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TW201344796A - 磊晶移起後用於晶圓再生之熱表面處理 - Google Patents

磊晶移起後用於晶圓再生之熱表面處理 Download PDF

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TW201344796A
TW201344796A TW102105098A TW102105098A TW201344796A TW 201344796 A TW201344796 A TW 201344796A TW 102105098 A TW102105098 A TW 102105098A TW 102105098 A TW102105098 A TW 102105098A TW 201344796 A TW201344796 A TW 201344796A
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protective layers
epitaxial
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TW102105098A
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Inventor
李圭相
傑若米Ｄ 齊默曼
史堤芬Ｒ 佛瑞特
Original Assignee
美國密西根州立大學
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Abstract

本發明揭示保存生長基板之完整性之方法，其包括：提供包括生長基板、一或多個保護層、犧牲層及至少一個磊晶層之結構，其中該犧牲層及該一或多個保護層係定位於該生長基板與該至少一個磊晶層之間；藉由使用蝕刻劑蝕刻該犧牲層來釋放該至少一個磊晶層；及熱處理該生長基板及/或該等保護層中之至少一者。

Description

磊晶移起後用於晶圓再生之熱表面處理 相關申請案交叉參考
本申請案主張2012年2月7日提出申請之美國臨時申請案第61/595,916號之權利，該申請案之全部內容以引用方式併入本文中。
關於聯邦資助研究之聲明
本發明係根據陸軍研究處(Army Research Office)所授予之授權號W911NF-08-2-0004在美國政府支持下作出。政府對本發明擁有一定之權利。
聯合研究協定
本揭示內容之標的物係由、代表及/或結合聯合大學協作研究協定(joint university-corporation research agreement)之以下各方中之一方或多方作出：密歇根大學(University of Michigan)及全球光子能源公司(Global Photonic Energy Corporation)。該協定在製備本揭示內容之標的物之日期時及其之前有效，且係作為在該協定之範圍內所採取之活動之結果而作出。
本揭示內容概言之係關於經由使用磊晶移起製作諸如撓性光伏打裝置等電子及光電子裝置之方法。特定而言，本揭示內容係關於保存生長基板之完整性以用於隨後再生。
光電子裝置依賴於材料之光學及電子性質來以電子方式產生或檢測電磁輻射或自環境電磁輻射生成電。
光敏性光電子裝置將電磁輻射轉化成電。太陽能電池(亦稱為光伏打(PV)裝置)係具體用於生成電功率之一類光敏性光電子裝置。PV裝置可自除日光外之光源生成電能，其可用於驅動功率消耗負載以提供(例如)照明、加熱或向電子電路或裝置(例如計算器、無線電、電腦或遠端監測或通信設備)供電。該等發電應用亦通常涉及向電池或其他能量儲存裝置充電從而在來自太陽或其他光源之直接照明不可用時可繼續操作，或用以平衡PV裝置之功率輸出與具體應用需求。如本文所使用，術語「電阻負載」係指任一功率消耗或儲存電路、裝置、設備或系統。
另一類光敏性光電子裝置係光導體電池。在此功能中，信號檢測電路監測裝置之電阻以檢測因吸收光所致之變化。
另一類光敏性光電子裝置係光檢測器。在操作時，光檢測器與電流檢測電路結合使用，該電流檢測電路在光檢測器暴露於電磁輻射且可具有所施加之偏壓電壓時量測所生成之電流。本文所闡述之檢測電路能夠向光檢測器提供偏壓電壓並量測光檢測器對電磁輻射之電子反應。
