TW201316382A - 半導體元件中應用不同沉積技術所形成之多重接面 - Google Patents

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Abstract

一半導體元件，具體而言為一太陽電池（450），經由一混合沉積策略而形成，該沉積策略使用MOCVD及MBE以提供晶格匹配之半導體化合物（452、453、454）。為達此目的，可應用MBE以提供一種含氮半導體化合物（453），相對於砷化鎵底材，該含氮半導體化合物具有所需之低帶隙能及晶格匹配之組構。

Description

半導體元件中應用不同沉積技術所形成之多重接面
本發明一般而言與包含多重pn接面之半導體元件有關，該些pn接面係在半導體化合物之基礎上形成，而該些半導體化合物係以實質上晶格匹配之一組構提供。
過去五十年來，半導體產品之製造均以矽為基礎，由此而提供積體電路、系統單晶片(SoC)、儲存裝置、光電組件，像是雷射、光二極體及太陽電池，由於經濟及環境考量，據信太陽電池將在本地及全球之未來能源管理中扮演重要角色。有鑑於對操作速度、封裝密度及生產成本的要求不斷提高，過去數十年已發展出極有效率之製造技術，尤其是處理矽及相關材料之技術。
雖然矽因為其取得幾乎毫無限制，且有發展成熟之多種製程技術及製程設備，而受到大量生產的環境偏好使用，但為了滿足諸如操作速度、光學特性等等特定要求，目前對於專門設計的半導體材料的需求正日益成長。舉例而言，在半導體領域中，光電元件(例如感測器)是發展極為迅速的一個類別，其有可能以一體成型方式整合至一半導體元件。例如，在半導體製造領域中，一項日漸重要的光二極體應用為太陽電池之製作，太陽電池可理解為專門設計之光二極體，目的為從該光二極體獲得輻射依賴(radiation dependent)之輸出電功率。在太陽電池中，通常會提供至少一個pn接面作為內建電場之來源，以將因吸收入射光子而產生之電子-電洞對分開。基本上，該項光學特性(亦即光子轉換成電子-電洞對)取決於所用半導體材料之帶隙能。舉例而言，一結晶矽材料通常具有之帶隙能為1.1 eV，雖因此而得以吸收可見光，卻會造成紅外光區域內之較長波長實質上可穿透該矽材料。此外，由於在結晶矽中，隨著材料厚度增加，光的吸收只會緩慢增加，所以需要相當厚(例如一百至數百微米)的結晶材料，從而需要大量矽材料以製造結晶矽太陽電池。再者，因為帶隙能的緣故，以結晶矽材料所製之太陽電池，其理論上及實際上之整體效率皆十分有限， 因為，舉例而言，即使波長大於近紅外光區域之光子可被矽材料吸收，該些被吸收之能量較高光子之「過剩」能量也會被轉換成熱能。所以，輻射的大部分雖然可以被矽材料有效吸收，卻無助於輸出電功率，甚至反而會降低整體效率，因為結晶矽所製太陽電池之功率輸出有顯著之溫度相依性。
基於上述原因，目前已有人提出使用專門設計之半導體材料，調整其帶隙能以適合於入射輻射之頻譜。由於單一pn接面通常因為必須在最小波長及廢熱產生兩者間取得折衷，而有效率降低的問題，因此，目前已有人提出串接式(tandem)接面或多接面半導體元件之概念，亦即在具有第一帶隙能之一種半導體材料中提供一pn接面，並在具有第二帶隙能之一種半導體材料中製作至少一個另外之pn接面，以涵蓋較廣範圍之入射輻射，使其有效率地被轉換成電子-電洞對。
舉例而言，III-V族半導體化合物已證明是極有效率之材料，不但可允許適當之帶隙處理，還可利用已確立有效之材料沉積技術，使不同半導體材料形成一堆疊層狀組構。尤其是砷化鎵(GaAs)，其為一種半導體化合物，可與諸如磷、銦、鋁等等其他元素結合而形成化合物半導體層，在此等化合物半導體層中，帶隙能可從大約2 eV被調整為大約1 eV及更低。此外，砷化鎵可以實質上晶格匹配之組構沉積在已確立之半導體材料(例如鍺)上，從而減少底材及砷化鎵半導體材料兩者間界面上之晶格缺陷數量。隨著半導體科技進步，目前已建立了高效率之生長技術，這些技術採用化學氣相沉積(CVD)之概念，對製程參數加以選定，以使材料生長實質上係在其下方「模片(template)」材料之晶格結構上進行。因此，使用一種結晶模片材料時，後續長出之半導體材料也是以一種結晶構造提供，其所具有晶格之類型及尺寸，實質上與該模片材料相同。本說明書將與此情況對應之沉積製程稱為磊晶生長製程，因此，在本說明書中，「晶格匹配」一詞對應之實際情況為：所長出之半導體材料其晶格常數相對於其下方模片材料之晶格常數，差異為5%或更低。
