TWI578554B - 磊晶移起後用於晶圓再生之犧牲蝕刻保護層 - Google Patents

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Description

磊晶移起後用於晶圓再生之犧牲蝕刻保護層
本發明概言之係關於經由使用磊晶移起以製造諸如撓性光電伏打裝置等電子及光電子裝置之方法。具體而言，本發明係關於經由磊晶生長製備撓性光電伏打裝置及保持生長基板之完整性以供再生之方法。
本申請案主張2011年6月29日申請之美國臨時申請案第61/502,401號之權利，該案件之全文以引用方式併入本文中。
本發明係根據陸軍研究辦公室(Army Research Office)授予之第W911NF-08-2-0004號證書在美國政府支持下作出。政府對本發明擁有一定的權利。
本發明之標的物係由、代表及/或結合聯合大學協作研究協定(joint university-corporation research agreement)的以下各方中之一方或多方作出：密歇根大學(University of Michigan)及全球光子能源公司(Global Photonic Energy Corporation)。該協定在製備本發明之標的物之日期時及其之前有效，且係作為在該協定之範疇內所採取之活動的結果而作出。
光電子裝置依賴材料之光學及電子性質來以電子方式產生或偵測電磁輻射或自環境電磁輻射產生電。
光敏光電子裝置將電磁輻射轉換成電。太陽能電池(亦稱作光電伏打(PV)裝置)係特定用於產生電功率之一類光 敏光電子裝置。PV裝置可自除日光以外的光源產生電能，其可用於驅動功率消耗負載以提供(例如)照明、加熱或向電子電路或裝置(例如計算器、無線電、電腦或遠端監控或通信設備)供電。此等發電應用亦通常涉及向電池組或其他能量儲存裝置充電，以便當來自太陽或其他光源之直接照射不可用時操作可繼續，或用以平衡PV裝置之功率輸出與特定應用要求。本文所用之術語「電阻負載」係指任一功率消耗或儲存電路、裝置、設備或系統。
另一類光敏光電子裝置係光導體電池。在此功能中，信號偵測電路監控裝置之電阻以偵測因吸收光所致之變化。
另一類光敏光電子裝置係光偵測器。在操作中，光偵測器與電流偵測電路結合使用，該電流偵測電路在光偵測器暴露於電磁輻射且可具有所施加之偏壓電壓時量測所產生之電流。本文所述之偵測電路能夠向光偵測器提供偏壓電壓並量測光偵測器對電磁輻射之電子反應。
可根據是否存在如下文所定義之整流接面且亦根據裝置是否藉助外部施加電壓(亦稱作偏壓或偏壓電壓)操作來表徵此三類光敏光電子裝置。光導體電池不具有整流接面且通常在有偏壓之情況下操作。PV裝置具有至少一個整流接面且在無偏壓之情況下操作。光偵測器具有至少一個整流接面且通常(但不總是)在有偏壓之情況下操作。一般而言，光電伏打電池向電路、裝置或設備提供功率，但並不提供控制偵測電路之信號或電流或自偵測電路輸出資訊。相比之下，光偵測器或光導體提供控制偵測電路之信號或 電流，或自偵測電路輸出資訊，但並不向電路、裝置或設備提供功率。
傳統上，光敏光電子裝置一直由諸多無機半導體構成，例如結晶、多晶及非晶型矽、砷化鎵、碲化鎘及其他材料。本文之術語「半導體」表示在藉由熱或電磁激發誘導電荷載流子時可導電之材料。術語「光導電」概言之係指以下過程：電磁輻射能量被吸收並由此轉換成電荷載流子之激發能量，以便載流子可傳導(亦即傳輸)材料中之電荷。本文所用之術語「光導體」及「光導電材料」係指針對其吸收電磁輻射以產生電荷載流子之性質經選擇之半導體材料。
PV裝置之特徵在於其可將入射太陽能轉換成有用電能之有效性。利用結晶或非晶型矽之裝置在商業應用中佔主導地位，且一些已達到23%或更高之效率。然而，基於結晶之有效裝置(尤其具有大表面積者)之製造由於在製造不具有顯著效率降格缺陷之大晶體時所固有之問題而係困難且昂貴的。另一方面，高效非晶型矽裝置仍具有穩定性問題。現有市售非晶型矽電池具有介於4%與8%之間的穩定效率。
