JP5619901B2 - エピタキシャルリフトオフを用いたフレキシブル光起電力デバイスの製造方法、およびエピタキシャル成長に用いる成長用基板の完全性を保持する方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2009年9月10日提出の米国仮出願番号第61/241、373号、2009年9月10日提出の米国仮出願番号第61/241、374号および2010年6月24日提出の米国仮出願番号第61/358、298号の利益を享受する。これらの出願の内容全体は参照によってここに組み入れる。
本発明は、米国陸軍研究所により授与された授与番号W911NF−08−2−0004および米国エネルギー省により授与された授与番号DE−SC0001013に基づく合衆国政府の支援でなされた。合衆国政府は本発明について一定の権利を有する。
本開示の発明は、大学−企業間協力研究の合意による以下の一以上の団体の協力により、および/またはこれに関連してなされた:ユニヴァシティ オブ ミシガンおよびグローバル フォトニック エネルギー コーポレーション。この合意はクレームした発明のなされる前およびなされた日に有効であり、クレームした発明はこの合意の範囲の活動の結果なされたものである。
本開示は全般に、エピタキシャルリフトオフを用いた、フレキシブル光起電力デバイス等の感光性デバイスの製造方法に関する。特に、本開示は、エピタキシャル成長を用いてフレキシブル光起電力デバイスを準備する方法および再利用のために成長用基板を保持する方法に関する。
光電子(optoelectronic)デバイスは物質の光学的および電子的性質によっており、電子的に電磁波放射を発生するか検出する、または、周囲の電磁波放射から電気を発生させるものである。
ff={ImaxVmax}/{ISCVOC} (1)
ここで、実際の使用においてISCおよびVOCが同時に得られることはないため、ffは常に1より小さい。にもかかわらず、ffが1に近づくにつれて、デバイスは直列または内部抵抗がより小さくなり、したがって最適条件下では、ISCおよびVOCの積のより大きなパーセンテージを負荷に運搬する。ここで、Pincはデバイスに入射する電力であり、デバイスの電力効率ηPは、以下で計算し得る:
ηP=ff*(ISC *IOC)/Pinc
半導体の実質的な容積を占める内部形成電場を生成するためには、通常、特に分子の量子エネルギー状態の分布に関連する導電特性を適当に選択した材料の二層を並置する方法が取られる。これら二つの材料の界面は光起電性接合(photovoltaic junction)と呼ばれている。従来の半導体理論では、PV接合を形成する物質は、一般的にnまたはp型のどちらかを意味してきた。ここで、n型は大部分のキャリアの種類が電子であることを意味する。これは、相対的な自由エネルギー状態で多数の電子を有する物質とみなすこともできる。p型は大部分のキャリアが正孔であることを意味する。このような物質は相対的な自由エネルギー状態で多数の正孔を有する。型の背景としては、光生成ではなく、大部分のキャリア濃度は第一に意図的でない欠陥または不純物に依存する。不純物の種類および濃度は、価電子帯の最大エネルギーと伝導帯の最小エネルギーとの間のギャップ中の、Fermiエネルギーまたはレベルの値を決定する。Fermiエネルギーは、占有確率が1/2に等しいエネルギーの値で示される、統計的な分子の量子エネルギー状態の占有を特徴づける。伝導帯の最小エネルギー準位付近のFermiエネルギーは、電子が優勢なキャリアであることを示している。価電子帯の最大エネルギー付近のFermiエネルギーは、正孔が優勢なキャリアであることを示す。したがって、Fermiエネルギーは従来の半導体の第一の特徴的性質であり、プロトタイプのPV接合はこれまでp−n界面であった。
米国特許出願公開第2010/0047959号明細書は、単結晶基板からエピタキシャル層を選択的に遊離する方法を記載している。記載されている方法は、第一のバッファ層、エッチング停止層、第二のバッファ層および分離層の堆積を含む。分離層上に、電池を形成する一連の半導体層が堆積される。この方法は分離層のエッチングを含み、それにより半導体層は、基板並びにそれに伴うバッファ層およびエッチング停止層から引きはがされる。しかしながら、その明細書は、例えば、バッファ層および/またはエッチング停止層を選択的にエッチングして除く等の、遊離した基板を再利用のために準備する方法は記載していない。したがって、成長用基板の完全性(integrity)を再利用のために保持する方法を開発する必要性が残っている。
【発明の概要】