可根據是否存在下文所定義之整流接面且亦根據裝置是否藉助外部施加電壓(亦稱為偏壓或偏壓電壓)操作來表徵該三類光敏性光電子裝置。光導體電池並不具有整流接面且通常在偏壓下操作。PV裝置具有至少一個整流接面且在無偏壓下操作。光檢測器具有至少一個整流接面且通常(但不總是)在偏壓下操作。一般而言，光伏打電池向電路、裝置或設備供電，但並不提供信號或電流以控制檢測電路或來自檢測電路之資訊輸出。與之相比，光檢測器或光導體提供信號或電流以控制檢測電路或來自檢測電路之資訊輸出，但並不向電路、裝置或設備供電。
傳統上，光敏性光電子裝置係由諸多無機半導體構成，例如結 晶、多晶及非晶型矽、砷化鎵、碲化鎘及其他材料。本文之術語「半導體」表示在藉由熱或電磁激發誘導電荷載流子時可導電之材料。術語「光導電」概言之係指以下過程：電磁輻射能量被吸收並由此轉化成電荷載流子之激發能量從而載流子可傳導(亦即傳輸)材料中之電荷。本文所用之術語「光導體」及「光導電材料」係指經選擇使用其吸收電磁輻射以生成電荷載流子之性質的半導體材料。
PV裝置之特徵在於可有效地將入射太陽能轉化成有用電能。利用結晶或非晶型矽之裝置在商業應用中佔主導地位，且一些已達到23%或更大之效率。然而，基於結晶之有效裝置(尤其係具有大表面積者)之產生由於在產生不具有顯著效率降格缺陷之大晶體時所固有之問題而較為困難及昂貴。另一方面，高效非晶型矽裝置仍具有穩定性問題。現有市售非晶型矽電池具有介於4%與8%之間之穩定效率。
可在標準照明條件(亦即標準測試條件(Standard Test Condition)：1000 W/m2，AM1.5光譜照明)下最佳化PV裝置以生成最大電能且光電流乘以光電壓之乘積最大。此一電池在標準照明條件下之能量轉換效率取決於下列三個參數：(1)零偏壓下之電流，亦即短路電流ISC，以安培表示，(2)開路條件下之光電壓，亦即開路電壓VOC，以伏特表示，及(3)填充因子FF。
PV裝置在跨越負載連接且由光輻照時產生光生電流。在無限負載下輻照時，PV裝置生成其最大可能電壓V開路或VOC。在其電觸點短路下輻照時，PV裝置生成其最大可能電流I短路或ISC。在實際用於生成功率時，將PV裝置連接至有限電阻負載且藉由電流與電壓之乘積I×V給出功率輸出。由PV裝置所生成之最大總功率固有地不能超出乘積ISC×VOC。在優化負載值以用於最大功率提取時，電流及電壓分別具有值Imax及Vmax。
PV裝置之品質因數為填充因子FF，其定義為： FF={Imax Vmax}/{ISC VOC} (1)
其中FF總小於1，此乃因ISC及VOC在實際使用中從不會同時獲得。然而，隨著FF接近1，裝置具有較小之串聯電阻或內部電阻，且由此在優化條件下將ISC及VOC之乘積的較大百分比遞送至負載。若Pinc為裝置之入射功率，則裝置之功率效率ηP可由下式計算：ηP=FF*(ISC*VOC)/Pinc
為產生佔據半導體之大部分體積之內部生成電場，通常方法係並置兩層具有經適當選擇之導電性質之材料，該等性質尤其係關於其分子量子能態之分佈。該兩種材料之界面稱為光伏打接面。在傳統半導體理論中，可製造用於形成PV接面之n型或p型材料。此處，n型表示大多數載流子類型係電子。此可視作具有許多處於相對自由能態中之電子的材料。此處，p型表示大部分載流子類型係電洞。此材料具有許多處於相對自由能態中之電洞。背景(亦即非光生之大部分載流子濃度)類型主要取決於缺陷或雜質之摻雜(有意或無意)。雜質之類型及濃度確定在導電帶最小能量與價能帶最大能量間的間隙內之費米能量(Fermi energy)之值或位準。費米能量表徵分子之量子能態之統計佔據率，該量子能態由佔據概率等於½之能量值表示。接近導電帶最小能量之費米能量指示電子係主導載流子。接近價能帶最大能量之費米能量指示電洞係主導載流子。因此，費米能量係傳統半導體之主要表徵性質且典型PV結構通常為p-n接面。
術語「整流」尤其表示界面具有不對稱之導電特性，亦即，該界面支持電子電荷較佳在一個方向上傳輸。整流通常與內在電場相關，該內在電場係在經適當選擇之材料之間的接面處出現。
習用無機半導體PV電池採用p-n接面來建立內部電場。高效PV裝置通常係在昂貴、單晶生長基板上產生。該等生長基板可包含單晶晶圓，其可用於針對作用層(亦稱為「磊晶層」)之磊晶生長產生完整晶 格及結構支持。該等磊晶層可在其原始生長基板完整之情況下整合至PV裝置中。另一選擇為，可去除彼等磊晶層且與主基板重組。