可在標準照明條件(亦即標準測試條件(Standard Test Conditions)，其係1000 W/m2，AM1.5光譜照明)下最佳化PV裝置以產生最大電功率，且使光電流乘以光電壓之乘積最大。此電池在標準照明條件下之功率轉換效率取決於以下三個參數：(1)零偏壓下之電流，亦即短路電流ISC，以 安培表示，(2)開路條件下之光電壓，亦即開路電壓VOC，以伏特表示，及(3)填充因子FF。
PV裝置在跨越負載連接且由光輻照時產生光生電流。在無窮大負載下輻照時，PV裝置產生其最大可能電壓V開路或VOC。在其電觸點短路下輻照時，PV裝置產生其最大可能電流I短路或ISC。在實際用於產生功率時，將PV裝置連接至有限電阻負載且藉由電流與電壓之乘積I×V給出功率輸出。由PV裝置產生之最大總功率固有地不能超出乘積ISC×VOC。在最佳化負載值以達到最大功率提取時，電流及電壓分別具有值Imax及Vmax。
PV裝置之品質因數係填充因子FF，其定義為：FF={Imax Vmax}/{ISC VOC} (1)其中FF總是小於1，此乃因ISC及VOC在實際使用中從不會同時獲得。然而，隨著FF接近1，裝置具有較小之串聯電阻或內部電阻，且由此在最佳條件下將ISC與VOC之乘積的較大百分比輸送至負載。在Pinc係裝置上之入射功率時，該裝置之功率效率ηP可由下式計算：ηP=FF*(ISC*VOC)/Pinc。
為產生佔據半導體之大部分體積之內部產生電場，通常方法係並置兩層具有經適宜選定之導電性質之材料，該等性質尤其係關於其分子量子能態之分佈。此兩種材料之界面稱作光電伏打接面。在傳統半導體理論中，用於形成PV接面之材料可經製作以使其呈n型或p型。此處，n型表示多數載流子類型係電子。此可視為具有許多處於相對自由 能態之電子的材料。此處，p型表示多數載流子類型係電洞。此材料具有許多處於相對自由能態之電洞。本底類型(亦即，非光生之多數載流子濃度)主要取決於缺陷或雜質之有意或無意摻雜。雜質之類型及濃度決定在導電帶最小值與價能帶最大值能量之間的間隙內之費米能量(Fermi energy)之值或位準。費米能量描述分子之量子能態之統計佔據率，該量子能態由能量值表示且其佔據概率等於½。接近導電帶最小能量之費米能量指示電子係主導載流子。接近價能帶最大能量之費米能量指示電洞係主導載流子。因此，費米能量係傳統半導體之主要表徵性質，且典型PV結構傳統上一直為p-n接面。
術語「整流」尤其表示界面具有不對稱之導電特性，亦即，該界面支持電子電荷較佳在一個方向上傳輸。整流通常與內在電場有關，該內在電場係在經適宜選定之材料之間的接面處存在。
習用無機半導體PV電池採用p-n接面來建立內部電場。高效PV裝置通常係在昂貴的單晶生長基板上製作。此等生長基板可包括單晶晶圓，其可用於針對活性層(亦稱為「磊晶層(epilayer)」)之磊晶生長產生完整晶格及結構支撐。此等磊晶層可在其原始生長基板完整之情況下整合至PV裝置中。或者，該等磊晶層可被移除且與主基板重組合。
在一些實例中，可能期望將該等磊晶層轉移至展示期望之光學、機械或熱性質之主基板。例如，砷化鎵(GaAs)磊 晶層可生長於矽(Si)基板上。然而，所得材料之電子品質可能不足以用於某些電子應用。因此，可能期望保持晶格匹配之磊晶層之高材料品質，同時允許將該等磊晶層整合至其他基板中。此可藉由稱為磊晶移起之方法實現。在磊晶移起過程中，可將磊晶層自生長層「移起」且重組合(例如，接合或黏附)至新的主基板。
儘管典型之生長基板可提供期望之磊晶生長特性，但其可係厚的且產生過量重量，且所得裝置往往較脆且需要大型支撐系統。磊晶移起可係用以將磊晶層自其生長基板轉移至更有效、更輕量及撓性之主基板之期望方式。假定典型生長基板相對不足且其對所得電池結構賦予期望特性，則可能期望在後續磊晶生長中再循環及/或再生生長基板。然而，再生生長晶圓之先前嘗試一直因自晶圓移除頂部數個微米之材料而導致效率降低或需要晶圓之研磨性「拋光」。
美國專利公開案第2010/0047959號闡述選擇性地自單晶基板釋放磊晶層之方法。所述方法包括沈積第一緩衝層、蝕刻停止層、第二緩衝層及分離層。在分離層上面，沈積一系列半導體層以形成電池。該方法然後包含蝕刻該分離層，藉以自基板及相關聯緩衝層及蝕刻停止層拉離半導體層。然而，該說明書並未闡述準備該被脫離之基板以再生之方法，例如選擇性地蝕刻掉緩衝層及/或蝕刻停止層。因此，仍需要研發保持生長基板之完整性以供再生之方法。
