CN102576655A - 脉冲沉积与再结晶以及利用结晶化/非晶物质的堆叠式太阳能电池设计 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种使材料在基板上沉积且结晶的方法。在一特定实施例中，所述方法可包含产生含有与沉积相关的物质以及携带能量的物质的电浆。在第一时间段期间，无偏压电压施加于所述基板，且物质经由电浆沉积而沉积于所述基板上。在第二时间段期间，电压施加于所述基板，所述电压吸引离子且吸引至所述沉积物质中，从而引起所述沉积层结晶。可重复所述程序直至获得足够厚度。在另一实施例中，可改变所述偏压电压或偏压脉冲的持续时间以改变所发生的结晶化程度。在另一实施例中，可使用掺杂剂掺杂所述沉积层。

Description

脉冲沉积与再结晶以及利用结晶化/非晶物质的堆叠式太阳能电池设计
背景技术
诸如平板显示器(flat panel display，FPD)以及太阳能电池的新兴技术的广泛采用取决于在低成本基板上制造电装置(electrical device)的能力。在FPD的制造中，典型的低成本平板显示器(FPD)的像素是由薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)切换，所述薄膜晶体管通常可制造于沉积于惰性玻璃基板上的非晶硅薄膜(约50奈米厚)上。然而，改良的FPD需要像素效能更佳的TFT，且宜在面板上直接制造高效能电子控制器。其一个优点可为减少所需成本以及在面板与外部控制电路之间的不可靠的连接。
目前FPD含有经由低温沉积法沉积于显示器玻璃面板上的硅层，所述沉积法诸如溅镀法(sputtering)、蒸镀法(evaporation)、电浆增强化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)或低压化学气相沉积法(low pressure chemical vapor deposition，LPCVD)。所述低温法合乎需求，因为用于制造FPD的面板倾向于为非晶的且所具有的玻璃转变温度约为600℃。若在600℃以上制造，则面板可能具有不均匀或不平坦的结构或表面。而在耐受温度较高的玻璃面板，诸如石英或蓝宝石面板；然而，所述玻璃的高成本阻碍其使用。若价格较便宜，则有可能进一步降低成本，可使用耐受温度较低的玻璃或塑胶面板。
然而，低温沉积法不会产生最佳硅膜。如此项技术中所知，固体硅具有三种常见相：非晶相、多晶相以及单晶相。若硅在低温下沉积，则沉积的硅膜倾向于呈非晶相。与基于多晶或单晶硅膜的薄膜晶体管的通道相比，基于非晶硅膜的薄膜晶体管的通道可具有较低迁移率。
为获得多晶或单晶硅层，面板可经历其他制程以使非晶硅膜转化成多晶或单晶膜。为获得含有多晶硅膜的面板，面板可经历准分子激光器退火(ELA)制程。ELA制程的实例的更多详情可见美国专利第5,766,989号。为获得含有较大晶体的面板，面板可经历称为依序性横向固化(Sequential Lateral Solidification，SLS)制程的制程。SLS制程的实例可见美国专利第6,322,625号。虽然ELA与SLS制程可产生含单晶或多晶硅薄膜的面板，但各制程均不是没有缺点。举例而言，所述两种制程中所使用的准分子激光器可能操作费用昂贵，从而产生昂贵的TFT。另外，负载循环(duty cycle)对将非晶硅最佳地转化为结晶硅而言可能不是最佳的。另外，准分子激光器的输出功率可具有脉冲-脉冲变化及空间不均匀性，此可能影响所述制程的均匀性。亦可存在可能由例如光束自干扰所引起的脉冲内不均匀性。所述脉冲间与脉冲内不均匀性会导致含有不均匀晶体的硅膜。
所述问题亦存在于太阳能电池制造中。能够产生低成本非晶硅或结晶硅可降低所述面板的成本，从而增加其作为替代能源的吸引力。因而，需要成本高效且生产价值高地在低成本基板上制造高品质结晶材料的新颖粒子处理方法以及设备。另外，能够选择性地产生非晶或结晶硅层可有助于制造太阳能电池。
发明内容
