类钻碳电子装置及其制造方法

专利名称：类钻碳电子装置及其制造方法
技术领域：
本发明提供一种类钻碳材料，以及制造与使用类钻碳材料的装置和方法。因此，本
发明涉及物理、化学、电子与材料科学领域。
背景技术：
太阳能科技在过去数十年间已有长足进展，因此对于作为许多应用上的可能电力 来源提供了显著的贡献。尽管材料与制造方法已有明显改进，太阳能电池的效率仍低于理 论效率，现有太阳能电池仅具有约26%的最大效率。许多不同的方法已被用来增进效率 并已获得部分成果。例如，先前技术已利用光捕捉结构以及埋入式电极来使导电金属网格 (conductive metal grid)所覆盖的表面积最大化。其他方法则利用后侧接触结构而使电 洞_电子对的重新结合发生于电池的后侧。 然而，上述及其它方法仍存在有一些问题，如效率普通、制造复杂度、材料成本、可 靠度和辐射劣化等。因此，可由能量来源吸收相对少量能源而达到高电流输出，并且适用于 实际应用的材料，该类材料仍为现今研究发展所极欲追求。

发明内容
因此，鉴于现有技术存在的弊端，本发明开发了一种可提高电子装置(如太阳能 电池、热电转换装置及其它电子装置)的性能的材料以及由该材料构成的装置及其制造方法。 本发明的目的在于提供一种可提高电子装置(如太阳能电池、热电转换装置及其
它电子装置)的性能的材料、该材料组成的装置以及制造方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种钻碳电子装置，其包含 —导电类钻碳阳极； —邻接于该类钻碳阳极的非晶形电荷载子分隔层；以及
—邻接于该电荷载子分隔层且相对于该类钻碳阳极的阴极。 上述的类钻碳电子装置中，所述的导电类钻碳材料为具有30至90原子百分比的 sp3键结碳含量、0至30原子百分比的氢含量以及10至70原子百分比的sp2键结碳含量 的材料。其中，优选该sp2键结碳的含量为足以提供该导电类钻碳的材料大于约0. 7的可 见光透射率(transmissivity)。 上述类钻碳电子装置为一种可提高电子装置(如太阳能电池、热电转换装置及其 它电子装置)的性能的材料构成的装置，达到了提升效率、降低了制造的复杂度、节省了材 料成本、提高了可靠度等效果。 本发明所述的类钻碳电子装置，可预想到许多不同材料可用以作为非晶形电荷分 隔层。例如其中一实施例中，该非晶形电荷载子分隔层可包括非晶形半导体层。尽管任何 非晶形半导体材料皆可能使用，特定的实施例包括硅、砷化镓(gallium arsenid)、磷化铟 嫁(gallium indium phosphide)、氣4七,因嫁(gallium indium nitrid)、石西4七,因f同(copperindium diselenide)、碲化镉(cadmiumtelluride)及其复合或组成物。该非晶形电荷载子 分隔层的一特定实施例为非晶形硅。此外，在某些实施例中，该非晶形电荷载子分隔层包括 掺杂物。该非限定的掺杂物可包括磷、砷、铋、锑、硼、铝、镓、铟、铊及其上述掺杂物的组成 物。 在本发明的优选实施例中，所述的类钻碳电子装置中，该非晶形电荷载子分隔层 更优选为P_n或p-i-n接面；该类钻碳电子装置优选为太阳能电池。 在本发明的另一优选实施例中，所述的类钻碳电子装置中，该非晶形电荷载子分 隔层优选进一步包含多个p-n或p-i-n接面以形成多接面太阳能电池；该非晶形电荷载子 分隔层还优选包含具有成分变化的含碳和硅材料。 其中电荷载子分隔层实质上为平面化，S卩，其实质上可使本发明的装置平面化。
本发明还提供了一种类钻碳电子装置的制造方法，该方法包含
形成一阴极于非晶形电荷载子分隔层上；以及 耦合一导电类钻碳阳极于该非晶形电荷载子分隔层上且相对于该阴极。 上述制造方法中，该导电类钻碳阳极的耦合优选进一步包括形成该导电类钻碳阳
极于该电荷载子分隔层上且相对于该阴极。 上述制造方法或是其可先分离地形成于该分隔层之上并随后结合于该分隔层。 此外，在其中 一实施例中，该阴极可为 一导电类钻碳阴极。 该导电类钻碳阳极与该阴极的形成优选发生于低于75(TC的温度下。 在本发明的实施例中，所述的制造方法进一步包含掺杂该非晶形电荷载子分隔层
以形成p-n或p-i-n接面。 本发明所述的制造方法中，该阴极的形成除了优选发生于低于75(TC的温度下，还 优选包括气相沉积工艺来形成。 此处已相当广泛地叙述了本发明的重要特征，因此有助于进一步了解后续的详细 说明，且可更深入地体会本发明对此技术领域的贡献。 本发明的其它特征可于后续的详细说明并伴随着附图与权利要求的范围而更加 清楚地呈现出来，也可由本发明的实施例而推导得知。


图1 :依据先前技术的现有硅太阳能电池的侧视剖面图； 图2 :依据本发明的一实施例的类钻碳复合太阳能电池的侧视剖面图； 图3 :依据本发明的另一实施例的具有成分变化的类钻碳复合太阳能电池的侧视
剖面图； 图4 :用以说明粗糙度尺寸和形状的类钻碳材料的扫瞄式电子显微镜(SEM)图。 附图标号10——结晶硅太阳能电池12—一抗反射层14—一硅层16—一阳极区域18—一阴极区域20—一绝缘内层22——导电金属网格24—一阴极26—一太阳能电池28—一非晶形半导体层