在某些磊晶生長技術中，其他半導體化合物所用之原子物種通常是以金屬有機前驅物材料之形式提供，此等金屬有機前驅物材料係在氣體環境 下汽化及施加。經由恰當控制製程參數，便可以適度之生長速率長出具有所需材料組成且厚度受到控制之半導體化合物。另一發展成熟之磊晶技術為分子束磊晶(MBE)，在此種技術中，分子在高度真空之條件下被導向底材表面，從而啟始半導體材料之晶體生長。經由控制各種不同之分子來源及控制分子束本身，可形成極為複雜之半導體化合物，其厚度可為數層原子層厚至數百奈米或更厚。一般而言，這些磊晶生長技術係用於製作複雜之半導體元件，尤其是太陽電池；在太陽電池中，具適當設計帶隙能之兩個或更多半導體層係在一序列沉積製程中形成。
目前已證實，提供帶隙能在0.9 eV至1.3 eV範圍內之至少一種半導體材料，並結合帶隙能在2.0 eV至1.5 eV範圍內之一種或多種額外半導體材料，在獲致高整體轉換效率方面尤其有效。舉例而言，根據報告，以砷化鎵為基礎之三接面太陽電池在曝露於聚焦太陽輻射下時，可有高於40%的總效率。此等高效率太陽電池目前已可透過使用具有大約1.0 eV帶隙能之底層次電池(bottom sub cell)製作出來，從而使近紅外光範圍內之輻射得以有效轉換。在一些方法中，該底層次電池使用以三元鎵(ternary gallium)為主之一種半導體材料，相較於帶隙能分別為1.4 eV及1.9 eV之其餘兩個鎵基(gallium based)次電池，底層次電池係提供作為一晶格不匹配層。該些半導體層主要以金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)方式生長，其中在中間次電池(middle sub cell)及底層之晶格不匹配半導體層間提供了中等厚度之一緩衝層，以減少晶格缺陷之數目，晶格缺陷通常與半導體材料之晶格不匹配生長有關。
至於其他策略，目前已證實，在0.9 eV至1.35 eV範圍內之有效率帶隙處理，可經由使氮與一種鎵基半導體材料(例如GaInNAs及GaInNAsSb)結合而實現，相對於其他鎵基半導體化合物亦可獲致一晶格匹配組構。但要達到此目的，必須精確控制半導體化合物中的氮含量，方能同時獲得晶格匹配之組構及所需之帶隙能。在複雜的分子束磊晶技術中通常會使用偏向板，以在沉積半導體材料時適當控制氮含量。基於此概念，適當之半導體層堆疊可經由MBE而形成，以製作出曝露在聚焦太陽輻射下時具有高效率之太陽電池。
雖然以MBE製作之半導體層堆疊可為太陽電池之應用提供高效率，但其整體生產成本卻極為高昂，且在大量生產技術中使用MBE之製程穩定度至少仍有高度疑問。另一方面，由於在MOCVD技術中極難做到氮含量之精確控制，因而使利用含有稀釋氮之鎵基半導體層以形成複雜半導體元件(例如超高效率太陽電池)的概念變得不那麼吸引人，尤其與MOCVD製程設備相較，相應之MBE製程設備需要更多維護且通常較不易取得。另一方面，以晶格不匹配之鎵基半導體層提供低帶隙能之傳統方法則需要複雜之MOCVD製程，因晶格不匹配之鎵基半導體層需要適當之緩衝層，這涉及非常複雜之製程控制，方能提供具有所需厚度之某等級半導體材料。有鑑於此，中等長度之製程時間及由此而增加之生產成本便成為必須處理的議題。
因此，本發明之一個目的為提供製造技術及半導體元件，針對太陽電池之應用，本發明之技術可在諸如砷化鎵之一種化合物半導體材料之基礎上提供多重pn接面，亦即有對應pn接面形成於其中之半導體層，同時避免或至少降低因上文所指出之一個或多個問題而造成之影響。
一般而言，本發明係經由提供半導體元件(尤其是太陽電池)及製造技術而達成上述目的，在此等製造技術中，關鍵之半導體層及半導體元件之pn接面可經由MBE技術形成，例如以晶格匹配之方式形成一種含氮化合物半導體材料，其他半導體化合物則以CVD技術形成，從而提供整體之製程穩定度及效率。
依照本發明之一個特點，本發明提供一種在一半導體元件中形成多個pn接面之方法。該方法包括實施一化學氣相沉積製程以形成一第一結晶半導體層，該第一結晶半導體層包含該半導體元件之一第一pn接面。該方法更包括實施一分子束磊晶製程以形成一種稀釋氮半導體材料作為一第二結晶半導體層，該第二結晶半導體層包含該半導體元件之一第二pn接面。
如上所述，分子離子束磊晶是一種適合提供含氮半導體化合物之磊晶 技術，其優點在於氮含量可受到可靠及精確之控制，由此而使帶隙能得以精確調整，並使晶格匹配之半導體材料得以製作。
在進一步之說明性實施例中，該方法更包括實施至少一項另外之化學氣相沉積製程，以形成至少一種另外之結晶半導體材料，其中該至少一種另外之結晶半導體材料包含另一pn接面。如此，便有多個pn接面提供於該半導體元件中，其中該些半導體層大部分係以化學氣相沉積技術形成，因而可在以晶格匹配方式形成半導體化合物時獲得優異之製程一致性及產出量。
在進一步之說明性實施例中，該方法更包括提供一底材，並在該底材上方形成該些第一及第二結晶半導體層。在此實施例中，由於使用相同之底材材料循序進行CVD及MBE製程，因此避免了必須以額外之製程技術結合製作在不同底材上之半導體層。