本发明揭示一种使材料在基板上沉积且结晶的方法。在一特定实施例中，所述方法可包含产生含有与沉积相关的物质以及携带能量的物质的电浆。在第一时间段期间，无偏压电压施加于基板，且物质经由电浆沉积而沉积于基板上。在第二时间段期间，电压施加于基板，所述电压吸引离子且吸引至沉积物质中，从而引起沉积层结晶。可重复所述制程直至获得足够厚度。在另一实施例中，可改变偏压电压或偏压脉冲的持续时间以改变所发生的结晶化程度。在另一实施例中，可使用掺杂剂掺杂沉积层。
附图说明
为有助于全面理解本发明，现参考附图，在附图中，相同特征用相同标号表示。所述图不应理解为限制本发明，而仅为例示性的说明。
图1是可使非晶材料转变成结晶材料的各种机制的方框图。
图2显示一个实施例所使用的电浆辅助掺杂***(PLAD)。
图3是显示偏压电压的脉冲图形的时序图。
图4是显示偏压电压的脉冲图形与所提供的材料的状态的时序图。
图5是显示结晶化的热依赖性的曲线图。
图6是显示偏压电压的脉冲图形与RF源功率的电压波形的时序图。
图7显示一般串联电池的示意图。
图8是显示非晶与结晶硅层的示意图。
图9是显示沉积硅的结晶化梯度的示意图。
具体实施方式
如上所述，诸如使用激光的高温退火可能较昂贵，所以成为用于产生FPD以及太阳能电池的不具吸引力的替代方案。因此，需要寻求产生结晶硅的替代方法。
在本案中，使用基板描述若干实施例。此基板可为晶圆(例如硅晶圆)或包括多个膜的基板。另外，基板可为仅含一种元素的元素基板(例如硅晶圆或金属箔)；含有一种以上元素的化合物基板(例如SiGe、SiC、InTe、GaAs、InP、GaInAs、GaInP、CdTe、CdS以及(Cu、Ag和/或Au)与(Al、Ga和/或In)以及(S、Se和/或Te)的组合(诸如CuInGaSe、CuInSe2)、其他第III-V族半导体以及其他第II-VI族化合物)；和/或合金基板。基板中所含的材料可为金属、半导体和/或绝缘体(例如玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)、蓝宝石以及石英)。另外，基板可为含有多个层的薄膜基板(例如绝缘体上硅(SOI))。若基板包括多个层，则至少一个层可为半导电膜(semicoducting film)或金属膜，而另一个膜可为绝缘体。半导电或金属膜可安置于单个绝缘膜上，或者***多个绝缘膜之间。反之，绝缘膜可安置于单个半导电或金属膜上，或者***多个半导电或金属膜或两者之间。
使薄非晶硅层结晶成为结晶层的最快速机制为固相外延再生长(solid phase epitaxial re-growth，SPER)。在SPER中，非晶硅可藉由展延预先存在的下层展延晶体层来转变成结晶硅。此情形通常在结晶硅晶圆的表面层经离子植入而非晶化之后退火期间遇到。然而，所述方法通常以已变成非晶的结晶基板开始。本发明是关于沉积结晶膜的方法。因此，可能不存在可展延的预先存在的晶体层。此外，当产生结晶膜时，可能不存在结晶晶圆，因为材料可沉积于基板上。
一种产生结构的方法为处理非晶基板，其中不存在预先存在的展延晶格且在晶体生长之前经由晶体成核发生相变。参考图1，显示不存在预先存在的展延晶格的材料可自非晶相转变成结晶相的各种机制的方框图。如此项技术所知，结晶相可分为多晶相或单晶相。视晶体大小而定，多晶相有时可进一步细分为不同类别(诸如多晶、微晶、奈米晶等)。然而，在本案的情况下，所述区别可能不重要，且可能没必要描述图1。因此，所述相在本文中可统称为结晶相。
如图1所说明，自非晶相相变为结晶相可经由各种机制发生。举例而言，转变可经由熔融-凝固机制10a以及固相结晶化(solid phasecrystallization，SPC)转变机制10b发生。在熔融-凝固机制10a以及SPC机制中，转变可经由微晶的成核作用以及微晶的生长发生。在SPER机制中，转变可藉由在预先存在的展延晶格上生长而发生。
在熔融-凝固机制10a中，呈辐射能、热能或动能形式的能量可引入一部分非晶基板中并使所述部分熔融。若熔融区的条件足以诱导成核作用(例如过冷)，则晶体可如经典成核理论所述成核。晶体可经由两种方案成核。晶体可在预先存在的晶种上异质成核。预先存在的晶种可为在引入能量之后不熔融的预先存在的晶体的晶粒边界(grain boundary)。预先退出的晶种亦可为熔融区与相邻固态区之间的边界。若不存在预先存在的晶种，则晶体可均质成核。成核之后，晶体可生长直至生长停止。