具體而言，仍需要能夠經由磊晶移起將III-V族太陽能電池之活性區域自原始晶圓轉移至主基板，從而進一步使得晶圓能夠再生多次且允許製作撓性高效率薄膜太陽能電池。對晶圓進行再拋光會自晶圓之頂部表面消耗數十微米之材料。因此，為使晶圓再生同時避免經由再拋光而損失材料，使用保護層以在磊晶移起(「ELO」)過程期間保護晶圓表面免受稀HF損害。
本發明解決進一步研發更有效、更輕量及撓性之PV裝置之需要。本發明亦解決研發如下方法之需要：非破壞性地自生長基板移除磊晶生長層且保持生長基板之完整性以供再生，而無需在其表面之下一次使用之前準備其表面之拋光或其他破壞性方法。
本發明揭示先進的保護層觀念，其包含使用至少一層保護方案、至少兩層保護方案及至少三層保護方案，該等方案包含由(例如)緩慢蝕刻之III-V族材料、例如InAlP、AlGaAs及InAlGaP製得之保護層。本文所用之術語「III-V族材料」用於指代含有週期表之IIIA族及VA族之元素的複合晶。更具體而言，術語III-V族材料在本文中可用以指代作為鎵(Ga)、銦(In)及鋁(Al)之族與砷(As)、磷(P)、氮(N)及銻(Sb)之族之組合的化合物。
應注意，本文中之化合物係以縮寫形式命名的。兩組份材料視為III：V族化合物呈約1：1之莫耳比率。在三組份或更多組份系統(例如InGaAlAsP)中，III族物質(亦即，In、 Ga及Al)之總和約為1，且V族組份(亦即，As及P)之總和約為1，且因此III族與V族之比率大約一致。
假定化合物名稱(例如，用於與GaAs晶格匹配之晶格化合物GaAs、AlInP、GaInP、AlGaAs、GaPSb、AlPSb及其組合，或用於與InP晶格匹配之化合物InP、InGaAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb及其組合)呈達成晶格匹配或應變所需要之化學計量比，如自周圍上下文所推斷。例如，為使InGaP與InP晶格匹配，組成係In0.53Ga0.47As。AlGaAs(亦即，AlXGa1-XAs)係令人感興趣之實例，此乃因其幾乎在0X1之整個組成範圍內與GaAs晶格匹配。另外，名稱在一定程度上可顛倒順序。例如，AlGaAs與GaAlAs係同一材料。
在一個實施例中，揭示保持生長基板之完整性之方法，其包含：提供具有以下各項之結構：生長基板，其具有至少一個生長表面；電池；犧牲層；及至少一個保護層；藉由用蝕刻劑蝕刻該犧牲層來釋放該電池；及藉由用蝕刻劑蝕刻該至少一個保護層來移除該至少一個保護層。
在另一實施例中，揭示保持生長基板之完整性之方法，其包含：提供具有以下各項之結構：生長基板，其具有至少一個生長表面；電池；犧牲層；及至少兩個保護層；藉由用蝕刻劑蝕刻該犧牲層來釋放該電池； 藉由用蝕刻劑蝕刻第二保護層來移除第二保護層；及藉由用蝕刻劑蝕刻第一保護層來移除第一保護層。
在又一實施例中，揭示保持生長基板之完整性之方法，其包含：提供具有以下各項之結構：生長基板，其具有至少一個生長表面；電池；犧牲層；及至少三個保護層；藉由用蝕刻劑蝕刻該犧牲層來釋放該電池；藉由用蝕刻劑蝕刻第三保護層來移除第三保護層；藉由用蝕刻劑蝕刻第二保護層來移除第二保護層；及藉由用蝕刻劑蝕刻第一保護層來移除第一保護層。
在一個實施例中，第一保護層係定位於生長基板上面，第二保護層係定位於第一保護層上面，第三保護層係定位於第二保護層上面，且犧牲層係定位於第三保護層上面。
保護層可包含晶格匹配化合物及/或應變層。不管第一保護層係晶格匹配抑或應變，第一保護層與生長基板之間之高蝕刻選擇性極其佳，由此第一保護層可用突然停止於生長基板上之濕式蝕刻劑來移除。
本文所用之術語蝕刻劑選擇性係指特定蝕刻劑移除特定材料之速率相比於蝕刻另一材料之速率。X與Y之蝕刻劑選擇性定量為，對於特定蝕刻劑而言，X之蝕刻速率與Y之蝕刻速率之比率。因此，本文所用之「高度選擇性」係指一種材料快速地蝕刻而另一種材料非常緩慢地蝕刻或根本不蝕刻之情況，例如大於10：1、或100：1、或甚至1000：1或更大。
