TWI453920B - 反向變質（ｉｍｍ）太陽能電池半導體結構及雷射剝離的方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種反向變質太陽能電池半導體結構及半導體結構的雷射剝離方法，更特別是利用外部的雷射進行自複數能隙層剝離基底層的一種半導體結構與剝離方法。
習知技術中，由於磊晶條件之限制，氮化鎵(GaN)發光二極體係使用藍寶石(sapphire)作為基板材料。然而，該藍寶石基板的導熱性極差，嚴重地影響到發光二極體的發光效率，進而延伸出將該藍寶石基板移除，並使用其它導熱性較佳的材料做為基板。
傳統上，移除藍寶石基板的方法有三種，第一種係將藍寶石基板利用研磨的方式去除；第二種係利用蝕刻的方式去除藍寶石基板；以及，第三種係利用雷射將該藍寶石基板去除。其中，以第三種的方式最為有效。
但上述方式係僅適用於具有氮化鎵且為藍寶石基板的發光二極體。對於日益重要的反向變質(IMM)太陽能電池其更需要提供一種可適用於砷化鎵(GaAs)基板的一種可用以匹配作為犧牲層的材料，用以解決傳統製作太陽能電池所會遭遇到的問題。
本發明之一目的係提供一種反向變質太陽能電池(inverted metamorphic solar cell)半導體結構，係用以達到提供外部的雷射進行雷射剝離(laser lift-off，LLO)製程的目的。
本發明之另一目的係提供一種反向變質太陽能電池半導體結構，係提供具有高效率的反向變質太陽能電池。
本發明之另一目的係提供一種用於反向變質太陽能電池半導體結構的雷射剝離方法，係用以達到自反向變質太陽能電池半導體結構中剝離基底層的目的。
為達上述目的與其它目的，本發明提出一種反向變質太陽能電池半導體結構，係提供外部的雷射進行雷射剝離製程，其包含基底層(substrate layer)、犧牲層(sacrifice layer)、複數能隙層(band-gap)與基板層(handle layer)。其中，該犧牲層係形成於該基底層上，且該犧牲層的材質係選自III-V族所形成之組合物；該等能隙層係形成於該犧牲層上，用以根據吸收來自外部的光源波長，產生相對應的電子電洞移動；以及該基板層係形成於該等能隙層上。
為達上述目的與其它目的，本發明係提出一種用於反向變質太陽能電池半導體結構的雷射剝離方法，其包含：a)形成犧牲層於該基底層上，且該犧牲層係為III-V族所形成之組合物，該犧牲層之能隙係小於該基底層之能隙；b)形成該等能隙層於該犧牲層上，且基板層又形成於該等能隙層上；以及c)入射外部的一雷射光係由該基底層進入至該犧牲層，且該雷射光係透過該基底層而被該犧牲層吸收，進而使得該犧牲層剝離該等能隙層。
與習知技術相較，本發明所提供之反向變質(IMM)太陽能電池半導體結構及雷射剝離的方法，係可藉由可彈性調整具有III-V族化合物之犧牲層的晶格常數(lattice constant)與能帶間隙(energy band-gap)，用以匹配具有相同III-V族化合物之基底層，並透過外部入射的雷射光使得該基底層剝離該反向變質太陽能電池半導體結構，用以提升該太陽能電池的效率。
為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：參考第1a與1b圖，係本發明一實施例之反向變質太陽能電池半導體結構的示意圖。於第1a圖中，該反向變質太陽能電池半導體結構2係提供外部的雷射1進行雷射剝離(laser lift-off，LLO)製程，例如該雷射1係可為釹釔鋁石榴石雷射(Nd: AG laser)，且該雷射1的波長係可為1064奈米，且該雷射1對應的能量密度(power density)係600微焦耳/平方公分。
該反向變質太陽能電池半導體結構2係包含基底層4、犧牲層6、能隙層8與基板層10。其中，該基底層4係提供該太陽能電池板導體於磊晶時所需的基本底板，且該基底層4的材質可選自III-V族所形成之組合物，例如由砷化鎵(GaAs)構成該基底層4。
該犧牲層6的材質係形成於該基底層4上，且該犧牲層6的材質係選自III-V族所形成之組合物，於此，該犧牲層6係以選自銦(Indium)、鎵(Gallium)、砷(Arsenic)與氮(Nitrogen)之至少其一所組成之一族，例如該犧牲層4的材質係可為氮砷化銦鎵(InGaAsN)。一併參考第2圖，係提供具有該氮砷化銦鎵之該犧牲層的能帶間隙與晶格常數之關係圖。於第2圖中可以了解到，該氮砷化銦鎵係基於砷化鎵(GaAs)並藉由摻雜銦(Indium)，用以增加晶格常數與降低能帶間隙；以及，藉由摻雜氮(Nitrogen)，用以降低晶格常數與能帶間隙。換言之，藉由調整該銦(Indium)與該氮(Nitrogen)的摻雜比例，係可用以決定可用與該基底層4匹配的適當犧牲層6。舉例而言，於一實施例中，可藉由該銦(Indium)與該氮(Nitrogen)的摻雜比例，於固定的該晶格常數中彈性地調整該能帶間隙。
