JP2019505995A - 埋め込みミラーを有する加工基板 - Google Patents

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Abstract

加工基板は、太陽電池の成長のために第１の半導体材料から作られたシード層と、上記シード層上の第１のボンディング層と、第２の半導体材料の支持基板と、上記支持基板の第１の面の第２のボンディング層と、上記第１及び第２のボンディング層の間のボンディング界面とを備え、上記第１及び第２のボンディング層が金属材料から各々作られており、ドーピング濃度及び加工基板、特に上記シード層、上記支持基板、及び上記第１と第２のボンディング層の両方の厚さは、上記シード層の吸収が２０％未満、好ましくは１０％未満であり、並びに総計の上記加工基板の面積で規格化した直列抵抗が１０ｍＯｈｍ・ｃｍ２未満、好ましくは５ｍＯｈｍ・ｃｍ２未満であるように選択される。【選択図】 図１

Description

本発明は、埋め込みミラーを有する加工基板並びに埋め込みミラーを有する加工基板を製造する方法に関する。
光起電力電池又は太陽電池は、太陽放射を電流へと変換するために設計されている。集光器太陽光起電力用途では、入射太陽光が太陽電池へと向けられる前に、入射太陽光が光学的に集光される。例えば、入射太陽光は一次ミラーによって受けられ、一次ミラーは受光した放射を二次ミラーに向けて反射し、二次ミラーは順に放射を太陽電池に向けて反射し、太陽電池は、例えばＩＩＩ−Ｖ半導体又は単結晶シリコン内に電子−正孔対を発生させることにより集光した放射を電流へと変換する。集光器光起電力装置は、代わりに又は加えて、入射太陽放射の集光用のフレネルレンズ光学系を備えることができる。
最近、光電子工学用途、例えば、ＣＰＶ（集光器光起電力）セル、ＩＲ（赤外線）検出器、等の分野では、フォトンをリサイクルすること、フォトンの損失を減少させること及び抵抗率を低下させることに関心が集中されている。
これらの課題に関係する問題のうちの１つは、セルの効率である。例えば、ＧａＡｓ基板などの一般に使用される基板は、ドープされることが必要であり、低い接触抵抗を確実にする。しかし、上記のドーピングは、フォトンの吸収の増加を引き起こしている。
ＷＯ２０１３１４３８５１は、最終基板へのシード層の移動を含め、ＭＪ太陽電池デバイスを製造するプロセスを開示している。
例えば、少なくとも２つのサブセルの直接ボンディングを当然ともなう、すなわちサブセルの各々が１つの基板に成長されるが、２つの基板が異なる格子定数を有するＷＯ２０１３１４３８５１に記述されたようなＭＪ（多接合）太陽電池の製造方法のために適しているＭＪ太陽電池、又はより一般的に≪光検出器≫に関して、係る基板に基づく光検出又は変換デバイスの効率を向上させるため適正な基板に対する必要性がある。
上述の問題の観点から、ＭＪ太陽電池に関して、効率の向上をともない、十分に透明でありさらに電導性の基板を提供することが本発明の目的である。
加工基板が提供され、太陽電池の成長のために第１の半導体材料から作られたシード層と、上記シード層上の第１のボンディング層と、第２の半導体材料から作られた支持基板と、上記支持基板の第１の面上の第２のボンディング層と、上記第１及び第２のボンディング層の間のボンディング界面とを備え、上記第１及び第２のボンディング層が金属材料から各々作られており、上記半導体材料のドーピング濃度及び上記加工基板の上記複数の層、特に上記シード層、上記支持基板、及び上記第１と第２のボンディング層の両方の厚さは、上記シード層の吸収が２０％未満、好ましくは１０％未満であるように、かつ上記加工基板の総計の面積で規格化した直列抵抗が１０ｍＯｈｍ・ｃｍ２未満、好ましくは５ｍＯｈｍ・ｃｍ２未満であるように選択される。