在一個實施例中，每一蝕刻劑係獨立地選自HF、H3PO4、HCl、H2SO4、HNO3、C6H8O7(檸檬酸)、H2O2、H2O及其組合。
在另一實施例中，揭示包含以下各項之生長結構：生長基板(例如GaAs)、犧牲層、緩衝層、至少三個基板保護層、至少一個磊晶層、至少一個觸點、塗佈有金屬或合金之主基板及至少三個裝置結構保護層，其中犧牲層係定位於生長基板與至少一個磊晶層之間，至少三個基板保護層係定位於生長基板與犧牲層之間，且至少三個裝置結構保護層係定位於犧牲層與磊晶層之間。
在另一實施例中，揭示包含以下各項之生長結構：生長基板(例如GaAs)、犧牲層、緩衝層、至少兩個基板保護層、至少一個磊晶層、至少一個觸點、塗佈有金屬或合金之主基板及至少兩個裝置結構保護層，其中犧牲層係定位於生長基板與至少一個磊晶層之間，至少兩個基板保護層係定位於生長基板與犧牲層之間，且至少兩個裝置結構保護層係定位於犧牲層與磊晶層之間。
在又一實施例中，揭示包含以下各項之生長結構：生長基板(例如GaAs)、犧牲層、緩衝層、至少一個基板保護層、至少一個磊晶層、至少一個觸點、塗佈有金屬或合金之主基板及至少一個裝置結構保護層，其中犧牲層係定位於生長基板與至少一個磊晶層之間，至少一個基板保護層係定位於生長基板與犧牲層之間，且至少一個裝置結構保護層係定位於犧牲層與磊晶層之間。
在一個實施例中，基板可包含GaAs，且基板保護層及裝置結構保護層可為晶格匹配化合物，例如GaAs、AlInP、GaInP、AlGaAs、GaPSb、AlPSb及其組合。
在另一實施例中，基板可包含GaAs，且基板保護層及裝置結構保護層可為應變層，例如InP、InGaAs、InAlAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb及其組合，包括與晶格匹配化合物之組合。
在另一實施例中，基板可包含InP，且基板保護層及裝置結構保護層可為晶格匹配化合物，例如InGaAs、InAlAs、GaAsSb、AlAsSb及其組合。
在另一實施例中，基板可包含InP，且基板保護層及裝置結構保護層可為應變層，例如InGaAs、InAlAs、GaAsSb、AlAsSb、InAs、GaSb、AlSb、GaAs、GaP及AlP及其組合，包括與晶格匹配化合物之組合。
在再一實施例中，生長基板與第二基板保護層可包含相同材料。
在一個實施例中，GaAs基板係由包含GaAs-基板/InAlP/InGaP/GaAs/InAlP/AlAs之層方案加以保護。
結合隨附圖式，本發明之前述及其他特徵將自實例性實施例之下述詳細說明中更顯而易見。應注意，為便利起見，裝置之所有圖解說明顯示高度尺寸相對於寬度放大。
本文所用之術語「層」係指光敏裝置中主要尺寸係X-Y(亦即，沿其長度及寬度)且通常正交於照明之入射平面之 部件或組件。應理解，術語「層」不必限於材料之單個層或板。層可包含數個材料板之積層或組合。此外，應理解，某些層之表面(包括此等層與其他材料或層之界面)可能不完整，其中該等表面代表與其他材料或層之互穿、纏結或回旋網絡。同樣，亦應理解，層可係不連續的，因此該層在X-Y維度上之連續性可被其他層或材料破壞或以其他方式中斷。
先前已揭示使用晶格匹配之蝕刻停止層及保護層(包含與晶圓相同之材料)之兩層保護方案(亦即，InP-晶圓/InGaAs/InP)。申請者先前已在美國專利申請案第12/878,261號中闡述此方案，該申請案之全文以引用方式併入本文中。本發明係關於利用多種材料組合之保護層之變化形式，其可在ELO過程期間保護母體晶圓，且使得能夠製備再生長界面。
本文所用之術語「晶圓」及「生長基板」可互換使用以意指同一事物。
儘管下文說明僅描述用於保護基板之層(「子層」)，但亦可需要類似層以保護裝置結構(兩個表面)。在後一情況下，裝置結構保護層係以與本文所述相反之順序生長，且如圖1中所見。
