TWI489652B - 半導體磊晶結構及其裝置 - Google Patents

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Description

半導體磊晶結構及其裝置
本發明係關於一種半導體磊晶結構以及應用此種半導體磊晶結構所製成的光電元件，尤其是關於一種具有良好應力平衡之半導體磊晶結構以及應用此種半導體磊晶結構所製成的光電元件。
伴隨著經濟發展的腳步，為了提高商品的產量及獲得更高的利潤，舊有以人力為主的生產工序逐漸被機器所取代。在工業革命後，電力逐漸成為主要動力，而電力的來源，亦即能源的取得，也因此被視為國際間主要的研究課題。相對於石油、煤、核能等污染性能源，太陽能是一種無污染的能源，可提供地表平均每平方公尺約180瓦特的能量，且沒有能源被壟斷的問題，已成為未來最有發展潛力的能源之一。
自從第一個太陽能電池於1954年誕生於美國的貝爾實驗室後，各種不同太陽能電池的結構紛紛被揭露。其中，依據不同的材料主要可分為矽基太陽能電池、多接面半導體太陽能電池、色素敏化染料太陽能電池、及有機導電高分子太陽能電池等。
請參照圖1，以目前較普及的一種矽基太陽能電池元件1為例，其結構包括一第一電極12、一矽基板17、一p型矽半導體材料層14、一n型矽半導體材料層15、以及一第二電極16。太陽光10照射太陽能電池元件1並提供p型矽半導體材料層14及n型矽半導體材料層15一大於矽半導體材料層能隙(band gap)之能量，矽半導體材料層內原子吸收能量後，產生自由的載子(電子/電洞)，其中，產生的電子往n型矽半導體材料層15移動，產生的電洞往p型矽半導體材料層14移動，p型矽半導體材料層14及n型矽半導體材料層15交接的p-n接面處因正負不同電性的電荷堆積而產生電位差。因電位差之趨使，累積於n型矽半導體材料層15的電子透過第一電極12流出外部線路(圖未示)進入第二電極16，即可於外部線路產生電流。此時，如果在外部線路接上一個負載(圖未示)，即可收集產生的電流，儲存電能。在此，p型矽半導體材料層14及n型矽半導體材料層15之組合可吸收一特定波長範圍之光線並產生一電流，稱之為一子電池11。
圖2為地球表面太陽能輻射的光譜。根據光譜顯示，太陽光於地表的分佈波長除了可見光之外，在紅外光及紫外光區域也有分佈。然而，根據上述的太陽能電池原理，在傳統單一半導體結構的太陽能電池中，只有相等或大於半導體層材料能隙的太陽光能量才可被吸收轉換。以矽為例，其能隙約為1.12eV，僅能吸收太陽光譜部份紅外線範圍之波長。此外，再考量電池內部結構的損耗，會產生電池轉換效率過低的問題。
為了改善上述的問題，一種多接面串疊的太陽能電池結構(multi-junction tandem solar cell)因而被研究開發且成為目前轉換效率最高的太陽能電池結構之一。
請參照圖3，3為一種多接面串疊的太陽能電池元件，內部包含有鍺/砷化鎵銦/磷化鎵銦系列(Ge/Ga0.83 In0.17 As/Ga0.35 In0.65 P)三個p-n接面子電池的結構。多接面太陽能電池元件3係由包括一第一電極32、一鍺基板35、一鍺系列組成之第一子電池31、一砷化鎵銦系列組成之第二子電池33、一磷化鎵銦系列組成之第三子電池34、以及一第二電極36串疊而成。其中，每一個子電池分別係由一p型半導體材料層及一n型半導體材料層組合構成一p-n接面，即：第一鍺子電池31係由一p型鍺半導體材料層311(p-Ge)及一n型鍺半導體材料層312(n-Ge)組合構成第一p-n接面；第二砷化鎵銦子電池33係由一p型砷化鎵銦半導體材料層331(p-Ga0.83 In0.17 As)及一n型砷化鎵銦半導體材料層332(n-Ga0.83 In0.17 As)組合構成第二p-n接面；第三磷化鎵銦子電池34係由一p型磷化鎵銦半導體材料層341(p-Ga0.35 In0.65 P)及一n型磷化鎵銦半導體材料層342(n-Ga0.35 In0.65 P)組合構成第三p-n接面。