多结太阳能电池的制作方法

专利名称：多结太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及将太阳光转为电能的多结(multi-junction)太阳能电池。
背景技术：
晶格匹配(lattice matching)或似晶格匹配(quasi-lattice matching)的 需要限制了对制作高效能III-V族多结太阳能电池所作的努力。太阳能电池中的晶格 匹配会降低晶体缺陷，该晶体缺陷可引起电子-空穴对的非辐射复合(non-radiative recombination)。(当电子-空穴对在p_n结分离它们之前复合时，太阳能电池的效率将会 降低。)目前，晶格匹配的需要严重地影响太阳能电池所使用材料的选择，这样一来将危及 太阳能电池的效率。

发明内容
本发明的实施例允许多结太阳能电池可采用多种材料以增加电池性能，且不受限 于晶格匹配的需要。一般的III-V族半导体材料的能隙与晶格常数如图1所示。在图1中， 采用形成于锗基板上的晶格匹配材料如磷化铟镓/砷化镓/锗(InGaP/GaAs/Ge)来构造 (图1中虚线所示)太阳能电池，可达相对高效能的40. 太阳能_电能转换率。太阳能 电池的能量转换率(Π，发音eta)为当太阳能电池连结至一电路时被转换(从被吸收的光 到电能)并被收集的功率的百分比。上述值可采用最大功率Pm与标准测试条件(STC)下 的输入光辉度(E，W/m2)及太阳能电池表面积(A。，m2)的比例来计算，如下式所示
Pmη =
ExAc上述的标准条件(STC)典型为，温度为25°C，辉度为1000W/m2，而气团(air mass, AM)为 1· 5。由于晶格匹配的材料的能隙(如下表1所示)仅为捕获太阳光谱的次佳选择，然 而，在不考虑晶格匹配的情况下，被制成为提高效率的三结太阳能电池，可采用不同于前述 的InGaP/GaAs/Ge的其它结构。尤其是，当太阳能电池采用具有能隙近似于太阳光谱中各 部分光子能量的材料来吸收每一部分的太阳光谱时，太阳能电池可达最大理论转换率。以 图1为例，GaAs的1. 42eV能隙远离于近似1. IeV的能隙，其中该近似1. IeV的能隙通过模 型化被确定，使得更适合作为在具有InGaP和Ge的三结的太阳能电池中的中间材料。该模 型化包括，制作能隙为变量之一的每一子电池的数学模型，设定彼此相等的的电流，并通过 改变每一能隙进行效率最优化计算。用来制作多结电池的不同的光伏电池在本发明中可称作为“子电池”，包含光伏子 电池或太阳能子电池。因而，子电池具有光伏电池的所有功能，并且多个子电池被包含在本
5发明所描述的设备中。在多结太阳能电池中，子电池材料的优选能隙取决于多种参数。若 子电池的能隙过高，能量低于该能隙的光子将穿过子电池而不会被吸收，并且若上述穿越 子电池的光子未被较下层的电池吸收的话，将损失此光子的能量。若子电池的能隙过低，虽 然子电池可吸收较多的光子，却无法有效吸收高能量的光子。较佳的能隙必然兼顾上述两 种效应。表lInQ.5GaQ.5P、GaAs 及 Ge 的能隙 图2显示了用于三结太阳能电池的材料的多种可能组合，其中这些太阳能电池具 有能提供63. 2%效率的转换太阳光能为电能的理论能力的能隙。正如下面所详细讨论的，实施例采用硅(Si)作为多结太阳能电池的中间子电池， 可提高元件性能并降低成本。本发明所描述的多个实施例中，采用硅的太阳能电池结构将 利用硅基板及现有的硅处理工艺。在部分实施例中，纵横比捕获(ART)技术提供了用来在 硅上沉积高品质的非晶格匹配材料的有效机制，请见本发明通过援引而合并的美国专利早 期公开号 2006/0292719。由于Ge与GaAs的晶格匹配，目前应用于III-V族太阳能电池的主流基板为Ge， 但使用Ge作为基板会会产生两个实际的问题。首先，锗基板会增加III-V族太阳能电池的 成本锗基板比硅基板小且昂贵，并且锗基板无法采用现有的硅工艺等较低成本的技术。另 外，锗基板的供应量也较少，这会限制这些元件的市场成长。将III-V族太阳能电池集成至硅平台上有两个关键的技术障碍是晶格常数的失 配以及热膨胀系数的失配。特别是当晶格常数大于硅的材料生长于硅上时，由于采用较短 的硅模板(template)的原子间距离，晶格常数大于硅的材料的原子将遭遇压缩应力。这样 一来，临界厚度t。( 一般为用于实质上失配材料的几层原子层)下的外延层将维持“隐性” 或”完全应力”。在t。上，外延层松开，比如它维持其正常的晶格参数以释放所述应力。差 排错位(misfitdislocation)将显现在基板与外延层之间的界面上，并沿着基板与外延层 之间的界面传播。差排错位将终止于晶体边缘或穿透型错位(threading dislocation)的边缘，即， 上述穿透型错位为由界面往上传播的缺陷。在立方晶格中，穿透型错位延着<110>的结晶 方向，且穿透型错位一般以45度的角靠近基板表面。穿透型错位会降低产品性能及可靠 度。在太阳能电池中，穿透型错位会促使电子与空穴的复合，这将降低转换效率。直接在硅 上生长的III-V族材料中的穿透型错位密度(TDD) —般近似于109/Cm2。热膨胀系数失配会导致处理工艺的困难。III-V族薄膜的生长温度一般介于 450°C至800°C之间。当硅基板冷却时，形成于硅基板上的III-V族材料的冷缩程度将大于
6硅基板。基板会以内凹的方式弯曲，向薄膜加压并最终使薄膜碎裂。现有的将非硅半导体材料集成至硅基板上所作的努力主要依赖于下述三种方法: 渐变式缓冲层(graded buffer layer)、晶片接合、或在平台区上选择性外延。如下所述，这 些方法均具有明显限制。渐变式缓冲层提供了从硅基板至外延材料的有源区(active region)渐变式的晶 格常数。然而渐变式缓冲层的典型厚度(用于4%晶格失配的外延生长的ΙΟμπι)增加了外 延开销，并恶化了碎裂问题。晶片接合将元件生长于晶格匹配基板，接着从基板剥离该元件，再将元件接合至 硅基板。此方法成本较高，且无法相容于现有硅处理工艺。此外，接合材料与硅之间的热膨 胀系数的差异可能导致碎裂。在平台区上选择性外延是一种尝试利用部分错位的滑动特性的技术。上述方法包 含在平台区沉积长度介于10至IOOym的III-V族材料，由此提供短的路径，使穿透型错位 沿着该短路径向平台区边缘滑动并从元件中将其移出。然而在平台区上选择性外延所形成 的结构典型地仍具有高TDD，如大于108/Cm2，这可能是因为当晶格失配的程度大于2%时， 选择性外延将无法移除固定(不可移动)的错位。本发明的部分实施例将包含上述方法的要素(element)，其他实施例将利用ART 方法的优点将非硅半导体集成至硅基板上。一方面，本发明的实施例中的特征结构，包括具有顶面及底面的半导体基板。顶绝 缘层设置为邻近于半导体基板的顶面，且具有顶开口。底绝缘层设置为邻近于半导体的底 面，且具有底开口。第一晶体层设置于顶开口中，第一晶体层与半导体基板晶格失配，大部 分第一晶体层的晶格失配缺陷始于第一晶体层接近半导体基板的表面，并止于顶开口。第 二晶体层设置于底开口中。第二晶体层与半导体基板晶格失配，大部分第二晶体层的晶格 失配缺陷始于第二晶体层接近半导体基板的表面，并止于底开口。另一方面，本发明的一实施例中的特征结构包括基板以及形成于基板上的第一光 伏子电池，且第一光伏子电池包括具有第一晶格常数的第一半导体材料。