JP2014207447A - ハイブリッドメタモルフィックバッファ層を備える光電気デバイス - Google Patents

ハイブリッドメタモルフィックバッファ層を備える光電気デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】高い効率を有する多接合太陽電池を実現できる半導体構造を提供すること。【解決手段】いくつかの実装形態では、半導体構造が、第１のバンドギャップおよび第１の格子定数を有する第１の半導体層と、第２のバンドギャップおよび第２の格子定数を有する第２の半導体層とを備える。第２の格子定数は第１の格子定数より小さい。また、透明メタモルフィックバッファ層が、第１の半導体層と第２の半導体層の間に配設される。バッファ層は、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有する。変動格子定数は、第１の半導体層に隣接して第１の格子定数と整合され、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合される。バッファ層は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含む第１の部分、およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含む第２の部分を備える。第１の部分は第１の半導体層に隣接し、第２の部分は第２の半導体層に隣接する。【選択図】なし

Description

本開示は、光電子デバイスに関し、特に反転型メタモルフィック多接合太陽電池に関する。
多接合太陽電池は、場合によっては、単一接合太陽電池に比べて高い変換効率を示す。しかし、高効率の多接合太陽電池を実現するためには、１．０ｅＶおよび０．６８ｅＶのサブセルのような低バンドギャップサブセルを使用することが重要になり得る。いくつかの多接合太陽電池は、多接合デバイスの基板層、および１つまたは複数のサブセル、特に低バンドキャップサブセルの半導体層の間で大きな格子不整合を示す可能性がある。このため、段階的傾斜バッファ層が、大きな格子不整合を有するサブセルを接続するために使用されることがある。不都合なことに、既存のバッファ層によっては製造中に高い熱負荷を要することがある。高い熱負荷は、得られた太陽電池の動作中の性能を低下させる可能性がある。
したがって、ある種の既存の多接合太陽電池よりも高い効率を有する多接合太陽電池を実現できる改良された半導体構造、デバイス、および製造方法が必要とされる。
本明細書では、一態様において、いくつかの実施形態で、従来の半導体構造に優る１つまたは複数の利点をもたらすことができる半導体構造が説明される。例えば、いくつかの実装形態において、本明細書に記載の半導体構造では、いくつかの他の半導体構造と比べて効率が改善されかつ／または熱負荷が低減される。
いくつかの実装形態では、本明細書に記載の半導体構造は、第１のバンドギャップおよび第１の格子定数を有する第１の半導体層と、第２のバンドギャップおよび第２の格子定数を有する第２の半導体層とを備える。第２の格子定数は第１の格子定数より小さい。また、透明メタモルフィックバッファ層が、第１の半導体層と第２の半導体層の間に配設される。バッファ層は、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有する。さらに、変動格子定数は、第１の半導体層に隣接して第１の格子定数と整合され、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合される。さらに、バッファ層は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含むまたはＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る第１の部分、およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含むまたはＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る第２の部分を備える。第１の部分は、第１の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約２パーセントから約５０パーセントを形成する。第２の部分は、第２の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約５０パーセントから約９８パーセントを形成する。
また、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の半導体構造はさらに、第３の半導体層、ならびに第２の半導体層と第３の半導体層の間に配設された第２の透明メタモルフィックバッファ層を備える。第３の半導体層は、第３のバンドギャップおよび第３の格子定数を有し、第３の格子定数は第２の格子定数より小さい。第２の透明メタモルフィックバッファ層は、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有し、変動格子定数は、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合され、第３の半導体層に隣接して第３の格子定数と整合される。いくつかの例では、第２の透明メタモルフィックバッファ層は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＰまたはＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含む、あるいはＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＰまたはＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから形成される。
さらに、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の半導体構造はさらに、第４のバンドギャップおよび第４の格子定数を有する第４の半導体層を備える。さらに、本明細書に記載の半導体構造の第１、第２、第３、および第４の半導体層のうちの１つまたは複数は、ベース部およびエミッタ部を備えることができ、ベース部およびエミッタ部はｐ−ｎ接合を形成する。したがって、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の半導体構造は、４接合構造を含む多接合構造とすることができる。他の多接合構造も可能である。また、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の半導体構造は反転型メタモルフィック構造である。
本明細書では、別の態様において、いくつかの実施形態で、いくつかの他のデバイスに優る１つまたは複数の利点をもたらすことができる光電子デバイスが説明される。例えば、いくつかの実装形態では、本明細書に記載のデバイスは、いくつかの他のデバイスと比べて効率が改善されかつ／または熱負荷が低減される。いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光電子デバイスは、本明細書に記載の半導体構造を備える。例えば、いくつかの例では、光電子デバイスは、第１のバンドギャップおよび第１の格子定数を有する第１の半導体層を備える第１のサブセルと、第２のバンドギャップおよび第２の格子定数を有する第２の半導体層を備える第２のサブセルとを備える。第２の格子定数は第１の格子定数より小さい。また、透明メタモルフィックバッファ層が、第１のサブセルの第１の半導体層と第２のサブセルの第２の半導体層との間に配設される。バッファ層は、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有する。バッファ層の変動格子定数は、第１の半導体層に隣接して第１の格子定数と整合され、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合される。さらに、バッファ層は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含むまたはＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る第１の部分、およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含むまたはＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る第２の部分を備える。第１の部分は、第１の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約２パーセントから約５０パーセントを形成する。第２の部分は、第２の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約５０パーセントから約９８パーセントを形成する。さらに、いくつかの実装形態では、バッファ層は、第２のサブセルによって吸収可能な電磁放射に対して透過的である。
さらに、本明細書に記載の光電子デバイスのいくつかの実装形態では、デバイスがさらに第３のサブセルを備える。第３のサブセルは、第３のバンドギャップおよび第３の格子定数を有する第３の半導体層を備え、第３の格子定数は第２の格子定数より小さい。また、デバイスは、第２の半導体層と第３の半導体層の間に配設された第２の透明メタモルフィックバッファ層を備えることができる。第２のバッファ層は、所望に応じて、本明細書に記載の別のバッファ層の構造と同様または類似の構造を有することができる。例えば、いくつかの例では、第２のバッファ層は、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有する。変動格子定数は、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合され、第３の半導体層に隣接して第３の格子定数と整合される。
同様に、さらに他の実装形態では、本明細書に記載のデバイスはさらに第４のサブセルを備える。第４のサブセルは、第４のバンドギャップおよび第４の格子定数を有する第４の半導体層を備える。さらに、第１、第２、第３、および第４のサブセルの第１、第２、第３、および第４の半導体層のうちの１つまたは複数それぞれが、ベース部およびエミッタ部を備えることができ、ベース部およびエミッタ部はｐ−ｎ接合を形成する。したがって、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光電子デバイスは、４接合太陽電池のような４接合デバイスを含む多接合デバイスとすることができる。他の多機能デバイスも企図される。また、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の多接合デバイスは、反転型メタモルフィック太陽電池のような反転型メタモルフィックデバイスである。