當太陽光30照射時，為了使太陽光的能量可以被上述多層的子電池重複吸收利用，最靠近太陽光位置的子電池較佳地為一具有較大半導體能隙的子電池，接著再逐漸遞減所配置的子電池能隙。即，磷化鎵銦子電池34的能隙大於砷化鎵銦子電池33的能隙，而砷化鎵銦子電池33的能隙又大於鍺子電池31的能隙。
此外，第一子電池31與第二子電池33之間具有一第一穿隧接面(Tunnel junction)38，第二子電池33與第三子電池34之間亦具有一第二穿隧接面39。穿隧接面存在於子電池之間，用以調整二相鄰子電池結構之間的逆偏壓阻抗，減少電荷聚集於二子電池的任一側，使子電池之間具有較一致的電流。除此之外，為達成較高的光電轉換效率，亦可選擇性的在電極32與子電池34之間形成抗反射層37來降低結構表面對光線之反射。
當太陽光30先通過上部具有較高能隙的磷化鎵銦子電池34後(Ga0.35 In0.65 P能隙約為1.66eV)，具有較高能量的光子部分被吸收(約為紫外光至可見光的範圍)；接著，位於中央的砷化鎵銦子電池33(Ga0.83 In0.17 As)因具有小於磷化鎵銦子電池34的能隙，可吸收可見光至紅外光部分以上能量之光線，當然，亦可吸收包含在第一層磷化鎵銦子電池34未被轉換利用而穿透至此層的高能量光線，達到光能均勻分配的效果。最後，鍺子電池31因具有較低的能隙，可吸收通過前兩個子電池後未被吸收且大於紅外光能量範圍的光能。請參照圖4，圖4為多接面太陽能電池元件3材料的光頻譜響應圖，橫軸表示子電池可吸收太陽光的波長，縱軸表示量子效率的百分比。當量子效率越高，選擇的材料越可以有效吸收相對應波段的光源並轉換為太陽能電池中的電子/電洞對。圖4顯示，自基板向上由鍺/砷化鎵銦/磷化鎵銦系列組成具有漸大能隙之多接面串疊太陽能電池因具有較廣泛且相互重疊吸收波長範圍的特性，能量可以被不斷重複的吸收利用，並且在不同的波長範圍皆可獲得極高的量子效率。因此，利用此種串疊結構的太陽能電池具有較高的轉換效率。
然而，在選擇一個多接面串疊太陽能電池元件之子電池材料時，若欲選擇能隙間相互搭配的材料，常又因所選擇的多層子電池材料彼此之間晶格常數的差異過大(一般定義為晶格常數差異大於0.05%為差異過大)，進而於磊晶成長時產生磊晶缺陷，影響到元件的品質及轉換效率。
更詳細而言，參考圖3，太陽能電池元件3其主要結構由下自上分別為鍺基板35，鍺子電池31，砷化鎵銦子電池33及磷化鎵銦子電池34。鍺基板35及鍺子電池31的晶格常數為5.658A，係屬於晶格常數相互匹配的磊晶結構。然而，砷化鎵銦子電池33的晶格常數約為5.722A，對於鍺子電池31而言，與相鄰的砷化鎵銦子電池33之間的晶格常數差異為[(5.722-5.658)/5.658]×100%≒1.13%，係屬於晶格常數不匹配的狀態。即，於接續磊晶成長鍺子電池31與砷化鎵銦子電池33時，元件之間產生生長應力，於成長時將造成晶格缺陷產生的可能。此外，此應力可能於後續元件製程時產生撓曲或是龜裂的情況，進而影響元件的品質及良率。
除了上述的多接面太陽能電池元件之外，一般磊晶成長的半導體光電元件例如發光二極體等，於磊晶成長時，皆有可能遭遇到相似的情況。即，相鄰的磊晶結構之間因晶格常數差異而生成的元件內部應力，進而造成元件內部的磊晶缺陷，或可能於後續元件製程時產生撓曲或是龜裂的情況，進而影響元件的品質及良率。
