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TW201907575A - 高效且晶格匹配的多接面太陽能電池的ｍｏｃｖｄ／ｍｂｅ混合磊晶生長 - Google Patents

高效且晶格匹配的多接面太陽能電池的ｍｏｃｖｄ／ｍｂｅ混合磊晶生長 Download PDF

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Abstract

公開了一種半導體裝置和一種製造半導體裝置的方法，所述半導體裝置具有稀氮層和覆蓋稀氮層的至少一種半導體材料。使用混合磊晶生長以及用於最小化擴散到稀氮層中的氫的鋁障壁層來製造高效多接面太陽能電池。

Description

高效且晶格匹配的多接面太陽能電池的MOCVD/MBE混合磊晶生長
本發明涉及半導體裝置並且涉及製造半導體裝置的方法，所述半導體裝置具有稀氮層和覆蓋稀氮層的至少一種半導體材料。更具體地，本發明涉及高效率多接面太陽能電池的混合磊晶生長。
III-V材料的磊晶生長是無線、光學和光伏行業的基礎技術。諸如假型高速電子移動電晶體（PHEMT）、異質接面雙極電晶體（HBT）、垂直腔表面發射雷射器（VCSEL）和多接面太陽能電池的結構需要只有磊晶生長才能提供的純度和結晶品質。用於製造多接面太陽能電池的兩種技術是分子束磊晶（MBE）和金屬有機化學氣相沉積（MOCVD，或金屬有機化學氣相沉積（MOVPE）、或有機金屬氣相磊晶（OMVPE））。
稀氮是一類具有少量（例如，小於約7原子百分比或5原子百分比）氮的III-V半導體合金材料（具有元素週期表中第III族的一種或多種元素以及元素週期表第V族的一種或多種元素的合金）。稀氮是令人關注的，因為它們具有可以變化的晶格常數以與寬範圍的基板（包括GaAs和鍺）和/或其他半導體層（諸如由稀氮以外的材料形成的用於光伏電池的子電池）基本上匹配。晶格常數可以藉由不同的第IIIA族和第VA族元素的相對分量來控制。因此，藉由調整稀氮材料的成份（即元素和數量），可以獲得寬範圍的晶格常數和帶隙。藉由圍繞特定晶格常數和帶隙調整成份，同時將總銻含量限制為不超過第V族晶格格位的20%，例如不超過第V族晶格格位的3%、或不超過第V族晶格格位的1%，來獲得高品質材料。
儘管可以使用III-V多接面光伏電池的變性結構，但是晶格匹配的稀氮結構是較佳的，這歸因於帶隙可調性和晶格常數匹配，從而使得稀氮對於整合至顯著提升效率的多接面光伏電池中而言是理想的。已經證實了稀氮性能可靠並且在製造過程中需要較少的半導體材料。稀氮光伏電池的高效率使得它們對於地球上的聚光光伏系統和設計用於太空中工作的光伏系統是有吸引力的。對於諸如光電偵測器的光電元件和諸如VCSEL的半導體雷射器，稀氮也是令人關注的。明顯地，熱處理在稀氮裝置的製造過程中是重要且獨特的步驟，這對於一般半導體而言是不需要的。需要熱負荷來改善稀氮材料內的結構缺陷。
儘管MOCVD是太陽能電池商業生產中的較佳技術，但是電漿輔助MBE被用來生長具有約1eV帶隙的稀氮材料。難以藉由MOCVD將足夠摩爾分量的氮摻入到磊晶層的晶格中。電漿輔助MBE提供優異的稀氮成份控制和材料品質，部分原因是該工藝能夠產生更多的氮自由基，這增加了半導體層中氮的摻入量，從而將帶隙減小到約0.7eV至1.2eV的範圍內。多接面太陽能電池中的其他接面（例如，(Al)GaAs、(Al)(In)GaP）可以藉由MBE或MOCVD生長，且具有相當的性能和品質。
MBE生長發生在超高真空（UHV）環境（基礎壓力為約1E-9托）的加熱基板上，通常使用不含載氣的元素源。UHV環境確保材料純度。藉由遮板（shuttering）實現分層結構。