再者，該氮(Nitrogen)所佔該犧牲層6材料的比例係介於10%~20%的該組合物之間；以及，該犧牲層6的磊晶厚度係可小於該基底層4的厚度。
此外，為了使得該基底層4係可藉由該犧牲層6剝離該等能隙層8，該犧牲層6之能隙ev 1
對應的波長λ 1
係大於該雷射1的波長λ 0
，且該雷射1的波長係又大於該基底層4之能隙ev 2
對應的波長，其係可參考第3圖。其中，該波長與該能隙的對應關係為λ
=1.24/ev
。於一實施例中，該基底層4的波長係為890奈米(nano meter)。換言之，該雷射1的波長係介於該犧牲層6能隙對應的波長與該基底層4之能隙對應的波長之間。
再者，該能隙與波長的配置方式係可使得該雷射1的波長與能量係可自該基底層4入射而穿越到達該犧牲層6，並且該雷射1係可直接地被該犧牲層6吸收(該雷射1係不會被該基底層4吸收)，進而使得具有III-V族的該犧牲層6會進一步分解成氣體與液體。其中，該氣體係成為氣體散逸，而該液體係會殘留於該犧牲層6與該基底層4之間。換言之，該雷射1係會於該犧牲層6上加熱，而破壞該基底層4與該犧牲層6之間的鍵結關係，如第1b圖所示。
該等能隙層8係形成於該犧牲層6上，用以根據吸收來自外部的光源波長(例如太陽光光源)產生相對應的電子電洞移動。其中，該等能隙層8係可為具有不同能隙(或電子伏特)的材質所組層，例如磷化銦鎵(InGaP)與砷化鎵(GaAs)。
該基板層10係形成於該等能隙層8上，於實際應用中係以該雷射1剝離該基底層4之後，倒置該反向變質太陽能電池半導體結構2，使得該基板層10由最上方倒置於最下方，故於此係以倒轉的磊晶成長結構為例說明。於另一實施例中，該反向變質太陽能電池半導體結構2係可為非倒轉磊晶成長結構。
參考第4圖，係本發明一實施例之用於反向變質太陽能電池(inverted metamorphic solar cell)半導體結構的雷射剝離(laser lift-off，LLO)方法的流程示意圖。於第4圖中，反向變質太陽能電池半導體結構的雷射剝離方法的步驟，係起始於S1，係形成犧牲層(sacrifice layer)於該基底層(substrate layer)上，且該犧牲層係為III-V族所形成之組合物，該犧牲層之能隙係小於該基底層之能隙，調整該III-V族所形成之組合物的比例以調整該犧牲層之晶格常數(lattice constant)與能帶間隙(energy band-gap)，用以匹配該基底層。
接著步驟S2，係形成該等能隙層(band-gap)於該犧牲層上，且基板層(handle layer)又形成於該等能隙層上。
接著步驟S3，係入射外部的一雷射光，係由該基底層進入至該犧牲層，且該雷射光係透過該基底層而被該犧牲層吸收，進而使得該犧牲層剝離該等能隙層，其中該犧牲層之能隙對應的波長係大於該雷射光的波長，且該雷射光的波長係大於該基底層之能隙對應的波長。
此外，參考第5圖，係本發明另一實施例之用於反向變質太陽能電池半導體結構的雷射剝離方法的流程示意圖該雷射剝離方法。於第5圖中，除前述步驟S1-S3外，該反向變質太陽能電池半導體結構的雷射剝離方法的步驟係更可包含步驟S4，係蝕刻未剝離該等能隙層上的該犧牲層與研磨未剝離該等能隙層上的該犧牲層之至少其一者，用以獲得無殘留該犧牲層且具有該等能隙層與該基板層的反向變質太陽能電池半導體結構。
另外，該雷射剝離方法更可包含步驟S5，係結合新的一基底層於該等能隙層上，以形成具有該半導體結構的晶片型該反向變質太陽能電池(IMM solar cell)。
與習知技術相較，本發明所提供之反向變質(IMM)太陽能電池半導體結構及雷射剝離的方法，係可藉由可彈性調整具有III-V族化合物之犧牲層的晶格常數(lattice constant)與能帶間隙(energy band-gap)，用以匹配具有相同III-V族化合物之基底層，並透過外部入射的雷射光使得該基底層剝離該反向變質太陽能電池半導體結構，用以提升該太陽能電池的效率。
本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧雷射
2‧‧‧反向變質太陽能電池半導體結構
4‧‧‧基底層
6‧‧‧犧牲層
