CN106796965B - 半导体结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及半导体结构及其制造方法。该方法包括在第一元件的主表面上形成至少基本上由第一III‑V材料构成的第一接合层，以及在第二元件的主表面上形成至少基本上由第二III‑V材料构成的第二接合层。第一接合层和第二接合层设置在第一元件和第二元件之间，并且第一元件和第二元件在设置于第一接合层和第二接合层之间的接合界面处彼此附接。使用这种方法制造半导体结构。

Description

半导体结构及其制造方法
技术领域
本公开的实施方式涉及制造半导体结构的方法，并且更特别地涉及在诸如多结光伏电池的半导体结构的制造期间用于将两个或更多个元件接合(bond)在一起的方法，以及使用这种方法形成的诸如多结光伏电池的半导体结构。
背景技术
太阳能是可以提供电能来源的丰富的资源。收集并利用太阳能的一种方法是通过光伏(PV)电池，其将太阳能直接转换成电能。能量的转换可以由半导体材料中的n型和p型导电区域制造的pn结二极管提供。这种pn结二极管产生当在半导体材料中形成电子-空穴对时所产生的光电流。作为对电磁辐射的光子照射在光伏电池上并且在光伏电池内被吸收的响应，形成这些电子-空穴对。
由半导体材料吸收的能量取决于其特征带隙能量。半导体材料的带隙能量可以定义为将外壳电子从其围绕核的轨道释放至自由状态所需的能量的量。在半导体材料中，将电子从价带激发至导带所需的能量基于两个电子状态之间的能量差而不同。不同的材料具有不同的特征带隙能量。带隙工程是控制材料的带隙能量的过程。用于光伏电池(PVs)中的传统硅基半导体材料具有大约1.1eV的带隙能量，这仅覆盖了太阳电磁辐射光谱的一小部分(例如，从约0.4eV至4.0eV)。
具有低于半导体材料的带隙能量的能量的电磁辐射的光子将不被吸收并转换为电能。具有高于带隙能量的能量的光子可以被吸收，但是所产生的电子-空穴对可以以热能(也即热)的形式快速地失去它们高于带隙能量的多余能量。因此，该多余能量不可用于转换为电能。
为了最大化光伏电池中的能量的吸收和转换，已经开发了多结(MJ)光伏器件。多结光伏器件由两个或多个子电池构成，每个子电池包括具有不同特征带隙能量的pn结二极管。因此，子电池中的每一个具有被设计为吸收太阳光谱内的不同波长的电磁辐射的带隙能量。因此，两个或多个子电池可以从太阳能光谱的不同部分吸收能量，导致更好地利用太阳能以及更高的运行效率。
多结光伏电池通常由在逐层沉积工艺中形成为垂直堆叠的两个或更多个子电池制造。每个子电池被设计成和相邻子电池相比吸收并转换太阳能光谱的不同部分。首先暴露于辐射能量的子电池通常具有最高的带隙能量，而位于第一子电池之下的子电池相应地具有较小的带隙能量。作为该布置的结果，在第一子电池中未被吸收的能量可以传输至多结光伏器件的另一下层子电池并且在其内转换为电子-空穴对，从而使得能够将更宽的太阳能光谱转换为电能。
然而，由于在不同材料的各层相互堆叠的顺序异质外延生长期间必须匹配子电池中的每一个的晶格，所以普通的多结光伏器件受到限制。相邻子电池的不同材料中的晶格之间的晶格失配可以导致降低光伏器件的效率的机械应变和晶格位错(也即，晶体结构中的缺陷)。结果，由于这种晶格匹配约束，可以用于典型的多结光伏电池中的材料受到限制。
为了克服由于在外延生长工艺期间多结光伏电池的两个或更多个子电池之间的晶格匹配问题而施加的限制，可以利用接合工艺。两个或更多个子电池接合在一起允许在可用于形成多结光伏电池的半导体材料的选择中的进一步的自由度。可以通过在不同衬底上形成两个或多个子电池并且随后通过接合工艺将两个或多个子电池彼此附接来克服晶格失配。
通常利用接合技术来执行两个或更多个元件的附接。这种接合技术包括通常被称为例如分子接合、熔合接合、金属接合、粘合剂接合、焊料接合、以及直接接合的许多方法。例如，参见Tong等人在Materials,Chemistry and Physics 37 101 1994的题为“Semiconductor wafer bonding:recent developments”以及Christiansen等人在Proceedings of the IEEE 94 12 2060 2006中题为“Wafer Direct Bonding:FromAdvanced Substrate Engineering to Future Applications in Micro/Nanoelectronics”的期刊出版物。
