JP2016509376A - 効率を改善するように構成された低バンドギャップ活性層を有する光活性デバイス及び関連する方法 - Google Patents

効率を改善するように構成された低バンドギャップ活性層を有する光活性デバイス及び関連する方法 Download PDF

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Abstract

光活性デバイスは、第１及び第２の電極の間に配置され、放射を吸収し第１及び第２の電極間に電圧を発生するように構成された活性領域を含む。活性領域は、比較的低いバンドギャップを示す半導体材料を備えた活性層を含む。活性層は、放射がそれを通って活性層に入射する前面と、活性層の反対側の相対的に粗い裏面とを有する。光活性デバイスを製作する方法は、このような活性領域及び電極の形成を含む。【選択図】 図１

Description

[0001]本開示の実施形態は光活性デバイス、及び光活性デバイスを製作する方法に関する。
[0002]光活性デバイスは、半導体材料を使用して電磁放射を電気エネルギーに変換する、又は電気エネルギーを電磁放射に変換する半導体デバイスである。光活性デバイスは、例えば光電池、光センサ、発光ダイオード、及びレーザダイオードを含む。
[0003]光電池（当技術分野では「太陽電池」又は「光電セル」とも呼ばれる）は、光（例えば太陽光）からのエネルギーを電気に変換するために用いられる。光電池は一般に１つ又は複数のｐｎ接合を含み、シリコン、ゲルマニウム、及びＩＩＩ−Ｖ族半導体材料などの通常の半導体材料を用いて製造することができる。衝突する電磁放射（例えば光）からの光子は、ｐｎ接合に最も近い半導体材料によって吸収され、結果として電子−正孔対を発生する。衝突する放射によって発生される電子及び正孔は、ｐｎ接合にわたるビルトイン電界によって反対の方向に駆動され、結果としてｐｎ接合の対向する側におけるｎ領域とｐ領域の間に電圧を生じる。この電圧は電気を作り出すために用いることができる。ｐｎ接合における半導体材料の結晶格子内の欠陥は、放射の吸収によって前もって発生された電子及び正孔が再結合し得る場所をもたらし、それによって光電池によって放射が電気に変換される効率を低下させる。
[0004]光電池に衝突する電磁放射の光子は、電子−正孔対を発生するために、半導体材料のバンドギャップエネルギーを乗り越えるのに十分なエネルギーをもたなければならない。従って光電池の効率は、半導体材料のバンドギャップエネルギーに相当するエネルギーを有する、衝突する光子のパーセンテージに依存する。別の言い方をすれば光電池の効率は、光電池に衝突する放射の１つ又は複数の波長と、半導体材料のバンドギャップエネルギーとの間の関係に少なくとも部分的に依存する。太陽光は、ある範囲の波長にわたって放射される。その結果、２つ以上のｐｎ接合を含む光電池が開発されてきており、各ｐｎ接合は、異なる波長の光を捕捉し光電池の効率を向上するように、異なるバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を備える。このような光電池は、「多接合」又は「ＭＪ」光電池と呼ばれる。
[0005]従って多接合光電池の効率は、光電池によって吸収されるべき光の最も高い強度の波長に相当する光の波長に適合するバンドギャップエネルギーを有するようにｐｎ接合における半導体材料を選択することによって、及びｐｎ接合における半導体材料の結晶格子内の欠陥の濃度を低減することによって、向上され得る。半導体材料の結晶格子内の欠陥の濃度を低減する１つの方法は、互いに厳密に一致した格子定数及び熱膨張係数を有する半導体材料を使用することである。
[0006]これまでに知られている多接合光電池は、約１，５５０ｎｍ〜約１，８００ｎｍまでにわたる範囲内の波長での電磁放射の変換においては比較的非効率的である。例えば多接合光電池においてゲルマニウム（Ｇｅ）セルにおけるｐｎ接合を使用することが知られている。例えばＭ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉら、「Ｍｕｌｔｉ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ ＩＩＩ−Ｖ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ： ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ」、Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ ７９，７８〜８５頁（２００５年）、及びＤ．Ａｉｋｅｎら、「Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ＩＩＩ−Ｖ Ｍｕｌｔｉ−Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ」、Ｅｍｃｏｒｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ、１０４２０ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｄ．ＳＥ、Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ、ＮＭ ８７１２３で開示されているように、このような多接合光電池の外部量子効率は、約１，６５０ｎｍより長い波長に対して低下する。任意の特定の理論に結び付けられることなく、現在は外部量子効率におけるこの低下は、少なくとも部分的に、このような放射波長の光子と、Ｇｅセル内のＧｅ結晶格子内の電子との間の光学的結合が、伝導帯と価電子帯の間の間接電子遷移を伴うという事実によると考えられている。光子及び電子に加えて、光学的結合プロセスは運動量を保存するためにフォノンを必要とする。運動量を保存するためにフォノンを必要とすることにより、間接電子遷移プロセスは、約１，６５０ｎｍより長い波長を有する光子の低い光吸収係数に繋がり、このような光子は、Ｇｅの十分な物理的厚さを通った後にのみ吸収される可能性が高い。
[0007]さらにこれまでに知られているＧｅ太陽電池は、しばしば高濃度にドープされたｐ型基板上に形成されたＧｅを含む。その結果、Ｇｅ内の少数キャリア（電子）拡散距離は、ｐｎ接合が形成されるＧｅ層の実際の物理的厚さより短くなる。その結果、約１，６５０ｎｍより長い波長を有する大部分の光子は、電子正孔との望ましくない再結合の前に電極まで十分な距離を拡散することができる電子を発生せず、従って光電池の光電流に寄与することができない。
[0008]この概要は、選択された概念を簡略化された形で紹介するために示される。これらの概念は、以下で本開示の例示の実施形態の詳細な説明において、より詳細に述べられる。この概要は、特許請求される主題の主要な特徴又は本質的な特徴を特定するためのものではなく、特許請求される主題の範囲を限定するために用いられるためのものでもない。
[0009]いくつかの実施形態では本開示は、第１の電極、第２の電極、及び第１の電極と第２の電極の間に配置された活性領域を含む、光活性デバイスを含む。活性領域は、活性領域に衝突する放射を吸収し、放射の吸収に反応して第１の電極と第２の電極の間に電圧を発生するように構成される。活性領域は、約０．６０ｅＶと約２．１０ｅＶの間のバンドギャップを示す半導体材料を備える少なくとも１つの活性層を含む。少なくとも１つの活性層は、光活性デバイスの動作時に放射がそれを通って少なくとも１つの活性層に入射する前面、及び前面から少なくとも１つの活性層の反対側の裏面を有する。少なくとも１つの活性層の裏面は、前面の表面粗さより大きな表面粗さを有する。
[0010]さらなる実施形態では、本開示は光活性デバイスを製作する方法を含む。このような方法によれば活性領域は、活性領域に衝突する放射を吸収し、放射の吸収に反応して第１の電極と第２の電極の間に電圧を発生するように形成され構成され得る。光活性デバイスの活性領域は、約０．６０ｅＶと約２．１０ｅＶの間のバンドギャップを示す半導体材料を備える少なくとも１つの活性層を含むように形成され得る。少なくとも１つの活性層は、光活性デバイスの動作時に放射がそれを通って少なくとも１つの活性層に入射する前面、及び前面から少なくとも１つの活性層の反対側の裏面を有するように形成され得る。裏面は、前面の表面粗さより大きな表面粗さを有するように形成され得る。方法はさらに、第１の電極及び第２の電極を形成するステップであって、活性領域に衝突する放射の吸収に反応してそれらの間に電圧が発生される、ステップを含む。
