０４０間のインターフェースによって定められる。トンネル接合１１７０、１１７０’は、半導体基板３００の上部および底部表面上に形成される。
【００８７】
最後に、第２単一接合ART太陽電池１９０５’は、基板３００の背面上で、ベース２０４０に隣接して配置される。太陽電池１９０５’は、n+型InGaAsのエミッタ１９２０’とp型InGaAsのベース１９１０’間に配置された第３光起電性接合２０２０’を含む。ART緩衝層１９００’は、n+型GaAsの湿潤層１１４０’上に配置されたn+型InPの捕獲層１１６０’上に形成することができる。
【００８８】
図２１a〜２１jを参照して、３接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池を形成する模範的なプロセスは、以下のステップを含む。
１．  結晶質半導体基板３００は、上表面２１００と下表面２１００’を有し、例えば８または１２インチのシリコン基板が提供される。基板は、p型とすることができ、n+型領域のエミッタ１７０５が上表面を穿通して注入されるため、エミッタ１７０５とベース１７１０間にn+／p太陽電池接合２１１０を定める（基板３００の残りによって定められる）。あるいは又、n+型領域のエミッタは、エピタキシャル成長によって形成することができる。n+型エミッタのドーピングレベルは、例えば、１×１０１９／cm3より大きいなど、比較的高くすることができ、ベースのドーピングレベルは、１×１０１６／cm3より小さいなど、比較的低くすることができる。上部保護層２１１５（例えば２００nmの厚さを有するSiNXの層）は、上部基板表面２１００上に形成される。
２．  基板の下表面２１００’または背面は、p型ドーパント、例えば１×１０１４／cm3〜２×１０１５／cm3、好ましくは、１×１０１５／cm3の量のホウ素、５〜２０keV、好ましくは１０keVのエネルギー、７°の傾斜で注入され、薄層のp+型領域を形成する。次にn型ドーパント、例えば２×１０１５／cm２〜５×１０１５／cm２、好ましくは、５×１０１５／cm２の量のヒ素、１０〜６０keV、好ましくは２０keVのエネルギー、７°の傾斜で注入され、これによりトンネル接合１１７０を定める。上述の２つの注入の量とエネルギーは、トンネル接合を横断する電圧降下が最小化されるように最適化されなければならない。n+型領域は、より深いp+型領域を相殺しないように浅いことが好ましい。
３．  底部絶縁層３１０’は、例えば、CVDによって基板の背面上にSiO2の１〜５μmの層を堆積することで基板の下表面２１００’に近接して形成される。複数の底部開口３２０’、即ちARTトレンチは、底部絶縁層を穿通して形成され、SiO2のARTトレンチの形成は、リソグラフィーとドライエッチによって形成される。
４．  第２結晶質層、即ち、第２格子不整合材料３３０’は、同じMOCVD反応器の単一ステップで、例えば、１０nm〜１ミクロン（〜４００nm）の間の厚さのn+型GaAs／InP緩衝層（湿潤層１１４０’と捕獲層１１６０を含む）と、p型とn型InGaAsセル層（１〜５μm）（エミッタ１１５０’とベース１１４５’、その間に配置された光起電性接合１１５２’を含む）を成長させることによって底部開口内に形成される。第２結晶質層は、結晶質半導体基板と格子整合する。結晶質の半導体基板に最も近接の第２結晶質層の表面に生じる大部分の欠陥は、それぞれの底部開口内で終了する。
５．  例えば約２００nmの厚さを有するSiNXの層の底部保護層２１１５’は、CVDによって前記構造の背面上に配置される。
６．  上部保護層２１１５は、例えばドライエッチングによって基板の上部表面２１００から除去される。基板は、適当な湿式洗浄、例えばピラニア溶液（硫酸、過酸化水素（H2O2）と、水）とフッ酸エッチング（HF etch）で洗浄される。
７．  上部絶縁層３１０は、例えば、CVDによって基板の上表面上にSiO2の１〜５μmの層を堆積することで基板の上表面に近接して形成される。複数の上部開口３２０は、例えば、リソグラフィーとドライエッチによってSiO2のARTトレンチの形成によって上部絶縁層に定められる。
８．  第１格子不整合材料３３０、即ち第１結晶質層は、例えば、同じ反応器の単一ステップで、GaAsの湿潤層１１４０とInGaPのベース層１１４５を成長することによって上部開口３２０内に形成される。第１結晶質層は、結晶質半導体基板と格子不整合である。大部分の欠陥は、結晶質の半導体基板に最も近い第１結晶質層の表面に生じる大部分の欠陥は、それぞれの上部開口内で終了する。