通常通过在待接合的元件中的至少一个元件的表面上形成一个或多个接合层来辅助元件彼此的接合。可以操纵接合层的表面化学性质以改善两个元件彼此的粘附性，使得两个元件可以以足够的结合能量附接以使得能够在接合的半导体结构上执行进一步的处理而无需过早分离。
接合层可以包括众多材料，包括例如，导体(例如，金属)、半导体和绝缘体。更常见的接合层之一包括硅酸盐，诸如例如二氧化硅，其中二氧化硅表面的表面化学性质可以包括能够产生高接合能量的硅烷醇(Si-OH)基团。然而，绝缘的接合层的使用可以防止在诸如构成多结光伏电池的子电池的接合的元件之间的电子的流动。因此，这种接合层可能不适合用于其中需要跨接合层的电传导的装置中。
两个接合的元件之间的电子的流动以及因此电流可以通过使用金属接合层来实现。已经使用诸如例如铜和金的许多不同的金属材料制造了金属接合层。然而，金属接合层的使用可以严重地限制光穿过接合的结构的传输，因为当金属层超过某一厚度时金属接合层可以基本上防止光传输。因此，当需要穿过接合的元件的光传输时，金属接合层可能是不合适的。
发明内容
提供该发明内容是为了以简化的形式介绍构思的选取。在以下本公开的示例性实施方式的详细描述中进一步详细地描述这些构思。该发明内容并不旨在识别要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
在一些实施方式中，本公开包括一种制造半导体结构的方法，其中形成至少基本上由第一III-V材料构成的第一接合层。第一接合层形成在第一元件的主表面上。形成至少基本上由第二III-V材料构成的第二接合层，并且第二接合层形成在第二元件的主表面上。用n型掺杂剂掺杂第一接合层和第二接合层中的至少一个，并且选择n型掺杂剂以包括硒和碲中的至少一个。第一接合层和第二接合层设置在第一元件和第二元件之间，并且在设置于所述第一接合层和所述第二接合层之间的接合界面处将所述第一元件和所述第二元件彼此附接。
在另外的实施方式中，本公开包括通过本文所述的方法制造的半导体结构和器件。例如，在一些实施方式中，本公开包括半导体结构，所述半导体结构具有在第一元件的主表面上至少基本上由第一III-V材料构成的第一接合层，以及在第二元件的主表面上至少基本上由第二III-V材料构成的第二接合层。第一接合层和第二接合层设置在第一元件和第二元件之间。第一接合层和第二接合层中的至少一个进一步包括至少一个n型掺杂剂，并且至少一个n型掺杂剂可以包括硒和碲中的至少一种。接合界面设置在第一接合层和第二接合层之间。
附图说明
图1是例示出了第一元件和第二元件的简化示意图，第一元件包括其上设置了第一接合层的主表面，以及第二元件包括其上设置了第二接合层的主表面。
图2例示出了通过使用第一接合层和第二接合层将第一元件和第二元件彼此附接所形成的半导体结构。
图3例示出了针对用于形成图2的半导体结构的示例性接合层的外量子效率和波长之间的关系。
图4是由图2的半导体结构制造的多结光伏电池的简化示意图。
具体实施方式
本文所提供的例示并非意味着任何特定光伏器件或其部件的实际视图，而仅仅是用于描述本公开的实施方式的理想化表示。
如本文所使用的，术语“III-V半导体材料”是指并且包括至少主要地由选自周期表IIIA族的一个或多个元素(B、Al、Ga、In以及Ti)以及选自周期表的VA族的一个或多个元素(N、P、As、Sb以及Bi)构成的任何半导体材料。例如，III-V半导体材料包括但不限于GaN、GaP、GaAs、InN、InP、InAs、AlN、AlP、AlAs、InGaN、InGaP、GaInN、InGaNP、GaInNAs等。
如本文所使用的，术语“外延”当与半导体材料的沉积或生长相关地使用时是指半导体材料在下层材料之上的生长，使得半导体的晶格取向为与在其上沉积或者生长半导体的下层材料的晶格共同取向。外延材料是外延生长或沉积的材料。
如本文所使用的，术语“假晶”当与半导体材料的沉积或生长相关地使用时是指半导体材料在下层材料之上的外延生长，使得所生长或沉积的半导体材料的面内晶格参数被限制为与半导体外延地沉积或生长在其上的下层材料的面内晶格参数匹配。假晶材料是假晶地、外延生长或沉积的材料。
如本文所使用的，术语“吸收边沿(absorption edge)”当与材料相关地使用时是指在其之上材料对电磁辐射的吸收在至少一个波长范围上小于10％的电磁辐射的波长。
根据本公开的实施方式，两个或更多个元件可以利用第一接合层和第二接合层彼此附接。两个或更多个元件中的每一个可以包括一个或更多个光伏子电池，并且在一些实施方式中，两个或更多个元件中的每一个可以包括包括两个或更多个子电池的串联的光伏电池。以下参照图1至图3描述这种接合方法的非限定性示例，以及参照图4描述可以用于制造多结光伏器件的方法的实施方式。