本發明提供一種半導體磊晶結構，其包含一基板、一半導體磊晶疊層，設置於基板上、複數層半導體緩衝層，其組成呈單一方向漸變，設置於基板與半導體磊晶疊層之間；其中，一層以上半導體緩衝層具有圖案化的表面。
於本發明之實施例中，其中，上述單一方向係指由基板至半導體磊晶疊層之方向、由半導體磊晶疊層至基板之方向或平行基板之方向。
於本發明之實施例中，其中，上述半導體磊晶結構之基板係選自半導體材料、金屬材料、透明材料其中之一或其組合。
於本發明之實施例中，其中，上述半導體磊晶結構之基板係選自砷化鎵、鍺、碳化矽、矽、磷化銦、矽化鍺、氧化鋅、氮化鎵其中之一。
於本發明之實施例中，其中，上述半導體磊晶結構之組成係為上述複數半導體緩衝層的晶格常數。
於本發明之實施例中，其中，上述半導體磊晶結構之組成係為上述複數半導體緩衝層的組成材料比例。
於本發明之實施例中，其中，上述半導體磊晶結構之圖案化的表面係為具有複數個量子點的表面。
於本發明之實施例中，其中，上述半導體磊晶結構之複數半導體緩衝層與上述複數個量子點為不相同的材料。
本發明另一方面在提供一種半導體光電元件，其包含如上述之半導體磊晶結構；其中，上述半導體磊晶結構更包含一設置於基板上，具有第一導電特性之第一半導體材料層，以及一設置於第一半導體材料層上具有第二導電特性之第二半導體材料層；一第一電極，設置於第一半導體材料層之上；以及，一第二電極，設置於第二半導體材料層之上。
於本發明之實施例中，其中，上述半導體光電元件更包含一光電轉換層，設置於第一半導體材料層與第二半導體材料層之間。
於本發明之實施例中，其中，上述半導體光電元件為一太陽能電池元件。
於本發明之實施例中，其中，上述半導體光電元件為一多接面串疊的太陽能電池元件。
於本發明之實施例中，其中，上述半導體光電元件為一發光二極體元件。
圖5為依本發明之一實施例多接面太陽能電池元件5，由下自上分別由一第二電極56、一鍺基板55、一鍺系列組成之第一子電池51、一砷化鎵銦系列組成之第二子電池53、一磷化鎵銦系列組成之第三子電池54、以及一第一電極52串疊而成。其中，每一個子電池分別係由一p型半導體材料層及一n型半導體材料層組合構成一p-n接面，即：第一子電池51係由一p型鍺半導體材料層511及一n型鍺半導體材料層512組合構成第一p-n接面；第二子電池53係由一p型砷化鎵銦半導體材料層531及一n型砷化鎵銦半導體材料層532組合構成第二p-n接面；第三子電池54係由一p型磷化鎵銦半導體材料層541及一n型磷化鎵銦半導體材料層542組合構成第三p-n接面。其中，鍺基板55及第一子電池51(鍺)的晶格常數為5.658A，係屬於晶格常數相互匹配的磊晶結構。而第二子電池53(砷化鎵銦)的晶格常數約為5.722A，第三子電池54(磷化鎵銦)的晶格常數亦約為5.722A。也就是說，對於第一子電池51而言，與相鄰的第二子電池53之間的晶格常數差異為[(5.722-5.658)/658]×100%≒1.13%，係屬於晶格常數不匹配的狀態。
此外，第一子電池51與第二子電池53之間可選擇性形成第一穿隧接面58，第二子電池53與第三子電池54之間可選擇性形成第二穿隧接面59。穿隧接面可選擇性形成於子電池之間，用以調整二相鄰子電池結構之間的逆偏壓阻抗，減少電荷聚集於二子電池的任一側，使子電池之間具有較一致的電流。其中，穿隧接面的結構一般係為高摻雜之p型或n型半導體層，穿隧接面材料之能隙為不小於其兩側子電池中能隙較小之子電池之能隙，較佳為不小於其兩側子電池中能隙較大之子電池之能隙，使穿隧接面相對於穿透子電池之剩餘太陽光譜為透明結構而可以被其他子電池吸收利用。在本實施例中，為達成較高的光電轉換效率，亦可選擇性的在電極52與子電池54之間形成抗反射層57來降低結構表面對光線之反射。