第二光伏子电池 形成于第一光伏子电池下，第二光伏子电池包括具有第二晶格常数的第二半导体材料，且 第二晶格常数不同于第一晶格常数。第三光伏子电池形成于第二光伏子电池和基板下，第 三光伏子电池包括具有第三晶格常数的第三半导体材料，且第三晶格常数不同于第二晶格 常数。在某些实施例中，第一半导体材料包括III-V族化合物或实质上由III-V族化 合物组成，并且第一光伏子电池包括III-V族化合物限定的第一光伏结(photovoltaic junction) 0第二光伏子电池可包括限定于基板中的第二光伏结。在特定实施例中，第 一光伏子电池包括第一 III-V族化合物，第二光伏子电池包括硅或实质上由硅组成， 并且第三光伏子电池包括第二 III-V族化合物。在多个实施例中，基板包括硅。组成 (compositionally)渐变式缓冲层可设置于第一光伏子电池与第二光伏子电池之间。缺 陷捕获层(defect-trapping layer)可设置于第一光伏子电池与第二光伏子电池之间，该 缺陷捕获层包括(i)晶体材料，包括由晶体材料与邻接的半导体材料晶格失配所产生的缺 陷，以及(ii)非晶材料，上述缺陷止于该非晶材料。另一方面，本发明的一实施例包含一结构，该结构包括第一光伏子电池，该第一光伏子电池包括具有第一晶格常数和第一能隙的第一半导体材料。第二光伏子电池包括具有 第二晶格常数和第二能隙的第二半导体材料，第二晶格常数不同于第一晶格常数，且第二 能隙低于第一能隙。缺陷捕获层设置于第一光伏子电池与第二光伏子电池之间，缺陷捕获 层具有高于第二能隙的第三能隙，且缺陷捕获层包括紧邻并接触非晶材料的晶体材料，该 晶体材料包括有止于非晶材料的缺陷。另一方面，在本发明实施例的结构中，包括第一缺陷捕获层，该第一缺陷捕获层包 括紧邻并接触第一非晶材料的第一晶体材料，其中第一晶体材料包括由第一晶体材料与第 一邻近材料晶格失配产生的缺陷，且该缺陷止于第一非晶材料。第二缺陷捕获层设置于第 一缺陷捕获层下，第二缺陷捕获层包括紧邻并接触第二非晶材料的第二晶体材料，其中第 二晶体材料包括由第二晶体材料与第二邻近材料晶格失配所产生的缺陷，且该缺陷止于第 二非晶材料。第一缺陷捕获层与第二缺陷捕获层可设置在基板的相对侧，基板包括第一邻接材 料与第二邻接材料，且第一邻接材料与第二邻接材料相同。第一缺陷捕获层与第二缺陷捕 获层每个都可形成于基板上，其中该基板包括第一邻接材料，且第一晶体材料包括第二邻 接材料。太阳能子电池可设置于第一缺陷捕获层与该第二缺陷捕获层之间，设置在第二缺 陷捕获层之下，或设置在第一缺陷捕获层之上。具有第一晶格常数的第一半导体材料可设 置于第一缺陷捕获层上，并且具有第二晶格常数的第二半导体材料可设置于第二缺陷捕获 层上，且第二晶格常数不同于第一晶格常数。另一方面，本发明包括一种形成光电元件的方法，该方法包括提供基板。形成第一 有源光电(active photonic)元件层于基板上，再形成第二有源光电元件层于基板下。第 一有源光电元件层与第二有源光电元件层的形成步骤都包括外延生长。上述基板可包括第 三有源光电元件层。第一有源光电元件层可包括第一太阳能电池结，且第二有源光电元件 层可包括第二太阳能电池结。另一方面，在本发明的实施例的多结太阳能电池元件中，包括第一太阳能电池，其 包括第一非硅光伏结；第二太阳能电池设置于第一太阳能电池下，且第二太阳能电池包括 硅光伏结；以及第三太阳能电池设置于第二太阳能子电池下，且第三太阳能电池包括第三 非硅光伏结。再一方面，在本发明的实施例的多结太阳能电池元件中，包括具有第一能隙的第 一太阳能子电池。此元件也包括形成于第一太阳能子电池下的第二太阳能子电池，且第二 太阳能子电池具有大于第一能隙的第二能隙，且该第二能隙约等于1. lev。第三太阳能子电 池形成于第二太阳能子电池下，第三太阳能子电池具有大于第二能隙的第三能隙。第一能 隙可小于1. leV，较佳小于约0. 8eV，且第三能隙可大于1. IeV0第二能隙一般被选择为可介 于约1. OeV至约1. 2eV之间，第三能隙一般大于约1. 6eV。


图1为表示了一般晶格匹配的III-V族半导体材料的能隙与晶格常数的图表；图2为表示了用于晶格失配三结太阳能电池的材料选择的图表，其中该三结太阳 能电池具有的能隙提供了将太阳能转换至电能的转换率达63. 2%的理论能力；图3为表示了 ART的基本原理的示意8
图4及图5为表示了于介电层侧壁附近的形成刻面的示意图；图6为表示了利用ART形成的材料的生长面的示意图；图7-图10为表示了利用ART形成的多种样品的示意图；图11为表示了一种三结太阳能电池的示意图；图12为表示了用以生长InGaP的ART的示意图；图13为表示了晶格失配的材料的不同生长模式的示意图；图14为表示了于ART区域中的InGaAs下生长宽能隙InP的示意图；图15为表示了一种单结的InGaP太阳能电池的结构的示意图；图16为表示了一种单结的InGaAs太阳能电池的结构的示意图；图17为表示了一种双结的InGaP/Si太阳能电池的示意图；图18为表示了一种双结的InGaAs/Si太阳能电池的示意图；图19为表示了一种利用聚集材料(coalesced material)的单结InGaAs太阳能 电池的可选择结构的示意图；图20为表示了一种具有聚集缓冲区的InGaP/Si/InGaAs电池的可选择结构的示 意图；图21a-图21j为一系列表示了形成三结的InGaP/Si/InGaAs太阳能电池的制作 工艺的示意图；图22为表示了五结的InGaP/GaAs/Si/GaAsSb/InGaAs太阳能电池的示意图；图23为表示了设置于硅基板上的三结的InGaP/GaAs/InGaAs太阳能电池的示意 图；图24为表示了结合InGaP渐变式缓冲层于硅基板相对侧的三结InGaP/Si/InGaAs 太阳能电池的示意图；图25a-图25b为表示了采用晶片接合或层转换以形成三结InGaP/Si/Ge太阳能 电池的工艺示意图；以及图26a-图26f为一系列表示了一种形成ART结构的可选择方法的示意图。
具体实施例方式在下列说明中，术语“太阳能电池”、“光伏电池”、以及“光伏子电池”均为具有光伏 结如p-n结的结构。“光电元件层”指的是光有源(photoactive)元件，比如太阳能电池。ART能够使太阳能电池设计者基于材料能隙选择结材料，而不受限于材料的晶格 常数。ART也能够使太阳能电池制造者去利用便宜的硅基板及现有的硅处理技术。与采用 锗基板的太阳能电池相比较，通过ART形成在硅基板上的多结太阳能电池具有良好机械强 度、轻重量、以及极佳的散热性。通常，太阳能电池在温度升高时的工作效率较差，因此极佳 散热性在密集使用时特别重要。ART实质上减少薄膜与下面基板晶格常数失配所造成的穿透型错位的问题。ART 也减少由热膨胀系数失配所造成的应力，上述ART只需采用标准设备而不需超昂贵工艺。参考图3，可采用下述步骤来形成ART结构。首先提供半导体基板300如半导体晶 片。半导体基板300可包含半导体材料如体(bulk)硅晶片或体锗晶片。半导体基板300 可包含或实质上由下列物质组成第IV族元素，如锗或硅。在一实施例中，半导体基板300硅或实质上由硅组成。在半导体基板300上形成有介电层310，其包含介电材料，即诸如SiO2之类的非 晶材料。SiO2仅为介电材料中的一个示例，本领域普通技术人员领域普通技术人员可适当 地，比如为使降低复合效应，采用其他材料如SiNx取代Si02。