在一說明性實施例中，每一半導體層皆形成於該底材上方。此乃因實施了一製程序列，在該製程序列中，該元件之任何半導體化合物皆以循序方式形成於該相同底材上方，以使所產生之半導體層堆疊之整體厚度減少，因為相較於底材鍵結等技術，在該製程序列中所提供之任何中間材料層，其厚度皆受到良好之控制及縮減。
在一較佳實施例中，所形成之該些第一及第二半導體層係作為一堆疊層狀組構之部分。此方式可用於提供極高效率之半導體元件，像是太陽電池，因為帶隙能已獲得適當調整之該些半導體層可以堆疊層狀之組構提供，以獲得高度整體輻射吸收，從而增加轉換效率，同時讓該些不同pn接面得以有效率地串聯。此外，該堆疊層狀組構中各種不同之次電池可予以適當調整使之互相適應，以在回應外部光輻射時提供實質上相同之電流，由此亦可提供優異之整體效率。
在一說明性實施例中，該第一半導體層之形成先於該第二半導體層之形成。在此情況下，該些第一及第二半導體層可以循序方式形成，但MBE製程是在以CVD技術提供該第一半導體層後實施，如此便可實質上避免諸如氮擴散等不利影響，原因在於，舉例而言，CVD製程之高溫要求無法 影響後續沉積之稀釋氮半導體化合物。在一些說明性實施例中，若該含氮半導體化合物不宜曝露在CVD環境下，則可將必須以CVD技術提供之任何額外半導體化合物形成在不同底材上，並以底材鍵結等方式將其鍵結至該稀釋氮半導體化合物。
在一較佳實施例中，本發明之方法更包括提供一第一底材及一第二底材；在該第一底材上方形成該第一半導體層，並在該第二底材上方形成該第二半導體層；以及將該些第一及第二底材鍵結在一起。這樣，經由為該些第一及第二半導體層提供各別之底材，便可實質上避免對該含氮半導體化合物之任何負面影響，例如增溫之影響。此外，在CVD及MBE製程中可採用適當之底材材料，例如砷化鎵、鍺，或甚至採用專門設計之底材，像是藍寶石上鍺(germanium on sapphire)或藍寶石上砷化鎵(GaAs on sapphire)，以藉此控制整體之製程彈性(process flexibility)。再者，經由提供不同之底材，某種程度之並行處理得以在整體製程流程中實現，這對於增加整體產出量及大致達到優異彈性，從而得以在一給定製造環境下有效率地排定整體製程流程而言十分有利。
在一說明性實施例中，可先在該第二底材上方形成該至少一個另外之半導體層當中的一個或多個，再形成該第二半導體層。在此實施例中，可就多個半導體化合物之形成建立循序處理及並行處理之「混合」，但又可實質上避免該些CVD製程對含氮半導體化合物之不利影響。也就是說，CVD製程環境通常會對先前形成之含氮半導體化合物有負面影響，例如氮擴散等等，但另一方面，MBE製程則可在先前CVD所沉積之任何半導體化合物之基礎上實施，而無任何實質上之負面效果。這樣，多個CVD層便可透過一製程策略提供於該些第一及第二底材上方，該策略使該MBE半導體化合物得以作為「最後」磊晶生長之半導體材料而形成，以避免與CVD製程環境發生任何不必要之交互作用。之後，可利用諸如底材鍵結等之適當技術，將提供於該些第一及第二底材上方之各種不同半導體層加以結合。
在進一步之說明性實施例中，本發明之方法更包括提供一另外之底材，並在該另外之底材上方形成該至少一個另外之半導體層至少其中之 一。也就是說，若有多種半導體化合物待提供，可使用三個或更多不同之底材，以在結合不同半導體層時提升整體彈性，同時確保製造流程之高度並行性，並可避免CVD製程及MBE製程之任何負面影響。舉例而言，在說明性實施例中，該稀釋氮半導體化合物可提供於一專屬底材上，以避免在MBE製程之前及之後之CVD材料沉積。如此，可達到MEB製程與CVD任何相關製程技術在最大程度上之「去耦合」。而且，在最後組成層狀堆疊方面亦可獲得高度彈性，因為在整個層狀堆疊內，該MBE半導體化合物可位於任何適當之高度水平，但又可如上文所述，避免與CVD製程環境有任何不必要之交互作用。
在一說明性實施例中，所形成之該些第一及第二半導體層為一種III-V族半導體化合物。因此，如前所述，該些半導體層可有效地使用於一太陽電池中，以適當地提供多個不同帶隙能，從而提升該太陽電池之整體效率。此外，三種或更多種半導體化合物亦可以III-V族材料之形式提供，其中該稀釋氮半導體化合物可使大約0.9 eV至1.35 eV之帶隙能得以提供，同時，該些半導體化合物之晶格匹配組構亦可實現。
依照本發明之另一特點，本發明提供一半導體元件，其包含一第一半導體層，該第一半導體層包含形成於一底材上方之一第一pn接面。該半導體元件更包含一第二半導體層，該第二半導體層包含形成於該第一半導體層上方之一第二pn接面，其中該第二半導體層包含一種稀釋氮III-V族半導體化合物。此外，該半導體元件還包含一第三半導體層，該第三半導體層包含形成於該底材上方之一第三pn接面，其中該第一、第二及第三半導體層係提供作為晶格匹配之半導體層。