MOCVD生長發生在與MBE完全不同的壓力體系（通常為15托至750托）的加熱基板上。與MBE不同，MOCVD使用複合化合物源，即金屬有機物源（例如，三甲基鎵、三甲基銦、三甲基鋁等）、氫化物（例如，AsH3等）和其他氣體源（例如，乙矽烷）。在MOCVD中，反應物流過基板，反應物在基板與表面反應，導致磊晶生長。與MBE相反，MOCVD需要使用載氣（通常為氫）來將反應物輸運通過基板表面。藉由用於氣體歧管不同噴射口的閥門致動實現分層結構。MOCVD的維護比MBE更頻繁，但耗時更少。因此，MOCVD能夠更快地從設備故障或重新配置中恢復。另一方面，MBE涉及更長的維護週期並且具有設置可變性限制，例如，當生長含磷磊晶層時。由於較低的運營成本，MOCVD是商業生產中的較佳技術。
氫氣通常用作砷化物和磷化物生長的載體，因此藉由MOCVD生長的半導體材料可無意中摻雜了氫。在磊晶期間，氫氣可以來自（1）氫氣載體本身，和（2）藉由半導體表面上的砷化氫或磷化氫的裂化，在此期間共價鍵被破壞並釋放氫。相反，MBE磊晶使用沒有載氣的固體或電漿源，這消除了由於反應器中氫的存在而導致的複雜性。一旦磊晶晶片從低氫（MBE）環境轉移到富氫（MOCVD）環境，氫氣就會擴散到MBE生長的半導體層中並導致鈍化補償和/或在這些層中引入孤立供體或缺陷，例如，諸如N-H和N–H–VGa（其中VGa與鎵缺位相關）的氮和氫的複合缺陷。無意中的氫摻雜會污染並退化在超高真空MBE中以低速特意生長的稀氮層。每種磊晶生長技術在特定裝置應用中具有其特定的優點。出於這個原因，設計了一種新的改進的MOCVD/MBE混合磊晶生長技術和結構，以利用這兩種技術的優勢並減輕其各自的劣勢。
MOCVD/MBE混合磊晶的成功實施適當保護生長的中間磊晶層，使得這些層的頂表面保持用於過度生長的清潔和“磊晶準備”。必須防止介面層的氧化或污染，以使混合生長成為可能。這些層還應該減少或防止氫從MOCVD生長擴散到下面的稀氮層中，並且還應該能夠承受稀氮磊晶處理中使用的熱處理。在隨後的生長步驟之前使用犧牲層作為待被蝕刻掉的保護層或蓋層是低效的，尤其是在大批量生產中。
本公開描述了當磊晶生長在一個反應器（MBE或MOCVD）中被中斷然後在不同的反應器中恢復時，最小化表面污染和缺陷的磊晶結構和生長方案的設計。該結構和工藝還減輕了氫從MOCVD生長擴散到下面的MBE生長的稀氮層中的影響。
本公開中描述的稀氮電子裝置源於MOCVD/MBE混合生長方法的成功實施。高效率裝置源於特定的磊晶結構設計（例如，層厚度和摻雜分佈）、生長條件（例如，生長和空閒時的溫度以及生長速率）以及在混合製造過程中在最小化對其他接面的退化的情況下對稀氮層的精心設計的部分或全部退火（圖1A至圖1E）。MOCVD/MBE混合方法還可以應用於包含至少一個稀氮層的非太陽能電子/光電元件，例如雷射器、垂直腔表面發射雷射器（VCSEL）、探測器和功率轉換器。
根據本發明，半導體裝置包括覆蓋稀氮層的至少一個含鋁層，其中，稀氮層具有小於1016 cm-3 的背景摻雜濃度。
根據本發明，用於形成根據本發明的半導體裝置的方法包括：沉積覆蓋稀氮層的至少一個含鋁層；以及沉積覆蓋至少一個含鋁層的至少一個半導體層，其中，使用分子束磊晶（MBE）來沉積稀氮層和至少一個含鋁層並使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積至少一個半導體層。
根據本發明，用於形成半導體裝置的方法包括：沉積覆蓋稀氮層的至少一個含鋁層；以及沉積覆蓋至少一個含鋁層的至少一個半導體層，其中，使用分子束磊晶（MBE）來沉積稀氮層和至少一個含鋁層並使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積至少一個半導體層，以及其中稀氮層具有小於1016 cm-3 的背景摻雜濃度。