图1例示出了第一元件100和第二元件200，其中，第一元件100包括设置在第一元件100的主表面104之上的第一接合层102，以及其中，第二元件200包括设置在第二元件200的主表面204之上的第二接合层202。
第一元件100和第二元件200可以包括一个或更多个光伏子电池。第一元件100可以包括任意数量的子电池，其可以以逐层的方式形成。也应该注意的是，图1是简化示意图，并且子电池中的每一个可以包括多个层，诸如形成了一个或更多个p-n结的半导体材料的层。作为非限定性示例，一个或更多个子电池也可以包括抗反射层、隧道二极管层、背表面场层、旁路二极管层以及窗口层。在非限定性示例性实施方式中，第一元件100可以包括串联的太阳能电池，包括第一子电池106A和第二子电池106B。此外，第二元件200也可以包括串联的太阳能电池，包括第一子电池206A和第二子电池206B。
更特别地，第一元件100可以包括第一子电池106A，具有至少基本上由锗(Ge)构成(除了一个或多个掺杂剂的存在之外)的组分。锗可以具有大约0.67eV的带隙能量。Ge子电池106A包括一起形成了第一p-n结二极管的p-掺杂区域和n-掺杂区域。第一元件100可以包括第二子电池106B，具有至少基本上由具有大约1eV的带隙能量的氮砷化铟镓(InGaAsN)构成(除了一个或多个掺杂剂的存在之外)的材料组分。InGaAsN子电池106A包括一起形成了第二p-n结二极管的p-掺杂区域和n-掺杂区域。
第二元件200可以包括第一子电池206A，其具有至少基本上由砷化镓(GaAs)和砷化镓铟(InGaAs)中的至少一个构成(除了一个或多个掺杂剂之外)的组分。第一子电池206A的材料组分可以具有在大约1.4eV到大约1.5eV之间的带隙能量。第二元件200的第一子电池206A包括一起形成了第三p-n结二极管的p-掺杂区域和n-掺杂区域。第二元件200可以包括第二子电池206B，其具有至少基本上由具有大约1.9eV的带隙能量的磷化镓铟(InGaP)构成(除了一个或多个掺杂剂的存在之外)的组分，尽管精确的带隙能量将取决于InGaP的材料组分(即InGaP中In和Ga的相对原子百分比)。InGaP子电池206B也包括一起形成了第四p-n结二极管的p-掺杂区域和n-掺杂区域。
以上本文给出的非限定性示例用于例示在多结光伏单元的形成中有用的材料的可能配置和选择。第一元件100和第二元件200的每一个可以包括一个或更多个子电池，并且子电池可以包括除了上面本文所提到的那些材料之外的其他半导体材料。
第一元件100可以形成在具有生长表面110的第一生长衬底108上并包括该第一生长衬底108。类似地，第二元件200可以形成在具有生长表面210的第二生长衬底208上并包括该第二生长衬底208。例如，第一生长衬底108可以具有至少基本上由锗构成的材料组分，使得生长表面110是锗生长表面110。可以用于形成第一元件100的生长衬底108的另外的实施方式包括设计的合成衬底，诸如例如包括设置在蓝宝石上的Ge的衬底(GeOS)，其中Ge限定了生长表面100。
第二生长衬底208可以具有至少基本上由砷化镓(GaAs)构成的材料组分。可以用于形成第二元件200的生长衬底208的另外的实施方式包括设计(engineer)的合成衬底，诸如例如包括设置在蓝宝石上的GaAs的衬底(GaAsOS)，其中，GaAs限定了生长表面210，或者包括设置在蓝宝石上的Ge的衬底(GeOS)，其中，Ge限定了生长表面210。
第一元件100和第二元件200中的每一个的一个或更多个子电池可以由一个或多个沉积工艺(例如，物理气相沉积(PVD)工艺或化学气相沉积(CVD)工艺)形成。在一些实施方式中，一个或多个子电池由外延沉积工艺形成，诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺，卤化物气相外延(HVPE)工艺，原子层沉积(ALD)工艺，或这些工艺的组合。
继续参照图1，第一接合层102可以形成在第一元件100上。第一接合层102可以至少基本上由第一III-V材料构成，并且可以设置在第一元件100的主表面104上。换言之，第一元件100包括其上可以形成第一接合层102的主表面104。第一接合层102可以包括一个或多个III-V材料。作为非限定性示例，第一接合层102的第一III-V材料可以选择为至少基本上由磷化铟材料(INP)构成(除了掺杂剂存在之外)。
在一些实施方式中，第一接合层102可以外延生长在第一元件100的主表面104之上。此外，在一些实施方式中，第一接合层102可以使用假晶生长工艺而假晶地、外延生长在第一元件100之上，其中第一接合层102的晶格继承了第一元件100的主表面104的面内晶格参数，使得第一接合层102是假晶材料。