如上所述，該些半導體材料係提供作為晶格匹配化合物，該些晶格匹配化合物包含一種含氮III-V族半導體化合物，從而使帶隙能得以有效率地調整(甚至使該含氮化合物之帶隙能低於1.3 eV之範圍)同時大致減少晶格缺陷之數量。
在一說明性實施例中，由於所提供之該第一、第二及第三半導體層並無任何中間應變緩衝材料(intermediate strain buffer material)，因此確保了 非常緊密之堆疊組構，相較於傳統半導體元件，提供該緊密堆疊組構之整體製程時間相對較短，因為在傳統半導體元件中，具有較低帶隙能之半導體材料通常需要使用一晶格不匹配組構。所以，這些傳統元件通常有必要使用厚度適宜之一應變緩衝層以減少整體之晶格缺陷。
在進一步之較佳實施例中，該半導體元件更包括形成於該第三半導體層上方之至少一個另外之晶格匹配半導體層。因此，即使是具有四個或更多pn接面之高度複雜半導體元件亦可提供，其中每一半導體層皆製作成晶格匹配之半導體材料，且任何中間應變緩衝層(intermediate strain buffer layer)亦可經由實施上述製程技術而避免使用。
在一較佳實施例中，該半導體元件為一太陽電池。因此，如上所述，可採用適當之一帶隙能，以具體利用一種含氮半導體化合物適當涵蓋太陽輻射之頻譜，從而提升整體轉換效率。如此，便可在高效率之整體堆疊組構基礎上形成聚焦太陽輻射之太陽電池，其中優異之製程穩定度及效率可經由採用上述製程技術而達到。
依照本發明之又一特點，本發明之目的可透過一種形成太陽電池之方法而獲得解決。該方法包括實施包含一分子束磊晶製程之一第一製程序列，以在太陽電池之一底材上方形成一第一半導體層。該方法更包括實施包含一化學氣相沉積製程之一第二製程序列，以在該底材上方形成一第二半導體層，其中該些第一及第二半導體層兩者為晶格匹配。
在本發明此一特點中，一太陽電池係透過一混合製程策略而製作，該製程策略使用化學氣相沉積技術及分子束磊晶以提供至少兩個不同之半導體層。如上所述，較佳情況為該第一半導體層形成為含氮半導體化合物，其可利用MBE技術形成以提供所需之帶隙能而不必使用複雜之應變緩衝層，又可因其晶格匹配組構而有數目較少之晶格缺陷。
在進一步之說明性實施例中，該些第一及第二製程序列至少其中之一包括提供各別之輔助底材以在該各別輔助底材上方形成各別之半導體層，以及將該各別輔助底材鍵結至該底材。這樣，在此一製程策略中，該些第一及第二半導體層便可形成於不同底材上，從而在組織及排定整個製 程流程方面提供高度彈性，同時減少兩種不同製程技術間之任何交互作用。另一方面，該些半導體層之任何所需排列順序，可經由適當鍵結該些不同之底材材料或半導體層而獲得。在某些情況下，該些半導體層及任何額外材料可以適當順序施加於該底材上方，以提供適合後續鍵結序列之一「倒置」組構，從而將該半導體材料直接附著至一層或底材材料。
在一較佳實施例中，所形成該第一半導體層具有0.9 eV至1.3 eV範圍內之帶隙能。因此，該第一半導體層之帶隙能係經過適當選定，使優異之結晶品質得以實現，從而提供優異之整體轉換效率。此外，該製程策略使整體製程時間得以減少，並在提供具適當帶隙能之多個半導體層以供太陽電池應用方面具備優異之彈性，從而有助於提高以III-V族半導體化合物為基礎所形成之太陽電池之競爭力。
參照所附圖式閱讀以下敘述，將使前述該些實施例及本發明其他特定實施例更為清楚易懂，在所附圖式中：
圖1a概要呈現一製造環境100，其適於製作諸如太陽電池等半導體元件。除任何其他製程設備(未顯示)外，該環境100還包括至少一個或多個CVD設備110，該些設備被適當組構成使半導體材料(例如III-V族半導體化合物、II-VI族半導體化合物等等)之磊晶沉積得以實施。如上所述，通常在形成一種結晶半導體化合物材料時，前驅物可以金屬有機前驅物材料之形式提供，其中製程參數係經過適當選定，以在該些設備110中建立所需之氣體環境，從而使一種半導體材料得以在適當之模片材料上或底材上磊晶生長。
再者，該製造環境100更包括一個或多個製程設備130，其如上文所述適於實施一分子束磊晶製程。具體而言，在該製程設備130中可建立製程所要求之高度真空環境，額外之元素亦可如前所述加以提供，以使尚待與一種半導體化合物結合之各種不同原子物種受到精確控制。具體而言，該設備130被適當組構成以諸如偏向板等裝置控制一氮物種與一半導體化合物之結合，從而使稀釋氮半導體化合物得以磊晶生長，此等稀釋氮半導 體化合物已知可在砷化鎵底材上以晶格匹配方式生長，並可提供0.9 eV至1.35 eV範圍內之帶隙能。
此外，在一些說明性實施例中，該些製程設備110及130必須在顯著不同之壓力條件下操作，或在操作上由一運送機構120加以連結，該運送機構120可使底材得以進行交換而無需不必要地曝露在該製造環境100之大氣環境下。舉例而言，該運送機構120可用於一集束型設備(cluster tool)中，以使必要之運送活動減至最少。但應瞭解的是，該些製程設備110及130可代表分開之製程設備，在此情況下，底材之運送主要透過該機構120，其包含使用適當運送容器之人工或自動化運送系統。
