JP2021527939A - 単一の格子整合希薄窒化物接合を組み込んだ薄膜フレキシブル光電子デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

単一の格子整合希薄窒化物接合を組み込んだ薄膜フレキシブル光電子デバイスおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

薄膜フレキシブル光電子デバイスを記載する。一態様では、単一接合光電子デバイスを製造する方法は、基板上にｐ−ｎ構造を形成し、ｐ−ｎ構造は、基板の格子定数に一致する格子定数を有する半導体を含み、半導体は希薄窒化物を含み、単一接合光電子デバイスは、ｐ−ｎ構造を含むステップ；および単一接合光電子デバイスを基板から分離するステップを含む。希薄窒化物は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、それらの合金、またはそれらの誘導体のうちの１つ以上を含む。
【選択図】なし

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年６月１８日に出願された「ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭ，ＦＬＥＸＩＢＬＥ ＭＵＬＴＩ−ＪＵＮＣＴＩＯＮ ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＤＥＶＩＣＥＳ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ ＬＡＴＴＩＣＥ−ＭＡＴＣＨＥＤ ＤＩＬＵＴＩＴＥ ＮＩＴＲＩＤＥ ＪＵＮＣＴＩＯＮＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ」と題する米国特許出願第１６／０１１，５１６号に関連し、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、「ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭ，ＦＬＥＸＩＢＬＥ ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＤＥＶＩＣＥＳ ＡＮＤ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ Ａ ＳＩＮＧＬＥ ＬＡＴＴＩＣＥ−ＭＡＴＣＨＥＤ ＤＩＬＵＴＥ ＮＩＴＲＩＤＥ ＪＵＮＣＴＩＯＮ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ」と題され、２０１８年６月１８日に出願された米国特許出願第１６／０１１，５３１号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
本開示の態様は、一般に、光電子デバイスに関し、より詳細には、単一の格子整合希薄窒化物接合を組み込んだ薄膜フレキシブル光電子デバイス、および光電子デバイスを製造する方法に関する。
従来の光電子デバイスの効率と比較して、より標的化され、改善されたエネルギー捕捉効率を有する光電子デバイス（例えば、光電池）を提供する必要がある。しかしながら、これらの改良されたデバイスは、費用効率的であり、容易に実施され、かつ／または既存の環境に適合可能である必要がある。より良好なフレキシビリティーおよび軽量の設計を達成することもまた、高度に望ましい。本開示は、そのようなニーズに対処する技術的解決策の様々な態様を説明する。
以下は、そのような態様の基本的な理解を提供するために、１つ以上の態様の簡略化された概要を提示する。この概要は、すべての企図された態様の広範な概観ではなく、すべての態様の重要なまたは重大な要素を識別することも、任意のまたはすべての態様の範囲を線引きすることも意図しない。その目的は、後に提示するより詳細な説明の前置きとして、１つ以上の態様のいくつかの概念を簡略化された形態で提示することである。
本開示は、単一の格子整合希薄窒化物接合を組み込んだ薄膜フレキシブル光電子デバイス、および光電子デバイスを製造する方法を記載する。例えば、本開示は、ＧａＡｓ基板またはＧｅ基板に格子整合させて成長させることができる希薄窒化物を使用する太陽電池設計の様々な態様を記載し、この設計は、エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）または同様の基板再使用技術（例えば、剥離（ｓｐａｌｌｉｎｇ）、レーザリフトオフ、剥離（ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ）など）にも適合する。さらに、本明細書に記載する技術は、反転方向における単一接合光電子デバイスの成長を可能にする。
一態様では、単一接合光電子デバイスを製造するための方法である。この方法は、基板上にｐ−ｎ構造を形成することを含み、ｐ−ｎ構造は、基板の格子定数に一致する格子定数を有する半導体を含み、半導体は、希薄窒化物を含み、単一接合光電子デバイスは、ｐ−ｎ構造を含む。さらに、この方法は、単一接合光電子デバイスを基板から分離することを含む。
単一の希薄窒化物接合を有する本明細書で説明する単一接合光電子デバイスを、また単一接合光電子デバイスのｐ−ｎ構造またはサブセルと共に成長、堆積、または形成され得る後方反射器および／または他の光学的に設計された構造もしくは層を含むように構成することができる。デバイスのこれらの光学的に設計された裏面は、向上した光吸収を可能にする。
単一の格子整合希薄窒化物接合を組み込んだ薄膜フレキシブル光電子デバイス、およびこれらの光電子デバイスを製造する試験法に関連する追加の態様も、記載する。