上に規定した加工基板では、支持基板は、レシーバ基板ともやはり呼ばれることがある。加工基板は、２つの格子が一致しない材料、すなわち、シード層を含む最上部薄層及び支持／レシーバ基板を含む典型的にはより厚い下部材料、例えば、最上部薄層、すなわちシード層用のＩｎＰ及び下部レシーバ基板、すなわち支持基板用のＧａＡｓ又はＧｅから成る。第１の材料のシード層の薄層は、第２の材料へのボンディングを含めいくつかの手法により得られることが可能である。第１及び第２のボンディング層の間のボンディング界面は、以て、フォトンをより良く反射するために金属材料のミラー層の機能を有する。ミラー層という用語は、４００ｎｍ〜２０００ｎｍの波長範囲で高い反射係数（上限（ｓｕｐ．）７０％）を示す金属層を規定するためにここでは使用される。フォトンの最初のパス中にはシード層の最上部に成長させた能動デバイスにより吸収されていない入射フォトンは、そのときにはミラー層で反射され、吸収のために能動デバイスに再注入されることが可能である。能動デバイスとのミラーボンディング層の近さが、高いフォトン収集確率を確実にし、デバイス特性（電流、効率、．．．）の向上につながる。
電気抵抗率は、所与の材料が電流の流れにどれだけ強く抗するかを定量化する内在的な特性である。低抵抗率は、電荷の移動を容易に可能にする材料を示している。抵抗率は、ギリシア文字ρ（ロー）によって一般に表示される。電気抵抗率の単位は、それぞれ、太陽電池又は加工基板の表面積又は断面積Ａと抵抗Ｒとの積から導き出す。式として、上記は、Ｒ・Ａ＝ρ・ｌであり、ここでは、ｌは長さ又は面積Ａに実質的に垂直である厚さを表している。電気抵抗率ρの単位は、したがってオーム・メートル（Ω・ｍ）である、但し、オーム・センチメートル（Ω・ｃｍ）のような他の単位が上記から導き出されることがある。
直列抵抗は、太陽電池での主要な抵抗効果のうちの１つを表している。高い直列抵抗は、フィルファクタ、したがって最終的に太陽電池の効率を低下させることがある。値を比較できるようにするために、値は、抵抗を面積で掛け算するために面積で規格化され、上記はオームの法則において電流の代わりに電流密度を使用することと同じであり、以てオーム・センチメートル２、すなわち、Ω・ｃｍ２という単位を得ている。
光がシード層を通り１回進むときに、シード層が入射光線の２０％未満しか吸収すべきではないので、２０％未満である吸収が理解されるはずであり、その結果、入射光線の少なくとも８０％がシード層を通って透過され、ミラー層で反射されることが可能である。
加工基板に関して、上記シード層のドーピング濃度は、５×１０１７ａｔ／ｃｍ３未満であってもよい。加工基板では、シード層の上記厚さは、１５０ｎｍ〜１μｍの範囲であってもよい。例えば、シード層のドーピング濃度は、約３００ｎｍの厚さでは約３×１０１８ａｔ／ｃｍ３であってもよい。
加工基板では、支持基板の上記厚さは、１００μｍ〜５００μｍに至るまでの範囲内であってもよく、上記支持基板のドーピング濃度は、１０１４〜５×１０１７ａｔ／ｃｍ３の範囲内であってもよい。
加工基板では、上記第１及び第２のボンディング層の上記金属材料は、ＴｉＮとともにＷ又はＴｉのうちの一方であってもよい。
加工基板では、上記第１の半導体材料が、５．８〜６Å（０．５８ｎｍ〜０．６ｎｍ）の範囲内の格子定数を有することがある。
上記の値は、ＩｎＰの格子定数に典型的には対応する。支持基板は、典型的には最終基板である。直接ボンディングしたＭＪセルのケースに関して、上記基板に成長させたサブセルは、ＩｎＰの格子定数付近の格子定数を有している材料を用いてのみ実現することが可能な最小のエネルギーギャップを有するはずである。
加工基板では、上記第１の半導体材料がＩｎＰである又は上記第１の半導体材料が三元系若しくは四元系若しくは五元系ＩＩＩ−Ｖ材料、例えば、ＩｎＧａＡｓ若しくはＩｎＧａＡｓＰであってもよく、上記第２の半導体材料がＧａＡｓ又はＧｅであってもよい。
加工基板は、上記第１の面とは反対側を向いた上記支持基板の第２の面に設けられた金属コンタクトをさらに備えることができ、発生した電子を集める。
裏面金属コンタクトは、裏面ミラーとしてもやはり働くことができる。支持基板に向けてフォトンを反射して戻すこと及びさらに太陽電池の活性層へ少なくとも部分的に反射することによりフォトンの損失を防止する又は少なくとも最小にするために、裏面金属コンタクトは、支持基板の直下に置かれることが典型的である。フォトンは、ミラーによりこのようにリサイクルされることがあり、フォトンの損失が減少される。加工基板の上に述べた面積で規格化した直列抵抗は、裏面金属コンタクトへのセルの電気的接続部を形成するというさらなる効果を有する。