本公開的裝置和方法有助於製造由MBE/MOCVD混合磊晶的成功實施產生的高品質電子裝置和光電裝置。所公開的裝置和方法包括與稀氮多接面太陽能電池有關的細節。
可以改變稀氮的成份以獲得寬範圍的晶格常數和帶隙。示例包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi和GaNAsSbBi。藉由圍繞特定晶格常數和帶隙調整每種元素的量，同時將總Sb含量限制為不超過第V族晶格格位的20%，例如不超過第V族晶格格位的3%、或不超過第V族晶格格位的1%，來獲得高品質的稀氮。銻（Sb）被認為是用作促進III-AsNV合金的平順生長形態的表面活性劑。另外，Sb可以促進氮的均勻摻入，並最小化與氮相關的缺陷的形成。Sb摻入到III-AsNV合金中可以增強整體氮摻入並降低合金帶隙，有助於實現減弱帶隙合金。然而，存在由Sb產生的其它缺陷，因此需要將Sb的總濃度限制為不超過第V族晶格格位的20%。此外，對Sb含量的限制隨著氮含量的降低而減少。包括In的合金可以對總含量具有更低的限制，因為In可以減少調整晶格常數所需的Sb的量。對於包括In的合金，總Sb含量可以限制為不超過第V族晶格格位的3%，例如不超過第V族晶格格位的1%。例如，在藉由引用併入本文的第2010/0319764號美國申請公開中揭露的Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，當與在0.08 ≤ x ≤ 0.18、0.025 ≤ y ≤ 0.04和0.001 ≤ z ≤ 0.03的成份範圍中並且具有至少0.9 eV的帶隙的GaAs或者Ge基板基本上晶格匹配時，可以產生高品質的材料。具有稀氮子電池的多接面光伏電池的其他示例揭露在第8,912,433號美國專利、第8,962,993號美國專利、第9,214,580號美國專利、第2017/0110613號美國申請公開以及第2017/0213922號美國申請公開中，每個所述專利/申請藉由引用整體併入本文，這些申請揭露的成份範圍在0 ≤ x ≤ 0.24、0.001 ≤ y ≤ 0.07和0.001 ≤ z ≤ 0.2之間，並且厚度在約1微米至4微米之間。在一些示例中，多接面光伏電池可以包括一個以上的稀氮子電池，每個子電池具有不同的元素成份和帶隙。
具有分級摻雜分佈的稀氮子電池揭露在第9,214,580號美國專利、第2016/0118526號美國申請公開以及第2017/0338357號美國申請公開中，每個所述專利/申請藉由引用整體併入本文。這些申請描述了稀氮基層，其包括厚度在0.4微米至3.5微米之間、並且p型摻雜位準在1 × 1015 cm-3 和1 × 1019 cm-3 之間的目標摻雜區域，以及進一步包括具有恒定摻雜劑濃度、厚度為0.1微米至約1微米的目標摻雜稀氮層或本徵（或非目標摻雜）稀氮層。
摻雜區域或摻雜層是指目標摻雜的區域或摻雜層。例如，p-摻雜的Ge層是指有意摻雜有p型摻雜劑的Ge層。目標摻雜層的目標摻雜劑濃度大於本徵材料中摻雜劑的濃度。未摻雜的材料可以具有沉積工藝固有的摻雜劑濃度，並且可以因例如被沉積材料中的雜質、系統中的背景污染物、或者是沉積工藝中不希望的偽影（artifact）的摻雜劑而產生。材料可以具有本徵摻雜劑的濃度，例如，小於1016 原子/cm3 或小於1015 原子/cm3 。材料可具有目標摻雜劑的濃度，例如，大於1016 原子/cm3 、大於1017 原子/cm3 或大於1018 原子/cm3 。
用於例如功率轉換器和光電偵測器的光電元件的稀氮材料的成份揭露在第2015/0221803號美國申請公開和遞交於2017年9月9日的第62/564,124號美國臨時申請中，每個上述申請藉由引用整體併入本文。