添付の図面は、いくつかの実施態様のみを示しており、したがって、範囲を限定するものと考慮するべきではない。
本開示の態様による、単一の希薄窒化物接合を有する光電子デバイスの一例を示す図である。 本開示の態様による、単一の希薄窒化物接合を有する光電子デバイスの特定の例を示す図である。 本開示の態様による、基板からの図２Ａの光電子デバイスの分離の例を示す図である。 本開示の態様による、単一の希薄窒化物接合を有する光電子デバイスの例を示す図である。 本開示の態様による、単一の希薄窒化物接合を有する光電子デバイスの例を示す図である。 本開示の態様による、単一の希薄窒化物接合を有する光電子デバイスの例を示す図である。 本開示の態様による、単一の希薄窒化物接合を有する光電子デバイスを製造するための方法の一例を示すフローチャートである。
添付の図面に関連して以下に述べる詳細な説明を、様々な構成の説明として意図し、本明細書で説明する概念が実施され得る唯一の構成を表すことを意図しない。詳細な説明は、様々な概念の完全な理解を提供する目的で、特定の詳細を含む。しかしながら、これらの概念は、これらの特定の詳細なしに実施され得ることは、当業者には明らかであろう。いくつかの例において、そのような概念を曖昧にすることを避けるために、周知の構成要素をブロック図の形態で示す。
上に記載したように、本開示は、単一の格子整合希薄窒化物接合を組み込んだ光電子デバイス、およびそのような光電子デバイスを形成するための製造方法に関する。したがって、本開示は、本明細書で説明する光電子デバイスとして使用することができる、光起電デバイス、発光ダイオード（ＬＥＤ）、または他の光電子デバイスなどの薄膜デバイスの製造の様々な態様を説明する。
光電池またはＬＥＤなどの光電子デバイスの性能を改善して、例えば、コストに著しい影響を及ぼすことなく、またはデバイスの全体サイズを増大させることなく、その効率を改善することが望ましい。したがって、これらのデバイスは、費用効率的であり、容易に実施され、かつ／または既存の環境に適合可能でなければならない。より良好なフレキシビリティーおよび軽量の設計を達成することもまた、高度に望ましい。本開示は、そのようなニーズに対処する技術的解決策の様々な態様を説明する。
一般に、光電池（例えば、太陽電池）またはＬＥＤなどの光電子デバイスの性能は、電池の光吸収／変換効率またはＬＥＤの光発生効率を改善することによって改善される。高効率光起電力セルを、特定のもしくは目標とするバンドギャップを有する材料を成長させることによって、または異なるバンドギャップを有する材料を成長させて、最も高いバンドギャップの材料が光に面する側（例えば、前側）にあり、最も低いバンドギャップの材料が反対側（例えば、後側）にあるようにすることによって製造することができる。これは、異なる層による異なるエネルギーを有する光子の吸収をもたらし、この配置は、より多くの光子が吸収され、したがって、より大きな電流を生成することになるので、光電池の効率を改善する。積み重ねられた太陽電池（例えば、隣接するｐ−ｎ構造またはサブセル）の系列の組み合わせを有することによって、各々は、同じ電流を有することができ、それらのそれぞれの電圧は、全体的により高い効率、したがって、電力を与えるために線形に加算される。これは、種々のアプローチ（例えば、格子整合、不整合、結合など）を使用して達成され得るが、各アプローチは、それ自体の利点および欠点を有する。
特定のバンドギャップを有する材料の層、または種々のバンドギャップ材料の複数の層（すなわち、種々のエネルギーギャップを有する材料）を成長させることは、最適なバンドギャップの組み合わせを達成するために、種々の格子定数の材料を必要とし得る。成長基板と異なる層との間の格子不整合は、結果として得られる光電池の全体的な効率を低下させ得る（発光ダイオードの動作において同様の非効率性が生じる）。別のアプローチは、例えば、底部接合としてＩｎＧａＡｓを使用して、格子定数の差を可能にするために、変成傾斜層を使用して、格子不整合光電子デバイス（例えば、格子不整合太陽電池）を成長させることである。変成アプローチは、多くの無駄な有機金属化学蒸気相成長（ＭＯＣＶＤ）前駆体物質、および低減されたＭＯＣＶＤツールスループット、ならびによりかさばりかつより厚いデバイスをもたらす。
光電池（例えば、太陽電池）およびＬＥＤなどの光電子デバイスの場合、（ＡｌＧａＩｎ）（ＰＡｓＳｂ）などの標準合金を使用するＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料に基づく格子整合系は、ＧａＡｓのバンドギャップ（約１．４１ｅＶ）未満で格子整合材料を成長させることができない。上述のように、光電子デバイスの効率を高めるために、特定のバンドギャップを有する目標とする接合または異なるバンドギャップを有する複数の接合を使用して、スペクトルの異なる部分からエネルギーを捕捉または収集することができる。したがって、特定の目標スペクトルに対する太陽電池効率を増加させるために、吸収体材料のバンドギャップは、ＧａＡｓまたはＧｅ基板との格子整合を維持しながら、同調性を必要とし得る。これを、ＧａＡｓまたはＧｅ基板上に、格子定数をブリッジするために組成傾斜緩衝層を使用して変成（または格子不整合）接合を成長させることによって達成することができる。しかしながら、このアプローチは、高価でかさばる変成緩衝層を必要とする。