30——n掺杂区域32——P掺杂区域34—一阳极40—一气相沈积非晶形硅膜42——层44——层46——层48——层50——层52——一导电类钻碳膜
具体实施例方式
以下结合附图详细说明本发明，但不限定本发明的实施范围。 在揭示与说明本发明之前，必须了解本发明不限于此处所揭示的特定结构、方法 步骤或材料，但可延伸至所属技术领域普通技术人员所认知的均等物。应了解的是，此处所 用的名词也仅用于描述特定的实施例，而非意欲用于限制本发明。 必须留意的是，本说明书和附加的权利要求的范围中，除非文中有另外清楚地叙 明，该单数形式"一"与"该"均包含了多个的指称。因此，例如"以诚"的指称即包含一或多 层，"一添加物"是指包含一或多个该材料，以及"一阴极电弧技术"即包含一或多种该技术。
定义 在描述及主张本发明时，下列名词将会依据以下建立的定义来使用。 此处所使用的"电荷载子分隔层"其含义是指任何对于自由电子流提供电
位障壁的材料或层。非限制性的实例包括p-n接面(p-njunctions) 、 p-i-n接面
(p-i-njunctions)、电解液、薄膜接面(thin film junctions,例如薄介电膜)以及上述材
料的类似物。 此处所使用的"电极"意指一用于使一电路中的至少两点间产生电性接触的导电 体。 此处所使用的"sp3键结碳"意指以实质上对应于碳的钻石同位素的晶体结构(即 纯sp3键结)来键结于邻近碳原子的碳原子，且进一步包含以扭曲四面体配位sp3键结的 碳原子，例如非晶形钻石和类钻碳。 此处所使用的"sp2键结碳"意指以实质上对应于碳的石墨同位素的晶体结构来键 结于邻近碳原子的碳原子。 此处所使用的"钻石"意指一碳原子的结晶结构，其中碳原子是以四面体配位的 晶格彼此键结，即已知的sp3键结。特别是，各碳原子皆为四个其它的碳原子所环绕与键 结，且位于一规则四面体的尖端。另外，任两碳原子间的键结长度在室温状态下为1.54埃 (angstrom)，且任两键结间的角度为109度(degree) 28分(minute) 16秒(second)，尽管实 验结果可能有少许变化。钻石的结构与性质，包括其物理与电子性质均为本技术领域中所 熟知。 此处所使用的"扭曲四面体配位，，(distorted tetrahedral coordination)意指 一碳原子的四面体键结配位为不规则的，或是偏离上述钻石的正常四面体配位。该扭曲一 般是由于某些键结的伸长与其它键结的縮短，以及键结间角度的变化。此外，该四面体的扭 曲会导致碳特征与性质的变化，而有效地使其特征介于以sp3键结的碳(如钻石)以及以 sp2键结的碳(如石墨)的特征间。 一碳原子以扭曲四面体配位键结的材料例子为非晶形 钻石(amorphous diamond)。扭曲配位的广泛变化一般出现于非晶形钻石中。
此处所使用的"类钻碳"(diamond-like carbon)其含义是指 一 含碳 (carbonaceous)材料，其是以碳原子作为其主要元素，且有显著量的碳原子以扭曲四面体 配位键结。类钻碳(DLC) —般可由物理气相沈积(PVD， PhysicalV即or D印osition，也称 为物理气相沉积，简称PVD)工艺来形成，尽管化学气相沈积(CVD)或其它工艺如气相沈积 亦可使用。值得留意的是，多种其它元素可包含于该类钻碳材料中以作为杂质或掺杂物 (dopant)，该元素不限于下列元素，包括氢(hydrogen)、硫(sulfur)、磷(phosphorous)、硼 (boron)、氮(nitrogen)、硅(silcon)与鸨(tungsten)等。 此处所使用的"非晶形钻石"意指类钻碳种类，其以碳原子作为其主要元素，且有 显著量的碳原子以扭曲四面体配位键结。在其中实施例中，非晶形钻石中的含碳量可达至 少约90%，且至少约20%的碳以扭曲四面体配位键结。非晶形钻石亦具有较钻石为高的原 子浓度176atoms/cm3。另外，非晶形钻石和钻石材料在熔化时会收縮。
此处所使用的"透射率(transmissivity)"意指光穿过一材料的部分。透射率定 义为透射的光强度与总入射光强度的比值，其可介于0至1. 0间。 此处所使用的"气相沈积的"(v即or d印osited)意指使用气相沈积技术形成的材 料。"气相沈积"(v即or exposition)意指一透过气相而沈积材料于一基材上的工艺。气 相沈积工艺可包括任何工艺如化学气相沈积(CVD)与物理气相沈积(PVD)。各气相沈积方 法的广泛变化均可为熟悉该技术的普通技术人员所实施。气相沈积方法的例子包括热灯 丝化学气相沈积(hot filament CVD)、射频等离子化学气相沈积(rf-CVD)、激光化学气相 沈积(laser CVD， LCVD)、激光剥蚀(laser ablation)、密合披覆钻石涂覆工艺(conformal diamond coati卿rocesses)、有机金属化学气相沈积(metal-organic CVD， M0CVD)、溅镀 (sputtering)、热蒸发物理气相沈积(thermal ev即oration PVD)、离子化金属物理气相沈 积(ionized PVD， MPVD)、电子束物理气相沈积(electron beam PVD， EBPVD)、反应性物理 气相沈积(reactive PVD)及其它类似方法。 此处所使用的"粗糙度"(aspersity)意指一表面的粗糙程度，其以该表面构造的 许多不同特征来描述。许多不同的量测结果可用以作为表面粗糙度的指标，例如表面尖峰 或凸起的高度，以及凹入的凹谷或凹陷的深度。另外，粗糙度的量测包括该表面一特定区域 的尖峰或凹谷的数目(亦即尖峰或凹谷的密度)，以及该尖峰或凹谷间的距离。
