DE112014001192T5 - Photoaktive Bauelemente mit aktiven Schichten mit kleiner Bandlücke, gestaltet für verbesserten Wirkungsgrad, und zugehörige Verfahren - Google Patents

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Abstract

Photoaktive Bauelemente umfassen einen aktiven Bereich, der zwischen ersten und zweiten Elektroden angeordnet und gestaltet ist, Strahlung zu absorbieren und eine Spannung zwischen den Elektroden zu erzeugen. Der aktive Bereich umfasst eine aktive Schicht, die ein Halbleitermaterial umfasst, das eine relativ kleine Bandlücke aufweist. Die aktive Schicht weist eine vordere Fläche, durch die Strahlung in die aktive Schicht eintritt, und eine relativ rauere hintere Fläche auf einer der aktiven Schicht gegenüberliegenden Seite auf. Verfahren zur Herstellung photoaktiver Bauelemente umfassen das Ausbilden solch eines aktiven Bereichs und solcher Elektroden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf photoaktive Bauelemente und auf Verfahren zur Herstellung photoaktiver Bauelemente.
  • Hintergrund
  • Photoaktive Bauelemente sind
  • Halbleiterbauelemente, die Halleitermaterial nutzen, um elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie umzuwandeln oder um elektrische Energie in elektromagnetische Strahlung umzuwandeln. Photoaktive Bauelemente umfassen zum Beispiel photovoltaische Zellen, Photosensoren, Leuchtdioden und Laserdioden.
  • Photovoltaische Zellen (in der Technik auch als ”Solarzellen” oder ”Photozellen” bezeichnet) werden dazu benutzt, Energie aus Licht (z. B. Sonnenlicht) in elektrischen Strom umzuwandeln. Photovoltaische Zellen umfassen im Allgemeinen einen oder mehrere pn-Übergänge und können unter Verwendung herkömmlicher Halbleitermaterialien, wie etwa Silizium, Germanium und III-V-Halbleiter-Materialien hergestellt werden. Photonen aus auftreffender elektromagnetischer Strahlung (z. B. Licht) werden von dem Halbleitermaterial in der Nähe des pn-Übergangs absorbiert, was zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren führt. Die durch die auftreffende Strahlung erzeugten Elektronen und Löcher werden durch ein eingebautes elektrisches Feld über dem pn-Übergang in entgegengesetzte Richtungen getrieben, was zu einer Spannung zwischen dem n-Bereich und dem p-Bereich auf gegenüberliegenden Seiten des pn-Übergangs führt. Diese Spannung kann dazu benutzt werden, elektrischen Strom zu erzeugen. Defekte in den Kristallgittern der Halbleitermaterialien an den pn-Übergängen sehen Stellen vor, an denen Elektronen und Löcher, die zuvor durch Absorption von Strahlung erzeugt wurden, rekombinieren können, wodurch die Effizienz, mit der die Strahlung durch die photovoltaischen Zellen in elektrischen Strom umgewandelt wird, verringert wird.
  • Die Photonen der elektromagnetischen Strahlung, die auf eine photovoltaische Zelle auftreffen, müssen eine ausreichende Energie aufweisen, um die Bandlücken-Energie des Halbleitermaterials zu überwinden, um ein Elektron-Loch-Paar zu erzeugen. Somit ist die Effizienz der photovoltaischen Zelle abhängig von dem Prozentsatz der auftreffenden Photonen, die eine Energie aufweisen, die der Bandlücken-Energie des Halbleitermaterials entspricht. Anders ausgedrückt ist die Effizienz der photovoltaischen Zelle mindestens teilweise abhängig von dem Zusammenhang zwischen der Wellenlänge oder den Wellenlängen der Strahlung, die auf die photovoltaische Zelle auftrifft, und der Bandlücken-Energie des Halbleitermaterials. Sonnenlicht wird über einen Bereich von Wellenlängen ausgesendet. Als Folge davon wurden photovoltaische Zellen entwickelt, die mehr als einen pn-Übergang umfassen, wobei jeder Übergang Halbleitermaterial enthält, das eine unterschiedliche Bandlücken-Energie aufweist, so dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen erfasst und die Effizienz der photovoltaischen Zellen erhöht wird. Derartige photovoltaische Zellen werden als ”Tandem-Solarzellen” oder ”MJ”-Solarzellen bezeichnet.
  • Somit kann die Effizienz einer Tandem-Solarzelle erhöht werden, indem man Halbleitermaterialien an den pn-Übergängen so auswählt, dass sie Bandlücken-Energien aufweisen, die mit den Wellenlängen des Lichtes abgeglichen sind, die den Wellenlängen der höchsten Intensität des von den photovoltaischen Zellen zu absorbierenden Lichtes entsprechen und indem die Konzentration von Defekten in den Kristallgittern der Halbleitermaterialien an den pn-Übergängen verringert wird. Eine Möglichkeit, die Konzentration von Defekten in den Kristallgittern der Halbleitermaterialien zu verringern, ist es, Halbleitermaterialien zu verwenden, die Gitterkonstanten und thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die eng aneinander angepasst sind.
  • Bisher bekannte Tandem-Solarzellen sind relativ ineffizient bei der Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von ungefähr 1550 nm bis ungefähr 1800 nm. Zum Beispiel ist es bekannt, einen pn-Übergang in einer Germanium-(Ge)-Zelle in einer Tandem-Solarzelle zu verwenden. Wie zum Beispiel in M. Yamaguchi et al., Multi-junction III-V solar cells: current status and future potential, Solar Energy 79, Seite 78–85 (2005) und D. Aiken et al., Temperature Dependent Spectral Response Measurements for III–V Multi-Junction Solar Cells, Emcore Photovoltaics, 10420 Research Rd. SE, Albuquerque, NM 87123 offenbart, fällt der externe Quantenwirkungsgrad einer solchen Tandem-Solarzelle für Wellenlängen, die länger sind als ungefähr 1650 nm. Ohne an eine spezielle Theorie gebunden zu sein, wird aktuell davon ausgegangen, dass dieser Abfall des externen Quantenwirkungsgrads wenigstens teilweise durch die Tatsache bedingt ist, dass eine optische Kopplung zwischen den Photonen solcher Strahlungswellenlängen und Elektronen im Ge-Kristallgitter in der Ge-Zelle einen indirekten elektronischen Übergang zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband zur Folge hat. Zusätzlich zu dem Photon und dem Elektron erfordert der optische Kopplungsprozess ein Phonon zur Impulserhaltung. Da das Phonon zur Impulserhaltung erforderlich ist, führt der Prozess des indirekten elektronischen Übergangs zu einem geringen optischen Absorptionskoeffizienten für Photonen, die Wellenlängen aufweisen, die größer sind als ungefähr 1650 nm, und es ist wahrscheinlich, dass solche Photonen nur absorbiert werden, nachdem sie eine ausreichende Dicke von Ge durchlaufen haben.
  • Außerdem umfassen bisher bekannte Ge-Solarzellen oft Ge, das auf stark dotiertem p-Typ-Substrat ausgebildet ist. Als Folge davon ist die Diffusionslänge der Minoritätsträger (Elektronen) im Ge kürzer als die tatsächliche physikalische Dicke der Ge-Schicht, in der der pn-Übergang ausgebildet ist. Als Folge davon erzeugen die meisten Photonen, die eine Wellenlänge aufweisen, die größer ist als ungefähr 1650 nm keine Elektronen, die eine ausreichende Entfernung zu einer Elektrode diffundieren können, bevor sie unerwünscht mit einem Elektronen-Loch rekombinieren, und können somit nicht zum Photostrom der photovoltaischen Zelle beitragen.
  • Zusammenfassung
  • Diese Zusammenfassung ist vorgesehen, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorzustellen. Diese Konzepte werden in der genauen Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Offenbarung nachstehend näher beschrieben. Diese Zusammenfassung hat nicht die Absicht, entscheidende Eigenschaften oder wesentliche Besonderheiten des beanspruchten Gegenstandes der Erfindung festzulegen, noch ist beabsichtigt, dass sie dazu verwendet wird, den Umfang des beanspruchten Gegenstandes einzuschränken.
  • In manchen Ausführungsformen umfasst die vorliegende Offenbarung photoaktive Bauelemente, die eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und einen aktiven Bereich umfassen, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Der aktive Bereich ist gestaltet, Strahlung zu absorbieren, die auf den aktiven Bereich auftrifft, und als Reaktion auf die Absorption von Strahlung eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zu erzeugen. Der aktive Bereich umfasst mindestens eine aktive Schicht, die ein Halbleitermaterial umfasst, das eine Bandlücke zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 2,10 eV aufweist. Die mindestens eine aktive Schicht weist eine vordere Fläche auf, durch die im Betrieb des photoaktiven Bauelementes Strahlung in die mindestens eine aktive Schicht eintritt, und eine hintere Fläche auf einer der vorderen Fläche der mindestens einen aktiven Schicht gegenüberliegenden Seite. Die hintere Fläche der mindestens einen aktiven Schicht weist eine Oberflächen-Rauheit auf, die größer ist als eine Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche.
  • In zusätzlichen Ausführungsformen umfasst die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung photoaktiver Bauelemente. Gemäß solcher Verfahren kann der aktive Bereich ausgebildet und gestaltet sein, Strahlung zu absorbieren, die auf den aktiven Bereich auftrifft und als Reaktion auf die Absorption von Strahlung eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zu erzeugen. Der aktive Bereich des photoaktiven Bauelementes kann ausgebildet sein, mindestens eine aktive Schicht zu umfassen, die ein Halbleitermaterial umfasst, das eine Bandlücke zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 2,10 eV aufweist. Die mindestens eine aktive Schicht kann ausgebildet sein, eine vordere Fläche aufzuweisen, durch die im Betrieb des photoaktiven Bauelementes Strahlung in die mindestens eine aktive Schicht eintritt, und eine hintere Fläche auf einer der vorderen Fläche der mindestens einen aktiven Schicht gegenüberliegenden Seite. Die hintere Fläche kann ausgebildet sein, eine Oberflächen-Rauheit aufzuweisen, die größer ist als eine Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche. Die Verfahren umfassen ferner das Ausbilden der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, zwischen denen als Reaktion auf die Absorption von Strahlung, die auf den aktiven Bereich auftrifft, eine Spannung erzeugt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer teilweisen Schnittansicht einer photovoltaischen Zelle mit einem Vierfach-Übergang, die eine aktive Schicht in einer Zelle umfasst, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine aufgeraute hintere Fläche aufweist.
  • 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der photovoltaischen Zelle mit Vierfach-Übergang aus 1 und veranschaulicht die aktive Schicht mit der aufgerauten hinteren Fläche.
  • 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 2, der die aufgeraute hintere Fläche der aktiven Schicht veranschaulicht.
  • 4 veranschaulicht eine andere aufgeraute hintere Fläche einer aktiven Schicht, die in zusätzlichen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann.
  • Die 5 bis 16 sind vereinfachte Querschnitts-Seitenansichten von Strukturen, die Ausführungsformen von Verfahren der vorliegenden Offenbarung schematisch veranschaulichen, die dazu benutzt werden können, photoaktive Bauelemente wie hier beschrieben herzustellen.
  • 5 zeigt die Implantation von Ionen in eine Donator-Struktur, die ein Halbleitermaterial umfasst.
  • 6 veranschaulicht die Struktur von 5, die direkt mit der Oberfläche eines ersten Substrates verbunden ist.