介电层310可通过本领域普通 技术人员所知的方法来形成，如热氧化法或等离子体增强式化学气相沉积法(PECVD)，上述 PECVD可由适当系统来操作，如由位于Santa Clara，CA的Applied Material公司所制造 的CENTURA ULTIMA机台。介电层可具有厚度t1;其相应于沉积在贯穿该介电层所形成的开 口中的晶体材料所需的高度。在某些实施例中，介电层310的厚度、可介于25nm至20 μ m 之间。接着，以传统光刻和反应性离子蚀刻等方法，于介电层310中限定多个狭窄的次 微米宽度的开口，如沟槽320，其中该开口具有介电侧壁325。本领域普通技术人员可依据 不同应用进行额外步骤，比如采用氢等离子体处理SiO2以钝化沟槽的侧壁。在清洁后，晶格失配材料330可选择性地生长于开口 320中。晶格失配材料可为 诸如III-V族半导体或锗，通过如选择性外延法生长于开口中。晶格失配材料中的穿透型 错位通常朝该开口侧壁倾斜，并在它们到达介电材料如SiO2时终止。因此，沟槽顶部附近 的外延材料区域实质上不含有错位。ART结构可作为太阳能电池中的缺陷捕获层，如下所论述。ART结构包含(i)晶 体材料，包括有由该晶体材料与邻接半导体材料晶格失配所产生的缺陷；以及(ii)非晶材 料，上述缺陷终止于该非晶材料。当沉积如锗的材料于SiO2侧壁之间的沟槽内时，锗原子与氧原子之间的键结比两 个锗原子之间的键结需要更多能量，因此不易被形成Ge-O键。从而，在一般生长条件下，锗 原子将会形成刻面(facet) 400，一般为{111}或{113}的结晶面，如图4所示。在两个介电侧壁之间，可同时生长两个结晶面，如{111}平面500及{100}平面 500’。上述两种平面可具有不同的生长速率。举例来说，Ge在{100}平面的生长速率比 {111}平面的生长速率快，如图5所示。生长速率快的平面最后会消失，因为在生长速率快 的平面方向的晶体的生长会受限于生长速率慢的平面的生长速率，如图5所示。为了观查上述两种结晶方向，可在晶格失配材料330内夹设薄区域的标记材料， 用以限定标记层600。举例来说，薄的硅-锗区或“标记层”，可夹设于锗矩阵(matrix)中 以在TEM图像中提供对比。在图6中TEM显微图的示意性表示中，这些标记层600显现为 黑色的锯齿状。在图(字母A下方)的较低部分中，锗以{100}结晶方向生长。在这个区 域的上方，有角度的黑色硅-锗标记层600显示锗的生长方向转为{111}平面或刻面。可 观察到穿透型错位610的行为如下·自基板300垂直生长，穿过{100}结晶方向500’的区域，然后，朝向字母A。 在点A处，穿透型错位将穿过{111}结晶方向500的区域。该结晶刻面将穿透型 错位引导至{111}刻面的法线(normal)方向，朝向侧壁。·穿透型错位抵达SiO2侧壁并终止于此。当穿透型错位抵达刻面边界时，结晶边界一般会将穿透型错位的方向转为垂直于 刻面。刻面将会使穿透型错位朝侧壁倾斜。从而，通常，若侧壁足够高，具有不平行于下基 板的刻面的材料中的所有的穿透型错位会与侧壁相交。在一些实施例中，沟槽的深宽比，即深度与宽度的比例优选为大于1。优选地，侧壁可捕获错位，使沟槽顶部的外延材料不具有 缺陷。上述方法只需一个光刻及一个选择性外延步骤，即可消除基板界面的缺陷。ART样品由锗(Ge)及砷化镓(GaAs)制备。Ge沉积于硅基板上的SiO2沟槽中。 上述样品的薄层TEM图像显示，SiO2侧壁可捕获所有的穿透型错位，使沟槽顶部的锗不具 有缺陷。参考图7，TEM图像的示意图表明，沉积于如宽度200nm沟槽的开口 320中的锗 层，在高于捕获区的部分将不具有缺陷610。然后捕获到上述材料的TEM图像的俯视图 (plan-view)。图8中，基于TEM显微图的示意图表明，穿透型错位被SiO2侧壁325所捕获， 该错位终止于ART区域中较下方的侧壁。参考图9，可移除含有错位的锗层的较下方区域。在移除基板300及含有错位610 的区域后，锗层的上方区域的将不具有缺陷。上方区域中的锗层不含有如晶格失配导致的 穿透型错位、堆迭缺陷、双晶(二维晶格缺陷)以及碎裂。图10表示，将晶体材料如GaAs填入基板300如硅上的介电质侧壁如SiO2之间的 沟槽中。穿透型错位610朝向沟槽底部附近的侧壁325倾斜。GaAs在虚线以上的区域将不 含有缺陷。采用ART技术，将高品质III-V族材料沉积于硅基板上，由此可确保形成高效能 与低成本的多结太阳能电池于硅基板上。分析表明，当采用ART来生长晶格失配的材料时，不会因热膨胀数失配而造成碎 裂。不发生碎裂的原因可能为下列原因之一或多个 因为外延层很薄，应力很小。·与非常宽的沟槽相比较，因为沟槽相对较窄，所以材料可弹性地调和由热膨胀数 失配所导致的应力，其中材料的性质近似于体薄膜。·侧壁的介电材料，如SiO2,比半导体材料更柔顺，可作为膨胀接点，以伸展来调和应力。再次参考图2，图 2 表示了 由 Ina5Gaa5P(LSeeVhSiaiSeV)以及 In0.7Ga0.3As(0. 61eV)制成的三结太阳能电池的一个实施例的晶格与能隙参数。此太阳能电 池具有63. 2%的最大理论转换效率。虽然图中的元件采用具有50%的铟(In)与50%的 镓(Ga)的InGaP材料，但可采用其他浓度比例的铟及镓来调整材料的能隙与晶格常数，以 改善太阳能电池的性能。上述原则也适用于InGaAs层，虽然仅图示了 70%铟与30%镓的 能隙，但在InGaAs层可采用其他浓度比例的铟及镓来调整材料的能隙与晶格常数，以改善 太阳能电池的性能。举例来说，可采用与InP晶格匹配的InGaAs，如下所述，这种情况下， InO. 53GaO. 47As 可被采用。图11示出了三结太阳能电池结构1100包括顶ART区1110，该顶ART区1110包 括在硅基板300顶部上通过ART形成的具有p-n结的InGaP区；形成于硅基板中的p_n结 1120 ；以及底ART区1130，该底ART区1130包括在硅基板300底面通过ART形成的具有p_n 结的InGaAs区。上述结构可合并隧道结，使得三个子电池电性接触，即，使得顶ART区、基 板以及底ART区电性接触。尤其是，顶ART区1110可作为第一缺陷捕获层，其包含紧邻并接触第一非晶材料 310(如SiO2)的第一晶体材料330 (如InGaP)。第一晶体材料包括由第一晶体材料与第一 邻接材料(如硅基板300)晶格失配所产生的缺陷610，该缺陷终止于第一非晶材料310。顶 ART区1110可包含浸润层1140，如p+型GaAs。浸润层1140的组成被选择为，使得它在如
