通过外延剥离和剥落的组合的薄膜剥离的制作方法
【专利说明】通过外延剥离和剥落的组合的薄膜剥离
[0001 ] 相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求2013年8月26日提交的美国临时申请号61/870，062的优先权权益，所述申请通过引用以其整体并入本文中。
[0003]关于联邦政府资助研究的声明
[0004]在美国陆军研究实验室授予的合同号ARL-MAST W911NF-08-1-0004下，在美国政府支持下做出了本发明。政府在本发明中具有一定的权利。
[0005]共同研究协议
[0006]本公开内容的主题内容是通过代表和/或连同针对大学-公司联合研究协议的以下组织中的一方或多方而做出的:密歇根大学董事会和Nanof lex Power公司。所述协议在作为所述协议范围内进行的活动而准备并且做出本公开的内容之日和之前有效。
技术领域
[0007]本公开内容大体涉及薄膜剥离工艺，所述工艺利用外延剥离(lift-off)和剥落(spalling)的组合。这些工艺可被用于制造电子和光电器件例如光伏器件。
【背景技术】
[0008]光电器件依赖于材料的光学和电子性质，进而以电子方式产生或探测电磁辐射，或由周围的电磁辐射生成电力。
[0009 ]光敏性光电器件将电磁辐射转化为电力。也称作光伏(PV)器件的太阳能电池是专门用于生成电力的一种光敏性光电器件。可由除太阳光外的光源生成电能的PV器件可被用于驱动耗电负载以提供例如光、热，或为电子电路或器件如计算器、收音机、计算机或远程监控或通讯设备供电。这些发电应用还常常涉及电池或其它储能器件的充电，使得当来自太阳或其它光源的直接照射不能获得时可以持续运行，或按照特定的电器要求来均衡PV器件的功率输出。如在本文中使用的，术语“阻性负载”是指任何的耗电或蓄电的电路、器件、设备或系统。
[0010]另一种类型的光敏性光电器件是光导体电池。在该功能中，信号检测电路监测器件的电阻以检测由于光吸收导致的变化。
[0011]另一种类型的光敏性光电器件是光检测器。在工作中，光检测器与电流检测电路一起使用，所述电流检测电路测量当所述光检测器暴露于电磁辐射时生成的电流且可具有施加的偏压。本文中描述的检测电路能够向光检测器提供偏压且测量光检测器对电磁辐射的电子响应。
[0012]根据是否存在如下限定的整流结以及根据器件是否利用也称作偏压或偏置电压的外部施加电压进行工作，可以表征这三种种类的光敏性光电器件。光导体电池不具有整流结且通常利用偏压工作。PV器件具有至少一个整流结且在没有偏压下工作。光检测器具有至少一个整流结且通常但不总是利用偏压进行工作。作为通用法则，光伏电池为电路、器件或设备提供电力，但不提供用于控制检测电路或针对来自检测电路的信息的输出的信号或电流。相反，光检测器或光导体提供用于控制检测电路或针对来自检测电路的信息的输出的信号或电流，但不为电路、器件或设备提供电力。
[0013]传统上，光敏性光电器件由一些无机半导体例如结晶的、多晶的和非晶质的硅、砷化镓、碲化镉和其它构成。本文中术语“半导体”表示当电荷载流子被热或电磁激发诱导时可导电的材料。术语“光导的”通常涉及其中电磁辐射能被吸收且由此转化为电荷载流子的激发能使得载流子可在材料中传导即传输电荷的过程。术语“光导体”和“光导材料”在本文中用于指由于其吸收电磁辐射以生成电荷载流子的性质而选择的半导体材料。
[0014]为了标准照明条件(S卩1000W/V、AM1.5光谱照明的标准试验条件)下的最大电力生成，为了光电流乘以光电压的最大乘积，可以优化PV器件。这种电池在标准照明条件下的功率转换效率取决于以下三个参数:(I)零偏压下的电流即短路电流ISC，以安培计，(2)开路条件下的光电压即开路电压Vcc，以伏特计，和(3)占空因数，FF。