所公開的結構中的所有半導體層可以與每個其他層晶格匹配。“晶格匹配”是指這樣的半導體層，其中當材料以大於100 nm的厚度存在時，材料在其完全弛豫狀態時鄰接材料的面內晶格常數的差別小於0.6%。此外，基本上彼此晶格匹配的子電池指的是，以大於100 nm厚度存在的子電池中的所有材料在其完全弛豫狀態時具有差別小於0.6%的面內晶格常數。在可替換的含義中，基本上晶格匹配參考應變。由此，基底層可以具有0.1%至6%、0.1%至5%、0.1%至4%、0.1至3%、0.1%至2%或者0.1%至1%的應變；或者可以具有小於6%、小於5%、小於4%、小於3%、小於2%或者小於1%的應變。應變是指壓縮應變和/或拉伸應變。半導體層的晶格常數可以藉由X射線搖擺曲線分析來確定。
在本公開提供的Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz的某些實施方式中，N成份不超過第V族晶格格位的7原子百分比。在某些實施方式中，N成份不超過4原子百分比，並且在某些實施方式中，不超過3原子百分比（at%），其中百分比基於Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz合金的總元素含量。
本發明包括具有三個或更多個子電池（例如包含至少一個Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池的三接面、四接面和五接面子電池）的多接面太陽能電池。藉由改變成份同時控制Sb的總含量可以調整Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz材料的帶隙。因此，可以製造具有適合於與多接面太陽能電池的其他子電池集成帶隙的Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池，同時保持與其他子電池的基本上晶格匹配。可以調整Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池的帶隙和成份，使得由Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池產生的短路電流與太陽能電池中其他子電池的短路電流相同或比太陽能電池中其他子電池的短路電流略大。因為Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz材料提供高品質、晶格匹配和帶隙可調子電池，所公開的包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池的太陽能電池可以實現高轉換效率。效率的提高主要是由於作為熱量而損失的光能較少，這是因為附加的子電池允許更多的入射光子被帶隙更接近入射光子能級的半導體材料吸收。另外，由於較低的工作電流，這些多接面太陽能電池中的串聯電阻損耗相比於其他太陽能電池更低。在較高的日光密度下，降低的串聯電阻損耗變得更加明顯。取決於底部子電池的帶隙，太陽光譜中更寬範圍的光子的集合也可以有助於提高效率。
現有技術中具有多於三個子電池的多接面太陽能電池的設計主要依賴於變性生長結構、新材料或現有子電池材料品質的顯著改進，以便提供可以實現高效率的結構。由於源自緩衝層的錯位可能隨時間傳播到子電池中，含有變性緩衝層的太陽能電池可能具有可靠性問題，這導致性能下降。相反，Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz材料可用於具有多於三個子電池的太陽能電池中以達到高效率，同時保持子電池之間的基本上晶格匹配，這有利於可靠性。例如，由本公開提供的對Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池的可靠性測試已經示出多接面太陽能電池包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池，這種裝置可以在100℃下日曬390年而無故障地正常運轉。在這些子電池中觀察到的最大退化是開路電壓降低約1.2%。