本明細書では、別の態様において、いくつかの実施形態で、いくつかの従来の方法に優る１つまたは複数の利点をもたらすことができる光電子デバイスを作製する方法が説明される。いくつかの実装形態では、例えば、本明細書に記載の方法は、熱負荷が低減された光電子デバイスを提供することができる。さらに、本明細書に記載の方法は、本明細書に記載の任意の光電子デバイスを形成するために使用することができる。本明細書に記載の光電子デバイスを作製する方法は、いくつかの実装形態では、基板を用意することと、第１の半導体層を備える第１のサブセルを基板の上方に配設することと、第２の半導体層を備える第２のサブセルを基板の上方に配設することと、透明メタモルフィックバッファ層を第１の半導体層と第２の半導体層の間に配設することとを含む。第１の半導体層は、第１のバンドギャップおよび第１の格子定数を有する。第２の半導体層は、第２のバンドギャップおよび第２の格子定数を有し、第２の格子定数は第１の格子定数より小さい。さらに、第１のサブセルは第２のサブセルの上方に積層され、基板から第２のサブセルよりも基板から第１のサブセルが遠くに配置される。
透明メタモルフィックバッファ層は、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有し、バッファ層の変動格子定数は、第１の半導体層に隣接して第１の格子定数と整合され、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合される。さらに、バッファ層は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含むまたはＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る第１の部分、およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含むまたはＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る第２の部分を備える。第１の部分は、第１の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約２パーセントから約５０パーセントを形成し、第２の部分は、第２の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約５０パーセントから約９８パーセントを形成する。
また、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の方法はさらに、第３のサブセルを、基板の上方かつ第２のサブセルの下方に配設することを含む。第３のサブセルは、第３のバンドギャップおよび第３の格子定数を有する第３の半導体層を備え、第３の格子定数は第２の格子定数より小さい。いくつかの事例では、本明細書に記載の方法はさらに、第２の透明メタモルフィックバッファ層を、第２の半導体層と第３の半導体層の間に配設することを含む。このバッファ層は、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有する。変動格子定数は、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合され、第３の半導体層に隣接して第３の格子定数と整合される。
さらに、いくつかの事例では、本明細書に記載の方法はまた、第４のサブセルを、基板の上方かつ第３のサブセルの下方に配設することを含む。第４のサブセルは、第４のバンドギャップおよび第４の格子定数を有する第４の半導体層を備え、第４の格子定数は、第３の格子定数より小さいかまたは第３の格子定数と同じもしくは実質的に同じである。また、いくつかの実装形態では、１つまたは複数の追加のサブセルがさらに提供される。したがって、本明細書に記載の方法は、４接合、５接合、６接合、または７接合デバイスのような任意の所望の数のサブセルを有する多接合デバイスを作製するために使用することができる。
上記および他の実装形態が、以下の詳細な説明においてさらに詳細に説明される。
本明細書に記載の一実装形態による光電子デバイスの断面図である。 図１の光電子デバイスの一部分の概略図である。
本明細書に記載の実装形態は、以下の詳細な説明、例、および図面を参照することでより容易に理解され得る。しかし、本明細書に記載の要素、装置、方法は、詳細な説明、例、および図面に提示される個々の実装形態に限定されない。これらの実装形態は、本開示の原理の例示にすぎないことは認識されよう。当業者には、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、多数の修正および改変が容易に明らかとなろう。
また、本明細書に記載のすべての範囲が、その範囲に含まれる任意のすべての部分的範囲を包含することは理解されよう。例えば、記載された「１．０から１０．０」の範囲は、最小値の１．０以上から始まり、最大値の１０．０以下で終わる任意のすべての部分的範囲、例えば、１．０から５．３、または４．７から１０．０、または３．６から７．９を含むとみなされるべきである。
さらに、「まで」という表現が量と共に使用されるとき、その量は少なくとも検出可能量であることは理解されよう。例えば、指定量「まで」の量で存在する材料は、検出可能量から指定量を含む指定量までの量で存在し得る。
本明細書において、「格子定数」は、３００Ｋの温度における無歪み格子定数を含む。さらに、閃亜鉛鉱結晶構造のような立方晶結晶構造を有する半導体材料の場合、格子係数は、格子パラメータａ０を含む。六方晶系構造やウルツ鉱型結晶構造のような非立方晶結晶構造を有する半導体材料の場合、格子係数は、格子パラメータａまたは等価な格子パラメータｂを含む。
さらに、本明細書において、「格子整合」した材料は、同一の格子定数を有するか、または約０．０１％の範囲内で同じ格子定数を有し、このパーセントは、より大きな格子定数を分母とする。
同様に、本明細書において、「格子不整合」の材料または層は、異なる格子定数または実質的に異なる格子定数を有し、ここで実質的に異なる格子定数は約０．０１％または約０．１％より大きく異なる。２つの材料または層の格子定数間の差は、これらの材料または層の「格子不整合」と呼ぶことができる。当業者には理解されるように、格子不整合は、より大きな格子係数を分母とし、分子としての格子定数間の差に基づいてパーセントとして表現することができる。
また、本明細書において、「実質的に一定のバンドギャップ」は、本明細書に記載のバッファ層の厚さのような層の厚さにわたって、約１０パーセント未満、約５パーセント未満、約１パーセント未満、または約０．１パーセント未満だけ変化するバンドギャップを含む。
本明細書において、「透明」な材料または層は、隣接半導体層よりも大きいバンドギャップを有する材料または層を含む。例えば、第１の半導体層と第２の半導体層の間に配設された透明バッファ層は、第１および第２の半導体層のいずれよりも大きいバンドギャップを有する。
さらに、本明細書において、「メタモルフィック」層は、歪みが少なくとも約３０％緩和された層を含む。いくつかの実装形態では、メタモルフィック層は、約０．１μｍから約０．５μｍの厚さの段階または層のような小さな段階または層として組成が傾斜される層を含む、組成が段階的に傾斜された層である。本明細書において、「組成が段階的に傾斜された層」は、材料の組成が傾斜された複数の段階または層を含む層、あるいは材料の組成が傾斜された複数の段階または層から形成される層であり、これら組成傾斜段階は、異なる化学組成を有する。複数の組成傾斜段階の異なる化学組成は、１つまたは複数の要素の量が増加または減少していく勾配のような全体的な組成勾配を示すことができる。例えば、いくつかの実装形態では、段階的傾斜層の段階のＡｌ含有量が、層の底部から層の最上部に向かって増加し、かつ／または、段階的傾斜層の段階のＧａ含有量が、層の底部から層の最上部に向かって減少することができる。例示として、より一般的には、四次構造ＡａＢｂＣｃＤｄを有する、組成が段階的に傾斜された層は、ａ、ｂ、ｃ、およびｄのうちの１つまたは複数がその層にわたって段階ごとに増加または減少していく、化学組成ＡａＢｂＣｃＤｄを有する複数の組成傾斜段階を備えることができる。
さらに、本明細書において、半導体構造またはデバイスの「最上」半導体層またはサブセルは、構造またはデバイスの通常の作用および配向において、入射電磁放射源に最も近い半導体またはデバイスの層またはサブセルを含む。したがって、「最上」層またはサブセルは、最も「太陽側」の層またはサブセルと呼ぶこともできる。
同様に、本明細書において、半導体構造またはデバイスの「最下」半導体層またはサブセルは、構造またはデバイスの通常の作用および配向において、入射電磁放射源から最も遠い半導体またはデバイスの層またはサブセルを含む。したがって、「最下」層またはサブセルは、構造またはデバイスの「太陽側」層またはサブセルと反対側の層またはサブセルと呼ぶこともできる。
Ｉ．半導体構造
一態様として、半導体構造を本明細書で説明する。いくつかの実装形態では、本明細書に記載の半導体構造は、第１のバンドギャップおよび第１の格子定数を有する第１の半導体層と、第２のバンドギャップおよび第２の格子定数を有する第２の半導体層とを備える。第２の格子定数は第１の格子定数より小さい。また、いくつかの事例では、第１のバンドギャップと第２のバンドギャップは異なる。例えば、いくつかの事例では、第２のバンドギャップが第１のバンドギャップよりも大きい。
半導体構造はさらに、第１の半導体層と第２の半導体層の間に配設された透明メタモルフィックバッファ層を備え、このバッファ層は、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有する。変動格子定数は、第１の半導体層に隣接して第１の格子定数と整合され、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合される。
バッファ層は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含むまたはＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る第１の部分、およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含むまたはＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る第２の部分を備え、いくつかの事例では、ｘを０とし、かつ／または（ｙ＋ｚ）を１とすることができる。第１の部分は、第１の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約２パーセントから約５０パーセントを形成し、第２の部分は、第２の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約５０パーセントから約９８パーセントを形成する。いくつかの事例では、バッファ第１の部分は、バッファ層の全厚の約５パーセントから約４０パーセントを形成する。他の例では、バッファ第１の部分は、バッファ層の全厚の約１０パーセントから約４０パーセント、約１５パーセントから約３５パーセント、約２０パーセントから約４０パーセント、または約３０パーセントから約３５パーセントを形成する。