圖1b概要呈現一製程序列，在該製程序列中，含有pn接面之多個半導體層形成一堆疊層狀組構，其中該些半導體層之至少大部分係提供作為具適當選定帶隙能之半導體化合物，且該些半導體層之至少大部分具有晶格匹配之組構。為達此目的，可使用圖1a之製造環境100，將兩個或更多半導體層施加於一共同底材151上方，以形成諸如太陽電池之一半導體元件150。參照所示之實施例，在一第一步驟S1中，使用該CVD製程設備110進行一磊晶沉積製程111，以在該底材151上方磊晶生長一半導體層152，該底材151可以像是鍺底材等形式提供。如上所述，該半導體層152提供之形式可為以砷化鎵或鍺為主且包含一pn接面(未顯示)之一種半導體材料，如本發明所屬技術領域眾所周知，該pn接面通常係經由在該沉積製程111期間導入適當之p型及n型摻雜物而形成。再者，如上所述，該半導體層152係以晶格匹配之組構提供，亦即該材料152及該底材151間不需要任何特定之應變緩衝層。該沉積製程111可更包含沉積一中間層153，該中間層153可以一穿隧接面層之形式提供，以為在後續製造階段中形成於該底材上方151之另一半導體層提供光學及電性連接。
在步驟S2中，使該元件150接受一運送活動121，例如經由圖1a之運送機構120，當該環境100以集束型設備之形式提供時，則可能不需要任何額外之運送容器等。
在步驟S3中，該元件150可在該製程設備130中進行處理，以透過 一分子束磊晶製程131沉積一種半導體材料，在較佳實施例中為一種含氮半導體化合物154磊晶生長在先前沉積之該中間層153上。如上所述，製程參數及該設備130之硬體組構係經過調整，以使精確定義之氮分數(fraction)與該半導體層154結合，該半導體層154可額外包含鎵、砷及銦(GaInNAs)，且可能結合銻(Sb)。因此，該層154可以晶格匹配方式沉積並具有所需之帶隙能，較佳情況為，該帶隙能被調整在0.9eV至1.35 eV之範圍內。此外，在該磊晶生長製程131期間，可使另一中間層或過渡層155形成於該層154上，以為後續形成於該半導體元件150中之一個或多個另外之半導體層提供光學及電性連接。在圖1b所示之製程策略中，該些層154及155可代表只由MBE生長製程所提供之半導體材料，但應瞭解的是，在其他情況下亦可經由分子束磊晶製程生長一個或多個另外之半導體層。
在步驟S4中，再次使該元件150接受一運送活動122，例如使用該機構120，將該元件150引入一製程環境，以利用CVD技術沉積一個或多個另外之半導體層。
在步驟S5中，使該元件150曝露在一另外之CVD沉積環境112下(例如在該設備110中或在任何其他CVD製程設備中所建立之沉積環境)以在先前沉積之該層155上形成至少一種另外之半導體化合物156。在一說明性實施例中，該層156可以砷化鎵半導體材料之形式提供，且若需要另外之光學活性半導體材料，可接著提供另一種半導體化合物，像是InGaP。之後，在該沉積製程112期間可提供另一過渡層。在此情況下，具適當帶隙能之三個或更多半導體層經由兩次CVD沉積製程111及112提供於該元件150中，該光學活性區域154則經由分子束磊晶製程提供，以提供晶格匹配之一種含氮半導體化合物。
但應瞭解的是，任何數目之半導體化合物皆可利用這兩種不同沉積技術以堆疊組構提供，其中該些半導體層之順序可按所需帶隙能而選定，以獲得最佳化之吸收及轉換效率。
參照圖2及圖3，茲將進一步說明性實施例詳述如下，該些實施例在 規劃整體製程流程方面實現了優異彈性，尤其在因某種程度之氮擴散等諸如此類等緣故，而不宜在先前經由分子束磊晶而形成之半導體化合物上以CVD技術進行另外之沉積時，其優點更為彰顯。
圖2概要呈現一製造環境200，該製造環境200可包括一個或多個CVD製程設備210、一運送機構220，及一個或多個MBE製程設備230。前文參照圖1a及該製造環境100所述之相同標準可適用於該環境200之任何硬體組構。
在該環境200中可實施一製程序列，該製程序列會避免在以MBE形成之一種含氮半導體化合物上沉積一種半導體化合物，以減少CVD沉積環境與先前以MBE生長之半導體材料發生任何交互作用之機率。為達此目的，一半導體元件250可包含一適當底材251，像是鍺底材或諸如此類者，該底材251後續會在該CVD製程環境210中進行處理，以形成包含一pn接面之一第一摻雜層252，接著是為尚待形成於該底材251上方之另外一個半導體層提供光學及電性連接之另一層253。為形成另外之半導體層，可利用該運送機構220將該元件250運送至該MBE環境230，並如上所述以晶格匹配方式形成一種稀釋氮半導體化合物254。此外，在該環境230中可以該MBE設備形成適當之一中間層或過渡層255，從而完成該元件250所需半導體層狀堆疊之第一部分。也就是說，在此實施例中，由於沒有額外之半導體材料經由CVD技術形成，因此MBE所生長之半導體材料得免於直接曝露在CVD沉積環境下。