９．  例えば５０nm〜５００nmの間の厚さを有するSiNXの層の上部保護層２１１５は、CVDによって前記構造の上面上に配置される。底部保護層２１１５’は、ドライエッチングと例えばピラニア溶液とフッ酸浸漬（HF dip）の湿式洗浄によって基板の背面から除去される。
１０．  底部金属１１５５’は、電子ビーム蒸着またはスパッタリングによって上述の構造の背面上に形成される。底部金属は、低抵抗コンタクト（接触）を形成するための適当な組成を含むことができる。例えば、底部金属は、Au／Ni合金を含むまたはAu／Ni合金から構成することができ、約３００nm〜約１μmの範囲から選択された厚さ、好ましくは、約５００ｎｍを有する。
１１．  上部保護層２１１５は、例えばドライエッチングによって除去され、上部表面は、水で洗浄される。上部金属１１５５は、前記構造上に堆積される。上部金属は、隣接の半導体材料と低抵抗接触（コンタクト）を形成するのに適当な金属とすることができる。適当な金属は、例えば、約５００nm〜約１μmの範囲から選択された厚さを有するAu／Ni合金である。接触は、フォトリソグラフィーとエッチングによって金属１１５５にパターン化される。続いて、フォーミングガスを用いたアニールが接触を改善するため行われる。フォーミングガスは、窒素中１０％水素までの混合ガスである。アニールは、十分高い温度と継続時間にてコンタクトを改善することができ、例えば、急速熱アニーリングシステムにて、約１秒〜５分間、好ましくは１分間を約２５０℃〜４５０℃、好ましくは４００℃にて行う。アニールは、従来のアニール炉でより長時間行うこともできる。
【００８９】
結果として生じる構造は、上部ART領域１１１０、即ち基板３００上に配置された第１太陽電池または光起電性電池を有する。第１太陽電池は、第１格子定数、即ち第１結晶質層を有する第１半導体材料を含む。第１半導体材料は、第１ＩＩＩ−Ｖ族化合物を含み、第１太陽電池は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物によって定められた光起電性接合１１５２を有する。第２太陽電池または光起電性電池は、例えば基板３００に定められた第１太陽電池の下方に配置される。例えばシリコンの第２太陽電池の材料は、第１半導体材料に対して整合されない第２格子定数を有する。第２太陽電池は、エミッタ１７０５とベース１７１０を含み、第２光起電性接合２１１０がその間に定められる。底部ART領域１１３０、即ち第３太陽電池または光起電性電池は、第２太陽電池の下方と基板の下方に配置される。第３太陽電池は、例えば第２ＩＩＩ−Ｖ族化合物の第２太陽電池の材料に対して格子不整合する第２半導体材料と光起電性接合１１５２’を含む。
【００９０】
第１太陽電池は、例えば１.１eVより小さい第１エネルギーバンドギャップを有する。いくつかの実施例では、第１エネルギーバンドギャップは、約０.８eVより小さい。第２太陽電池は、第１太陽電池の下方に配置され、第１エネルギーバンドギャップより大きく、シリコンのバンドギャップ、即ち１.１eVとほぼ等しい第２エネルギーバンドギャップを有する。第３太陽電池は、第２太陽電池の下方に配置され、例えば１.１eVより大きい第２エネルギーバンドギャップより大きい第３エネルギーを有する。いくつかの実施例では、第３エネルギーバンドギャップは、約１.６eVより大きい。
【００９１】
図２２は、５重接合InGaP／GaAs／Si／GaAsSb／InGaAs太陽電池２２００を示している。図１１に示された実施例と類似して、この実施例は、シリコン基板３００に定められた光起電性接合２１１０を有するシリコン基板３００の両面にARTを用いている。ARTは、欠陥を捕獲し、それぞれシリコン基板の上部表面と底部表面の上方に２つの太陽電池、即ちGaAsを含む上部ARTセル１１１０とGaAsSbを含む底部ARTセル１１３０を形成し易くするように用いられる。例えばInGaPセルの第４光起電性電池２２１０は、上部ART GaAsセル上に形成され、例えばInGaAsセルの第５光起電性電池２２２０は、GaAsSbセル上に形成される。これらの後者のセルペア（cell pairs）の結晶格子は、隣接する材料に実質的に整合するため、格子不整合欠陥を回避する。
【００９２】