在固相转变机制10b中，即使不发生熔融，相变亦可发生。举例而言，晶体可在引入能量的区中成核，且成核之后可为成核晶体的生长。如在熔融方法的情况下，若存在预先存在的晶种，则SPC期间的成核可异质发生，或若无所述晶种存在，则成核均质发生。
在本案中，粒子可引入基板中以诱导相变。相变可为自非晶相相变成多晶和/或单晶相中的一种。另外，相变可经由成核以及晶体生长发生。为诱导转变，粒子可引入基板上表面、基板下表面或上表面与下表面之间的区或其组合附近。若基板包括两种或两种以上不同材料，则粒子可引入不同材料的界面附近的区中。
可引入许多类型的粒子来诱导相变。举例而言，可使用相对于基板呈化学和/或电惰性的粒子。然而，亦可使用化学和/或电活性材料。如上所述，粒子可为带电或中性次原子粒子、原子粒子或分子粒子或其组合。在一些实施例中，分子粒子较佳。在其他实施例中，团簇粒子较佳。因为分子以及团簇粒子可以极高剂量以及能量引入基板中，所以其可能较佳。详言之，引入基板中的分子以及团簇粒子可在撞击后崩解，且粒子的动能可按粒子原子的原子量的比率分享。重叠碰撞级联可实现与原子粒子以极高剂量率引入类似的结果。归因于分子粒子的较高质量，其亦可以极高能量引入基板中。在植入器电浆辅助掺杂***(plasmaassisted doping system，PLAD)以及PIII中产生原子以及分子物质为熟习此项技术者所熟知。关于团簇粒子的产生的详细描述可见美国专利第5,459,326号，其以全文引用的方式并入本文中。
引入基板中的粒子的选择亦可视粒子对基板的影响而定。一些特征以及说明性实例显示于表1中。
表1
Figure BDA0000142682810000051
当粒子引入基板时，粒子的动能可转移至基板中。转移的动能的量值可视粒子的大小、质量以及能量而定。举例而言，引入基板的重离子可比较轻离子更易发生核阻止(nuclear stopping)。当粒子经由核阻止机制损失其动能时，所述机制倾向于形成缺陷，诸如悬空键、空位以及双空位，所述缺陷的存在会增强结晶程序。同时，经由电子阻止转移至基板的动能可引起结晶化。
视粒子能量、粒子传递的位置以及基板性质(例如基板的热导率、热容以及熔融温度)而定，可在基板的上表面、基板的下表面、上表面与下表面之间的区、或不同材料的界面附近起始晶体的成核。此后，相变可在远离起始转变的位置的方向上继续。
不同于基于辐射的相变，经由粒子引入沉积于基板的能量可在表面上或者在表面下方出现峰值。另外，粒子可以恒定能量引入基板中。或者，粒子可以变化的能量引入。举例而言，引入基板中的粒子能量可在粒子引入时发生变化。能量的变化可连续或依序发生。若使用光束线粒子***(beam-line particle system)，则粒子能量可在使用与本文所述的光束线***相关的加速或减速电压引入粒子期间变化。若使用PLAD、PIII或其他基于电浆的***，则能量可在藉由改变施加于基板的电压而引入期间变化。
图2显示PLAD的代表性图示。电浆掺杂***100包含界定围闭体积103的处理腔室102。压板134可位于处理腔室102中以支撑基板138。在一种情况下，基板138可为盘状半导体晶圆，诸如在一实施例中，为直径为300毫米(mm)的硅晶圆。在其他实施例中，基板可为金属箔或任何上述材料。基板138可经由静电力或机械力夹持于压板134的平坦表面上。在一实施例中，压板134可包含用于与基板138建立连接的传导销(conductive pin)(未图示)。
气体源104经由质流控制器106给处理腔室102的内部体积103提供掺杂气体。气体挡板170位于处理腔室102中以使来自气体源104的气体流偏转。压力计108量测处理腔室102内部的压力。真空泵112经由处理腔室102的排气口110抽出处理腔室102的排气。排气阀114控制经由排气口110的排气传导。
电浆掺杂***100可进一步包含电连接至质流控制器106、压力计108以及排气阀114的气体压力控制器116。气体压力控制器116可经配置以藉由用排气阀114控制排气传导或用响应压力计108的反馈回路中的质流控制器106控制处理气体流率来使处理腔室102中维持合乎需要的压力。