  • 7 veranschaulicht eine Struktur, die ausgebildet wurde, indem die Donator-Struktur, wie in 6 gezeigt, entlang einer Ionenimplantations-Ebene gespalten wurde, um eine Schicht aus Halbleitermaterial von der Donator-Struktur zum ersten Substrat zu übertragen.
  • 8 veranschaulicht die Herstellung einer aktiven Schicht, die Germanium (Ge) mit einem pn-Übergang darin auf dem ersten Substrat umfasst.
  • 9 veranschaulicht ein photoaktives Bauelement mit mehreren Übergängen, das ausgebildet wurde, indem zusätzliche aktive Schichten auf der Ge umfassenden aktiven Schicht, wie in 8 gezeigt, hergestellt wurden.
  • 10 veranschaulicht ein zweites Substrat, das auf dem photoaktiven Bauelement in 9 auf einer Seite davon angebracht ist, die dem ersten Substrat gegenüberliegt.
  • 11 veranschaulicht eine Struktur, die ausgebildet wurde, indem das erste Substrat von der Struktur von 10 entfernt wurde, um eine hintere Fläche einer aktiven Schicht freizulegen (und veranschaulicht die Struktur, die bezüglich der Perspektive von 11 umgekehrt ist).
  • 12 veranschaulicht eine Struktur, die ausgebildet wurde, indem die freigelegte hintere Fläche der aktiven Schicht von 11 aufgeraut, und anschließend eine Schicht aus elektrisch leitendem Material auf der aufgerauten hinteren Fläche abgeschieden wurde.
  • 13 veranschaulicht eine Struktur, die ausgebildet wurde, indem die Schicht aus elektrisch leitendem Material auf der in 12 gezeigten aufgerauten hinteren Fläche verdickt wurde.
  • 14 veranschaulicht ein photoaktives Bauelement mit mehreren Übergängen, das aus der Struktur in 13 ausgebildet sein kann, indem das Ausbilden einer ersten Elektrode über der verdickten elektrisch leitenden Schicht, Entfernen des zweiten Substrats und Vorsehen einer zweiten Elektrode auf einer der ersten Elektrode gegenüberliegenden Seite eines aktiven Bereichs des photoaktiven Bauelementes mit mehreren Übergängen fertiggestellt wurde.
  • 15 veranschaulicht eine erste Mehrschicht-Struktur, die ausgebildet wurde, indem zusätzliche Schichten eines aktiven Bereichs auf der in 8 gezeigten Struktur ausgebildet wurden.
  • 16 veranschaulicht eine zweite Mehrschicht-Struktur, die ausgebildet wurde, indem mehrere Schichten eines aktiven Bereichs auf einem zweiten Substrat ausgebildet wurden.
  • 17 veranschaulicht die Mehrschicht-Struktur von 15, die direkt mit der Oberfläche der Mehrschicht-Struktur von 16 verbunden ist, um eine Struktur wie die in 10 gezeigte auszubilden.
  • Genaue Beschreibung
  • Die hier gezeigten Darstellungen sind nicht als tatsächliche Ansichten irgendwelcher spezieller photoaktiver Bauelemente oder Komponenten davon gedacht, sondern sind lediglich idealisierte Darstellungen, die dazu benutzt werden, Ausführungsformen der Offenbarung zu beschreiben.
  • Wie hier verwendet, bedeutet und umfasst der Begriff ”III-V-Halbleiter-Material” jedes Halbleitermaterial, das mindestens überwiegend aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe IIIA des Periodensystems (B, Al, Ga, In, und Ti) und einem oder mehreren Elementen der Gruppe VA des Periodensystems (N, P, As, Sb, und Bi) besteht. Zum Beispiel umfassen III-V-Halbleiter-Materialien GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs, AlN, AlP, AlAs, InGaN, InGaP, GaInN, InGaNP, GaInNAs, usw., sind aber nicht darauf beschränkt.
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen photoaktive Bauelemente einen aktiven Bereich, der zwischen Elektroden angeordnet ist, wobei der aktive Bereich eine aktive Schicht umfasst, die ein Halbleitermaterial umfasst, das eine Bandlücke zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 2,10 eV und in einigen Ausführungsformen zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 1,20 eV oder sogar zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 1,20 eV aufweist. Die aktive Schicht mit einer solchen Bandlücke kann auch eine hintere Fläche aufweisen, die eine Oberflächen-Rauheit aufweist, die größer ist als eine Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche der aktiven Schicht. Nicht einschränkende Beispiele solcher photoaktiver Bauelemente werden nachstehend mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben, und Ausführungsformen von Verfahren, die benutzt werden können, solche photoaktiven Bauelemente herzustellen, werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 5 bis 16 beschrieben.
  • 1 veranschaulicht ein photoaktives Bauelement 100, das unter Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausgebildet werden kann. Das photoaktive Bauelement 100 in 1 umfasst eine photovoltaische Zelle (z. B. eine Solarzelle), die gestaltet ist, als Reaktion auf die Absorption von elektromagnetischer Strahlung (z. B. Sonnenlicht), die auf das photoaktive Bauelement 100 auftrifft, eine Spannung zu erzeugen. Mit anderen Worten ist das photoaktive Bauelement 100 gestaltet, elektromagnetische Strahlung 102 (z. B. Licht), die auf das photoaktive Bauelement 100 auftrifft, in elektrischen Strom umzuwandeln. Das photoaktive Bauelement 100 in 1 ist ein photoaktives Bauelement 100 mit mehreren Übergängen und umfasst einen aktiven Bereich 103, der eine erste aktive Schicht 104, eine zweite aktive Schicht 106, eine dritte aktive Schicht 108 und eine vierte aktive Schicht umfasst. Jede der aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 definiert eine Unterzelle des photoaktiven Bauelementes 100 und umfasst Unterschichten. Jede der aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 (und die Unterschichten darin) umfasst Halbleitermaterial (z. B. Germanium,. Silizium, ein III-V-Halbleitermaterial, usw.).
  • Jede der aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 umfasst einen pn-Übergang, der zwischen mindestens zwei Unterschichten darin definiert ist. Mit anderen Worten umfasst jede der aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 eine Unterschicht, die ein p-Typ-Halbleitermaterial umfasst, und eine benachbarte Unterschicht, die ein n-Typ-Halbleitermaterial umfasst, so dass ein pn-Übergang an der Grenzfläche zwischen den benachbarten p-Typ- und n-Typ-Halbleitermaterialien definiert ist. Wie in der Technik bekannt, werden ein Ladungs-Verarmungsgebiet (auch als Raumladungszone bezeichnet) und ein internes elektrisches Feld an dem pn-Übergang ausgebildet. Wenn Photonen der elektromagnetischen Strahlung 102 in das photoaktive Bauelement eintreten, können sie in den aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 der Halbleitermaterialien absorbiert werden. Wenn ein Photon eine Energie aufweist, die der Bandlücken-Energie des entsprechenden Halbleitermaterials, in dem das Photon absorbiert wird, entspricht, kann ein Elektron-Loch-Paar in dem Halbleitermaterial erzeugt werden. Wenn Photonen in den Ladungs-Verarmungsgebieten an den pn-Übergängen absorbiert werden und zur Bildung von Elektron-Loch-Paaren darin führen, treibt das interne elektrische Feld an dem pn-Übergang das Elektron in Richtung des n-Typ-Bereichs und das Loch in die entgegengesetzte Richtung zum p-Typ-Bereich. Da sich Elektronen im n-Typ-Bereich ansammeln und sich Löcher im p-Typ-Bereich ansammeln, wird eine Spannung über dem pn-Übergang erzeugt. Die Spannungen der aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 summieren sich (z. B. in Reihe) über allen photoaktiven Bauelementen 100, um eine Leerlaufspannung Vor zwischen einer ersten Elektrode 111 auf einer Seite des photoaktiven Bauelementes 100 und einer zweiten Elektrode 112 auf einer gegenüberliegenden Seite des photoaktiven Bauelementes 100 vorzusehen. Die erste Elektrode 111 und die zweite Elektrode 112 können leitfähige Metalle oder Metall-Legierungen umfassen. Die zweite Elektrode 112 kann unterbrochen sein, um mindestens eine Öffnung 114 durch die zweite Elektrode 112 vorzusehen, durch die die elektromagnetische Strahlung 102 passieren kann und in die aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 eintreten kann. Eine Antireflex-Beschichtung (AR) 115 kann auf dem photoaktiven Bauelement 100 in der Öffnung 114 vorgesehen sein, wie in 1 gezeigt.
  • Jede der aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 kann gestaltet sein, elektromagnetische Strahlung 102 hauptsächlich bei unterschiedlichen Wellenlängen zu absorbieren, indem Halbleitermaterialien an dem pn-Übergang verwendet werden, die unterschiedliche Zusammensetzungen und Bandlücken-Energien aufweisen.
  • Die erste aktive Schicht 104 kann ein Halbleitermaterial umfassen, das eine Bandlücke zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 2,10 eV, zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 1,20 eV oder sogar zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 0,80 eV aufweist. Außerdem weist die aktive Schicht 104 eine vordere Fläche 105A auf, durch die im Betrieb des photoaktiven Bauelementes 100 Strahlung 102 in die aktive Schicht 104 eintritt, und eine hintere Fläche 105B auf einer der vorderen Fläche 105A der aktiven Schicht 104 gegenüberliegenden Seite. Die hintere Fläche 105B kann eine Oberflächen-Rauheit aufweisen, die größer ist als eine Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche 105A.
  • Als Beispiel und nicht als Einschränkung kann die erste aktive Schicht 104 Germanium (Ge) umfassen und eine Bandlücken-Energie von ungefähr 0,66 eV aufweisen. Zum Beispiel kann die erste aktive Schicht 104 mindestens im Wesentlichen aus monokristallinem epitaxialem Germanium bestehen. In anderen Ausführungsformen kann die erste aktive Schicht 104 ein verdünntes Nitrid-III-V-Halbleiter-Material umfassen, wie zum Beispiel in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/580,085, eingereicht am 23. Dezember 2011 mit dem Titel ”Methods of Forming Dilute Nitride Materials for Use in Photoactive Devices and Related Structures” beschrieben, das hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme mit aufgenommen wird. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die erste aktive Schicht 104 Ga1-yInyNx As1-x umfassen, wobei y größer ist als 0,0 und kleiner als 1,0 (z. B. zwischen ungefähr 0,08 und ungefähr 1) und x zwischen ungefähr 0,1 und 0,5 liegt. Die Bandlücken-Energie des Ga1-yInyNx As1-x ist eine Funktion seiner Zusammensetzung (d. h. der Werte von x und y). Somit kann abhängig von den Werten von x und y das Ga1-yInyNx As1-x eine Bandlücken-Energie zwischen ungefähr 0,90 eV und ungefähr 1,20 eV aufweisen. Das Ga1-yInyNx As1-x kann eine Bandlücken-Energie zwischen ungefähr 1,00 eV und ungefähr 1,10 eV aufweisen. In weiteren Ausführungsformen der Offenbarung können andere verdünnte Nitrid-Materialien, wie GaInNAsSb in der ersten aktiven Schicht 104 verwendet werden.