上に説明したような加工基板を備える光検出又は変換デバイス、特に太陽電池が、さらに提供される。
加工基板を製造する方法がさらに提供され、第１の基板を用意するステップと、上記第１の基板の第１の面にシード層を設けるステップと、上記シード層上に金属材料の第１のボンディング層を形成するステップと、支持基板を用意するステップと、上記支持基板上に金属材料の第２のボンディング層を形成するステップと、上記第１及び第２のボンディング層を直接ボンディングするステップと、次いで上記第１の基板を除去するステップとを含み、上記第１及び第２のボンディング層が金属材料から各々作られており、上記半導体材料のドーピング濃度及び上記加工基板の上記複数の層の厚さは、上記シード層の吸収が２０％未満、好ましくは１０％未満であるように、かつ上記加工基板の総計の面積で規格化した直列抵抗が１０ｍＯｈｍ・ｃｍ２未満、好ましくは５ｍＯｈｍ・ｃｍ２未満の両者であるように選択される。
シード層が、太陽電池の成長のために第１の半導体材料から作られており、支持基板が、第２の半導体材料から作られている。
製造する方法は、上記シード層を設けるステップが、エピタキシャル成長により実現されることをさらに含むことができる。
製造する方法は、上記第１及び第２のボンディング層を直接ボンディングするステップの前に、上記第１の基板又は上記シード層の一部に注入弱化層を形成するためのイオン注入ステップと、上記第１及び第２のボンディング層を直接ボンディングするステップの後で、上記第１の基板又は上記第１の基板上に設けられた上記シード層）の残りの部分を分離する切り離しステップをさらに含むことができる。
製造する方法は、上記第１の面とは反対側を向いた上記支持基板の第２の面に金属コンタクトを設けるステップをさらに含むことができる。
上に詳細に説明したような加工基板は、ＣＰＶセル、ＭＪセル又は任意の光検出デバイスを製造するために使用されることがある。
１つの実施形態の概略図である。 図１に示した実施形態の変更形態の図である。
図１には、本発明による加工基板を製造する方法の第１の実施形態が描かれている。
第１のステップでは、図１の一番左の部分に、支持基板５が用意されることが示されている。さらにその上、第１の基板１が用意される。第１の基板１は、補助基板として働き、しかしながら補助基板は最終加工基板の準備が整う前に除去される又は犠牲にされる。
次のステップでは、矢印Ａにより示したように、シード層３が第１の基板１上に形成される。シード層３は、第１の半導体材料から成ることがある。第１の半導体材料は、例えば、ＩｎＰであってもよい、又は三元系若しくは四元系若しくは五元系ＩＩＩ−Ｖ材料、例えばＩｎＧａＡｓ若しくはＩｎＧａＡｓＰであってもよい。
さらにその上、第１のボンディング層４Ａがシード層３上に形成される。第１のボンディング層４Ａは金属層であり、材料は、ＴｉＮとともにＷ又はＴｉのうちの一方であってもよい。
原理的に、図１に示したように、第１の基板１、シード層３及び第１のボンディング層４Ａは、１つの構造１０Ａとしてもやはり見られることがある。
さらにその上、第２のボンディング層４Ｂが支持基板５上に形成される。第２のボンディング層４Ｂも、やはり金属層であり、材料は、ＴｉＮとともにＷ又はＴｉのうちの一方であってもよい。第２のボンディング層４Ｂが、支持基板５の第１の面に成長される、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）により堆積される。支持基板５及び第２のボンディング層４Ｂは、第２の半導体材料から作られる。第２の半導体材料がＧａＡｓ又はＧｅであることが典型的である。原理的に、支持基板５及び第２のボンディング層４Ｂは一緒に、１つの構造１０Ｂとして見られることがある。１つの構造１０Ｂは、支持基板５の最も上の／最上部部分に形成される第２のボンディング層４Ｂを備えている支持基板に対応する。