本開示は、より効率的、軽量、かつフレキシブルなPVデバイスをさらに開発する要求に取り組んだものである。本開示は、加えてエピタキシャル成長層を成長用基板から非破壊的に取り除き、研磨または次の使用に先立って表面を破壊的な方法で準備する必要なしに、再利用のために成長用基板の完全性を保持する方法を開発する要求に取り組んだものである。ある場合には、この目的は、成長用基板を含む構造から、活性エピ層をより軽いフレキシブルなホスト基板に移動することにより達成される。場合によっては、エピ層移動のためのエッチング方法は、犠牲層の選択的エッチング、それに続く二以上の保護層の選択的エッチングを含むエピタキシャルリフトオフ法の使用を含み得る。
成長用基板およびエピ層を有する構造を提供する工程;
少なくとも一部の前記エピ層上に少なくとも一の金属または合金を堆積して接触層を形成する工程;
前記接触層を金属または合金被覆したホスト基板に接合する工程;および
前記構造から前記エピ層を遊離する工程、を含む方法である。
成長用基板上にエピ層を成長させる工程;
少なくとも一部の前記エピ層上に少なくとも一の金属または合金を堆積して接触層を形成する工程;
金属または合金被覆したホスト基板に前記接触層を接合する工程;および
前記構造から前記エピ層を遊離する工程、を含む方法である。
前記エピ層上の少なくとも一の最上部接触(top contact)をパターニングする工程;
キャリア基板に前記エピ層を取り付ける工程;
前記成長用基板から前記エピ層を遊離する工程;
少なくとも一部の前記エピ層上に少なくとも一の金属または合金を堆積し、接触層を形成する工程;
金または合金被覆したホスト基板に前記エピ層を接合する工程;および
前記エピ層から前記キャリア基板を除去する工程、を含む方法である。
成長用基板上にエピ層を成長させる工程;
前記エピ層上に少なくとも一の最上部接触をパターニングする工程;
キャリア基板に前記エピ層を取り付ける工程;
前記成長用基板から前記エピ層を遊離する工程;
少なくとも一の金属または合金を少なくとも一部の前記エピ層上に堆積し、接触層を形成する工程;
金属または合金被覆されたホスト基板に前記エピ層を接合する工程;および
前記エピ層から前記キャリア基板を除去する工程、を含む方法である。
少なくとも一の成長用表面を有する成長用基板;電池;犠牲層;第一の保護層;および第二の保護層を有する構造を提供する工程、ただし、前記犠牲層、第一の保護層および第二の保護層は前記成長用基板および電池の間に位置する;
前記犠牲層をエッチング液でエッチングすることにより電池を遊離する工程;
第二の保護層をエッチング液でエッチングすることにより、第二の保護層を除去する工程;および
第一の保護層をエッチング液でエッチングすることにより、第一の保護層を除去する工程を含む、成長用基板の完全性を保持する方法が開示される。
少なくとも一の成長用表面を有する成長用基板を提供する工程;
第一の保護層、第二の保護層、犠牲層および電池を成長用基板上に堆積する工程、その際前記犠牲層、第一の保護層および第二の保護層は成長用基板および電池の間に配置される;
前記犠牲層をエッチング液でエッチングすることにより前記電池を遊離する工程;
第二の保護層をエッチング液でエッチングすることにより、第二の保護層を除去する工程;および
第一の保護層をエッチング液でエッチングすることにより、第一の保護層を除去する工程、を含む、成長用基板の完全性を保持する方法が開示される。
成長用基板を提供する工程;
第一の保護層、第二の保護層、犠牲層および少なくとも一のエピ層を前記成長用基板上に堆積し、前記犠牲層、第一の保護層および第二の保護層は成長用基板および前記犠牲層の間に配置され、前記犠牲層は成長用基板および前記エピ層の間に配置される;
少なくとも一の金属または合金を少なくとも一部の前記エピ層上に堆積し、接触層を形成する工程;
接触層を金属または合金被覆したホスト基板に接合する工程;および
前記少なくとも一のエピ層を、犠牲層をエッチング液でエッチングすることにより遊離する工程、を含む、PVデバイスを製造する方法が開示される。
成長用基板、犠牲層、バッファ層、第一の保護層、第二の保護層、第三の保護層、第四の保護層、少なくとも一のエピ層、少なくとも一の接触および金属または合金被覆されたホスト基板、を含み
前記犠牲層が前記成長用基板および前記少なくとも一のエピ層の間に配置され、第一の保護層および第二の保護層が前記成長用基板および前記犠牲層の間に配置され、第三の保護層および第四の保護層が前記犠牲層および前記エピ層の間に配置される、成長用構造が開示される。
本明細書に記載する感光性デバイスは、これに限定されないが、太陽電池、光検出器、光センサー、光伝導体、化学センサーおよび生物学的センサーが含まれる。感光性デバイスの例には、PVセルおよび/またはデバイスが含まれる。本明細書にはそれらの製造方法もまた記載されるが、その製造方法は、成長用基板上のエピタキシャル層成長および得られた電池の成長用基板からの移動が含まれ、前記基板の完全性は続けて再利用するために保持される。
少なくとも一部の前記エピ層上に少なくとも一の金属または合金を堆積し、接触層を形成する工程;
金属または合金被覆されたホスト基板に接触層を接合する工程;および