再者，與此同時或在該整體製程之任何適當階段，包含一適當底材261(例如砷化鎵底材)之一第二半導體元件260可於該CVD沉積環境210中進行處理，以形成其上包含一pn接面之晶格匹配之一種摻雜半導體材料262，例如砷化鎵層等諸如此類者。接下來，可生長一中間層或過渡層263，以為尚待形成於該層262上方之另一半導體化合物提供光學及電性導通。因此，在另一沉積步驟中，可生長一種適當材料264(例如InGaP)及一最終接觸層265，該最終接觸層265作為整個層狀堆疊之最終層，提供了所需之光學及電氣特性。
若所使用者為一專門設計之底材，則在此階段，該底材261可於另一製造環境240中進行處理，以減少該底材261之厚度或大致對該底材261進行加工以移除其一部分。在此情況下，該專門設計底材被移除之部分可重複使用，以在其上形成其他半導體元件之半導體層。同樣地，該元件250也可在該製造環境240中進行處理，以薄化該底材251或移除其一部分，被移除之部分可在另外之製程序列中重複使用。之後，經過處理之該些元件260及250可在一製造環境241中結合，以形成包含一堆疊層狀組構之完成元件250，該堆疊層狀組構包含經由上述CVD沉積技術及MBE沉積技術之組合而形成於該底材261上方之該些層262~265，以及形成於該底材251上方之該些層252~255。舉例而言，如圖所示，在該元件260中，該第二底材261可作為一種透明且導電之材料，緊接著是該些半導體層262~265，該些半導體層可代表提供一pn接面之一種摻雜半導體材料搭配一種中間半導體材料，接著是如前文參照圖1b所述之一InGaP層，接著是該最終接觸層265。
應瞭解的是，在該底材261上以CVD技術形成之該些半導體材料可循序形成，以使該元件260得以在該底材261之基礎上進行鍵結，但在其他情況下，可提供一倒置之組構，這樣該元件便可以上下顛倒之方式鍵結至另一元件之底材或層，而該底材261之剩餘部分可在諸如該製程環境240中予以移除。該底材261一部分之移除可利用已確立之smart cut技術達成，由於被移除之底材部分可重複使用，因此提供了優異之整體製程效率。
這樣，依照本實施例，包含對應pn接面之三個半導體層連同該最終之InGaP層便可經由一混合沉積策略(hybrid deposition strategy)而提供，該策略可避免在以MBE生長之含氮半導體化合物上進行CVD材料之沉積。
圖3概要呈現一製造環境300，其包含一CVD製程環境310及一MBE製程環境330。該製程環境300實施一製程策略，在該策略中，以MBE形成之一種半導體化合物係提供在一專門底材上，該專門底材上不以CVD技術提供任何其他半導體材料。再者，至少兩種另外之半導體材料可以CVD技術形成於各自之底材上，如此亦為整體製程流程提供了優異之製程 彈性及更佳之並行性。如圖所示，在該環境310中為一第一沉積製程提供一底材351(例如鍺底材)，以在該底材351上形成一摻雜半導體層352，以及適當之一中間層或過渡層353。這樣，便可透過CVD技術以晶格匹配方式實現適當之一第一pn接面。此外，一第二底材361(例如砷化鎵材料)亦可在該環境310中加以處理，以提供包含各自pn接面之一種或多種半導體材料，在後續之製造階段，該些半導體材料會以堆疊組構提供於另外一種半導體化合物上，該另外一種半導體化合物將以MBE沉積技術形成。
在圖示之實施例中，一第一半導體層362生長後，接著是一過渡層363。此外，另一種半導體化合物(例如InGaP)提供作為一層364後，接著是適當之一接觸層，該接觸層可代表一堆疊組構之最後一層，該堆疊組構將在後續之製造階段以晶圓鍵結技術形成。由於該些個別底材351及361之提供，該堆疊層狀組構之該些對應部分便可視製程設備之整體可取得性等因素，以並行方式或循序方式提供。這樣，就整體製程而言便可達到優異之排程效率。
此外，一底材371(例如砷化鎵材料)可在該環境330中進行處理，以在其上形成具有所需帶隙能及晶格匹配組構之一種含氮半導體化合物372，如上文所述。此外，在該層372上方可配置適當之一中間層或過渡層373。如此，該材料372便可以一種稀釋氮半導體化合物之形式提供，不論在該材料372沉積之前或之後，皆不會受任何CVD沉積環境影響。