第二接合层202可以形成在第二元件200上。第二接合层202可以至少基本上由第二III-V材料构成，并且可以设置在第二元件200的主表面204上。换言之，第二元件200包括其上可以形成第二接合层202的主表面204。第二接合层202可以包括一个或更多个III-V材料。作为非限定性示例，第二接合层202的第二III-V材料可以选择为至少基本上由砷化镓材料(GaAs)和磷化铟镓材料(GaInP)中的至少一种构成(除了存在掺杂剂之外)。
在一些实施方式中，第二接合层202可以外延生长在第二元件200的主表面204之上。此外，在一些实施方式中，第二接合层202可以使用假晶生长工艺假晶地、外延生长在第二元件200之上，其中第二接合层202的晶格继承了第二元件200的主表面204的面内晶格参数，使得第二接合层202是假晶材料。
第一接合层102可以具有第一平均层厚度d1并且第二接合层202可以具有平均层厚度d2(如图1中所例示)。厚度d1和d2中的每一个可以为大于约10nm，大于150nm，或者甚至大于约1000nm。第一接合层102和第二接合层202中的每一个的组分可以在层的总的相应厚度d1和d2的至少大部分中至少基本上是恒定的。
接合层102、202中的每一个可选地也可以包括一种或多种掺杂剂。这样的掺杂剂可以在用于形成接合层102、202中的每一个的沉积工艺期间被结合，或者可选地，掺杂剂可以在接合层102、202的生长之后注入至接合层102、202中的每一个中。作为非限定性示例，第一接合层102和第二接合层202的一个或两个可以掺杂有n-型掺杂剂。
可以选择接合层102、202的n-型掺杂剂以包括硒(Se)和碲(Te)中的至少一种。当用于掺杂III-V材料时并且特别地当掺杂III-砷化物材料和III-磷化物材料时，Se和Te已被证明呈现表面活性剂性质。可以通过重掺杂第一接合层102和第二接合层202的每一个来增强Se和Te的表面活性剂行为。作为非限定性示例，可以以至少大约1.5×1019cm-3的掺杂浓度掺杂第一接合层102和第二接合层202中的至少一个。
由于许多原因，Te和Se在重掺杂水平下的表面活性剂行为可有利于形成多结光伏电池。例如，重Te和Se掺杂可以减小第一接合层102的接合表面112与第二接合层100的接合表面212中的每一个的原生的(as-grown)表面粗糙度。在本领域已知的接合工艺中，抛光工艺(例如化学机械抛光(CMP))用于实现成功接合工艺所需的低表面粗糙度。本文所给出的实施方式中，相对于先前已知的工艺，可以减少抛光工艺所需的时间，或者可以消除抛光工艺，因为重掺杂接合层102、202的表面活性剂性质可以导致具有适于后续接合工艺的原生的表面粗糙度的接合表面112、212。作为非限定性示例，第一接合层102和第二接合层202中的每一个的外延生长可以分别导致形成具有小于大约十(10)埃、小于大约五(5)埃、或甚至小于大约三(3)埃的均方根(rms)表面粗糙度的原生的接合表面112、212。
在形成第一接合层102和第二接合层202中的每一个之后，可以使用本领域已知的工艺清洁和/或激活接合层102、202。这样的激活工艺可以用于以促进接合工艺和/或导致在第一接合层102的接合表面112和第二接合层202的接合表面212之间形成更强接合的方式在接合表面112、212中的每一个处改变表面化学性质。
用Te和Se中的至少一种的接合层102、202的重掺杂也可以形成具有高度电激活的第一接合层102和第二接合层202中的每一个。例如在接合层102、202中的每一个中的施主浓度(Ndonor)可以为至少大约0.1×1019cm-3，至少大约0.5×1019cm-3，或甚至至少大约1×1019cm-3。在非限定性示例性实施方式中，可以形成第一接合层102和第二接合层202中的每一个以包括具有小于大约五(5)毫欧姆每平方厘米(5mΩ/cm2)、小于大约两(2)毫欧姆每平方厘米(2mΩ/cm2)、或甚至小于大约一毫欧姆每平方厘米(1mΩ/cm2)的电阻率的材料。第一接合层102和第二接合层202中的每一个的低的电阻率可以导致跨接合层102、202的相对低的电阻。
用Te和Se重掺杂接合层102、202可以提供由于接合层102、202中的每一个的吸收边沿对较低波长(也即较高吸收能量)的莫斯-布尔斯坦(Moss-Burstein)减小而产生的进一步优点。莫斯-布尔斯坦效应是这样的现象，其中随着作为靠近导带的所有能带状态被填充(populate)的结果吸收边沿被推至较低波长(较高能量)，半导体材料的表观带隙能量增加。对于简并电子分布，例如在一些重掺杂的简并半导体中发现的简并电子分布，这被观察到。因此，接合层102、202中的每一个的吸收边沿的掺杂诱导的莫斯-布尔斯坦减小可以使得接合层102、202中的每一个对于感兴趣的光子能量(也即电磁辐射的波长)更透明。