在一些情形下，可能期望將該等磊晶層轉移至展現期望之光學、機械或熱性質之主基板。舉例而言，砷化鎵(GaAs)磊晶層可生長於矽(Si)基板上。然而，所得材料之電子品質可能不足以用於某些電子應用。因此，可能期望保存晶格匹配之磊晶層之高材料品質，同時允許將彼等磊晶層整合至其他基板中。此可藉由稱為磊晶移起之方法來達成。在磊晶移起製程中，可將磊晶層自生長層「移起」且重組(例如，接合或黏附)至新的主基板。與基於習用基板之太陽能電池相比，具有發射性後部觸點之移起型太陽能電池需要大約一半之作用區域厚度來吸收等效量之入射輻射，從而減小了磊晶層之材料消耗及生長時間。
儘管其可提供期望之磊晶生長特性，但典型之生長基板可較厚且產生過量重量，且所得裝置往往較脆且需要大型支撐系統。磊晶移起可係用以將磊晶層自其生長基板轉移至更有效、更輕量及撓性之主基板之期望方式。假定典型生長基板相對不足且其對所得電池結構賦予期望特性，則可能期望在隨後磊晶生長中再循環及/或再生生長基板。再生生長晶圓之過往嘗試已因自晶圓去除頂部數個微米之材料而導致效率降低或需要晶圓之研磨性「拋光」。
美國專利公開案第2010/0047959號闡述選擇性地自單晶基板釋放磊晶層之方法。所闡述方法包含沈積第一緩衝層、蝕刻停止層、第二緩衝層及分離層。在分離層上方，沈積半導體層序列以形成電池。該方法然後包括蝕刻該分離層，藉此自基板及相關聯緩衝層及蝕刻停止層拉離半導體層。然而，該說明書並未闡述製備用於再生之釋放基板之方法，例如選擇性地蝕刻離開該等緩衝層及/或蝕刻停止層。
申請者先前顯示用以在ELO製程期間保存生長基板表面，且在 ELO之後選擇性地蝕刻離開保護層以用於隨後再生生長基板之保護層方案。特定而言，藉由採用磊晶保護層及材料蝕刻劑之組合，可保存生長基板表面以用於隨後磊晶層生長，此可使得能夠藉由減少昂貴生長基板之消耗來顯著減小製造成本。申請者先前顯示雙層保護方案及材料(例如InP-晶圓/InGaAs/InP)。該等方案及材料闡述於美國專利公開案第2011/0186910號中，且該等方案及材料之揭示內容以引用方式併入本文中。申請者先前亦顯示單層、雙層及至少三層保護方案及材料(例如GaAs-晶圓/InGaP/GaAs/InGaP)。該等方案及材料之揭示內容闡述於美國專利申請案第13/536,267號中，且該等方案及材料之揭示內容以引用方式併入本文中。
在保護層去除期間，污染物(尤其大尺寸污染物)可能難以去除。為完全去除該等污染物，需要保護層足夠厚以藉由底切微粒來移起污染物而不損壞下伏層。然而，厚保護層會增加材料消耗及生長時間。因此，仍需要改良污染物去除、尤其去除較大污染物，在無需拋光或製備生長基板表面之其他破壞性方法下製備用於再生之生長基板表面。能夠自單一母體晶圓實施多次生長預示可顯著減小用於高功率轉換效率太陽能電池(例如GaAs太陽能電池)之生產成本。
本揭示內容藉由至少部分地剝離至少一個保護層來解決該等需要。至少部分剝離可藉由熱處理生長基板及/或至少一個保護層來達成。至少部分地剝離至少一個保護層可去除殘餘物及污染物，例如氧化砷及其他因ELO及/或保護層去除製程而形成之大尺寸殘餘物及污染物。生長基板保護層及剝離(經由熱處理)之此組合使得可保存生長基板表面以用於隨後磊晶生長。
因此，揭示保存生長基板之完整性之方法，其包括：提供包括生長基板、一或多個保護層、犧牲層及至少一個磊晶層之結構，其中犧牲層及一或多個保護層定位於生長基板與至少一個 磊晶層之間；藉由使用蝕刻劑蝕刻犧牲層來釋放至少一個磊晶層；及熱處理生長基板及/或該等保護層中之至少一者。
在一些實施例中，保存生長基板之完整性之方法包括：提供包括生長基板、第一保護層、第二保護層、犧牲層及至少一個磊晶層之結構，其中犧牲層及第一及第二保護層定位於生長基板與至少一個磊晶層之間；藉由使用蝕刻劑蝕刻犧牲層來釋放至少一個磊晶層；及熱處理生長基板及/或第一及第二保護層中之至少一者。
如本文中所使用，術語「熱處理」係指提供足夠程度及持續時間之熱以至少部分地剝離保護層。
結合隨附圖式，本揭示內容之前述及其他特徵將自實例性實施例之下列詳細說明中更顯而易見。應注意，為便利起見，裝置之所有說明展示高度尺寸相對於寬度放大。
圖1圖解說明用於實施本文所闡述之本發明方法之一般結構，其中該結構包括生長基板、一或多個保護層、犧牲層及至少一個磊晶層。
圖2展示根據雙層保護方案生長於GaAs基板上之磊晶層結構之實例。
圖3係藉由ELO及冷焊接合至50 μm厚Kapton®片材之組合之移起一半的2英吋直徑GaAs磊晶層之影像。插圖展示在Kapton®片材上之所製造GaAs薄膜太陽能電池之影像。