11硅的下方材料上形成高品质的连续层状，以允许第一晶体材料如InGaP的接续生长。顶ART 区也可包含如P型InGaP的基极1145，以及如n+型InGaP的射极1150。选用InGaP的理由 在于其具有适当的能隙。光伏结1152被限定为基极1145与射极1150之间的界面。选择 InGaP材料以及In与Ga的比例，使得使得该材料具有约1. 86eV的能隙。选用此能隙可使 顶部子电池有效吸收高能量光子，但让低能量光子不受干扰地穿过顶部子电池。射极是高 掺杂浓度的η型，以提供顶接触金属层与InGaP之间的低电阻。优选地，基极是低掺杂浓度 的P型，以使InGaP具有高少数载流子生命周期，使得电子_空穴对在被Ρ_η结分开前不再 复合。顶ART区具有如约介于1至5μπι的厚度。顶接触层1155为诸如NiAu之类的导电 材料，可设置于顶ART区上。底ART区1130可作为设置于第一缺陷捕获层下的第二缺陷捕获层。第二缺陷捕获 层包含紧邻并接触第二非晶材料310’ (如SiO2)的第二晶体材料330’ (如InGaAs)。第二 晶体材料包括由第二晶体材料与第二邻接材料(如硅基板)晶格失配所产生的缺陷610’， 该缺陷终止于第二非晶材料310’。底ART区1130可包含如n+型GaAs的浸润层1140’、如 n+型InP的底捕获区1160、如n+型InGaAs的射极1150，、及如ρ型InGaAs的基极1145，， 并具有由如η.型InGaAs的射极1150’与如ρ型InGaAs的基极1145’之间的界面所限定 的光伏结1152’。底ART区1130可具有约介于1至5μπι的厚度。底接触层1155’为诸如 NiAu之类的导电材料，可设置于底ART区上。太阳能电池，即p-n结1120，可设置于顶缺陷捕获区与底缺陷捕获区之间，如形成 于硅基板中，并由η+掺杂及P+掺杂所限定。P-n结1120可被限定如下，比如，通过离子注入 到ρ型硅基板所形成的η+型Si可作为射极1167，ρ型硅基板的其余部分可作为基极1168， 该p-n结1120就设置于该射极和基极之间。隧道结1170可形成于基板300与顶ART区之间，而另一隧道结1170’可形成于基 板300与底ART区之间。隧道结为非常高掺杂浓度的p+/n+二极管。掺杂浓度高到足以让 电流在P+层与η+层之间穿隧，通过隧道结在两邻接层之间形成低接触电阻。换句话说，掺 杂浓度需足够高，使得当顶ART区照光时，ρ+/η+隧道结空乏(cbpletion)区足够小，以产生 穿隧效应，从而使电流流过顶ART区。该电流正向偏置隧道结。隧道结可由III-V族材料 形成于半导体基板300的上方或下方。在生长期间可通过原处(in-situ)掺杂来取得这些 层的高掺杂浓度的P+掺杂及n+掺杂，其浓度近似于lX1019/cm3。较佳的隧道结可选用使空 乏区厚度为约10nm。在一实施例中，隧道结1170与1170’可限定在硅基板300的顶部及底 部中。从硅基板上方开始在硅中的掺杂依序如下p++型(隧道结)1170n++型(隧道结)1170n+型(射极)1167ρ 型(基极)1168p++型(隧道结)1170，n++型(隧道结)1170，一种结构可包括额外太阳能电池，该太阳能电池可设置于，比如第二缺陷捕获层 下，或第一缺陷捕获层上。在一些实施例中，第一缺陷捕获层与第二缺陷捕获层均设置于基 板上。
在多种实施例中，300nm至500nm宽的沟槽阵列(约有50万个沟槽设置于12时基 板上)覆盖硅基板上每一晶片(die)的表面。在其他实施例中，沟槽宽度范围可在更宽的 范围内变化，如从ISOnm至5 μ m。沟槽之间的距离约为150nm，小于几乎全部太阳光辐射的 波长。上述构造可避免太阳光辐射从沟槽之间穿过；因此太阳能电池能吸收几乎全部的入 射光。虽然约150nm的沟槽间距优选适用于一些标准，但可依据应用和/或材料的需要实 质调整沟槽间距。基于ART的三结太阳能电池结构如图11所示，其运作模式如下 首先，太阳光照射顶ART电池1110的InGaP材料330。InGaP吸收能量为1. 82eV 或更高的光子。能量低于1. 82eV的光子将穿过InGaP并进入硅基板300。 穿过InGaP的光子将进入顶缺陷捕获区1165。因为光产生的载流子可能会复合 于穿透型错位610，最好避免或降低此区的光子吸收量。由于大部分的顶缺陷捕获区是由 InGaP制成的，对不被InGaP上面区域所吸收的光子来说，该捕获区应属透明。当GaAs的浸 润层1140被提供去帮助InGaP 二维生长于硅上时，该层保持极薄厚度，以减少对穿过硅的 光子的吸收。本领域普通技术人员应了解其他材料也可作为浸润层以减少吸收现象。·硅将吸收能量1. 15eV或更高的光子。能量低于1. 15eV的光子将穿过硅基板 300。 穿过硅的光子将会进入第二捕获区，如底捕获区1160。同样地，因为光产生的载 流子可复合于穿透型错位中，所以此处的目标为应尽量避免在该区对光子的吸收。因此，捕 获区较佳为高能隙材料如InP所制成。低能量(< 1. 15eV)的光子在穿过InP捕获区后将 进入InGaAs区。由于InP在硅上以非平面模式生长，所以优选在硅上形成薄的GaAs浸润 层，以便生长InP的二维层。因为GaAs具有较宽能隙，GaAs不会在此区中吸收低能量光子。·然后InGaAs将吸收能量0. 61eV或更高的光子，且InGaAs中的p_n结将分开光 产生的电子-空穴对。如前所述，光将会穿过ART太阳能电池中的捕获区。错位可能会吸收次能隙 (sub-bandgap)的光子，但这种次能隙光子的吸收不会明显地影响ART太阳能电池的性能。在该捕获区中，穿透型错位会产生对应能隙的电子能级(electron state)。该材 料因此会吸收一定比例的穿过该捕获区的次能隙光子。由于光产生的载流子在穿透型错位 附近出现，这些载流子将以非辐射(non-radiatively)的方式复合，也就是说，对太阳能电 池的输出功率毫无贡献。通过下述公式，可估计上述损失机制所造成的影响。在该公式中， T为穿透度，α为吸收系数，t为厚度。T = e_at在报导中，生长于硅上的InP区与GaAs区对能隙介于0至0. 5eV以下的光子的 吸收系数近似于5X107cm。对于高错位区的厚度为约IOOnm的元件来说，通常对于具有 500nm或更小数量级的宽度的ART沟槽，捕获区的穿透度被期望为大约95%。上述现象对本发明所描述的三结太阳能电池的效率影响是能够估计的。在任何光 子进入捕获区之前，InGaP将吸收约33%的光子。其余约67%的光子将进入InGaP电池中 的捕获区。InGaP电池中的捕获区微量地吸收这67%入射光子中的约5%，或者是吸收所有 入射至太阳能电池的光子的约3. 3%。然后其余光子在进入InGaAs电池中的捕获区之前，会先穿过硅电池。此时，两个上部电池(InGaP电池与硅电池)已经吸收了所有入射光子中的约67%。所有入射光子中 只有33%会到达InGaAs电池中的捕获区。InGaAs电池的捕获区微量地吸收这33%入射光 子中的5%，或者是吸收所有入射至太阳能电池的光子的约1.7%。捕获区吸收的光子总量约为3. 3%加上1. 7%，为所有入射光子量的5%。由上述 简单运算可知，在靠近穿透型错位的次能隙区中的光子吸收量仅为次要损失机制，该损失 机制虽然可阻碍ART太阳能电池到达63%的最大理论效率，却不能阻止ART太阳能电池超 过50%的转换效率。在太阳能电池中采用ART可减少错位带来的不利效应。在体材料中，错位可导致 相对长距离的复合，比如可超过约10 μ m。与体材料或薄膜中的缺陷所造成的影响相比较， 采用ART制成如300至500nm宽的沟槽的太阳能电池，明显降低了缺陷所造成的影响。这 是因为ART结构内，错位不会引发在邻接沟槽内的复合。在形成图11所示的三结电池的制作工艺中，重点在于采用ART形成InGaP与 InGaAs于硅上，其技术将详述于下。图12显示了用于生长InGaP的ART结构的一实施例。首先提供适当的硅基板300， 如来自SEMATECH的子公司ATDF所生产的商品。