8‧‧‧能隙層
10‧‧‧基板層
第1a與1b圖係本發明一實施例之反向變質太陽能電池半導體結構的示意圖；
第2圖係說明第1圖中該犧牲層的能帶間隙與晶格常數之關係圖；
第3圖係說明第1圖中基底層、犧牲層與雷射之能隙對應的波長的作動示意圖；以及
第4圖係本發明一實施例之用於反向變質太陽能電池半導體結構的雷射剝離方法的流程示意圖；以及
第5圖係本發明另一實施例之用於反向變質太陽能電池半導體結構的雷射剝離方法的流程示意圖。
S1-S3．．．方法步驟
Claims (14)
- 一種反向變質太陽能電池(inverted metamorphic solar cell)半導體結構，係提供外部的雷射進行雷射剝離(laser lift-off，LLO)製程，其包含：基底層(substrate layer)；犧牲層(sacrifice layer)，係形成於該基底層上，且該犧牲層的材質係選自III-V族所形成之組合物；複數能隙層(band-gap)，係形成於該犧牲層上，用以根據吸收來自外部的光源波長，產生相對應的電子電洞移動；以及基板層(handle layer)，係形成於該等能隙層上，其中，該犧牲層係透過調整該III-V族所形成之組合物的比例，以調整該犧牲層之晶格常數(lattice constant)與能帶間隙(energy band-gap)，用以匹配該基底層。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體結構，其中該基底層的材質係為砷化鎵(GaAs)。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體結構，其中該犧牲層的材質係選自銦(Indium)、鎵(Gallium)、砷(Arsenic)與氮(Nitrogen)之至少其一所組成之一族。
- 如申請專利範圍第3項所述之半導體結構，其中該犧牲層的材質係氮砷化銦鎵(InGaAsN)。
- 如申請專利範圍第4項所述之半導體結構，其中該氮、該銦的比例係調整該犧牲層之晶格常數(lattice constant)與能帶間隙(energy band-gap)，用以匹配該基底層。
- 如申請專利範圍第5項所述之半導體結構，其中該氮所佔該犧牲層材料的比例係介於10%~20%的該組合物之間。
- 如申請專利範圍第5項所述之半導體結構，其中該犧牲層之能隙對應的波長係大於該雷射的波長，且該雷射的波長係大於該基底層之能隙對應的波長。
- 如申請專利範圍第7項所述之半導體結構，其中該基底層的波長係為890奈米(nano meter)。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體結構，其中該雷射係為釹釔鋁石榴石雷射(Nd：AG laser)。
- 如申請專利範圍第9項所述之半導體結構，其中該雷射的波長係為1064奈米，且該雷射對應的能量密度(power density)係600微焦耳/平方公分。
- 一種用於反向變質太陽能電池(inverted metamorphic solar cell)半導體結構的雷射剝離(laser lift-off，LLO)方法，其包含：形成犧牲層(sacrifice layer)於一基底層(substrate layer)上，且該犧牲層係為III-V族所形成之組合物，該犧牲層之能隙係小於該基底層之能隙，其中，該犧牲層係透過調整該III-V族所形成之組合物的比例，以調整該犧牲層之晶格常數(lattice constant)與能帶間隙(energy band-gap)，用以匹配該基底層；形成複數能隙層(band-gap)於該犧牲層上，且基板層(handle layer)又形成於該等能隙層上；以及入射外部的一雷射光，係由該基底層進入至該犧牲 層，且該雷射光係透過該基底層而被該犧牲層吸收，進而使得該犧牲層剝離該等能隙層。
- 如申請專利範圍第11項所述之雷射剝離方法，其中該犧牲層之能隙對應的波長係大於該雷射光的波長，且該雷射光的波長係大於該基底層之能隙對應的波長。
- 如申請專利範圍第12項所述之雷射剝離方法，更包含蝕刻未剝離該等能隙層上的該犧牲層與研磨未剝離該等能隙層上的該犧牲層之至少其一者。
- 如申請專利範圍第13項所述之雷射剝離方法，更包含結合新的一基底層於該等能隙層上以形成具有該半導體結構的晶片型該反向變質太陽能電池(IMM solar cell)。
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