此处所使用的"金属的"(metallic)意指一金属或是两种或多种金属的合金。 金属材料的广泛变化已为本领域普通技术人员所熟知，如铝(aluminum)、铜(co卯or)、 络(chromium) 、 l失(iron)、钢(steel)、不f秀钢(stainless steel)、,太(titanium)、鸦 (tungsten)、锌(zinc)、锆(zirconium)、钼(molybdenum)等，也包含上述材料的合金与化 合物。 此处所使用的"介电质"(dielectric)意指任何电性阻抗的材料。介电质材料可 包含以下任意数目种类的材料但不限于以下所述，如玻璃、聚合物、陶瓷、石墨、碱金族与碱 土族金属的盐类以及上述材料的组成或复合物。 此处所使用的"真空"意指低于10-2托(torr)的压力条件。 此处所使用的"电耦合"(electrically coupled)意指结构间的连结关系，其可使 电流可在结构的至少部分间流动。此定义意图包含结构间具有实体上的接触，以及结构间 并未具有实体上的接触。 一般而言，两电耦合的材料可于两材料间具有电位能或真实的电流。例如，两平板以一电阻实体连结即为具有实体上的接触，而可使电流于两材料间流动。相对地，当两平板以一介电质材料分隔时即为不具有实体上的接触，但是当连接于一交流电源上时，即可以电容性的方式使电流于两者间流动。进一步而言，当足够的能量提供时，电子可依据介电质的绝缘性质而穿透或跳越介电质材料。 此处所使用的"邻接"意指靠近或接近至足以达到所预期的效果。虽然在本发明的各层间最普遍和最佳为直接的实体接触，但邻接的描述可广泛至容许分隔的特征。
此处所使用的"热电转换(thermoelectric conversion)"是关于热能转换为电能或电能转换为热能或热能流。 此处所使用的用词"实质上"意指动作、特征、性质、状态、结构、物品或结果达到完
全或接近完全的程度。例如一物品"实质上"为封闭，意指该物品完全封闭或接近完全封闭。
在某些状况中，其相较于绝对完全真确上可允许的偏差程度取决于特定的文意关系。然而，
一般而言该完全的接近程度将会与达到绝对及全然地完全时有同样的结果。"实质上"同样
可使用于负面的含义，代表完全地或接近完全地缺乏动作、特征、性质、状态、结构、物品或
结果。例如，一组成中"实质上不具有"颗粒即指完全不具有颗粒，或是接近完全不具有颗
粒以致于其效果与完全不具有颗粒时相同。换言之，当一组成中"实质上不具有"某成分或
元素时，只要不会产生可量测出的效应，实际上组成中仍可含有该成分或元素。 此处所使用的用词"约"是通过提供一特定值可"稍微高于"或"稍微低于"数值范
围的端点，而为数值范围的端点提供弹性。 此处所使用的多个个物品、结构组件、组成元素和/或材料，为方便起见可以一般表列的方式呈现。然而，这些表列应被解释为表列中的每一组件均被视为一分离且独特的对象。因此，该表列中的个别组件不应仅基于其被呈现于共同群组中且无对相反情况作出指示，即被解释为同一表列任何其它对象实际上的均等物。 浓度、数量与其它数值数据可以范围的形式来表示或呈现。该范围形式仅因其便利性与简洁性而被使用，因此其应被弹性解释为非仅包含范围界限所明示描述的数值，且亦包含该范围所含括的所有个别数值或次范围，有如个别数值或次范围被明示描述一般。举例而言，数值范围"约1至约5"应被解释为非仅包含明示描述的约1至约5，也应包含该数值范围中所含括的个别数值与次范围。因此，该数值范围包含了个别数值如2、3与4以及次范围如由1至3、由2至4与由3至5等，还有个别的1、2、3、4与5。同样的原则亦应用在仅描述一数值作为最小值或最大值的范围。另外，无论所描述的范围的广度或特征大小，这样的解释应一体适用。
本发明 图1说明依据先前技术的现有结晶硅太阳能电池10。抗反射层12用以避免多余的光由下方的硅层14表面反射。该抗反射层最常为氮化硅(siliconnitride)且为电绝缘的，虽然其它材料亦可被使用。图l所示的硅太阳能电池通常称为p-i-n太阳能电池，因为该阳极区域16及阴极区域18的n及p掺杂设置于一绝缘内层20的各侧。 一导电金属网格22埋设于该硅层中。该金属网格一般由银于约80(TC下烧结而形成，或是其它导电金属如铜或镍。该金属网格以一显著距离埋设于该绝缘层中，例如一般为约400至500微米(ym)。 一导电金属如银或其它合适的材料亦可用于作为该阴极24。虽然在设计太阳能电池时有许多其它重要考虑，其皆在本领域普通技术人员的知识范围内。另外，前述描述对关于本发明的不同实施例与对该技术领域的贡献的后续讨论提供合适的背景。