圖4展示以下各項之原子力顯微照片：(a)新GaAs晶圓表面(粗糙度之均方根RMS=0.62 nm)，(b)在ELO製程之後GaAs保護層之表面(RMS=3.37 nm)，(c)在熱處理之後GaAs保護層之剝離表面(RMS= 5.09 nm)，及(d)在去除保護層之後之GaAs晶圓表面(RMS=0.71 nm)。
圖5展示在藉由快速熱退火進行熱處理(a)之前及(b)之後保護層表面之顯微影像。
圖6展示：(a)GaAs磊晶膜之霍爾效應(Hall-effect)及光致發光量測結果及生長於原始晶圓及再生晶圓(使用保護層)上之GaAs太陽能電池在1太陽AM1.5G模擬太陽能照明下之裝置性能參數，(b)生長於原始晶圓及再生晶圓上之磊晶GaAs層之原子解析剖面穿透式電子顯微影像。插圖展示原始晶圓及再生晶圓之反射高能量電子繞射圖案。
如本文中所使用，術語「層」係指主要尺寸係X-Y(亦即，沿其長度及寬度)之組件。應理解，術語「層」無需限於材料之單一層或片材。層可包括數個材料片材之壓層或組合。此外，應理解，某些層之表面(包含該等層與其他材料或層之界面)可能不完整，其中該等表面代表與其他材料或層之互穿、纏結或回旋網絡。同樣，亦應理解，層可係不連續的，從而該層在X-Y尺寸上之連續性可被其他層或材料破壞或以其他方式打斷。
如本文中所使用，術語「晶圓」及「生長基板」可互換使用以意指同一事物。
如本文中所使用，術語「第III-V族材料」可用於係指含有來自週期表之第IIIA族及第VA族之元素之複合晶體。更具體而言，術語第III-V族材料可用於本文中以係指作為鎵(Ga)、銦(In)及鋁(Al)之族與砷(As)、磷(P)、氮(N)及銻(Sb)之族之組合的化合物。代表性材料可包含GaAs、InP、InGaAs、AlAs、AlGaAs、InGaAsP、InGaAsPN、GaN、InGaN、InGaP、GaSb、GaAlSb、InGaTeP及InSb及所有相關化合物。術語「第IV族」包括諸如週期表之第IV行中之Si及Ge等半導體。第II-VI族包括諸如(例如)駐於週期表之第II及VI族中之CdS及 CdTe等半導體。應理解，本文所闡述之方法可應用於所有該等常見類型之半導體。
應注意，本文所闡述之化合物係以縮寫形式命名。兩組份材料可視為大約具有1：1莫耳比率之第III：V族化合物。在三組份或更多組份系統(例如InGaAlAsP)中，第III族物質(亦即In、Ga及Al)之總和大約為1且第V族組份(亦即As及P)之總和大約為1，且由此第III族與第V族之比率大致相同。
假定化合物名稱(例如GaAs、AlInP、GaInP、AlGaAs、GaPSb、AlPSb及其組合及與GaAs晶格匹配之晶格化合物或InP、InGaAs、AlInP、GaInP、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb及其組合及與InP晶格匹配之化合物)具有達成晶格匹配或應變所需之化學計量比率，如自上下文所推斷。舉例而言，為使InGaAs與InP晶格匹配，組成為In0.53Ga0.47As。AlGaAs(亦即AlXGa1-XAs)係感興趣之實例，此乃因其在0X1之整個組成範圍內幾乎與GaAs晶格匹配。另外，名稱可發生一定變化。舉例而言，AlGaAs及GaAlAs係相同材料。
如本文中所使用，術語「蝕刻劑選擇性」係指與另一材料之蝕刻速率相比特定蝕刻劑去除特定材料之速率。X及Y之蝕刻劑選擇性可量化為對於特定蝕刻劑而言X蝕刻速率與Y蝕刻速率之間之比率。因此，如本文中所使用，「高度選擇性」係指一種材料快速蝕刻而另一材料極緩慢蝕刻或根本不蝕刻之情形，例如大於10：1或100：1或甚至1000：1或更大。
如本文中所使用，術語「上方」係指在磊晶生長方向上之位置。
如本文所述，保存生長基板之完整性之方法可包括：提供包括生長基板、一或多個保護層、犧牲層及至少一個磊晶層之結構，其中犧牲層及一或多個保護層定位於生長基板與至少一個 磊晶層之間； 藉由使用蝕刻劑蝕刻犧牲層來釋放至少一個磊晶層；及熱處理生長基板及/或該等保護層中之至少一者。
在一些實施例中，熱處理生長基板及保護層中之至少一者。熱處理可選自(例如)爐加熱(例如管式爐加熱)、燈加熱(例如石英燈加熱)、雷射加熱及帶狀加熱。可在惰性氣體中或在各種真空程度下實施熱處理。在一些實施例中，熱處理可選自快速熱處理(RTP)技術。如熟習此項技術者所瞭解，熱處理之溫度及持續時間可端視諸如以下參數而有所變化：所存在之氣體物質、真空程度、擬至少部分地剝離之材料之類型、擬至少部分地剝離之層之厚度及期望剝離程度。