さらに、いくつかの実装形態では、バッファ層の全厚は、バッファ層の第１の部分の厚さとバッファ層の第２の部分の厚さとの和である。また、いくつかの事例では、全厚は、２０μｍ未満、１５μｍ未満、１０μｍ未満、または５μｍ未満である。全厚は、約１μｍと約２０μｍの間、約１μｍと約１５μｍの間、約１μｍと約１０μｍの間、または約３μｍと約５μｍの間としてもよい。
さらに、いくつかの場合、本明細書に記載のバッファ層の第１の部分は、第１の半導体層の第１の格子定数と第２の半導体層の第２の格子定数との間の少なくとも約３パーセントの格子不整合を補償することができる。いくつかの実装形態では、第１の部分は、第１の格子定数と第２の格子定数の間の少なくとも約１０パーセント、少なくとも約２０パーセント、または少なくとも約３０パーセントの格子不整合を補償することができる。他の例では、バッファ層の第１の部分は、第１の格子定数と第２の格子定数の間の約５０パーセントまで、約３０パーセントまで、約２０パーセントまで、または約１０パーセントまでの格子不整合を補償することができる。いくつかの事例では、バッファ層の第１の部分は、第１の格子定数と第２の格子定数の間の約３パーセントと約５０パーセントの間、約１０パーセントと約４０パーセントの間、または約１５パーセントと約３０パーセントの間の格子不整合を補償することができる。
また、いくつかの実装形態では、本明細書に記載のメタモルフィックバッファ層の化学組成は、層内で異なることが可能である。例えば、いくつかの事例では、バッファ層の第１の部分のＩｎ含有量は、第２の半導体層から第１の半導体層に向かって増加する。さらに、そのような組成を有するいくつかの実装形態では、バッファ層の第１の部分のＡｌ含有量もまた、第２の半導体層から第１の半導体層に向かって増加する。さらに、そのような構成を有するバッファ層の第１の部分のバンドギャップが、組成勾配全体を通して一定または実質的に一定であることも可能である。
同様に、いくつかの事例では、本明細書に記載のバッファ層の第１の部分は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含むまたはＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る複数の組成傾斜段階を備えることができ、バッファ層の第２の部分は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含むまたはＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る複数の組成傾斜段階を備えることができる。いくつかの実装形態では、ｘを０とし、かつ／または（ｙ＋ｚ）を１とすることができる。他の例では、ｘはゼロ以外であり、かつ／または（ｙ＋ｚ）は１未満である。いくつかの事例では、複数のＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階のうちの１つは、複数のＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階のうちの１つと直接隣接し、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階は、同じ格子定数を有する。さらに、いくつかの事例では、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階の一方または両方は、少なくとも約０．２μｍの厚さを有する。他の厚さにすることも可能である。例えば、いくつかの実装形態では、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階の一方または両方が、少なくとも約０．４μｍの厚さ、または約０．２μｍと約１０μｍの間もしくは約０．２μｍと約１μｍの間の厚さを有する。また、いくつかの実装形態では、バッファ層の第２の部分が、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階の格子定数よりも大きな格子定数を有するＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階を備える。さらに、このＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階は、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階よりも第２の半導体層の近くに配置することができる。さらに、いくつかの実装形態では、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階の格子定数よりも大きな格子定数を有し、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階よりも第２の半導体層の近くに配置されたＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階が、ＩｎＰ段階である。さらに、いくつかの事例では、本明細書に記載のバッファ層の第１の部分に存在する最も小さい格子定数が、ＩｎＰの格子定数より小さいかまたはＩｎＰの格子定数と等しい。
いくつかの例では、本明細書に記載のバッファ層の第２の部分がＡｌを含むことも可能である。例えば、いくつかの実装形態では、本明細書に記載のバッファ層の第２の部分が、ＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐを含む、またはＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐから形成され、ここでａは０以外である。さらに、いくつかの事例では、バッファ層の第２の部分におけるＡｌの量は、ＩＩＩ族元素の総量に基づいて、約５原子パーセント未満または約２原子パーセント未満とすることができる。例えば、ａは、約０．００１と約０．０２の間とすることができる。
したがって、そのようないくつかの実装形態では、本明細書に記載のバッファ層の第１の部分は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含むまたはＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る複数の組成傾斜段階を備えることができ、バッファ層の第２の部分は、ＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐを含むまたはＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐから成る複数の組成傾斜段階を備えることができる。いくつかの実装形態では、ｂを０とし、かつ／または（ｙ＋ｚ）を１とすることができる。他の例では、ｂはゼロ以外であり、かつ／または（ｙ＋ｚ）は１未満である。いくつかの事例では、複数のＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階のうちの１つは、複数のＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐ段階のうちの１つと直接隣接し、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐ段階は、同じ格子定数を有する。さらに、いくつかの事例では、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐ段階の一方または両方は、少なくとも約０．２μｍの厚さを有する。他の厚さにすることも可能である。例えば、いくつかの実装形態では、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐ段階の一方または両方が、少なくとも約０．４μｍの厚さ、または約０．２μｍと約１０μｍの間もしくは約０．２μｍと約１μｍの間の厚さを有する。また、いくつかの実装形態では、バッファ層の第２の部分が、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐ段階の格子定数よりも大きな格子定数を有するＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐ段階を備える。さらに、このＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐ段階は、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐ段階よりも第２の半導体層の近くに配置することができる。さらに、いくつかの実装形態では、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐ段階の格子定数よりも大きな格子定数を有し、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐ段階よりも第２の半導体層の近くに配置されたＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）
Ｐ段階が、ＩｎＰ段階である。さらに、いくつかの事例では、本明細書に記載のバッファ層の第１の部分に存在する最も小さい格子定数が、ＩｎＰの格子定数より小さいかまたはＩｎＰの格子定数と等しい。
驚くべきことに、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の組成および構造を有するメタモルフィックバッファ層は、高い外部量子効率を示す半導体構造を実現できることが分かった。
本明細書に記載の半導体構造は、既に述べた層に加えて、１つまたは複数の追加の半導体層、および／あるいは１つまたは複数の追加のメタモルフィックバッファ層など、１つまたは複数の層を備えることができる。例えば、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の半導体構造はさらに、第３の半導体層、ならびに第２の半導体層と第３の半導体層の間に配設された第２の透明メタモルフィックバッファ層を備える。第３の半導体層は、第３のバンドギャップおよび第３の格子定数を有し、第３の半導体層の第３の格子定数は、第２の半導体層の第２の格子定数より小さい。また、いくつかの事例では、第３のバンドギャップは第２のバンドギャップよりも大きい。