在本发明的其中一实施例中，一类钻碳电子装置可包括一导电类钻碳阳极、一邻 接于该类钻碳阳极的非晶形电荷载子分隔层以及一邻接于该电荷载子分隔层且相对于该 类钻碳阳极的阴极。在其中一特定实施例中，该导电类钻碳阳极可包含一类钻碳材料，该材 料具有由约0ii Q-cm至约80ii Q-cm的电阻率(在2(TC下)，所以该材料具有导电性。在 另一实施例中，该类钻碳材料的电阻率可为约Oii Q-cm至约40y Q-cm。另外，该类钻碳材 料可具有由约0. 5至约1. 0的可见光透射率。该导电率与可见光透射率可为sp2及sp3键 结碳含量、氢含量与选择性导电添加物的函数。例如，sp2键结碳含量的增加可提高导电率 但会减少透射率。相反地，氢含量和/或sp3键结碳含量的增加可导致透射率的提高及导 电率的降低。导电率及透射率亦为添加物如掺杂物或导电物质的弓I入所影响。
本发明的导电类钻碳材料可使用于许多不同的应用，如但不限于太阳能电极、LED 电极或其它应用如导电性及透明电极，其亦具有化学钝性及抗幅射损害性且容易制造。
根据本发明的一实施例，一类钻碳电子装置可包括一类钻碳阳极，该阳极具有一 导电类钻碳材料，包括约30原子百分比(atom% )至约90原子百分比的sp3键结碳含量、 约0原子百分比至约30原子百分比的氢含量，以及约10原子百分比至约70原子百分比的 sp2键结碳含量。 一电荷载子分隔层可耦合邻接该类钻碳阳极。另外，一阴极可邻接该电荷 载子分隔层且相对于该类钻碳阳极。应提及的是，该"阳极"与"阴极"的用词意欲为可相 互替换的，且仅用以表示两电极间的极性差异。 请参照图2所示，该类钻碳电子装置可为一太阳能电池26。在本发明的此实 施例中，该非晶形电荷载子分隔层可为一非晶形半导体层28。该非晶形半导体层可由 任何合适的材料所形成，如但不限于硅、砷化镓(galliumarsenide)、磷化铟镓(gallium indium phosphide)、氣{七,因嫁(gallium indiumnitride)、石西{七,因f同(copper indium diselenide)、碲化镉(cadmium telluride)及上述材料的复合物或组成物。在其中一特定 实施例中，该电荷载子分隔层可包含非晶形硅。结晶基(Crystalline-based)的电荷载子 分隔层可特别用于形成太阳能电池。完全非晶形的电荷载子分隔层可用于热电转换装置， 例如可将热转换为电的装置。 合适的电荷载子分隔层可使用许多不同方法形成，如但不限于气相沈积、外延生 长(或称为磊晶生长)(印itaxial growth)或类似方法。最常见的是，可使用一来自于现 有商业来源的起始材料如现有的非晶形硅芯片。该芯片(也称晶圆)可由切削一硬质硅晶 锭或晶胚(boule)而形成。该芯片可经由抛光而具有一光滑表面。另一方面，该半导体材 料可使用气相沈积或其它适合技术直接形成于一所欲的基材或阴极上。另外，该芯片或半 导体的表面可经蚀刻而粗糙化该表面，和/或可包括其它特征如金字塔形凹陷(pyramidal expression)或延伸部而增加该装置的功能性表面积。 本发明的类钻碳电子装置可使该电荷载子分隔层的厚度有显著的降低。此功效 的其中一原因为任何埋设的金属网格电极的减少或降低。本发明的类钻碳阳极可使该半 导体实质上为平面化。例如，本发明的装置可不具有任何存在于现有硅太阳能电池的沟槽 和/或金属网格材料。作为一般的原则而言，本发明的电荷载子分隔层可具有由约10微米 (y m)至约300微米的厚度，且优选为由约50微米(ii m)至约150微米，其中约100微米为 目前的最佳厚度。导电类钻碳材料的使用亦可避免那些较薄的半导体层产生翘曲现象。
该电荷载子分隔层最常配置为p-i-n或p-n接面。例如，图2显示p-i_n接面，其中该电荷载子分隔层包含半导体层，半导体层的各侧掺杂有P或n掺杂材料。n掺杂区域30可利用现有半导体层28的掺杂而形成。合适的n掺杂物可包括，但不限于磷(phosphorous)、石申(arsenic)、铋(bismuth)、锑(antimony)及上述材茅斗的组成物。同样地，P掺杂区域32可利用掺杂掺杂物于半导体层而形成。合适的p掺杂物可包括，但不限于硼(boron)、铝(aluminum)、镓(gallium)、铟(indium)、铊(thallium)及上述材料的组成物。掺杂物的掺杂程度可经由过程中掺杂物浓度、温度或其它类似参数来控制，该电荷载子分隔层可利用p-n配置的方式交替地形成分离的层。特别是，n掺杂半导体层可形成邻接于P掺杂半导体层以形成该电荷载子分隔层。该半导体材料可利用如下的方式加以选择性地掺杂，但不限于离子布植(ion implantation)、驱入扩散(drive-in diffusion)、场效掺杂(field-effect doping)、电化学掺杂(electrochemicaldoping)、气相沈禾只(v即orexposition)或其它类似方法。另外，该掺杂可通过与半导体材料的共沈积而达成。例如，硼来源气体可与硅或其它半导体来源气体同时存在于气相沈积腔室。 本发明的类钻碳电子装置可包括阳极34，其包含导电类钻碳材料。本发明的导电类钻碳材料代表独特种类的类钻碳材料，其具有本案中所认明的性质如低电阻率及高透射率等。如前所述，这些性质至少部分与下列变量有关，如氢含量、sp2与sp3键结碳含量以及可选择的添加物或掺杂物。最常见的是，该类钻碳材料可利用合适的气相沈积工艺形成于半导体层上。此外，在其中特定实施例中，该类钻碳材料可为非晶形钻石。