在一些實施例中，熱處理係選自RTP技術，例如快速熱退火(RTA)。如熟習此項技術者所理解，RTA技術用於在(例如)數秒至數分鐘之時間跨度內於控制諸如氣體類型、加熱溫度及加熱持續時間等參數之環境中將基板加熱至期望溫度。該等參數可端視諸如以下因素而有所變化：擬至少部分地剝離之材料之類型、擬至少部分地剝離之層之厚度及期望剝離程度。在RTA期間，在基板達到期望溫度後，可將其在該溫度下保持期望時間量，例如至少一分鐘、至少兩分鐘或至少5分鐘或小於一分鐘、小於30秒或甚至小於5秒。可在(例如)高達400℃、高達700℃或更高之溫度下實施RTA。
在一些實施例中，將經保護層中之至少一者熱處理而無意加熱生長基板。在此實施例中，熱處理可選自雷射技術，例如脈衝雷射熔化。
本發明方法容許使用薄保護層，此會降低材料消耗並減小生長時間。在某些實施例中，保護層厚度之範圍可為5 nm至500 nm，例如10-450 nm、20-400 nm、30-350 nm、40-300 nm、50-300 nm、50-250 nm、50-200 nm、75-300 nm、75-250 nm、75-200 nm、100-300 nm及 100-200 nm。
在一些實施例中，一或多個保護層可定位於生長基板上方，且犧牲層定位於一或多個保護層上方。圖1圖解說明用於實施本發明方法之一般結構之實例。在一些實施例中，可使用單層保護方案。在其他實施例中，可使用兩層保護方案。在一些實施例中，可使用三個或更多個保護層。如上所述，申請者先前在美國專利公開案第2011/0186910號及美國專利申請案第13/536,267號中顯示各種保護層方案及材料，該等公開案中關於方案及材料之揭示內容先前以引用方式併入本文中。應理解，本文所闡述之本發明方法可與所提及申請案中闡述之方案及材料一起採用，且本文並不重複所有與本發明一起使用之保護層方案及材料。
生長基板可包括任一數目種材料，包含單晶晶圓材料。在一些實施例中，生長基板可選自包含但不限於以下之材料：Ge、Si、GaAs、InP、GaN、AlN、GaSb、InSb、InAs、SiC、CdTe、藍寶石及其組合。在一些實施例中，生長基板包括GaAs。在一些實施例中，生長基板包括InP。在一些實施例中，構成生長基板之材料可經摻雜。適宜摻雜劑可包含但不限於鋅(Zn)、Mg(及其他第IIA族化合物)、Zn、Cd、Hg、C、Si、Ge、Sn、O、S、Se、Te、Fe及Cr。舉例而言，生長基板可包括摻雜有Zn及/或S之InP。
一或多個保護層可包括選自任一第III-V族材料之材料。在一些實施例中，第III-V族材料可選自(例如)GaAs、InAlP、InGaP、AlGaAs、AsSb、GaPSb、AlPSb、InP、InGaAs、InAlAs、InAs、InSb、GaP、AlP、GaSb、AlSb、GaAsSb、AlAsSb、AlGaInP及其組合。在一些實施例中，待經熱處理之至少一個保護層可包括GaAs。
生長基板及保護層中之至少一者可包括相同材料。在一些實施例中，待經熱處理之生長基板及至少一個保護層包括相同材料。在某 些實施例中，相同材料係GaAs。在本文所闡述之任一實施例中，相對於其他保護層最鄰近生長基板定位之保護層可相對於生長基板具有高蝕刻選擇性，從而可使用突然停止於生長基板上之蝕刻劑去除鄰近定位之保護層。
保護層可包括晶格匹配化合物及/或應變層，例如在應變-鬆弛臨界厚度下(對於應變層而言)。在某些實施例中，保護層中之至少一者晶格匹配，在其他實施例中，保護層中之至少兩者晶格匹配，且在其他實施例中，保護層中之至少三者晶格匹配。在其他實施例中，保護層中之至少一者發生應變，在其他實施例中，保護層中之至少兩者發生應變，且在其他實施例中，保護層中之至少三者發生應變。在其他實施例中，保護層可係應變平衡，其中至少一個保護層發生正性應變，且至少一個保護層發生負性應變以部分或完全地抵消一個層中之應變效應。亦涵蓋，保護層可包括至少一個晶格匹配層及至少一個應變層之組合。
在一些實施例中，可使用兩層保護方案，其中可熱處理任一或兩個保護層。在其他實施例中，可使用三層保護方案，其中可熱處理任一保護層、兩個保護層或所有三個保護層。在其他實施例中，可使用三個以上之保護層，其中可熱處理任一、兩個、三個、四個等或所有保護層。在本文所闡述之任一實施例中，待經熱處理之至少一個保護層在熱處理時可相對於其他保護層定位於生長基板上方最遠處。在一些實施例中，此保護層毗鄰犧牲層定位。