図２３は、ARTがまず、シリコン基板３００の上方に成長した約０.７eVの名目上のバンドギャップを有するInGaAs太陽電池の格子不整合から生じる欠陥を捕獲する第１上部ART領域１１１０を形成するように用いられた実施例を示している。次に、第２上部ART領域１１１０’は、第１上部ART領域上に形成される。第２上部ART領域は、約１.４eVの名目上のバンドギャップを有するGaAs太陽電池を含む。最後に、第３太陽電池２３００は、例えば約１.８eVの名目上のバンドギャップを有するnとp型InGaPを含み、第２上部ART領域１１１０’、即ちGaAsセルの上方に成長される。
【００９３】
上述のように、ART技術を用いることなく、基板の両面に接合を有する太陽電池を製造する実施例が可能である。ARTは、異なる材料間の格子不整合から生じる欠陥を減少する、優れた方法を提供するが、これに鑑みて当業者は、どのように適当であるか、許容できるかのいずれかの欠陥レベルを有する他の技術を用いるかがわかるだろう。例えば、図２４は、例えばシリコン基板の基板３００の両面に形成された組成的に傾斜した上部および底部緩衝層２４００、２４００’（InGaPの組成的に傾斜した緩衝層）を用いて、３重接合InGaP／Si／InGaAs太陽電池２２００を形成し易くしているのを示している。例示して、傾斜した緩衝層２４００、２４００’は、それぞれシリコン基板に隣接して形成されたGaPから始まる（GaPは、シリコンの格子定数とほぼ整合する格子定数を有するため）。シリコン基板の上面では、傾斜した緩衝層２４００はGaPを含み、ほぼIn0.5Ga0.5Pの層に傾斜され、背面では、傾斜した緩衝層２４００’はInXGa1-XPの層に傾斜されたGaPを含み、InGaAsの格子定数に少なくともほぼ格子定数整合された。例示された構造では、傾斜した緩衝層２４００、２４００’は、第１（InGaPの上部光起電性電池２４１０）と第２（シリコン基板３００の光起電性電池）光起電性電池と、第２（シリコン基板３００）と第３（InGaAsの底部光起電性電池２４１０’）光起電性電池間にそれぞれ配置される。当業者は、傾斜した緩衝層に対する材料と厚さなどの他のパラメータと成長条件の選択の基準がわかるだろう。
【００９４】
当業者は、基板の両面に太陽電池接合を形成し易くするため、どのようにARTと傾斜した緩衝層以外の技術、例えば、ウエハボンディング、メサ領域上の選択エピタキシャル（selective epitaxy on mesas）、または格子不整合材料の直接エピタキシャル（direct epitaxy）などの技術を適用するかはわかるだろう。例えば図２５aと図２５bは、ウエハボンディングまたは層移動を用いて３接合InGaP／Si／Ge太陽電池２５００を形成する実施例を示している。単一接合Si太陽電池２５１０（即ち第１アクティブ光デバイス層）と単一接合Ge太陽電池２５２０（即ち第２アクティブ光デバイス層）は、適当なドーパントの注入によってシリコンとゲルマニウム基板上にそれぞれ直接製作される。InGaP太陽電池２５３０は、GaAs基板２５４０上に形成される。次に、ウエハボンディング技術は、シリコン、ゲルマニウムと、InGaP太陽電池２５１０、２５２０と、２５３０を多接合太陽電池２５００内に結合し、GaAｓ基板２５４０は、例えばウェットエッチングで除去されるように用いられる。例えば、第１アクティブ光デバイス層は、InGaP太陽電池２５３０に形成され、シリコン基板２５１０（太陽電池を含む）の上部表面に結合される。第２アクティブ光デバイス層は、Ge２５２０に形成され、シリコン基板２５１０の底部表面に結合される。第３アクティブ光デバイス層は、シリコン基板２５１０によって定めることができる。図２５bは、InGaP太陽電池２５３０からシリコン太陽電池２５１０を介して流れ、ゲルマニウム太陽電池２５２０に流れる電流路を備えた実施例を示している。
【００９５】
３つのセル（電池）間の電流整合を必要としない代替実施例では、誘電体層は、各電池間に含まれることができ、この場合、３つの電池のそれぞれに分離電極が用いられる。
【００９６】
いくつかの実施例では、ART領域の少なくとも一部は、基板の上よりもむしろ、基板内に形成することができる。模範的なプロセスが図２６a〜２６fに示される。例えばシリコンウエハの基板３００が提供される。マスキング層２６００は、基板３００上に形成される。マスキング層２６００は、薄膜の二酸化ケイ素２６１０と二酸化ケイ素２６１０上に配置されたより厚い窒化ケイ素２６２０を含むことができる。二酸化ケイ素層は、約１００nmの厚さとすることができ、窒化ケイ素膜は、約１０００nmの厚さとすることができる。二酸化ケイ素層は、窒化ケイ素と基板の間に挟設され、窒化ケイ素膜の亀裂を減少する。