提高氢含量有助于增加透射率。该氢含量可结合遍布于整个类钻碳材料或实质上仅存在于材料的表面。在其中实施例中，任何氢含量可实质上仅存在于该类钻碳材料的外表面。作为一般原则而言，在其中特定实施例中该氢含量的范围可由约0原子百分比至30原子百分比。在另一特定实施例中，该氢含量的范围可由约15原子百分比至25原子百分比。在又一实施例中，该导电类钻碳材料可实质上不具有任何氢含量。然而，氢含量可通过在类钻碳材料的沈积过程中提高氢气浓度而增加。另一方而，一类钻碳材料可使用氢气予以热处理以形成一类钻碳的氢端键结表面层。 一般而言，沈积可利用气相沈积工艺如化学气相沈积而达成，尽管其它方法亦可为合适的。 增加氢含量亦可能伴随着导电率的下降。因此，有时较理想的方式为引入相对少量的导电添加物以提高导电率。例如，导电金属颗粒可结合于氢化的钻碳材料中。另外，为了避免造成透射率过度降低，可使金属颗粒粒径和/或金属颗粒浓度下降，适合的金属颗粒可包括如银、铜或其它相似材料。该颗粒可为任何合适的大小，虽然由约1纳米至约1微米一般均为合适，而由约2纳米至约100纳米亦为合适，且约0. 1微米至约0. 6微米为优选的。较小的颗粒大小可使透射率增加，但该类钻碳材料的导电率亦会遭受相对的下降。同样地，金属添加物的浓度范围一般可由约2体积百分比(vol% )至约60体积百分比，虽然最佳的颗粒大小与浓度可随特定的颗粒材料、sp2与sp3键结碳含量以及氢含量而有显著的改变。 该导电类钻碳材料的另一重要变量为sp3键结碳含量。有利的是，sp3键结碳含量的增加可导致透射率的提高，因为材料的钻石特性上升。然而，其亦伴随着导电率的下降。 一般而言，该阳极可为导电类钻碳材料，且具有由约30原子百分比至约90原子百分比的sp3键结碳含量。在较高的sp3键结碳含量时，例如由约50原子百分比至约90原子百分比时，额外的添加物和/或掺杂物可加以引入用以增加导电率，而使材料可用以在装置 中作为导电电极。例如，掺杂以氮或其它类似的掺杂物，可提供良好的效果而不会显著降低 透射率。 另外，sp2键结碳含量可有利于增加透射率。然而，如同氢含量一般，sp2键结碳在 结晶结构中为石墨态而为非导电性。因此，应考虑适合的sp2键结碳含量平衡。作为一般 的原则而言，在其中实施例中该类钻碳材料可具有由约10原子百分比至约70原子百分比 的sp2键结碳含量。在另一实施例中，该导电钻石材料可具有由约35原子百分比至约60 原子百分比的sp2键结碳含量。然而，该特定含量可随氢含量、sp3键结碳含量以及其它可 选择的添加物和/或掺杂物而有显著的改变。然而，该sp2键结碳含量优选可为足以使该 类钻碳材料具有大于约0. 7的透射率，且最佳为大于约0. 9。 该类钻碳材料可利用任何合适的方式制作，如许多不同的气相沈积工艺。在本发 明的其中的一个实施例中，该类钻碳材料可使用阴极电弧法形成。许多不同的阴极电弧工 艺对于所属技术领域中具有通常知识的本领域普通技术人员已为习知，例如揭示于美国专 利第4， 448， 799、4， 511， 593、4， 556， 471、4， 620， 913、4， 622， 452、5， 294， 322、5， 458， 754及 6， 139，964号专利，上述各专利以引用文献的方式结合于本案中。 —般而言，阴极电弧技术涉及碳原子的物理气相沈积(PVD)于靶材或基材。该电 弧系利用大量的电流通过一作为阴极的石墨电极而产生，并以此电流气化碳原子。若此碳 原子含有足够的能量(即约100电子伏特(eV))，则其会撞击靶材并附着于靶材表面以形成 含碳材料，例如非晶形钻石。非晶形钻石可涂覆于几乎任何金属基材上，且一般不会产生或 是实质上甚低的接触电阻。 一般而言，撞击的碳原子的动能可通过改变基材上的负偏压而 加以调整，且沈积速率可利用电弧电流加以控制。控制上述及其它参数亦可调整碳原子四 面体配位的扭曲程度及几何型态，或者是非晶形钻石材料的配位(亦即例如，高负偏压可 加速碳原子并增加sp3键结)。通过测量材料的拉曼光谱可决定其sp3/sp2的比例。然而， 应留意的是，非晶形钻石层的扭曲四面体配位部分一般不是纯粹的sp3或sp2，而是位于中 间值的键结范围。另外，增加电弧电流可以提高靶材的撞击率而具有高碳离子流率。同时， 亦可提高温度而使沈积的碳转换为更稳定的石墨态。因此，类钻碳材料的最终配置与成分 (亦即能阶、NEA及放射表面粗糙度(emission surface asperity))可通过调控材料形成 时的阴极电弧条件而加以控制。 此外，其它工艺亦可用以形成类钻碳，包括不同的气相沈积工艺如化学气相沈积 或其它类似工艺。在制备较高结晶化的类钻碳时，可使用化学气相工艺。