在本實施例中，為了減少應力的產生造成磊晶缺陷的生成，於第一子電池51與第二子電池53之間增加一半導體緩衝層組合50。半導體緩衝層組合50以及下方第一穿隧接面58(如圖中虛線方框所示)細部如圖6所示，半導體緩衝層組合50包含三層半導體緩衝層501、502、503。由接近第一子電池51至接近第二子電池53的方向，第一半導體緩衝層501、第二半導體緩衝層502以及第三半導體緩衝層503的晶格常數值由小於並接近第一子電池51的晶格常數值5.658漸變大至接近並小於第二子電池53晶格常數值5.722，亦即其組成，如本實施例中為晶格常數及/或組成材料比例，呈單一方向漸變。以本實施例為例，此三層光電緩衝層可以為相同於第二子電池53組成成份的砷化鎵銦的半導體磊晶結構，再藉由調整砷化鎵銦半導體結構中銦元素及鎵元素成份的比例來相對調整晶格常數值。
除此之外，於本實施例中，更在每一個半導體緩衝層內生成複數個砷化銦(InAs)的量子點，使半導體緩衝層具有圖案化的表面。其製作的順序為：於第一穿隧接面58上生長複數個砷化銦的第一量子點層504後，再成長第一半導體緩衝層501；接著，於第一半導體緩衝層501上繼續生長複數個第二砷化銦的量子點層505後，再成長第二半導體緩衝層502；於第二半導體緩衝層502上繼續生長複數個第三砷化銦的量子點層506後，再成長第三半導體緩衝層503。最後，再成長包含上方p型砷化鎵銦半導體材料層531以及其上的半導體磊晶疊層。其中，量子點層組合可以藉由有機金屬氣相法(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)、液相磊晶法(LPE)以及氣相磊晶法(VPE)等習知技術來進行製程。
值得注意的是，生長量子點時，由於量子點本身缺乏晶格缺陷，可於磊晶過程中阻止下層磊晶層的缺陷向上層延伸。除此之外，透過選擇不同材料的量子點與半導體緩衝層進行搭配組成，亦可以緩衝磊晶層結構的成長應力，減少磊晶缺陷的生成。以本實施例為例。如：藉由晶格常數較大的砷化銦量子點層50’與晶格常數較小的鍺基板55的結構組合，對砷化鎵銦半導體緩衝層組合50而言，可藉由兩種不同材料的不同應力作用，達到應力相互平衡抵消之效果。因此，利用不同成分組成調整，可以增加磊晶的結構品質。
接著，請參照圖7，圖7為依據本發明之另一實施例發光二極體元件7的結構。其主要元件結構由下自上分別由一基板75、一第一半導體材料層71、一光電轉換層73、一第二半導體材料層72串疊而成。其中，在第一半導體材料層71上設置有第一電極77，在第二半導體材料層72上設置有第二電極76。除此之外，更可選擇性地在第二半導體材料層72上設置透明導電層74，增加光摘出以及電流擴散的效率。
在本實施例中，當基板75與第一半導體材料層71之間產生晶格常數不匹配時，為了減少應力的產生造成磊晶缺陷的生成，於基板75與第一半導體材料層71之間增加一半導體緩衝層組合70。半導體緩衝層組合70、相鄰的基板75以及第一半導體材料層71(如圖中虛線方框所示)細部如圖8所示，半導體緩衝層組合70包含三層半導體緩衝層701、702、703。由接近基板75至接近第一半導體材料層71的方向，第一半導體緩衝層701、第二半導體緩衝層702以及第三半導體緩衝層703的晶格常數由接近基板75的晶格常數漸變至接近第一半導體材料層71晶格常數，亦即其組成呈單一方向漸變。與前一實施例相似的是，三層緩衝層可以是相同於第一半導體材料層71的組成成份，藉由調整緩衝層內組成成份的相對比例來調整緩衝層的晶格常數值；當然，亦可以是不同於第一半導體材料層71的組成成份，藉由選擇不同的組成元素來調整緩衝層的晶格常數值。