本開示の実施形態による、粗面化された裏面を有するセル内の活性層を含む４接合光電池の部分的断面図を示す簡略化された概略図である。 図１の４接合光電池の一部分の拡大図であり、粗面化された裏面を有する活性層を示す図である。 活性層の粗面化された裏面を示す、図２の一部分の拡大図である。 本開示のさらなる実施形態において使用され得る、活性層の粗面化された別の裏面を示す図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、半導体材料を備えるドナー構造体へのイオンの注入を示す図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、第１の基板の表面に直接接合された図５の構造体を示す図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、イオン注入面に沿って図６に示されるようなドナー構造体を劈開して、半導体材料の層をドナー構造体から第１の基板に移転することによって形成される構造体を示す図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、その中に第１の基板上にｐｎ接合を有する、ゲルマニウム（Ｇｅ）を備える活性層の製作を示す図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、図８に示されるＧｅを備える活性層の上に追加の活性層を製作することによって形成される、多接合光活性デバイスを示す図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、第１の基板と反対の側において図９の多接合光活性デバイスに付着された第２の基板を示す図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、図１０の構造体から第１の基板を除去して、活性層の裏面を露出することによって形成される構造体を示す（及び図１１の視点に対して反転された構造体を示す）図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、図１１の活性層の露出された裏面を粗面化し、その後に粗面化された裏面の上に導電性材料層を堆積することによって形成される構造体を示す図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、図１２に示される粗面化された裏面の上の導電性材料層を厚くすることによって形成される構造体を示す図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、厚くされた導電層の上への第１の電極の形成を完成し、第２の基板を除去し、第１の電極から多接合光活性デバイスの活性領域の反対の側に第２の電極を設けることによって、図１３の構造から形成され得る多接合光活性デバイスを示す図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、図８の構造体上に活性領域の追加の層を成長させることによって形成された、第１の多層構造体を示す図である。 本明細書で述べられる光活性デバイスを製作するために用いることができる、本開示の方法の実施形態を概略的に示す、構造体の簡略化された断面側面図であり、第２の基板上に活性領域の複数の層を成長させることによって形成された、第２の多層構造体を示す図である。 図１０に示されるもののような構造体を形成するように、図１６の多層構造体に直接接合される図１５の多層構造体を示す図である。
[0029]本明細書に示される図は、いずれの特定の光活性デバイス又はその構成要素の実際の図であることを意図するものではなく、本開示の実施形態を述べるために用いられる単に理想的な表示に過ぎない。
[0030]本明細書で用いられるように、「ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料」という用語は、少なくとも大部分が周期律表のＩＩＩＡ族からの１つ又は複数の元素（Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＴｉ）、及び周期律表のＶＡ族からの１つ又は複数の元素（Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、及びＢｉ）から構成される任意の半導体材料を意味しそれらを含む。例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＰ、ＧａＩｎＮ、ＩｎＧａＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓなどを含むが、それらに限定されない。
[0031]本開示の実施形態によれば光活性デバイスは、電極の間に配置された活性領域を含み、活性領域は、約０．６０ｅＶと約２．１０ｅＶの間、いくつかの実施形態では約０．６０ｅＶと約１．２０ｅＶ、さらには約０．６０ｅＶと約１．２０ｅＶの間のバンドギャップを示す半導体材料を備える活性層を含む。このようなバンドギャップを有する活性層はまた、活性層の前面の表面粗さより大きな表面粗さを有する裏面を有することができる。このような光活性デバイスの非限定的な例は、図１から４を参照して以下で述べられ、このような光活性デバイスを製作するために使用され得る方法の実施形態は、図５から１６を参照して以下で述べられる。
[0032]図１は、本開示の方法の実施形態を用いて形成することができる光活性デバイス１００を示す。図１の光活性デバイス１００は、光活性デバイス１００に衝突する電磁放射（例えば太陽光）の吸収に反応して電圧を発生するように構成された光電池（例えば太陽電池）を備える。言い換えれば光活性デバイス１００は、光活性デバイス１００に衝突する電磁放射１０２（例えば光）を電気に変換するように構成される。図１の光活性デバイス１００は多接合光活性デバイス１００であり、第１の活性層１０４、第２の活性層１０６、第３の活性層１０８、及び第４の活性層を備える活性領域１０３を含む。活性層１０４、１０６、１０８、１１０のそれぞれは、多接合光活性デバイス１００のサブセルを画定し、副層を備える。活性層１０４、１０６、１０８、１１０のそれぞれ（及びそれらにおける副層）は、半導体材料（例えばゲルマニウム、シリコン、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料など）を備える。
[0033]活性層１０４、１０６、１０８、１１０のそれぞれは、それらにおける少なくとも２つの副層の間に画定されるｐｎ接合を含む。言い換えれば活性層１０４、１０６、１０８、１１０のそれぞれは、ｐ型半導体材料を備える副層と、ｎ型半導体材料を備える隣接する副層とを含み、それにより隣接するｐ型及びｎ型半導体材料の間の境界面においてｐｎ接合が画定される。当技術分野で知られているように、ｐｎ接合において電荷空乏領域（当技術分野で空間電荷層とも呼ばれる）、及び内部電界が発現される。電磁放射１０２の光子が光活性デバイス１００に入射するのに従って、それらは活性層１０４、１０６、１０８、１１０における半導体材料内で吸収され得る。光子が吸収されるそれぞれの半導体材料のバンドギャップエネルギーに相当するエネルギーを、光子が有するときは、半導体材料内に電子−正孔対が発生され得る。光子がｐｎ接合において電荷空乏領域内で吸収され、結果として電子−正孔対の形成を生じたときは、ｐｎ接合における内部電界は、電子をｎ型領域に向かって、及び正孔をｐ型領域に向かって反対方向に駆動する。電子がｎ型領域に蓄積し、正孔がｐ型領域に蓄積するのに従って、ｐｎ接合にわたって電圧が発生される。活性層１０４、１０６、１０８、１１０の電圧は、光活性デバイス１００全体にわたって（例えば直列に）累積されて、光活性デバイス１００の一方の側の第１の電極１１１と、光活性デバイス１００の反対側の第２の電極１１２との間に、開回路電圧ＶＯＣをもたらす。第１の電極１１１及び第２の電極１１２は、導電性金属又は金属合金を備えることができる。第２の電極１１２は、電磁放射１０２がそれを通って活性層１０４、１０６、１０８、１１０に入射できる、第２の電極１１２を貫通する少なくとも１つの開口１１４をもたらすように不連続とすることができる。図１に示されるように開口１１４において光活性デバイス１００上に反射防止（ＡＲ）コーティング１１５を設けることができる。
[0034]活性層１０４、１０６、１０８、１１０のそれぞれは、ｐｎ接合において異なる組成及びバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を使用することによって、主として異なる波長において、電磁放射１０２を吸収するように構成され得る。
[0035]第１の活性層１０４は、約０．６０ｅＶと約２．１０ｅＶの間、約０．６０ｅＶと約１．２０ｅＶの間、さらには約０．６０ｅＶと約０．８０ｅＶの間のバンドギャップを示す半導体材料を備えることができる。さらに活性層１０４は、光活性デバイス１００の動作時に放射１０２がそれを通って活性層１０４に入射する前面１０５Ａ、及び前面１０５Ａから活性層１０４の反対側に裏面１０５Ｂを有する。裏面１０５Ｂは、前面１０５Ａの表面粗さより大きな表面粗さを有することができる。