类钻碳的化学气相沈积(CVD) —般可将一碳源气体在高温下引入一设有沈积基 材的腔室中而达成，该基材例如半导体或电价载子分隔层。类钻碳一般系利用物理气相沈 积而加以沈积，其涉及使碳原子在较低的沈积与电浆温度(例如IO(TC)下撞击基材。由于 此类PVD法的低温条件，碳原子非位于热平衡的位置上。因此，该薄膜可能较不稳定而有较 高的内应力。另一方面，CVD工艺可用以沈积类钻碳。若沈积温度较高(例如80(TC)时，钻 石将成长为结晶化的CVD钻石薄膜。一合适的CVD工艺例子为通过在部分真空(millitorr) 下裂解乙炔(C2H2与氢气的射频13. 6MHz) CVD。另一方面，脉冲式DC可用以取代射频CVD。 在非晶形钻石的情况中，阴极电弧或激光剥蚀(laserablation)的沈积可形成合适的层。 导电类钻碳材料可用以作为阳极，且亦可选择性地作为本发明装置的阴极。
阳极和/或阴极的形成可进一步透过密合披覆类钻碳层的沈积而更为便利。密合 披覆类钻碳涂覆工艺相较于现有钻石层工艺可提供数个优点。密合披覆钻石涂覆可实施于 大范围的不同基材，包含非平面基材。 一生长平面可在钻石生长条件下且无偏压存在下进 行预处理而形成一碳层。该钻石生长条件可为现有的钻石气相沈积条件而无须施加偏压。 因此，可形成厚度一般可低于100埃(angstroms)的碳薄膜。该预处理步骤可在任何生长 温度下实施，例如由约20(TC至约90(TC，尽管低于约50(TC的较低温度为优选。
在不限于任何特定理论的情况下，该碳薄膜似乎可在短时间内形成，如在1小时 内，且为氢端键结(hydrogen terminated)的非晶形碳。 随着该碳薄膜的形成，该生长表面而后可施以钻石生长条件以形成该类钻碳或非 晶形钻石层。该钻石生长条件可为通常使用于传统气相沈积钻石生长的条件。然而，与 现有非晶形钻石薄膜生长不同的是，使用上述预处理步骤制造的非晶形钻石会导致一密 合披覆非晶形钻石膜，其一般实质上于整个生长表面上开始生长且实质上不需保温时间 (incubation time)。 该类钻碳材料的其中有利于电子放射的实施例为许多碳原子是以扭曲四面体配 位的方式键结的示例。四面体配位使碳原子保留sp3的键结特性从而可提供多个有效能 阶，其是由于碳原子键结在扭曲四面体配位中的键结长度差异化所致。 在本发明的其中实施例中，该电子装置的上外露层是配置为可促进能量吸收的形 式。 特别如图2所示，该外层的表面积可利用向外延伸的成型特征如金字塔形而加以 提升。然而，其它形状的成型特征亦适用于本发明。此不但增加暴露于光或其它能量来源 的表面积，且相较于该装置总面积亦提供较高的接面表面积。另外，该类钻碳材可具有进一 步增加表面积的表面粗糙度，其发挥于较上述说明的金字塔形特征为小的尺度上。
图4为适用于本发明的类钻碳材料的显微镜图。该特征一般具有数十微米的大 小，但类钻碳材料可具有纳米范围的粗糙度。在其中实施例中，该类钻碳材料具有高度由 约10至约10， 000纳米的表面粗糙度。在另一实施例中，该类钻碳材料可具有由约10至约 1， 000纳米的粗糙度高度。在又一实施例中，该类钻碳材料可具有一约800纳米的粗糙度高 度。在又一个实施例中，该粗糙度高可为约100纳米。另外，在其中实施例中该粗糙度可具 有每平方公分(厘米)放射面积至少约1百万的尖峰密度。在另一实施例中，该尖峰密度 可为每平方公分面积至少约1亿的尖峰密度。在又一实施例中，该尖峰密度可为每平方公 分面积至少约10亿的尖峰密度。在另外一个实施例中，该粗糙度可包括约800纳米的高度 与每平方公分放射面积至少约或大于1百万的尖峰密度。在又一实施例中，该粗糙度可包 括约1， 000纳米的高度与每平方公分面积至少约或大于10亿的尖峰密度。
如前所述，许多不同的掺杂物可强化或控制本发明的导电类钻碳材料的导电率。 最常使用的合适掺杂物可包括硼、氮、硅、磷、锂、导电金属或上述掺杂物的组成物，尽管其 它材料亦可为有效的。 硼掺杂的类钻碳材料可具有高透射率且亦为可导电的。例如，氢化硼掺杂的类钻 碳材料可利用包含碳源及硼源气体的射频化学气相沈积工艺而形成。非限定的碳源气体实 例可包括甲烷与乙烯。同样地，非限定的硼源气体实例可包括BH3与B^^尽管其它硼气体 亦可使用。此本发明的氢化硼掺杂钻石材料与其它类钻碳材料可作为导电层、钝化层与抗反射层。因此，可减少使用现有的SiN抗反射层。同样地，可减少或完全不使用钝化步骤及 技术。该类钻碳材料可强化其对于机械刮损和化学侵蚀的抗性。另外，在形成硼掺杂类钻 碳材料时可加入选择性的金属材料。例如，可在气相沈积时引入银或其它金属蒸气。