  • Als Beispiel und nicht als Einschränkung kann jede der zweiten aktiven Schicht 106, der dritten aktiven Schicht 108 und der vierten aktiven Schicht 110 ein III-V-Halbleiter-Material umfassen. Als nicht einschränkende Beispiele kann die zweite aktive Schicht 106 einen pn-Übergang umfassen, der in einem InGaAsN-III-V-Halbleiter-Material ausgebildet ist (einem verdünnten Nitrid-Material, das sein kann, wie oben für die erste aktive Schicht 104 beschrieben), das eine Bandlücken-Energie von ungefähr 1,00 eV aufweist, die dritte aktive Schicht 108 kann einen pn-Übergang umfassen, der in GaAs-III-V-Halbleiter-Material ausgebildet ist, das eine Bandlücken-Energie zwischen ungefähr 1,4 eV und 1,5 eV aufweist (z. B. ungefähr 1,43 eV), und die vierte aktive Schicht 110 kann einen pn-Übergang umfassen, der in InGaP ausgebildet ist, das eine Bandlücken-Energie im Bereich von ungefähr 1,85 eV und ungefähr 2,10 eV aufweist (z. B. ungefähr 1,88 eV).
  • Mit fortgesetztem Bezug auf 1 kann jede der aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 zusätzliche Materialschichten umfassen, die zum Beispiel Fenster-Schichten 116 und Rückseiten-Flächen-Feld-Schichten (Back Surface Field, BSF) 118 umfassen können. Die Fenster-Schichten 116 und BSF-Schichten 118 werden dazu benutzt, die Materialzusammensetzung über das photoaktive Bauelement 100 auf eine Weise übergehen zu lassen, dass das Sammeln der Minoritätsträger, die in aktiven Schichten gesammelt werden, erhöht (z. B. maximiert) wird.
  • Wie in 1 gezeigt, können Tunnel-Übergangs-Schichten 120 zwischen den aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 angeordnet sein. Die Tunnel-Übergangs-Schichten 120 werden dazu benutzt, eine Verbindung mit geringem elektrischem Widerstand zwischen den gegenüberliegenden n- und p-Typ-Bereichen der Unterzellen vorzusehen, die den Tunnel-Übergangs-Schichten 120 auf gegenüberliegenden Seiten davon benachbart sind. Die Tunnel-Übergangs-Schichten 120 können mindestens im Wesentlichen transparent für die elektromagnetische Strahlung 102 sein, um es der elektromagnetischen Strahlung 102 zu erlauben, die Tunnel-Übergangs-Schichten 120 bis zu darunter liegenden Unterzellen zu durchdringen. Jede Tunnel-Übergangs-Schicht 120 kann eine hoch dotierte n-Typ-Schicht und eine hoch dotierte p-Typ-Schicht (nicht gezeigt) umfassen. Das Halbleitermaterial oder die -materialien der hoch dotierten n- und p-Typ-Schichten können eine große Bandlücke aufweisen. In dieser Konfiguration kann das Verarmungsgebiet relativ schmal sein, und Tunneln der Elektronen vom Leitungsband im n-Typ-Gebiet zum Valenzband im p-Typ-Gebiet wird erleichtert. Somit können die Tunnel-Übergangs-Schichten 120 eine Vielzahl von Schichten aus Halbleitermaterial umfassen (z. B. III-V-Halbleitermaterial), obwohl sie in 1 in einer vereinfachten Weise als eine einzige Schicht dargestellt sind.
  • Photoaktive Bauelemente mit weniger oder mehr aktiven Schichten (z. B. eine, zwei, drei, fünf, usw.) können ebenfalls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
  • Die aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 (einschließlich der Unterschichten darin) und die Tunnel-Übergangs-Schichten 120 können aufeinander unter Verwendung von Techniken der Epitaxie hergestellt werden, wie nachstehend detailliert mit Bezug auf die 5 bis 16 beschrieben.
  • Zusätzlich zu den optischen und elektrischen Eigenschaften, die die verschiedenen Materialschichten in dem photoaktiven Bauelement 100 aufweisen müssen, sind die verschiedenen Halbleitermaterialien darin kristallin (und bestehen oft nur aus einem einzigen Kristall des Materials) und können physikalischen Beschränkungen und Erwägungen unterliegen. Das Vorhandensein von Defekten in der Kristallstruktur der verschiedenen Halbleitermaterialien kann Stellen vorsehen, an denen Elektronen und Löcher sich sammeln und rekombinieren, wodurch die Effizienz des photoaktiven Bauelementes 100 verringert wird. Als Folge davon ist es wünschenswert, die verschiedenen Halbleitermaterialien so auszubilden, dass sie relativ geringe Defekt-Konzentrationen aufweisen. Um die Konzentration von Defekten an der Grenzfläche zwischen den verschiedenen Halbleitermaterialien zu verringern, kann die Zusammensetzung der verschiedenen Schichten so ausgewählt werden, dass benachbarte Materialschichten im Allgemeinen übereinstimmende Gitterkonstanten aufweisen. Diese zusätzlichen Design-Parameter sehen weitere Einschränkungen der Materialien vor, die in den verschiedenen Halbleitermaterialien in dem photoaktiven Bauelement 100 erfolgreich eingesetzt werden können. Pseudomorphe Schichten (Schichten mit unterschiedlichen Gitterkonstanten, aber ausreichend dünne Schichten, um Deformationsrelaxation zu vermeiden) können benutzt werden.
  • Wie bereits erwähnt, kann die hintere Fläche 105B der ersten aktiven Schicht 104 eine Oberflächen-Rauheit aufweisen, die größer ist als eine Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche 105A der aktiven Schicht 104. Die hintere Fläche 105B kann eine Topographie aufweisen, die gestaltet ist, die elektromagnetische Strahlung 102, die auf die hintere Fläche 105B von innerhalb der ersten aktiven Schicht 104 auftrifft, zu reflektieren. Die erhöhte Oberflächen-Rauheit der hinteren Fläche 105B der ersten aktiven Schicht 104 kann dazu benutzt werden, den optischen Pfad von Photonen der elektromagnetischen Strahlung 102 in der aktiven Schicht 104 zu erhöhen, ohne ihre tatsächliche physikalische Dicke zu erhöhen, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Photonen absorbiert werden und zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares führen.
  • 2 ist eine vergrößerte Ansicht der ersten aktiven Schicht 104 des photoaktiven Bauelementes 100, wie in 1 gezeigt. Wie in 2 gezeigt, kann die erste aktive Schicht 104 eine tatsächliche mittlere Schichtdicke T aufweisen. Die erste aktive Schicht 104 kann eine Zusammensetzung aufweisen, die so ausgewählt ist, dass Elektronen, die als Reaktion auf die Absorption von Photonen der elektromagnetischen Strahlung 102 in der ersten aktiven Schicht 104 erzeugt werden, eine mittlere Diffusionslänge aufweisen, die größer ist als die tatsächliche mittlere Schichtdicke T der ersten aktiven Schicht 104. In manchen Ausführungsformen kann die mittlere Schichtdicke T der ersten aktiven Schicht 104 ungefähr einhundert Mikrometer (100 μm) oder weniger, oder sogar ungefähr zehn Mikrometer (10 μm) oder weniger betragen. Die in 2 gezeigte n-Ge-Schicht kann eine mittlere Schichtdicke von ungefähr ein Mikrometer (1 μm) oder weniger aufweisen, und die in 1 gezeigte p-Ge-Schicht kann eine mittlere Schichtdicke von ungefähr zehn Mikrometer (10 μm) oder weniger aufweisen. Weil jedoch die Photonen von der hinteren Fläche 105B so reflektiert werden können, dass sie in der ersten aktiven Schicht 104 eine relativ längere Zeit bleiben, kann die Wahrscheinlichkeit, dass die Photonen in der ersten aktiven Schicht 104 absorbiert werden, relativ zu bisher bekannten aktiven Schichten mit äquivalenter Zusammensetzung und Dicke T, aber ohne die aufgeraute hintere Fläche 105B, erhöht sein.
  • Die Topographie des hinteren Fläche 105B der ersten aktiven Schicht 104 kann eine Vielzahl von Strukturmerkmalen 122 umfassen. Die Strukturmerkmale 122 können eins oder beides von Vorsprüngen, die sich aus der hinteren Fläche 105B heraus erstrecken, und Aussparungen, die sich in die hintere Fläche 105B hinein erstrecken, umfassen. Die Strukturmerkmale 122 können willkürlich angeordnet und über die hintere Fläche 105B verteilt sein, oder sie können an ausgewählten Stellen auf der hinteren Fläche 105B angeordnet sein. In manchen Ausführungsformen können die Strukturmerkmale 122 in einer geordneten Anordnung angeordnet sein, wobei jedes Strukturmerkmal 122 an einer vorher festgelegten und ausgewählten Stelle über die hintere Fläche 105B der aktiven Schicht 104 angeordnet ist.
  • 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der hinteren Fläche 105B der aktiven Schicht 104 der 1 und 2. Wie in 3 gezeigt, können die Strukturmerkmale 122 Aussparungen umfassen, die sich in die aktive Schicht 104 von der hinteren Fläche 105B der aktiven Schicht 104 hinein erstrecken. Die Aussparungen können einzelne Blindlöcher umfassen, die lateral voneinander isoliert sind und sich in die hintere Fläche 105B hinein erstrecken. Die Aussparungen können eine beliebige Querschnittsform aufweisen, wie etwa kreisförmig, oval, quadratisch, rechteckig, usw. In anderen Ausführungsformen können die Aussparungen längliche Kanäle oder Nuten in der hinteren Fläche 105B umfassen und können sich in Richtungen innerhalb der Ebene der hinteren Fläche 105B ausdehnen.
  • In weiteren Ausführungsformen können die Strukturmerkmale 122 Vorsprünge umfassen, die sich aus der aktiven Schicht 104 von der hinteren Fläche 105B davon erstrecken, wie in 4 gezeigt. Die Vorsprünge können diskrete lateral getrennte Hügel oder Säulen umfassen, die lateral voneinander getrennt sind. Die Vorsprünge können eine beliebige Querschnittsform aufweisen, wie etwa kreisförmig, oval, quadratisch, rechteckig, usw. In anderen Ausführungsformen können die Vorsprünge längliche Rippen umfassen, die von der hinteren Fläche 105B herausragen, und können sich in Richtungen innerhalb der Ebene der hinteren Fläche 105B ausdehnen.
  • Wie in den 3 und 4 gezeigt, kann in einigen Ausführungsformen die Vielzahl von Strukturmerkmalen 122 eine mittlere Querschnittsabmessung D in einer Ebene senkrecht zur aktiven Schicht 104 aufweisen, die zwischen ungefähr zehn Nanometer (10 nm) und ungefähr zehn Mikrometer (10 μm), und spezieller zwischen ungefähr zehn Nanometer (10 nm) und ungefähr fünf Mikrometer (5 μm), oder sogar zwischen ungefähr zehn Nanometer (10 nm) und ungefähr einem Mikrometer (1 μm) liegt. Mit Bezug auf 3 können sich die Aussparungen eine mittlere Strecke D von der hinteren Fläche 105B hinein in die aktive Schicht 104 erstrecken, die zwischen ungefähr zehn Nanometer (10 nm) und ungefähr zehn Mikrometer (10 μm) liegt. Wie in 4 gezeigt, können sich die Vorsprünge eine mittlere Strecke D von der hinteren Fläche 105B heraus aus der aktiven Schicht 104 erstrecken, die zwischen ungefähr zehn Nanometer (10 nm) und ungefähr zehn Mikrometer (10 μm) liegt.