希薄窒化物合金または単に希薄窒化物（例えば、ＧａＩｎＡｓＮ（Ｓｂ）合金）を、１．４ｅＶ未満または１．４ｅＶ（例えば、０．８ｅＶ〜１．４ｅＶ）に調整可能なバンドギャップを有するＧａＡｓ基板に格子整合して成長させることができる。したがって、希薄窒化物合金は、特定の目標スペクトルに対するバンドギャップ同調性を有する単一接合（１Ｊ）またはｐ−ｎ構造の格子整合太陽電池を可能にすることができ、出発基板に関する所望の吸収体材料の最新の定数をブリッジするための厚い変成傾斜緩衝層を必要としない。さらに、底部接合としての希薄窒化物はまた、ＧａＡｓまたはＧｅ基板上の４つの接合またはｐ−ｎ構造を超える格子整合太陽電池を可能にすることができ、上部の３つの接合のバンドギャップは、（ＡｌＧａＩｎ）（ＡｓＰＳｂ）を用いて２．２〜１．４ｅＶの範囲に広がる。このアプローチは、様々な理由で魅力的である。例えば、既存のエピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）プロセスを補完するために、光電子デバイス格子整合および逆方向の積み重ね全体または層をエピタキシャルに成長させることが可能である。提案されたアプローチは、厚く高価な変成緩衝層を必要とせずに、軽量でフレキシブルな光電子デバイス（例えば、太陽電池）を可能にすることができる。
したがって、本開示は、逆方向に単一の希薄窒化物接合またはｐ−ｎ構造を有し、リフトオフプロセスを使用する光電子デバイスの製造を提案する。ｐ−ｎ構造内のｐ−ｎ接合を、光が入射する側に近接して、または希薄窒化物材料を使用して光電子デバイスの下部に向かってさらに離れて配置することができる。すなわち、接合の位置（ｐ−ｎ構造のそれぞれにおけるｐ−ｎ接合の位置）は、デバイスの前側（光の内側）の近くに形成され得るか、または光の入射側からさらに離れて形成され得る（一般に、後方ヘテロ接合デバイスと呼ばれる）。それぞれのｐ−ｎ構造の各々は、ホモ接合（すなわち、ｐ−ｎ構造内の接合の両側が同じ材料から構成される）であってもよく、またはヘテロ接合（すなわち、ｐ−ｎ構造内の接合の一方の側が、厚い吸収体／ベース層よりも大きなバンドギャップの材料から構成され得る）であってもよい。このアプローチは、軽量かつフレキシブルであり、単一の希薄窒化物接合を含むことによって高い効率を提供することができる薄膜光電子デバイスの製造を可能にする。例えば、光電子デバイスを、例えば、１ｃｍ〜８５０ｃｍの曲率半径を支持することができるように、フレキシブルにすることができる。さらに、これらの光電子デバイスは、例えば、比出力（またはエネルギー密度）５００Ｗ／ｋｇ〜５０００Ｗ／ｋｇ、領域エネルギー密度２００Ｗ／ｍ２〜５００Ｗ／ｍ２、および領域質量密度（重量／領域）０．０５ｋｇ／ｍ２〜０．５ｋｇ／ｍ２を有することができる点で、軽量であり得る。さらに、これらの光電子デバイスは、ＡＭ０〜ＡＭ１．５のスペクトルを支持する。
本明細書に記載の薄膜フレキシブルデバイス（例えば、光電池またはＬＥＤなどの光電子デバイス）は、一般に、支持基板またはウェーハ上またはその上方に配置された剥離層または犠牲層上に形成したエピタキシャル成長層を含む。このようにして形成した薄膜デバイスは、フレキシブルな単結晶デバイスであり得る。一旦薄膜デバイスがエピタキシープロセスによって形成すると、薄膜デバイスは、その後、例えば、エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）プロセス、レーザリフトオフ（ＬＬＯ）プロセス、または剥離プロセスの間に、支持基板またはウェーハから除去または分離される。
本開示で使用するように、層を、１つ以上の他の層の「上に」または「上方に」堆積または成長するものとして説明することができる。この用語は、いくつかの実施形態または履行では、層を他の層（複数可）の上に直接堆積もしくは成長させることができることを示すか、または１つ以上の追加の層を層と他の層（複数可）との間に堆積させることができることを示すことができる。また、他の層（複数可）を、任意の順序で配置することができる。本開示の特徴をより詳細に説明するために、添付の図面と併せて以下の説明を参照する。
図１は、希薄窒化物製の単一接合またはｐ−ｎ構造（例えば、１Ｊ光電子デバイス）を有する光電子デバイスの一般的な例を示す図１００を示す。この例では、剥離層１１５が配置された基板またはウェーハ１１０がある。基板１１０を、単一層として示しているが、複数の層を含んでもよい。基板１１０は、例えば、ＧａＡｓまたはＧｅ製であり得る。
犠牲層と呼ばれることもある剥離層１１５を、基板１００からの多接合光電子デバイスのリフトオフまたは分離を可能にするために設けることができる。いくつかの履行では、剥離層１１５を、例えば、エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）プロセスまたは他の同様のプロセスを使用することによってｐ−ｎ構造のリフトオフまたは分離を可能にするために、ｐ−ｎ構造の堆積前に基板上に配置することができる。剥離層１１５は、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、もしくはＡｌｌｎＰ、またはＡｌ含有量の高い他の層、あるいはそれらの組み合わせを含むことができ、多接合光電子デバイス内に含まれる様々な層のための格子構造を形成するために利用され、次いで、ＥＬＯプロセス中にエッチングされ、除去される。他の履行では、レーザリフトオフ（ＬＬＯ）、イオン注入およびリフトオフ、埋め込んだ酸化物層もしくは埋め込んだ多孔質層のエッチングによるリフトオフ、または剥離などの代替のリフトオフプロセスを、使用することができる。剥離層１１５中のＡｌ含有量を、変化させることができる。例えば、剥離層１１５がＡｌＧａＡｓを含む場合、濃度はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（式中ｘ＝１〜０．３）であり得る。他の例において、剥離層１１５がＡｌＧａＩｎＰを含む場合、濃度は（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（式中ｘ＝１〜０）であり得る。