對於太空應用，輻射硬度是非常重要的，其中，輻射硬度是指暴露於電離輻射（包括電子和質子）時裝置性能的最小退化。結合由本公開提供的Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池的多接面太陽能電池已經過質子輻射測試以檢查在太空環境中的退化效應。與基於Ge的三接面太陽能電池相比，結果表明這些含有Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz的裝置具有相似的功率退化率和出色的電壓保持率。與非晶格匹配（變性）三接面太陽能電池相比，含有Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz的裝置的所有指標都更佳。在某些實施方式中，太陽能電池包括(Al)InGaP子電池以改善相比於(Al)(In)GaAs子電池的輻射硬度。
由於不同元素之間的相互作用以及諸如層中應變的因素，Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz的成份與帶隙之間的關係不是成份的簡單函數。藉由根據經驗改變成份，可以找到實現具有特定晶格常數的所需帶隙的成份。
Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz材料在生長期間和生長之後接收的應用於Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz材料的熱劑量也影響帶隙與成份之間的關係，熱劑量由在給定持續時間內施加的熱強度控制（例如，施加600℃至900℃的溫度持續時間在10秒至10小時之間）。通常，帶隙隨著熱劑量的增加而增加。
隨著Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz材料和包含Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池的太陽能電池的發展進程，預期材料品質將繼續提高，從而能夠根據本公開中描述的相同或類似成份實現更高效率。然而，應當理解，由於GaInNAsSb材料成份和處理參數的複雜的相互依賴性，不一定能夠確定材料和處理條件的哪種組合將產生具有特定帶隙的合適的高效率子電池。
由於在Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz材料體系內成份存在變化，需要改變生長條件以實現高性能。例如，對於(Al)(In)GaAs，生長溫度將隨著Al比例的增加而升高並隨著In比例的增加而降低，以保持相同的材料品質。因此，隨著Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz材料或多接面太陽能電池的其他子電池的成份發生變化，必須相應地調整生長溫度以及其他生長條件。
圖2示出了三接面（3J）、四接面（4J）和五接面（5J）太陽能電池的示意圖。在所示的一些示例中，太陽能電池可以形成在砷化鎵（GaAs）基板，或形成在鍺（Ge）基板上。在某些實施方式中，基板可以包括GaAs、InP、GaSb、(Sn,Si)Ge或矽。除了實驗示例之外，鍺基板包括(Sn,Si)Ge基板，例如Ge、SnGe、SiGe和SnSiGe。合適的基板可以具有設計成與Ge的晶格常數大致匹配的晶格常數，例如緩衝矽基板。示例性緩衝物可以在矽上生長以允許Ge的生長包括SiGeSn和稀土氧化物（REO）。