  • Wie in den 3 und 4 gezeigt, kann in einigen Ausführungsformen die Vielzahl von Strukturmerkmalen 122 eine mittlere Querschnittsabmessung W in einer Ebene parallel zur aktiven Schicht 104 aufweisen, die zwischen ungefähr einhundert Nanometer (100 nm) und ungefähr fünfzig Mikrometer (50 μm), zwischen ungefähr einhundert Nanometer (100 nm) und ungefähr zwanzig Mikrometer (20 μm), oder sogar zwischen ungefähr einhundert Nanometer (100 nm) und ungefähr zehn Mikrometer (10 μm) liegt. Mit Bezug auf 3 können die Aussparungen zum Beispiel eine mittlere Breite W aufweisen, die zwischen ungefähr einhundert Nanometer (100 nm) und ungefähr fünfzig Mikrometer (50 μm) liegt. Wie in 4 gezeigt, können die Vorsprünge eine mittlere Breite W aufweisen, die zwischen ungefähr einhundert Nanometer (100 nm) und ungefähr fünfzig Mikrometer (50 μm) liegt.
  • Die mittleren Querschnitts-Abmessungen D und W der Strukturmerkmale 122 können ausgewählt werden, um die Wahrscheinlichkeit zu maximieren, dass Strahlung 102 (1) mit Wellenlängen in dem Bereich, der sich von ungefähr 1550 nm bis ungefähr 1800 nm erstreckt, im Betrieb des photoaktiven Bauelementes 100 von der hinteren Fläche 105B zurück in die aktive Schicht 104 reflektiert wird, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Photonen der Strahlung 102 in der aktiven Schicht 104 absorbiert werden und zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares führen.
  • Wie oben erwähnt, kann die aktive Schicht 104 p-Typ dotierte Unterschichten und n-Typ dotierte Unterschichten umfassen, zwischen denen ein pn-Übergang definiert ist. Somit umfasst ein Bereich der aktiven Schicht 104 mindestens einen p-Typ-Dotierstoff, und ein anderer Bereich der aktiven Schicht 104 umfasst mindestens einen n-Typ-Dotierstoff. In manchen Ausführungsformen kann eine Konzentration des einen oder der mehreren p-Typ-Dotierstoffe in dem p-Typ-Bereich der aktiven Schicht 104 einen Konzentrations-Gradienten über den p-Typ-Bereich der aktiven Schicht 104 aufweisen. Zum Beispiel kann eine Konzentration des einen oder der mehreren p-Typ-Dotierstoffe in dem p-Typ-Bereich der aktiven Schicht 104 in einer Richtung abnehmen, die sich von der hinteren Fläche 105B der aktiven Schicht 104 zur vorderen Fläche 105A der aktiven Schicht 104 erstreckt. Durch Vorsehen eines solchen Konzentrations-Gradienten im p-Typ-Bereich der aktiven Schicht 104 kann ein elektrisches Feld darin vorgesehen werden, dass dabei mitwirkt, die Bewegung von Elektronen zur n-Seite der aktiven Schicht 104 zu drängen (d. h. in Richtung der vorderen Fläche 105A der aktiven Schicht 104 in der in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform). In manchen Ausführungsformen kann die Konzentration des einen oder der mehreren p-Typ-Dotierstoffe in dem p-Typ-Bereich der aktiven Schicht 104 exponentiell in der Richtung abnehmen, die sich von der hinteren Fläche 105B der aktiven Schicht 104 zur vorderen Fläche 105A der aktiven Schicht 104 erstreckt, so dass ein mindestens im Wesentlichen konstantes elektrisches Feld in dem p-Typ-Bereich der aktiven Schicht 104 vorgesehen ist.
  • Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen Verfahren zur Herstellung photoaktiver Bauelemente, wie hier beschrieben. Im Allgemeinen umfassen die Verfahren das Ausbilden eines aktiven Bereichs 103, der gestaltet ist, Strahlung 102 zu absorbieren, die auf den aktiven Bereich 103 auftrifft, und als Reaktion auf die Absorption der Strahlung 102 eine Spannung zwischen einer ersten Elektrode 111 und einer zweiten Elektrode 112 zu erzeugen. Der aktive Bereich 103 kann ausgebildet sein, mindestens eine aktive Schicht zu umfassen, wie etwa die aktive Schicht 104, die ein Halbleitermaterial umfasst, das eine Bandlücke zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 2,10 eV aufweist. Die aktive Schicht 104 kann ausgebildet sein, eine vordere Fläche 105A zu umfassen, durch die im Betrieb des photoaktiven Bauelementes 100 Strahlung 102 in die aktive Schicht 104 eintritt, und eine hintere Fläche 105B auf einer der vorderen Fläche 105A der aktiven Schicht 104 gegenüberliegenden Seite. Die hintere Fläche 105B kann ausgebildet sein, eine Oberflächen-Rauheit aufzuweisen, die größer ist als eine Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche 105A. Die Verfahren umfassen ferner das Ausbilden der ersten Elektrode 111 und der zweiten Elektrode 112, zwischen denen als Reaktion auf die Absorption von Strahlung 102, die auf den aktiven Bereich 103 auftrifft, eine Spannung erzeugt wird. Nicht einschränkende Beispiele von Ausführungsformen solcher Verfahren sind nachstehend mit Bezug auf die 5 bis 16 offenbart.
  • Mit kurzem Bezug auf 8 kann eine aktive Schicht 104 auf einer Fläche 140 eines ersten Substrats 142 ausgebildet werden, so dass eine hintere Fläche 105B der aktiven Schicht 104 benachbart zur Fläche 140 des ersten Substrats 142 angeordnet ist.
  • Die Zusammensetzung des ersten Substrats 142 kann unter Berücksichtigung mehrerer Faktoren ausgewählt werden, die von der Zusammensetzung von Schichten abhängen, die über dem ersten Substrat 142 auszubilden oder anders vorzusehen sind. Zum Beispiel kann die Zusammensetzung des Substrats so ausgewählt werden, dass es ein kristallines Material mit einer Kristallstruktur umfasst, die im Allgemeinen gleich einer Kristallstruktur von Materialien ist, die über dem ersten Substrat 142 auszubilden oder anders vorzusehen sind. Die Zusammensetzung des Substrats kann auch so ausgewählt werden, dass es einen Materialkoeffizienten der thermischen Ausdehnung umfasst, der im Allgemeinen gleich den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien ist, die über dem ersten Substrat 142 auszubilden oder anders vorzusehen sind. Indem das erste Substrat 142 so ausgewählt wird, dass es eine Kristallstruktur und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, die im Allgemeinen gleich denen der Materialien sind, die über dem ersten Substrat 142 auszubilden oder anders vorzusehen sind, können mechanische Spannungen in den Materialien während der nachfolgenden Bearbeitung verringert werden, und als Folge davon können unerwünschte Effekte in den Kristallgittern der Materialien, die über dem ersten Substrat 142 auszubilden oder anders vorzusehen sind, verringert werden. Als nicht einschränkende Beispiele kann in Ausführungsformen, in denen Germanium (Ge) direkt über dem ersten Substrat 142 auszubilden oder anders vorzusehen ist, das erste Substrat 142 zum Beispiel ein Oxid, wie etwa Aluminiumoxid (Al2O3) (z. B. ein Saphir-Substrat) oder Siliziumoxid (SiO2) umfassen.
  • Wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben, kann die aktive Schicht 104 eine Unterzelle eines auszubildenden photoaktiven Bauelementes 100 mit mehreren Übergängen definieren (1) und kann mehrere Unterschichten umfassen. Die aktive Schicht 104 kann ausgebildet sein, einen pn-Übergang zwischen zwei Unterschichten in der aktiven Schicht 104 zu umfassen. Mit anderen Worten kann die aktive Schicht 104 eine Unterschicht 144 umfassen, die ein p-Typ-Halbleitermaterial umfasst, und eine benachbarte Unterschicht 146, die ein n-Typ-Halbleitermaterial umfasst, so dass ein pn-Übergang 148 an der Grenzfläche zwischen den benachbarten p-Typ- und n-Typ-Halbleitermaterialien definiert ist. Wie oben erläutert, kann die aktive Schicht 104 ein Halbleitermaterial umfassen, das eine Bandlücke zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 2,10 eV aufweist. Als Beispiel und nicht als Einschränkung kann die aktive Schicht 104 Germanium (Ge) umfassen (z. B. monokristallines epitaktisches Ge), und kann eine Bandlücken-Energie von ungefähr 0,66 eV aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann die aktive Schicht 104 ein verdünntes Nitrid-III-V-Halbleitermaterial umfassen, wie oben erläutert. Die aktive Schicht kann zusätzliche Material-Unterschichten umfassen, die zum Beispiel eine Fenster-Schicht 116 und eine Rückseiten-Flächen-Feld-Schicht (Back Surface Field, BSF) 118 umfassen können, wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben.
  • In manchen Ausführungsformen kann, um die erste Schicht 104 über der Fläche 140 des ersten Substrats 142 auszubilden, eine erste Materialschicht 150 (7), die das Halbleitermaterial der ersten Schicht 104 umfasst, auf die Fläche 140 des ersten Substrats 142 übertragen werden, wonach die übertragene erste Materialschicht 150 verdickt werden kann, um die aktive Schicht 104 auszubilden, wie nachstehend mit Bezug auf die 5 bis 8 beschrieben.
  • Als Beispiel und nicht als Einschränkung kann der Prozess, der in der Technik als SMART-CUT®-Prozess bekannt ist, dazu benutzt werden, die erste Materialschicht 150 (7) von einer Donator-Struktur 152 (5) auf das erste Substrat 142 zu transferieren. Der SMART-CUT®-Prozess wird zum Beispiel beschrieben in US-Patent Nr. RE39,484 an Bruel (erteilt am 6. Februar 2007), US-Patent Nr. 6,303,468 an Aspar et al. (erteilt am 16. Oktober 2001), US-Patent Nr. 6,335,258 an Aspar et al. (erteilt am 1. Januar 2002), US-Patent Nr. 6,756,286 an Moriceau et al. (erteilt am 29. Juni 2004), US-Patent Nr. 6,809,044 an Aspar et al. (erteilt am 26. Oktober 2004) und US-Patent Nr. 6,946,365 an Aspar et al. (20. September 2005), deren Offenbarungen hier in ihrer Gesamtheit durch Bezug aufgenommen werden.
  • Der SMART-CUT®-Prozess ist nachstehend mit Bezug auf die 5 bis 7 kurz beschrieben. Mit Bezug auf 5 kann eine Vielzahl von Ionen (z. B. eines oder mehrere von Wasserstoff, Helium oder Edelgas-Ionen) in eine Donator-Struktur 152 entlang einer Ionenimplantations-Ebene 154 implantiert werden. Die Donator-Struktur 152 kann ein kristallines Bulk-Halbleitermaterial umfassen, wie etwa einkristallines Germanium. Die implantierten Ionen entlang der Ionenimplantations-Ebene 154 definieren eine schwache Ionenimplantations-Ebene in der Donator-Struktur 152, entlang der die Donator-Struktur 152 anschließend gespalten oder anderweitig gebrochen werden kann. Wie in der Technik bekannt, ist die Tiefe, mit der die Ionen in die Donator-Struktur 152 implantiert werden, mindestens teilweise eine Funktion der Energie, mit der die Ionen in die Donator-Struktur 152 implantiert werden. Im Allgemeinen werden Ionen, die mit wenig Energie implantiert werden, in relativ geringer Tiefe implantiert, während Ionen, die mit höherer Energie implantiert werden, in relativ größeren Tiefen implantiert werden.
