TWI613832B - 在矽基質上形成鍺層之方法及包含鍺層之光伏裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種在結晶Si基質上形成含Ge層之方法。此方法包括在真空環境中加熱Si基質以及將Si基質暴露於介面活性劑，此介面活性劑適合含Ge層於結晶Si上之生長，而含Ge層於結晶Si上之生長係使用介面活性劑中介法。此外，此方法包括利用適當的濺鍍技術於加熱的Si基質之表面上生長含Ge層。生長含Ge層的條件被選定，以使薄型含Ge層形成於Si基質表面上，且薄型含Ge層具有一表面，該表面具有適合額外材料層在薄型含Ge層上之磊晶生長的晶體特性。本發明也提供新穎之光伏裝置，這些光伏裝置中包括III-V族材料光伏電池並具有在結晶Si基質上的Ge層。

Description

在矽基質上形成鍺層之方法及包含鍺層之光伏裝置
本發明大致上是關於一種在Si基質上形成Ge層的方法以及一種包含Ge層之光伏裝置。
在製造例如基於III-V族半導體材料之高速光偵測器及太陽能電池的裝置時，顯著的費用為Ge基質之成本，其中III-V族半導體材料可藉由磊晶法生長於Ge基質上。作為較符合成本效益的另一種方案，Ge層生長於Si基質上以形成虛擬Ge基質，該虛擬Ge基質之後則形成III-V族半導體材料磊晶生長的基底。然而，在Si晶圓基質上生長此類Ge層之已知的異質磊晶法需要超高真空環境且需要使用昂貴和極具毒性的鍺烷氣體。
再者，此類方法通常致使Ge層具有次佳的(sub-optimal)表面粗糙度以及線差排密度(threading dislocation density)，而這需要後續製程來改善Ge層的品質。
又再者，為了獲得適當的Ge表面來生長III-V族半導體材料，典型地需要具有數微米(micrometer)厚度且包括Ge和Si之混和物的過渡層(transition layer)。而Ge的微小能隙和強烈光子吸收度阻礙了在如此厚Ge層下方之Si基質可包含一運作Si電池的可行性。
因此，對於技術上的提升仍存在需求。
根據本發明之第一態樣，提供了一種在Si基質上形成含Ge層之方法，此方法包括下列步驟：提供具有一表面的結晶Si基質，該表面具有一晶體方向(crystallographic orientation)；在真空環境中加熱該Si基質；將該Si基質暴露於一介面活性劑，該介面活性劑適合利用介面活性劑中介法(surfactant mediation)供含Ge層於結晶Si上之生長；以及之後利用適當的濺鍍技術於該加熱的Si基質之表面上生長含Ge層；其中含Ge層之生長條件被選定，使得薄型含Ge層形成於該Si基質之表面上，且薄型含Ge層具有一表面，該表面具有適合額外材料於薄型含Ge層上磊晶生長的晶體特性。真空環境之殘餘氣體包括作為介面活性劑的氣體。在一實例中，介面活性劑為H2或H原子。在另一實例中，介面活性劑可為適當的金屬材料，此金屬材料係被傳遞到Si基質的表面。例如，介面活性劑為Bi或Sb。
根據本發明的第二態樣，提供了一種在Si基質上形成含Ge層之方法，此方法包括下列步驟：提供具有一表面的結晶Si基質，此表面具有一晶體方向；在真空環境中加熱Si基質；將該Si基質暴露於一介面活性劑，此介面活性劑包括氫並且適合利用介面活性劑中介法供含Ge層於結晶Si上之生長；以及之後利用適當的濺鍍技術於加熱的Si基質之表面上生長含Ge層。
真空環境可包括殘餘氣體，而此殘餘氣體包括氫。含Ge層之生長條件被選定，以使含Ge層具有一表面，該表面具有適合額外材料在薄型含Ge層上之磊晶生長的晶體特性。
以下將介紹根據本發明第一或第二態樣之實施例可具有的特徵。
含Ge層主要可由Ge組成，且也可包括一Si濃度。含Ge層典型地具有由Ge組成的一表面。在一特定的實例中，含Ge層在遠離Si基質表面的方向中具有緩變的材料組成之濃度分布剖面圖(graded concentration profile of material composition)以及遞減的Si濃度。將Si基質暴露於介面活性劑及其後使用適當濺鍍技術在加熱的Si基質表面生長含Ge層的步驟提供了顯著的優點，即用以形成於Si基質上之薄型含Ge層具有適當的特性，如表面粗糙度和線位密度(threading-location density)，以供III-V族半導體材料之磊晶生長。再者，超高真空條件典型地是不必要的。