处理腔室102可具有腔室顶部118，腔室顶部118包含在一般水平方向上展延的由介电材料形成的第一部分120。腔室顶部118亦包含在一般垂直方向上自第一部分120展延某一高度的由介电材料形成的第二部分122。腔室顶部118进一步包含在水平方向上展延横跨第二部分122的由电导性以及热导性材料形成的盖子124。
电浆掺杂***可进一步包含源101，其经配置以在处理腔室102内产生电浆140。源101可包含射频(RF)源150(诸如电源)以给平面天线126与螺旋天线146中的一者或两者供给RF功率，从而产生电浆140。RF源150可经由使RF源150的输出阻抗与RF天线126、146的阻抗相匹配的阻抗匹配网络152耦连于天线126、146，以便使自RF源150转移至RF天线126、146的功率达到最大。
电浆掺杂***100亦可包含电耦连于压板134的偏压电源148。偏压电源148经配置以提供具有脉冲开启与脉冲关闭周期的脉冲压板信号以对压板134且因此基板138加偏压，且在脉冲开启周期期间使来自电浆140的离子加速接近基板138，而在脉冲关闭周期期间则不然。偏压电源148可为DC或RF电源。
电浆掺杂***100可进一步包含安置在压板134周围的屏蔽环194。如此项技术所知，屏蔽环194可经加偏压来改良基板138边缘附近的植入离子分布的均匀性。一或多个法拉第感测器(Faraday sensor)(诸如环形法拉第感测器199)可位于屏蔽环194中以感测离子束电流。
电浆掺杂***100可进一步包含控制器156以及使用者界面***158。控制器156可为或包含可编程以进行合乎需要的输入/输出功能的通用计算机或通用计算机网络。控制器156亦可包含其他电子电路或组件(诸如特殊应用集成电路)、其他固线式或可编程电子装置、离散元件电路等。控制器156亦可包含通信装置、数据储存装置以及软件。为清楚图示起见，图示控制器156为仅给电源148、150提供输出信号并自法拉第感测器199接受输入信号。熟习此项技术者将认识到控制器156可给电浆掺杂***的其他组件提供输出信号并自其他组件接受输入信号。使用者界面***158可包含诸如触控屏幕、键盘、使用者指标装置、显示器、打印机等装置以允许使用者输入命令以和/或数据以和/或经由控制器156监视电浆掺杂***。
在操作中，气体源104供给含有合乎需要的掺杂剂的初始掺杂气体以植入基板138中。气体压力控制器116调节初始掺杂气体供给至处理腔室102中的速率。源101经配置以在处理腔室102中产生电浆140。源101可由控制器156控制。为产生电浆140，RF源150使RF天线126、146中的至少一者中的RF电流共振以产生振荡磁场。振荡磁场诱导RF电流进入处理腔室102中。处理腔室102中的RF电流激发并电离初始掺杂气体以产生电浆140。
偏压电源148提供脉冲压板信号以对压板134且进而基板138加偏压，从而在脉冲压板信号的脉冲开启周期期间使来自电浆140的离子加速接近基板138。脉冲压板信号的频率和/或脉冲的负载循环可经选择以提供合乎需要的剂量率。脉冲压板信号的幅值可经选择以提供合乎需要的能量。在所有其他参数均相同的情况下，较高能量将产生较大的植入深度。在一些实施例中，电浆掺杂***100可合并热或冷离子植入。
图3显示由偏压电源148供给以对压板134加偏压的电压的波形。通常，偏压电压自接地电压脉冲为负电压以自电浆140吸引正离子。在此实施例中，电压波形200为周期为τ的方形波，其中电压在周期第一部分期间施加，即τON，且在周期第二部分期间不施加，即τOFF。
在一实施例中，电浆140使用与沉积相关的物质以及携带能量的物质形成。与沉积相关的物质含有待要结晶的材料。在一实施例中，使用含硅气体(诸如硅烷(SiH4))作为与沉积相关的物质。亦可采用其他与沉积相关的物质，诸如半导体材料，如SiGe、Ge、Si:C、Si:Sn。或者，亦可沉积绝缘材料，诸如SiN、SiO2、AlN、AlO2以及BN。或者，亦可沉积导电材料，包含金属、硅化物以及锗化物。携带能量的物质为第二物质，其用于赋予先前沉积的材料能量。为获得此功能，可使用诸如表1中所示的物质。在某些实施例中，诸如氩气以及氙气的惰性气体较佳。