  • Mit Bezug auf 6 wird die Donator-Struktur 152 in direkten physikalischen Kontakt zur Fläche 140 des ersten Substrats 142 gebracht, und die Donator-Struktur 152 wird direkt auf das erste Substrat 142 gebondet, wobei ein so genannter ”Direct Bonding”-Prozess benutzt wird. Bevor die Flächen der Donator-Struktur 152 und des ersten Substrats 142 aneinander gelegt werden, können die Oberflächen geglättet und für das Bonden vorbereitet werden, indem zum Beispiel die Oberflächen einem oder mehreren aus einem Schleifprozess, einem Ätzprozess und einem Polierprozess (z. B. einem chemisch-mechanischen Polierprozess (CMP)) ausgesetzt werden, um die Oberflächen-Rauheit der Bond-Oberflächen zu verringern. Die Oberflächen der Donator-Struktur 152 und des ersten Substrats 142 können vor dem Aneinanderlegen der Flächen zum Bonden auch chemisch aktiviert werden, um die Stärke der Bindung zu erhöhen, die letztlich zwischen ihnen aufgebaut wird.
  • Nach dem Aneinanderlegen der Flächen der Donator-Struktur 152 und des ersten Substrats 142 können direkte Atombindungen zwischen der Donator-Struktur 152 und dem ersten Substrat 142 aufgebaut werden, um die in 6 gezeigte gebondete Struktur auszubilden. Verfahren zum Herstellen solcher direkter Atombindungen sind zum Beispiel beschrieben in der US-Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. US 2011/0045611 A1, veröffentlicht am 24. Februar 2011 im Namen von Castex et al., deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme mit aufgenommen wird.
  • Optional kann eine Schicht aus dielektrischem Material auf einer Bond-Oberfläche der Donator-Struktur 152 und/oder der Oberfläche 140 des ersten Substrats 140 vor dem Prozess des direkten Bondens vorgesehen werden.
  • Nach dem Ausbilden der gebondeten Struktur von 6 wird die Donator-Struktur 152 entlang der Ionenimplantations-Ebene 154 gespalten oder anderweitig gebrochen, um die Übertragung der Materialschicht 150 auf die Fläche 140 des ersten Substrats 142 zu beenden und die Struktur von 7 auszubilden. Zum Beispiel kann die Donator-Struktur 152 (mit dem daran gebondeten ersten Substrat 142) erhitzt werden, um zu bewirken, dass die Donator-Struktur 152 entlang der Ionenimplantations-Ebene 154 bricht. Optional können mechanische Kräfte auf die Donator-Struktur 152 angewendet werden, um das Spalten der Donator-Struktur 152 entlang der Ionenimplantations-Ebene 154 zu unterstützen. Nachdem die Donator-Struktur 152 entlang der Ionenimplantations-Ebene 154 gespalten oder anderweitig gebrochen wurde, bleibt ein Teil der Donator-Struktur 152 am ersten Substrat 142 gebondet, wobei dieser Teil die übertragene Materialschicht 150 definiert (4). Ein Rest der Donator-Struktur 152 kann in weiteren SMART-CUT®-Prozessen wiederverwendet werden, um weitere Teile der Donator-Struktur 152 auf weitere Substrate zu übertragen.
  • Mit fortgesetztem Bezug auf 7 umfasst nach dem Prozess des Brechens eine freiliegende Hauptfläche 156 der übertragenen Materialschicht 150 eine gebrochene Oberfläche der Donator-Struktur 152 (6) und kann Fremdionen und Fehlstellen im Kristallgitter der Materialschicht 150 umfassen. Die Materialschicht 150 kann im Bemühen behandelt werden, die Fehlstellen zu verringern und die Qualität des Kristallgitters in der Materialschicht 150 zu verbessern (d. h. die Anzahl von Defekten im Kristallgitter in der Nähe der freiliegenden Hauptfläche 156 zu verringern). Solche Behandlungen können eines oder mehr von Schleifen, Polieren, Ätzen und Glühen umfassen.
  • In anderen Ausführungsformen kann die Materialschicht 150 auf der Oberfläche 140 des ersten Substrats 142 vorgesehen sein, indem Bulk-Halbleitermaterial auf die Oberfläche 140 des ersten Substrats 142 gebondet wird und anschließend das Bulk-Halbleitermaterial dünner gemacht wird, indem eins oder mehr von einem Schleifprozess, einem Polierprozess und einem Ätzprozess (z. B. einem chemisch-mechanischen Polierprozess) verwendet wird, um die Materialschicht 150 auszubilden.
  • In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Materialschicht 150 ein freistehendes Material umfassen, wobei die Materialschicht selbsttragend ist ohne dass eine Abstützung erforderlich ist, wie eine Abstützung durch das erste Substrat 142. In solchen Ausführungsformen kann die Materialschicht 150 ausgebildet werden, indem Ionen mit hoher Energie in eine Bulk-Donator-Struktur 152 implantiert werden. Die Nutzung einer Ionenimplantation hoher Dosis kann eine freistehende Materialschicht 150 vorsehen, die eine mittlere Schichtdicke im Bereich von ungefähr 10 Mikrometer bis ungefähr 50 Mikrometer aufweist (z. B. eine mittlere Schichtdicke gleich ungefähr zwanzig Mikrometer (20 μm).
  • In manchen Ausführungsformen kann die übertragene Materialschicht 150 eine mittlere Schichtdicke aufweisen, die ungefähr 1,50 μm oder weniger beträgt.
  • Mit erneutem Bezug auf 8 kann nach dem Ausbilden der relativ dünnen Materialschicht 150 auf der Fläche 140 des ersten Substrats 142 die dünne Materialschicht 150 dicker gemacht werden, indem zum Beispiel eine zusätzliche Materialschicht epitaktisch auf der relativ dünnen Materialschicht 150 aufgewachsen wird, um die aktive Schicht 104 auszubilden. Zum Beispiel kann, wie in 8 gezeigt, zusätzliches Halbleitermaterial, das dieselbe oder eine ähnliche Zusammensetzung aufweist wie das Halbleitermaterial der Materialschicht 150, epitaktisch auf der Schicht 150 aufgewachsen werden, um die aktive Schicht 104 vollständig auszubilden. Als ein spezielles nicht einschränkendes Beispiel kann das epitaktische Wachstum die Bildung einer stark dotierten p-Typ-GE-BSF-Schicht 118, einer dotierten p-Typ-Ge-Unterschicht 144, einer dotierten n-Typ-Ge-Unterschicht 146, um einen pn-Übergang 148 zu definieren, und einer stark dotierten n-Typ-Ge-Fensterschicht 116 umfassen. Es kann sein, dass andere Ausführungsformen keine BSF-Schicht 118 und/oder keine Fensterschicht 116 umfassen. In der Technik sind verschiedene Verfahren der Epitaxie bekannt, die benutzt werden können, solche dotierten Schichten von Ge aufzuwachsen, und in Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung genutzt werden können. Solche Wachstums-Verfahren umfassen Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), Verfahren der metall-organischen Gasphasenabscheidung (MOCVD), Verfahren der Gasphasenepitaxie (VPE), Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) und Verfahren der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE), sind aber nicht darauf beschränkt. Außerdem sind in der Technik verschiedene Konfigurationen solcher auf Ge basierender aktiver Schichten 104, die als Unterzellen für photoaktive Bauelemente mit mehreren Übergängen benutzt werden, bekannt, und können in Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung genutzt werden.
  • Wie oben erwähnt, kann die erste aktive Schicht 104 ausgebildet sein, p-Typ dotierte Unterschichten und n-Typ dotierte Unterschichten zu umfassen, zwischen denen ein pn-Übergang definiert ist. Somit können p-Typ-Dotierstoffe in den Bereich der aktiven Schicht 104 eingebracht werden, der bei der Herstellung des p-Typ-Bereichs der aktiven Schicht 104 p-dotiert werden soll, und n-Typ-Dotierstoffe können in den Bereich der aktiven Schicht 104 eingebracht werden, der bei der Herstellung des n-Typ-Bereichs der aktiven Schicht 104 n-dotiert werden soll. Ferner kann eine Konzentration des einen oder der mehreren p-Typ-Dotierstoffe bei der Herstellung des p-Typ-Bereichs variiert werden, so dass ein Konzentrations-Gradient über eine Dicke des p-Typ-Bereichs der aktiven Schicht 104 bei deren Ausbildung vorgesehen wird. Zum Beispiel kann eine Konzentration des einen oder der mehreren p-Typ-Dotierstoffe in dem p-Typ-Bereich der aktiven Schicht 104 in einer Richtung abnehmen, die sich von der hinteren Fläche 105B der aktiven Schicht 104 zur vorderen Fläche 105A der aktiven Schicht 104 erstreckt, wie oben erläutert. Durch Vorsehen eines solchen Konzentrations-Gradienten im p-Typ-Bereich der aktiven Schicht 104 kann ein elektrisches Feld darin vorgesehen werden, dass dabei mitwirkt, die Bewegung von Elektronen zur n-Seite der aktiven Schicht 104 zu drängen (d. h. in Richtung der vorderen Fläche 105A der aktiven Schicht 104 in der in 8 gezeigten Ausführungsform).
  • Wie sie ausgebildet ist, kann in manchen Ausführungsformen die hintere Fläche 105B der aktiven Schicht 104 eine Oberflächen-Rauheit aufweisen, die mindestens im Wesentlichen gleich einer Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche 105A der aktiven Schicht 104 ist.
  • Mit Bezug auf 9 können nach dem Ausbilden der aktiven Schicht 104 zusätzliche Schichten des photoaktiven Bauelements 100 (1) optional über der aktiven Schicht 104 hergestellt werden. Zum Beispiel kann das Ausbilden eines aktiven Bereichs 103 des photoaktiven Bauelementes 100 fertiggestellt werden, und ein solcher aktiver Bereich 103 kann eine oder mehrere aktive Schichten umfassen, die zusätzliche Unterzellen des photoaktiven Bauelements 100 definieren. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine zweite aktive Schicht 106, eine dritte aktive Schicht 108 und eine vierte aktive Schicht 110 über der ersten aktiven Schicht 104 hergestellt werden, wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben. Tunnel-Übergangs-Schichten 120 können ebenfalls zwischen den benachbarten aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 ausgebildet sein.
  • Die verschiedenen zusätzlichen Schichten können durch epitaktisches Aufwachsen der verschiedenen Schichten übereinander auf sequentielle Art und Weise hergestellt werden. Die spezielle, für jede Schicht oder Unterschicht angewendete Aufwachs-Technik kann von der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht oder Unterschicht abhängen. Wachstums-Verfahren, die üblicherweise für die Epitaxie solcher Schichten angewendet werden, umfassen Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), Verfahren der metall-organischen Gasphasenabscheidung (MOCVD), Verfahren der Gasphasenepitaxie (VPE), Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) und Verfahren der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE).
  • Mit Bezug auf 10 kann ein zweites Substrat 160 über der aktiven Schicht 104 (und über allen zusätzlichen Schichten, die zuvor über der aktiven Schicht 104 hergestellt wurden) an einer Seite davon angebracht werden, die dem ersten Substrat 140 gegenüberliegt, während das erste Substrat 140 an der ersten aktiven Schicht 104 angebracht bleibt.