除此之外，具有適合III-V族半導體材料磊晶生長的表面之含Ge層可以是相當薄的。例如，含Ge層可具有少於1 μm、500 nm、400 nm、300 nm、200 nm或甚至更薄的厚度。例如，若含Ge層具有約300 nm的厚度，含Ge層可包括在Si基質上形成的複合漸變接面層(compositional graded junction layer)之200 nm層膜部分以及實質上為純Ge之100 nm層膜部分。含Ge層部分之相對小的總厚度會促進入射光穿透到位於下方的Si基質，若位於下方的Si包括一Si光伏電池，這就會特別有助益。
在一具體實施例中，生長條件被選擇，使得無須進行另外的退火及/或研磨製程(如化學機械研磨(CMP))便可達成適合額外材料磊晶生長的晶體特性。
在應用濺鍍技術之前，Si基質可在包含氫分壓的大氣中被加熱及烘烤，此步驟可在毫托(mTorr)範圍之壓力下進行。例如，Si基質在450-550℃之溫度下被烘烤，典型地是在500℃之溫度下被烘烤。
在一具體實施例中，適當的濺鍍技術為射頻(RF)濺鍍。另外，也可以採用脈衝直流濺鍍(pulsed DC sputtering)技術。
達成適當的材料層生長條件係包括將Si基質的溫度設定在約350-450℃，典型地是將溫度設定在約400℃，以及提供具有毫托(mTorr)範圍之壓力的氬氣和氫氣之環境。
在濺鍍沈積製程之後，二氧化矽覆蓋層(cap layer)可被生長於含Ge層上，例如藉由進一步的濺鍍技術或另一適當的技術。具有含Ge層的Si基質接著可被冷卻到適當的溫度，以使拉伸應變(tensile strain)最小化，其係歸因於Ge相較於Si具有較大的線性熱膨脹係數。
額外材料典型地為，或可包含如GaInP、GaAsP、Ga(In)As、GaAs-AlAs、GaAs-GaP、GaP-InP的III-V族半導體材料或任何其他適當的III-V族半導體材料。
本方法典型地也包括在加熱基質前先清潔Si基質表面之步驟。
根據本發明之第三態樣，提供了一種光伏裝置，其包括：一Si基質，具有一正面與一背面；一含Ge層，位於Si基質之正面上，而含Ge層係被生長，以使含Ge層適合額外材料部分於該含Ge層的表面上之磊晶生長；至少一光伏電池，至少部分位於含Ge層及/或Si基質中；以及一材料部分，生長於含Ge層之表面上，此材料部分包括至少一額外光伏電池。
額外材料部分典型地包括III-V族材料，且至少一額外光伏電池典型地是基於III-V族材料。
在第一實施例中，含Ge層是一個相對薄的層膜並且將材料部分與Si基質相互連接，而在此實施例中，其係包括Si光伏電池的主動區。在第二實施例中，Ge層也是相對薄的並且包括Ge光伏電池的主動區，且Si基質也可包括Si光伏電池的主動區。在第三實施例中，含Ge層之厚度可以比第一實施例和第二實施例更薄，且光伏裝置包括Ge/Si異質接面(heterojunction)光伏電池。這些實施例中的每一實施例都具有顯著的商業優點，以下將會進一步討論這些優點。
含Ge層可藉由根據本發明第一態樣之方法來形成。
含Ge層可主要地由Ge組成，但也可包括Si/Ge合金。在一特定實例中，含Ge層在遠離Si基質表面的方向中具有緩變的材料組成之濃度分佈剖面圖以及遞減的Si濃度。在一特定實例中，含Ge層具有由Ge組成的一表面。
含Ge層可具有少於300 nm、200 nm、100 nm、50 nm或甚至更薄的厚度。然而，對於某些具體實施例，含Ge層也可以比上述厚度更厚，尤其當含Ge層包含有相當數量的Si。
生長於含Ge層表面上的材料部分可包括至少一GaInP光伏電池及/或至少一Ga(In)As光伏電池。