除此之外，於本實施例中，更在每一個半導體緩衝層內生成複數個量子點，使半導體緩衝層具有圖案化的表面。其製作的順序為：於基板75上生長複數個第一量子點層後，再成長第一半導體緩衝層701；接著，於第一半導體緩衝層701上繼續生長複數個第二量子點層後，再成長第二半導體緩衝層702；於第二半導體緩衝層702上繼續生長複數個第三量子點層後，再成長第三半導體緩衝層73。最後，再成長包含上方第一半導體材料層71以及其上的半導體磊晶疊層。其中，量子點層組合可以藉由有機金屬氣相法(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)、液相磊晶法(LPE)以及氣相磊晶法(VPE)等習知技術來進行製程。
值得注意的是，生長量子點時，由於量子點本身缺乏晶格缺陷，可於磊晶過程中阻止下層磊晶層的缺陷向上層延伸。除此之外，透過選擇不同材料的量子點與半導體緩衝層進行搭配組成，亦可以緩衝磊晶層結構的成長應力，減少磊晶缺陷的生成。以本實施例為例。如：藉由不同晶格常數大小的量子點層與基板75同時對半導體緩衝層50進行不同的應力作用，達到應力相互平衡抵消，減少後續磊晶成長時元件產生撓曲或是龜裂的情況。因此，利用本發明之不同成分組成調整，可以增加磊晶的結構品質。
在上述的實施例之中，半導體磊晶結構的基板材料係可為但不限於半導體材料，如砷化鎵、鍺、碳化矽、矽、磷化銦、矽化鍺、氧化鋅、氮化鎵其中之一；或可為金屬材料；或透明材料，如玻璃。
值得注意的是，對於本領域具有通常知識者當得以了解，本發明係可為但不限於實施於上述實施例所述之特定種類之太陽能電池元件、發光二極體元件，更可廣泛適用於任何具有晶格常數差異的半導體磊晶結構中，作為緩和應力、減少磊晶缺陷生成、增加磊晶結構品質之功效。此外，半導體緩衝層表面圖案化的方式亦不限於生成複數之量子點，更可包含對半導體緩衝層表面以蝕刻或雷射雕刻或表面沉積等方式生成圖案化，透過圖案化的表面，亦可達到增加應力緩衝之效果。而生成之半導體緩衝層的層數，以及量子點的層數，亦可視情況進行適當之調整。
本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。
1．．．太陽能電池元件
3、5．．．多接面太陽能電池元件
7．．．發光二極體元件
10、30．．．太陽光
11．．．子電池
12、32、52、77．．．第一電極
14．．．p型矽半導體材料層
15．．．n型矽半導體材料層
16、36、56、76．．．第二電極
17、35、55、75．．．基板
31、51．．．第一子電池
33、53．．．第二子電池
34、54．．．第三子電池
37、57．．．抗反射層
38、58．．．第一穿隧接面
39、59．．．第二穿隧接面
311、511．．．p型鍺半導體材料層
312、512．．．n型鍺半導體材料層
331、531．．．p型砷化鎵銦半導體材料層
332、532．．．n型砷化鎵銦半導體材料層
341、541．．．p型磷化鎵銦半導體材料層
342、542．．．n型磷化鎵銦半導體材料層
50、70．．．半導體緩衝層組合
50’．．．量子點層
501、701．．．第一半導體緩衝層
502、702．．．第二半導體緩衝層
503、703．．．第三半導體緩衝層
504．．．第一量子點層
505．．．第二量子點層
506．．．第三量子點層
71．．．第一半導體材料層
72．．．第二半導體材料層
73．．．光電轉換層
74．．．透明導電層
圖1為一示意圖，顯示習知一矽基太陽能電池元件；