該些不同底材351、361及371可在對應之一製程環境340中進行處理，以實施薄化製程或經由smart cut技術適當移除該些底材之一部分，使該些對應部分得以重複使用。之後，可在另一製程環境341中使該底材351與該底材371結合，以形成一第一中間半導體元件350a，該中間半導體元件350a包含作為含有一pn接面之第一半導體層之該層352，接著是作為一種透明及導電接觸材料之該底材371。接下來，提供該含氮半導體化合物372及該中間層373。在此階段，該中間元件350A可在另一製造環境342中進行處理，以使該元件350a連結至該底材361，該底材361可包含至少該層362之pn接面，以及該另外之半導體材料364及該接觸層365。
應瞭解的是，同樣在此例中，若認為有助於增進該製造序列之整體效率，則形成於該共同底材361上方之該些層362及364亦可分別提供於不同底材上。此外，在該些底材351、361及371其中一個或多個上方所提供之該些半導體層，亦可以一倒置組構實施，以使任何該些層之直接鍵結得以進行，而且該各別底材之對應部分可在鍵結之前或之後，以諸如smart cut等技術加以移除。
圖4概要呈現一半導體元件450之截面圖，該半導體元件450之形式可為一太陽電池，該太陽電池包含至少三個次電池452、453、454及分別形成於其中之對應pn接面452p、453p、454p，且如上文所述，適當之中間層或過渡層亦可提供於該些次電池中，以建立有效率之光學及電性互連。該些次電池及該些對應之半導體材料係作為一堆疊層狀組構而提供於一適當底材451上方，從而形成該些次電池452、453、454之串聯，以在太陽輻射402C被導向該太陽電池450時產生輸出電功率。舉例而言，該底材451可為一鍺底材，該次電池452係以MOCVD技術形成於該底材451上，如前文參照圖2及3所述。該次電池453可包含一種半導體化合物，該半導體化合物含有明確定義之氮分數(fraction)，以獲得特定帶隙能及實現整體晶格匹配之組構。該次電池454可因此而包含以MOCVD形成之適當晶格匹配半導體化合物。但應瞭解的是，MOCVD層及MBE層可視該太陽電池450在光學及電性方面之特定需要，而以其他序列製作。如上所述，各種次電池通常具有不同之帶隙能，以使該輻射402C之入射頻譜得以有高轉換效率。一般而言，該次電池454，其代表該元件450之頂層電池，可具有最高之帶隙能，該次電池452則可具有最低之帶隙能。由於該些次電池452~454之半導體材料係以晶格匹配之層狀組構提供，晶格缺陷之數量較少，從而反映在優異之轉換效率上。由於上述之混合沉積策略之應用，因此該元件450不需要任何中間應變緩衝層，其整體製程之複雜程度相較於傳統太陽電池亦有所降低，因為在傳統太陽電池中，至少有某些半導體化合物必須以晶格不匹配之組構提供。
該太陽電池450可以上文參照圖1至3所述之製程技術而形成，亦即經由一混合沉積策略形成，在該策略中，至少該含氮半導體化合物材料是 以MBE形成，其他兩種或更多種半導體材料則是以MOCVD形成。應瞭解的是，任何適當數目之次電池皆可利用上述製程策略製作於該元件450中。舉例而言，該太陽電池450可有利地應用於該入射太陽輻射402C係提供作為聚焦輻射之情況，其中一聚光器元件401被曝露在標準太陽輻射402下，以提供強度增強兩倍至數百倍，甚至更高倍數之輻射。
111、112‧‧‧沉積製程
150、250、450‧‧‧半導體元件
151、251、351、451‧‧‧底材
152、252、352、452‧‧‧第一半導體層
154、254、373、453；156、264、364‧‧‧第二半導體層
262、362、454‧‧‧第三半導體層
161、261、361、371‧‧‧輔助底材
圖1a概要呈現一製程環境，其包含以MOCVD磊晶生長半導體材料所用之一CVD製程設備，以及形成一種晶格匹配半導體化合物，例如稀釋氮III-V族半導體化合物，所用之一分子束磊晶製程設備， 圖1b概要呈現一製造序列之不同步驟，該製造序列使用圖1a之製程環境，在與說明性實施例相符之一共同底材上以堆疊組構提供多種半導體化合物， 圖2概要呈現與進一步說明性實施例相符之一製程流程，在該製程流程中，CVD磊晶製程及MBE製程均在一共同底材上實施，但避免了CVD製程對MBE製程之不當負面影響，而額外之半導體化合物可以CVD技術形成於另外之底材上， 圖3概要呈現與說明性實施例相符之一製程流程，在該製程流程中，半導體化合物係形成於兩個或更多專屬底材上，而MBE層係在與說明性實施例相符之另外底材上進行處理，以及 圖4概要呈現一半導體元件(例如太陽電池)之截面圖，該元件包含呈堆疊組構之三種或更多種半導體化合物，其係利用上述與本發明進一步說明性實施例相符之製程技術，以晶格匹配結構提供之。
402C‧‧‧輻射
450‧‧‧半導體元件
451‧‧‧底材
452、453、454‧‧‧次電池
452p、453p、454p‧‧‧對應pn接面

Claims (17)