第２のバッファは、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有し、変動格子定数は、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合され、第３の半導体層に隣接して第３の格子定数と整合される。さらに、第２のメタモルフィック層は、本開示の目的と矛盾しない任意の材料を含むまたはその材料から形成することができる。いくつかの例では、例えば、第２のメタモルフィック層は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＰまたはＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）ＰまたはＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓを含む、あるいはそれらのいずれかから形成される。いくつかの事例では、第２のメタモルフィックバッファ層は、第１のメタモルフィックバッファ層と同様または類似の組成を有することができる。
さらに、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の半導体構造はさらに、第４のバンドギャップおよび第４の格子定数を有する第４の半導体層を備える。さらに、本明細書に記載の半導体構造の第１、第２、第３、および第４の半導体層のうちの１つまたは複数は、ベース部およびエミッタ部を備えることができ、ベース部およびエミッタ部はｐ−ｎ接合を形成する。したがって、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の半導体構造は、４接合構造を含む多接合構造とすることができる。他の多接合構造も可能である。例えば、本明細書に記載の任意の数の半導体層は、本開示の目的と矛盾しない任意の数の接合を形成するために使用され得る。したがって、所望に応じて、本明細書に記載の半導体構造は、３接合、４接合、５接合、６接合、または７接合の半導体構造とすることができる。また、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の半導体構造は反転型メタモルフィック構造である。
さらに、本明細書に記載の半導体構造の半導体層は、本開示の目的と矛盾しない任意の材料を含むまたはその材料から形成することができ、本開示の目的と矛盾しない任意のバンドギャップを有することができる。いくつかの実装形態では、本明細書に記載の１つまたは複数の半導体層は、２元、３元、４元、または５元材料を含むＩＩＩ−Ｖ材料を含み、あるいはかかる材料から形成される。また、本明細書に記載の半導体層は、ＩＩ−ＶＩ材料またはＩＶ族材料を含む、あるいはＩＩ−ＶＩ材料またはＩＶ族材料から形成することもできる。さらに、本明細書に記載の半導体層は、１つまたは複数の遷移金属を含む１つまたは複数の金属を含むこともできる。本明細書に記載のいくつかの実装形態で使用するのに適した材料の非限定的例として、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＰＡｓ、ＧａＰＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＰＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＮＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＩｎＮＡｓＳｂ、ＡｌＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＮＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＡｌＮＰ、ＧａＮＰ、ＩｎＮＰ、ＡｌＧａＮＰ、ＧａＩｎＮＰ、ＡｌＩｎＮＰ、ＡｌＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＩｎＰＡｓＳｂ、ＡｌＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＰＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＰＡｓＳｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＳｎ、ＧｅＳｎ、ＳｉＧｅＳｎ、ＣＳｉ、ＣＧｅ、ＣＳｎ、ＣＳｉＧｅ、ＣＧｅＳｎ、ＣＳｉＳｎ、ＣＳｉＧｅＳｎ、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＣｕＧａＳ、ＣｕＩｎＳ、ＣｕＧａＩｎＳ、ＣｕＧａＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＧａＩｎＳｅ、ＣｕＧａＳＳｅ、ＣｕＩｎＳＳｅ、ＣｕＧａＩｎＳＳｅがある。いくつかの実装形態では、例えば、本明細書に記載の半導体構造の第１の半導体層および／または第２の半導体層は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ａｓを含む、またはＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ａｓから形成される。
また、いくつかの事例では、本明細書に記載の半導体層の化学組成は、層の所望のバンドギャップに基づいて選択される。例えば、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ａｓ半導体層の化学組成は、以下の式（１）で記述されるようなバンドギャップ（ｅＶを単位とするＥｇ）と（１−ｘ）の間の経験的に導かれた関係に基づいて選択することができる。
Ｅｇ（（１−ｘ））＝０．４１３（１−ｘ）２−１．４６９（１−ｘ）＋１．４１５ （１）
さらに、本開示の目的と矛盾しないバンドギャップの任意の組合せが、本明細書に記載の半導体構造で使用され得る。いくつかの実装形態では、半導体層のバンドギャップは、構造の最上部から底部へ移動するに従ってバンドギャップが増加していく順序で配列される。一方、他の事例では、バンドギャップが減少していく順序で配列される。例えば、４接合構造のいくつかの実装形態では、第１の半導体層のバンドギャップは第２の半導体層のバンドギャップより小さく、第２の半導体層のバンドギャップは第３の半導体層のバンドギャップより小さく、第３の半導体層のバンドギャップは第４の半導体層のバンドギャップより小さい。さらに、いくつかの例では、第１の半導体層のバンドギャップは約０．５ｅＶと約１ｅＶの間である。いくつかの実装形態では、第１の半導体層のバンドギャップは約０．７３ｅＶ以下である。例えば、第１の半導体層のバンドギャップは約０．６８ｅＶとすることができる。さらに、いくつかの実装形態では、第２の半導体層は、約１．３ｅＶと約１．５ｅＶの間のバンドギャップを有し、第３の半導体層は、約１．６ｅＶと約１．７ｅＶの間のバンドギャップを有し、第４の半導体層は、約１．８ｅＶと約２ｅＶの間のバンドギャップを有する。当業者に理解されるように他の構成も可能である。
本開示の一態様は、バッファ層の第１の部分のＡｌ含有量が第２の半導体層から第１の半導体層に向かって増加し、第１の部分のバンドギャップが一定または実質的に一定である構造に関する。
本開示の別の態様は、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階の一方または両方が少なくとも約０．２μｍの厚さを有する構造に関する。
さらに、いくつかの実装形態では、半導体構造において、バッファ層の第２の部分は、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階の格子定数よりも大きな格子定数を有し、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階よりも第２の半導体層の近くに配置されたＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階を備える。
さらに別の態様の構造では、第２のバンドギャップが第１のバンドギャップよりも大きい。
ＩＩ．光電子デバイス
別の態様として、光電子デバイスを本明細書で説明する。いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光電子デバイスは、第１の半導体層を備える第１のサブセルと、第２の半導体層を備える第２のサブセルと、第１の半導体層と第２の半導体層の間に配設された透明メタモルフィックバッファ層とを備える。これらの第１の半導体層、第２の半導体層、およびバッファ層には、節Ｉで前述した任意の第１の半導体層、第２の半導体層、およびバッファ層を含むことができる。したがって、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光電子デバイスは、節Ｉで前述した半導体構造を備えるまたは組み込むことができる。任意のそのような半導体構造が使用され得る。
いくつかの実装形態では、例えば、本明細書に記載のデバイスの第１のサブセルの第１の半導体層は、第１のバンドギャップおよび第１の格子定数を有し、デバイスの第２のサブセルの第２の半導体層は、第２のバンドギャップおよび第２の格子定数を有し、第２の格子定数は第２の格子定数より小さい。また、いくつかの事例では、第２のバンドギャップは第１のバンドギャップよりも大きい。
さらに、いくつかの実装形態では、本明細書に記載のデバイスの透明メタモルフィックバッファ層は、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有する。バッファ層の変動格子定数は、第１の半導体層に隣接して第１の格子定数と整合され、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合される。また、バッファ層は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含むまたはＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る第１の部分、およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含むまたはＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る第２の部分を備える。いくつかの実装形態では、ｘを０とし、かつ／または（ｙ＋ｚ）を１とすることができる。他の例では、ｘはゼロ以外であり、かつ／または（ｙ＋ｚ）は１未満である。第１の部分は、第１の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約２パーセントから約５０パーセントを形成する。第２の部分は、第２の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約５０パーセントから約９８パーセントを形成する。さらに、いくつかの実装形態では、バッファ層は、第２のサブセルによって吸収可能な電磁放射に対して透過的である。
また、節Ｉで前述したように、本明細書に記載のメタモルフィックバッファ層の化学組成は、層内で異なることが可能である。例えば、いくつかの事例では、バッファ層の第１の部分のＩｎ含有量は、第２の半導体層から第１の半導体層に向かって増加する。さらに、そのような組成を有するいくつかの実装形態では、バッファ層の第１の部分のＡｌ含有量もまた、第２の半導体層から第１の半導体層に向かって増加する。さらに、そのような構成を有するバッファ層の第１の部分のバンドギャップが、組成勾配全体を通して一定または実質的に一定であることも可能である。