光伏裝置可包括一可能是粗糙的或可以反射材料塗佈的散射表面。此散射表面典型地是位於或鄰近Si基質之背面。在此例子中，光伏裝置是典型地被設置成使穿過光伏裝置而朝向反射表面的光線被大量地反射回Si基質，且至少部分地也被反射進入含Ge層。含Ge層的折射率典型地是較高於III-V族材料之折射率，並且因此，取決於入射之角度，全反射(total internal reflection)可進一步增加光子在Si基質及含Ge層中的路徑長度，藉而增加在Si基質及含Ge層中的光子吸收。此外，在材料部分之暴露的上表面與氣體環境(通常是空氣)之間的介面處，使用中的光線以全反射之方式被反射且至少部分地返回到含Ge層(以及Si基質)，其特別有助於吸收具有一波長的光線，使該光線主要被含Ge層吸收，含Ge層則可包括光伏電池的主動區。因此，即使含Ge層相當薄，所獲通過含Ge層的多重方向之反射光可顯著地增加含Ge層之吸收。
光伏裝置典型地包括接觸層(contact layer)，這些接觸層被放置來接收光伏電池的p-n接面處產生之電荷。
現在將進一步詳細描述根據本發明第一、第二以及第三實施例之光伏裝置。
如上述，在本發明第一實施例中，含Ge層將材料部分與Si基質相互連接，Ge其包括至少一Si光伏電池。在此實施例中，含Ge層典型地為一被動層(passive layer)，且含Ge層相對薄，例如比100 nm、50 nm還薄，或甚至更薄，因而使光子被含Ge層吸收的情況大幅降低，即使Ge具有相對高的吸收係數和只有約0.67 eV的能隙，故薄型含Ge層提供了此種優點。在這個實施例中，含Ge層也可包括一Si濃度，其降低含Ge層對光子的平均吸收度並因此允許增加的材料層厚度。在此實施例中，材料部分典型地包括至少一III-V族材料光伏電池。光伏裝置是典型地被設置成使穿透進入光伏裝置的光子，若沒被吸收，能依序穿透過至少一III-V族材料光伏電池、含Ge層以及Si光伏電池。光伏裝置典型地包括一個粗糙的散射表面，此散射表面位於或鄰近Si基質之背面。
由於生長含Ge層典型地只需要數量相對小的Ge，含Ge層典型地提供了相對廉價的基底供材料部分之磊晶生長。進一步而言，含Ge層的寄生吸收(parasitic absorption)效應可被降低，使得穿越過材料部分且並未被至少一III-V族材料光伏電池吸收之部分光子也能穿透過含Ge層，並且可被位於下方的Si光伏電池吸收。
在第二實施例中，含Ge層包括Ge光伏電池的主動區。在此實施例中，Si基質典型地也包括一光伏電池。含Ge層典型地是足夠薄的，使得只有一部份的入射光子會被Ge電池吸收，且一額外部分的入射光子會穿透Ge電池而被位於下方的Si光伏電池吸收。例如，含Ge層可具有少於50 nm的厚度，如大約25-30 nm之厚度。在如此薄的含Ge層之例子中，光伏裝置典型地包括異質接面，其係位於含Ge層與材料部分之間以及位於含Ge層與Si基質之間的介面處。在此實施例中，材料部分典型地包括至少一III-V族材料光伏電池，如GaInP及Ga(In)As電池。光伏電池是典型地被設置成使穿透進入光伏裝置的光子，若未被吸收，能依序穿透過至少一III-V族材料光伏電池、Ge電池以及Si電池。光伏裝置典型地包括一個粗糙的散射表面，此散射表面位於或鄰近Si基質之背面。
根據本發明第二實施例之光伏裝置結合了薄型含Ge層之相對高穿透率的優點以及後反射光子之相對高吸收率的優點，使此種裝置於商業上非常吸引人，即使Ge光伏電池(其具有比Si光伏電池更小的能隙)被放置在Si光伏電池上方。在本發明第三實施例中，光伏裝置包括一異質接面，其形成於Si基質與含Ge層之間的介面處，並且形成了Ge/Si光伏電池的一部份。含Ge層典型地具有高於100 nm、200 nm、300 nm或更厚的厚度。在此實施例中，材料部分典型地包括至少一III-V族材料光伏電池。光伏電池是典型地被設置成使穿透進入光伏裝置的光子，若未被吸收，能依序穿透過至少一III-V族材料光伏電池、在含Ge層與Si之間的異質接面處形成的Ge/Si電池。光伏裝置典型地包括一個粗糙的散射表面，其位於或鄰近Si基質之背面。
一般而言，本發明提供一種藉由使用適當的濺鍍技術在Si基質上生長Ge層之方法。在一些特定的實施例中，本發明提供一種藉由使用射頻濺鍍在Si基質上生長薄型鬆弛的單晶Ge異質磊晶層(single crystalline Ge heteroepitaxial layer)之方法。