前記構造からエピ層を遊離する工程。
前記エピ層上に少なくとも一の最上部接触をパターニングする工程;
前記エピ層をキャリア基板に取り付ける工程;
前記エピ層を前記成長用基板から遊離する工程;
少なくとも一部のエピ層上に少なくとも一の金属または合金を堆積し、接触層を形成する工程;
前記エピ層を金属または合金被覆されたホスト基板に接合する工程;および
前記エピ層からキャリア基板を除去する工程、によって製造し得る。
少なくとも一の成長用表面のある成長用基板;電池;犠牲層;第一の保護層;および第二の保護層、を有する構造を提供する工程、ここで、犠牲層および第一の保護層および第二の保護層は前記成長用基板および前記電池の間に配置され;
エッチング液で犠牲層をエッチングすることにより電池を遊離する工程;
エッチング液で第二の保護層をエッチングすることにより第二の保護層を除去する工程;および
エッチング液で第一の保護層をエッチングすることにより第一の保護層を除去する工程、を含む。
図4Aは、InP/InPスタックエピ層およびInP成長用基板を有する例示的なコントロールデバイスの構造を示す。このデバイスは、ITO最上部接触およびZn/Au接触層と共にInAlAsエッチング層をも有している。図4Bは図1に概略を示す方法により作製されたデバイスを表している。図4Bのデバイスは、エピ層としてInP/InGaAs/InGaAsスタックおよびKapton(登録商標)ホスト基板を有するデバイスを表している。このデバイスは、ITO最上部接触および接触層としてTi/Pt/Auスタックをも有している。
Claims (77)
- 成長用基板の完全性を保持する方法であって、以下:
少なくとも一の成長用表面のある成長用基板;電池;犠牲層;第一の保護層;および第二の保護層を有する構造を提供する工程、ここで、前記第一の保護層は前記成長用基板上に配置され、前記第二の保護層は前記第一の保護層上に配置され、前記犠牲層は前記第二の保護層上に配置され、前記犠牲層、前記第一の保護層および第二の保護層は前記成長用基板および前記電池の間に配置される;
エッチング液で前記犠牲層をエッチングすることにより前記電池を遊離する工程;
エッチング液で前記第二の保護層をエッチングすることにより前記第二の保護層を除去する工程;および
エッチング液で前記第一の保護層をエッチングすることにより、前記第一の保護層を除去する工程、を含む。 - 前記成長用基板および前記第二の保護層が同じ材料を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記成長用基板が単結晶ウエハー材料を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記成長用基板が、Ge、Si、GaAs、InP、GaSb、GaN、AlNおよびそれらの組み合わせから選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記同じ材料がInPを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記同じ材料がGaAsを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記第一の保護層が、InGaAs、InAlAs、(AlGa)AsSb、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項5に記載の方法。
- 前記第一の保護層が、InGaP、AlGaAs、InAlP、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項6に記載の方法。
- 前記犠牲層がAIAsを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記犠牲層が超格子を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記超格子がInAs/AlAsを含む、請求項10に記載の方法。
- 各エッチング液が、それぞれ独立に、HF、H3PO4、HCl、H2SO4、HNO3、C6H8O7(クエン酸)、H2O2、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記電池を遊離するための前記エッチング液がHFを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記第二の保護層を除去するための前記エッチング液がHCl:H3PO4を含む、請求項5に記載の方法。
- 前記第二の保護層を除去するための前記エッチング液がH2SO4:H2O2を含む、請求項6に記載の方法。
- 前記第一の保護層を遊離するための前記エッチング液が、H2SO4:H2O2、C6H8O7:H2O2、H3PO4:H2O2、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項7に記載の方法。