圖2為一光譜圖，顯示地球表面太陽能輻射的光譜；
圖3為一示意圖，顯示習知另一多接面太陽能電池元件；
圖4為一光譜圖，顯示依圖2所示多接面太陽能電池元件的光頻譜響應圖；
圖5為一示意圖，顯示依本發明實施例所示之一多接面太陽能電池元件；
圖6為一示意圖，顯示依本發明實施例所示之一多接面太陽能電池元件之半導體緩衝層組合部分放大圖；
圖7為一示意圖，顯示依本發明實施例所示之一發光二極體元件；
圖8為一示意圖，顯示依本發明實施例所示之一發光二極體元件之半導體緩衝層組合部分放大圖。
5．．．多接面太陽能電池元件
50．．．半導體緩衝層組合
51．．．第一子電池
52．．．第一電極
53．．．第二子電池
54．．．第三子電池
55．．．基板
56．．．第二電極
57．．．抗反射層
58．．．第一穿隧接面
59．．．第二穿隧接面
511．．．p型鍺半導體材料層
531．．．p型砷化鎵銦半導體材料層
541．．．p型磷化鎵銦半導體材料層
512．．．n型鍺半導體材料層
532．．．n型砷化鎵銦半導體材料層
542．．．n型磷化鎵銦半導體材料層

Claims (9)

  1. 一種半導體磊晶結構，其包含：一基板，具有一第一晶格常數；一半導體磊晶疊層，設置於該基板上且具有一第二晶格常數；以及複數層半導體緩衝層，其組成呈單一方向漸變，設置於該基板與該半導體磊晶疊層之間；其中，一層以上該半導體緩衝層具有複數個量子點，且該些半導體緩衝層與該些量子點為不相同的材料，且該複數層半導體緩衝層具有複數晶格常數由接近該第一晶格常數漸變至接近該第二晶格常數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體磊晶結構，其中，該單一方向係指由該基板至該半導體磊晶疊層之方向、由該半導體磊晶疊層至該基板之方向或平行該基板之方向。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體磊晶結構，其中該基板係選自半導體材料、金屬材料、透明材料其中之一或其組合。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之半導體磊晶結構，其中該 基板係選自砷化鎵、鍺、碳化矽、矽、磷化銦、矽化鍺、氧化鋅、氮化鎵其中之一。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體磊晶結構，其中該組成係為該些半導體緩衝層的組成元素比例。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體磊晶結構，其中該些半導體緩衝層具有圖案化的表面，該圖案化的表面係為具有該些個量子點的表面。
  7. 一種半導體光電元件，其包含：如申請專利範圍第1項所述之半導體磊晶結構；其中，該半導體磊晶結構更包含：一設置於該基板上，具有第一導電特性之第一半導體材料層；以及一設置於該第一半導體材料層上具有第二導電特性之第二半導體材料層；一第一電極，設置於該第一半導體材料層之上；以及一第二電極，設置於該第二半導體材料層之上。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之半導體光電元件，更包含一光電轉換層，設置於該第一半導體材料層與該第二半導 體材料層之間。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之半導體光電元件，其中該半導體光電元件為一太陽能電池元件或一發光二極體元件。
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