在工作中，多接面太陽能電池配置成使得具有最高帶隙的子電池面對入射的太陽輻射，子電池的特徵在於隨著越處在最上方子電池下面或越靠近下方，帶隙越小。3J太陽能電池底部的Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz子電池（圖2）具有0.7 eV至1.2 eV範圍內的帶隙。上層子電池可以包括(Al)(In)GaAs和(Al)(In)GaP，其具有逐步增大的帶隙以吸收高能量波長的光。在4J或更多接面太陽能電池中，活性鍺子電池位於GaInNAsSb子電池下面以吸收較低能量的光。在一些實施方式中，例如在5J或更多接面太陽能電池中，可以使用具有不同帶隙的兩個GaInNAsSb子電池。
子電池的特定帶隙至少部分地由底部子電池的帶隙、子電池層的厚度和入射光的光譜決定。儘管在本公開中存在許多結構將產生大於三接面太陽能電池的效率的效率，但是並非所公開的範圍內的任何一組子電池帶隙將產生增加的光電轉換效率。對於底部子電池帶隙的某些選擇、或者另一子電池的帶隙、光的入射光譜、子電池材料和子電池層厚度，其餘子電池帶隙在較窄範圍內將產生大於其他三接面太陽能電池效率的效率。
為了形成完整的多接面太陽能電池，可能存在的其他層包括抗反射塗層、接觸層、將子電池串聯連接的穿遂接面、電氣接觸和基板或晶片柄（wafer handle）。
儘管可以使用諸如MOCVD和MBE的半導體生長方法製造多接面太陽能電池的各個層，但是對於某些材料，較佳地使用特定的沉積方法（例如藉由MOCVD或MBE）生長更高品質的層。因此，多接面太陽能電池的一些層較佳地藉由MOVCD生長，並且其他層較佳地藉由MBE生長。MOCVD和MBE的特徵在於不同的生長環境。
使用MOCVD和MBE的組合製造單獨的層或層組而形成的裝置的混合生長通常需要將半導體晶片和磊晶層從一個生長環境轉移到另一個生長環境。因此，在從一個生長環境轉移到另一個生長環境期間，通常使用保護層來保護第一組磊晶層。這樣做是為了確保在轉移之後第一組磊晶層的頂表面準備好進行磊晶生長。必須防止生長層的氧化或污染以實現混合生長。除了防止下面生長層的氧化或污染之外，還希望保護層在MOCVD生長期間減少或防止氫擴散到下面的稀氮層中。還希望保護層經受在稀氮磊晶工藝中使用的熱處理。在本發明的實施方式中，包括Al的層用作覆蓋至少一個稀氮層（或子電池）的保護層。
圖13和圖14根據本發明實施方式的多接面太陽能電池的簡化截面圖。圖13示出了形成在GaAs基板1301上的、為集中光伏系統設計的三接面電池的示例。稀氮子電池1302和覆蓋的含Al層1303的至少一部分可以使用MBE工藝（1311）生長。其餘的覆蓋層（穿遂接面1304、子電池1305、穿遂接面1306、子電池1307和頂部接觸層1308）以及含Al層1303的一部分（根據需要）可以使用MOCVD工藝（1312）生長，以允許MBE/MOCVD生長介面掩埋在含Al層1303中。在該示例中，含Al層1303位於穿遂接面1304之下，穿遂接面1304將稀氮子電池1302連接至覆蓋子電池1305。為簡化，含Al層1303顯示為單層。然而，應當理解的是，如本文所述，含Al層1303可以包括具有不同層成份和厚度的多個含Al層。
圖14示出了在Ge基板1401上形成的四接面電池的示例，Ge基板1401還用作活性子電池。Ge子電池1401、成核層1402和緩衝層1403的一部分可以使用MOCVD工藝（1411）形成。穿遂接面1404（將Ge子電池1401連接至稀氮子電池1405）、稀氮子電池1405、穿遂接面1406（將稀氮子電池1405連接至覆蓋子電池1408）和含Al覆蓋層1407的至少一部分可以使用MBE工藝（1412）生長。其餘的覆蓋層（子電池1408、穿遂接面1409、子電池1410和頂部接觸層1411）以及含Al層1407的一部分（根據需要）可以使用MOCVD工藝（1413）生長，以允許MBE/MOCVD生長介面掩埋在含Al層1407中。在該示例中，含Al層1407覆蓋穿遂接面1406，穿遂接面1406將稀氮子電池1405連接至覆蓋子電池1408。為簡化，含Al層1407顯示為單層。然而，應當理解的是，如本文所述，含Al層1407可以包括具有不同層成份和厚度的多個含Al層。