[0036]例として及び非限定的に、第１の活性層１０４はゲルマニウム（Ｇｅ）を備えることができ、およそ０．６６ｅＶのバンドギャップエネルギーを有することができる。例えば第１の活性層１０４は、少なくとも実質的に単結晶エピタキシャルゲルマニウムから構成され得る。他の実施形態では第１の活性層１０４は、例えばその開示がこの参照によりその全体が本明細書に組み込まれている２０１１年１２月２３日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｄｉｌｕｔｅ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｐｈｏｔｏａｃｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」という名称の米国特許仮出願第６１／５８０，０８５号において述べられているような、希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を備えることができる。非限定的な例として第１の活性層１０４は、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮｘＡｓ１−ｘを備えることができ、ｙは０．０より大きく１．０未満（例えば約０．０８と約１の間）であり、ｘは約０．１と約０．５の間である。Ｇａ１−ｙＩｎｙＮｘＡｓ１−ｘのバンドギャップエネルギーは、その組成（即ちｘ及びｙの値）に応じたものとなる。従ってｘ及びｙの値に応じて、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮｘＡｓ１−ｘは、約０．９０ｅＶと約１．２０ｅＶの間のバンドギャップエネルギーを示し得る。Ｇａ１−ｙＩｎｙＮｘＡｓ１−ｘは、約１．００ｅＶと約１．１０ｅＶの間のバンドギャップエネルギーを示し得る。本開示のさらなる実施形態では、第１の活性層１０４においてＧａＩｎＮＡｓＳｂなどの他の希薄窒化物材料を使用することができる。
[0037]例として及び非限定的に、第２の活性層１０６、第３の活性層１０８、及び第４の活性層１１０のそれぞれは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を備えることができる。非限定的な例として第２の活性層１０６は、およそ１．００ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＡｓＮ ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料（第１の活性層１０４に関して本明細書で前に述べられたようなものとすることができる希薄窒化物材料）において形成されたｐｎ接合を備えることができ、第３の活性層１０８は、約１．４ｅＶと約１．５ｅＶの間の範囲（例えばおよそ１．４３ｅＶ）のバンドギャップエネルギーを有する、ＧａＡｓ ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料において形成されたｐｎ接合を備えることができ、第４の活性層１１０は、約１．８５ｅＶと約２．１０ｅＶの間の範囲（例えばおよそ１．８８ｅＶ）のバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＰにおいて形成されたｐｎ接合を備えることができる。
[0038]引き続き図１を参照すると、活性層１０４、１０６、１０８、１１０のそれぞれは、例えば窓層１１６、及び裏面電界（ＢＳＦ）層１１８を含み得る、追加の材料層を含むことができる。窓層１１６及びＢＳＦ層１１８は、活性層内に発生された少数キャリアの収集を増加させる（例えば最大にする）やり方で、光活性デバイス１００にわたって材料組成を遷移させるために用いられる。
[0039]図１に示されるように、活性層１０４、１０６、１０８、１１０の間にトンネル接合層１２０を配置することができる。トンネル接合層１２０は、それらの対向する側においてトンネル接合層１２０に隣接するサブセルの対向するｎ及びｐ型領域の間に、低い電気抵抗を有する相互接続をもたらすために用いられる。トンネル接合層１２０は、電磁放射１０２が、下にあるサブセルまでトンネル接合層１２０を貫通することを可能にするように、電磁放射１０２に対して少なくとも実質的に透明とすることができる。トンネル接合層１２０は、高度にドープされたｎ型層、及び高度にドープされたｐ型層（図示せず）を備えることができる。高度にドープされたｎ及びｐ型層の１つ又は複数の半導体材料は、広いバンドギャップを有することができる。この構成では空乏領域は比較的狭くすることができ、ｎ型領域内の伝導帯からｐ型領域内の価電子帯への電子のトンネリングが促進される。従ってトンネル接合層１２０は、図１ではそれらは簡略化された形で単一の層として概略的に示されるが、半導体材料（例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体材料）の複数の層を備えることができる。
[0040]より少ない、又はより多い（例えば１つ、２つ、３つ、５つなどの）活性層を有する光活性デバイスも、本開示の実施形態により製作することができる。
[0041]活性層１０４、１０６、１０８、１１０（それらの中の副層を含む）、及びトンネル接合層１２０は、図５から１６を参照して以下でより詳しく述べられるように、エピタキシャル成長技法を用いて重なり合って製作され得る。
[0042]光活性デバイス１００内の様々な材料層によって示されるべき光学的及び電気的特性に加えて、その中の様々な半導体材料は結晶性であり（及びしばしば、基本的に材料の単一の結晶からなる）、物理的制約及び考慮すべき事項を受け得る。様々な半導体材料の結晶性構造内の欠陥の存在は、電子及び正孔が集合し再結合する場所をもたらし、それによって光活性デバイス１００の効率を低下させ得る。結果として、比較的低い欠陥濃度を有する、様々な半導体材料を形成することが望ましい。様々な半導体材料の間の境界面での欠陥の濃度を低減するために、隣接する材料層が一般に適合した格子定数を有するように、様々な層の組成を選択することができる。これらの追加の設計パラメータは、光活性デバイス１００内の様々な半導体材料にうまく使用することができる材料に対して、さらなる制約をもたらす。仮像的な層（格子定数は異なるが、歪み緩和を避けるために十分薄い層厚さを有する層）を用いることができる。
[0043]前に述べられたように、第１の活性層１０４の裏面１０５Ｂは、活性層１０４の前面１０５Ａの表面粗さよりも大きな表面粗さを有することができる。裏面１０５Ｂは、第１の活性層１０４の内部から裏面１０５Ｂに衝突する電磁放射１０２を反射するように構成されたトポグラフィを有することができる。第１の活性層１０４の裏面１０５Ｂの増加された表面粗さは、光子が吸収されるようになり結果として電子−正孔対を発生する確率を増加させるように、その実際の物理的厚さを増加せずに活性層１０４内での電磁放射１０２の光子の光路を増加させるために用いることができる。
[0044]図２は、図１に示される光活性デバイス１００の第１の活性層１０４の拡大図である。図２に示されるように、第１の活性層１０４は実際の平均層厚さＴを有し得る。第１の活性層１０４は、電磁放射１０２の光子の吸収に反応して第１の活性層１０４内で発生された電子が、第１の活性層１０４の実際の平均層厚さＴより大きな平均拡散距離を示すように選択された組成を有することができる。いくつかの実施形態では第１の活性層１０４の平均層厚さＴは、約１００ミクロン（１００μｍ）以下、さらには約１０ミクロン（１０μｍ）以下とすることができる。図２に示されるｎ−Ｇｅ層は、約１ミクロン（１μｍ）以下の平均層厚さを有することができ、図１に示されるｐ−Ｇｅ層は、約１０ミクロン（１０μｍ）以下の平均層厚さを有することができる。しかし、光子はそれらが比較的長い時間の間、第１の活性層１０４内に留まるように裏面１０５Ｂから反射され得るという事実により、光子が第１の活性層１０４内で吸収される確率は、等価な組成及び厚さＴであるが粗面化された裏面１０５Ｂをもたないこれまでに知られている活性層と比較して増加され得る。
[0045]第１の活性層１０４の裏面１０５Ｂのトポグラフィは、複数のテクスチャ特徴１２２を含むことができる。テクスチャ特徴１２２は、裏面１０５Ｂから外に延びる突起部、及び裏面１０５Ｂ内へ延びる凹部の、一方又は両方を備えることができる。テクスチャ特徴１２２は、ランダムに配置され裏面１０５Ｂにわたって分散される、又はそれらは裏面１０５Ｂにわたって選択された位置に配置され得る。いくつかの実施形態ではテクスチャ特徴１２２は、整列された配列に配置することができ、各テクスチャ特徴１２２は、活性層１０４の裏面１０５Ｂにわたって、所定の及び選択された位置に配置される。
[0046]図３は、図１及び２の活性層１０４の裏面１０５Ｂの一部分の拡大図である。図３に示されるようにテクスチャ特徴１２２は、活性層１０４の裏面１０５Ｂから活性層１０４内に延びる凹部を備えることができる。凹部は、裏面１０５Ｂ内へ延びる、互いに横方向に分離された個々の止まり穴を備えることができる。凹部は、円形、楕円形、正方形、矩形その他などの任意の断面形状を有することができる。他の実施形態では凹部は、裏面１０５Ｂ内の細長いチャネル又は溝を備えることができ、裏面１０５Ｂの平面内の方向に引き延ばされ得る。