  • Das zweite Substrat 160 kann jedes aus einer Anzahl von Materialien umfassen, die Oxide (z. B. Aluminiumoxid, Zikoniumoxid, Siliziumoxid, usw.) und Halbleitermaterialien (z. B. Silizium, Germanium, Siliziumkarbid, ein III-V-Halbleitermaterial (z. B. GaAs, GaN, usw.), Aluminiumnitrid, Diamant, usw.) umfassen. Das zweite Substrat 160 kann ein kristallines Material umfassen (z. B. ein polykristallines oder ein einkristallines Material). Ferner kann das zweite Substrat 160 mindestens im Wesentlichen ein einziges im Allgemeinen homogenes Material umfassen, oder das zweite Substrat 160 kann eine Mehrschicht-Struktur umfassen, wie etwa eine Struktur vom Typ Halbleiter-auf-Isolator (Semiconductor-on-insulator, SeOI), wie etwa ein Galliumarsenid-auf-Saphir-(Gallium arsenide-on-sapphire, GaAsOS)-Substrat oder ein Germanium-auf-Saphir-(Germanium-on-sapphire, GeOS)-Substrat.
  • Das zweite Substrat 160 kann über der aktiven Schicht 104 zum Beispiel unter Verwendung eines Prozesses des direkten Bondens befestigt werden, wie oben beschrieben. In manchen Ausführungsformen kann das zweite Substrat 160 mit einem Prozess des direkten Bondens direkt auf einer freiliegenden Hauptfläche 162 des aktiven Bereichs 103 befestigt sein (der in der Ausführungsform von 10 eine freiliegende Oberfläche einer Fensterschicht 119 der vierten aktiven Schicht 110 umfasst).
  • Nach dem Befestigen des zweiten Substrats 160 über der aktiven Schicht 104 kann das erste Substrat 142 von der aktiven Schicht 104 entfernt werden, um die hintere Fläche 105B der aktiven Schicht 104 freizulegen, wie in 11 gezeigt. Die Struktur wird in 11 in einer Orientierung gezeigt, die bezüglich der in 10 gezeigten Orientierung um 180° gedreht (d. h. umgekehrt) ist. Das erste Substrat 142 kann von der aktiven Schicht 104 entfernt werden, indem zum Beispiel einer oder mehrere aus einem Schleifprozess, einem Polierprozess und einem chemischen(Nass- oder Trocken-)Ätzprozess (z. B. einem chemisch-mechanischen Polierprozess (CMP)) verwendet werden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann ein Großteil des ersten Substrats 142 unter Verwendung eines mechanischen Schleifprozesses entfernt werden, wonach eine relativ dünne verbleibende Schicht des ersten Substrats 142 durch einen chemischen Ätzprozess mit einem Ätzmittel entfernt werden kann, das selektiv für ein Material des ersten Substrats 142 bezüglich des Materials der aktiven Schicht 104 ist. Die aktive Schicht 104 kann als Ätzstopp-Schicht für den Ätzprozess dienen, der zum Entfernen des ersten Substrats verwendet wird.
  • Mit Bezug auf 12 kann nach dem Entfernen des ersten Substrats 12 die freiliegende hintere Fläche 105B der aktiven Schicht 104 auf eine Weise bearbeitet werden, die verursacht, dass die hintere Fläche 105B eine Oberflächen-Rauheit aufweist, die größer ist als die Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche 105A der aktiven Schicht 104. Anders ausgedrückt kann die freiliegende hintere Fläche 105B der aktiven Schicht 104 nach dem Entfernen des ersten Substrats 142 aufgeraut werden, um eine Oberflächen-Rauheit der hinteren Fläche 105B zu erhöhen. Das Aufrauen der hinteren Fläche 105B kann die Strukturmerkmale 122 ausbilden (z. B. Aussparungen und/oder Vorsprünge) und die resultierende Topographie der hinteren Fläche 105B vorsehen, wie oben mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben.
  • Es können verschiedene Techniken benutzt werden, um die hintere Fläche 105B aufzurauen und die Strukturmerkmale 122 auszubilden. Als Beispiel und nicht als Einschränkung kann die hintere Fläche 105B durch mindestens eines von einem chemischen Ätzprozess und einem Prozess des mechanischen Aufrauens bearbeitet werden, um die Oberflächen-Rauheit der hinteren Fläche 105B zu erhöhen. In manchen Ausführungsformen kann ein Schleifprozess benutzt werden, um die hintere Fläche 105B aufzurauen und Strukturmerkmale 122 in der hinteren Fläche 105B auszubilden, die Aussparungen und/oder Vorsprünge umfassen. In manchen Ausführungsformen kann ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP) benutzt werden, um die hintere Fläche 105B aufzurauen und Strukturmerkmale 122 in der hinteren Fläche 105B auszubilden, die Aussparungen und/oder Vorsprünge umfassen. In anderen Ausführungsformen kann ein chemischer Ätzprozess benutzt werden, um die hintere Fläche 105B aufzurauen und Strukturmerkmale 122 in der hinteren Fläche 105B auszubilden, die Aussparungen und/oder Vorsprünge umfassen. Bei einem solchen chemischen Ätzprozess kann eines oder beides von einem nassen chemischen Ätzmittel und einem trockenen Plasma-Ätzmittel benutzt werden.
  • In manchen Ausführungsformen kann die hintere Fläche 105B unter Verwendung eines photolithografischen Maskierungs- und Ätzprozesses aufgeraut werden. In solchen Ausführungsformen kann eine Masken-Schicht über der freiliegenden hinteren Fläche 105B der aktiven Schicht 104 abgeschieden und selektiv mit einem Muster versehen werden, um Öffnungen in der Masken-Schicht an den Stellen auszubilden, an denen es gewünscht ist, die hintere Fläche 105B zu ätzen, um Öffnungen und/oder Vorsprünge auszubilden. Nach dem Ausbilden der mit einem Muster versehenen Masken-Schicht können die Bereiche der aktiven Schicht 104, die durch die mit einem Muster versehene Masken-Schicht freiliegen, geätzt werden, wobei zum Beispiel ein Nassätz-Prozess oder ein Prozess des trockenen reaktiven Ionenätzens verwendet werden kann, um Bereiche der aktiven Schicht 104 auf eine Weise zu entfernen, die ausgewählt wurde, um Aussparungen und/oder Vorsprünge in der hinteren Fläche 105B auszubilden. Die Form der Aussparungen und/oder Vorsprünge, die in der hinteren Fläche 105B der aktiven Schicht 104 definiert sind, können mindestens teilweise eine Funktion der Form der Öffnungen in der mit einem Muster versehene Masken-Schicht und der Art des Ätzprozesses sein (z. B. isotrop oder anisotrop), der zum Ätzen der aktiven Schicht 104 benutzt wurde. Nach dem Ätzprozess kann die mit einem Muster versehene Masken-Schicht entfernt werden. Ein solcher Maskierungs- und Ätzprozess kann benutzt werden, um Aussparungen und/oder Vorsprünge an vorher festgelegten und ausgewählten Stellen auf der hinteren Fläche 105B der aktiven Schicht 104 auszubilden.
  • Mit kurzem Bezug auf 1 können Verfahren der vorliegenden Offenbarung ferner das Ausbilden der ersten Elektrode 111 und der zweiten Elektrode 112 umfassen, zwischen denen als Reaktion auf die Absorption von Strahlung 102, die auf den aktiven Bereich 103 auftrifft, eine Spannung erzeugt wird. Mit Bezug auf 13 können zum Ausbilden der ersten Elektrode 111 ein oder mehrere leitfähige Materialien auf der aufgerauten hinteren Fläche 105B der aktiven Schicht 104 vorgesehen werden. Zum Beispiel kann ein leitfähiges Metall 164 auf der aufgerauten hinteren Fläche 105B abgeschieden oder anderweitig vorgesehen werden, um einen ohmschen Kontakt zwischen dem leitfähigen Metall 164 und der aktiven Schicht 104 vorzusehen. Das leitfähige Metall 164 kann zum Beispiel Wolfram (W), Kupfer (Cu), Tantal (Ta), Titan (Ti), Silber (Ag), Molybdän (Mo) oder eine Legierung oder Mischung, die ein oder mehrere solcher Elemente enthält, umfassen. In manchen Ausführungsformen kann das leitfähige Metall 164 einen aus mehreren Schichten bestehenden Stapel von Metallen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen umfassen. Das leitfähige Metall 164 kann auf der hinteren Fläche 105B abgeschieden werden, indem einer oder mehrere aus einem Prozess der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), einem Prozess der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), einem Sputter-Prozess, einem Prozess der chemischen Beschichtung und einem Prozess der elektrolytischen Beschichtung verwendet wird.
  • Wie in 14 gezeigt, kann die Herstellung der ersten Elektrode 111 und der zweiten Elektrode 112 durchgeführt werden. Optional kann ein leitfähiges Substrat 166 (z. B. ein Handhabungs-Substrat) mit dem leitfähigen Metall 164 verbunden werden, zum Beispiel wenn das leitfähige Metall 164 nicht ausreichend dick ist, um eine Handhabung der Struktur zuzulassen. Das leitfähige Substrat 166 kann zum Beispiel ein Metall umfassen, wie etwa Wolfram (W), Kupfer (Cu), Tantal (Ta), Titan (Ti), Silber (Ag), Molybdän (Mo) oder eine Legierung oder Mischung, die ein oder mehrere solcher Elemente enthält. Das leitfähige Substrat 166 kann mit dem leitfähigen Metall 164 verbunden werden, indem zum Beispiel ein Prozess des direkten Bondens benutzt wird, wie oben beschrieben. Optional kann eine zusätzliche Schicht eines Kontaktmetalls auf der Oberfläche des leitfähigen Substrats 166 auf einer Seite abgeschieden werden, die dem leitfähigen Metall 164 gegenüberliegt. Das leitfähige Metall 164, das leitfähige Substrat 166 und das Kontaktmetall 168 können zusammen die erste Elektrode 111 definieren.
  • Mit fortgesetztem Bezug auf 14 kann das zweite Substrat 160 (13) entfernt werden, und die zweite Elektrode 112 kann über der aktiven Schicht 104 (und über allen zusätzlichen Schichten des aktiven Bereichs 103) an einer Seite davon hergestellt werden, die der ersten Elektrode 111 gegenüberliegt. Wie zuvor mit Bezug auf 1 erwähnt, kann die zweite Elektrode 112 ausgebildet werden, um unterbrochen zu sein, um mindestens eine Öffnung 114 zu definieren, durch die die elektromagnetische Strahlung 102 passieren kann und in den aktiven Bereich 103 eintreten kann. Eine Antireflex-Beschichtung (AR) 115 kann optional so ausgebildet sein, dass sie sich über den aktiven Bereich 103 mindestens in jeder Öffnung 114 in der zweiten Elektrode 112 erstreckt.
  • In den oben mit Bezug auf die 5 bis 14 beschriebenen Verfahren wird der aktive Bereich 103 des photoaktiven Bauelements 100 komplett auf dem ersten Substrat 142 hergestellt, wonach das zweite Substrat 160 am aktiven Bereich 103 auf einer Seite davon befestigt wird, die dem ersten Substrat 142 gegenüberliegt. In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann ein erster Teil des aktiven Bereichs 103 (der die erste aktive Schicht 104 umfasst) auf dem ersten Substrat 142 hergestellt werden, um eine erste Mehrschicht-Struktur auszubilden, und ein zweiter Teil des aktiven Bereichs 103 kann auf dem zweiten Substrat 160 getrennt hergestellt werden, um eine zweite getrennte Mehrschicht-Struktur auszubilden, wonach die erste und die zweite Mehrschicht-Struktur direkt miteinander verbunden werden können.