作为非限定性示例，由于本文如上所述的用Te和/或Se掺杂接合层102、202，第一接合层102和第二接合层202中的每一个的吸收边沿的波长可以减小至少大约二百五十(250)纳米、至少大约五百(500)纳米、或者至少大约七百五十(750)纳米。图3例示出了针对如本文所述的包括用硒重掺杂的磷化铟材料的接合层102、202的作为波长的函数的外量子效率(EQE)的曲线图，其在图3中由线142表示。
光伏电池的EQE定义为由光伏电池所收集的电荷载流子的数量与入射在光伏电池上的能量的光子的数量的比率。EQE所取决的参数之一是材料的吸收边沿，因此可以通过减小第一接合层102和第二接合层202中的每一个的吸收边沿来在给定波长范围内降低第一接合层102和第二接合层202的吸收。所获得的第一接合层102和第二接合层202的吸收的降低导致在第一接合层102和第二接合层202的EQE的相应增加。
未掺杂的磷化铟材料的吸收边沿大约是900纳米(例如约920nm)，如图3中垂直虚线150所示。未掺杂的磷化铟材料的带隙能量大约为1.35eV。用硒重掺杂的磷化铟材料的吸收边沿近似为500纳米(例如约480nm)，如图3中垂直虚线152所示。因此，重Se掺杂的磷化铟材料的吸收边沿152与未掺杂的磷化铟材料的吸收边沿150相比减小大约400纳米。
第一接合层102和第二接合层202中的每一个的吸收边沿的减小可以使得接合层102、202对于至少感兴趣的波长范围至少基本上是光学透明的，诸如用于通过可以是多结光伏电池的一部分的两个或更多个子电池106A、106B、206A、206B以及接合层102、202传输电磁辐射。例如，可以形成第一接合层102和第二接合层202中的每一个以包括对于具有例如在从大约七百五十(750)纳米延伸至大约九百二十(920)纳米、或者从大约八百四十(840)纳米延伸至大约九百二十(920)纳米范围内波长的电磁辐射至少基本上是透明的材料。
在第一元件100和第二元件200上分别形成接合层102、202之后，第一接合层102的接合表面112可以使用如以下进一步详述的接合工艺而与第二接合层202的接合表面212接触并接合。
图2例示出了包括通过第一接合层102和第二接合层202彼此附接(attach)的第一元件100和第二元件200的半导体结构300。为了将第一元件100附接至第二元件200，第一接合层102和第二接合层202可以设置在第一元件100和第二元件200之间并且在设置于第一接合层102和第二接合层202之间的接合界面302处将第一元件100和第二元件200彼此附接。
可以使用多种方法中的任意一种来获得利用接合层102、202中的每一个将第一元件100附接到第二元件200。作为非限定性示例，可以通过直接接合工艺、诸如分子接合工艺、热压接合工艺或非热压接合工艺(也即不使用胶、蜡、焊料等的接合)而将第一元件100接合至第二元件200。例如，接合操作可以要求接合表面112、212中的每一个充分平滑并且没有颗粒和污染物，以及表面112、212充分相互靠近以允许在它们之间发起的接触(通常在小于5nm的距离下)。当开始如此接近时，接合表面112和接合表面212之间的吸引力可以足够高以引起直接接合(由待接合的两个接合表面112、212的原子或分子之间的电子相互作用产生的所有吸引力(例如范德华力)所诱导的接合)。
直接接合工艺的发起通常通过施加局部压力来实现，例如在与另一元件紧密接触的元件上使用触针以便于触发接合波从发起点的接合传播。术语“接合波”是指所形成的直接接合的前部从发起点传播并且对应于吸引力从发起点传播到第一接合层102和第二接合层202之间的紧密接触的整个界面上。因此，第一元件100可以使用直接接合工艺而接合至第二元件200，其中在第一接合层102和第二接合层202之间形成接合界面，接合界面302包括直接接合界面。然而，应该注意的是，由于直接接合工艺的本质，可能相对困难或无法识别在第一接合层102和第二接合层202之间的直接接合界面，并且直接接合界面302定义为第一接合表面112和第二接合表面212沿着其被设置并且第一接合表面112和第二接合表面212通过直接接合工艺跨其而接合在一起的平面。
可选地，可以使用退火工艺来增强在接合界面302处第一接合层102和第二接合层202之间的接合。这种退火工艺可以包括例如在合适的炉中加热半导体结构300至在约一百摄氏度(100℃)到约一千摄氏度(1000℃)之间的温度，持续约2分钟(2分钟)到约15小时(15小时)的时间。
