具有为改进效率配置的低带隙活性层的光敏器件和相关方法
【技术领域】
[0001] 本公开的实施方式涉及光敏器件以及制造光敏器件的方法。
【背景技术】
[0002] 光敏器件是采用半导体材料来将电磁辐射转换为电能或者将电能转换为电磁辐 射的半导体器件。光敏器件包括例如光伏电池、光电传感器、发光二极管和激光二极管。
[0003]光伏电池（在本领域中也称作"太阳能电池"或"光电池"）用于将来自光（例如， 太阳光）的能量转换为电。光伏电池通常包括一个或更多个pn结，并且可利用传统半导体 材料（例如，硅、锗和III-V半导体材料）来制造。来自于入射的电磁辐射（例如，光）的 光子被靠近pn结的半导体材料吸收，导致生成电子空穴对。通过横跨pn结的内置电场来 在相反方向上驱动通过入射的辐射生成的电子和空穴，从而导致在pn结的相对侧的n区域 与P区域之间的电压。该电压可用于产生电。pn结处的半导体材料的晶格中的缺陷提供了 先前通过辐射的吸收生成的电子和空穴能够复合的位置，从而降低了通过光伏电池将辐射 转换成电的效率。
[0004] 入射在光伏电池上的电磁辐射的光子必须具有足够的能量来克服导体材料的带 隙能，以生成电子空穴对。因此，光伏电池的效率取决于具有与半导体材料的带隙能对应的 能量的入射光子的百分比。也就是说，光伏电池的效率至少部分地取决于入射在光伏电池 上的辐射的波长与半导体材料的带隙能之间的关系。太阳光在一定范围的波长上发射。结 果，光伏电池已被开发为包括不止一个pn结，其中，各个pn结包含具有不同带隙能的半导 体材料以捕获不同波长的光并且增加光伏电池的效率。这些光伏电池被称作"多结"或"MJ" 光伏电池。
[0005]因此，可这样增加多结光伏电池的效率：选择pn结处的半导体材料使其带隙能与 光伏电池将要吸收的光中的强度最高的波长所对应的光波长一致，并且减小pn结处的半 导体材料的晶格中的缺陷的浓度。减小半导体材料的晶格中的缺陷的浓度的一种方式是采 用晶格常数和热膨胀系数彼此密切匹配的半导体材料。
[0006] 以前已知的多结光伏电池在转换波长在约1550nm至约1800nm的范围内的电磁 辐射方面效率相对较低。例如，已知在多结光伏电池中的锗（Ge)电池中采用pn结。如 例如M.Yamaguchi等人的 "Multi-junctionIII-Vsolarcells：currentstatusand futurepotential"（SolarEnergy第 79 期，第 78-85 页（2005 年））和D.Aiken等人的 "TemperatureDependentSpectralResponseMeasurementsforIII-VMulti-Junction SolarCells"（EmcorePhotovoltaics，10420ResearchRd.SE，Albuquerque，NM87123)中 所公开的，对于比约1650nm长的波长，这些多结光伏电池的外量子效率下降。不受任何具 体理论的限制，目前认为这种外量子效率的下降至少部分地是由于这些辐射波长的光子与 Ge电池中的Ge晶格中的电子之间的光学耦合涉及导带与价带之间的间接电子跃迀。除了 光子和电子以外，光学耦合过程还需要声子以使动量守恒。由于需要声子以使动量守恒，所 以间接电子跃迀过程导致对波长大于约1650nm的光子的低光学吸收系数，这些光子很可 能只有在穿过足够物理厚度的Ge之后才能被吸收。
[0007] 另外，以前的Ge太阳能电池常常包括形成在重掺杂的p型基板上的Ge。结果，Ge 内的少数载流子（电子）扩散长度比形成有pn结的Ge层的实际物理厚度短。结果，波长 大于约1650nm的大多数光子没有生成电子，其在与电子空穴不期望地复合之前可向电极 扩散足够距离，因此无法为光伏电池的光电流做贡献。
【发明内容】
[0008] 提供
【发明内容】
以按照简要形式介绍概念的选择。这些概念在下面的本公开的示例 实施方式的详细描述中进一步详细地描述。
【发明内容】
并非旨在标识要求保护的主题的关键 特征或基本特征，也非旨在用于限制要求保护的主题的范围。
[0009] 在一些实施方式中，本公开包括光敏器件，所述光敏器件包括第一电极、第二电极 以及设置在第一电极和第二电极之间的活性区域。该活性区域被配置为吸收入射在活性区 域上的辐射并且响应于辐射的吸收在第一电极与第二电极之间生成电压。所述活性区域包 括至少一个活性层，所述至少一个活性层包含展现出介于约0. 60eV到约2. 10eV之间的带 隙的半导体材料。所述至少一个活性层具有前表面以及相对于所述前表面在所述至少一个 活性层的相反侧的后表面，在光敏器件的操作期间辐射穿过所述前表面进入所述至少一个 活性层。所述至少一个活性层的所述后表面的表面粗糙度大于所述前表面的表面粗糙度。
[0010] 在另外的实施方式中，本公开包括制造光敏器件的方法。根据这些方法，活性区域 可被形成并被配置为吸收入射在活性区域上的辐射并且响应于辐射的吸收在第一电极与 第二电极之间生成电压。所述光敏器件的活性区域可被形成为包括至少一个活性层，所述 至少一个活性层包含展现出介于约〇. 60eV到约2. 10eV之间的带隙的半导体材料。所述至 少一个活性层可被形成为具有前表面以及相对于所述前表面在所述至少一个活性层的相 反侧的后表面，在光敏器件的操作期间辐射穿过所述前表面进入所述至少一个活性层。所 述后表面可被形成为表面粗糙度大于所述前表面的表面粗糙度。所述方法还包括形成所述 第一电极和所述第二电极，在所述第一电极与所述第二电极之间响应于入射在活性区域上 的辐射的吸收而生成电压。