保護層可包含晶格匹配化合物及/或應變層，例如以應變層之應變鬆弛臨界厚度。在某些實施例中，至少一個保護層係晶格匹配的；在其他實施例中，至少兩個保護層係晶格匹配的；且在又一些實施例中，至少三個保護層係晶 格匹配的。在另一些實施例中，至少一個保護層係應變的；在其他實施例中，至少兩個保護層係應變的；且在又一些實施例中，至少三個保護層係應變的。本發明亦涵蓋，保護層可包含至少一個晶格匹配層與至少一個應變層之組合。
可使用單層保護方案以在ELO過程期間保護晶圓表面免受稀HF損害。為製備再生長界面，晶圓材料與保護層材料之間之高蝕刻選擇性極其佳。可藉由假定僅使用一個保護層(子保護層1，忽略2-n)在圖1中構想此單層結構之一實例。基板保護層1意欲對於ELO蝕刻劑具有高選擇性，由此其可用停止於晶圓表面上之濕式蝕刻劑移除，從而留下乾淨的平滑表面。
在某些實施例中，單層保護方案中之蝕刻停止層之厚度可增加，以允許移除表面污染物。在某些實施例中，表面污染物可在蝕刻停止層之蝕刻之前移除，例如HCl：H3PO4：H2O(1：1：1)，其對InGaP具有超過GaAs之極高選擇性。
或者，可使用雙層保護方案。在圖1中，此將包括子保護層1及2。對於此類型之保護層結構，層2之主要目的係提供對抗ELO蝕刻之蝕刻停止，且將用不需要準確停止於子保護層1上之合適濕式蝕刻劑(例如，低選擇性或無選擇性之蝕刻劑對於此實施例而言係可接受的)移除。子保護層1應用乾淨且平滑地停止於基板上之蝕刻劑移除。子保護層1之第二態樣係，其有助於自表面移起在嘗試移除子保護層2後可餘留之碎片。應注意，可使用與晶圓相同之 材料作為子保護層2。
儘管過去已經移起InP層，但發現可使InP表面暴露於HF蝕刻劑超過一週而無降格；然而，GaAs暴露於HF短至兩天即會產生殘留物或表面污染物，且變得不可能清潔，從而使得不可能晶圓再生。
因此，根據本發明，可使用至少三層保護方案。在圖1中，此將包括子保護層1、2及3-n。每一層之主要目的仿效先前段落中所述之目的，只是子保護層3係定位於緊靠著ELO釋放層，且依此類推。
增加額外層之原因係增加更多選擇方案以在濕式蝕刻掉多個層後產生平滑表面且使得有更多選擇方案來選擇生長於AlAs ELO釋放層下面之材料，從而允許在移起期間單獨地使用可得到之最佳蝕刻劑-材料組合實施保護並產生平滑表面以供再生長。更具體而言，由於AlAs與其他III-V族化合物材料之間對HF之選擇性並非無窮大且保護層可與HF反應，從而產生非常難以完全移除之殘留物/損壞，故可增加額外保護層，以單獨地幫助移除任何殘留物，允許達成最佳蝕刻化學性質，且將最適宜材料放置得毗鄰AlAs移起層，從而提供最佳表面保真度。
對於自GaAs晶圓磊晶移起(ELO)而言，實質上任何III-V族化合物均可用作保護層，只要使用合適的層厚度即可，包括晶格匹配之AlInP、GaInP、AlGaAs、GaPSb、AlPSb及其組合，及應變的InP、InGaAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb及其組合(包括與晶 格匹配層之組合)可用作保護層。對於自InP基板移起而言，InGaAs、InAlAs、GaAsSb、AlAsSb及其組合之晶格匹配化合物以及InGaAs、InAlAs、GaAsSb、AlAsSb、InAs、GaSb、AlSb、GaAs、GaP及AlP及其組合(包括與晶格匹配層之組合)之應變層可用作保護層。應注意，生長基板與至少一個保護層可包含相同材料。亦應注意，亦可使用稀釋合金，例如含有氮或鉍者，且層可在有摻雜劑或無摻雜劑的情況下生長。
在一些實施例中，可使用三個以上保護層，且保護層材料可重複，如藉由(例如)GaAs晶圓/InGaP/GaAs/InGaP/InAlAs所顯示。
儘管本發明論述濕式蝕刻，但在無濕式蝕刻選擇方案所需要之蝕刻選擇性的情況下，可使用乾式蝕刻，例如電漿蝕刻，包括反應性離子蝕刻(RIE)來移除層。乾式蝕刻通常係提供物理蝕刻機制之非反應性氣體(例如氬)與幫助自表面移除物質之反應性化合物(例如氯)之組合。