依据本发明，电子装置可包括一类钻碳电子阳极和/或阴极，其基本上为导电类 钻碳所构成。此在形成太阳能电池时特别有用。在此情况下，该太阳能电池的阳极可无须 使用任何金属网格或其它任何会减损透射度的材料。现有的金属导线可形成于该类钻碳阳 极的周缘，而可用以结合该电子装置而作为一完整电路的一部分。另一方面，该阳极可通过 沈积类钻碳于一金属层如银膏或其它合适的导电层上而形成。 本发明的导电类钻碳阳极或阴极可为任何具功能性的厚度。然而，该阳极一般可 具有由约0. 01微米至约10微米的厚度。 另外，该阴极可使用任何合适的导电材料制成。非限定的合适导电材料实例可包 括银、金、锡、铜、铝及上述材料的合金。另一方面，该阴极的至少一部分可由导电类钻碳材 料所形成。尽管使用与前述相同的参数设定，阴极的透射率常为较不重要的。因此，相较于 阳极侧较高的sp2碳键结含量常为可容许的，亦无须任何添加物或掺杂物。
在本发明的又一详细实施例中，该电荷载子分隔层可形成多接面太阳能电池。该 多接面可配置为具有多种能阶。 一般而言，包含单一接面的材料可吸收某一特定能阶的光。 通过连续制备与配置多个接面于该装置中，每一接面可具有不同的能阶。因此，大部分比例 的入射能量中可转换为可用的功如电力。较高能阶的材料可设置于较低能阶材料的上方， 亦即较接近于阳极与光入射侧。该电荷载子分隔层可具有多个p-n或p-i-n接面以形成多 接面太阳能电池。每一层的能阶可通过改变掺杂物浓度、种类和/或半导体材料如硅、镓基 材料以及类似材料来加以调整。 另一方面，该电荷载子分隔层可包括具有成分变化的材料，包括碳及半导体。此方 法具有可减少邻接层间的热应力不吻合或通过削减分离层的优点。该电荷载子分隔层可包 含一具有成分变化的碳及半导体材料。例如，该电荷载子分隔层可由纯非晶形硅变化至碳 化硅(例如在10/20/30/40/50%硅的分离层或通过一材料的连续变化)，而使一碳化硅层 邻接于该阳极的类钻碳材料。 可选择地，每一层可渐进地掺杂而在较高的碳含量下具有较高的能阶。成分的变 化可通过(例如)改变气源浓度或对应溅镀靶材的冲击能量从而达到目的。
在本发明的其中一实施例中，该成分变化材料可包括至少四分离的成分变化层。 一般而言，可形成由4至约10个变化层，优选为由4至约6层。另一方面，使用氮化铟镓的 全光谱太阳能电池亦可适于本发明的应用。 作为本发明的另一优点，每一阳极、阴极与电荷载子分隔层皆可在低于约75(TC， 优选为低于65(TC的温度下形成或制备。此低温工艺可避免或显著降低翘曲现象。此外，非 晶形钻石具有高幅射硬度因此可抵抗经长时间所产生的老化与劣化。相对地，一般半导体 材料容易因紫外光而劣化，且经长时间倾向变为较不可靠。 使用非晶形或类钻碳材料进一步具有下列优点，即可降低各层间的热不相吻合。 例如，硅、碳化硅及类钻碳皆具有约4卯m广C的热膨胀系数(在接近本发明所使用的工艺温 度时)，其可大幅减少工艺间与后的热应力不吻合。此效应亦减少分层现象，因为当实质上 该装置的所有层在热循环及其可能用途上皆具有类似的热膨胀性质时，各层间的界面仍可维持界面强度。依据本发明所形成的太阳能电池可具有由约18%至25%的转换效率，尽管 通过具判断力的最佳化与基于本发明的教示的材料选择可能进一步获致更佳的性能。例 如，具变化和/或多接面的实施例可使效率超越现有太阳能电池的效率(15-18%)达约 10%。 目前以半导体为基础的太阳能电池(单晶及多晶) 一般包括深埋于光吸收侧的银 网格以及与该深埋银网格相交于背侧的全覆面铝层。当硅层变薄时，烧结银粉以形成连续 体，以及使银扩散越过上方抗反射层及背侧铝层的加工温度(例如800°C )可导致翘曲现 象。此由于硅的热膨胀系数远低于银或铝所致。然而，当类钻碳取代铝时，类钻碳的热膨胀 系数可与硅匹配。由于铝通常覆盖该硅层的整个背侧，该导电类钻碳并不会扭曲该非晶形 硅薄层。特别是，该硅或半导体层无须在现行的高温(例如约80(TC)下加工。另外，类钻 碳可与硅形成优异的奥姆接触，进而使额外的银涂覆无须经过银的高温烧结，而仅需要例 如约30(TC的低温烧结。 另外，该类钻碳电子装置整体可为坚硬的组成，且各层可与邻接层和/或组件形 成连续的密切接触。上述的组件可采用各种不同的配置且可以不同的材料制成。各层皆可 使用任意数目的已知技术而形成，例如但不限于气相沈积、薄膜沈积、预成型固体、粉末化 层、网版印刷或其它类似技术。在其中一实施例中，各层以气相沈积技术，例如PVD、 CVD或 任何其它已知的薄膜沈积工艺而形成。在其中一实施例中，该PVD工艺优选为溅镀或阴极 电弧的工艺。 所属技术领域中具有通常知识者将迅速了解其它可或应加入于图2的组成的组 件，以达成特定的目的或制造特定的装置。举非限定的实例而言，连结导线可放置于阴极与 阳极间以形成完整的电路，且可使电流通过而可用以启动一或多个装置(未显示)或执行 其它工作。 在选择性的步骤中，该类钻碳电子装置可在真空炉中进行热处理。热处理可改善 不同材料的界面间的热与电的性质。该类钻碳电子装置可施以热处理以结合界面的边界并 减少材料的缺陷。 一般热处理温度可介于由约20(TC至由约80(TC之间，而优选为35(TC至 由约50(TC之间，其取决于所选择的特定材料。 下列实例说明依据本发明来制造电子装置的不同方法。然而，应理解的是以下所 述的内容仅为本发明的原理应用的示范或说明。许多的修改与不同的成分、方法与系统可 由本领域普通技术人员在不偏离本发明的精神与范围下而设计。附加的申请专利范围意欲 包含如此的修改与安排。因此，虽然本发明已于上述内容中特定地描述，下列实例将提供进 一步的细节以与本发明的数个特定实施例产生连结。