次に、光電子デバイスは、剥離層１１５の上方に成長され、堆積され、または形成される（これらの用語を、互換的に使用することができる）。例えば、この例の光電子デバイスは、上述のような単一接合またはｐ−ｎ構造を含む。希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０は、剥離層１１５上にエピタキシャル成長される。
ｐ−ｎ構造は、１つ以上の半導体層を有し、１つ以上のｐ−ｎ接合が１つ以上の半導体層と共に形成する構造を指すことができる。したがって、図１００ａの多接合光電子デバイスのｐ−ｎ構造のそれぞれは、１つ以上のｐ−ｎ接合を含むことができる。さらに、図１００ａの光電子デバイスの各ｐ−ｎ構造は、基板１１０に格子整合されている。すなわち、ｐ−ｎ構造（例えば、希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０）が作製される材料（複数可）の格子定数は、基板が作製される材料の格子定数と同じである。当業者は、このような格子定数の整合はまた、互いにほぼ（実質的に）整合する格子定数を有する材料を含むことを認識することができる。格子定数の一致または実質的な一致は、結晶構造の変化を導入することなく、バンドギャップ変化の領域を２つの異なるおよび隣接する半導体材料に形成させることを指す。一例では、希薄窒化物ｐ−ｎ構造の材料または半導体の格子定数は、０．４％未満の不整合または歪みで基板１１０の格子定数と整合する。
希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０を、より一般的にＧａＩｎＡｓＮ（Ｓｂ）と呼ばれるＧａＩｎＮＡｓもしくはＧａＩｎＮＡｓＳｂなどの希薄窒化物合金、またはそれらの誘導体から作製することができる。１つの組成的な例では、希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０は、Ｇａ１−ｙＩｎｙＡｓ１−ｘ−ｚＮｘＳｂｚを含み、式中Ｉｎの濃度ｙは０〜２０％の範囲であり、Ｎの濃度ｘは０〜６％の範囲であり、Ｓｂの濃度ｚは０〜８％の範囲である。
希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０を、例えば、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属蒸気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥまたはＯＭＶＰＥ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ）、水素化物蒸気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）、近接離間蒸気相輸送（ＣＳＶＴ）エピタキシーなどの様々な技術を用いたエピタキシャル成長によって形成することができる。いくつかの実施態様では、希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０は、実質的に単結晶である。すなわち、希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０は、単結晶半導体材料を含むことができる。
いくつかの実施態様では、エピタキシャル成長層、または希薄窒化物の層を、高成長速度プロセスを使用して形成することができる。高成長速度プロセスは、成長した材料が、本明細書に記載のタイプの光電子デバイスに使用するのに十分な品質であるようなものである。高成長速度プロセスは、１μｍ／ｈｒを超える、例えば約１０μｍ／ｈｒ以上、または約１００μｍ／ｈｒ以上程度に高い成長速度を可能にする。例えば、成長速度は、約１０μｍ／ｈｒ、約２０μｍ／ｈｒ、約３０μｍ／ｈｒ、約４０μｍ／ｈｒ、約５０μｍ／ｈｒ、約６０μｍ／ｈｒ、約７０μｍ／ｈｒ、約８０μｍ／ｈｒ、約９０μｍ／ｈｒ、もしくは約１００μｍ／ｈｒ、これらの値の任意の２つの間のいくつかの特定の速度（例えば、約２５μｍ／ｈｒ−２０μｍ／ｈｒ〜３０μｍ／ｈｒ）、またはこれらの値の任意の２つの間のいくつかの範囲（例えば、約２０μｍ／ｈｒ〜約３０μｍ／ｈｒの範囲）であり得る。いくつかの履行では、高成長速度プロセスは、約１２０μｍ／ｈｒの成長速度を含む、１００μｍ／ｈｒを超える成長速度を可能にする。本開示で使用する「約」という用語は、例えば、公称値からの１％、２％、３％、４％、５％、または１０％の変化量を示すことができる。
いくつかの履行では、希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０は、エミッタ層とベース層との間（例えば、ｐ−ｎ接合またはｐ−ｎ構造中のエミッタ層とベース層との間）に形成した界面層または中間層を有することができる。中間層は、ｎドープ、ｐドープ、または意図的にドープしないことができる。中間層の厚さは、例えば、約５ｎｍ〜約３０００ｎｍの範囲とすることができる。中間層は、ｐドープ層とｎドープ層との間に位置し、ｎドープ層もしくはｐドープ層のいずれかと同じ材料から構成することができ、またはｎドープ層もしくはｐドープ層のいずれかとは異なる材料から構成することができ、かつ／または傾斜した組成の層とすることができる。このように形成された中間層は、対応するｐ−ｎ接合からの１つ以上のヘテロ接合のための位置オフセットを提供することができる。そのようなオフセットは、デバイス内の暗電流の低減を可能にし、その性能を改善することができる。