[0047]さらなる実施形態ではテクスチャ特徴１２２は、図４に示されるように活性層１０４から、その裏面１０５Ｂから外に延びた突起部を備えることができる。突起部は、個々の横方向に分離されたマウンド、又は互いに横方向に分離された列を備えることができる。突起部は円形、楕円形、正方形、矩形その他などの任意の断面形状を有することができる。他の実施形態では突起部は、裏面１０５Ｂから突き出た細長い隆起部を備えることができ、裏面１０５Ｂの平面内の方向に引き延ばされ得る。
[0048]図３及び４に示されるようにいくつかの実施形態では、複数のテクスチャ特徴１２２は、約１０ナノメートル（１０ｎｍ）と約１０ミクロン（１０μｍ）の間、及びより詳細には約１０ナノメートル（１０ｎｍ）と約５ミクロン（５μｍ）の間、さらには約１０ナノメートル（１０ｎｍ）と約１ミクロン（１μｍ）の間である活性層１０４に垂直な平面における平均断面寸法Ｄを有することができる。例えば図３を参照すると凹部は、約１０ナノメートル（１０ｎｍ）と約１０ミクロン（１０μｍ）の間である裏面１０５Ｂから活性層１０４内に、平均距離Ｄ延びることができる。図４に示されるように突出部は、約１０ナノメートル（１０ｎｍ）と約１０ミクロン（１０μｍ）の間である裏面１０５Ｂから活性層１０４より、平均距離Ｄ延びることができる。
[0049]図３及び４に示されるようにいくつかの実施形態では、複数のテクスチャ特徴１２２は、約１００ナノメートル（１００ｎｍ）と約５０ミクロン（５０μｍ）の間、約１００ナノメートル（１００ｎｍ）と約２０ミクロン（２０μｍ）の間、さらには約１００ナノメートル（１００ｎｍ）と約１０ミクロン（１０μｍ）の間である活性層１０４に平行な平面における平均断面寸法Ｗを有することができる。例えば図３を参照すると凹部は、約１００ナノメートル（１００ｎｍ）と約５０ミクロン（５０μｍ）の間である平均幅Ｗを有することができる。図４に示されるように突出部は、約１００ナノメートル（１００ｎｍ）と約５０ミクロン（５０μｍ）の間である平均幅Ｗを有することができる。
[0050]テクスチャ特徴１２２の平均断面寸法Ｄ及びＷは、光活性デバイス１００の動作時に、約１，５５０ｎｍ〜約１，８００ｎｍにわたる範囲内の波長を有する放射１０２（図１）が、裏面１０５Ｂから反射されて活性層１０４内に戻される確率を最大にし、それにより放射１０２の光子が活性層１０４内で吸収され結果として電子−正孔対を発生する確率を増加するように選択することができる。
[0051]前に述べられたように第１の活性層１０４は、ｐｎ接合がそれらの間に画定される、ｐ型ドープされた副層及びｎ型ドープされた副層を含むことができる。従って活性層１０４の１つの領域は少なくとも１つのｐ型ドーパントを含み、活性層１０４の別の領域は少なくとも１つのｎ型ドーパントを含む。いくつかの実施形態では、活性層１０４のｐ型領域内の１つ又は複数のｐ型ドーパントの濃度は、活性層１０４のｐ型領域にわたる濃度勾配を示すことができる。例えば活性層１０４のｐ型領域内の１つ又は複数のｐ型ドーパントの濃度は、活性層１０４の裏面１０５Ｂから活性層１０４の前面１０５Ａに向かって延びる方向に減少し得る。活性層１０４のｐ型領域にこのような濃度勾配をもたらすことによって、活性層１０４のｎ側に向かう（即ち図１から４に示される実施形態での活性層１０４の前面１０５Ａに向かう）電子の移動を促すのを補助する電界が形成され得る。いくつかの実施形態では、活性層１０４のｐ型領域内の１つ又は複数のｐ型ドーパントの濃度は、活性層１０４の裏面１０５Ｂから活性層１０４の前面１０５Ａに向かって延びる方向に指数関数的に減少することができ、それにより活性層１０４のｐ型領域内に少なくとも実質的に一定の電界がもたらされる。
[0052]本開示のさらなる実施形態は、本明細書で述べられるような光活性デバイスを製作する方法を含む。一般に方法は、活性領域１０３に衝突する放射１０２を吸収し、放射１０２の吸収に反応して第１の電極１１１と第２の電極１１２の間に電圧を発生するように構成された、活性領域１０３の形成を含む。活性領域１０３は、約０．６０ｅＶと約２．１０ｅＶの間のバンドギャップを示す半導体材料を備える活性層１０４などの少なくとも１つの活性層を含むように形成される。活性層１０４は、光活性デバイス１００の動作時に放射１０２がそれを通って活性層１０４に入射する前面１０５Ａ、及び前面１０５Ａから活性層１０４の反対側に裏面１０５Ｂを含むように形成される。裏面１０５Ｂは、前面１０５Ａの表面粗さより大きな表面粗さを有するように形成され得る。方法はさらに、活性領域１０３に衝突する放射１０２の吸収に反応して電圧が間に発生される、第１の電極１１１及び第２の電極１１２の形成を含み得る。このような方法の非限定的な実施形態の例は、以下で図５から１６を参照して開示される。
[0053]一時的に図８を参照すると、活性層１０４は第１の基板１４２の表面１４０上に形成することができ、それにより活性層１０４の裏面１０５Ｂは、第１の基板１４２の表面１４０に隣接して配置される。
[0054]第１の基板１４２の組成は、第１の基板１４２の上に形成される若しくは別の方法でもたらされるべき層の組成に応じたいくつかの要因を考慮して選択することができる。例えば基板の組成は、第１の基板１４２の上に形成される若しくは別の方法でもたらされるべき材料の結晶構造と一般に同様な結晶構造を有する結晶性材料を備えるように選択され得る。基板の組成はまた、第１の基板１４２の上に形成される若しくは別の方法でもたらされるべき材料によって示されるようになる熱膨張係数と一般に同様な熱膨張係数を有する材料を備えるように選択され得る。第１の基板１４２の上に形成される若しくは別の方法でもたらされるべき材料の結晶構造及び熱膨張係数と一般に同様な結晶構造及び熱膨張係数を有するように第１の基板１４２を選択することにより、後続の処理の間、材料内の機械的歪みは低減することができ、結果として、第１の基板１４２の上に形成される若しくは別の方法でもたらされるべき材料の結晶格子内の望ましくない欠陥を低減することができる。非限定的な例として、第１の基板１４２の上に直接ゲルマニウム（Ｇｅ）が形成される若しくは別の方法でもたらされる実施形態では、第１の基板１４２は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）（例えばサファイア基板）、又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの酸化物を備えることができる。
[0055]図１を参照して前に論じられたように活性層１０４は、形成されるべき多接合光活性デバイス１００（図１）のサブセルを画定することができ、複数の副層を備えることができる。活性層１０４は、活性層１０４内の２つの副層の間にｐｎ接合を含むように形成することができる。言い換えれば活性層１０４は、隣接するｐ型及びｎ型半導体材料の間の境界面においてｐｎ接合１４８が画定されるように、ｐ型半導体材料を備える副層１４４と、ｎ型半導体材料を備える隣接した副層１４６とを含むことができる。前に論じられたように活性層１０４は、約０．６０ｅＶと約２．１０ｅＶ間のバンドギャップを示す半導体材料を備えることができる。例として及び非限定的に活性層１０４は、ゲルマニウム（Ｇｅ）（例えば単結晶エピタキシャルＧｅ）を備えることができ、およそ０．６６ｅＶのバンドギャップエネルギーを有することができる。他の実施形態では活性層１０４は、本明細書で前に論じられたように、希薄窒化物ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を備えることができる。活性層は追加の、材料の副層を含むことができ、これらは図１を参照して前に述べられたように、例えば窓層１１６、及び裏面電界（ＢＳＦ）層１１８を含むことができる。
[0056]いくつかの実施形態では、第１の基板１４２の表面１４０の上に第１の層１０４を形成するために、第１の層１０４の半導体材料を備える第１の材料層１５０（図７）を、第１の基板１４２の表面１４０に移転することができ、その後に、図５から８を参照して以下で述べられるように、移転された第１の材料層１５０は活性層１０４を形成するように厚くされ得る。
[0057]第１の材料層１５０（図７）をドナー構造体１５２（図５）から第１の基板１４２上に移転するために、例として及び非限定的にＳＭＡＲＴ−ＣＵＴ（登録商標）プロセスとして当技術分野で知られているプロセスを用いることができる。ＳＭＡＲＴ−ＣＵＴ（登録商標）プロセスは例えば、Ｂｒｕｅｌへの米国特許第ＲＥ３９，４８４号（２００７年２月６日発行）、Ａｓｐｅｒらへの米国特許第６，３０３，４６８号（２００１年１０月１６日発行）、Ａｓｐｅｒらへの米国特許第６，３３５，２５８号（２００２年１月１日発行）、Ｍｏｒｉｃｅａｕらへの米国特許第６，７５６，２８６号（２００４年６月２９日発行）、Ａｓｐｅｒらへの米国特許第６，８０９，０４４号（２００４年１０月２６日発行）、及びＡｓｐｅｒらへの米国特許第６，９４６，３６５号（２００５年９月２０日）において述べられており、これらの開示はこの参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