同様に、いくつかの事例では、本明細書に記載のバッファ層の第１の部分は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る複数の組成傾斜段階を備えることができ、バッファ層の第２の部分は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る複数の組成傾斜段階を備えることができる。いくつかの実装形態では、ｘを０とし、かつ／または（ｙ＋ｚ）を１とすることができる。他の例では、ｘはゼロ以外であり、かつ／または（ｙ＋ｚ）は１未満である。いくつかの事例では、複数のＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階のうちの１つは、複数のＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階のうちの１つと直接隣接し、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階は、同じ格子定数を有する。さらに、いくつかの事例では、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階の一方または両方は、少なくとも約０．２μｍの厚さを有する。他の厚さにすることも可能である。例えば、いくつかの実装形態では、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階の一方または両方が、少なくとも約０．４μｍの厚さ、または約０．２μｍと約１０μｍの間もしくは約０．２μｍと約１μｍの間の厚さを有する。また、いくつかの実装形態では、バッファ層の第２の部分が、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階の格子定数よりも大きな格子定数を有するＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階を備える。さらに、このＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階は、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階よりも第２の半導体層の近くに配置することができる。さらに、いくつかの実装形態では、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階の格子定数よりも大きな格子定数を有し、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階よりも第２の半導体層の近くに配置されたＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階が、ＩｎＰ段階である。さらに、いくつかの事例では、本明細書に記載のバッファ層の第１の部分に存在する最も小さい格子定数が、ＩｎＰの格子定数より小さいかまたはＩｎＰの格子定数と等しい。
また、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光電子デバイスは基板をさらに含み、バッファ層の第１の部分は、基板と第１の半導体層の間の約５パーセントと約１５パーセントの間の格子不整合を補償することができる。いくつかの事例では、バッファ層の第１の部分は、基板と第１の半導体層の間の約１０パーセントの格子不整合を補償する。さらに、いくつかの例では、基板と第１の半導体層の間の格子不整合は、約２パーセントと約６パーセントの間または約３パーセントと約５パーセントの間である。
さらに、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光電子デバイスはさらに、１つまたは複数の追加のサブセル、および／あるいは１つまたは複数の追加のメタモルフィックバッファ層など、１つまたは複数の追加のコンポーネントまたは層を備える。例えば、いくつかの事例では、デバイスがさらに第３のサブセルを備える。第３のサブセルは、第３のバンドギャップおよび第３の格子定数を有する第３の半導体層を備える。第３の半導体層は、半導体構造の第３の半導体層に関して節Ｉで前述した任意の特徴を有することができる。例えば、いくつかの事例では、第３の格子定数は、第２の半導体層の第２の格子定数より小さい。また、いくつかの実装形態では、第３のバンドギャップは第２のバンドギャップよりも大きい。
また、第２の透明メタモルフィックバッファ層を、第２のサブセルの第２の半導体層と第３のサブセルの第３の半導体層との間に配設することができる。このバッファ層は、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有し、変動格子定数は、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合され、第３の半導体層に隣接して第３の格子定数と整合される。
さらに、第２のバッファ層は、半導体構造の第２のバッファ層に関して節Ｉで前述した任意の特徴を有することができる。例えば、いくつかの事例では、第２のバッファ層は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＰまたはＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓを含む、あるいはＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＰまたはＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ａｓから形成される。さらに、いくつかの例では、第２のバッファ層は、本明細書に記載の光電子デバイスの第１のメタモルフィックバッファ層と同様または類似の組成を有する。
同様に、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光電子デバイスはさらに第４のサブセルを備える。第４のサブセルは、第４のバンドギャップおよび第４の格子定数を有する第４の半導体層を備える。第４の半導体層は、半導体構造の第４の半導体層に関して節Ｉで前述した任意の特徴を有することができる。例えば、いくつかの事例では、第４の格子定数は、第３の半導体層の第３の格子定数と同じもしくは実質的に同じである。また、いくつかの実装形態では、第４のバンドギャップが第３のバンドギャップよりも大きい。
さらに、本明細書に記載のデバイスの第１、第２、第３、および第４の半導体層のうちの１つまたは複数は、ベース部およびエミッタ部を備えることができ、ベース部およびエミッタ部はｐ−ｎ接合を形成する。したがって、いくつかの実装形態では、本明細書に記載のデバイスは、４接合デバイスを含む多接合デバイスとすることができる。他の多接合デバイスも可能である。例えば、本明細書に記載の任意の数のサブセルおよび／または半導体層が、本開示の目的と矛盾しない任意の数の接合を形成するために使用され得る。したがって、所望に応じて、本明細書に記載のデバイスは、３接合、４接合、５接合、６接合、または７接合のデバイスとすることができ、３、４、５、６、または７つのサブセルを備えることができる。また、いくつかの実装形態では、本明細書に記載のデバイスは、反転型多接合太陽電池のような反転型メタモルフィックデバイスである。
さらに、半導体構造に関して節Ｉで前述したように、本明細書に記載の光電子デバイスの半導体層は、本開示の目的と矛盾しない任意の材料を含むまたはその材料から形成することができ、本開示の目的と矛盾しない任意のバンドギャップを有することができる。いくつかの実装形態では、本明細書に記載の１つまたは複数の半導体層は、節Ｉで前述した任意の材料を含むＩＩＩ−Ｖ材料、ＩＩ−ＶＩ材料、またはＩＶ族材料を含み、あるいはかかる材料から形成される。いくつかの実装形態では、例えば、本明細書に記載の光電子デバイスの第１の半導体層および／または第２の半導体層は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ａｓを含む、またはＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ａｓから形成される。
また、いくつかの事例では、節Ｉで前述したように、半導体層の化学組成は、層の所望のバンドギャップに基づいて選択される。さらに、本開示の目的と矛盾しないバンドギャップの任意の組合せが、本明細書に記載の光電子デバイスで使用され得る。いくつかの実装形態では、半導体層のバンドギャップは、デバイスの最上部から底部へ移動するに従ってバンドギャップが増加していく順序で、デバイスのサブセルに配列される。一方、他の事例では、バンドギャップが減少していく順序で配列される。例えば、４接合デバイスのいくつかの実装形態では、第１の半導体層のバンドギャップは第２の半導体層のバンドギャップより小さく、第２の半導体層のバンドギャップは第３の半導体層のバンドギャップより小さく、第３の半導体層のバンドギャップは第４の半導体層のバンドギャップより小さい。さらに、いくつかの例では、第１の半導体層のバンドギャップは約０．５ｅＶと約１ｅＶの間である。さらに、いくつかの実装形態では、第２の半導体層は、約１．３ｅＶと約１．５ｅＶの間のバンドギャップを有し、第３の半導体層は、約１．６ｅＶと約１．７ｅＶの間のバンドギャップを有し、第４の半導体層は、約１．８ｅＶと約２ｅＶの間のバンドギャップを有する。当業者に理解されるように他の構成も可能である。
本明細書に記載のデバイスはまた、１つまたは複数の追加のサブセルまたはバッファ層に加えて、１つまたは複数の追加のコンポーネントまたは層を備えることもできる。例えば、いくつかの実装形態では、光電子デバイスは、１つまたは複数の基板層、キャップ層、窓層、トンネル接合層、裏面電界（ＢＳＦ）層、および／またはエッチング停止層を備える。こうした層は、本開示の目的と矛盾しない任意の構成を有し、本開示の目的と矛盾しない任意の材料から形成することができる。例えば、いくつかの実装形態では、基板層、キャップ層、窓層、トンネル接合層、ＢＳＦ層、および／またはエッチング停止層は、節Ｉで前述した任意の材料を含むＩＩＩ−Ｖ材料、ＩＩ−ＶＩ材料、またはＩＶ族材料を含み、あるいはかかる材料から形成される。
次に、図面を参照して光電子デバイスのいくつかの非限定的実装形態をさらに説明する。図１は、本明細書に記載の一実装形態による光電子デバイスの断面図を示す。光電子デバイスの種々のコンポーネントは、必ずしも原寸に比例して図示されていない。光電子デバイス（１０００）は、第１の半導体層（１１１０）を備える第１のサブセル（１１００）と、第２の半導体層（１２１０）を備える第２のサブセル（１２００）と、第１の半導体層（１１１０）と第２の半導体層（１２１０）の間に配設された透明メタモルフィックバッファ層（１３００）とを備える。図１に示すように、第１の半導体層（１１１０）は、ベース部（１１１１）およびエミッタ部（１１１２）を備え、第２の半導体層（１２１０）は、ｐ型ベース部（１２１１）およびｎ型エミッタ部（１２１２）を備える。ただし、半導体層（１１１０、１２１０）の他の構成も可能である。