  • Zum Beispiel kann die in 8 gezeigte Mehrschicht-Struktur hergestellt werden, wie hier oben mit Bezug auf die 5 bis 8 beschrieben. Mit Bezug auf 15 können zusätzliche Schichten des aktiven Bereichs 103 (1) über der Struktur von 8 aufgewachsen werden, um eine erste Mehrschicht-Struktur 170 auszubilden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Tunnel-Übergangs-Schicht 120 über der ersten aktiven Schicht 104 aufgewachsen werden, und die zweite aktive Schicht 106 kann über der Tunnel-Übergangs-Schicht 120 aufgewachsen werden, um die erste Mehrschicht-Struktur 170 auszubilden.
  • Mit Bezug auf 16 kann eine zweite Mehrschicht-Struktur 172 getrennt hergestellt werden, indem die vierte aktive Schicht 110, die dritte aktive Schicht 108 und Tunnel-Übergangs-Schichten 120 über einer Fläche des zweiten Substrats 160 ausgebildet werden. Das zweite Substrat 160 kann sein, wie oben mit Bezug auf 10 beschrieben. Die verschiedenen Schichten des aktiven Bereichs 103, die über dem zweiten Substrat 160 ausgebildet sind, können ebenfalls ausgebildet sein, indem Verfahren wie oben mit Bezug auf die 8 und 9 beschrieben verwendet werden.
  • Wie in 17 gezeigt, kann die erste Mehrschicht-Struktur 170 direkt mit der zweiten Mehrschicht-Struktur 172 verbunden sein, nachdem die Mehrschicht-Strukturen 170, 172 getrennt ausgebildet wurden. Ein Prozess des direkten Bondens, wie oben beschrieben, kann benutzt werden, um die erste Mehrschicht-Struktur 170 mit der zweiten Mehrschicht-Struktur 172 direkt zu verbinden. Eine Struktur, wie die in 10, kann ausgebildet werden, indem die erste Mehrschicht-Struktur 170 direkt mit der zweiten Mehrschicht-Struktur 172 verbunden wird, und die resultierende Struktur kann dann bearbeitet werden, wie oben mit Bezug auf die 10 bis 14 beschrieben, um ein photoaktives Bauelement 100 vollständig herzustellen, wie mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben.
  • Obwohl die erste Mehrschicht-Struktur 170 von 15 als die erste und zweite aktive Schicht 104, 106 enthaltend beschrieben wird, und die zweite Mehrschicht-Struktur 172 von 16 als die dritte und vierte aktive Schicht 108, 110 enthaltend beschrieben wird, kann die erste Mehrschicht-Struktur 170 jede einzelne oder mehrere Schichten des aktiven Bereichs 103 des photoaktiven Bauelements 100 (1) umfassen, und die zweite Mehrschicht-Struktur 172 kann den Rest der Schichten des aktiven Bereichs 103 des photoaktiven Bauelements 100 umfassen.
  • Verfahren, wie oben mit Bezug auf die 15 bis 17 beschrieben, können von besonderer Nützlichkeit in Fällen sein, in denen es wünschenswert ist, eine oder mehrere der Schichten des aktiven Bereichs 103 (z. B. die aktiven Schichten 104, 106, 108, 110 und die Tunnel-Übergangs-Schichten 120) unter Verwendung eines Wachstums-Verfahrens herzustellen, wie etwa Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) (z. B. eines Verfahrens der metall-organischen Gasphasenepitaxie (MOCVD)), und es wünschenswert ist, eine oder mehrere andere Schichten des aktiven Bereichs unter Verwendung eines anderen, unterschiedlichen Wachstums-Verfahrens herzustellen, wie etwa des Verfahrens der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE). Beispiele für solche Verfahren sind weiter detailliert zum Beispiel in der französischen Patentanmeldung Nr. 1159154 offenbart, die am 11. Oktober 2011 im Namen von Krause eingereicht wurde und den Titel ”Multi junctions in a semiconductor device formed by different deposition techniques” trägt, deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme mit aufgenommen wird.
  • Weitere nicht einschränkende Beispiele von Ausführungsformen der Offenbarung werden nachstehend dargelegt.
  • Ausführungsform 1: Photoaktives Bauelement, umfassend: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; und einen aktiven Bereich, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei der aktive Bereich gestaltet ist, Strahlung zu absorbieren, die auf den aktiven Bereich auftrifft und als Reaktion auf die Absorption von Strahlung eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zu erzeugen, wobei der aktive Bereich mindestens eine aktive Schicht umfasst, die ein Halbleitermaterial umfasst, das eine Bandlücke zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 2,10 eV aufweist, wobei die mindestens eine aktive Schicht eine vordere Fläche aufweist, durch die im Betrieb des photoaktiven Bauelementes Strahlung in die mindestens eine aktive Schicht eintritt, und eine hintere Fläche auf einer der vorderen Fläche der mindestens einen aktiven Schicht gegenüberliegenden Seite, wobei die Oberflächen-Rauheit der hinteren Fläche größer ist als die Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche.
  • Ausführungsform 2: Photoaktives Bauelement gemäß Ausführungsform 1, wobei die hintere Fläche eine Topographie aufweist, die gestaltet ist, die Strahlung, die auf die hintere Fläche von innerhalb der mindestens einen aktiven Schicht auftrifft, zu reflektieren.
  • Ausführungsform 3: Photoaktives Bauelement gemäß Ausführungsform 2, wobei die Topographie der hinteren Fläche eine Vielzahl von Strukturmerkmalen umfasst, die eine mittlere Querschnittsabmessung in einer Ebene parallel zu der mindestens einen aktiven Schicht aufweisen, wobei die mittlere Querschnittsabmessung zwischen ungefähr einhundert Nanometer (100 nm) und ungefähr fünfzig Mikrometer (50 μm) liegt.
  • Ausführungsform 4: Photoaktives Bauelement gemäß Ausführungsform 3, wobei die Vielzahl von Strukturmerkmalen eine Vielzahl von Aussparungen umfasst, die sich in die mindestens eine aktive Schicht erstrecken, wobei die Vielzahl von Aussparungen eine mittlere Querschnittsabmessung in einer Ebene senkrecht zu der mindestens einen aktiven Schicht zwischen ungefähr zehn Nanometer (10 nm) und ungefähr zehn Mikrometer (10 μm) aufweist.
  • Ausführungsform 5: Photoaktives Bauelement gemäß Ausführungsform 3 oder Ausführungsform 4, wobei die Vielzahl von Strukturmerkmalen eine Vielzahl von Vorsprüngen umfasst, die sich aus der mindestens einen aktiven Schicht von einer Hauptebene der hinteren Fläche erstrecken, wobei die Vielzahl von Vorsprüngen eine mittlere Querschnittsabmessung in einer Ebene senkrecht zu der mindestens einen aktiven Schicht zwischen ungefähr zehn Nanometer (10 nm) und ungefähr zehn Mikrometer (10 μm) aufweist.
  • Ausführungsform 6: Photoaktives Bauelement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 5, wobei die mindestens eine aktive Schicht eine tatsächliche mittlere Schichtdicke von ungefähr einhundert Mikrometer (100 μm) oder weniger aufweist.
  • Ausführungsform 7: Photoaktives Bauelement gemäß Ausführungsform 6, wobei die mindestens eine aktive Schicht eine Zusammensetzung aufweist, dass Elektronen, die in der mindestens einen aktiven Schicht als Reaktion auf die Absorption von Strahlung erzeugt werden, eine mittlere Diffusionslänge aufweisen, die größer ist als die tatsächliche mittlere Schichtdicke der mindestens einen aktiven Schicht.
  • Ausführungsform 8: Photoaktives Bauelement gemäß Ausführungsform 6 oder Ausführungsform 7, wobei die tatsächliche mittlere Schichtdicke ungefähr zehn Mikrometer (10 μm) oder weniger beträgt.
  • Ausführungsform 9: Photoaktives Bauelement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 8, wobei die mindestens eine aktive Schicht mindestens einen p-Typ-Dotierstoff umfasst.
  • Ausführungsform 10: Photoaktives Bauelement gemäß Ausführungsform 9, wobei eine Konzentration des mindestens einen p-Typ-Dotierstoffs in der mindestens einen aktiven Schicht einen Konzentrations-Gradienten über die mindestens eine aktive Schicht aufweist, wobei die Konzentration des mindestens einen p-Typ-Dotierstoffs in der mindestens einen aktiven Schicht in einer Richtung abnimmt, die sich von der hinteren Fläche zur vorderen Fläche erstreckt.
  • Ausführungsform 11: Photoaktives Bauelement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 10, wobei das Halbleitermaterial der mindestens einen aktiven Schicht Germanium umfasst.
  • Ausführungsform 12: Photoaktives Bauelement gemäß Ausführungsform 11, wobei das Halbleitermaterial der mindestens einen aktiven Schicht mindestens im Wesentlichen einkristallines epitaktisches Germanium umfasst.
  • Ausführungsform 13: Photoaktives Bauelement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 12, wobei eine von erster Elektrode und zweiter Elektrode ein Metall umfasst, das in direktem physikalischen Kontakt mit der hinteren Fläche der mindestens einen aktiven Schicht steht.
  • Ausführungsform 14: Photoaktives Bauelement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 13, wobei das photoaktive Bauelement eine Solarzelle umfasst.
  • Ausführungsform 15: Photoaktives Bauelement gemäß Ausführungsform 14, wobei die Solarzelle eine Tandem-Solarzelle umfasst, und wobei der aktive Bereich ferner mindestens eine zusätzliche aktive Schicht umfasst, die ein anderes Halbleitermaterial umfasst, das eine Bandlücke aufweist, die größer ist als ungefähr 1,20 eV.
  • Ausführungsform 16: Verfahren zur Herstellung eines photoaktiven Bauelementes, umfassend: Ausbilden eines aktiven Bereichs und Gestalten des aktiven Bereichs, Strahlung zu absorbieren, die auf den aktiven Bereich auftrifft und als Reaktion auf die Absorption von Strahlung eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zu erzeugen, wobei der aktive Bereich mindestens eine aktive Schicht umfasst, die ein Halbleitermaterial umfasst, das eine Bandlücke zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 2,10 eV aufweist, wobei die mindestens eine aktive Schicht eine vordere Fläche aufweist, durch die im Betrieb des photoaktiven Bauelementes Strahlung in die mindestens eine aktive Schicht eintritt, und eine hintere Fläche auf einer der vorderen Fläche der mindestens einen aktiven Schicht gegenüberliegenden Seite, wobei die Oberflächen-Rauheit der hinteren Fläche größer ist als die Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche; und Ausbilden der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, zwischen denen als Reaktion auf die Absorption von Strahlung, die auf den aktiven Bereich auftrifft, eine Spannung erzeugt wird.
  • Ausführungsform 17: Verfahren nach Ausführungsform 16, wobei Ausbilden des aktiven Bereichs ferner umfasst: Ausbilden der mindestens einen aktiven Schicht auf einer Fläche eines ersten Substrats, so dass die hintere Fläche der mindestens einen aktiven Schicht benachbart zum ersten Substrat angeordnet ist; Entfernen des ersten Substrats von der mindestens einen aktiven Schicht und Freilegen der hinteren Fläche der mindestens einen aktiven Schicht; und Bearbeiten der hinteren Fläche der mindestens einen aktiven Schicht nach dem Entfernen des ersten Substrats von der mindestens einen aktiven Schicht und Bewirken, dass die hintere Fläche eine Oberflächen-Rauheit aufweist, die größer ist als die Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche.