[0058]ＳＭＡＲＴ−ＣＵＴ（登録商標）プロセスについて、図５から７を参照して以下に簡単に述べる。図５を参照すると、イオン注入面１５４に沿ってドナー構造体１５２内に複数のイオン（例えば水素、ヘリウム、又は不活性ガスイオンの１つ又は複数）を注入することができる。ドナー構造体１５２は、単結晶ゲルマニウムなどのバルク結晶性半導体材料を備えることができる。イオン注入面１５４に沿って注入されたイオンは、ドナー構造体１５２内に、その後にドナー構造体１５２をそれに沿って劈開若しくは別の方法で破断することができる、弱化されたイオン注入面を画定する。当技術分野で知られているように、ドナー構造体１５２にイオンが注入される深さは、少なくとも部分的に、イオンがドナー構造体１５２に注入されるエネルギーに応じたものとなる。一般に低いエネルギーで注入されたイオンは比較的浅い深さに注入されることになり、高いエネルギーで注入されたイオンは比較的深い深さに注入されることになる。
[0059]図６を参照するとドナー構造体１５２は、第１の基板１４２の表面１４０と直接の物理的接触がもたらされ、ドナー構造体１５２は、いわゆる「直接接合」プロセスを用いて第１の基板１４２に直接接合される。ドナー構造体１５２及び第１の基板１４２の表面を一緒に当接させる前に、表面は接合面の表面粗さを低減するために、例えば表面に研削プロセス、エッチングプロセス、及び研磨プロセス（例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセス）の１つ又は複数を受けさせることによって平滑化され接合のために準備され得る。ドナー構造体１５２及び第１の基板１４２の表面はまた、最終的にそれらの間に確立される接合の強度を強化するように、接合のために表面を一緒に当接させる前に、化学的に活性化され得る。
[0060]ドナー構造体１５２及び第１の基板１４２の表面を一緒に当接させた後に、ドナー構造体１５２と第１の基板１４２の間に直接原子結合が確立されて、図６に示される接合された構造体を形成することができる。このような直接原子結合を確立する方法は、例えば２０１１年２月２４日にＣａｓｔｅｘらの名前で発行された米国特許出願公開第２０１１／００４５６１１号で述べられており、その開示はこの参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
[0061]任意選択で直接接合プロセスの前に、ドナー構造体１５２の接合面及び／又は第１の基板１４０の表面１４０に、誘電体材料の層を設けることができる。
[0062]図６の接合された構造を形成した後に、ドナー構造体１５２は、イオン注入面１５４に沿って劈開若しくは別の方法で破断されて、第１の基板１４２の表面１４０への材料層１５０の移転を完了し、図７の構造体を形成する。例えばドナー構造体１５２（それに接合された第１の基板１４２を有して）は、ドナー構造体１５２をイオン注入面１５４に沿って破断させるように加熱することができる。任意選択でイオン注入面１５４に沿ったドナー構造体１５２の劈開を補助するように、ドナー構造体１５２に機械的な力を加えることができる。ドナー構造体１５２がイオン注入面１５４に沿って劈開若しくは別の方法で破断された後には、ドナー構造体１５２の一部分は第１の基板１４２に接合されたままとなり、この部分は移転された材料層１５０（図４）を画定する。ドナー構造体１５２の残りは、さらなるＳＭＡＲＴ−ＣＵＴ（登録商標）プロセスにおいて、ドナー構造体１５２のさらなる部分を、さらなる基板に移転するために再使用することができる。
[0063]引き続き図７を参照すると破断プロセスの後には、移転された材料層１５０の露出された主表面１５６は、ドナー構造体１５２（図６）の破断された表面を備え、材料層１５０の結晶格子内にイオン不純物及び不完全部を含み得る。材料層１５０は、不純物レベルを低減し、材料層１５０内の結晶格子の品質を改善する（即ち露出された主表面１５６に最も近い結晶格子内の欠陥の数を低減する）目的で処理することができる。このような処理は、研削、研磨、エッチング、及び熱アニールの１つ又は複数を要するものとすることができる。
[0064]他の実施形態では、バルク半導体材料を第１の基板１４２の表面１４０に接合し、その後に研削プロセス、研磨プロセス、及びエッチングプロセス（例えば化学機械研磨プロセス）の１つ又は複数を用いてバルク半導体材料を薄くして、材料層１５０を形成することにより、材料層１５０を第１の基板１４２の表面１４０上に設けることができる。
[0065]本開示の他の実施形態では材料層１５０は、自立の材料を備えることができ、材料層は第１の基板１４２からの支持などの、支持を必要としない自己支持型である。このような実施形態では材料層１５０は、バルクドナー構造体１５２内に高エネルギーイオンを注入することによって形成され得る。高線量イオン注入の利用は、約１０マイクロメータ〜約５０マイクロメータにわたる範囲の平均層厚さ（例えば約２０マイクロメータ（２０μｍ）に等しい平均層厚さ）を有する自立の材料層１５０をもたらすことができる。
[0066]いくつかの実施形態では移転された材料層１５０は、約１．５０μｍ以下の平均層厚さを有し得る。
[0067]再び図８を参照すると、第１の基板１４２の表面１４０に比較的薄い材料層１５０を形成した後に、活性層１０４を形成するために、例えば比較的薄い材料層１５０上に追加の材料層をエピタキシャル成長させることによって、薄い材料層１５０を厚くすることができる。例えば図８に示されるように、材料層１５０の半導体材料と同じ又は同様な組成のものとすることができる追加の半導体材料を、層１５０上にエピタキシャル成長させて活性層１０４の形成を完了することができる。特定の非限定的な例としてエピタキシャル成長は、高濃度にドープされたｐ型Ｇｅ ＢＳＦ層１１８、ドープされたｐ型Ｇｅ副層１４４、ｐｎ接合１４８を画定するためのドープされたｎ型Ｇｅ副層１４６、及び高濃度にドープされたｎ型Ｇｅ窓層１１６を形成するものとすることができる。他の実施形態は、ＢＳＦ層１１８及び／又は窓層１１６を含まなくてもよい。このようなドープされたＧｅの層を成長させるために用いられ得る様々なエピタキシャル成長技法は、当技術分野では知られており、本開示の実施形態において使用され得る。このような成長技法は、化学気相成長（ＣＶＤ）技法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）技法、気相エピタキシ（ＶＰＥ）技法、物理蒸着（ＰＶＤ）技法、及び分子線エピタキシ（ＭＢＥ）技法を含むが、それらに限定されない。さらに多接合光活性デバイスのためのサブセルとして用いられ得るこのようなＧｅベースの活性層１０４の様々な構成は、当技術分野では知られており、本開示の実施形態において使用され得る。
[0068]前に述べられたように第１の活性層１０４は、ｐｎ接合が間に画定される、ｐ型ドープされた副層及びｎ型ドープされた副層を含むように形成され得る。従って活性層１０４のｐ型領域の製作時にｐ型にドープされるべき活性層１０４の領域内に、ｐ型ドーパントを導入することができ、活性層１０４のｎ型領域の製作時にｎ型にドープされるべき活性層１０４の領域内に、ｎ型ドーパントを導入することができる。さらに１つ又は複数のｐ型ドーパントの濃度は、活性層１０４のｐ型領域が形成されるとその厚さにわたって濃度勾配がもたらされるように、ｐ型領域の製作時に変化させることができる。例えば活性層１０４のｐ型領域内の１つ又は複数のｐ型ドーパントの濃度は、前に論じられたように活性層１０４の裏面１０５Ｂから活性層１０４の前面１０５Ａに向かって延びる方向において減少させることができる。活性層１０４のｐ型領域内にこのような濃度勾配をもたらすことによってその中に、活性層１０４のｎ側に向かって（即ち図８に示される実施形態では活性層１０４の前面１０５Ａに向かって）電子の移動を促すのを補助する電界をもたらすことができる。
[0069]形成されるのに従っていくつかの実施形態では、活性層１０４の裏面１０５Ｂは、活性層１０４の前面１０５Ａの表面粗さと少なくとも実質的に同様な表面粗さを有することができる。
[0070]図９を参照すると活性層１０４を形成した後に、任意選択で活性層１０４の上に、光活性デバイス１００（図１）の追加の層を製作することができる。例えば光活性デバイス１００の活性領域１０３の形成を完了することができ、このような活性領域１０３は、光活性デバイス１００の追加のサブセルを画定する１つ又は複数の追加の活性層を含むことができる。非限定的な例として、図１を参照して前に述べられたように、第１の活性層１０４の上に、第２の活性層１０６、第３の活性層１０８、及び第４の活性層１１０を製作することができる。また隣接する活性層１０４、１０６、１０８、１１０の間に、トンネル接合層１２０を形成することができる。
[0071]順次的に、様々な層を次々にエピタキシャル成長させることによって、様々な追加の層を製作することができる。各層又は副層のために使用される特定の成長技法は、それぞれの層又は副層の組成に依存し得る。このような層のエピタキシャル成長のために一般に使用される成長技法は、化学気相成長（ＣＶＤ）技法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）技法、気相エピタキシ（ＶＰＥ）技法、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）技法、物理蒸着（ＰＶＤ）技法、及び分子線エピタキシ（ＭＢＥ）技法を含む。