实施例1 图3说明依据本发明的具成分变化的太阳能电池。气相沈积非晶形硅膜40作为 光电基材。该非晶形硅膜系透过化学气相沈积涂覆于硅-碳层上。层42、44、46、48与50
分别具有硅-碳比为io : 90、20 : 80、30 : 70、40 : 60与50 : so(碳化硅)。各层系加
以掺杂而使该成分变化部分代表单一的p-n接面。导电类钻碳膜52(厚度约IO微米)沈 积于该碳化硅层50。该类钻碳在乙炔的部分真空及13. 6MHz的条件下形成该也为光可透射 的类钻碳。所获得的太阳能电池具有能阶为1. leV的硅层至3. 3eV的碳化硅层，其可涵盖 大部分的可见光范围，例如红光为约leV而蓝光为约3eV。
当然，应理解的是上述的安排仅用以说明本发明理论的应用。许多的修改与其它 的安排可由本领域技术人员在不偏离本发明的精神与范围下所设计出来，且附加的权利要 求范围意欲包含如此的修改与安排。 因此，当本发明已于上述内容中特定与详尽地描述，以与目前被认为是本发明的 最实际与最佳的实施例产生连结时，以下所述的内容对于本领域普通技术人员将为明显 的在不偏离本发明的精神与理论下所进行修改不限于以下所述，包括尺寸、材料、形状、形 式、功能以及操作、组合与结合的方式的改变。
权利要求
一种类钻碳电子装置，其包含导电类钻碳阳极；邻接于该类钻碳阳极的非晶形电荷载子分隔层；以及邻接于该电荷载子分隔层且相对于该类钻碳阳极的阴极。
2. 如权利要求1所述的类钻碳电子装置，其中所述的导电类钻碳为具有30至90原子 百分比的sp3键结碳含量、0至30原子百分比的氢含量以及10至70原子百分比的sp2键 结碳含量的材料。
3. 如权利要求2所述的类钻碳电子装置，其中该sp2键结碳的含量为足以给该导电类 钻碳的材料提供大于0. 7的可见光透射率。
4. 如权利要求1所述的类钻碳电子装置，其中该导电类钻碳材料为导电非晶形钻石。
5. 如权利要求1所述的类钻碳电子装置，其中该非晶形电荷载子分隔层为非晶形半导 体层。
6. 如权利要求5所述的类钻碳电子装置，其中该非晶形半导体层包括选自由硅、砷化 镓、磷化铟镓、氮化铟镓、硒化铟铜、碲化镉及其复合或组成物所构成的群组中的非晶形材 料。
7. 如权利要求6所述的类钻碳电子装置，其中该非晶形电荷载子分隔层为非晶形硅。
8. 如权利要求1所述的类钻碳电子装置，其中该非晶形电荷载子分隔层包括掺杂物。
9. 如权利要求8所述的类钻碳电子装置，其中该掺杂物包括选自由磷、砷、铋、锑、硼、 铝、镓、铟、铊及其上述掺杂物的组成物所构成的群组中的材料。
10. 如权利要求l所述的类钻碳电子装置，其中该非晶形电荷载子分隔层为p-n或 P+n接面。
11. 如权利要求10所述的类钻碳电子装置，其中该类钻碳电子装置为太阳能电池。
12. 如权利要求11所述的类钻碳电子装置，其中该非晶形电荷载子分隔层还包含多个 p-n或p-i-n接面以形成多接面太阳能电池。
13. 如权利要求1所述的类钻碳电子装置，其中该非晶形电荷载子分隔层包含具有成 分变化的含碳和硅的材料。
14. 如权利要求1所述的类钻碳电子装置，其中电荷载子分隔层实质上为平面化。
15. —种类钻碳电子装置的制造方法，其包含 形成阴极于非晶形电荷载子分隔层上；以及耦合导电类钻碳阳极于该非晶形电荷载子分隔层上且相对于该阴极。
16. 如权利要求15所述的制造方法，其中该导电类钻碳阳极的耦合还包括形成该导电 类钻碳阳极于该电荷载子分隔层上且相对于该阴极。
17. 如权利要求16所述的制造方法，其中该导电类钻碳阳极和该阴极的形成是发生在 低于75(TC的温度下。
18. 如权利要求17所述的制造方法，其中该阴极为导电类钻碳阴极。
19. 如权利要求15所述的制造方法，其中还包含掺杂该非晶形电荷载子分隔层以形成 p-n或p_i_n接面o
20. 如权利要求15所述的制造方法，其中该阴极的形成包括气相沉积工艺。
全文摘要
本发明提供了一种钻碳电子装置，其包含导电类钻碳阳极；邻接于该类钻碳阳极的非晶形电荷载子分隔层；以及邻接于该电荷载子分隔层且相对于该类钻碳阳极的阴极，该导电类钻碳的材料具有大约30至90原子百分比的sp3键结碳含量、大约0至30原子百分比的氢含量以及大约10至70原子百分比的sp2键结碳含量；其为一种可提高电子装置，达到了提升效率、降低了制造的复杂度、节省了材料成本、提高了可靠度等效果。
文档编号H01L31/068GK101728449SQ200810174978
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者宋健民 申请人:宋健民