在不向压板施加偏压电压的周期(τOFF)期间，诸如硅烷的与沉积相关的物质可沉积于基板上，诸如藉由电浆沉积。确定τOFF持续时间以使之足够长而允许足够厚度的诸如硅的材料沉积于基板上。然而，持续时间不能长于沉积的硅多于可结晶的硅的时间。图4显示除材料基板的状态以外的图3的电压波形。因此，基板上的材料210的厚度随时间流逝而增加。沉积材料的厚度随形成沉积的物质到达表面的通量而变化。所述物质可为分子或电中性自由基或离子。中性物质的通量随腔室压力而变化，且电离物质的通量随电浆密度以及温度而变化。沉积速率亦视所述物质中每一者的粘附系数而定，所述粘附系数随气相物质、基板材料以及温度而变化。沉积速率亦可受基板上电离诱导的反应(包含例如离子诱导的聚合反应)影响。实际沉积速率通常凭经验确定且为本技术领域通常知识。当达到如上所定义的适当厚度时，施加偏压电压。此电压吸引电离粒子接近基板。τOFF持续时间期间增加的厚度可小于或等于τON持续时间期间可再结晶的厚度。
电压VDC决定粒子穿透膜的距离。电压越高引起粒子穿透膜越深。熟习此项技术者应了解，可利用模型建立程式使入射离子的能量与范围(亦即离子穿透深度)相关联。在一些实施例中，可选择VDC以使所预计的粒子范围达到沉积膜厚度的一半与恰超出膜厚度(诸如约1.5倍膜厚度)之间的某一值。各特定应用的理想范围可凭经验确定。所述范围亦视携带能量的离子的质量而定。较重物质需要较多能量来达到合乎需要的范围。使用较重物质的一个优点在于每一离子沉积较多能量于膜中。此能量为结晶化所需。
熟习此项技术者认识到需要特定能量使非晶硅转变为其结晶态，称为再结晶自由能(ΔG)。再结晶自由能(ΔG)通常以焦耳/莫耳(joules/mole)表示。因此，使用此值且已知沉积膜的厚度以及密度，可计算使沉积膜结晶所需的面积能量密度ΔE：
ΔE＝ΔG×Δ厚度×密度，
其中密度以莫耳/公分3表示。使用需要的所需能量(ΔE)以及合乎需要的离子范围(其决定VDC)，可使用下式确定所需的离子剂量：
剂量＝ΔE/VDC。
随后可基于电浆的直流电流j计算向膜传递足够剂量以引起再结晶的脉冲宽度τON。在此情况下，脉冲宽度可定义为：
τON＝剂量/j＝ΔE/(j×VDC)。
举例而言，若需要4毫焦耳/平方公分来使20埃厚的膜层再结晶，则可选择200电子伏氩离子，其预期范围Rp为约15埃。若电浆电流为0.1安/公分2，则：
或者，可定义PLAD***的量度，诸如每脉冲的剂量(dose-per-pulse，DPP)，其为各τON脉冲期间传递的剂量的量(每平方公分离子数)。为减少植入时间，可藉由增加电浆源功率来增加电浆密度。此增加电浆中的离子数目，因此增加每脉冲的剂量。此源功率增加对沉积性质以及速率的作用可能受影响。
使用脉冲将非晶材料转变为结晶结构220。脉冲结束后，材料210开始在新近结晶的材料220顶部聚集持续τOFF。随后坚持脉冲，从而使新沉积的材料结晶。重复此程序直至达到合乎需要的厚度。在一些实施例中，重复此程序多次。
举例而言，假设总循环时间为2毫秒，其中τON持续时间为0.3毫秒。亦假设膜以每循环2埃的速率沉积。因此，有效的膜厚度生长为约每秒0.1微米。因此，为沉积100埃的层，需要50个循环，总计100毫秒。
如上所述，结晶化为撞击膜的离子对能量产生影响的结果。如上所述，用于赋予此能量的携带能量的物质可视应用而改变。在一些实施例中，使用诸如氩气、氙气、氖气或氦气的惰性气体提供所述携带能量的物质。特定气体的选择可影响所述程序的若干方面，且所述方面必须同时考虑从而开发总程序。举例而言，较重的惰性原子(诸如氙)具有较低电离电势，因此在电浆中可能需要相对较低的惰性气体浓度以构建与沉积相关的离子(亦即硅)与携带能量的离子的合乎需要的比率。反之，为用很难电离的气体(诸如氦气)在电浆中获得携带能量的离子与与沉积相关的离子的合乎需要的比率，可能有必要向腔室中引入较高浓度的惰性气体。携带能量的物质的类型或浓度的变化可对沉积时间产生影响。在另一实施例中，可使用诸如硅、碳或锗的元素作为携带能量的物质。
在另一实施例中，基板维持在高温下。此高温降低能量沉积要求。图5显示随温度变化的外延生长速率。应注意，生长速率在较高温度下增加。然而，本方法在低温下有效，从而能够使用会在较高温度下变形的基板(诸如玻璃)。