圖3A至圖3D示出了具有附加元件的4J太陽能電池結構的示例。附加元件可以存在於完整太陽能電池中，包括緩衝層、穿遂接面、背表面場、窗、發射器、成核層和前表面場層。在圖2-3和圖13-14所示的示例中，所有子電池彼此基本上晶格匹配，並且可以藉由穿遂接面互相連接。如本領域技術人員所知，多接面太陽能電池也可以在沒有上面所列元件中的一種或多種元件的情況下形成。
在本文所述的每個實施方式中，穿遂接面設計成具有最小光吸收。由穿遂接面吸收的光不會被太陽能電池轉換成電力，因此如果穿遂接面吸收大量的光，則多接面太陽能電池的效率將不可能大於最佳多接面接面太陽能電池的效率。因此，穿遂接面必須非常薄（例如，小於40 nm）和/或由帶隙等於或大於相應穿遂接面正上方的子電池的材料製成。符合這些標準的穿遂接面的一個示例是GaAs/AlGaAs穿遂接面，其中形成穿遂接面的每個GaAs層和AlGaAs層的厚度在5 nm至40 nm之間。GaAs層可以摻雜有Te、Se、S和/或Si，並且AlGaAs層可以摻雜有C。代替GaAs和/或AlGaAs，InGaAs也可以在穿遂接面中使用。合適穿遂接面的另一示例是具有相似厚度的GaInP/AlGaAs穿遂接面，並且其中InGaP層可以摻雜有Te、Se、S和/或Si，以及AlGaAs層可以摻雜有C。
可以將各種度量用於表徵光電裝置的品質，包括例如Eg/q-Voc、在輻照能量範圍內的效率、開路電壓Voc和短路電流密度Jsc。本領域技術人員可以理解如何將針對具有特定的稀氮基底厚度的接面而測量的Voc和Jsc外推至其它接面厚度。Jsc和Voc分別是太陽能電池的最大電流密度和最大電壓。然而，在這兩個工作點，來自太陽能電池的功率為零。填充因數（FF）是與Jsc和Voc一起確定來自太陽能電池的最大功率的參數。將FF定義為由太陽能電池產生的最大功率與Voc和Jsc的乘積的比率。由圖表示，FF為光伏電池的“方形”的測量值，並且也是最大矩形的面積，其將在IV（電流-電壓）曲線內擬合。
似乎接面/子電池效率的小的改善可以導致多接面太陽能電池效率的顯著的改善。此外，似乎多接面太陽能電池的總效率的小的改善可以導致輸出功率的顯著的改善，降低太陽能陣列的面積，並且降低與安裝、系統集成和部署相關的成本。
太陽能電池的效率是重要的，因為其直接影響太陽能模組的功率輸出。例如，假設1 m2 太陽能板具有總共24%的轉換效率，如果用於模組中的多接面太陽能電池的效率增加了1%，例如在500倍太陽光強下從40%增加至41%，則該模組輸出功率將增加約2.7 KW。
通常，太陽能電池占太陽能電力模組的總成本的約20%。較高的太陽能電池效率意味著更節省成本的模組。在這種情況下，產生相同量的輸出功率需要更少的太陽能裝置，並且用較少裝置即可產生較高輸出功率，從而導致系統成本降低，例如裝配架、硬體、用於電連接的接線等成本降低。另外，藉由使用高效率的太陽能電池產生相同的功率，對於安裝而言，需要較少的占地面積、較少的支撐結構和較低的人工成本。
太陽能模組是太空梭電力系統中的重要元件。較輕重量且較小的太陽能模組總是較佳的，這是因為將衛星發射進入軌道的運送成本是昂貴的。由於陣列較大，太陽能電池效率對於太空電力應用中降低品質和燃料損失是特別重要的。更高的比功率（相對於太陽能陣列品質而產生的瓦特）可以用更高效率的太陽能電池來實現，這是因為對於相同的功率輸出而言，太陽能陣列的尺寸和重量更低，所述比功率確定了一個陣列對於給定的發射品質將產生多少功率。