在Si基質上生長此種Ge層提供一虛擬基質，該虛擬基質可作為III-V族半導體材料生長的基底，因此避免需要使用相當昂貴的Ge。
詳細而言，藉由如射頻濺鍍的適當濺鍍技術來生長Ge層可以避免超高真空(這會增加製造成本)以及/或鍺烷氣體(這是昂貴的、有毒的)之需求，此類皆為使用如化學氣象沈積(CVD)或分子束磊晶(molecular beam epitaxy，MBE)的方法中所必須的。
在一具體實施例中，此方法包括下列步驟：在標準清潔步驟中預先清潔Si晶圓；將腔室抽真空，使壓力低於6.5x10-7托(Torr)；於1.5毫托(mTorr)壓力的氬及氫之混合中、400℃下，濺鍍-沈積Ge層於Si晶圓上；以及在1.5毫托(mTorr)壓力之氬氣中、200℃下，於磊晶Ge層上沈積二氧化矽覆蓋層。以下將更詳細地描述此實施例。
參考圖1、圖2a、圖2b與圖2c，其中顯示了在Si基質上生長Ge層的方法10。方法10包括提供具有一表面22的結晶Si基質20之第一步驟12，該表面22具有一晶體方向。
在此實例中，Si表面22具有一晶體方向(100)。可以瞭解的是，Si表面可另外地具有其他的方向，例如(111)。
表面22上的雜質可使用適當的清潔技術清除，例如包含下列步驟的清潔技術：
(a)使用食人魚溶液(Piranha solution)清除表面22上的有機殘留物；
(b)使用RCA-1清潔步驟移除表面22上的有機污染物；
(c)使用RCA-2清潔步驟移除表面22上的金屬污染物；
(d)將表面22浸入氟化氫(hydrogen fluoride，HF)中；以及
(e)將表面22浸潤在去離子水(deionised water，DI water)。
方法10包括在真空環境中加熱Si基質20的第二步驟14，此真空環境包括氫分壓。
在一具體實施例中，此係藉由裝載Si基質20到射頻磁控濺鍍系統(radio frequency magnetron sputter system)的承載腔(load lock chamber)，並將承載腔的壓力降低而達成。
當承載腔的真空度達到4x10-6毫巴(mBar)，以使被引入到濺鍍沈積腔的空氣量最小化，Si基質20隨後被傳送到射頻磁控濺鍍系統的濺鍍沈積腔。
濺鍍沈積腔的溫度接著被增加到約500℃。Si基質20接著在壓力為1.2毫托(mTorr)的氫氣中以此溫度烘烤約15分鐘。
方法10包括將Si基質20暴露到介面活性劑之第三步驟16，此面活性劑適合Ge層利用介面活性劑中介法在結晶Si上之磊晶生長。方法10並且包括使用適當濺鍍技術在加熱的Si基質表面生長Ge層之第四步驟18。生長條件被選定，使得一薄型含Ge層形成於Si基質之表面上，此薄型含Ge層具有一表面26，該表面的晶體特性適合額外材料層28在薄型含Ge層的表面26上之磊晶生長。
在此實例中，第三步驟16以及第四步驟18是藉由將Si基質20的溫度降低並穩定到約400℃大概5分鐘而達成，此溫度是異質磊晶生長所需。其後，在壓力為1.5毫托(mTorr)的氬氣和氫氣中，於Si基質20之表面22上磊晶生長Ge的濺鍍沈積製程便可以開始。在此實例中，沈積率約為每分鐘5 nm(nm/minute)。
隨後，在Ge層24上形成二氧化矽覆蓋層之濺鍍沈積製程是在200℃下、1.5毫托(mTorr)的氬氣中，以沈積率約為5 nm/分鐘進行。
在濺鍍沈積製程結束後，具有Ge層24的Si基質20接著被自然地冷卻到較高於或等於80℃的適當溫度，以使拉伸應變(tensile strain)最小化，此拉伸應變是歸因於Ge(5.8x10-6 K-1)相較於Si(2.6x10-6 K-1)具有較大的線性熱膨脹係數。
圖3a與圖3b顯示了根據方法10所形成的Ge層24之表面26之原子力顯微鏡的表面形態分析結果。圖3a顯示典型的Ge表面26之三維原子力顯微鏡(AFM)影像，而圖3b顯示典型的Ge表面26之二維原子力顯微鏡影像。每一個影像具有2 μm x 2 μm的尺寸。在此實例中，Ge表面26的方均根粗糙度數值(root-mean-square roughness value)為0.564。低階的表面粗糙度證明了根據方法10所形成的Ge層24之史傳斯基-克拉斯担諾夫長晶(Stranski-Krastanov growth)受到抑制。尤其，可注意到，所獲Ge表面26之方均根粗糙度數值比藉由先前技術方法所獲得的數值還低。