举例来说，ρ型硅基板(001)可沿6度切 边，以避免反相区块晶界(anti-phase domainboundaries)。在基板上可形成较厚的介电层 310，如厚度介于1至1. 5μπι的热氧化层。接着以光刻及干蚀刻图案化热氧化层，形成宽度 介于0. 2至2. 5 μ m的沟槽320。在图案化步骤后，可通过氧等离子体灰化步骤(800瓦，1.2托耳，及30分钟)移除 残留的氟碳化物。上述残留移除步骤可在CA的Fremont的Mattson Technology Inc.公 司所制的ASPEN STRIP II系统中执行。图案化基板的清洁工艺可依序采用Piranha配方、 SC2配方以及稀氢氟酸溶液。接着可通过如金属氧化物气相沉积法(MOCVD)，在沟槽中选择 性地形成外延的晶格失配材料330。外延的晶格失配材料330可包含设置于GaAs的浸润层 1140 上的 InGaP。图13为晶格失配材料330的三种可能的生长模式。在Frank-Van derMerwe (FM) 模式中，晶格失配材料330 —层一层地以二维方向生长于基板300上。在Volmer-Weber (Vff) 模式中，外延材料330因界面能量而生长成独立小块，接着再接合在一起(coalesce)。在 Stranski-Krastanov(SK)模式中，晶格失配材料330 —层一层地生长直到临界厚度后，再 以独立小块的方式生长。InGaP倾向以非平面模式即以VW模式或SK模式生长于硅上。非平面的生长模式 (即VW模式或SK模式)一般会导致高密集的缺陷或粗糙表面。在某些实施例中，上述问题 的解决方法如下在沉积InGaP之前，先直接沉积如GaAs的浸润层1140于硅基板上。GaAs 层将以二维层生长于硅上，且InGaP将以二维层生长于GaAs上。表2为可被调整用于生长 GaAs与InGaP的一系列条件的实例。表2 沉积GaAs浸润层与InGaP的起始条件
14 V/III元素比的定义为V族前体中的V族元素的流速与III族前体中的III族元 素的流速之间比率，其计算方式为(V族前体流速/III族前体流速)*(V族前体中V族元素 的比例/III族前体中III族元素的比例)。综上所述，V/III比等于V族元素在单位时间 内进入工艺腔室的原子数(原子数/秒)除以III族元素在单位时间内进入工艺腔室的原 子数(原子数/秒)。生长条件可通过多种方式被调整，举例如下·外延前烘烤基板，比如，其温度可介于800°C至1000°C之间。·在生长过程中，进行热循环回火，其温度介于室温至800°C之间。 为了减轻不同材料如InGaP、Si、及SiO2之间热膨胀系数失配所造成的潜在的迭 差(stacking fault)缺陷，可对一或多种材料进行处理以改变其热膨胀性质，比如，可将 SiO2进行热氮化处理，以使其热膨胀系数更接近硅。在某些实施例中，如图11所示的三结太阳能电池结构，可在硅基板与InGaAs之间 夹设高能隙的InP捕获区，以避免最下层太阳能电池的捕获区吸收光子。较佳地，捕获区的 能隙远大于捕获区下方的子电池的能隙。如果光子被捕获区吸收，它们不会转换为电能，因 为会复合于捕获区的错位中。若捕获区具有高能隙，光子将倾向于直接通过捕获区，并有效 地被下层的子电池吸收。在之前讨论中，夹设的是InP，而不是其它高能隙材料，这是因为InGaAs的晶格常 数与InP的晶格常数较匹配。然而本领域普通技术人员能够了解如何采用其他合适的高能 隙材料。图14表明了一种结构，在该结构中，第一晶体材料330，如具有宽能隙的InP，形成 在设置于沟槽320中的GaAs浸润层1140上。接着形成另一晶体材料1400如InGaAs于如 InP的第一晶体材料上。InP用以捕获缺陷，且具有高能隙，因此光不会被其吸收。InGaAs 将作为太阳能电池。表2表明了可被调整用于生长InP与InGaAs的一系列条件的实例。表3 沉积InP与InGaAs的起始条件 图15显示单结InGaP太阳能电池1500的示例结构。值得注意的是，本发明中的 图15与其他附图仅用以示意太阳能电池，而非用以图示这些电池的真实结构。举例来说， 本发明附图省略了接触掺杂区、透光层(windowlayer)以及背面电场层，因为这些对于本 领域普通技术人员是显而易见的。 单结太阳能电池1500包含如参考图11所述的顶ART区1110，以及设置于p+型硅 基板300上的沟槽320中的ρ+型GaAs浸润区1140。InGaP的基极层1145设置于浸润层 上，η+型InGaP的射极设置于基极上，而光伏结1152限定于基极与射极之间。顶ART区可 具有如介于约1至5μπι之间的厚度。顶接触层1155，如导电材料NiAu，可设置于顶ART区 上。底接触层1155’，如铝层，可形成于与顶ART区相反侧的硅基板上。为了使底接触层与 顶接触层与邻接的半导体材料之间具有低接触电阻，较佳地选用金属作为顶接触层与底接 触层。举例来说，铝提供与掺杂硅之间的低接触电阻，但不提供与III-V族材料之间的低接 触电阻。这样一来，邻接掺杂硅的接触层较佳为铝。硅基板300可为掺杂ρ+型，其厚度介 于约200至700μπι之间，较佳地为约300μπι。阳光可经由顶接触层1155照射到单结太阳 能电池1500上。沟槽宽度、层厚以及掺杂水平均可改变，以便增加电池效率。在某些实施例中， InGaP的厚度介于约1至1. 5 μ m之间。本领域普通技术人员应了解在不需过度实验的前提 下，可调整元件几何结构、掺杂水平以及材料系数以利于实际应用。图16显示了一种单结InGaAs太阳能电池1600的结构。如同InGaP太阳能电池， 此太阳能电池的沟槽宽度、层厚以及掺杂等级均可调整以增加电池效率。单结InGaAs太阳能电池1600，包含底ART区1130，如参考图11所讨论的，其形成 于η.型硅基板上。底ART区1130可包含如η.型GaAs的浸润层1140’、如η.型InP的底捕 获区1160、如η+型InGaAs的射极1150’以及如ρ型InGaAs的基极1145’，并具有由基极 1150’与基极1145’之间的界面所限定的光伏结1152’。底ART区1130可具有介于约1至 5ym之间的厚度。底接触层1155’，如导电材料(NiAu)，可设置于底ART区上。顶接触层 1155，如铝层，可形成于与底ART区相反侧的硅基板上。阳光可经由顶接触层1155照射到 单结太阳能电池1600上。在某些实施例中，InGaAs的厚度可介于约1至3μπι之间。底ART区1130可具有 介于1至5 μ m之间的厚度。基板可具有约300 μ m的厚度。本领域普通技术人员能够了解， 可调整元件几何结构、掺杂水平以及材料系数来优化实际应用中的元件性能。图17显示了双结InGaP/Si电池1700的一种实施例，而图18显示了双结InGaAs/ Si电池1800的一种实施例。双结InGaP/Si太阳能电池1700包含如图11所描述的顶ART 区1110，该顶ART区1110具有第一光伏结1152，并设置于基板300上，该基板300限定了 第二结。特别地，基板可为P型硅基板，具有约300 μ m的厚度。η+型硅的射极区1705可通 过离子注入形成于基板300中。基板300的剩余部分则可限定为基极1710。这样一来，第二光伏结1702将形成于射极1705与基极1710之间。在顶ART区1110与射极1705之间 可设置隧道结1170。底金属层1155’例如铝形成于基板300的背面。