基板温度越低，能量沉积制程提供的优点越多。为使制程速度达到最大，很可能希望将基板保持在与其他制程限制条件相称的最高温度下。举例而言，若基板熔融、变形或具有高热膨胀系数，则基板温度最佳可能为应尽可能地低。在由所述其他限制条件决定的基板温度下，随后可确定沉积/能量沉积制程的条件(压力、功率、流量等)。
在其他实施例中，宜调节RF源功率150以改良使沉积材料210结晶的能力。再次提醒RF源功率150驱动产生电浆的天线(参见图2)。图6显示用于显示基板的偏压电压以及源功率150的量值的时序图。在此实施例中，RF源功率在携带能量的离子吸引至基板周期(τON)期间增加。此功率增加使得电浆密度以及可用于植入材料中的离子数目相应增加。此可利用离子的数目增加可减少偏压电压脉冲使材料再结晶所需的持续时间。在另一实施例中，宜在再结晶脉冲期间降低RF源功率。
图6显示RF源功率的两个不同电压级。然而，本案不局限于此实施例。举例而言，宜在整个沉积制程中改变再结晶脉冲的峰值电压。在一实施例中，在制程开始时，使用较高电压以有助于结晶化。随后降低RF源功率以使先前结晶的材料层不非晶化。在第二实施例中，电压随制程继续而增加，从而向先前沉积的层传递更多能量。
亦可改变传递的能量以影响所产生的结晶结构。更多能量可产生结晶极佳的结构，而较低剂量可导致结晶化程度降低。
因此，可改变若干不同参数以产生合乎需要的操作条件。举例而言，可改变压力、偏压电压、脉冲宽度持续时间、RF源功率、流量以及气体组成以产生合乎需要的操作条件。在一些实施例中，在两个操作条件之间仅改变一个参数，例如偏压电压或脉冲宽度持续时间。在其他实施例中，在两个操作条件之间同时改变更多参数之中的两个。举例而言，可改变RF源功率与偏压电压以产生两个不同操作条件。
能够控制材料结晶化程度为在开发太阳能电池时的优点。传统的太阳能电池可包含n掺杂层、p掺杂层以及介入正负接面(p-n junction)。具有比能量的光子在太阳能电池内撞击原子并产生电子-电洞对。然而，传统太阳能电池的局限之处在于经过特定能量处理的光子方适用。所述能量低于电池材料的带隙能量的光子不能使用。所述能量高于电池材料的带隙能量的光子产生电子-电洞对。然而，额外能量通常以热形式损耗。
为自太阳光谱捕捉更多能量，宜利用含有不同带隙能量的材料的电池。举例而言，使用具有第一带隙能量的材料的第一正负接面可接受太阳能。能量大于或等于此材料的带隙能量的光子产生电子-电洞对。能量小于第一正负接面的带隙能量的光子穿过使用具有小于第一正负接面的第二带通能量的材料的第二正负接面。能量大于或等于此第二材料的带隙能量的光子产生电子-电洞对。能量小于第二材料的带隙能量的光子穿过第三正负接面。此组态亦称为串联电池(tandem cell)。此结构的立体表示法显示于图7中。在此图中，电池1具有高于电池2的带隙能量，而电池2具有高于电池3的带隙能量。此结构可无限继续。使用此排列，光子将继续穿过电池直至其遇到具有小于或等于其能量的带隙能量的材料。以此方式，使将太阳能转化成电能的效率达到最大。
所揭示的制程可有助于产生具有改变的带隙能量的材料。图8显示串联电池300的示意图，其中上电池(310，最先接受太阳能)由带隙能量为1.8电子伏的非晶硅制成。上电池310经掺杂以具有p掺杂区以及n掺杂区，在其之间具有本质层。第二电池320由具有1.1电子伏的较低带隙能量的结晶硅(或微晶或多晶)产生。第二电池320以类似方式掺杂以产生如图8中所示的p-i-n结构。通常，极薄高度掺杂层介于上电池310的n掺杂区与第二电池320的p掺杂区之间以在两个p-i-n结构之间提供电接触。能量为1.8电子伏或更高的光子在非晶硅310中产生电子电洞对。所述能阶低于此值的光子将穿过非晶硅且进入结晶硅320。所述能阶为1.1电子伏或更高的光子将在结晶结构320中产生电子-电洞对。
为产生具有所述特征的基板，可利用所揭示的制程。用如图4所述脉冲的偏压电压早期沉积硅层。偏压电压的脉冲将沉积硅自非晶态转变成结晶态。一旦足够厚的结晶层得以沉积，即使用减小的偏压电压、减小的脉冲持续时间或两者进行后续沉积。在一些实施例中，所产生的结晶层厚度足以吸收c-Si带隙附近的大部分光子。此厚度随此波长下Si的吸收率而变化。实际上，其可为1微米或更大。在一些实施例中，不施加偏压电压，且非晶硅连续沉积直至获得合乎需要的厚度。