在一些實施例中，該方法進一步包括蝕刻保護層中之至少一者。在一些實施例中，選擇性蝕刻每一保護層。可在熱處理至少一個保護層之前或之後蝕刻保護層，在一些實施例中，在熱處理至少一個保護層之前蝕刻至少一個保護層。在一些實施例中，在熱處理至少一個保護層之後蝕刻至少一個保護層。在一些實施例中，在熱處理至少 一個保護層之後選擇性蝕刻每一保護層。在一些實施例中，可在熱處理至少一個保護層之前蝕刻至少一個保護層(例如相對於其他保護層定位於生長基板上方最遠處之保護層)。在一些實施例中，適宜蝕刻劑可獨立地選自HF、H3PO4、HCl、H2SO4、HNO3、C6H8O7(檸檬酸)、H2O2、NH4OH、H2O及其組合。
在熱處理一個以上之保護層之實施例中，可單獨熱處理每一熱處理層。舉例而言，在一些實施例中，可視情況熱處理相對於其他保護層定位於生長基板上方最遠處之保護層且然後在可選熱處理之後蝕刻掉。隨後，可視情況熱處理另一保護層(例如在蝕刻先前保護層之後相對於其他層定位於生長基板上方最遠處之保護層)且然後在熱處理之後蝕刻掉。可視需要重複此過程以去除污染物。
在一些實施例中，犧牲層包括AlAs。犧牲層可包括超晶格。在一些實施例中，超晶格包括InAs/AlAs或合金(例如AlAsSb、AlGaAs或其他主要基於Al之合金)。
在一些實施例中，用於釋放至少一個磊晶層之蝕刻劑包括HF、H3PO4、HCl、H2SO4、HNO3、C6H8O7(檸檬酸)、H2O2、NH4OH、H2O及其組合。在某些實施例中，蝕刻劑包括HF。在一些實施例中，用於釋放至少一個磊晶層之蝕刻劑包括HF，且待經熱處理之至少一個保護層包括GaAs。
在一些實施例中，至少一個磊晶層可包括任一適用於光敏性裝置之材料。光敏性裝置可包含但不限於光檢測器、光感測器、光導體、化學感測器、生物感測器及PV裝置(例如太陽能電池)。至少一個磊晶層可選自至少一種III-V材料。對於包含PV裝置之各種類型之光電子裝置而言，GaAs、InP及其他第III-V族化合物可係有吸引力之電子材料。一般而言，某些第III-V族化合物可具有有益之壓電及光電子性質、高壓電常數及寬範圍電子帶隙以容許製造異質結構(相對於 Si，其中異質結構及晶格匹配之合金不常見或不可獲得)。在一些實施例中，某些磊晶層之有益特性可容許產生薄輕量PV裝置。在一些實施例中，所得PV裝置可展現自僅數微米厚至幾百微米厚之厚度。實例性裝置可展現包含但不限於約10 μm至約150 μm、約25 μm至約30 μm、約10 μm至約25 μm、及(在一些情形下)小於10 μm之最終厚度。此外，一些第III-V族材料可沈積為三重或四重「匹配合金」，其具有與導出其之二元化合物(例如AlxGa1-xAs及GaAs)緊密匹配之晶格常數，由此允許製造促進裝置性能之寬範圍異質結構。InP之匹配合金可包含諸如InGaAs、InAlAs、InGaAsP及InGaAlAs等化合物。
在一些實施例中，至少一個磊晶層可經摻雜。適宜摻雜劑可包含但不限於鈹(Be)、Mg(及其他第IIA族物質)、Zn、Cd、Hg、C、Si、Ge、Sn、O、S、Se及Te。舉例而言，至少一個磊晶層可包括InGaAs/InP或InGaAs/InP/InGaAs堆疊，其中該等堆疊材料中之每一者輕度摻雜有諸如Be等摻雜劑。
在一些實施例中，至少一個磊晶層可為電池結構之一部分。在一些實施例中，電池結構可代表在生長之後之充分發展電池，其包括若干不同半導體之多個磊晶層、接觸層、基板及中間層。在一些實施例中，電池結構係PV電池結構，其包括將光轉化成電所需之光及電半導體作用層。在一些實施例中，電池結構可僅包括一或多個生長層(例如單一磊晶層)，其含有一或多種適用於PV裝置之材料，例如作用層。在一些實施例中，至少一個磊晶層可包括一或多個保護層以在ELO期間保護裝置(例如PV電池)。
本文所闡述之本發明方法中所使用之結構可進一步包括緩衝層。在一些實施例中，緩衝層定位於至少一個磊晶層與生長基板之間。在一些實施例中，緩衝層定位於生長基板與一或多個保護層之間。生長基板、緩衝層及保護層中之至少一者可包括相同材料。在一 些實施例中，待經熱處理之生長基板、緩衝層及至少一個保護層包括相同材料。在一些實施例中，相同材料包括GaAs。
本揭示內容之其他實施例係關於保存生長基板之完整性之方法，其包括：提供包括生長基板、第一保護層、第二保護層、犧牲層及至少一個磊晶層之結構，其中犧牲層及第一及第二保護層定位於生長基板與至少一個磊晶層之間；藉由使用蝕刻劑蝕刻犧牲層來釋放至少一個磊晶層；及熱處理生長基板及/或第一及第二保護層中之至少一者。
在一些實施例中，第一保護層定位於生長基板上方，第二保護層定位於第一保護層上方，且犧牲層定位於第二保護層上方。
