用于加速外延剥离的应变控制的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉参考
[0002] 本申请要求2012年6月4日提交的美国临时专利申请号61/655, 084的优先权， 将所述美国临时专利申请的整体通过参考并入本文中。
[0003] 关于联邦咨助的研究的声明
[0004] 本发明是在政府支持下依据由陆军研宄办公室（Army Research Office)授予的 W911nF-08-2-0004而做出。政府在本发明中具有一定权利。
[0005] 联合研究协议
[0006] 本申请的主题内容是代表、和/或连同参加共同大学-公司研宄协议的以下各方 的一方或多方而做出：密歇根大学和全球光子能公司。所述协议在做出本申请的主题内容 之日及之前已生效，并且本申请的主题内容因在协议范围内进行的活动而做出。
技术领域
[0007] 本公开通常涉及通过使用外延剥离（epitaxial lift off) (ELO)制造电活性、光 学活性、太阳能、半导体和薄膜材料如光伏（PV)器件的方法。
【背景技术】
[0008] 光敏性光电装置将电磁辐射转化成电。太阳能电池也称为PV器件，是一类具体地 用于产生电力的光敏性光电器件。PV器件可以从除太阳光以外的光源产生电能，可用以驱 动耗电负荷以提供例如照明、加热或为电子电路或装置如计算器、收音机、计算机或远距监 控或通讯设备供电。
[0009] 为了产生内生电场，常用的方法是并置两层材料，所述材料具有适当选择的传导 性，特别是就其分子的量子能态分布方面进行适当选择的传导性。将这两种材料的界面称 作光伏结。在传统的半导体理论中，已经将用于形成PV结的材料通常指定为η型或者P型。 在此，η型表示多数载流子类型是电子。可将其视为具有许多在相对自由能态中的电子的 材料。P型表示多数载流子类型是空穴。这些材料具有许多在相对自由能态的空穴。背景 类型即非光生的多数载流子的浓度主要取决于由缺陷或杂质引起的无意掺杂。杂质的类型 和浓度决定了在传导带最小能量和价带最大能量之间的能隙内的费米能量或水平。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。费米能量接近传导带最小能量表示电子是主要载流子。费米能量接近价带最大能量 表示空穴是主要载流子。相应地，费米能量是传统半导体的主要表征性质，并且原型PV结 传统上是ρ-η界面。
[0010] 常规的无机半导体PV电池采用ρ-η结以建立内场。典型地在昂贵的单晶生长基 底上制造高效的PV器件。这些生长基底可以包括单晶晶片，该单晶晶片可用于产生完整晶 格及结构支撑用于又名"外延层"的活性层的外延生长。可以将这些外延层与其初始生长 基材完整地集成到PV器件中。或者，可以将那些外延层移除并且与主体基底重组。
[0011] 在一些情况下，可能期望将外延层转印到显示期望的光学、机械或热性质的主体 基底上。例如，可以在硅（Si)基底上生长砷化镓（GaAs)外延层。然而，对于某些电子应用， 所得材料的电子质量可能不足。因此，可能期望保持晶格匹配外延层的高的材料质量，同时 允许将那些外延层集成到其它基底中。这可以通过称为外延剥离的方法实现。在外延剥离 方法中，外延层可以被"剥离离开"生长层，与新的主体基底重新组合（例如结合或粘附）。
[0012] 虽然其可提供期望的外延生长特性，但是典型的生长基底可为厚的并且产生过多 重量，并且所得装置倾向于易碎并且需要庞大的支撑系统。外延剥离可为将外延层从其生 长基底转印到更有效的、轻质、并且柔性的主体基底上的期望的方式。考虑到典型生长基底 的相对稀缺性以及其赋予所得电池结构的所需特性，可能期望在后续外延生长中对生长基 底进行循环和/或再利用。
[0013] ELO方法对于太阳能电池应用来说是有吸引力的，并且通过再使用本源晶片可能 使III-V类器件的制造成本降低。对于光电器件如光伏电池和光检测器，与常规基底晶片 基器件相比，通过制造具有背侧反射镜（back side reflector)的薄膜装置，需要约一半 的活性区厚度以吸收等量的入射辐射。通过减少外延层的材料消耗和生长时间，较薄的活 性层也可实现制造成本的降低。此外，背侧反射镜会防止通过发光所发射的光子寄生吸收 到基底中并且允许"光子循环"增大，这是实现肖克利-奎塞尔限制（Shockley-Queisser Limit)的必要条件。这种光子循环允许剥离电池比基板电池具有增大的开路电压。