此制程产生含具有特定带隙能量的离散层的膜。此方法允许使用能阶大于1.1电子伏的光子来产生电能。然而，能量在1.1电子伏至1.8电子伏的光子必然会效率较低，因为过剩能量(大于1.1电子伏的能量)将转变为热。与具有两个或两个以上离散层相反，第二实施例产生具有连续变化的结晶结构的基板。图9显示结晶化程度自基板的底面至顶面降低的基板350。随着结晶化程度降低，材料的带隙能量增加。
图9的基板350可使用所揭示的方法实现。第一层如上所述沉积且结晶。当后续层沉积时，偏压电压、脉冲持续时间或两者逐渐减小。偏压电压或脉冲持续时间的减小使最近沉积的层的结晶化程度减小，从而增加带隙能量。此制程继续直至基板完成。在一些实施例中，如图9中所示，基板的顶面为非晶硅，而内层为具有低得多的带隙能量的结晶聚硅氧。
许多太阳能电池装置具有具有相对较薄的掺杂区(p以及n)围绕相对较厚的“i”(本质)区的p-i-n结构。“i”区为发生吸收的区(亦即光子被吸收而产生电子以及电洞对)。为使薄膜生长用于太阳能电池，在硅沉积期间应给腔室供应第一掺杂剂(例如n型)，从而产生n型层。当产生足够厚度的n型层时，应中止供应n型掺杂剂，而硅沉积继续。因为不存在掺杂剂，所以随后无掺杂的本质(“i”)区生长。此后，在硅沉积期间给腔室供应第二掺杂剂(例如p型)，从而产生p型层。所述层中的每一者均可为任意厚度，因为厚度仅随时间而变化。类似地，所述层产生的次序可改变，或需要时，可重复。通常所用的掺杂剂在此项技术中为熟知的且包含(但不限于)B、P、As、Sb、In以及Ga。

Claims (20)

1.一种使材料在基板上生长的方法，其包括：
提供电浆腔室，其中所述电浆腔室包括用以自供给气体产生电浆的天线；
将所述基板置放于所述电浆腔室中的压板上，可对所述压板加偏压到多个电压；
向所述电浆腔室供给第一物质；
向所述电浆腔室供给第二物质；
进行电浆沉积期，其中来自第一物质的材料在第一操作条件下沉积于所述基板上；以及
在第二操作条件下进行离子植入期，其中所述第二物质的离子植入在所述电浆沉积期期间沉积的所述材料中。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一操作条件以及所述第二操作条件各包括所述压板的偏压电压、所述偏压电压的脉冲持续时间、所述天线的功率、所述腔室内的压力、所述第一物质的流动速率或所述第二物质的流动速率。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一物质包括与沉积相关的气体。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述第一物质包括硅。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第二物质包括携带能量的气体。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述第二物质包括惰性气体。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一操作条件包括施加于所述压板的接地电压。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述第二操作条件包括施加于所述压板的第二电压，所述第二电压比所述第一操作条件期间施加于所述压板的第一电压负得更多。
9.如权利要求1所述的方法，其中方形波电压施加于所述压板。
10.如权利要求1所述的方法，其中重复多次所述电浆沉积期以及所述离子植入期。 
11.一种制造具有多个带隙能量的材料的方法，其包括：
提供电浆腔室，其中所述电浆腔室包括用以自供给气体产生电浆的天线；
将所述基板置放于所述电浆腔室中的压板上，可对所述压板加偏压到多个电压；
向所述电浆腔室供给第一物质；
向所述电浆腔室供给第二物质；
进行第一电浆沉积期，其中来自所述第一物质的材料在第一操作条件下沉积于所述基板上；
在第二操作条件下进行第一离子植入期，其中所述第二物质的离子植入所述第一电浆沉积期期间沉积的所述材料中以使所述材料结晶达到第一结晶化程度；
重复所述第一电浆沉积期以及所述第一离子植入期多次以产生所述第一结晶化程度的所述材料的层；