バッファ層（１３００）は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る第１の部分（１３１０）、およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る第２の部分（１３２０）を備える。第１の部分（１３１０）は第１の半導体層（１１１０）に隣接する。第２の部分（１３２０）は第２の半導体層（１２１０）に隣接する。図１に示すように、第１の部分（１３１０）および第２の部分（１３２０）はそれぞれ、第１の半導体層（１１１０）および第２の半導体層（１２１０）に直接隣接していない。代わりに、種々の窓層およびトンネル接合層がその間に配設されている。しかし、当業者に理解されるように他の実装形態も可能である。
図１のデバイスはまた、第３のサブセル（１４００）を備える。第３のサブセル（１４００）は、第３の半導体層（１４１０）を備える。第３の半導体層（１４１０）は、ｐ型ベース部（１４１１）およびｎ型エミッタ部（１４１２）を備える。また、第２の透明メタモルフィックバッファ層（１５００）が、第２のサブセル（１２００）の第２の半導体層（１２１０）と第３のサブセル（１４００）の第３の半導体層（１４１０）との間に配設される。バッファ層（１５００）は、段階的に傾斜された組成を有する。
さらに、デバイス（１０００）は、第４のサブセル（１６００）および基板（１７００）も備える。第４のサブセル（１６００）は第４の半導体層（１６１０）を備える。第４の半導体層（１６１０）は、ｐ型ベース部（１６１１）およびｎ型エミッタ部（１６１２）を備える。
図２は、図１の光電子デバイスの（１０００）の第１のバッファ層（１３００）の一部をより詳細に示す。このバッファ層（１３００）の部分は模式的に示されていることに留意されたい。具体的には、図２において各段階の（ｗ方向の）幅は、その段階の物理的寸法ではなく相対的格子定数に対応している。したがって、より広い段階として示す段階は、より大きい格子定数を有し、より狭い段階として示す段階は、より小さい格子定数を有する。各段階の（ｈ方向の）高さは、成長した各段階の相対的厚さに対応する。したがって、より高さが大きい段階は、より厚い段階（例えば、０．２μｍ厚）であり、より高さが小さい段階は、より薄い段階（例えば、０．１μｍ厚）である。また、図２中の点線は、バッファ層（１３００）の具体的に図示しない他の段階を表している。
図２に示すように、バッファ層（１３００）は、バッファ層（１３００）の第１の部分（１３１０）と第２の部分（１３２０）の間に材料切替え界面（１３３０）を備える。材料切替え界面（１３３０）は、Ｐ含有の第２の部分（１３２０）からＡｓ含有の第１の部分（１３１０）への変わり目を指し示す。バッファ層（１３００）の第１の部分（１３１０）は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る複数の組成傾斜段階（１３１１、１３１２、１３１３、１３１４）を備える。バッファ層（１３００）の第２の部分（１３２０）は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る複数の組成傾斜段階（１３２１、１３２２、１３２３、１３２４）を備える。複数のＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階のうちの１つのＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ（１３１４）が、複数のＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階のうちの１つのＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ（１３２１）と直接隣接し、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階（それぞれ１３１４、１３２１）は、同じ格子定数を有する。さらに、図２に示すように、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階（それぞれ１３１４、１３２１）のいずれも、バッファ層（１３００）の種々の他のＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階（１３１１、１３１２、１３１３、１３２２、１３２３、１３２４）よりも厚い。また、図２の実装形態では、バッファ層（１３００）の第２の部分（１３２０）は、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階（それぞれ１３１４、１３２１）の格子定数よりも大きな格子定数を有するＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階（１３２３、ｘ＝０）を備える。このＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階（１３２３）は、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階（それぞれ１３１４、１３２１）よりも第２の半導体層（図示せず）の近くに配置される。
さらに、節Ｉで前述したように、バッファ層（１３００）の第２の部分（１３２０）は、代わりに、ＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐから成る複数の組成傾斜段階を備えることができることに留意されたい。例えば、いくつかの実装形態では、図２におけるＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階の１つまたは複数（１３２１、１３２２、および１３２４）を、所望に応じてａがゼロ以外とされ得るＡｌａＧａｂＩｎ（１−ａ−ｂ）Ｐから成る段階に置き換えることができる。
驚くべきことに、いくつかの事例では、図２の実装形態の構造を有するバッファ層は、材料切替え界面において過度の粗さまたは多数の欠陥をもたらすことなく、バッファ層の第１の部分を比較的薄くすることを可能にできることが分かった。しかし、当業者に理解されるように、本明細書に記載の光電子デバイスは、図１および図２に示された構成に加えて、他の構成を有することも可能である。
ＩＩＩ．光電子デバイスを作製する方法
別の態様として、光電子デバイスを作製する方法を本明細書で説明する。本明細書に記載の方法は、節ＩＩで前述した任意の光電子デバイスを形成するために使用することができる。いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光電子デバイスを作製する方法は、基板を用意することと、第１の半導体層を備える第１のサブセルを基板の上方に配設することと、第２の半導体層を備える第２のサブセルを基板の上方に配設することと、透明メタモルフィックバッファ層を第１の半導体層と第２の半導体層の間に配設することとを含む。第１の半導体層は、第１のバンドギャップおよび第１の格子定数を有する。第２の半導体層は、第２のバンドギャップおよび第２の格子定数を有し、第２の格子定数は第１の格子定数より小さい。さらに、第１のサブセルは第２のサブセルの上方に積層されており、基板から第２のサブセルよりも基板から第１のサブセルが遠くに配置される。透明メタモルフィックバッファは、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有し、変動格子定数は、第１の半導体層に隣接して第１の格子定数と整合され、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合される。さらに、バッファ層は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含むまたはＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る第１の部分、およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含むまたはＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る第２の部分を備える。いくつかの実装形態では、ｘを０とし、かつ／または（ｙ＋ｚ）を１とすることができる。他の例では、ｘはゼロ以外であり、かつ／または（ｙ＋ｚ）は１未満である。第１の部分は、第１の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約２パーセントから約５０パーセントを形成し、第２の部分は、第２の半導体層に隣接し、バッファ層の全厚の約５０パーセントから約９８パーセントを形成する。
本明細書に記載の方法において提供される第１のサブセル、第２のサブセル、第１の半導体層、第２の半導体層、および透明メタモルフィックバッファ層は、節ＩおよびＩＩで前述した第１のサブセル、第２のサブセル、第１の半導体層、第２の半導体層、および透明メタモルフィックバッファ層の構造、構成、または特徴の任意のものを有することができる。例えば、いくつかの事例では、本明細書に記載の方法のバッファ層の第１の部分は、基板と第１の半導体層の間の約５パーセントと約１５パーセントの間の格子不整合を補償する。同様に、いくつかの実装形態では、バッファ層の第１の部分は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含むまたはＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから成る複数の組成傾斜段階を備え、バッファ層の第２の部分は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含むまたはＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐから成る複数の組成傾斜段階を備え、複数のＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階のうちの１つは、複数のＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階のうちの１つと直接隣接し、直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階は、同じ格子定数を有する。
さらに、いくつかの実装形態では、本明細書の方法はさらに、１つまたは複数の追加のサブセルを用意することを含む。例えば、いくつかの事例では、方法はさらに、第３のサブセルを基板の上方かつ第２のサブセルの下方に配設することと、第２の透明メタモルフィックバッファ層を第２の半導体層と第３の半導体層の間に配設することとを含む。第３のサブセルは、第３のバンドギャップおよび第３の格子定数を有する第３の半導体層を備え、第３の格子定数は第２の格子定数より小さい。バッファ層は、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有する。変動格子定数は、第１の半導体層に隣接して第１の格子定数と整合され、第２の半導体層に隣接して第２の格子定数と整合される。