それぞれ２つの部分又は構造１０Ａ及び１０Ｂ、すなわち、第１の基板に形成されたシード層を備える部分と支持基板５に設けられる第２のボンディング層４Ｂを備える部分とを形成することの間の時間の関係性は、両者が矢印Ｂにより示されている次のステップの始まりのところで利用可能であること以外には必要ない。
図１に図示したように、Ｂにより示した次のステップでは、２つの構造が一緒にボンディングされる。すなわち、シード層３及び第２のボンディング層４Ａを有する第１の基板１を備える構造１０Ａが、支持基板５及び第２のボンディング層４Ｂを備える第２の構造１０Ｂと一緒にボンディングされる。図１では、第１のボンディング層４Ａ及び第２のボンディング層４Ｂが互いに実質的に接触するように、構造１０Ａ、１０Ｂのうちの一方、ここでは単に例示的な理由で構造１０Ａが上下逆に裏返されているかのように描かれている。第１のボンディング層４Ａ及び第２のボンディング層４Ｂは、両方のボンディング層の間にボンディング界面４をそのときには形成する。ボンディング界面４は、直接ボンディング界面であってもよい。ボンディングは、２つのボンディング層４Ａ、４Ｂを介して２つの構造の直接ボンディングにより実行されることが典型的である。直接ボンディングは、何らかのさらなるボンディング層を使用せずに、関係する２つの表面間の分子接着を典型的には表している。分子接着は、部分真空下で典型的には実行される。第１及び第２のボンディング層４Ａ及び４Ｂを含むボンディング界面４は、ボンディング界面であること及びボンディング層４Ａ、４Ｂの金属的性質のためにミラー機能をやはり有することの両者の機能を統合する。このようにミラー機能を統合することにより、光検出又は変換デバイスでの使用のための加工基板の効率が高められる。ミラー機能の統合が低い電気抵抗の維持に関する支持基板の設計により大きな自由度を与えるという理由で、ボンディング界面のところでのミラー機能の統合は、基板の裏面のところに形成されたミラーに対してさらに有利である。係る支持基板は、低い電気抵抗を維持するために高ドープであってもよいが、これはすでに指摘したようにフォトンのより大きな吸収を引き起こす。
引き続いて、ステップＣでは、第１の基板１が第１の基板１から除去され／切り離され、露出したシード層３を備える加工基板１０１を結果として得る。第１の基板１の除去は、様々な方法で実行されることある。とりわけ、グラインディング及び／又はバックエッチングが第１の基板１を除去するために使用されることがあり、以て結局はシード層３を露出させる。上記処理が選択される場合には、前のステップで実行されるボンディングプロセスは、高温で、例えば、２００℃〜６００℃の範囲内の温度で、又はより好ましくは３００℃〜５００℃の間の温度で行われることがある。もう１つの可能性は、ボンディングに先立ち第２の構造１０Ｂ上へと第１の構造１０Ａの移動をスマートカット（Ｓｍａｒｔ Ｃｕｔ）（商標）、すなわちボンディングの前のイオン注入ステップ及び次いで分離すること／切り離すことによって実行することであってもよい、図２参照。この可能性に関して、ボンディングプロセスは、より低い温度で、好ましくは２００℃未満で実行されるべきである。
引き続いて、ステップＤでは、追加の裏面金属コンタクト１１が、第１の面とは反対側を向いた支持基板５の第２の面に設けられることがあり、以て加工基板１０３を得る。加工基板１０３は、追加の裏面金属コンタクトを有することを除いて、加工基板１０１と実質的に同じであってもよい。ステップＤ及びしたがって追加の裏面金属コンタクト１１を設けることは、任意選択的であるが、加工基板１０３、そして最終的に加工基板を含んでいる太陽電池の効率をさらに向上させることができる。裏面金属コンタクト１１は、ボンディング界面４のミラー機能に加えてもう１つのミラーとして働くことができる、すなわち、裏面金属コンタクトの目的は、基板内の未だ変換されていない係るフォトンを内部へと反射して戻すことである。裏面金属コンタクト１１は、太陽電池の裏面への電気的コンタクト部を形成するために、例えば、複雑なワイアリングを回避するために導電性プレートと接触させるためにやはり働くことができる。