进行第二电浆沉积期，其中来自所述第一物质的材料在第三操作条件下沉积于所述基板上；
在第四操作条件下进行第二离子植入期，其中所述第二物质的离子植入所述第二电浆沉积期期间沉积的所述材料中以使所述材料结晶达到第二结晶化程度，其中所述第一结晶化程度的所述材料与所述第二结晶化程度的所述材料具有不同带隙能量；以及
重复所述第二电浆沉积期以及所述第二离子植入期多次以产生所述第二结晶化程度的所述材料的层。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述第一操作条件、所述第二操作条件、所述第三操作条件以及所述第四操作条件各包括所述压板的偏压电压、所述偏压电压的脉冲持续时间、所述天线的功率、所述腔室内的压力、所述第一物质的流动速率或所述第二物质的流动速率。
13.如权利要求11所述的方法，其进一步包括
进行第三电浆沉积期，其中来自所述第一物质的材料在第五操作条件下沉积于所述基板上；
在第六操作条件下进行第三离子植入期，其中所述第二物质的离子 植入在所述第三电浆沉积期期间沉积的所述材料中以使所述沉积的材料结晶达到第三结晶化程度，其中所述第一结晶化程度以及所述第二结晶化程度的所述材料与所述第三结晶化程度的所述材料具有不同带隙能量；以及
重复所述第三电浆沉积期以及所述第三离子植入期多次以产生所述第三结晶化程度的所述材料的层。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述材料包括多个结晶化程度，其中所述结晶化程度中的每一者包括相关带隙能量。
15.一种在基板上制造太阳能电池的方法，其包括：
提供电浆腔室，其中所述电浆腔室包括用以自供给气体产生电浆的天线；
将所述基板置放于所述电浆腔室中的压板上，可对所述压板加偏压到多个电压；
向所述电浆腔室供给第一物质、第二物质以及第一掺杂剂；
进行第一生长步骤，其中所述第一掺杂剂以及所述第二物质经植入以产生第一掺杂层；
中止向所述电浆腔室供给所述第一掺杂剂；
进行第二生长步骤以产生具有第一带隙能量的本质层；
向所述电浆腔室供给第二掺杂剂；以及
进行第三生长步骤，其中所述第二掺杂剂以及所述第二物质经植入以产生第二掺杂层；
其中所述生长步骤中的每一者包括
进行电浆沉积期，其中来自所述第一物质的材料在第一操作条件下沉积于基板上，在不同操作条件下进行离子植入期，其中至少所述第二物质的离子植入在所述电浆沉积期期间沉积的所述材料中；以及
依次重复所述电浆沉积期以及所述离子植入期多次。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述第一操作条件以及所述不同的操作条件各包括所述压板的偏压电压、所述偏压电压的脉冲持续时间、所述天线的功率、所述腔室内的压力、所述第一物质的流动速率或所述第二物质的流动速率。 
17.如权利要求15所述的方法，其进一步包括：
向所述电浆腔室供给第三掺杂剂；
进行第四生长步骤，其中所述第三掺杂剂以及所述第二物质经植入以产生第三掺杂层；
中止向所述电浆腔室供给所述第三掺杂剂；
进行第五生长步骤，在其各别离子植入期期间具有与所述第二生长步骤不同的操作条件，以产生具有第二带隙能量的本质层；
向所述电浆腔室供给第四掺杂剂；以及
进行第六生长步骤，其中所述第四掺杂剂以及所述第二物质经植入以产生第四掺杂层。
18.如权利要求15所述的方法，其进一步包括：
在供给所述第二掺杂剂之前，进行第四生长步骤，在其各别离子植入期期间具有与所述第二生长步骤不同的操作条件，以产生具有不同于第一第一带隙能量的第二带隙能量的本质层。
19.如权利要求18所述的方法，其进一步包括：
在所述第四生长步骤之后，进行第五生长步骤，在其各别离子植入期期间具有与所述第二以及所述第四生长步骤不同的操作条件，以产生具有不同于所述第一以及第二带隙能量的第三带隙能量的本质层。
20.如权利要求15所述的方法，其进一步包括：
在供给所述第二掺杂剂之前，进行多个生长步骤，各生长步骤在其各别离子植入期期间具有不同操作条件，以产生具有多个带隙能量的本质层。 
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