[0072]図１０を参照すると活性層１０４の上（及び活性層１０４の上に前に製作された任意の追加の層の上）に、第１の基板１４０と反対の側において第２の基板１６０を付着することができ、第１の基板１４０は第１の活性層１０４に付着されたままとなる。
[0073]第２の基板１６０は、酸化物（例えば酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化シリコンなど）、及び半導体材料（例えばシリコン、ゲルマニウム、炭化珪素、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料（例えばＧａＡｓ、ＧａＮなど）、窒化アルミニウム、ダイアモンドなど）を含むいくつかの材料のいずれかを備えることができる。第２の基板１６０は、結晶性材料（例えば多結晶又は単結晶材料）を備えることができる。さらに第２の基板１６０は、単一の一般に均質の材料によって少なくとも実質的に構成することができ、又は第２の基板１６０は、サファイア上ガリウム砒素（ＧａＡｓＯＳ）基板又はサファイア上ゲルマニウム（ＧｅＯＳ）基板などの、絶縁体上半導体（ＳｅＯＩ）型構造体などの多層構造体を備えることができる。
[0074]第２の基板１６０は、例えば本明細書で前に述べられたような直接接合プロセスを用いて活性層１０４の上に付着することができる。いくつかの実施形態では第２の基板１６０は、直接接合プロセスにおいて活性領域１０３の露出された主表面１６２（これは図１０の実施形態では、第４の活性層１１０の窓層１１６の露出された表面を備える）に直接付着することができる。
[0075]活性層１０４の上に第２の基板１６０を付着した後に、図１１に示されるように活性層１０４の裏面１０５Ｂを露出するように、活性層１０４から第１の基板１４２を除去することができる。図１１では構造体は、図１０に示される向きに対して１８０°回転された向きに（即ち反転されて）示される。第１の基板１４２は、例えば研削プロセス、研磨プロセス、化学（ウェット又はドライ）エッチングプロセス（例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセス）の１つ又は複数を用いて、活性層１０４から除去することができる。非限定的な例として第１の基板１４２の大部分は機械的研削プロセスを用いて除去することができ、その後に第１の基板１４２の比較的薄い残りの層は、活性層１０４の材料と比べて第１の基板１４２の材料に対して選択的なエッチング剤を用いた、化学エッチングプロセスによって除去することができる。活性層１０４は、第１の基板１４２を除去するために用いられるエッチングプロセスのためのエッチング停止層として働くことができる。
[0076]図１２を参照すると第１の基板１２を除去した後に、活性層１０４の露出された裏面１０５Ｂは、裏面１０５Ｂに活性層１０４の前面１０５Ａの表面粗さより大きな表面粗さをもたせるように処理することができる。別の言い方をすれば活性層１０４の露出された裏面１０５Ｂは、第１の基板１４２を除去した後に、裏面１０５Ｂの表面粗さを増加するように粗面化することができる。裏面１０５Ｂを粗面化することで、図１から４を参照して前に述べられたようにテクスチャ特徴１２２（例えば凹部及び／又は突起部）を形成し、結果として裏面１０５Ｂのトポグラフィをもたらすことができる。
[0077]裏面１０５Ｂを粗面化し、テクスチャ特徴１２２を形成するために、様々な技法を用いることができる。例として及び非限定的に裏面１０５Ｂは、裏面１０５Ｂの表面粗さを増加するように、化学エッチングプロセス及び機械的粗面化プロセスの少なくとも１つによって処理することができる。いくつかの実施形態では、研削プロセスを用いて裏面１０５Ｂを粗面化し、裏面１０５Ｂ内に凹部及び／又は突起部を備えるテクスチャ特徴１２２を形成することができる。いくつかの実施形態では、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスを用いて裏面１０５Ｂを粗面化し、裏面１０５Ｂ内に凹部及び／又は突起部を備えるテクスチャ特徴１２２を形成することができる。他の実施形態では、化学エッチングプロセスを用いて裏面１０５Ｂを粗面化し、裏面１０５Ｂ内に凹部及び／又は突起部を備えるテクスチャ特徴１２２を形成することができる。このような化学エッチングプロセスは、ウェット化学エッチング剤及びドライプラズマエッチング剤の一方又は両方を使用することができる。
[0078]いくつかの実施形態では裏面１０５Ｂは、フォトリソグラフィによるマスキング及びエッチングプロセスを用いて粗面化することができる。このような実施形態ではマスク層を、活性層１０４の露出された裏面１０５Ｂの上に堆積し、開口及び／又は突起部を形成するために裏面１０５Ｂ内へエッチングすることが望まれる場所にマスク層を通して開口を形成するように、選択的にパターニングすることができる。パターニングされたマスク層を形成した後に、パターニングされたマスク層を通して露出された活性層１０４の領域は、裏面１０５Ｂにおいて凹部及び／又は突起部を画定するように選択された形で活性層１０４の領域を除去するために、例えばウェットエッチングプロセス、又はドライ反応性イオンエッチングプロセスを用いてエッチングすることができる。活性層１０４の裏面１０５Ｂにおいて画定される凹部及び／又は突起部の形状は、パターニングされたマスク層内の開口の形状、及び活性層１０４をエッチングするために用いられるエッチングプロセスのタイプ（例えば等方性又は異方性）に、少なくとも部分的に応じたものとなり得る。エッチングプロセスの後に、パターニングされたマスク層を除去することができる。このようなマスキング及びエッチングプロセスは、活性層１０４の裏面１０５Ｂ上の所定の及び選択された場所に、凹部及び／又は突起部を形成するために用いることができる。
[0079]一時的に図１を参照すると本開示の方法はさらに、活性領域１０３に衝突する放射１０２の吸収に反応して電圧が間に発生される、第１の電極１１１及び第２の電極１１２のｋ形成を含むことができる。図１３を参照すると第１の電極１１１を形成するために、活性層１０４の粗面化された裏面１０５Ｂ上に１つ又は複数の導電性材料をもたらすことができる。例えば、導電性金属１６４と活性層１０４の間にオーミック接触をもたらすために、粗面化された裏面１０５Ｂ上に導電性金属１６４を堆積若しくは別の方法でもたらすことができる。導電性金属１６４は、例えばタングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、又はこのような元素の１つ又は複数を備える合金又は混合物を備えることができる。いくつかの実施形態では導電性金属１６４は、異なる組成を有する金属の多層積層体を備えることができる。導電性金属１６４は、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセス、物理蒸着（ＰＶＤ）プロセス、スパッタリングプロセス、無電解めっき析出プロセス、及び電解めっき析出プロセスの１つ又は複数を用いて裏面１０５Ｂ上に堆積され得る。
[0080]図１４に示されるように、第１の電極１１１及び第２の電極１１２の製作を完了することができる。任意選択で、例えば導電性金属１６４が構造体の取り扱いを可能にするのに十分厚くない場合は、導電性基板１６６（例えばハンドル基板）を導電性金属１６４に接合することができる。導電性基板１６６は、例えばタングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属、又はこのような元素の１つ又は複数を備える合金又は混合物を備えることができる。導電性基板１６６は、例えば本明細書で前に述べられたような直接接合プロセスを用いて、導電性金属１６４に接合することができる。任意選択で、導電性金属１６４と反対の側において導電性基板１６６の表面の上に追加のコンタクト金属１６８の層を堆積することができる。導電性金属１６４、導電性基板１６６、及びコンタクト金属１６８は、一緒に第１の電極１１１を画定する。
[0081]引き続き図１４を参照すると、第２の基板１６０（図１３）は除去することができ、第１の電極１１１と反対の側において活性層１０４の上に（及び活性領域１０３の任意選択の追加の層の上に）、第２の電極１１２を製作することができる。図１を参照して前に述べられたように第２の電極１１２は、電磁放射１０２がそれを通って通過し活性領域１０３に入射できる少なくとも１つの開口１１４を画定するように、不連続となるように形成することができる。任意選択で、第２の電極１１２内の少なくともいずれかの開口１１４内において、活性領域１０３の上に延びる反射防止（ＡＲ）コーティング１１５を形成することができる。
[0082]図５から１４を参照して上述された方法では、第１の基板１４２上に光活性デバイス１００の活性領域１０３が完全に製作され、その後に第２の基板１６０が、第１の基板１４２と反対の側において活性領域１０３に付着される。本開示のさらなる実施形態では、活性領域１０３の第１の部分（第１の活性層１０４を含む）は、第１の多層構造体を形成するように第１の基板１４２上に製作することができ、活性領域１０３の第２の部分は、個別の第２の多層構造体を形成するように第２の基板１６０上に個別に製作することができ、その後に第１及び第２の多層構造体は互いに直接接合され得る。