在第一元件100附接至第二元件200之后，可以进一步处理半导体结构300以产生如图4中所示的多结光伏电池400。可选地，可以移除第一生长衬底108(图2)以便暴露第一元件100的背面114，并且可选地可以移除第二生长衬底208(图2)以便于暴露第二元件200的背面214。可以使用例如研磨工艺、激光剥离工艺、抛光工艺、和化学(湿法或干法)刻蚀工艺(例如化学机械抛光(CMP)工艺)中的一种或更多种分别从第一元件100和第二元件200移除生长衬底108、208。
在移除了第二生长衬底208之后，可以处理第二元件200的暴露的背面214以增大背面214的表面粗糙度。背面100的粗糙化可以形成多个纹理化特征(例如凹陷和/或突起)并且提供获得的背面214的形貌。
可以使用各种技术来粗糙化背面214并且形成纹理化特征。借由示例而非限制，可以通过化学刻蚀工艺和机械粗糙化工艺中的至少一个来处理背面214以增大第二元件200的背面214的表面粗糙度。在一些实施方式中，研磨工艺可以用于粗糙化背面214并且在背面214中或上形成包括凹陷和/或突起的纹理化特征。在一些实施方式中，化学机械抛光(CMP)工艺可以用于粗糙化背面214并且在背面214中或上形成包括凹陷和/或突起的纹理化特征。在其他实施方式中，化学刻蚀工艺可以用于粗糙化背面214并且在背面214中或上形成包括凹陷和/或突起的纹理化特征。这种化学刻蚀工艺可以采用湿法化学刻蚀剂和干法等离子体刻蚀剂中的一种或两种。
在一些实施方式中，可以使用光刻掩模和刻蚀工艺来粗糙化背面214。在这样的实施方式中，掩模层可以沉积在第二元件200的暴露的背面214上方并且选择性地被图案化以在期望刻蚀到背面214中的位置处穿过掩模层形成孔，以形成孔和/或突起。在形成了图案化的掩模层之后，可以使用例如湿法刻蚀工艺或干法反应离子刻蚀工艺刻蚀通过图案化掩模层所暴露的背面214的区域，从而以选择在背面214处限定凹陷和/或突起的方式移除第二元件200的背面的区域。在第二元件200的背面214处限定的凹陷和/或突起的形状可以至少部分地为在图案化的掩模层中的孔的形状以及用于通过图案化的掩模层刻蚀第二元件200的刻蚀工艺的类型(例如各向同性或各向异性)的函数。在刻蚀工艺之后，可以移除图案化的掩模层。这种掩模和刻蚀工艺可以用于在第二元件200的背面214上以预定和所选择的尺寸以及在预定和所选择的位置处形成凹陷和/或突起。
继续参照图4，本公开的方法可以进一步包括形成第一电极402和第二电极404，响应于照射在多结光伏电池400上的电磁辐射406的吸收而在两个电极之间产生电压。为了形成第一电极402，一个或多个导电材料可以提供在第二元件200的粗糙化的背面214上。例如，导电材料可以沉积或以其它方式设置在粗糙化的背面214上以在导电金属和第二元件200之间提供欧姆接触。第一电极402的导电金属可以包括例如钨(W)、铜(Cu)、钽(Ta)、钛(Ti)、银(Ag)、钼(Mo)、或者包括一种或多种这样的元素的合金或混合物。在一些实施方式中，导电金属可以包括包括不同金属组分的层的金属的多层堆叠。可以使用化学气相沉积(CVD)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺、溅射工艺、无电电镀沉积工艺、和电解电镀沉积工艺中的一种或多种在背面214上沉积导电金属。
如图4中所示，可以完成第一电极402和第二电极404的制造。可选地，如果例如其导电金属并不足够厚以允许结构的处理，导电衬底(未示出)(例如处理衬底)可以接合至第一电极402的导电金属。导电衬底可以包括例如诸如钨(W)、铜(Cu)、钽(Ta)、钛(Ti)、银(Ag)、钼(Mo)的金属，或者包括这些元素中的一种或更多种的合金或混合物。导电衬底可以使用例如如本文先前所描述的直接接合工艺而接合至第一电极402的导电金属。可选地，可以在导电衬底的位于与第一电极402的导电金属相反的(opposite)一侧的表面之上沉积附加的接触金属层。在这些实施方式中，导电金属、导电衬底、以及接触金属一起可以限定第一电极402。
继续参照图4，可以在第一元件100的与第一电极402相反的一侧上在第一元件100之上(以及在任意可选的附加的层之上)制造第二电极404。第二电极404可以形成为非连续的以限定至少一个孔408，电磁辐射406可以穿过该至少一个孔并且进入在多结光伏电池400内的有源区(靠近p-n结)。可选地，可以形成抗反射(AR)涂层，至少在第二电极404中的任意孔408内延伸在第一元件100之上。