  • Ausführungsform 18: Verfahren nach Ausführungsform 17, ferner umfassend das Befestigen eines zweiten Substrats über der mindestens einen aktiven Schicht an einer Seite davon, die dem ersten Substrat gegenüberliegt, bevor das erste Substrat von der mindestens einen aktiven Schicht entfernt wird.
  • Ausführungsform 19: Verfahren nach Ausführungsform 18, ferner umfassend das Ausbilden mindestens einer zusätzlichen aktiven Schicht des aktiven Bereichs auf dem zweiten Substrat vor dem Befestigen des zweiten Substrats über der mindestens einen aktiven Schicht an der Seite davon, die dem ersten Substrat gegenüberliegt.
  • Ausführungsform 20: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 17 bis 20, wobei Bearbeiten der hinteren Fläche der mindestens einen aktiven Schicht nach dem Entfernen des ersten Substrats von der mindestens einen aktiven Schicht mindestens eines von chemischem Ätzen der hinteren Fläche und mechanischem Aufrauen der hinteren Fläche umfasst.
  • Ausführungsform 21: Verfahren nach Ausführungsform 20, wobei Bearbeiten der hinteren Fläche der mindestens einen aktiven Schicht nach dem Entfernen des ersten Substrats von der mindestens einen aktiven Schicht chemisches Ätzen der hinteren Fläche mit mindestens einem von einem chemischen Nass-Ätzmittel und einem trockenen Plasma-Ätzmittel umfasst.
  • Ausführungsform 22: Verfahren nach Ausführungsform 20 oder Ausführungsform 21, wobei Bearbeiten der hinteren Fläche der mindestens einen aktiven Schicht nach dem Entfernen des ersten Substrats von der mindestens einen aktiven Schicht es umfasst, die hintere Fläche einem chemisch-mechanischen Polierprozess (CMP) auszusetzen.
  • Ausführungsform 23: Verfahren nach einem der Ausführungsformen 17 bis 22, wobei Ausbilden der mindestens einen aktiven Schicht auf der Oberfläche des ersten Substrats umfasst: Übertragen einer ersten Schicht, die das Halbleitermaterial der mindestens einen aktiven Schicht umfasst, auf das erste Substrat; und epitaktisches Aufwachsen einer zusätzlichen Schicht, die das Halbleitermaterial umfasst, auf der ersten Schicht, um eine Dicke der mindestens einen aktiven Schicht zu erhöhen.
  • Ausführungsform 24: Verfahren nach einer der Ausführungsformen 16 bis 23, ferner umfassend Dotieren der mindestens einen aktiven Schicht mit mindestens einen p-Typ-Dotierstoff.
  • Ausführungsform 25: Verfahren nach Ausführungsform 24, wobei Dotieren der mindestens einen aktiven Schicht mit mindestens einen p-Typ-Dotierstoff umfasst, die mindestens eine aktive Schicht mit dem mindestens einen p-Typ-Dotierstoff so zu dotieren, dass eine Konzentration des mindestens einen p-Typ-Dotierstoffs in der mindestens einen aktiven Schicht einen Konzentrations-Gradienten über die mindestens eine aktive Schicht aufweist, wobei die Konzentration des mindestens einen p-Typ-Dotierstoffs in der mindestens einen aktiven Schicht in einer Richtung abnimmt, die sich von der hinteren Fläche zur vorderen Fläche erstreckt.
  • Die beispielhaften Ausführungsformen der oben beschriebenen Offenbarung stellen keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung dar, da diese Ausführungsformen nur Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung sind, die durch den Umfang der angefügten Ansprüche und ihrer rechtmäßigen Äquivalente definiert ist. Es ist beabsichtigt, dass alle äquivalenten Ausführungsformen im Umfang dieser Erfindung liegen. In der Tat sind aus der Beschreibung für einen Fachmann zahlreiche Änderungen der Offenbarung, wie verschiedene nützliche Kombinationen der beschriebenen Elemente, zusätzlich zu den gezeigten und hier beschriebenen offensichtlich. Es ist beabsichtigt, dass solche Änderungen und Ausführungsformen ebenfalls in den Umfang der angefügten Ansprüche fallen.

Claims (17)

  1. Photoaktives Bauelement, umfassend: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; und einen aktiven Bereich, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei der aktive Bereich gestaltet ist, Strahlung zu absorbieren, die auf den aktiven Bereich auftrifft und als Reaktion auf die Absorption von Strahlung eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zu erzeugen, wobei der aktive Bereich mindestens eine aktive Schicht umfasst, die ein Halbleitermaterial umfasst, das eine Bandlücke zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 2,10 eV aufweist, wobei die mindestens eine aktive Schicht eine vordere Fläche aufweist, durch die im Betrieb des photoaktiven Bauelementes Strahlung in die mindestens eine aktive Schicht eintritt, und eine hintere Fläche auf einer der vorderen Fläche der mindestens einen aktiven Schicht gegenüberliegenden Seite, wobei die Oberflächen-Rauheit der hinteren Fläche größer ist als die Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche.
  2. Photoaktives Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei die hintere Fläche eine Topographie aufweist, die gestaltet ist, die Strahlung, die auf die hintere Fläche von innerhalb der mindestens einen aktiven Schicht auftrifft, zu reflektieren.
  3. Photoaktives Bauelement gemäß Anspruch 2, wobei die Topographie der hinteren Fläche eine Vielzahl von Strukturmerkmalen umfasst, die eine mittlere Querschnittsabmessung in einer Ebene parallel zu der mindestens einen aktiven Schicht aufweisen, wobei die mittlere Querschnittsabmessung zwischen ungefähr einhundert Nanometer (100 nm) und ungefähr fünfzig Mikrometer (50 μm) liegt.
  4. Photoaktives Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine aktive Schicht eine tatsächliche mittlere Schichtdicke von ungefähr einhundert Mikrometer (100 μm) oder weniger aufweist.
  5. Photoaktives Bauelement gemäß Anspruch 4, wobei die mindestens eine aktive Schicht eine Zusammensetzung aufweist, dass Elektronen, die in der mindestens einen aktiven Schicht als Reaktion auf die Absorption von Strahlung erzeugt werden, eine mittlere Diffusionslänge aufweisen, die größer ist als die tatsächliche mittlere Schichtdicke der mindestens einen aktiven Schicht.
  6. Photoaktives Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine aktive Schicht mindestens einen p-Typ-Dotierstoff umfasst.
  7. Photoaktives Bauelement gemäß Anspruch 6, wobei eine Konzentration des mindestens einen p-Typ-Dotierstoffs in der mindestens einen aktiven Schicht einen Konzentrations-Gradienten über die mindestens eine aktive Schicht aufweist, wobei die Konzentration des mindestens einen p-Typ-Dotierstoffs in der mindestens einen aktiven Schicht in einer Richtung abnimmt, die sich von der hinteren Fläche zur vorderen Fläche erstreckt.
  8. Photoaktives Bauelement gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 10, wobei das Halbleitermaterial der mindestens einen aktiven Schicht Germanium umfasst.
  9. Photoaktives Bauelement gemäß Anspruch 8, wobei das Halbleitermaterial der mindestens einen aktiven Schicht mindestens im Wesentlichen einkristallines epitaktisches Germanium umfasst.
  10. Verfahren zur Herstellung eines photoaktiven Bauelementes, umfassend: Ausbilden eines aktiven Bereichs und Gestalten des aktiven Bereichs, Strahlung zu absorbieren, die auf den aktiven Bereich auftrifft und als Reaktion auf die Absorption von Strahlung eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zu erzeugen, wobei der aktive Bereich mindestens eine aktive Schicht umfasst, die ein Halbleitermaterial umfasst, das eine Bandlücke zwischen ungefähr 0,60 eV und ungefähr 2,10 eV aufweist, wobei die mindestens eine aktive Schicht eine vordere Fläche aufweist, durch die im Betrieb des photoaktiven Bauelementes Strahlung in die mindestens eine aktive Schicht eintritt, und eine hintere Fläche auf einer der vorderen Fläche der mindestens einen aktiven Schicht gegenüberliegenden Seite, wobei die Oberflächen-Rauheit der hinteren Fläche größer ist als die Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche; und Ausbilden der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, zwischen denen als Reaktion auf die Absorption von Strahlung, die auf den aktiven Bereich auftrifft, eine Spannung erzeugt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei Ausbilden des aktiven Bereichs ferner umfasst: Ausbilden der mindestens einen aktiven Schicht auf einer Fläche eines ersten Substrats, so dass die hintere Fläche der mindestens einen aktiven Schicht benachbart zum ersten Substrat angeordnet ist; Entfernen des ersten Substrats von der mindestens einen aktiven Schicht und Freilegen der hinteren Fläche der mindestens einen aktiven Schicht; und Bearbeiten der hinteren Fläche der mindestens einen aktiven Schicht nach dem Entfernen des ersten Substrats von der mindestens einen aktiven Schicht und Bewirken, dass die hintere Fläche eine Oberflächen-Rauheit aufweist, die größer ist als die Oberflächen-Rauheit der vorderen Fläche.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend das Befestigen eines zweiten Substrats über der mindestens einen aktiven Schicht an einer Seite davon, die dem ersten Substrat gegenüberliegt, bevor das erste Substrat von der mindestens einen aktiven Schicht entfernt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend das Ausbilden mindestens einer zusätzlichen aktiven Schicht des aktiven Bereichs auf dem zweiten Substrat vor dem Befestigen des zweiten Substrats über der mindestens einen aktiven Schicht an der Seite davon, die dem ersten Substrat gegenüberliegt.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei Bearbeiten der hinteren Fläche der mindestens einen aktiven Schicht nach dem Entfernen des ersten Substrats von der mindestens einen aktiven Schicht mindestens eines von chemischem Ätzen der hinteren Fläche und mechanischem Aufrauen der hinteren Fläche umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei Ausbilden der mindestens einen aktiven Schicht auf der Oberfläche des ersten Substrats umfasst: Übertragen einer ersten Schicht, die das Halbleitermaterial der mindestens einen aktiven Schicht umfasst, auf das erste Substrat; und epitaktisches Aufwachsen einer zusätzlichen Schicht, die das Halbleitermaterial umfasst, auf der ersten Schicht, um eine Dicke der mindestens einen aktiven Schicht zu erhöhen.
  16. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend Dotieren der mindestens einen aktiven Schicht mit mindestens einen p-Typ-Dotierstoff.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei Dotieren der mindestens einen aktiven Schicht mit mindestens einen p-Typ-Dotierstoff umfasst, die mindestens eine aktive Schicht mit dem mindestens einen p-Typ-Dotierstoff so zu dotieren, dass eine Konzentration des mindestens einen p-Typ-Dotierstoffs in der mindestens einen aktiven Schicht einen Konzentrations-Gradienten über die mindestens eine aktive Schicht aufweist, wobei die Konzentration des mindestens einen p-Typ-Dotierstoffs in der mindestens einen aktiven Schicht in einer Richtung abnimmt, die sich von der hinteren Fläche zur vorderen Fläche erstreckt.
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