砷氧化物累積可減緩移起期間之AlAs蝕刻。藉由用緩慢蝕刻之III-V族材料(例如InAlP、AlGaAs、InAlGaP)鍍覆AlAs，砷氧化物累積可減少；由此加速移起過程。例如，InGaP緊鄰AlAs ELO犧牲層用於保護層(在InGaP/GaAs/InGaP三層保護方案中)，且相比於以GaAs毗鄰AlAs之二層，性能得以改良。
在一個實施例中，應變InP之薄層可放置得緊靠著AlAsELO層，以進一步改良ELO過程之穩健性。InP層可比應變 鬆弛厚度(約1.7 nm)薄，或其可更厚，例如InP上之10 nm應變AlAs(同一應變值，但與此情況之符號相反)可用於移起而不會使以上裝置層顯著降格。
InAlP可在多層保護方案中用於GaAs基板上。InAlP係有利的，此乃因其可用突然地停止於GaAs上之稀HCl蝕刻，且蝕刻選擇性約為106：1，而用於InGaP之蝕刻劑(HCl：H3PO4)緩慢地蝕刻GaAs，且可引起表面粗糙化。根據此實施例，該層結構包含GaAs基板/InAlP/其他保護層，例如GaAs-基板/InAlP/InGaP/GaAs/InAlP/AlAs，其中InAlP在移起過程期間緩慢地蝕刻，且用稀HCL進一步移除。隨後用停止於InGaP上之H3PO4：H2O2：H2O移除GaAs。用HCL：H3PO4(注：可用H2O稀釋)移除InGaP，且用稀HCl移除InAlP。
InGaP可用作保護層，此乃因對於GaAs蝕刻而言，其係非常好的蝕刻停止層，且反之亦然。此層結構之一個實施例包含GaAs-基板/InGaP/GaAs/InGaP。InGaP可使用全強度之HCl：H3PO4(1：1)經1.5分鐘蝕刻。GaAs可使用H3PO4：H2O2：H2O(3：1：25)經1分鐘蝕刻。兩種蝕刻均實施比需要長之時間(亦即，「過度蝕刻」)，以確保頂部層完全移除。由於高選擇性，故不會損壞下部層。移除最後的層(InGaP)係一個重要的步驟。在一個實施例中，緩慢地損壞GaAs基板之表面之全強度HCl：H3PO4(1：1)由稀HCl：H3PO4：H2O(1：1：1)替代，後者在2.5分鐘後不會損壞或蝕刻表面。使用稀蝕刻劑蝕刻2.5 min~6.5 min後，表面粗糙度無明顯變 化。完全移除保護層後，表面粗糙度約為0.5 nm；然而，在如上文所述用稀HCl蝕刻最後的InAlP層予以最佳化後，可獲得甚至更平滑之表面。
在另一實施例中，保護層方案可藉由自層堆疊移除GaAs而改良。生長表面通常含有來自生長過程之內在缺陷以及外在微粒污染物。由於晶圓暴露於穿過層中之針孔或穿過容易蝕刻之缺陷結構洩漏之GaAs蝕刻劑可被損壞，故自保護層堆疊完全移除GaAs可為有利的。至少三層保護方案之一個實例包含：GaAs晶圓/InAlP/InGaP/InAlP。自保護層方案除去GaAs可有助於防止GaAs生長表面經由缺陷及側壁蝕刻而蝕刻。
在一些實施例中，保護層之移除可藉由使用諸如HF等蝕刻劑來達成。其他適宜蝕刻劑可包括磷酸(H3PO4)、鹽酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、過氧化氫(H2O2)、硝酸(HNO3)、檸檬酸(C6H8O7)及其組合。例如，適宜蝕刻劑組合可包括H3PO4：HCl、H2SO4：H2O2：H2O及HF：H2O2：H2O。
將藉由下列非限制性實例進一步闡明本發明，該等非限制性實例意欲完全作為本發明之實例。
實例1
在此實例中，藉由使表面暴露於7.5%稀HF兩天來展示使用以晶格匹配InGaP、GaAs、AlInP作為GaAs上之保護層之三層保護方案的本發明ELO過程。
圖2顯示ELO模擬後之表面形貌。根據該表面形貌，保護層表面亦緩慢地與HF反應。因此，在無表面回收或保護 的情況下在ELO後生長幾乎不可能。
圖3顯示ELO模擬及保護層移除後保護層之原子力顯微鏡(AFM)影像，且其證實保護層保護晶圓，且使得能夠再生長。
為證實晶圓再生觀念，將移除保護層(晶格匹配InGaP/GaAs/InGaP)後再生長及製作之GaAs太陽能電池的性能與生長於新晶圓上之GaAs太陽能電池的性能進行比較。圖4顯示生長於新晶圓及在模擬ELO過程後再生一次之晶圓上之裝置的IV曲線。