本文所述的实施方式涉及两个元件的彼此附接，然而，实施方式也可以包括包括两个或更多个元件(例如三个、四个或五个分离的元件)的多种接合工艺。多种接合工艺可以用于形成相互叠置的多个子电池，使得多个子电池中的每一个适于在相对宽的太阳电磁辐射光谱的范围上从电磁辐射吸收能量。
以下阐述本公开的实施方式的另外的非限定性示例。
实施方式1：一种制造半导体结构的方法，所述方法包括以下步骤：在第一元件的主表面上形成至少基本上由第一III-V材料构成的第一接合层；在第二元件的主表面上形成至少基本上由第二III-V材料构成的第二接合层；用n-型掺杂剂掺杂第一接合层和第二接合层中的至少一个，并且选择n-型掺杂剂以包括硒和碲中的至少一种；在第一元件和第二元件之间布置第一接合层和第二接合层；以及在设置于第一接合层和第二接合层之间的接合界面处将第一元件和第二元件彼此附接。
实施方式2：根据实施方式1所述的方法，所述方法进一步包括选择第一III-V材料以包括磷化铟材料。
实施方式3：根据实施方式1或实施方式2所述的方法，所述方法进一步包括选择第二III-V材料以包括砷化镓材料和磷化铟镓材料中的至少一个。
实施方式4：根据实施方式1至3中的任一项所述的方法，其中将第一元件和第二元件彼此附接包括直接接合工艺。
实施方式5：根据实施方式1至4中的任一项所述的方法，进一步包括以至少大约1.5×1019cm-3的掺杂浓度掺杂第一接合层和第二接合层中的至少一个。
实施方式6：根据实施方式1至5中的任一项所述的方法，其中，形成第一接合层和第二接合层中的每一个进一步包括外延生长第一接合层和第二接合层。
实施方式7：根据实施方式6所述的方法，其中外延生长第一接合层和第二接合层进一步包括，外延生长具有小于5埃的原生的表面均方根(rms)粗糙度中的至少一个接合表面。
实施方式8：根据实施方式1至7中的任一项所述的方法，其中，用n-型掺杂剂掺杂第一接合层和第二接合层中的至少一个将第一接合层和第二接合层中的至少一个的吸收边沿的波长减小至少大约两百(200)纳米。
实施方式9：根据实施方式1至8中的任一项所述的方法，进一步包括选择第一元件和第二元件中的至少一个以包括串联太阳能电池。
实施方式10：根据实施方式1至9中的任一项所述的方法，进一步包括假晶地外延生长第一接合层和第二接合层中的至少一个。
实施方式11：根据实施方式1至10中的任一项所述的方法，其中，形成第一接合层和形成第二接合层的每一个包括形成具有小于大约1mΩcm2的电阻的材料。
实施方式12：根据实施方式1至11中的任一项所述的方法，其中，形成第一接合层和形成第二接合层中的每一个包括形成对于在大约750nm到大约920nm之间的波长至少基本上透明的材料。
实施方式13：根据实施方式1至12中的任一项所述的方法，进一步包括由半导体结构制造多结光伏器件。
实施方式14：一种半导体结构，所述半导体结构包括：第一接合层，所述第一接合层在第一元件的主表面上至少基本上由第一III-V材料构成；第二接合层，所述第二接合层在第二元件的主表面上至少基本上由第二III-V材料构成；其中，第一接合层和第二接合层设置在第一元件和第二元件之间；其中，第一接合层和第二接合层中的至少一个进一步包括至少一个n-型掺杂剂，其中，至少一个n-型掺杂剂包括硒和碲中的至少一种；以及接合界面，所述接合界面设置在第一接合层和第二接合层之间。
实施方式15：根据实施方式14所述的结构，其中，第一III-V材料包括磷化铟材料。
实施方式16：根据实施方式14或实施方式15所述的结构，其中，第二III-V材料包括砷化镓材料和磷化铟镓材料中的至少一种。
实施方式17：根据实施方式14至16中的任一项所述的结构，其中，接合界面包括直接接合界面。
实施方式18：根据实施方式14至17中的任一项所述的结构，其中，第一接合层和第二接合层中的至少一个包括至少大约1.5×1019cm-3的掺杂剂浓度的至少一种掺杂剂。
实施方式19：根据实施方式14至18中的任一项所述的结构，其中，第一接合层和第二接合层中的每一个包括外延生长的材料。
实施方式20：根据实施方式19所述的结构，其中，外延生长的材料进一步包括具有小于0.5纳米的原生的表面均方根(rms)粗糙度的至少一个接合表面。
实施方式21：根据实施方式19或实施方式20所述的结构，其中，外延生长的材料包括假晶材料。
实施方式22：根据实施方式14至21中的任一项所述的结构，其中，第一接合层和第二接合层中的每一个包括大约两百(200)纳米或更小的吸收边沿波长。
实施方式23：根据实施方式14至22中的任一项所述的结构，其中，第一元件和第二元件中的至少一个包括串联太阳能电池。
实施方式24：根据实施方式14至23中的任一项所述的结构，其中，第一接合层和第二接合层的每一个包括具有小于大约1mΩcm-2的电阻的材料。
