[發(fā)明專利]使用量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和器件的方法及相關(guān)結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201080030773.4
• 申請(qǐng)日: 2010-05-26
• 公開（公告）號(hào): CN102473744A
• 公開（公告）日: 2012-05-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: C·阿雷納;H·麥克弗萊亞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: SOITEC
• 主分類號(hào): H01L31/0304
• 分類號(hào): H01L31/0304;H01L31/0352;H01L31/04;H01L31/18
• 代理公司: 北京戈程知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11314
• 代理人: 程偉;王錦陽(yáng)

優(yōu)先權(quán)聲明

本申請(qǐng)要求2009年7月20日申請(qǐng)的名稱為“Methods?of?Fabricating?Semiconductor?Structures?and?Devices?Using?Quantum?DOT?Structures?and?Related?Structures”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/227,006號(hào)的申請(qǐng)日的權(quán)益。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或器件的制造，例如包括量子點(diǎn)(quantum?dot)結(jié)構(gòu)的光伏器件，更特別地，涉及包括具有不同的有效帶隙的多個(gè)吸收結(jié)構(gòu)的中間結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

太陽(yáng)能是可以提供替代電能源的豐富資源。但是，太陽(yáng)能在經(jīng)濟(jì)地收集、存儲(chǔ)和運(yùn)輸方面可能存在問(wèn)題。收集并利用太陽(yáng)能的一種方式是通過(guò)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的光伏(PV)電池來(lái)進(jìn)行的。利用半導(dǎo)體材料中的i型(本征)、n型和p型導(dǎo)電區(qū)，從而產(chǎn)生當(dāng)在半導(dǎo)體材料中形成電子-空穴對(duì)時(shí)所產(chǎn)生的光電壓電勢(shì)(photo-voltage??potential)和光電流，可以提供這種能量轉(zhuǎn)換。這些電子-空穴對(duì)是作為光伏電池中的光子撞擊的響應(yīng)而形成的。

半導(dǎo)體所吸收的能量取決于其特征帶隙。半導(dǎo)體材料的“帶隙能”被定義為使外層電子脫離其圍繞原子核的軌道到自由狀態(tài)所需要的能量。在半導(dǎo)體中，將電子從價(jià)帶激發(fā)到半導(dǎo)體導(dǎo)帶所需要的能量根據(jù)兩個(gè)帶之間的間隔(即帶隙)而有所不同。不同的材料可能具有不同的特征帶隙能。帶隙工程是控制或改變材料的帶隙的過(guò)程。光伏電池(PV)中所使用的常規(guī)的硅基半導(dǎo)體材料具有大約1.1eV的帶隙能，也就是說(shuō)只覆蓋了在大約0.4eV至4.0eV的光子范圍內(nèi)具有可用能量的很寬范圍的太陽(yáng)輻射光譜的一小部分。

具有低于半導(dǎo)體的帶隙的能量的光不會(huì)被吸收并轉(zhuǎn)換為電功率。具有高于帶隙的能量的光將會(huì)被吸收，但是所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)以熱的形式快速損失掉其高出帶隙的多余能量。因此，該能量無(wú)法用來(lái)轉(zhuǎn)換為電功率。

因此，為了使光伏電池中的能量的吸收和轉(zhuǎn)換最大化，已經(jīng)開發(fā)了多層、多結(jié)或者多子電池的光伏器件。這些多子電池器件使用多種具有不同特征帶隙能的材料，從而可以吸收更寬光譜的太陽(yáng)能。

多子電池光伏器件通常在垂直堆疊方向上包括多個(gè)半導(dǎo)體材料層(即子電池)。每個(gè)子電池被設(shè)計(jì)成吸收并轉(zhuǎn)換與另一不同材料的子電池不同的太陽(yáng)能或波長(zhǎng)范圍。首先暴露給輻射能的子電池通常具有最高的帶隙能，而位置低于它的子電池具有相對(duì)較小的帶隙能。作為這種布置的結(jié)果，在一個(gè)子電池處(即級(jí))未被吸收的能量可以在器件的另一子電池中傳輸和轉(zhuǎn)換，從而能夠?qū)V譜太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。

但是，這種類型的多結(jié)光伏器件受到通過(guò)異質(zhì)外延生長(zhǎng)使一些異種材料晶格匹配的能力的限制。相鄰子電池之間的晶格失配導(dǎo)致形成應(yīng)變和位錯(cuò)，降低光伏器件的總效率。典型地，由于晶格失配的問(wèn)題，光伏器件中可以使用的材料受到嚴(yán)重限制。例如Freundlich的美國(guó)專利6,372,980和Freundlich等人的美國(guó)專利5,851,310描述了克服這種問(wèn)題并且提高光伏電池效率所作的嘗試，其公開了包括一個(gè)或多個(gè)量子阱的光伏電池。另外，Kurtz等人的美國(guó)專利6,252,287公開了一種包含銦鎵砷氮(InGaAsN)/砷化鎵半導(dǎo)體p-n異質(zhì)結(jié)的多結(jié)太陽(yáng)能電池，以改善能量轉(zhuǎn)換。

提高PV電池的效率中的另一興趣領(lǐng)域涉及量子點(diǎn)(QD)的使用。量子點(diǎn)的帶隙能可能不僅受到其成分的影響，還有可能受到其尺寸(dimension)變化的影響。量子點(diǎn)已被結(jié)合到光伏器件中。例如，F(xiàn)afard在2005年1月21日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)11/038,230(美國(guó)公布2005/0155641A1，公布日為2005年7月21日)公開了一種包括多個(gè)子電池的光伏太陽(yáng)能電池，其中至少一個(gè)子電池包括外延生長(zhǎng)的自組裝量子點(diǎn)材料。鍺(Ge)底部子電池生長(zhǎng)在鍺襯底上，串聯(lián)連接了砷化鎵中間子電池和鎵銦磷(GaInP)或砷化鋁鎵(AlGaAs)頂部子電池。通過(guò)在中間子電池中而不是在大塊砷化鎵材料(bulk?gallium?arsenide?material)中使用自組裝量子點(diǎn)材料，提高了光伏太陽(yáng)能電池的效率。

光伏器件利用異種材料來(lái)獲得吸收廣譜太陽(yáng)能的能力。但是，異種材料產(chǎn)生晶格失配的問(wèn)題，導(dǎo)致不良晶體質(zhì)量和有限的太陽(yáng)能電池效率。因此，如能提供一種形成具有多個(gè)子電池元件的光伏器件的方法，其能夠以多個(gè)波長(zhǎng)的吸收能量來(lái)產(chǎn)生光電壓，同時(shí)維持高質(zhì)量的晶體，則將會(huì)是本領(lǐng)域的一大改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容