マスキング層は、フォトリソグラフィパターンニングステップによってパターン化され、開口２６３０は、マスキング層２６００を穿通して基板３００にドライエッチングされる。開口２６３０は、例えばトレンチとすることができる。トレンチ幅は２０nm〜２０μmの範囲とすることができ、深さは、トレンチのアスペクト比（トレンチの深さと幅の比率）は、≧１であるように選択される。第２二酸化ケイ素層２６４０は、マスキング層２６００上と開口２６３０の側壁に沿って共形的に堆積されるか、または開口２６３０の側壁に沿って成長する。第２二酸化ケイ素層２６４０のドライエッチングが行われ、第２二酸化ケイ素層２６４０を窒化ケイ素２６２０と開口の底部分２６５０から除去し、第２二酸化ケイ素層２６４０を開口の側壁２６６０に残す。約１０〜１００nm間、最も望ましくは２５nmの薄膜は、二酸化ケイ素部分２６４０と開口の露出された底部分部分上に成長されることができ、続いてフッ酸浸漬（ディップ）によって除去される。この薄い二酸化ケイ素層は、成長して、トレンチの底部の表面を洗浄するように剥離され、これによりトレンチのドライエッチング後によって生じた損傷と炭素化合物を取り除くことができる。結果として得られた構造は、基板３００内に定められた開口２６３０を含み、二酸化ケイ素２６１０、２６４０は開口の側壁上と基板３００の上部表面上に配置される。この構成は、エピタキシャル成長に適する、露出された結晶質表面（即ち、開口の底部分の露出された基板材料）と誘電材料で裏打ちされた開口を提供し、開口に形成された格子不整合の結晶質材料でARTによって欠陥を捕獲するのに適する。続いて、格子不整合材料３３０は、開口に形成され、上述の太陽電池構造を形成するように用いることができる。
【００９７】
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とする。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１ａ】
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【図２１ｂ】
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【図２１ｃ】
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【図２１ｄ】
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【図２１ｅ】
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【図２１ｆ】
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【図２１ｇ】
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【図２１ｈ】
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【図２１ｉ】
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【図２１ｊ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５（ａ）】
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【図２５（ｂ）】
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【図２６（ａ）】
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【図２６（ｂ）】
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【図２６（ｃ）】
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【図２６（ｄ）】
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【図２６（ｅ）】
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【図２６（ｆ）】
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【国際調査報告】
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