[0014] 为了加速牺牲层的侧向刻蚀过程，通常对剥离薄膜和柔性的柄（handle)材料（例 如塑料、蜡、金属箔、光阻剂等）施加曲度。这通过使用重量而弯曲远离晶片或弯曲所述 柄以在晶片和外延层之间打开间隙来进行。然而，这种方法需要精确的外延层支撑设置 (setup)或附加的转印步骤。此外，如果所述外延层支撑设置在外延层上引起过多的应变或 过大的膜曲度，那么单晶薄膜中可能产生裂缝。
[0015] 仍需要通过控制柄上的应变以及简化剥离设置以加速ELO方法。
【发明内容】
[0016] 本公开的一个实施方式涉及用于外延剥离的薄膜装置，其包含柄和一个或多个配 置在所述柄上的应变层，其中所述一个或多个应变层引起柄弯曲。
[0017] 在另一实施方式中，本公开涉及用于外延剥离的薄膜装置，其包含生长基底、柄和 一个或多个配置在所述生长基底和所述柄中的至少一者上的应变层，其中使其上任选配置 有一个或多个应变层的所述柄结合于生长基底，并且其中所述一个或多个应变层在柄上引 起至少一种选自拉伸应变、压缩应变和近中性应变的应变。
[0018] 在另一实施方式中，本公开涉及用于外延剥离的薄膜装置，其包含配置在生长基 底上的外延层、柄和一个或多个配置在所述生长基底和所述柄中的至少一者上的应变层， 其中使其上任选配置有一个或多个应变层的所述柄结合于生长基底，并且其中所述一个或 多个应变层在柄和外延层中的至少一者上引起至少一种选自拉伸应变、压缩应变和近中性 应变的应变。在一些实施方式中，所述一个或多个应变层在柄和外延层上引起至少一种应 变。
[0019] 在另一实施方式中，本公开涉及用于外延剥离的薄膜装置，其包含配置在生长基 底上的牺牲层和外延层、柄和一个或多个配置在所述生长基底和所述柄中的至少一者上的 应变层，其中使其上任选配置有一个或多个应变层的所述柄结合于生长基底，并且其中所 述一个或多个应变层在牺牲层、外延层和柄中的至少一者上引起至少一种选自拉伸应变、 压缩应变和近中性应变的应变。在一些实施方式中，所述一个或多个应变层在牺牲层、外延 层和柄上引起至少一种应变。
[0020] 在另一实施方式中，本公开提供用于外延剥离的薄膜装置，其包含配置在柄上的 至少一个牺牲层和至少一个应变层，其中所述应变层由至少一种选自金属、半导体、介电质 和非金属的材料组成，并且其中所述应变层引起柄弯曲。
[0021] 在又一个实施方式中，本公开提供用于外延剥离的薄膜装置，其包含配置在柄上 的至少一个牺牲层和至少一个应变层，其中所述应变层由至少一种选自金属、半导体、介电 质和非金属的材料组成，并且其中所述柄在来自应变层的拉伸或压缩应变下弯曲。
[0022] 在另一实施方式中，本公开提供由金属组成的应变层。这种金属的合适的实例包 括纯金属如金、镍、银、铜、鹤、铂、钮、钽、钼或络，或含有铱、金、银、铜、鹤、铂、钮、钽、钼和/ 或铬的金属合金。
[0023] 在本公开的一些实施方式中，应变层引起柄弯曲。在一些实施方式中，在蚀刻牺牲 层时所述一个或多个应变层引起柄弯曲。在一些实施方式中，在与生长基底分开时所述一 个或多个应变层引起柄弯曲。在一些实施方式中，柄向着生长基底弯曲。在一些实施方式 中，应变层引起柄远离生长基底弯曲。在一些实施方式中，应变层将柄的弯曲最小化。
[0024] 在一个实施方式中，本公开提供制造用于外延剥离的薄膜装置的方法，其包括在 柄上沉积一个或多个应变层，其中所述一个或多个应变层在柄上引起至少一种选自拉伸应 变、压缩应变和近中性应变的应变。在一些实施方式中，所述方法能引起柄弯曲。
[0025] 在另一实施方式中，本公开提供应变层，其引起拉伸应变以引起柄向着生长基底 弯曲。
[0026] 在一个实施方式中，本公开提供制造用于外延剥离的薄膜装置的方法，其包括提 供生长基底和柄、在所述生长基底和所述柄中的至少一者上沉积一个或多个应变层，