圖4a與圖4b顯示根據方法10形成的Ge層24結構進行穿透式電子顯微鏡(TEM)顯微攝影而得到的剖面顯微照片。在此實例中，Ge層24的厚度約為300 nm，並且以厚度約為70 nm的二氧化矽層覆蓋於原位(in-situ)。
顯示於圖4a中的Ge表面26之表面粗糙度是相當低的，並且與顯示於圖3a和圖3b中的原子力顯微鏡影像一致。這證明了Ge表面26比藉由先前技術方法所獲得的表面更平坦。
圖5顯示藉由2θ角度之15°到90°的範圍中量測到的Ge層24及參考Ge(100)基質之X光繞射(XRD)圖譜。分別位於約27°、45°、53°、72°及83°的(111)、(220)、(311)、(331)及(422)繞射峰值之缺乏，以及在約66°附近的(400)繞射峰值之出現，顯示出Ge層24可能是單晶體。值得注意的是，在約66°的(400)繞射峰值位置處，Ge層24的弛豫度與參考Ge基質相同，但不同於位於下方的Si基質22。
圖6顯示針對Ge層24進行電子背向散射繞射測量(electron back-scattered diffraction，EBSD)而得到的典型電子背向散射繞射圖案。菊池線(Kikuchi line)清楚地顯示於圖6的圖案中，顯示Ge層24為單晶體。
圖7至圖9顯示光伏裝置30、32和34。每一光伏裝置30、32、34包括具有正面22和背面36的Si基質20及位於Si基質20的正面22上之含Ge層24。含Ge層24可使用上述的方法生長。然而，可以被瞭解的是，含Ge層24另外地可使用不同的適當物理或化學薄膜生長技術來生長，而適當物理或化學薄膜生長技術包括例如分子束磊晶和化學氣象沈積之技術。
每一光伏裝置30、32、34包括一材料部分28，其生長於含Ge層24的表面26上。在此實例中，材料部分28包括基於III-V族材料的兩個光伏電池。在這些實例中，材料部分28包括堆疊於彼此上方的Ga(In)As電池38和GaInP電池40。這些電池包含接觸層，並且是利用已知的步驟製造的。可以被瞭解的是，材料部分28另外地可以包括任何其他適當數目及種類之光伏電池。
每一光伏裝置30、32、34包括一粗糙且位於Si基質20之背面36的散射表面。光伏裝置30、32、34因此被設置成使穿過光伏裝置30、32、34而朝向散射表面的光線被大量地反射回Si基質20，且至少部分地也被反射進入含Ge層24。含Ge層24的折射率典型地是較高於包括III-V族材料的材料部分28之折射率，因此取決於入射之角度，全反射可進一步增加光線在Si基質20及含Ge層24中的路徑長度。再者，在暴露的材料部分(包括III-V族材料)之上表面與氣體環境(通常是空氣)之間的介面處，使用中的光線以全反射方式被反射並且也返回到含Ge層和Si基質。因此，即使含Ge層相對薄，所獲通過含Ge層的反射光之多重方向將顯著地提高含Ge層之吸收。
在顯示於圖7的光伏裝置30之第一實施例中，含Ge層24是相對薄的層膜且其將材料部分28與包括一光伏電池的Si基質20相互連接。在此具體實施例中，含Ge層24典型地是比100 nm還薄或甚至比50 nm還薄。若含Ge層具有如此的厚度，當光線穿過含Ge層並朝向位於下方的Si電池時，只有少部分的光子會被吸收。含Ge層24也可包括Si，這會降低含Ge層24對光子的平均吸收度。因此，若Ge層包括顯著數量的Si，該Ge層的厚度也可以比上述厚度更大。
光伏電池30被設置成使穿透進入光伏裝置30的光子，若沒被吸收，能依序穿透過GaInP電池40、Ga(In)As電池38、含Ge層24以及Si基質20的Si電池42。在此實例中，Si基質20典型地是p型的，並且在正面22處具有重摻雜n型射極材料層。在此實例中，Ge層24被摻雜p型材料(重摻雜p型材料)，這導致了在Si/Ge介面處產生低品質接面，進而導致穿遂(tunneling)或缺陷型傳導，其提供了與位於下方的Si電池42之低電阻接觸。