上述顶ART区1110 可邻接于射极1705而形成。图18的双结太阳能电池1800包含第一光伏电池，该第一光伏电池包括具有第一 晶格常数和第一能隙的第一半导体材料，如硅。第一光伏电池相应于硅基板300，包括η+型 硅的射极1705、ρ型硅的基极1710以及光伏结1720。第二光伏电池包含具有第二晶格常 数与第二能隙的第二半导体材料，其中第二晶格常数不同于第一晶格常数，且第二能隙小 于第一能隙。如参考图11所示，第二光伏电池可在底ART区1130中邻接于如InGaAs的基 极1710而形成。特别地，第二光伏电池可包含η.型InGaAs的射极1150’、ρ型InGaAs的 基极1145’，并具有形成在射极和基极之间界面处的结1152’。缺陷捕获层1160设置于第一光伏电池与第二光伏电池之间。缺陷捕获层包括如 η+型InP的材料，该材料具有高于第二能隙的第三能隙。缺陷捕获层包含相邻于非晶材料 310 (如SiO2)的晶体材料(如InP)，且该晶体材料包括终止于非晶材料的缺陷。在如图15及图16所示结构的另一种替换结构中，太阳能电池可包含如图19所示 的生长超出沟槽320的薄膜，以生成ART缓冲层1900。所阐述的实施例描述了结合有ART 缓冲层1900的单结ART太阳能电池1905。晶格失配的材料的相邻离散区域接合形成单一 连续的薄膜，即ART缓冲层1900。接着生长太阳能电池的p-n结于该缓冲层上。太阳能电 池的P-n结可包含基极1910、射极1920，并具有设置在其上的金属1930。射极、基极以及介 电层的总厚度可介于约1至5μπι之间。上述结构可形成于如硅的基板300)上，且该基板 厚度约为300μπι。在基于ART缓冲层的实施例中，如图19的示例所示，侧壁复合不会降低 太阳能电池的性能，这是因为太阳能电池的有源区不存在于沟槽320。在图19中，始于SiO2侧壁325的顶部的垂直虚线为接合缺陷 (coalescencedefect) 1940。这种缺陷会出现在一定比例的SiO2基底(pedesatal)之上的 选择性生长的外延薄膜中，这种情况可因沉积条件而变化。降低结合缺陷的密度的示例性 方法包括·调整MOCVD的条件，以及 降低可引起缺陷的接合区域密度。为了降低这些区域的密度，可增加过生长的面 积(overgrowth area)(如图19中的L。g)的长度，意即增加SiO2基底的宽度。当L。jf加时，进入到Si与InGaAs区中的较小比例的低能量光不得不穿过陷阱捕 获区。其结果，这种结构不易受由捕获区内的错位吸收次能隙光而造成的影响。在某些实施例中，ART缓冲层由主要太阳能电池材料所形成。举例来说，InGaP形 成于顶部，而InGaAs形成于底部。在生长其他材料于缓冲层上之前，先平坦化缓冲层1900 是很值得做的。适用于InGap与InGaAs的平坦化工艺可为化学机械研磨(CMP)，其关键参 数的调整包括选择·浸袭表面并削弱化学键结的浆液(slurry)，·研磨颗粒的大小与材料， 板的硬度， 研磨作用力， 转速，
处理的持续时间，以及· CMP后合适的清洁步骤。图20显示了采用接合缓冲区去形成三结InGaP/Si/InGaAs电池2000的一个可选 实施例。单结的ART太阳能电池1905结合了 ART缓冲层1900，该ART缓冲层1900包括设 置在浸润层1140上的ρ+型InGaP，该p+型GaAs的浸润层1140形成在介电材料310中所 限定的开口中。基极1910，如ρ+型InGaP，设置于缓冲层1900上，以及射极1920，如η+型 InGaP，设置于基极上，而光伏结2020形成于射极1920与基极1910两者之间的界面。单结 ART太阳能电池1905具有介于1至5μπι之间的厚度。金属层1930，如NiAu，设置于单结 ART太阳能电池1930上。单结ART太阳能电池1930形成于如ρ型硅的基板300上，且基板厚度为约700 μ m。 如η.型硅的射极2030被限定于基板中，其余的ρ型基板则可限定为基极2040。这样，第二 光伏结2020，被限定于射极2030与基极2040之间的界面。隧道结1170与1170，则分别 形成于半导体基板300的顶面及底面。最后，第二单结ART太阳能电池1905，设置于基板300的背面，并与基极2040相 邻。电池1905，包含设置于n+型InGaAs的射极1920，与ρ型InGaAs的基极1910，之间 的第三光伏结2020，。ART缓冲层1900，可形成于η.型InP的捕获层1160，上，而捕获层 1160，设置于η.型GaAs的浸润层1140，上。参考图21a-图21i，用于制作三结InGaP/Si/InGaAs太阳能电池的示例性工艺处 理包含下列步骤1.提供具有顶面2100与底面2100’的晶体半导体基板300，如8时或12时的硅基 板。基板可为P型，并具有穿过顶面注入的η.型射极1705，从而在射极1705与基极1710 (由 基板的剩余部分所限定)之间限定一个η+/ρ太阳能电池结2110。此外，η+型射极可由外 延生长形成。η+型射极的掺杂水平比较高，如大于IX 1019/cm3，而基极的掺杂水平较低，如 小于lX1016/cm3。顶保护层2115，如厚度为约200nm的SiNx层，形成于顶部基板表面2100 上。2.基板的底面2100，或背面被注入ρ型掺杂质，如剂量介于IXlO1Vcm2至 2X IO1Vcm2之间的硼，较佳为1 X IO1Vcm2,采用介于5至20keV之间的能量注入，较佳为 IOkeV, 7°倾斜角，以形成薄层的ρ+型区，接着注入η型掺杂质，如剂量介于2Χ 1015/cm2 至5X1015/cm2之间的硼，较佳为5X1015/cm2 ；采用介于10至60keV的能量注入，较佳为 20keV,7°倾斜角，从而限定隧道结1170。上述两种注入工艺的剂量与能量应被优化，以使 贯穿隧道结两端的电压对于一个给定的电流能被最小化。η.区优选为是浅的，以避免抵消 较深的P+区。3.紧邻于基板的下表面2100’形成底绝缘层310’，可通过如采用CVD在基板的背 面沉积1至5 μ m厚的Si02来形成。多个底开口 320’，即ART沟槽穿过底绝缘层而被形成， 通过采用光刻与干蚀刻在Si02上制造ART沟槽来形成。4.第二晶体层，即第二晶格失配材料330’，被形成在底开口中，其形成方法如下， 在相同的MOCVD反应器中以单一步骤，生长厚度介于IOnm至Iym之间(约400nm)的η+型 GaAs/InP缓冲层(包括浸润层1140’和捕获层1160)与ρ型和η型的InGaAs电池层(1至 5μπι)(包含射极1150’，基极1145’，并具有设置在两者之间的光伏结1152’)。第二晶格失