[0083]例えば図８に示される多層構造体は、図５から８を参照して本明細書で前に述べられたように製作することができる。図１５を参照すると、第１の多層構造体１７０を形成するように、図８の構造体の上に、活性領域１０３（図１）の追加の層を成長させることができる。非限定的な例として、第１の活性層１０４の上にトンネル接合層１２０を成長させることができ、トンネル接合層１２０の上に第２の活性層１０６を成長させて、第１の多層構造体１７０を形成することができる。
[0084]図１６を参照すると、第２の基板１６０の表面の上に第４の活性層１１０、第３の活性層１０８、及びトンネル接合層１２０を形成することによって、第２の多層構造体１７２を個別に製作することができる。第２の基板１６０は、図１０を参照して前に述べられたようなものとすることができる。第２の基板１６０の上に形成された活性領域１０３の様々な層も、図８及び９を参照して前に述べられたような方法を用いて形成することができる。
[0085]図１７に示されるように多層構造体１７０、１７２を個別に形成した後に、第１の多層構造体１７０は、第２の多層構造体１７２に直接接合することができる。本明細書で前に述べられたような直接接合プロセスを使用して、第１の多層構造体１７０を第２の多層構造体１７２に直接接合することができる。第１の多層構造体１７０を第２の多層構造体１７２に直接接合すると、図１０のような構造体を形成することができ、次いで結果としての構造体を図１０から１４を参照して前に述べられたように処理して、図１から４を参照して述べられたような光活性デバイス１００の製作を完了することができる。
[0086]図１５の第１の多層構造体１７０は、第１及び第２の活性層１０４、１０６を含むように述べられ、図１６の第２の多層構造体１７２は、第３及び第４の活性層１０８、１１０を含むように述べられたが、第１の多層構造体１７０は、光活性デバイス１００（図１）の活性領域１０３の任意の１つ又は複数の層を含むことができ、第２の多層構造体１７２は、光活性デバイス１００の活性領域１０３の層の残りを含むことができる。
[0087]図１５から１７を参照して上述された方法は、活性領域１０３の層の１つ又は複数（例えば活性層１０４、１０６、１０８、１１０、及びトンネル接合層１２０）を化学気相成長（ＣＶＤ）技法（例えば有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）技法）などの１つの成長技法を用いて製作することが望ましく、活性領域１０３の１つ又は複数の他の層を分子線エピタキシ（ＭＢＥ）技法などの別の異なる成長技法を用いて製作することが望ましい場合に特に有用である。このような方法の例は、例えばＫｒａｕｓｅの名前で２０１１年１０月１１日に出願された「Ｍｕｌｔｉ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」という名称の仏国特許出願第１１５９１５４号においてさらに詳しく開示されており、その開示はこの参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
[0088]さらなる本開示の実施形態の非限定的な例は以下に記載される。
[0089]実施形態１：光活性デバイスであって、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極の間に配置された活性領域であって、活性領域に衝突する放射を吸収し、放射の吸収に反応して第１の電極と第２の電極の間に電圧を発生するように構成され、約０．６０ｅＶと約２．１０ｅＶの間のバンドギャップを示す半導体材料を備えた少なくとも１つの活性層を含み、少なくとも１つの活性層は光活性デバイスの動作時に放射がそれを通って少なくとも１つの活性層に入射する前面、及び前面から少なくとも１つの活性層の反対側に裏面を有し、裏面は前面の表面粗さより大きな表面粗さを有する、活性領域とを備える、光活性デバイス。
[0090]実施形態２：裏面が、少なくとも１つの活性層の内部から裏面に衝突する放射を反射するように構成されたトポグラフィを有する、実施形態１の光活性デバイス。
[0091]実施形態３：裏面のトポグラフィが少なくとも１つの活性層に平行な平面における平均断面寸法を有する複数のテクスチャ特徴を含み、平均断面寸法が約１００ナノメートル（１００ｎｍ）と約５０ミクロン（５０μｍ）の間である、実施形態２の光活性デバイス。
[0092]実施形態４：複数のテクスチャ特徴が少なくとも１つの活性層内に延びる複数の凹部を備え、複数の凹部は約１０ナノメートル（１０ｎｍ）と約１０ミクロン（１０μｍ）の間の、少なくとも１つの活性層に垂直な平面における平均断面寸法を有する、実施形態３の光活性デバイス。
[0093]実施形態５：複数のテクスチャ特徴が、裏面の主平面から少なくとも１つの活性層から外に延びる複数の突起部を備え、複数の突起部は約１０ナノメートル（１０ｎｍ）と約１０ミクロン（１０μｍ）の間の、少なくとも１つの活性層に垂直な平面における平均断面寸法を有する、実施形態３又は実施形態４の光活性デバイス。
[0094]実施形態６：少なくとも１つの活性層が、約１００ミクロン（１００μｍ）以下の実際の平均層厚さを有する、実施形態１〜５のいずれか１つの光活性デバイス。
[0095]実施形態７：少なくとも１つの活性層が、放射の吸収に反応して少なくとも１つの活性層内で発生された電子が、少なくとも１つの活性層の実際の平均層厚さより大きな平均拡散距離を示すような組成を有する、実施形態６の光活性デバイス。
[0096]実施形態８：実際の平均層厚さが約１０ミクロン（１０μｍ）以下である、実施形態６又は実施形態７の光活性デバイス。
[0097]実施形態９：少なくとも１つの活性層が少なくとも１つのｐ型ドーパントを含む、実施形態１〜８のいずれか１つの光活性デバイス。
[0098]実施形態１０：少なくとも１つの活性層内の少なくとも１つのｐ型ドーパントの濃度が、少なくとも１つの活性層にわたって濃度勾配を示し、少なくとも１つの活性層内の少なくとも１つのｐ型ドーパントにおける濃度は、裏面から前面まで延びる方向において減少する、実施形態９の光活性デバイス。
[0099]実施形態１１：少なくとも１つの活性層の半導体材料がゲルマニウムを備える、実施形態１〜１０のいずれか１つの光活性デバイス。
[00100]実施形態１２：少なくとも１つの活性層の半導体材料が、少なくとも実質的に単結晶エピタキシャルゲルマニウムから構成される、実施形態１１の光活性デバイス。
[00101]実施形態１３：第１の電極及び第２の電極の１つが、少なくとも１つの活性層の裏面と直接物理的に接触する金属を備える、実施形態１〜１２のいずれか１つの光活性デバイス。
[00102]実施形態１４：光活性デバイスが太陽電池を備える、実施形態１〜１３のいずれか１つの光活性デバイス。
[00103]実施形態１５：太陽電池が多接合太陽電池を備え、活性領域が、約１．２０ｅＶより大きなバンドギャップを示す異なる半導体材料を備えた少なくとも１つの追加の活性層をさらに含む、実施形態１４の光活性デバイス。
[00104]実施形態１６：光活性デバイスを製作する方法であって、活性領域を形成し、活性領域を、活性領域に衝突する放射を吸収し放射の吸収に反応して第１の電極と第２の電極の間に電圧を発生するように構成するステップであって、活性領域は約０．６０ｅＶと約２．１０ｅＶの間のバンドギャップを示す半導体材料を備えた少なくとも１つの活性層を含み、少なくとも１つの活性層は光活性デバイスの動作時に放射がそれを通って少なくとも１つの活性層に入射する前面、及び前面から少なくとも１つの活性層の反対側に裏面を有し、裏面は前面の表面粗さより大きな表面粗さを有する、ステップと、活性領域に衝突する放射の吸収に反応して電圧が間に発生される、第１の電極及び第２の電極を形成するステップとを含む方法。
[00105]実施形態１７：活性領域を形成するステップが、少なくとも１つの活性層の裏面が第１の基板に隣接して配置されるように、第１の基板の表面に少なくとも１つの活性層を形成するサブステップと、少なくとも１つの活性層から第１の基板を除去し、少なくとも１つの活性層の裏面を露出するサブステップと、少なくとも１つの活性層から第１の基板を除去するサブステップの後に、少なくとも１つの活性層の裏面を処理し、裏面に、前面の表面粗さより大きな表面粗さをもたせるサブステップとを含む、実施形態１６の方法。
[00106]実施形態１８：少なくとも１つの活性層から第１の基板を除去するサブステップの前に、第１の基板と反対の側において少なくとも１つの活性層の上に第２の基板を付着するステップをさらに含む、実施形態１７の方法。
[00107]実施形態１９：第１の基板と反対の側において少なくとも１つの活性層の上に第２の基板を付着するサブステップの前に、第２の基板上に活性領域の少なくとも１つの追加の活性層を形成するステップをさらに含む、実施形態１８の方法。