生長基板、第一及第二保護層、犧牲層及至少一個磊晶層可包括如本文所闡述之材料。
在一些實施例中，熱處理第一及第二保護層中之任一者或兩者。在一些實施例中，單獨熱處理第一及第二保護層。在某些實施例中，第二保護層經熱處理且包括GaAs。在某些實施例中，第二保護層經熱處理且包括GaAs，且第一保護層係選自AlGaInP及InGaP。
該方法可進一步包括蝕刻第二保護層。在一些實施例中，該方法可進一步包括選擇性蝕刻第二保護層及第一保護層中之每一者。在一些實施例中，在熱處理第一保護層之前蝕刻第二保護層。在一些實施例中，可視情況在視情況熱處理第一保護層之前熱處理第二保護層，且然後蝕刻掉。在一些實施例中，適宜蝕刻劑可獨立地選自HF、H3PO4、HCl、H2SO4、HNO3、C6H8O7(檸檬酸)、H2O2、NH4OH、H2O及其組合。
儘管本揭示內容論述濕式蝕刻，但可使用物理及化學乾式蝕刻技術來蝕刻各層，由此消除濕式蝕刻選擇所需之蝕刻選擇性。乾式蝕 刻技術可包含(例如)物理濺射蝕刻及反應性離子蝕刻(RIE)(例如感應耦合電漿RIE)。
在一些實施例中，生長基板及第二保護層包括相同材料。在某些實施例中，相同材料係GaAs。在某些實施例中，相同材料係GaAs，且第一保護層係選自AlGaInP及InGaP。
在一些實施例中，緩衝層定位於至少一個磊晶層與生長基板之間。在一些實施例中，緩衝層定位於生長基板與第一保護層之間。在某些實施例中，生長基板、緩衝層及第二保護層包括相同材料。在某些實施例中，相同材料係GaAs。在某些實施例中，相同材料係GaAs，且熱處理第二保護層。
可藉由下列非限制性實例進一步闡明本發明，該等非限制性實例僅欲闡明本發明。
在此實例中，使用容許自單一母體晶圓多次生長之雙層保護方案來顯示本發明生長基板保護製程。
如圖2中所展示，藉由氣體源分子束磊晶(GSMBE)在摻Zn(100)p-GaAs基板上生長磊晶層結構。生長係在0.2 μm厚GaAs緩衝層下開始。然後，生長0.1 μm晶格匹配之In0.49Ga0.51P保護蝕刻停止層，隨後生長0.1 μm厚GaAs保護層。隨後，生長0.1 μm厚AlAs犧牲ELO層。然後，如下所示來生長反向GaAs太陽能電池作用區域：0.2 μm厚5×1018 cm-3摻Si之GaAs接觸層、0.025 μm厚2×1018 cm-3摻Si之In0.49Ga0.51P窗口層、0.15 μm厚1×1018 cm-3摻Si之n-GaAs射極層、3.5 μm厚2×1017 cm-3摻Be之p-GaAs基極層、0.075 μm厚4×1017 cm-3摻Be之In0.49Ga0.51P背表面電場(BSF)層及0.2 μm厚2×1018 cm-3摻Be之p-GaAs接觸層。
在生長之後，將Ir(150 Å)/Au(8000 Å)接觸層沈積於50 μm厚Kapton®片材上且藉由電子束蒸發將Au(600 Å)層沈積於GaAs磊晶層 上。經由冷焊接合基板及塑膠片材且然後浸漬於HF：H2O(1：10)溶液中以實施ELO(亦即選擇性蝕刻AlAs犧牲層)。圖3展示移起GaAs太陽能電池作用層之照片。藉由使用BCl3及Ar氣體進行電漿蝕刻來清洗薄膜。然後，將其切割成四分之一片段以用於太陽能電池製造。
如上所述，藉由生長保護蝕刻停止層(0.1 μm厚InGaP)及保護層(0.1 μm厚GaAs)以在ELO製程期間保護母體GaAs晶圓表面來形成雙層保護方案。如圖4(b)中所看到，暴露於稀HF中之GaAs可產生難以清潔地蝕刻掉之殘餘物或表面污染物。為減少此問題，在完成ELO之後，藉由使用RTA工具熱處理GaAs晶圓及保護層來有意剝離GaAs保護層表面。在N2條件下實施RTA。在30秒內將溫度斜升至500℃。將晶圓在500℃下保持60秒。在熱處理之後，去除大部分大尺寸污染物。
圖5展示保護層表面在RTA處理(a)之前及(b)之後之顯微影像。影像表明，在退火製程期間已去除大部分大尺寸污染物。剝離GaAs表面之原子力顯微鏡(AFM)影像呈現於圖4(c)中。在RTA之後，藉由分別使用H3PO4：H2O2：H2O(3：1：25)及H3PO4：HCl(1：1)實施濕式蝕刻來去除保護層及蝕刻停止層。圖4展示表面(d)在去除保護層之後之晶圓之粗糙度(粗糙度之均方根(RMS)為0.71 nm)與(a)新晶圓(RMS粗糙度為0.62 nm)相當，從而表明其品質幾乎相同。