18配层与晶体半导体基板晶格失配。大部分的缺陷始于最接近于晶体半导体基板的第二晶格 失配层的表面，并止于各自的底开口内。5.底保护层2115’，如厚度为约200nm的SiNx层，通过CVD被沉积于上述结构的背面。6.从基板的顶面2100移除顶保护层2115，可通过如干蚀刻来移除。接着可采用 合适的湿式洁净法，如piranha配方(硫酸与双氧水的水溶液)与氢氟酸蚀刻法清洁该基 板。7.邻接于基板的顶面形成顶绝缘层310，可通过如采用CVD在基板的顶面沉积1 至5 μ m厚的SiO2来形成。接着在顶绝缘层中限定多个顶开口 320如ART沟槽，通过如采 用光刻与干蚀刻在SiO2上制造ART沟槽来限定。8.第一晶格失配材料330，即第一晶体层如被形成于顶开口 320中，其形成方法如 下，在相同的反应器中以单一步骤生长GaAs浸润层1140与InGaP基极层1145。第一晶格 失配层与晶体半导体基板晶格失配。大部分的缺陷始于最接近于晶体半导体基板的第一晶 格失配层的表面，并止于各自的顶开口内。9.顶保护层2115，如厚度介于50nm至500nm之间，较佳为约200nm的SiNx层，通 过CVD被沉积于上述结构的顶侧上。接着通过干蚀刻及湿式洁净法如浸润piranha配方与 氢氟酸，从基板背面移除底保护层2115’。10.以电子束沉积法或溅镀法在上述结构的背面形成底金属层1155’。底金属层 可包含适当的组成以形成低接触电阻。举例来说，底金属层可包含Au/Ni合金或由Au/Ni 合金组成，其厚度介于约300nm至约1 μ m之间，较佳为约500nm。11.接着通过如干蚀刻的方法移除顶保护层2115，并以水清洁结构的顶面。再沉 积顶金属层1155于结构上。顶金属层可为合适的金属，使得其与相邻的半导体材料之间具 有低接触电阻。合适的金属，如Au/Ni合金，其厚度介于约500nm至约Iym之间。以光刻 与蚀刻在顶金属层1155中图案化接触层，接着在加工气体下进行回火以改善接触层。加工 气体为氢气(高至10%)与氮气的混合气体。该回火需足够高的温度与时间以改善接触 层，如回火温度介于约250°C至450°C之间，较佳为约400°C时间持续约1秒至5分钟，在快 速热回火统中较佳为1分钟。该回火也可采用传统炉并进行较长时间。上述步骤所产生的结构具有设置在基板300上的顶ART区1110，即第一太阳能电 池或光伏电池。第一太阳能电池包含具有第一晶格常数的第一半导体材料，即第一晶体层。 第一半导体材料包含第一 III-V族化合物，且第一太阳能电池具有由III-V族化合物限定 的第一光伏结1152。第二太阳能电池或光伏电池设置于第一太阳能电池下，如被限定于基 板300中。第二太阳能电池的材料，如硅，具有第二晶格常数，且第二晶格常数与第一半导 体材料的晶格常数失配。第二太阳能电池包含射极1705和基极1710，并具有被限定在两 者之间的第二光伏结2110。底ART区1130，即第三太阳能电池或光伏电池，设置于第二太 阳能电池与基板下。第三太阳能电池包括与第二太阳能电池材料晶格失配的第二半导体材 料，如第二 III-V族化合物以及光伏结1152’。第一太阳能电池具有第一能隙，如小于1. IeV0在某些实施例中，第一能隙小于 约0. SeV0第二太阳能电池设置于第一太阳能电池下方，并具有第二能隙，该第二能隙大于 第一能隙且近似于硅的能隙，即1. leV。第三太阳能电池设置于第二太阳能电池下方，并具有第三能隙，该第三能隙大于第二能隙，如大于1. leV。在某些实施例中，第三能隙大于约 1. 6eV0图 22 显示了五结 InGaP/GaAs/Si/GaAsSb/InGaAs 太阳能电池 2200。与图 11 所 示的实施例类似，此实施例在硅基板两侧采用ART，其中该硅基板具有限定于其中的光伏结 2110。ART被用以捕获缺陷，使得便于在硅基板的顶面与底面分别形成两个太阳能电池，即 具有GaAs的顶ART电池1110与具有GaAsSb的底ART电池1130。第四光伏电池2210，如 InGaP电池，形成于顶ART的GaAs电池上，而第五光伏电池2220，如InGaAs电池，形成于 GaAsSb电池上。后面两组电池对的晶格常数与相邻的材料的晶格常数实质上匹配，从而避 免晶格失配缺陷。图23表示了一实施例，在该实施例中，ART先应用于形成第一顶ART区1110，以捕 获由生长于硅基板上的InGaAs太阳能电池的晶格失配所产生的缺陷，该InGaAs太阳能电 池具有约0. 7eV的能隙。接着在第一顶ART区上形成第二顶ART区1110，。第二顶ART区 包含具有约1. 4eV能隙的GaAs太阳能电池。最后在第二顶ART区1110’上生长包含如η 型与P型InGaP的第三太阳能电池2300，即生长于GaAs电池上，其中上述第三太阳能电池 的能隙为约1. SeV0综上所述，在基板两侧上制备多结太阳能电池可不采用ART技术。虽然ART提供 一种极佳的方法以减少由不同材料晶格失配所形成的缺陷，本领域普通技术人员在本发明 的基础上应了解如何采用其他技术得到合适的或可容忍的缺陷等级。举例来说，图24显示 了使用组成渐变式顶缓冲层2400与组成渐变式底缓冲层2400’，如形成在基板300 (如硅 基板)两侧上的InGaP组成渐变式缓冲层，以形成三结InGaP/Si/InGaAs太阳能电池。示 例出的渐变式缓冲层2400与2400’都以邻接于硅基板所形成的GaP开始(因为GaP与硅 的晶格常数较匹配)。在硅基板顶侧上，渐变式缓冲层2400的组成由GaP渐变为(近似) Ina5Gaa5P层。在硅基板底侧，渐变式缓冲层2400，的组成由GaP渐变为近似InxGai_xP，以 接近InGaAs的晶格常数。在示例性的结构中，渐变式顶缓冲层2400设置于第一光伏电池 (InGaP顶光伏电池2410)与第二光伏电池(硅基板300光伏电池)之间，渐变式底缓冲层 2400’设置于第二光伏电池(硅基板300光伏电池)与第三光伏电池(InGaAs底光伏电池 2410’)之间。本领域普通技术人员能够了解组成渐变式缓冲层的材料和诸如厚度、生长条 件之类的其他参数的选择标准。本领域普通技术人员也能够了解如何应用其他非ART和渐变式缓冲层的技术，如 晶片接合、在平台区上选择性外延或直接外延晶格失配材料，以利于在基板两侧形成太阳 能电池。例如，图25a及图25b表示了一个采用晶片接合或层转换以形成三结InGaP/Si/Ge 太阳能电池2500的实施例。以适当掺杂注入法将单结硅太阳能电池2510 (即第一有源光 电元件层)与单结锗太阳能电池2520 (即第二有源光电元件层)分别制造在硅基板与锗基 板上。InGaP太阳能电池2530形成于GaAs基板2540上。接着以晶片接合技术将硅太阳能 电池2510、锗太阳能电池2520以及InGaP太阳能电池2530结合成三结太阳能电池2500， 并可通过例如湿蚀刻移除GaAs基板2540。举例来说，第一有源光电元件层可形成于InGaP 太阳能电池2530中，并接合至(包括太阳能电池)硅基板2510的顶面。第二有源光电元 件层可形成于锗太阳能电池2520中，并接合至硅基板2510的底面。第三有源光电元件层 可由硅基板2510限定。图25b表示了一个实施例，具有从InGaP太阳能电池2530经硅太阳能电池2510后并流进锗太阳能电池2520的电流路径。在一可选实施例中，三个电池间的电流不需匹配。每一电池之间可包含介电层，在 这种情况下，分离电极被使用于这三个电池中的每一个。在某些实施例中，至少部分ART区可形成于基板中，而非形成于基板上。如图 26a-图26f所示的示例性工艺，首先提供基板300如硅基板。接着在基板300上形成掩模 层2600。掩模层2600可包含薄氧化硅2610，以及设置于氧化硅层2610上的较厚氮化硅层 2620。氧化硅层的厚度可为约lOOnm，而氮化硅层的厚度可为约lOOOnm。氧化硅层夹设于 氮化硅层与基板之间，以降低氮化硅层的碎裂。接着以光刻图案化步骤来图案化掩模层，并 以干蚀刻形成开口 2630，开口 2630穿过掩模层2600后进入基板300。