希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０内に、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓＮ（Ｓｂ）またはＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＮ（Ｓｂ）を含む合金の組合せを含むヘテロ構造を形成することができる。ヘテロ構造内のヘテロ接合の位置は、入射する太陽光側により近いか、またはデバイスの後側に向かって離れていてもよい。
希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０を形成するためのプロセスを、本明細書で説明するように、様々なタイプの堆積チャンバ内で実施することができる。例えば、希薄窒化物を成長させる、堆積させる、または他の方法で形成するために利用することができる１つの連続供給堆積チャンバである。
図２Ａは、本開示の態様による、単一の希薄窒化物接合を有する光電子デバイスの特定の例を示す図２００ａを示す。
第１の例では、図２Ａの光電子デバイスは、ＧａＡｓまたはＧｅ（図２００ａではＧａＡｓまたはＧｅ基板２１０と呼ばれる）から作製される基板と、上に記載した剥離層１１５と実質的に同様の剥離層２１５と、約０．９〜１．４ｅＶ、より具体的には１．１ｅＶ〜１．３５ｅＶのバンドギャップを有する希薄窒化物から作製される単一のｐ−ｎ構造（ＧａＩｎＡｓＮ（Ｓｂ）ｐ−ｎ構造２２０と呼ばれる）とを含む。
第２の例では、図２Ａの光電子デバイスは、ＧａＡｓまたはＧｅ基板２１０と、剥離層２１５と、約１．３ｅＶ〜１．４ｅＶのバンドギャップを有する希薄窒化物製のＧａＩｎＡｓＮ（Ｓｂ）ｐ−ｎ構造２２０とを含む。
第３の例では、図２Ａの光電子デバイスは、ＧａＡｓまたはＧｅ基板２１０と、剥離層２１５と、約１．３４ｅＶのバンドギャップを有する希薄窒化物製のＧａＩｎＡｓＮ（Ｓｂ）ｐ−ｎ構造２２０とを含む。
第４の例では、図２Ａの光電子デバイスは、ＧａＡｓまたはＧｅ基板２１０と、剥離層２１５と、約０．９ｅＶ〜１．４ｅＶのバンドギャップを有する希薄窒化物製のＧａＩｎＡｓＮ（Ｓｂ）ｐ−ｎ構造２２０とを含む。
図２Ｂは、例えば、ＥＬＯプロセスを含む、本明細書に記載する任意の異なるリフトオフ技術を使用する、基板２１０からの図２Ａの光電子デバイスの分離を示す図２００ｂを示す。図２００ｂは、少なくともＧａＩｎＡｓＮ（Ｓｂ）ｐ−ｎ構造２２０を残して、ＧａＡｓまたはＧｅ基板２１０が光電子デバイスから除去または分離されていることを示す。
図３は、光電子デバイスの別の一般的な例を示す図３００を示す。この例では、ＧａＡｓからなる場合、基板１１０に対応するＧａＡｓウェーハ３１０がある。ＧａＡｓ緩衝層３２０は、ＧａＡｓウェーハ３１０上に配置され、剥離層１１５は、ＧａＡｓ緩衝層３２０上に配置される。剥離層１１５上には接触層３３０が形成され、接触層３３０上には前方ウインドウ３４０が形成されている。
接触層３３０は、高濃度にｎドープすることができる。いくつかの履行では、ドーピング濃度は、約５×１０１８ｃｍ−３を超える、例えば、約５×１０１８ｃｍ−３より大きい〜約５×１０１９ｃｍ−３の範囲内であり得る。接触層３３０の高いドーピングは、このような抵抗接点を形成するために実行されるいかなるアニーリングステップもなしに、後に堆積される金属層との抵抗接点を形成することを可能にする。
接触層３３０は、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＧａＡｓとすることができる。例えば、上記のように、多接合光電子デバイスの層を形成するために高成長速度を使用するいくつかの履行では、ドーピング濃度を５×１０１８ｃｍ−３以上にするために、（ｎドーパントとしての）ケイ素ドーパントを使用することができる。例えば、ケイ素ドーパントを堆積させるために、前駆体ジシランを高速成長速度プロセスで導入することができる。他の履行では、セレン（Ｓｅ）またはテルル（Ｔｅ）を、多接合光電子デバイスの層の少なくともいくつかの形成においてドーパントとして使用することができる。
図３００に示す例では、接触層３３０は、光電子デバイスがＧａＡｓウェーハ３１０およびＧａＡｓ緩衝層３２０から除去または分離される前に明確に形成される。示した構造の残りの部分は、図１に関連して上記したものと同じまたは類似の層を含む。例えば、希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０は、フロントウィンドウ３４０上に形成される。任意選択で、反射器３５０（背面反射器とも呼ばれる）を、希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０上に形成することができる。
支持層（図示せず）を、光電子デバイスをＧａＡｓウェーハ３１０から分離する前または後のいずれかに、最後に成長したｐ−ｎ構造上に堆積させることができる。分離前に堆積した際に、光電子デバイスおよび支持層を、ＧａＡｓウェーハ３１０およびＧａＡｓ緩衝層３２０から一緒にリフトオフ（例えば、分離、除去）することができる。
支持層は、誘電体層、半導体接触層（または単に接触層）、保護層、透明な導電性酸化物層、反射防止コーティング、金属コーティング、接着層、エポキシ層、またはプラスチックコーティングのうちの１つ以上を含むことができる。一実施形態または履行において、支持層は、酸、例えば、リフトオフプロセス（例えば、ＥＬＯ）の一部として使用する酸に対する耐化学性を有する１つ以上の材料から構成される。誘電体層が支持層の一部として含まれる当該例において、誘電体層は、有機または無機である誘電体材料を含む。有機誘電体材料は、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリエステル、エポキシ、フルオロポリマー、それらの誘導体およびそれらの組み合わせのいずれかを含み、無機誘電体材料は、三硫化ヒ素、セレン化ヒ素、αアルミナ（サファイア）、フッ化マグネシウム、それらの誘導体およびそれらの組み合わせのいずれかを含む。接触層（または複数の接触層）が支持層の一部として含まれる当該例において、接触層は、最終的な光電子デバイスの所望の組成に依存して、ＡｌＧａＡｓなどのＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料を含むことができる。