[00108]実施形態２０：少なくとも１つの活性層から第１の基板を除去するサブステップの後に少なくとも１つの活性層の裏面を処理するサブステップが、裏面を化学的にエッチングすること及び裏面を機械的に粗面化することの少なくとも１つを含む、実施形態１７〜２０のいずれか１つの方法。
[00109]実施形態２１：少なくとも１つの活性層から第１の基板を除去するサブステップの後に少なくとも１つの活性層の裏面を処理するサブステップが、ウェット化学エッチング剤及びドライプラズマエッチング剤の少なくとも１つによって裏面を化学的にエッチングすることを含む、実施形態２０の方法。
[00110]実施形態２２：少なくとも１つの活性層の裏面を処理するサブステップが、少なくとも１つの活性層から第１の基板を除去するサブステップの後に、裏面に化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスを受けさせるサブステップを含む、実施形態２０又は実施形態２１の方法。
[00111]実施形態２３：第１の基板の表面上に少なくとも１つの活性層を形成するサブステップが、少なくとも１つの活性層の半導体材料を備えた第１の層を、第１の基板に移転すること、及び少なくとも１つの活性層の厚さを増加するように、第１の層上に半導体材料を備えた追加の層をエピタキシャル成長させることを含む、実施形態１７〜２２のいずれか１つの方法。
[00112]実施形態２４：少なくとも１つのｐ型ドーパントで少なくとも１つの活性層をドープするステップをさらに含む、実施形態１６〜２３のいずれか１つの方法。
[00113]実施形態２５：少なくとも１つの活性層を少なくとも１つのｐ型ドーパントでドープするステップが、少なくとも１つの活性層内の少なくとも１つのｐ型ドーパントの濃度が少なくとも１つの活性層にわたる濃度勾配を示すように、少なくとも１つの活性層を少なくとも１つのｐ型ドーパントでドープするサブステップをさらに含み、少なくとも１つの活性層内の少なくとも１つのｐ型ドーパントの濃度は、裏面から前面まで延びる方向に減少する、実施形態２４の方法。
[00114]上述の本開示の例示の実施形態は、これらの実施形態は単に本発明の実施形態の例であるので本発明の範囲を限定するものではなく、これは添付の特許請求の範囲及びそれらに均等物によって定義される。いずれの均等な実施形態も本発明の範囲内であることが意図される。実際、述べられた要素の代替の有用な組み合わせなど、本明細書で示され述べられたものに加えて、本開示の様々な変更形態が、記述から当業者には明らかになるであろう。このような変更形態及び実施形態も、添付の特許請求の範囲に包含されるものである。

Claims (17)

  1. 第１の電極と、
    第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置された活性領域と、
    を備える光活性デバイスであって、
    前記活性領域は、前記活性領域に衝突する放射を吸収し、放射の吸収に反応して前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を発生するように構成され、約０．６０ｅＶと約２．１０ｅＶの間のバンドギャップを示す半導体材料を備えた少なくとも１つの活性層を含み、前記少なくとも１つの活性層は前記光活性デバイスの動作時に放射がそれを通って前記少なくとも１つの活性層に入射する前面、及び前記前面から前記少なくとも１つの活性層の反対側の裏面を有し、前記裏面は前記前面の表面粗さより大きな表面粗さを有する、光活性デバイス。
  2. 前記裏面が、前記少なくとも１つの活性層の内部から前記裏面に衝突する放射を反射するように構成されたトポグラフィを有する、請求項１に記載の光活性デバイス。
  3. 前記裏面の前記トポグラフィが前記少なくとも１つの活性層に平行な平面における平均断面寸法を有する複数のテクスチャ特徴を含み、前記平均断面寸法が約１００ナノメートル（１００ｎｍ）と約５０ミクロン（５０μｍ）の間である、請求項２に記載の光活性デバイス。
  4. 前記少なくとも１つの活性層が、約１００ミクロン（１００μｍ）以下の実際の平均層厚さを有する、請求項１に記載の光活性デバイス。
  5. 前記少なくとも１つの活性層が、放射の吸収に反応して前記少なくとも１つの活性層内で発生された電子が、前記少なくとも１つの活性層の前記実際の平均層厚さより大きな平均拡散距離を示すような組成を有する、請求項４に記載の光活性デバイス。
  6. 前記少なくとも１つの活性層が少なくとも１つのｐ型ドーパントを含む、請求項１に記載の光活性デバイス。
  7. 前記少なくとも１つの活性層内の前記少なくとも１つのｐ型ドーパントの濃度が、前記少なくとも１つの活性層にわたって濃度勾配を示し、前記少なくとも１つの活性層内の前記少なくとも１つのｐ型ドーパントにおける濃度は、前記裏面から前記前面まで延びる方向において減少する、請求項６に記載の光活性デバイス。
  8. 前記少なくとも１つの活性層の前記半導体材料がゲルマニウムを備える、請求項１に記載の光活性デバイス。
  9. 前記少なくとも１つの活性層の前記半導体材料が、少なくとも実質的に単結晶エピタキシャルゲルマニウムから構成される、請求項８に記載の光活性デバイス。
  10. 光活性デバイスを製作する方法であって、
    活性領域を形成し、前記活性領域を、前記活性領域に衝突する放射を吸収し放射の吸収に反応して第１の電極と第２の電極の間に電圧を発生するように構成するステップであって、前記活性領域は約０．６０ｅＶと約２．１０ｅＶの間のバンドギャップを示す半導体材料を備えた少なくとも１つの活性層を含み、前記少なくとも１つの活性層は前記光活性デバイスの動作時に放射がそれを通って前記少なくとも１つの活性層に入射する前面、及び前記前面から前記少なくとも１つの活性層の反対側の裏面を有し、前記裏面は前記前面の表面粗さより大きな表面粗さを有する、ステップと、
    前記第１の電極及び前記第２の電極を形成するステップであって、前記活性領域に衝突する放射の吸収に反応して前記第１の電極及び前記第２の電極の間に電圧が発生される、ステップと、
    を含む方法。
  11. 前記活性領域を形成する前記ステップが、
    前記少なくとも１つの活性層の前記裏面が第１の基板に隣接して配置されるように、前記第１の基板の表面に前記少なくとも１つの活性層を形成するサブステップと、
    前記少なくとも１つの活性層から第１の基板を除去し、前記少なくとも１つの活性層の前記裏面を露出するサブステップと、
    前記少なくとも１つの活性層から前記第１の基板を除去する前記サブステップの後に、前記少なくとも１つの活性層の前記裏面を処理し、前記裏面に、前記前面の表面粗さより大きな表面粗さをもたせるサブステップと、
    を含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記少なくとも１つの活性層から前記第１の基板を除去する前記サブステップの前に、前記第１の基板と反対の側において前記少なくとも１つの活性層の上に第２の基板を付着するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第１の基板と反対の側において前記少なくとも１つの活性層の上に前記第２の基板を付着する前記サブステップの前に、前記第２の基板上に前記活性領域の少なくとも１つの追加の活性層を形成するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記少なくとも１つの活性層から前記第１の基板を除去する前記サブステップの後に前記少なくとも１つの活性層の前記裏面を処理する前記サブステップが、前記裏面を化学的にエッチングすること及び前記裏面を機械的に粗面化することの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記第１の基板の前記表面上に前記少なくとも１つの活性層を形成する前記サブステップが、
    前記少なくとも１つの活性層の前記半導体材料を備えた第１の層を、前記第１の基板に移転すること、及び
    前記少なくとも１つの活性層の厚さを増加するように、前記第１の層上に前記半導体材料を備えた追加の層をエピタキシャル成長させること、
    を含む、請求項１１に記載の方法。
  16. 少なくとも１つのｐ型ドーパントで前記少なくとも１つの活性層をドープするステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  17. 前記少なくとも１つの活性層を少なくとも１つのｐ型ドーパントでドープする前記ステップが、前記少なくとも１つの活性層内の前記少なくとも１つのｐ型ドーパントの濃度が前記少なくとも１つの活性層にわたる濃度勾配を示すように、前記少なくとも１つの活性層を前記少なくとも１つのｐ型ドーパントでドープするサブステップをさらに含み、前記少なくとも１つの活性層内の前記少なくとも１つのｐ型ドーパントの濃度は、前記裏面から前記前面まで延びる方向において減少する、請求項１６に記載の方法。
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