[0015]PV器件在其跨越负载连接且被光照射时产生光生电流。当在无限负载下照射时，PV器件生成其最大的可能电压，V开路或VQC。当在其电接触短路的情况下照射时，PV器件生成其最大可能的电流，I短路或Isc。当实际用于发电时，PV器件被连接至有限阻性负载，且功率输出由电流和电压的乘积I X V给出。由PV器件生成的最大总功率固然不能超过乘积IscXVoc。当对于最大功率提取优化负载值时，电流和电压分别具有值1駄和Vg*:。
[0016]PV器件的一个品质因数是占空因数FF，其定义为:
[0017]FF = {IfttVfttI / {I scVoc} (I)
[0018]其中FF总是小于I，是因为在实际应用中根本不会同时获得Isc和Voc。然而，随着FF接近I，器件具有更小的串联或内部电阻且因此在最佳条件下向负载输送更大百分比的Isc和Vcc的乘积。Pa射是入射在器件上的功率，器件的功率效率％可由如下计算:
[0019]np = FF* (I sc*Voc) /Pinc
[0020]为了产生占据半导体大量体积的内生电场，常用方法是并置两层具有适当选择的导电性质的材料，尤其是关于其分子量子能态的分布具有适当选择的导电性质的材料。这两种材料的界面被称为光伏结。在传统半导体理论中，用于形成PV结的材料可被制成是其是η型或P型。在此η型表示多数载流子型是电子。这应该被视为是具有许多处于相对自由能态的电子的材料。在此P型表示多数载流子型是空穴。这种材料具有许多处于相对自由能态的空穴。背景类型即非光生的多数载流子浓度主要取决于缺陷或杂质的有意或无意的掺杂。杂质的类型和浓度决定在导带最小能量和价带最大能量之间的缝隙内的费米能量的值或水平。费米能量表征了分子量子能态的统计占据情况，所述分子量子能态由占据概率等于1/2的能量值表示。接近导带最小能量的费米能量表示电子是主要载流子。接近价带最大能量的费米能量表示空穴是主要载流子。因此，费米能量是传统半导体的主要表征性质，并且原型PV结构传统上是ρ-η结。
[0021]术语“整流”尤其表示界面具有不对称的传导特性，即界面支持优选在一个方向上的电子电荷传输。整流通常与在合适选材之间的结处发生的内建电场相关。
[0022]常规无机半导体PV电池采用ρ-η结来建立内场。高效PV器件通常在昂贵的单晶生长基底上制造。这些生长基底可包括单晶晶片，所述单晶晶片可被用于针对外延层如有源层的外延生长制造完美晶格和结构支撑体。这些外延层可在其原始生长基底完整的情况下一体化到PV器件中。或者，可将这些外延层移除并与主体基底重组。
[0023]在一些情况下，可能期望将外延层转移至表现出期望的光学、机械或热性质的主体基底。例如，可在硅(Si)基底上生长砷化镓(GaAs)的外延层。然而，所得材料的电子品质对于特定的电子应用可能不足。因此，可能期望保留晶格匹配外延层的高材料品质，同时允许将这些外延层与其它基底一体化。这可通过称为外延剥离的方法实现。在外延剥离工艺中，外延层可能是“剥离的”生长基底并与新的主体基底重组(例如接合或粘附)。
[0024]尽管它们可能提供理想的外延生长特性，但是典型的生长基底可以是厚的并产生过重的重量，并且所得器件倾向于脆弱且需要大体积的支撑系统。外延剥离是将外延层从其生长基底转移至更有效、轻质和柔性主体基底的理想方法。
[0025]特别地，外延剥离通过选择性蚀刻牺牲层而能够将外延层从生长基底分离。可在牺牲层处精确地控制剥离界面。然而，外延剥离可以是缓慢的过程，通常需要几小时或甚至几天来完成。因此，需要引入快速且精确控制的新的薄膜剥离方法。
【发明内容】
[0026]本公开内容通过将外延剥离与剥落相结合而达成了这一需要。剥落是利用由应力层辅助的裂纹扩展的快速剥离过程。应力层包括基底中的应力，并且感生的应力在与基底和薄膜层之间的界面平行的方向上引导裂纹。然而，单有剥落会遭受诸如不能精确控制开裂界面的缺点。例如，在剥落期间，开裂位置处的偏差可以是微米级。本公开内容的发明方法将外延剥离和剥落技术结合以用于快速和精确控制的薄膜剥离过程，从而在牺牲层处控制裂纹扩展，导致控制的开裂界面。
[0027]如在本文中公开的，一种用于从生长基底分离外延层的方法包括:提供包含生长基底、牺牲层和外延层的生长结构，其中所述牺牲层被设置于所述生长基底和所述外延层之间，在牺牲层中蚀刻至少一个槽口，以及通过在