表1顯示太陽能電池之抽取參數：a.短路電流(ISC)，b.開路電壓(VOC)，c.填充因子(FF)及d.功率轉換效率，其顯示光電伏打性能幾乎無降格。認為裝置性能之差異係由各操作之間製作過程之變化而引起。
實例2
在此實例中，測試本發明兩層保護系統之效力。保護方案包含蝕刻停止層(0.1 um厚InGaP)及保護層(0.1 um厚GaAs)，以在ELO過程期間保護母體GaAs晶圓表面，如圖5中所繪示。
如圖6(a)中所見，該ELO過程可產生難以乾淨地蝕刻掉之殘留物或表面污染物。污染物可藉由增加GaAs保護或InGaAp蝕刻停止層之厚度以允許底切污染物或藉由使用清 潔過程移除該等污染物來移除。在此實例中，在預清潔表面之後，藉由分別使用H3PO4：H2O2：H2O(3：1：25)及H3PO4：HCl(1：1)濕式蝕刻來移除保護層及蝕刻停止層。保護移除後之表面粗糙度(均方根(RMS)粗糙度為0.2 nm)(圖6(b))與新晶圓(RMS粗糙度為0.2 nm)(圖6(c))相當。
除在實例中以外，或除非另外指明，否則在說明書及申請專利範圍中所用之表示成份的量、反應條件、分析量測值及諸如此類之所有數字均應理解為在所有情況下皆受詞語「約」修飾。因此，除非指明相反之情形，否則說明書及隨附申請專利範圍中所列示之數字參數均為可隨本發明尋求達成之期望性質而變化之近似值。無論如何，且並非試圖限制申請專利範圍之範疇之等效項之原則的應用，每一數字參數皆應至少根據有效數位之數目及通常之舍入方法來解釋。
儘管列示本發明之寬廣範疇之數值範圍及參數係近似值，但除非另外指明，否則在特定實例中所列示之數值係盡可能準確地報告。然而，任一數值固有地含有必然由其各自測試量測中存在之標準偏差所引起之某些誤差。
熟習此項技術者藉由考量說明書及實踐可明瞭本文所述裝置及方法之其他實施例。意欲將說明書及各實例僅視為例示性的，所述裝置及方法之真正範疇係由申請專利範圍來指示。
圖1係層結構之實例，其自底部至頂部顯示基板晶圓、 基板(子)保護層1至n、磊晶移起(ELO)釋放層、裝置保護層m至1、裝置及位於裝置層頂部之最後的任何期望保護層。
圖2係以下各項之三維表面輪廓影像：(a)新GaAs晶圓之表面，及磊晶移起(ELO)模擬後之(b)AlInP、(c)GaInP、(d)GaAs表面。
圖3顯示以下各項之原子力顯微照片：(a)新GaAs晶圓之表面，及磊晶移起(ELO)模擬後之(b)GaInP，(c)AlInP，(d)GaAs表面，及(e)保護層移除後之GaAs表面。表面之均方根(RMS)粗糙度值係(a)0.209 nm，(b)0.673 nm，(c)4.71 nm，(d)3.09 nm，及(e)0.563 nm。
圖4顯示生長於新晶圓及再生晶圓上之裝置的IV曲線圖。
圖5係顯示兩層保護系統之實例層結構。
圖6(a)係使用圖5之結構磊晶移起(ELO)後GaAs表面之三維表面輪廓影像。
圖6(b)顯示移除圖5中所繪示之保護後之表面粗糙度，且圖6(c)顯示新晶圓之相當表面粗糙度。

Claims (22)

  1. 一種保持生長基板之完整性之方法，其包含：提供具有以下各項之結構：生長基板，其具有至少一個生長表面；電池；犧牲層；及至少第一、第二及第三保護層，其中該第一保護層係定位於該生長基板上面，該第二保護層係定位於該第一保護層上面且與該第一保護層連接，該第三保護層係定位於該第二保護層上面且與該第二保護層連接，該犧牲層係定位於該第三保護層上面，且該電池係定位於該犧牲層上面；藉由用蝕刻劑蝕刻該犧牲層來釋放該電池；及藉由蝕刻該至少第一、第二及第三保護層來移除該至少第一、第二及第三保護層。
  2. 如請求項1之方法，其中該移除該至少第一、第二及第三保護層之步驟包括藉由蝕刻該第三保護層來移除該第三保護層；藉由蝕刻該第二保護層來移除該第二保護層；及藉由蝕刻該第一保護層來移除該第一保護層。
  3. 如請求項1之方法，其中該至少第一、第二及第三保護層中之至少一者包含晶格匹配化合物。
  4. 如請求項1之方法，其中該至少第一、第二及第三保護層中之至少一者係應變層。
  5. 如請求項1之方法，其中該第一保護層對於該生長基板具有10：1或更大之蝕刻選擇性。