図２は、図１の実施形態の軽微な変更形態を示しているが、同じ主要なステップＡ、Ｂ、Ｃ及び任意選択的なステップＤを共有している。同じ要素が、同じ参照番号により記されており、再び説明されない。図２では、第１の支持基板は、第１の基板１の表面のところに設けられているジッパー層２を備えており、シード層３へのコンタクト部を表している。例えば、ジッパー層２は、イオン種の注入により形成された弱化層の形態に設けられることがある。イオン種は、例えば、水素イオン又はヘリウムイオンであってもよい。このケースでは、第１の基板１が、ＩｎＰ基板などのバルク基板として用意されることが可能であり、次いでバルク基板の最上面を通る注入が弱化層２を形成する。弱化層又はジッパー層２は、このように、それぞれバルク基板の最上部部分と下部部分とにあるシード層３と第１の基板１とを分離する。引き続いて、第１の基板１が、ジッパー層２によりシード層３から切り離される、例えば、第１の加工基板が、シード層３からの第１の基板１の切り離しを可能にするジッパー層２のところでへき開される。次いで、第１の基板１の切り離しのさらなるプロセスが、機械的な力を加えることによって仲立ちされることがあり、水素イオン又はヘリウムイオンによって形成された弱化層のところで剥離する。
図２に示した上の実施形態に関して、シード層３が第１の基板１の一部であってもよく、弱化層２の存在により画定されることを人は理解する。しかしながら、本発明は係る構成には限定されない。シード層が第１の基板上へのエピタキシャル成長により形成されてもよいことが理解される。注入ステップは、第１の基板１又はシード層のいずれかに弱化層２をこのように画定できる。係る弱化層２は、すでに上に説明したようなその後の切り離しステップを考慮して形成される。移動させた層の係る切り離しの後のさらなる表面の調整（例えば、グラインディング、ポリッシング、エッチング）は、（必要とされる小さい粗さの）エピタキシャル成長のために適しているシード層、支持基板５に金属ボンディング層（４Ａ、４Ｂ）を介してボンディングされる係るシード層３を後に残す。
得られた加工基板１０１及び１０３、後者が裏面金属コンタクトを含む、は、実質的に図１と同じである。シード層３の厚さは、典型的には１５０ｎｍ〜１μｍに至るまでの範囲内である。移動がスマートカット（商標）により実行される場合には、前記厚さは、３００ｎｍに至るまでであってもよいが、最小２０ｎｍであることが可能である。さらにその上、支持基板５の厚さは、１００μｍ〜５００μｍに至るまでの範囲であってもよい。支持基板５のドーピング濃度は、典型的には１×１０１４〜５×１０１７ａｔ／ｃｍ３の範囲である。第１の半導体材料は、典型的には５．８〜６Å（０．５８ｎｍ〜０．６ｎｍ）の範囲内の格子定数を有する。ボンディング層の厚さは、３ｎｍ〜２μｍに至るまでの範囲内、好ましくは３ｎｍ〜２０ｎｍまでの範囲内である。後者のケースでは、厚さに依存するボンディング層内の低い吸収のために、裏面の第２のミラーが、効率をさらに高くするために適用可能なことがある。
加工基板１０１及び１０３の各々は、ＭＪ太陽電池を形成する際に使用されてもよい。利点は、様々な接合の材料が太陽光スペクトルとより良くマッチングするように調整され得ることである。

Claims (13)

  1. 太陽電池の成長のために第１の半導体材料から作られたシード層（３）と、
    前記シード層（３）上の第１のボンディング層（４Ａ）と、
    第２の半導体材料から作られた支持基板（５）と、
    前記支持基板（５）の第１の面上の第２のボンディング層（４Ｂ）と、
    前記第１及び第２のボンディング層（４Ａ、４Ｂ）の間のボンディング界面（４）と
    を備える加工基板（１０１、１０３）であって、
    前記第１及び第２のボンディング層（４Ａ、４Ｂ）が金属材料から各々作られており、
    前記半導体材料のドーピング濃度及び前記加工基板（１０１、１０３）の前記複数の層、特に前記シード層、前記支持基板、及び前記第１と第２のボンディング層の両方の厚さは、前記シード層（３）の吸収が２０％未満、好ましくは１０％未満であるように、かつ前記加工基板（１０１、１０３）の総計の面積で規格化した直列抵抗が１０ｍＯｈｍ・ｃｍ２未満、好ましくは５ｍＯｈｍ・ｃｍ２未満であるように選択される、加工基板（１０１、１０３）。