さらに、第３のサブセルおよび第２のバッファ層には、節ＩＩで前述した任意の第３のサブセルおよび第２のバッファ層を含むことができる。例えば、いくつかの例では、第２の透明メタモルフィックバッファ層は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＰまたはＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含む、あるいはＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＰまたはＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｙ−ｚ）Ａｓから形成される。いくつかの実装形態では、第２のバッファ層は、第１のバッファ層と同様または類似の組成を有することができる。
また、いくつかの例では、本明細書に記載の方法はさらに、第４のサブセルを基板の上方かつ第３のサブセルの下方に配設することを備える。第４のサブセルは、第４のバンドギャップおよび第４の格子定数を有する第４の半導体層を備える。第４の半導体層は、光電子デバイスの第４の半導体層に関して節ＩＩで前述した任意の特徴を有することができる。例えば、いくつかの事例では、第４の格子定数は、第３の半導体層の第３の格子定数と同じもしくは実質的に同じである。また、いくつかの実装形態では、第４のバンドギャップが第３のバンドギャップよりも大きい。
さらに、本明細書に記載の方法によって作製されたデバイスの第１、第２、第３、および第４の半導体層の１つまたは複数は、ベース部およびエミッタ部を備えることができ、ベース部およびエミッタ部はｐ−ｎ接合を形成する。したがって、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の方法によって作製されたデバイスは、４接合デバイスを含む多接合デバイスとすることができる。本明細書に記載の方法によって他の多接合デバイスを提供することもできる。例えば、本明細書に記載の任意の数のサブセルおよび／または半導体層が、本開示の目的と矛盾しない任意の数の接合を形成するために使用され得る。したがって、所望に応じて、本明細書に記載の方法によって作製されたデバイスは、３接合、４接合、５接合、６接合、または７接合のデバイスとすることができる。また、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の方法は、反転型メタモルフィック多接合太陽電池のような反転型メタモルフィックデバイスを提供するために使用され得る。
例えば、いくつかの事例では、本明細書に記載の方法によって作製された４接合デバイスの第１のサブセルは、デバイスの最も上のサブセルであり、第４のサブセルは、デバイスの最も下のサブセルである。他の例では、第１のサブセルが最も下のサブセルであり、第４のサブセルが最も上のサブセルである。さらに、本明細書に記載の方法では、第１のサブセルがデバイスを提供するために成長する最後のサブセルとなり第４のサブセルがデバイスを提供するために成長する最初のサブセルとなり得る。したがって、いくつかの事例では、第２のサブセルおよび第１のメタモルフィックバッファ層が設けられた後に第１のサブセルが配設される。より一般的には、いくつかの実装形態では、太陽側のサブセルまたは半導体層が、太陽から遠くの層よりも前に成長することができる。一方、他の事例では、太陽側のサブセルまたは半導体層が、太陽から遠くの層よりも後に成長することができる。
さらに、光電子デバイスに関して節ＩＩで前述したように、本明細書に記載の方法によって作製された光電子デバイスの半導体層は、本開示の目的と矛盾しない任意の材料を含むまたはその材料から形成することができ、本開示の目的と矛盾しない任意のバンドギャップを有することができる。いくつかの実装形態では、本明細書に記載の１つまたは複数の半導体層は、節Ｉで前述した任意の材料を含むＩＩＩ−Ｖ材料、ＩＩ−ＶＩ材料、またはＩＶ族材料を含み、あるいはかかる材料から形成される。いくつかの実装形態では、例えば、本明細書に記載の方法によって形成された光電子デバイスの第１の半導体層および／または第２の半導体層は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ａｓを含む、またはＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ａｓから形成される。
また、いくつかの事例では、節Ｉで前述したように、半導体層の化学組成は、層の所望のバンドギャップに基づいて選択される。さらに、本開示の目的と矛盾しないバンドギャップの任意の組合せが、本明細書に記載の方法によって形成された光電子デバイスで使用され得る。いくつかの実装形態では、半導体層のバンドギャップは、デバイスの最上部から底部へ移動するに従ってバンドギャップが増加していく順序で、デバイスのサブセルに配列される。一方、他の事例では、バンドギャップが減少していく順序で配列される。例えば、４接合デバイスのいくつかの実装形態では、第１の半導体層のバンドギャップは第２の半導体層のバンドギャップより小さく、第２の半導体層のバンドギャップは第３の半導体層のバンドギャップより小さく、第３の半導体層のバンドギャップは第４の半導体層のバンドギャップより小さい。さらに、いくつかの例では、第１の半導体層のバンドギャップは約０．５ｅＶと約１ｅＶの間である。さらに、いくつかの実装形態では、第２の半導体層は、約１．３ｅＶと約１．５ｅＶの間のバンドギャップを有し、第３の半導体層は、約１．６ｅＶと約１．７ｅＶの間のバンドギャップを有し、第４の半導体層は、約１．８ｅＶと約２ｅＶの間のバンドギャップを有する。当業者に理解されるように他の構成も可能である。
また、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の方法はさらに、１つまたは複数の追加のサブセルまたはバッファ層に加えて、１つまたは複数の追加の層を提供することを含む。例えば、いくつかの例では、本明細書に記載の方法はさらに、１つまたは複数のキャップ層、窓層、トンネル接合層、ＢＳＦ層、および／またはエッチング停止層を提供することを含む。こうした層は、本開示の目的と矛盾しない任意の構成を有し、本開示の目的と矛盾しない任意の材料から形成することができる。例えば、いくつかの実装形態では、キャップ層、窓層、トンネル接合層、ＢＳＦ層、および／またはエッチング停止層は、節Ｉで前述した任意の材料を含むＩＩＩ−Ｖ材料、ＩＩ−ＶＩ材料、またはＩＶ族材料を含み、あるいはかかる材料から形成される。
さらに、いくつかの事例では、本明細書に記載の方法はさらに、デバイスのサブセルの形成の後に基板を除去することを含む。いくつかの実装形態では、装置の太陽側の方の基板の除去により、入射電磁放射が太陽側サブセルに入ることを可能にできる。いくつかの事例では、入射電磁放射源から遠い側の基板の除去により、デバイスの軽量化、デバイスの柔軟性の向上、熱伝導の改善、および／または基板再使用のコスト低下を実現することができる。
デバイスの種々の層の提供または配設は、本開示の目的と矛盾しない任意の方法で行うことができる。例えば、１つまたは複数の層は、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属分子線エピタキシー（ＭＯＭＢＥ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ）、または気相エピタキシー（ＶＰＥ）などのエピタキシャル半導体成長法によって成長させることができる。さらに、そのようなエピタキシャル法は、本開示の目的と矛盾しない任意の圧力で本開示の目的と矛盾しない任意の前駆体を使用して行うことができる。いくつかの実装形態では、例えば、エピタキシャル法は、大気圧、または約１Ｔｏｒｒと約１０００Ｔｏｒｒの間の圧力で行うことができる。さらに、いくつかの事例では、アルシン、ホスフィン、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、セレン化水素、ジシラン、およびジエチル亜鉛のうちの１つまたは複数が、前駆体および／またはドーパントガスとして使用され得る。
また、本明細書に記載の光電子デバイスの層を提供するために、物理気相成長法（ＰＶＤ）、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、および／または低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）が使用されてもよい。また、いくつかの実装形態では、光電子デバイスの１つまたは複数の層は、蒸着、スパッタリング、スクリーン印刷、スプレーコーティング、スピンコーティング、ドクターブレード塗布、液体による表面湿潤、無電解めっき、電気めっき、フォトリソグラフィ、シャドウマスク堆積、等方性エッチング、組成選択エッチング、配向選択エッチング、方向選択エッチング、レジスト層の光パターンニングし、続いてデバイスの層をエッチングすること、デバイスの第１の層の光パターンニングし、続いて、自己整合プロセスでエッチングマスクとしてパターン化された第１の層を使用してデバイスの第２の層をエッチングすること、レジスト層を光パターンニングし、続いて、材料を堆積しレジスト層を溶解して、リフトオフ法で堆積された材料の一部を除去すること、および／または、デバイスの層である感光層を光パターニングすることを含むプロセスによって提供され得る。
また、いくつかの実装形態では、１つまたは複数のサブセルが別個の成長基板上で成長され、後で一緒に結合され得る。そのようなサブセルは、本開示の目的と矛盾しない任意の方法で結合され得る。いくつかの事例では、１つまたは複数の接着構造が使用される。接着構造の非限定的例として、パターン化された金属導体または相互配線と結合された透明接着剤、パターン化されたまたはパターンされていない透明導体と結合された透明接着剤、パターン化された金属導体と結合された無機酸化物または窒化物層などの透明無機物層、パターン化されたまたはパターンされていない透明導体と結合された透明無機物層、ならびに、酸化亜鉛および／またはインジウムスズ酸化物を含む透明導電性被覆がある。当業者に理解されるように、所望に応じて、サブセルは、直接的な半導体間の接着プロセスによって結合されてもよい。いくつかの例では、半導体間の接着は原子的に急峻であり、一方の半導体から他方の半導体への遷移が結晶格子の１から１０個の単分子層の範囲内で行われる。
いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光電子デバイスを作製する方法を用いることで、１つまたは複数の利点がもたらすことができる。例えば、本明細書に記載の方法は、その方法で作製された光電子デバイスの熱負荷を低減することができる。したがって、デバイスの熱負荷を低減する方法が本明細書に記載されている。例えば、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光電子デバイスを作製する方法を実施することを含む、反転型メタモルフィック多接合太陽電池の熱負荷を低減する方法が説明される。さらに、デバイスの熱負荷を低減することにより、デバイスの外部量子効率（ＥＱＥ）のようなデバイスの効率を改善することができる。したがって、光電子デバイスのＥＱＥを改善する方法が本明細書に記載されている。例えば、いくつかの実装形態では、本明細書に記載の光電子デバイスを作製する方法を実施することを含む、反転型メタモルフィック多接合太陽電池の外部量子効率を改善する方法が説明される。
本開示の様々な実装形態が本開示の様々な目的を達成するように説明されている。これらの実装形態は本開示の原理の例示にすぎないことを認識されたい。当業者には、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、実装形態の多数の修正および改変が容易に明らかとなろう。
１０００ 光電子デバイス
１１００ 第１のサブセル
１１１０ 第１の半導体層
１１１１ ベース部
１１１２ エミッタ部
１２００ 第２のサブセル
１２１０ 第２の半導体層
１２１１ ｐ型ベース部
１２１２ ｎ型エミッタ部
１３００ 透明メタモルフィックバッファ層
１３１０ 第１の部分
１３１１ 組成傾斜段階
１３１２ 組成傾斜段階
１３１３ 組成傾斜段階
１３１４ 組成傾斜段階
１３２０ 第２の部分
１３２１ 組成傾斜段階
１３２２ 組成傾斜段階
１３２３ 組成傾斜段階
１３２４ 組成傾斜段階
１３３０ 材料切替え界面
１４００ 第３のサブセル
１４１０ 第３の半導体層
１４１１ ｐ型ベース部
１４１２ ｎ型エミッタ部
１５００ 第２の透明メタモルフィックバッファ層
１６００ 第４のサブセル
１６１０ 第４の半導体層
１６１１ ｐ型ベース部
１６１２ ｎ型エミッタ部

Claims (10)

  1. 第１のバンドギャップおよび第１の格子定数を有する第１の半導体層と、
    第２のバンドギャップおよび第２の格子定数を有する第２の半導体層であって、前記第２の格子定数は前記第１の格子定数より小さい、第２の半導体層と、
    前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の間に配設された透明メタモルフィックバッファ層であって、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有し、前記変動格子定数は、前記第１の半導体層に隣接して前記第１の格子定数と整合され、前記第２の半導体層に隣接して前記第２の格子定数と整合される、透明メタモルフィックバッファ層と
    を備える半導体構造であって、
    前記バッファ層は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含む第１の部分、およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含む第２の部分を備え、前記第１の部分は、前記第１の半導体層に隣接し、前記バッファ層の全厚の約２パーセントから約５０パーセントを形成し、前記第２の部分は、前記第２の半導体層に隣接し、前記バッファ層の全厚の約５０パーセントから約９８パーセントを形成する、半導体構造。
  2. 前記バッファ層の前記第１の部分のＩｎ含有量は、前記第２の半導体層から前記第１の半導体層に向かって増加する、請求項１に記載の構造。
  3. 前記バッファ層の前記第１の部分は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含む複数の組成傾斜段階を備え、前記バッファ層の前記第２の部分は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含む複数の組成傾斜段階を備え、前記複数のＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階のうちの１つは、前記複数のＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階のうちの１つと直接隣接し、前記直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階は、同じ格子定数を有する、請求項１に記載の構造。
  4. 第３のバンドギャップおよび第３の格子定数を有する第３の半導体層であって、前記第３の格子定数は前記第２の格子定数より小さい、第３の半導体層と、
    前記第２の半導体層と前記第３の半導体層の間に配設された第２の透明メタモルフィックバッファ層であって、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有し、前記変動格子定数は、前記第２の半導体層に隣接して前記第２の格子定数と整合され、前記第３の半導体層に隣接して前記第３の格子定数と整合される、第２の透明メタモルフィックバッファ層と
    をさらに備える、請求項１に記載の構造。
  5. 第１のバンドギャップおよび第１の格子定数を有する第１の半導体層を備える第１のサブセルと、
    第２のバンドギャップおよび第２の格子定数を有する第２の半導体層を備える第２のサブセルであって、前記第２の格子定数は前記第１の格子定数より小さい、第２のサブセルと、
    前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の間に配設された透明メタモルフィックバッファ層であって、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有し、前記変動格子定数は、前記第１の半導体層に隣接して前記第１の格子定数と整合され、前記第２の半導体層に隣接して前記第２の格子定数と整合される、透明メタモルフィックバッファ層と
    を備える、光電子デバイスであって、
    前記バッファ層は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含む第１の部分、およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含む第２の部分を備え、前記第１の部分は、前記第１の半導体層に隣接し、前記バッファ層の全厚の約２パーセントから約５０パーセントを形成し、前記第２の部分は、前記第２の半導体層に隣接し、前記バッファ層の全厚の約５０パーセントから約９８パーセントを形成する、光電子デバイス。
  6. 前記バッファ層の前記第１の部分のＩｎ含有量およびＡｌ含有量はともに、前記第２の半導体層から前記第１の半導体層に向かって増加し、前記第１の部分のバンドギャップは、一定または実質的に一定である、請求項５に記載のデバイス。
  7. 前記バッファ層の前記第１の部分は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含む複数の組成傾斜段階を備え、前記バッファ層の前記第２の部分は、ＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含む複数の組成傾斜段階を備え、前記複数のＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階のうちの１つは、前記複数のＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階のうちの１つと直接隣接し、前記直接隣接するＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓ段階およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐ段階は、同じ格子定数を有する、請求項５に記載のデバイス。
  8. 第３のバンドギャップおよび第３の格子定数を有する第３の半導体層を備える第３のサブセルであって、前記第３の格子定数は前記第２の格子定数より小さい、第３のサブセルと、
    前記第２の半導体層と前記第３の半導体層の間に配設された第２の透明メタモルフィックバッファ層であって、一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有し、前記変動格子定数は、前記第２の半導体層に隣接して前記第２の格子定数と整合され、前記第３の半導体層に隣接して前記第３の格子定数と整合される、第２の透明メタモルフィックバッファ層と
    をさらに備える、請求項５に記載のデバイス。
  9. 光電子デバイスを作製する方法であって、
    基板を用意することと、
    第１のバンドギャップおよび第１の格子定数を有する第１の半導体層を備える第１のサブセルを、前記基板の上方に配設することと、
    第２のバンドギャップおよび第２の格子定数を有する第２の半導体層を備える第２のサブセルであって、前記第２の格子定数は前記第１の格子定数より小さく、前記第１のサブセルは前記第２のサブセルの上方に積層され、前記基板から前記第２のサブセルよりも前記基板から前記第１のサブセルが遠くに配置される、第２のサブセルを、前記基板の上方に配設することと、
    一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有する透明メタモルフィックバッファ層であって、前記変動格子定数は、前記第１の半導体層に隣接して前記第１の格子定数と整合され、前記第２の半導体層に隣接して前記第２の格子定数と整合される、透明メタモルフィックバッファ層を、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の間に配設することと
    を含み、
    前記バッファ層は、ＡｌｙＧａＺＩｎ（１−ｙ−ｚ）Ａｓを含む第１の部分、およびＧａｘＩｎ（１−ｘ）Ｐを含む第２の部分を備え、前記第１の部分は、前記第１の半導体層に隣接し、前記バッファ層の全厚の約２パーセントから約５０パーセントを形成し、前記第２の部分は、前記第２の半導体層に隣接し、前記バッファ層の全厚の約５０パーセントから約９８パーセントを形成する、方法。
  10. 第３のバンドギャップおよび第３の格子定数を有する第３の半導体層を備える第３のサブセルであって、前記第３の格子定数は前記第２の格子定数より小さい、第３のサブセルを、前記基板の上方かつ前記第２のサブセルの下方に配設することと、
    一定または実質的に一定のバンドギャップ、および変動格子定数を有する第２の透明メタモルフィックバッファ層であって、前記変動格子定数は、前記第２の半導体層に隣接して前記第２の格子定数と整合され、前記第３の半導体層に隣接して前記第３の格子定数と整合される、第２の透明メタモルフィックバッファ層を、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層の間に配設することと
    をさらに含む、請求項９に記載の方法。
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