开口 2630可为沟槽， 其宽度介于20nm至20 μ m之间，其深度被选择为使得沟槽的深宽比(沟槽深度与沟槽宽度 的比例)大于1。接着在掩模层2600上和沿着沟槽2630的侧壁顺应性地沉积第二氧化硅 层2640，或沿着沟槽2630的侧壁生长第二氧化硅层2640。接着对第二氧化硅层2640进行 干蚀刻，将第二氧化硅层2640从氮化硅层2620与开口底部2650的底部移除，并将第二氧 化硅层2640保留于开口侧壁2660上。氧化硅的薄层厚度介于10至lOOnm，较佳为25nm， 生长于氧化硅部分2620和并开口的暴露底部上，接着以氢氟酸浸润法移除上述薄氧化层。 生长并剥除薄氧化层以清洁沟槽底部的表面，这样可移除在沟槽干蚀刻之后的损伤及残留 的碳化物。经上述工艺后形成的结构包括限定于基板300中的开口 2630并具有设置于开 口侧壁上与基板300的顶面的氧化硅层2610、2640。上述结构提供适于外延生长的暴露的 晶体表面(即开口底部中暴露的基板材料)，并提供衬有介电材料的开口，以适于由ART捕 获在形成于开口中的晶格失配材料中造成的缺陷。接着在开口中可形成晶格失配材料330， 以形成前述的太阳能电池结构。虽然本发明已通过多个特定实施例揭示如上，本领域普通技术人员应能知悉，在 不脱离本发明之精神与范畴的前提下，可以进行些许更动，本发明的保护范围以所附的权 利要求书为准。
2权利要求
一种结构，包括一半导体基板，具有一项面及一底面；一顶绝缘层，被设置于邻近该半导体基板的顶面，且限定了一顶开口；一底绝缘层，被设置于邻近该半导体基板的底面，且限定了一底开口；一第一晶体层，被设置于该顶开口中，该第一晶体层与该半导体基板晶格失配，大部分晶格失配缺陷始于最接近于该半导体基板的该第一晶体层的表面，并止于该顶开口；以及一第二晶体层，被设置于该底开口中，该第二晶体层与该半导体基板晶格失配，大部分晶格失配缺陷始于最接近于该半导体基板的该第二晶体层的表面，并止于该底开口。
2.—种结构，包括 一基板；一第一光伏子电池，被形成于该基板上，且该第一光伏子电池包括具有一第一晶格常 数的一第一半导体材料；一第二光伏子电池，被形成于该第一光伏子电池下，该第二光伏子电池包括具有一第 二晶格常数的一第二半导体材料，且该第二晶格常数不同于该第一晶格常数；以及一第三光伏子电池，被形成于该第二光伏子电池与该基板下，该第三光伏子电池包括 具有一第三晶格常数的一第三半导体材料，且该第三晶格常数不同于该第二晶格常数。
3.如权利要求2所述的结构，其中该第一半导体材料包括一III-V族化合物，且该第一 光伏子电池包括由该III-V族化合物限定的第一光伏结。
4.如权利要求2所述的结构，其中该第二光伏子电池包括限定于该基板中的第二光伏结。
5.如权利要求2所述的结构，其中该第一光伏子电池包括一第一III-V族化合物，该第 二光伏子电池包括硅，且该第三光伏子电池包括一第二 III-V族化合物。
6.如权利要求2所述的结构，其中该基板包括硅。
7.如权利要求2所述的结构，还包括一设置于该第一光伏子电池与该第二光伏子电池 之间的组成渐变式缓冲层。
8.如权利要求2所述的结构，还包括设置于该第一光伏子电池与该第二光伏子电池之 间的缺陷捕获层，该缺陷捕获层包括(i) 一晶体材料，包括由该晶体材料与邻接的半导体 材料晶格失配产生的缺陷，以及(ii) 一非晶材料，该缺陷止于该非晶材料。
9.一种结构，包括一第一光伏子电池，包括具有一第一晶格常数与一第一能隙的一第一半导体材料； 一第二光伏子电池，包括具有一第二晶格常数与一第二能隙的一第二半导体材料，该 第二晶格常数不同于该第一晶格常数，且该第二能隙小于该第一能隙；以及一缺陷捕获层，被设置于该第一光伏子电池与该第二光伏子电池之间，该缺陷捕获层 具有大于该第二能隙的一第三能隙，且该缺陷捕获层包括一晶体材料和一非晶材料，该晶 体材料包括终止于该非晶材料的缺陷。
10.一种结构，包括一第一缺陷捕获层，包括紧邻并接触一第一非晶材料的一第一晶体材料，该第一晶体 材料包括由该第一晶体材料与第一邻接材料晶格失配所产生的缺陷，该缺陷终止于该第一 非晶材料；以及一第二缺陷捕获层，被设置于该第一缺陷捕获层下，该第二缺陷捕获层包括紧邻并接 触一第二非晶材料的一第二晶体材料，该第二晶体材料包括由该第二晶体材料与第二邻接 材料晶格失配所产生的缺陷，该缺陷终止于该第二非晶材料。
11.如权利要求10所述的结构，其中该第一缺陷捕获层与该第二缺陷捕获层被设置于 基板的相对侧上，该基板包括该第一邻近材料与该第二邻近材料，且该第一邻近材料与该 第二邻近材料相同。
12.如权利要求10所述的结构，其中该第一缺陷捕获层与该第二缺陷捕获层都设置于 一基板上，该基板包括该第一邻接材料，且该第一缺陷捕获层包括该第二邻接材料。
13.如权利要求10所述的结构，还包括设置于该第一缺陷捕获层与该第二缺陷捕获层 之间的一太阳能子电池。
14.如权利要求10所述的结构，还包括设置于该第二缺陷捕获层下的一太阳能子电池。
15.如权利要求10所述的结构，还包括设置于该第一缺陷捕获层上的一太阳能子电池。
16.如权利要求10所述的结构，还包括具有第一晶格常数的一第一半导体材料，被设置于该第一缺陷捕获层上；以及 具有一第二晶格常数的一第二半导体材料，被设置于该第二缺陷捕获层上，且该第二 晶格常数不同于该第一晶格常数。
17.一种光电元件的形成方法，包括 提供一基板；形成一第一有源光电元件层于该基板上；以及 形成一第二有源光电元件层于该基板下，其中该第一有源光电元件层与该第二有源光电元件层的形成步骤都包括外延生长法。
18.如权利要求17所述的光电元件的形成方法，其中该基板包括一第三有源光电元件层。
19.如权利要求17所述的光电元件的形成方法，其中该第一有源光电元件层包括一第 一太阳能电池结，且该第二有源光电元件层包括一第二太阳能电池结。
20.一种多结太阳能电池元件，包括一第一太阳能子电池，包括一第一非硅光伏结； 一第二太阳能子电池，被设置于该第一太阳能子电池下，且该第二太阳能子电池包括 一硅光伏结；以及一第三太阳能子电池，被设置于该第二太阳能子电池下，且该第三太阳能子电池包括 一第二非硅光伏结。
21.—种多结太阳能电池元件，包括 一第一太阳能子电池，具有一第一能隙；一第二太阳能子电池，被形成于该第一太阳能子电池下，该第二太阳能子电池具有大 于该第一能隙的一第二能隙，且该第二能隙约等于1. IeV ；以及一第三太阳能子电池，被形成于该第二太阳能子电池下，该第三太阳能子电池具有大于该第二能隙的一第三能隙。
22.如权利要求21所述的多结太阳能电池元件，其中该第一能隙小于1.leV，且该第三 能隙大于1. IeV0
23.如权利要求22所述的多结太阳能电池元件，其中该第一能隙小于约0.SeV0
24.如权利要求21所述的多结太阳能电池元件，其中该第二能隙介于约LOeV至约 1. 2eV之间。
25.如权利要求21所述的多结太阳能电池元件，其中该第三能隙大于约1.6eV。
全文摘要
太阳能电池结构包括多个子电池，该子电池结合了可具有不同晶格常数的不同材料。在一些实施例中，太阳能电池元件包括多个光伏结。
文档编号H01L31/078GK101884117SQ200880110967
公开日2010年11月10日 申请日期2008年6月26日 优先权日2007年9月7日
发明者安东尼·J·罗特费尔德, 詹姆斯·费兰札 申请人:琥珀波系统公司