図４は、ＧａＡｓウェーハ３１０およびＧａＡｓ緩衝層３２０から分離した後の図３の光電子デバイスを示す図４００を示す。図４００では、光電子デバイスを、背面に追加された反射器４１０と、前面に追加された金属４３０および反射防止（ＡＲ）コーティング４２０とを有して日のよく照る面を上にして示す。
反射バック接点とも呼ばれる反射器４１０は、金属反射器または金属−誘電体反射器である。反射器４１０は、図３に示す反射器３５０に対応することができる。これらの反射バック接点を、多接合光電子デバイスをリフトオフする前または後のいずれかに堆積させることができ、銀、アルミニウム、金、白金、銅、ニッケル、モリブデン、またはそれらの合金のうちの１つ以上を含むことができる。反射バック接点を有する層を、物理蒸着（ＰＶＤ）、スパッタリング、電子ビーム蒸着（ｅビーム）、ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＰＥ−ＡＬＤ、もしくはＰＥ−ＣＶＤなどの蒸着プロセスによって、またはインクジェット印刷、スクリーン印刷、蒸発、電気めっき、無電解めっき（ｅレス）、またはそれらの組合せを含む他の蒸着プロセスによって堆積させることができる。
図５は、背面に追加された反射器４１０と、前面に追加された金属４３０およびＡＲコーティング４２０とを含む、図４の多接合光電子デバイスを示す図５００を示す。さらに、反射器４１０と希釈窒化物ｐ−ｎ構造１２０との間には、テクスチャ層５２０、テクスチャ層５２０に隣接する任意のＡＲコーティング５３０、反射器４１０と接触する１つ以上の金属５１０、および任意で１つ以上の金属５１０の端部での接触層５４０がある。テクスチャ層５２０および／または隣接する任意のＡＲコーティング５３０によって提供されるような表面テクスチャリングは、当該表面における光の散乱を改善し、ならびに金属層および誘電体層の両方への密着性を改善することができる。
光電子デバイスに関連するテクスチャリングは、テクスチャリングされた層５２０および／または任意の隣接するＡＲコーティング５３０に限定される必要はない。表面のテクスチャリングを、ｐ−ｎ構造を含む材料の成長中に達成することができる。これを、ｐ−ｎ構造中の少なくとも２つの材料間の格子不整合を、例えばＳｔｒａｎｓｋｉ−ＫｒａｓｔａｎｏｖプロセスまたはＶｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｅｒプロセスにおいて使用して、材料間の界面にテクスチャリングを生成することによって、少なくとも部分的に達成することができる。別の履行では、ｐ−ｎ構造内またはその上の層は、エッチングマスクとして作用することができ、テクスチャリングを、エッチングプロセスによって提供することができる。さらに別の履行では、テクスチャリングを、サンドペーパーまたはサンドブラスティング、または粒子ブラスティング、または同様のプロセスなどの物理的研磨によって提供することができる。さらに別の履行では、テクスチャリングを、表面上に微視的に不均一な特徴を生成する不均一エッチングプロセスによって提供することができる。さらに、テクスチャリングを、例えば、ＫＯＨを使用する例えば「無秩序なピラミッド」または「逆ピラミッド」エッチングを含む、ケイ素テクスチャリングで使用するものと同様の技術を使用して達成することができる。
ｐ−ｎ構造の裏面（この例のように）および／または前面（例えば、光が光電池によって受光されるか、もしくはＬＥＤによって放出される箇所に最も近い側）を、デバイスへのおよび／またはデバイスからの光散乱を改善するためにテクスチャ加工することができる。図５に示す裏面テクスチャリングでは、希薄窒化物材料を、上述したテクスチャリング技術の１つ以上を用いてテクスチャリングすることができる。
図６は、本開示の態様による、単一接合光電子を製造するための方法６００を示すフローチャートである。
ブロック６１０において、方法６００は、基板（例えば、基板１１０）上にｐ−ｎ構造を形成することを含み、ｐ−ｎ構造は、基板の格子定数に一致する格子定数を有する半導体を含み、半導体は、希薄窒化物（例えば、希薄窒化物ｐ−ｎ構造１２０）を含み、単一接合光電子デバイスは、ｐ−ｎ構造を含む。基板は、ＧａＡｓまたはＧｅのうちの１つ製であるか、またはそれらを含む。
ブロック６２０において、方法６００は、基板から単一接合光電子デバイスを分離することを含む。
方法６００の一態様では、基板から単一接合光電子デバイスを分離することは、ｐ−ｎ構造が、光が入射するべき単一接合光電子デバイスの表面に最も近くなるように、単一接合光電子デバイスを配向することを含む。
方法６００の一態様では、方法は、裏面加工の一部として、ｐ−ｎ構造に最も近い単一接合光電子デバイスの表面上に追加の層を形成するステップをさらに含む。
方法６００の一態様では、方法は、単一接合光電子デバイスのために、誘電体層、半導体接触層、保護層、透明な導電性酸化物層、反射防止コーティング、金属コーティング、接着層、エポキシ層、またはプラスチックコーティングのうちの１つ以上を有する支持層を提供するステップをさらに含む。