  2. 前記シード層（３）のドーピング濃度が５×１０１７ａｔ／ｃｍ３未満である、請求項１に記載の加工基板（１０１、１０３）。
  3. 前記シード層（３）の厚さが１５０ｎｍ〜１μｍの範囲内である、請求項１又は２に記載の加工基板（１０１、１０３）。
  4. 前記支持基板（５）の厚さが１００μｍ〜５００μｍに至るまでの範囲内であり、前記支持基板（５）のドーピング濃度が１０１４〜５×１０１７ａｔ／ｃｍ３の範囲内である、請求項１〜３のうちの少なくとも一項に記載の加工基板（１０１、１０３）。
  5. 前記第１及び第２のボンディング層（４Ａ、４Ｂ）の前記金属材料が、ＴｉＮとともにＷ又はＴｉのうちの一方である、請求項１に記載の加工基板（１０１、１０３）。
  6. 前記第１の半導体材料が５．８〜６Å（０．５８ｎｍ〜０．６ｎｍ）の範囲内の格子定数を有する、請求項１〜５のうちの少なくとも一項に記載の加工基板（１０１、１０３）。
  7. 前記第１の半導体材料がＩｎＰである又は前記第１の半導体材料が三元系若しくは四元系若しくは五元系ＩＩＩ−Ｖ材料、例えば、ＩｎＧａＡｓ若しくはＩｎＧａＡｓＰであり、前記第２の半導体材料がＧａＡｓ又はＧｅの中から選択される、請求項１〜６のうちの少なくとも一項に記載の加工基板（１０１、１０３）。
  8. 前記第１の面とは反対側を向いた前記支持基板（５）の第２の面に設けられた金属コンタクト（１１）をさらに備える、請求項１に記載の加工基板（１０１、１０３）。
  9. 請求項１〜８のうちの少なくとも一項に記載の加工基板（１０１、１０３）を備える光検出又は変換デバイス、特に太陽電池。
  10. 加工基板（１０１、１０３）を製造する方法であって、
    第１の基板（１）を用意するステップと、
    前記第１の基板の第１の面にシード層（３）を設けるステップと、
    前記シード層（３）上に金属材料の第１のボンディング層（４Ａ）を形成するステップと、
    支持基板（５）を用意するステップと、
    前記支持基板（５）上に金属材料の第２のボンディング層（４Ｂ）を形成するステップと、
    前記第１及び第２のボンディング層（４Ａ、４Ｂ）を直接ボンディングするステップと、次いで
    前記第１の基板（１）を除去するステップと
    を含み、
    前記第１及び第２のボンディング層（４Ａ、４Ｂ）が金属材料から各々作られており、
    前記半導体材料のドーピング濃度及び前記加工基板（１０１、１０３）の前記複数の層の厚さは、前記シード層（３）の吸収が２０％未満、好ましくは１０％未満であるように、かつ前記加工基板（１０１、１０３）の総計の面積で規格化した直列抵抗が１０ｍＯｈｍ・ｃｍ２未満、好ましくは５ｍＯｈｍ・ｃｍ２未満であるように選択される、方法。
  11. 前記シード層（３）を設けるステップが、エピタキシャル成長により実現される、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記第１及び第２のボンディング層（４Ａ、４Ｂ）を直接ボンディングするステップの前に、前記第１の基板（１）又は前記シード層（３）の一部に弱化層（２）を形成するためのイオン注入ステップと、前記第１及び第２のボンディング層（４Ａ、４Ｂ）を直接ボンディングするステップの後で、前記第１の基板（１）又は前記第１の基板（１）上に設けられた前記シード層（３）の残りの部分を分離する切り離しステップとをさらに含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
  13. 前記第１の面とは反対側を向いた前記支持基板（５）の第２の面に金属コンタクト（１１）を設けるステップをさらに含む、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
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