  6. 如請求項3之方法，其中該生長基板係GaAs，且該至少第一、第二及第三保護層中之至少一者係選自晶格匹配之AlInP、GaInP、AlGaAs、GaPSb、AlPSb及其組合。
  7. 如請求項6之方法，其中該至少第一、第二及第三保護層係選自晶格匹配之AlInP、GaInP、AlGaAs、GaPSb、AlPSb及其組合。
  8. 如請求項4之方法，其中該生長基板係GaAs，且該至少第一、第二及第三保護層中之至少一者係選自應變InP、InGaAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb及其組合，包括與晶格匹配化合物之組合。
  9. 如請求項8之方法，其中該至少第一、第二及第三保護層係選自應變InP、InGaAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb及其組合。
  10. 如請求項3之方法，其中該基板係InP，且該至少第一、第二及第三保護層中之至少一者係選自晶格匹配之InGaAs、InAlAs、GaAsSb、AlAsSb及其組合。
  11. 如請求項4之方法，其中該基板係InP，且該至少第一、第二及第三保護層中之至少一者係選自應變InGaAs、InAlAs、GaAsSb、AlAsSb、InAs、GaSb、AlSb、GaAs、GaP及AlP及其組合，包括與晶格匹配化合物之組合。
  12. 如請求項1之方法，其中該生長基板與該至少第一、第二及第三保護層中之至少一者包含相同材料。
  13. 如請求項1之方法，其中該至少第一、第二及第三保護層中無一者與該生長基板包含相同材料。
  14. 如請求項1之方法，其中該結構包含四個保護層，且其中該生長基板、該四個保護層及該犧牲層具有如下之架構：GaAs-基板/InAlP/InGaP/GaAs/InAlP/AlAs。
  15. 一種用於磊晶移起之生長結構，其包含生長基板、犧牲層、緩衝層、至少第一、第二及第三基板保護層、至少一個磊晶層、至少一個觸點及塗佈有金屬之主基板，其中該第一基板保護層係定位於該生長基板上面，該第二基板保護層係定位於該第一基板保護層上面且與該第一基板保護層連接，該第三基板保護層係定位於該第二基板保護層上面且與該第二基板保護層連接，該犧牲層係定位於該第三基板保護層上面，且該至少一個磊晶層係定位於該犧牲層上面。
  16. 如請求項15之用於磊晶移起之生長結構，其中該等至少第一、第二及第三基板保護層係晶格匹配化合物。
  17. 如請求項15之用於磊晶移起之生長結構，其中該等至少第一、第二及第三基板保護層係應變層。
  18. 如請求項15之用於磊晶移起之生長結構，其進一步包含定位於該犧牲層與該至少一個磊晶層之間之至少三個裝置結構保護層。
  19. 如請求項16之用於磊晶移起之生長結構，其中該生長基板包含GaAs，且該等至少第一、第二及第三基板保護層係選自晶格匹配之AlInP、GaInP、AlGaAs、GaPSb、AlPSb及其組合。
  20. 如請求項17之用於磊晶移起之生長結構，其中該生長基板包含GaAs，且該等至少第一、第二及第三基板保護層係選自應變InP、InGaAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb及其組合，包括與晶格匹配化合物之組合。
  21. 如請求項16之用於磊晶移起之生長結構，其中該基板包含InP，且該等至少第一、第二及第三基板保護層係選自晶格匹配之InP、InGaAs、InAlAs、GaAsSb、AlAsSb及其組合。
  22. 如請求項17之用於磊晶移起之生長結構，其中該基板包含InP，且該等至少第一、第二及第三基板保護層係選自應變InGaAs、InAlAs、GaAsSb、AlAsSb、InAs、GaSb、AlSb、GaAs、GaP及AlP及其組合，包括與晶格匹配化合物之組合。
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