為比較原始及隨後磊晶層之生長品質，藉由將具有保護層之晶圓暴露於7.5% HF：H2O稀溶液中48 hr來模擬ELO製程。在RTA處理及磊晶保護層去除之後，將基板裝載回GSMBE室中且排氣。然後在與參考結構具有相同結構之原始母體基板上生長層結構。如圖6中所展示，原始晶圓及再生晶圓上GaAs磊晶層之GaAs太陽能電池性能、霍爾效應、光致發光(PL)、掃描透射電子顯微照片(STEM)及反射高能量電子電子繞射(RHEED)量測表明，磊晶膜之電及光學品質幾乎相 同。橫斷面STEM影像證實，新磊晶膜及再生長磊晶膜皆具有幾乎完美之結晶生長(圖6(b))。RHEED圖案亦指示，彼等晶圓具有相同表面品質(圖6(b)之插圖)。另外，藉由能量分散光譜(EDS)及x射線光電子光譜(XPS)研究之表面化學並不展示原始晶圓與再生晶圓之間之顯著差異(未展示)。生長於原始晶圓及再生晶圓上之GaAs p/n接面太陽能電池展現幾乎相同之性能，其中在模擬之AM1.5G照明下具有大約23%之功率轉換效率。
在實例中除外，或除非另外指明，否則在說明書及申請專利範圍中所用表示成分數量、反應條件、分析量測及諸如此類之所有數字應理解為在所有情形下皆受術語「約」修飾。因此，除非相反地指明，否則，說明書及隨附申請專利範圍中所闡述數字參數均為可端視本揭示內容尋求獲得之期望性質而有所變化之近似值。無論如何，且並非試圖限制申請專利範圍之範圍之等效項之原則的應用，每一數字參數皆應至少根據有效數位之數目及通常之舍入方法來解釋。
儘管闡述本揭示內容之寬廣範圍之數值範圍及參數係近似值，但除非另外指明，否則在具體實例中所闡述之數值係儘可能準確地報告。然而，每一數值固有地含有必然由其各別測試量測中存在之標準偏差所引起之某些錯誤。
彼等熟習此項技術者藉由考慮說明書及實踐可明瞭本文所闡述裝置及方法之其他實施例。應將說明書及各實例僅視為例示性，所闡述裝置及方法之真正範圍係由申請專利範圍指示。

Claims (20)

  1. 一種保存生長基板之完整性之方法，其包括：提供包括生長基板、一或多個保護層、犧牲層及至少一個磊晶層之結構，其中該犧牲層及該一或多個保護層係定位於該生長基板與該至少一個磊晶層之間；藉由使用蝕刻劑蝕刻該犧牲層來釋放該至少一個磊晶層；及熱處理該生長基板及/或該等保護層中之至少一者。
  2. 如請求項1之方法，其中熱處理該生長基板及該等保護層中之至少一者。
  3. 如請求項1之方法，其中該一或多個保護層係定位於該生長基板上方，且該犧牲層係定位於該一或多個保護層上方。
  4. 如請求項2之方法，其中該熱處理係選自爐加熱、燈加熱、雷射加熱及帶狀加熱。
  5. 如請求項2之方法，其中該熱處理包括快速熱處理技術。
  6. 如請求項5之方法，其中該快速熱處理技術係快速熱退火。
  7. 如請求項1之方法，其進一步包括蝕刻該等保護層中之至少一者。
  8. 如請求項2之方法，其進一步包括在該熱處理之前蝕刻該等保護層中之至少一者。
  9. 如請求項2之方法，其中該生長基板包括選自Ge、Si、GaAs、InP、GaN、AlN、GaSb、InSb、InAs及其組合之材料。
  10. 如請求項2之方法，其中該一或多個保護層包括選自第III-V族材料之材料。
  11. 如請求項2之方法，其中待經熱處理之該至少一個保護層包括GaAs。
  12. 如請求項9之方法，其中該一或多個保護層包括選自第III-V族材料之材料。
  13. 如請求項2之方法，其中該生長基板及該等保護層中之至少一者包括相同材料。
  14. 如請求項13之方法，其中待經熱處理之該生長基板及該至少一個保護層包括相同材料。
  15. 如請求項2之方法，其中用於釋放該至少一個磊晶層之該蝕刻劑包括HF。
  16. 如請求項2之方法，其中該結構進一步包括定位於該至少一個磊晶層與該生長基板之間之緩衝層。
  17. 如請求項16之方法，其中該緩衝層係定位於該生長基板與該一或多個保護層之間。
  18. 如請求項17之方法，其中該生長基板、該緩衝層及該等保護層中之至少一者包括相同材料。
  19. 如請求項18之方法，其中待經熱處理之該生長基板、該緩衝層及該至少一個保護層包括相同材料。
  20. 一種保存生長基板之完整性之方法，其包括：提供包括生長基板、第一保護層、第二保護層、犧牲層及至少一個磊晶層之結構，其中該犧牲層及該等第一及第二保護層係定位於該生長基板與該至少一個磊晶層之間；藉由使用蝕刻劑蝕刻該犧牲層來釋放該至少一個磊晶層；及熱處理該生長基板及/或該等第一及第二保護層中之至少一者。
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