現在請參考圖8的光伏電池32，在第二實施例中，含Ge層24包含Ge電池44的主動區。在此具體實施例中，Si基質20也包括一Si電池42。含Ge層24是足夠薄的，使得一部份的光子會穿透該含Ge層而被位於下方的Si光伏電池吸收。在此實例中，含Ge層具有約為30 nm之厚度且在含Ge層與包括III-V族材料的材料部分之間及含Ge層與Si基質之間的介面處形成異質接面。如上述所討論的，光散射部分36導致在Si和Ge層中的光捕獲(light trapping)。Ge的材料特定光子吸收(material specific photon absorption)是比Si強烈許多，但Si晶圓42比含Ge層24較厚許多，因而使得Ge電池44和Si電池42兩者都會吸收相當數量的光線。
可以被瞭解的是，在本發明第一實施例與第二實施例的一變化態樣中，材料部分也可以包括僅有一個III-V族材料光伏電池。若非為了在含Ge層中之吸收，上方電池的最佳能隙可等於1.7 eV。含Ge層的吸收使較高的能隙值更有益處，且若含Ge層24是大量地由Ge所組成，則晶格匹配(lattice-match)GaAs-AlAs合金可以被使用，或是若含Ge層24為SiGe層，則GaAs-GaP合金可以被使用。具有1.8-1.9 eV的能隙之晶格匹配GaInP也可被使用。若含Ge層包括Ge電池的主動區，相較於含Ge層為非主動之例子，III-V族材料電池可具有較高的能隙。共享光子吸收之需求可決定含Ge層的厚度，其中光子是藉GaInP適當地在GaInP與位於下方之Si電池間傳送。
藉由如本發明上述第一實施例與第二實施例所述的在含Ge層上方生長的兩個電池，若非為了Ge層的寄生吸收，非主動Ge之例子將能提供近似一Ge匹配的三電池(3-cell)GaInP/GaInAs/Si結構的最佳表現。因此，相對薄的GaInP和GaInAs有助於補償作用。另外，含Ge層24可包括SiGe合金(這具有比純Ge更低的吸收率)，且更高能隙之GaAs-GaP合金及GaP-InP合金可被使用。在包括Ge電池主動區(『順序錯誤』的排列)的含Ge層之例子中，薄型晶格匹配GaInP及GaInAs層是有優勢的。
尤其對於根據本發明第二實施例之光伏裝置，散射結構36是有優勢的。在Ge電池中，Ge的等效吸收係數將因光捕獲效應而被乘上路徑長度強化因子，而在良好的Si電池中，此因子約為30。這導致在1.1-1.55微米(micro)波長範圍上產生每微米15-45的等效Ge吸收係數，顯示了具有約100 nm的厚度之Ge層將會吸收大部分的光子。Ge在0.8-1.1 μm範圍(在這個範圍中Ge會與Si競爭)上之吸收係數位於每微米1.5-4的範圍中，這暗示了為了避免過量吸收最終要抵達Si電池之光子，小於1微米之厚度是必要的。SiGe合金層允許與較高能隙III-V族電池之較佳電流匹配。
現在請參考圖9，其中顯示了根據本發明第三實施例之光伏裝置34。在此實例中，光伏裝置34包括一形成於Si基質20與含Ge層24之間的介面處之後異質接面，並形成Ge/Si電池46的p-n接面。含Ge層24典型地具有約100 nm的厚度。光伏電池34典型地被設置成使穿透進入光伏電池34的光子，如未被吸收，能依序穿透過GaInP電池40、Ga(In)As電池38以及Ge/Si電池46。
可以瞭解的是，對於本發明之技術領域中具有通常知識者而言，在不脫離本發明的精神和範圍下，可作多種的修改和變更。
10．．．方法
12．．．第一步驟
14．．．第二步驟
16．．．第三步驟
18．．．第四步驟
20．．．Si基質
22、26．．．表面
36．．．背面/光散射部分
24．．．含Ge層
28．．．材料部分
30、32、34．．．光伏裝置
38．．．Ga(In)As電池
40．．．GaInP電池
42．．．Si電池
46．．．Ge/Si電池
為了使本發明能更清楚地被瞭解，現在將參考以下圖式，並僅透過舉例的方式來描述本發明之實施例，其中：