【附图说明】
[0011] 图1是示出根据本公开的实施方式的包括在电池中具有粗糙化的后表面的活性 层的四结光伏电池的局部横截面图的简化示意图。
[0012] 图2是图1的四结光伏电池的一部分的放大图，并且示出具有粗糙化的后表面的 活性层。
[0013] 图3是图2的一部分的放大图，示出了活性层的粗糙化的后表面。
[0014] 图4示出本公开的附加实施方式中可采用的活性层的另一粗糙化的后表面。
[0015] 图5至图16是示意性地示出可用于制造如本文所述的光敏器件的本公开的方法 的实施方式的结构的简化横截面侧视图。
[0016] 图5示出向包括半导体材料的供体结构中的离子注入。
[0017] 图6示出直接键合到第一基板的表面的图5的结构。
[0018] 图7示出通过如图6所示沿着离子注入平面使供体结构裂开以将半导体材料层从 供体结构转印到第一基板而形成的结构。
[0019] 图8示出在第一基板上制造具有pn结的包含锗（Ge)的活性层。
[0020] 图9示出通过在图8所示的包含Ge的活性层上制造附加活性层而形成的多结光 敏器件。
[0021] 图10示出在与第一基板相反的一侧附接到图9的多结光敏器件的第二基板。
[0022] 图11示出通过将第一基板从图10的结构去除以暴露活性层的后表面而形成的结 构（并且示出相对于图11的视角反转的结构）。
[0023] 图12示出通过将图11的活性层的暴露的后表面粗糙化，随后在粗糙化的后表面 上沉积导电材料层而形成的结构。
[0024] 图13示出通过将图12所示的粗糙化的后表面上的导电材料层加厚而形成的结 构。
[0025] 图14示出可从图13的结构通过在加厚的导电层上形成第一电极，去除第二基板， 并且在多结光敏器件的活性区域的与第一电极相反的一侧设置第二电极而形成的多结光 敏器件。
[0026] 图15示出通过在图8的结构上生长活性区域的附加层而形成的第一多层结构。
[0027] 图16示出通过在第二基板上生长活性区域的多个层而形成的第二多层结构。
[0028] 图17示出图15的多层结构直接键合到图16的多层结构以形成类似于图10所示 的结构。
【具体实施方式】
[0029] 本文所呈现的例示并非表示任何特定光敏器件或其组件的实际示图，而仅仅是用 于描述本公开的实施方式的理想化表示。
[0030] 如本文所用，术语"III V半导体材料"表示并包括至少主要由元素周期表的IIIA 族（B、Al、Ga、In和Ti)中的一个或更多个元素以及元素周期表的VA族（N、P、As、Sb和Bi) 中的一个或更多个元素组成的任何半导体材料。例如，III V半导体材料包括（但不限于） GaN、GaP、GaAs、InN、InP、InAs、AIN、A1P、AlAs、InGaN、InGaP、GalnN、InGaNP、GalnNAs等。
[0031] 根据本公开的实施方式，光敏器件包括设置在电极之间的活性区域，其中，活性区 域包括活性层，所述活性层包含半导体材料，所述半导体材料展现出介于约〇. 60eV到约 2. 10eV之间，在一些实施方式中，介于约0. 60eV到约1. 20eV之间，或者甚至介于约0. 60eV 到约1. 20eV之间的带隙。具有这种带隙的活性层还可具有后表面，该后表面的表面粗糙度 大于活性层的前表面的表面粗糙度。这些光敏器件的非限制性示例在下面参照图1至图4 来描述，可被采用以制造这些光敏器件的方法的实施方式在下面参照图5至图16来描述。
[0032] 图1示出可使用本公开的方法的实施方式形成的光敏器件100。图1的光敏器件 100包括光伏电池（例如，太阳能电池），其被配置为响应于入射在光敏器件100上的电磁 辐射（例如，太阳光）的吸收而生成电压。换言之，光敏器件1〇〇被配置为将入射在光敏器 件100上的电磁辐射102(例如，光）转换成电。图1的光敏器件100是多结光敏器件100， 并且包括活性区域103,该活性区域103包括第一活性层104、第二活性层106、第三活性层 108和第四活性层。活性层104、106、108、110中的每一个限定多结光敏器件100的子单元 并且包括子层。活性层104、106、108、110(以及其中的子层）中的每一个包含半导体材料 (例如，锗、硅、III-V半导体材料等）。
[0033] 活性层104、106、108、110中的每一个包括其中的至少两个子层之间所限定的pn 结。换言之，活性层104、106、108、110中的每一个包括包含p型半导体材料的子层和包含n 型半导体材料的相邻子层，使得在相邻的p型和n型半导体材料之间的界面处限定pn结。 如本领域已知的，在pn结处生成电荷耗尽区域（本领域中也称作空间电荷层）和内部电 场。随着电磁辐射102的光子进入光敏器件100,它们可在活性层104、106、108、110中的半 导体材料内被吸收。当光子具有与吸收光子的相应半导体材料的带隙能对应的能量时，可 在半导体材料内生成电子空穴对。当光子在pn结处的电荷耗尽区域中被吸收，并且导致在 其中形成电子空穴对时，pn结处的内部电场朝着n型区域驱动电子，在朝着p型区域的相 反方向上驱动空穴。随着电子累积在n型区域中，空穴累积在p型区域中，横跨pn结生成 电压。活性层104、106、108、110的电压横跨整个光敏器件100累积（例如，串联）以在光 敏器件100的一侧的第一电极111与光敏器