- 前記第一の保護層を除去するための前記エッチング液が、HCl:H3PO4を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記構造が、前記電池および前記成長用基板の間に配置されるバッファ層をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記バッファ層が前記成長用基板および前記第一の保護層の間に配置される、請求項18に記載の方法。
- 前記成長用基板、前記バッファ層および前記第二の保護層が同じ材料を含む、請求項18に記載の方法。
- 前記同じ材料がInPを含む、請求項20に記載の方法。
- 前記第一の保護層を除去するためのエッチング液が、H2SO4:H2O2:H2Oおよび/またはクエン酸:H2Oを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記少なくとも一の成長用表面を研磨せずに、エピタキシャル成長のための前記成長用基板を再利用する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 成長用基板の完全性を保持する方法であって、以下:
少なくとも一の成長用表面のある成長用基板を提供する工程;
第一の保護層、第二の保護層、犠牲層および電池を、前記成長用基板上に堆積する工程、ここで、前記第一の保護層は前記成長用基板上に配置され、前記第二の保護層は前記第一の保護層上に配置され、前記犠牲層は前記第二の保護層上に配置され、前記犠牲層、前記第一の保護層および前記第二の保護層は前記成長用基板および前記電池の間に配置される;
エッチング液で前記犠牲層をエッチングすることにより、前記電池を遊離する工程;
エッチング液で前記第二の保護層をエッチングすることにより、第二の保護層を除去する工程;および
エッチング液で前記第一の保護層をエッチングすることにより、前記第一の保護層を除去する工程、を含む。 - 成長用表面を有するバッファ層を堆積する工程をさらに含み、前記バッファ層は前記成長用基板および前記電池の間に配置される、請求項24に記載の方法。
- 前記バッファ層が前記成長用基板および前記第一の保護層の間に配置される、請求項25に記載の方法。
- 前記バッファ層が前記成長用基板の前記少なくとも一の成長用表面上に直接配置される、請求項26に記載の方法。
- 前記バッファ層の前記少なくとも一の成長用表面が、前記第一の保護層の除去後に、前記第一の保護層の堆積前の前記成長用基板の前記少なくとも一の成長用表面よりも平滑である、請求項25に記載の方法。
- 前記成長用基板の前記少なくとも一の成長用表面が、前記第一の保護層の堆積前に、約0.25nm〜約0.35nmのRMS値を示す、請求項28に記載の方法。
- 前記RMS値が約0.32nmである、請求項29に記載の方法。
- 前記バッファ層の前記少なくとも一の成長用表面が、前記第一の保護層の除去後に、約0.10nm〜約0.20nmのRMS値を示す、請求項28に記載の方法。
- 前記RMS値が約0.16nmである、請求項31に記載の方法。
- 第三の保護層および第四の保護層を堆積する工程をさらに含む、請求項24に記載の方法。
- 前記第三の保護層および第四の保護層が、前記犠牲層および前記電池の間に堆積される、請求項33に記載の方法。
- PVデバイスを製造する方法であって、以下:
成長用基板を提供する工程;
第一の保護層、第二の保護層、犠牲層および少なくとも一のエピ層を前記成長用基板上に堆積する工程、ここで、前記第一の保護層は前記成長用基板上に配置され、前記第二の保護層は前記第一の保護層上に配置され、前記犠牲層は前記第二の保護層上に配置され、前記犠牲層、前記第一の保護層および前記第二の保護層が前記成長用基板および前記エピ層の間に配置される;
少なくとも一の金属または合金を少なくとも一部の前記エピ層上に堆積し、接触層を形成する工程;
前記接触層を金属または合金被覆したホスト基板に接合する工程;および
エッチング液で前記犠牲層をエッチングすることにより、前記少なくとも一のエピ層を遊離する工程、を含む。 - バッファ層を堆積する工程をさらに含む、請求項35に記載の方法。
- 前記バッファ層が、前記成長用基板および前記第一の保護層の間に配置される、請求項36に記載の方法。
- エッチング液で前記第二の保護層をエッチングすることにより、第二の保護層を除去する工程をさらに含む、請求項35に記載の方法。
- エッチング液で前記第一の保護層をエッチングすることにより、前記第一の保護層を除去する工程をさらに含む、請求項38に記載の方法。
- 第三の保護層および第四の保護層を堆積する工程をさらに含み、ここで、前記第三の保護層および前記第四の保護層が前記犠牲層および前記少なくとも一のエピ層の間に配置される、請求項35に記載の方法。