方法６００の一態様では、希薄窒化物は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、それらの合金、またはそれらの誘導体のうちの１つ以上を含む。組成例において、希薄窒化物は、Ｇａ１−ｙＩｎｙＡｓ１−ｘ−ｚＮｘＳｂｚを含み、Ｉｎの濃度ｙは、０〜２０％の範囲にあり、Ｎの濃度ｘは、０〜６％の範囲にあり、Ｓｂの濃度ｚは、０〜８％の範囲にある。
方法６００の一態様では、半導体の格子定数は、０．４％未満の不整合または歪みで基板の格子定数と整合する。
方法６００の一態様では、基板上にｐ−ｎ構造を形成するステップは、エピタキシャル成長プロセスを使用してｐ−ｎ構造を堆積するステップを含む。一例では、エピタキシャル成長プロセスは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）プロセスである。エピタキシャル成長プロセスは、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）プロセス、水素化物蒸気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）プロセス、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）プロセス、有機金属蒸気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥまたはＯＭＶＰＥ）プロセス、液相エピタキシー（ＬＰＥ）プロセス、近接空間蒸気輸送（ＣＳＶＴ）エピタキシープロセス、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）プロセス、物理蒸着（ＰＶＤ）プロセス、大気圧化学蒸着（ＡＰＣＶＤ）プロセス、原子層堆積（ＡＬＤ）プロセス、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）プロセス、ホットワイヤ化学蒸着（ＨＷＣＶＤ）プロセス、誘導結合プラズマ強化化学蒸着（ＩＣＰ−ＣＶＤ）プロセス、または他の形態のＣＶＤのうちの１つ以上を含むことができる。
方法６００の一態様では、単一接合光電子デバイスを基板から分離することは、単一接合光電子デバイスを基板からリフトオフするためのエピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）プロセスを実行することを含む。
方法６００の一態様では、方法は、基板とｐ−ｎ構造との間に剥離層（例えば、剥離層１１５を参照）を設けるステップをさらに含み、基板から単一接合光電子デバイスを分離するステップは、犠牲層を除去するステップを含む。一例では、剥離層はＡｌＡｓを含む。
該方法６００の一態様では、剥離層はＡｌＧａＡｓを含み、該濃度はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓであり、ここでｘ＝１〜０．３である。
該方法６００の一態様では、剥離層はＡｌＧａＩｎＰを含み、該濃度は（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐであり、ここでｘ＝１〜０である。
方法６００の一態様では、基板は、ＧａＡｓまたはＧｅを含み、希薄窒化物は、約１．１ｅＶ〜１．３５ｅＶのバンドギャップを有する（例えば、図２Ａ参照）。
方法６００の一態様では、基板は、ＧａＡｓまたはＧｅを含み、希薄窒化物は、約１．３ｅＶ〜１．４ｅＶのバンドギャップを有する（例えば、図２Ａ参照）。
方法６００の一態様では、基板は、ＧａＡｓまたはＧｅを含み、希薄窒化物は、約１．３４ｅＶのバンドギャップを有する（例えば、図２Ａ参照）。
方法６００の一態様では、基板は、ＧａＡｓまたはＧｅを含み、希薄窒化物は、約０．９ｅＶ〜１．４ｅＶのバンドギャップを有する（例えば、図２Ａ参照）。
方法６００の一態様では、方法は、ｐ−ｎ構造上に反射器を形成するステップと、基板から単一接合光電子デバイスを分離するステップと、基板からｐ−ｎ構造および反射器を分離するステップとをさらに含む。
本開示を、示した履行に従って提供したが、当業者は、実施形態に変形があり得、それらの変形が本開示の範囲内にあることを容易に認識するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、当業者は多くの修正を行うことができる。

Claims (24)

  1. 単一接合光電子デバイスを製造するための方法であって、以下のステップ：
    基板上にｐ−ｎ構造を形成し、ｐ−ｎ構造は、基板の格子定数に一致する格子定数を有する半導体を含み、半導体は、希薄窒化物を含み、単一接合光電子デバイスは、ｐ−ｎ構造を含むステップ；および
    単一接合光電子デバイスを基板から分離するステップ
    を含む、前記方法。
  2. 前記基板から前記単一接合光電子デバイスを分離するステップは、前記ｐ−ｎ構造が、光が入射するべき前記単一接合光電子デバイスの表面に最も近くなるように、前記単一接合光電子デバイスを配向させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 裏面処理の一部として、ｐ−ｎ構造に最も近い単一接合光電子デバイスの表面上に追加の層を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記単一接合光電子デバイスのために、誘電体層、半導体接触層、保護層、透明な導電性酸化物層、反射防止コーティング、金属コーティング、接着層、エポキシ層、またはプラスチックコーティングのうちの１つ以上を有する支持層を提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記基板が、ＧａＡｓまたはＧｅのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記希薄窒化物が、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、それらの合金、またはそれらの誘導体のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