  1. 一種在一半導體元件(150、250、450)中形成多個pn接面之方法，該方法包括：實施一化學氣相沉積製程(111、112)以形成一第一結晶半導體層(152、452)，該第一結晶半導體層包含該半導體元件(150、250、450)之一第一pn接面(452p)，以及實施一分子束磊晶製程(131)以形成一種稀釋氮半導體材料(154、254、372)作為一第二結晶半導體層，該第二結晶半導體層包含該半導體元件之一第二pn接面(453p)。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包括經由實施至少一個另外之化學氣相沉積製程而形成至少一種另外之結晶半導體材料(156、262~265、362~365、454)，其中該至少一個另外之結晶半導體層包含另一pn接面(454p)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其更包括提供一底材(151)並在該底材上方形成該些第一及第二結晶半導體層。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中每一半導體層(152~156)係形成於該底材上方。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中該些第一及第二半導體層(152、154)係作為一堆疊層狀組構之部分而形成。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中形成該第一半導體層(152)係在形成該第二半導體層(154)之前。
  7. 如申請專利範圍第1、2或5項中任一項之方法，其更包括提供一第一底材(351；261)及一第二底材(371；251)，在該第一底材(351；261)上方形成該第一半導體層(352；262)及在該第二底材(371；251)上方形成該第二半導體層(372；254)，以及經由實施一鍵結製 程而形成一堆疊層狀組構。
  8. 如申請專利範圍第7項結合申請專利範圍第2項之方法，其中該至少一個另外之半導體層(252)當中的一個或多個，係在該第二半導體層(254)形成前於該第二底材(251)上方形成。
  9. 如申請專利範圍第7項結合申請專利範圍第2項之方法，其更包括提供另一底材(361)並在該另一底材(361)上方形成該些至少一個另外之半導體層(362~365)當中至少一個。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之方法，其中至少該第二半導體層係形成為一種III-V族半導體化合物。
  11. 一半導體元件(450)，其包括：一第一半導體層(152、252、352、452)，該第一半導體層包含形成於一底材(151、251、351、451)上方之一第一pn接面(452p)，一第二半導體層(154、254、373、453)，該第二半導體層包含形成於該第一半導體層(152、252、352、452)上方之一第二pn接面(453p)，該第二半導體層(154、254、373、453)包含一種稀釋氮III-V族半導體化合物，以及一第三半導體層(262、362、454)，該第三半導體層包含形成於該底材(151、251、351、451)上方之一第三pn接面(454p)，該第一、第二及第三半導體層係提供作為晶格匹配之半導體層。
  12. 如申請專利範圍第11項之半導體元件，其中所提供之該第一、第二及第三半導體層沒有中間之應變緩衝材料。
  13. 如申請專利範圍第11或12項之半導體元件，其更包括形成於該第三半導體層上方之至少一個另外之晶格匹配半導體層(156、264、364)。
  14. 如申請專利範圍第11至13項中任一項之半導體元件，其中該半導體元件為一太陽電池。
  15. 一種形成太陽電池之方法，該方法包括：經由實施包含分子束磊晶製程(131)之一第一製程序列，在該太陽電池(450)之一底材(151、251、251、351、451)上方形成一第一半導體層(154；254；372；453)，以及經由實施包含化學氣相沉積製程(111、112)之一第二製程序列，在該底材上方形成一第二半導體層(152、156；252、262、264；352、362、364；452、454)，該些第一及第二半導體層為晶格匹配。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該些第一及第二製程序列當中至少一個包含提供各別之輔助底材(161、261、361、371)以在該各別輔助底材上方形成各別之半導體層，以及將該各別之輔助底材鍵結至該底材。
  17. 如申請專利範圍第15或16項之方法，其中所形成之該第一半導體層具有0.9 eV至1.3 eV範圍內之帶隙能。
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