实施方式25：根据实施方式14至24中的任一项所述的结构，其中，第一接合层和第二接合层的每一个包括对于在大约750nm到大约920nm之间的波长至少基本上是透明的材料。
实施方式26：根据实施方式14至25中的任一项所述的结构，进一步包括在第一元件的表面之上的第一电极层以及在第二元件的表面之上的第二电极层。
如上所述的本公开的示例性实施方式并未限制本发明的范围，因为这些实施方式仅是本发明的实施方式的示例，其由所附权利要求及其法律等同物的范围限定。任何等同的实施方式旨在位于本发明的范围内。事实上，除了本文所示和所述的那些之外，对于本领域技术人员来说，本公开的各种修改(诸如所述元件的替代有用组合)从描述中将变得显而易见。这样的修改和实施方式也旨在落入所附权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种制造半导体结构的方法，所述方法包括以下步骤：
在第一元件的主表面上外延生长至少由第一III-V材料构成的第一接合层；
在第二元件的主表面上外延生长至少由第二III-V材料构成的第二接合层；
以至少1.5×1019cm-3的掺杂浓度用n-型掺杂剂掺杂所述第一接合层和所述第二接合层中的至少一个，并且将所述n-型掺杂剂选择为包括硒和碲中的至少一种；
在所述第一元件和所述第二元件之间设置所述第一接合层和所述第二接合层；以及
在设置于所述第一接合层和所述第二接合层之间的接合界面处，将所述第一元件和所述第二元件彼此附接；
其中，外延生长所述第一接合层和所述第二接合层进一步包括：外延生长具有小于5埃的原生的表面均方根粗糙度的至少一个接合表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括将所述第一III-V材料选择为包括磷化铟材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括将所述第二III-V材料选择为包括砷化镓材料和磷化铟镓材料中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，用n-型掺杂剂掺杂所述第一接合层和所述第二接合层中的至少一个的步骤使所述第一接合层和所述第二接合层中的所述至少一个的吸收边沿的波长减小至少两百纳米。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括将所述第一元件和所述第二元件中的至少一个选择为包括串联太阳能电池。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述第一接合层和形成所述第二接合层中的每一个包括形成具有小于1mΩcm2的电阻的材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述第一接合层和形成所述第二接合层中的每一个包括形成对于在750nm到920nm之间的波长至少透明的材料。
8.一种半导体结构，所述半导体结构包括：
第一接合层，所述第一接合层在第一元件的主表面上至少由外延生长的第一III-V材料构成；
第二接合层，所述第二接合层在第二元件的主表面上至少由外延生长的第二III-V材料构成；
其中，所述第一接合层和所述第二接合层设置在所述第一元件和所述第二元件之间；
其中，所述第一接合层和所述第二接合层中的至少一个进一步包括具有至少1.5×1019cm-3的掺杂浓度的至少一种n-型掺杂剂，其中，所述至少一种n-型掺杂剂包括硒和碲中的至少一种；以及
接合界面，所述接合界面设置在所述第一接合层和所述第二接合层之间；
其中，外延生长的材料进一步包括具有小于0.5纳米的原生的表面均方根粗糙度的至少一个接合表面。
9.根据权利要求8所述的半导体结构，其中，所述第一III-V材料包括磷化铟材料。
10.根据权利要求8所述的半导体结构，其中，所述第二III-V材料包括砷化镓材料和磷化铟镓材料中的至少一种。
11.根据权利要求8所述的半导体结构，所述第一接合层和所述第二接合层中的所述至少一个的吸收边沿的波长为两百纳米或更少。
12.根据权利要求8所述的半导体结构，其中，所述第一元件和所述第二元件中的至少一个包括串联太阳能电池。
13.根据权利要求8所述的半导体结构，其中，所述第一接合层和所述第二接合层中的每一个包括具有小于1mΩcm2的电阻的材料。
14.根据权利要求8所述的半导体结构，其中，所述第一接合层和所述第二接合层中的每一个包括对于在750nm到920nm之间的波长至少透明的材料。
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