  7. 希薄窒化物がＧａ１−ｙＩｎｙＡｓ１−ｘ−ｚＮｘＳｂｚを含み、
    Ｉｎの濃度ｙが０〜２０％の範囲であり、
    Ｎの濃度ｘが０〜６％の範囲であり、
    Ｓｂの濃度ｚが０〜８％の範囲である
    請求項１に記載の方法。
  8. 前記半導体の格子定数が、０．４％未満の不整合または歪みで前記基板の格子定数と整合する、請求項１に記載の方法。
  9. 前記基板上に前記ｐ−ｎ構造を形成するステップは、エピタキシャル成長プロセスを使用して前記ｐ−ｎ構造を堆積するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記エピタキシャル成長プロセスが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）プロセスである、請求項９に記載の方法。
  11. 前記エピタキシャル成長プロセスが、以下のうちの１つ以上を含む、請求項９に記載の方法。
    有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）プロセス、
    水素化物蒸気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）プロセス、
    分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、
    有機金属蒸気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥまたはＯＭＶＰＥ）プロセス、
    液相エピタキシー（ＬＰＥ）プロセス、
    クローズスペース蒸気輸送（ＣＳＶＴ：ｃｌｏｓｅ−ｓｐａｃｅ ｖａｐｏｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）エピタキシープロセス、
    プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）プロセス、
    物理蒸気相堆積（ＰＶＤ）プロセス、
    大気圧化学蒸着（ＡＰＣＶＤ）プロセス、
    原子層堆積（ＡＬＤ）プロセス、
    低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）プロセス、
    熱線化学蒸着（ＨＷＣＶＤ）プロセス、
    誘導結合プラズマ増強化学蒸着（ＩＣＰ−ＣＶＤ）プロセス、
    あるいは
    他の形態のＣＶＤ。
  12. 前記エピタキシャル成長プロセスが、ＭＢＥとＭＯＣＶＤとの組み合わせを含む、請求項９に記載の方法。
  13. 前記基板から前記単一接合光電子デバイスを分離するステップは、前記基板から前記単一接合光電子デバイスをリフトオフするためのエピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）プロセスを実行するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  14. 前記基板と前記ｐ−ｎ構造との間に剥離層を設けるステップをさらに含み、
    前記基板から前記単一接合光電子デバイスを分離するステップは、前記剥離層を除去するステップを含む、
    請求項１に記載の方法。
  15. 前記剥離層がＡｌＡｓを含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記剥離層は、ＡｌＧａＡｓを含み、濃度はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓであり、式中ｘ＝１〜０．３である、請求項１４に記載の方法。
  17. 前記剥離層は、ＡｌＧａＩｎＰを含み、濃度は（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐであり、式中ｘ＝１〜０である、請求項１４に記載の方法。
  18. 基板はＧａＡｓまたはＧｅを含み、
    希薄窒化物は約１．１ｅＶ〜１．３５ｅＶのバンドギャップを有する、
    請求項１に記載の方法。
  19. 基板はＧａＡｓまたはＧｅを含み、
    希薄窒化物は約１．３ｅＶ〜１．４ｅＶのバンドギャップを有する、
    請求項１に記載の方法。
  20. 基板はＧａＡｓまたはＧｅを含み、
    希薄窒化物は約１．３４ｅＶのバンドギャップを有する、
    請求項１に記載の方法。
  21. 基板はＧａＡｓまたはＧｅを含み、
    希薄窒化物は約０．９ｅＶ〜１．４ｅＶのバンドギャップを有する、
    請求項１に記載の方法。
  22. さらに：
    ｐ−ｎ構造上に反射器を形成するステップ、および
    単一接合光電子デバイスを基板から分離することは、ｐ−ｎ構造および反射器を基板から分離することを含むステップを含む、請求項１に記載の方法。
  23. 前記ｐ−ｎ構造は、ｐ−ｎ接合を含み、前記ｐ−ｎ接合の位置は、前記単一接合光電子デバイスの前面の近くにあるか、または光の入射側から離れている、請求項１に記載の方法。
  24. 前記ｐ−ｎ構造が、ヘテロ接合またはホモ接合であり得る、請求項１に記載の方法。

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