- 前記成長用基板および前記第二の保護層が同じ材料を含む、請求項35に記載の方法。
- 前記成長用基板が単結晶ウエハー材料を含む、請求項35に記載の方法。
- 前記成長用基板が、Ge、Si、GaAs、InP、GaN、AlN、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項35に記載の方法。
- 前記同じ材料がInPである、請求項41に記載の方法。
- 前記同じ材料がGaAsである、請求項41に記載の方法。
- 前記第一の保護層が、InGaAs、InAlAs、(AlGa)AsSbおよびそれらの組み合わせから選択される、請求項44に記載の方法。
- 前記第一の保護層が、InGaP、AlGaAs、InAlP、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項45に記載の方法。
- 前記犠牲層がAIAsを含む、請求項35に記載の方法。
- 前記エッチング液が、それぞれ独立に、HF、H3PO4、HCl、H2SO4、HNO3、C6H8O7(クエン酸)、H2O2およびそれらの組み合わせから選択される、請求項35に記載の方法。
- 前記エピ層を遊離するための前記エッチング液がHFを含む、請求項49に記載の方法。
- 前記第二の保護層を除去するための前記エッチング液がHCl:H3PO4を含む、請求項38に記載の方法。
- 前記第二の保護層を除去するための前記エッチング液がH2SO4:H2O2を含む、請求項39に記載の方法。
- 前記第一の保護層を除去するための前記エッチング液が、H2SO4:H2O2、C6H8O7:H2O2、H3PO4:H2O2およびそれらの組み合わせから選択される、請求項46に記載の方法。
- 前記第一の保護層を除去するための前記エッチング液が、HCl:H3PO4を含む、請求項47に記載の方法。
- バッファ層を堆積する工程をさらに含み、ここで、前記バッファ層が前記成長用基板および前記第一の保護層の間に配置される、請求項35に記載の方法。
- 前記成長用基板、前記バッファ層、および前記第二の保護層が同じ材料を含む、請求項55に記載の方法。
- 前記同じ材料がInPである、請求項56に記載の方法。
- 前記第一の保護層を除去するためのエッチング液が、H2SO4:H2O2:H2Oおよび/またはクエン酸:H2Oを含む、請求項39に記載の方法。
- 前記少なくとも一のエピ層が少なくとも一のIII−V材料を含む、請求項35に記載の方法。
- 前記接合が冷間圧接を含む、請求項35に記載の方法。
- 前記ホスト基板がポリエステルおよびポリイミドから選択される少なくとも一のポリマーを含む、請求項35に記載の方法。
- 前記バッファされた成長用基板に少なくとも一の超音波処理工程を行う、請求項1に記載の方法。
- 前記超音波処理工程は酸溶液中で行う、請求項62に記載の方法。
- 前記酸溶液はクエン酸:H2O2を含む、請求項63に記載の方法。
- 成長用構造であって、以下:
成長用基板、犠牲層、バッファ層、第一の保護層、第二の保護層、第三の保護層、第四の保護層、少なくとも一のエピ層、少なくとも一の接触、および、金属または合金被覆したホスト基板を含み、
ここで、前記犠牲層が前記成長用基板および前記少なくとも一のエピ層の間に位置し、前記第一の保護層および前記第二の保護層が前記成長用基板および前記犠牲層の間に配置され、かつ、前記第三の保護層および前記第四の保護層が前記犠牲層および前記エピ層の間に配置される。 - 前記バッファ層が前記第一の保護層および前記成長用基板の間に配置される、請求項65に記載の構造。
- 前記成長用基板および前記第二の保護層が同じ材料を含む、請求項65に記載の構造。
- 前記成長用基板が単結晶ウエハー材料を含む、請求項65に記載の構造。
- 前記成長用基板が、Ge、Si、GaAs、InP、GaN、AlN、およびそれらの組み合わせから選択される、請求項68に記載の構造。
- 前記同じ材料がInPである、請求項67に記載の構造。
- 前記同じ材料がGaAsである、請求項67に記載の構造。
- 前記第一の保護層がInGaAs、GaAsSb、InAlAs、AlAsSbおよびそれらの混合物から選択される、請求項70に記載の構造。
- 前記第一の保護層が、InGaP、AlGaAs、InAlPおよびそれらの混合物から選択される、請求項68に記載の構造。
- 前記成長用基板、前記バッファ層、および前記第二の保護層が同じ材料を含む、請求項65に記載の構造。
- 前記同じ材料がInPを含む、請求項74に記載の構造。
- 前記少なくとも一のエピ層が少なくとも一のIII−V材料を含む、請求項65に記載の構造。
- 前記ホスト基板が、ポリエステルおよびポリイミドから選択される少なくとも一のポリマーを含む、請求項65に記載の構造。
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