圖1為顯示在Si基質上形成Ge層之方法之流程圖；
圖2a顯示可於其上形成一Ge層的Si基質；
圖2b顯示其上具有根據圖1之方法形成的Ge層之Si基質；
圖2c顯示圖2b的Si基質和Ge層以及具有一額外材料形成於Ge層的表面上；
圖3a顯示圖2b的Ge層表面之三維原子力顯微鏡(AFM)影像；
圖3b顯示圖2b的Ge層表面之二維原子力顯微鏡影像；
圖4a顯示圖2b的Ge層表面之剖面高解析度穿透式電子顯微鏡(TEM)的顯微照片；
圖4b顯示圖2b的Ge層表面之穿透式電子顯微鏡的顯微照片；
顯示圖2b中的Ge層之X光繞射(XRD)圖案；
顯示圖2b的Ge層之典型電子背向散射繞射(electron back-scattered diffraction，EBSD)圖案；
至圖9顯示根據本發明實施例的光伏裝置之剖面示意圖。

Claims (14)

  1. 一種在矽(Si)基質上形成結晶含鍺(Ge)層之方法，該方法包括下列步驟：提供具有一表面的結晶Si基質，該表面具有一晶體方向(crystallographic orientation)；在真空環境中加熱該Si基質；將該Si基質暴露於一介面活性劑，該介面活性劑適合利用介面活性劑中介法(surfactant mediation)供含Ge層於結晶Si上之生長；以及之後利用一適當的濺鍍技術於該加熱的Si基質之表面上生長含Ge層；其中該含Ge層之生長條件被選定，以使一薄型含Ge層形成於該Si基質之表面上，且該薄型含Ge層具有一表面，該表面具有適合III-V族半導體材料於該薄型含Ge層上之磊晶生長的晶體特性。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該真空環境的一殘餘氣體包括可作為該介面活性劑的一氣體。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該介面活性劑為H2或H原子。
  4. 一種在矽(Si)基質上形成含鍺(Ge)層之方法，該方法包括下列步驟：提供具有一表面的結晶Si基質，該表面具有一晶體方向；在真空環境中加熱該Si基質；將該Si基質暴露於一介面活性劑，該介面活性劑包括氫並且適合利用介面活性劑中介法供含Ge層於結晶Si上之生長；以及之後利用一適當的濺鍍技術於該加熱的Si基質之表面上生長含Ge層其中該含Ge層之生長條件被選定，以使該含Ge層具有 一表面，該表面具有適合III-V族半導體材料於該含Ge層上之磊晶生長的晶體特性。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該真空環境包括一殘餘氣體，該殘餘氣體包括氫。
  6. 如申請專利範圍第1或4項之方法，其中該含Ge層具有由Ge組成的一表面。
  7. 如申請專利範圍第1或4項之方法，其中該含Ge層在遠離該Si基質之表面的方向中具有緩變的材料組成之濃度分佈剖面圖(graded concentration profile of material composition)以及遞減的Si濃度。
  8. 如申請專利範圍第1或4項之方法，其中該含Ge層具有少於400nm的厚度。
  9. 如申請專利範圍第1或4項之方法，其中該含Ge層具有少於300nm的厚度。
  10. 如申請專利範圍第1或4項之方法，其中該含Ge層具有少於200nm的厚度。
  11. 如申請專利範圍第1或4項之方法，其中生長條件被選擇，以使無須進行另外的退火及/或研磨製程便可達成適合該額外材料之磊晶生長的晶體特性。
  12. 如申請專利範圍第1或4項之方法，其中該適當的濺鍍技術為射頻(RF)濺鍍。
  13. 如申請專利範圍第1或4項之方法，其中達成適當的層膜生長條件包括將該Si基質的溫度設定在約350℃-450℃間的範圍。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中達成適當的層膜生長條件包括將該Si基質的溫度設定在約400℃。
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