作為示例，與具有30%轉換效率的標稱太陽能電池相比，多接面太陽能電池效率增加1.5%可以導致輸出功率增加4.5%，並且多接面太陽能電池效率增加3.5%可以導致輸出功率增加11.5%。對於具有60 kW功率需求的衛星，對於效率分別增加1.5%和3.5%的多接面太陽能電池，較高效率的子電池的使用可以導致光伏電池模組的成本節約50萬至150萬美元，以及太陽能陣列表面積減少6.4 m2 至15.6 m2 。當考慮與系統集成和發射有關的成本時，整體成本節約甚至將更大。
在使混合磊晶可行時要解決的一個重要問題是當磊晶生長被打斷並且磊晶晶片從一個反應器移動到另一反應器時暴露的介面層的潛在氧化或污染。在生長恢復的介面處的任何缺陷將導致不良過度生長的磊晶材料。在生產中，採用集群工具和受控大氣箱。一種可行的解決方案是精心設計磊晶疊層，以便在形成氧化保護帽的層處發生磊晶的中斷。在4接面（4J）晶格匹配太陽能電池（圖2、圖3A和圖14）的情形中考慮這一點，其中磊晶材料生長在p-摻雜的鍺基板上，該基板沿著離軸結晶方向取向。使用MOCVD生長技術在鍺基板中產生底部接面（或J4子電池）。該J4結構的頂層是30 nm厚至150 nm厚的n-摻雜(In)GaAs（緩衝層），其保護磊晶晶片在從MOCVD反應器移除並插入到用於生長稀氮接面（J3）的MBE室中時不受氧化。藉由完成n-摻雜(In)GaAs緩衝層，然後生長穿遂接面、背表面場和用於J3的稀氮層，在MBE中恢復磊晶生長。
在磊晶晶片從MBE移除並載入到MOCVD中以完成接面J2和J1的生長之前，生長在稀氮層上的(In)GaAs和/或(Al)GaAs層可以作為保護蓋層。(In)GaAs和(Al)GaAs是也可以用作穿隧接面、背表面場（BSF）、前表面場（FSF）、窗層和發射器層的材料。在圖3A中所示的4J晶格匹配太陽能電池的情形中考慮這一點，在藉由MBE生長GaInNAsSb基底之後，可在GaInNAsSb基底上生長InGaAs發射器和InGaAs穿遂接面。之後，可以在InGaAs層上生長AlGaAs BSF。因為在磊晶晶片從MBE轉移到MOCVD之前，InGaAs或AlGaAs層可以用作GaInNAsSb上的保護層，所以在這些層中的任一層生長之後可以中斷磊晶生長。一旦磊晶晶片進入MOCVD，後續層的生長可以繼續。
在MOCVD環境中，含鋁保護層還可以在覆蓋層生長期間減輕氫擴散到下面的稀氮材料中的影響。已知氫在稀氮中用作孤立的供體，可以藉由與目標摻雜劑形成複合物來有意地鈍化摻雜劑，並且還已知氮和氫的複合缺陷，例如N-H和N-H-VGa。因此，稀氮中氫的存在會影響稀氮的電性能。使用含鋁保護層可以提供氫擴散障壁層，防止在稀氮材料中產生摻雜鈍化補償、孤立供體和/或其他缺陷。
含鋁層可以形成在穿遂接面的正上方（圖3A、圖3B和圖14）或形成在穿遂接面的正下方（圖3C、圖3D和圖13）。
含鋁層可以是單層或可以是多於一個的含鋁層，其中每個含鋁層可以具有相同的合金成份或可以具有不同的合金成份，其可以在相同或不同的生長條件下沉積。含鋁層可以與稀氮層相鄰。
可以藉由MBE生長一個或多個稀氮層和一個或多個含鋁層，並且可以藉由MOCVD生長覆蓋半導體層。覆蓋半導體層可以包括GaAs、InGaAs或InGaP。
除了鄰近並覆蓋稀氮層的含鋁層之外，裝置可以包括一個或多個附加含鋁層，例如，含鋁蓋層、含鋁背表面場、含鋁反射器層、含鋁窗層、以及任何前述附加含鋁層的組合。含鋁蓋層可以直接覆蓋含鋁層並且可以包括例如AlGaAs或InAlP。含鋁蓋層可以具有例如100 nm至5 µm、100 µm至4 µm、100 µm至2 µm、100 nm至1 µm、或者100 nm至500nm的厚度。含鋁背表面場可包括例如AlInGaP，並且可以具有50 nm至300 nm的厚度。含鋁反射器層可包括具有不同折射率和至少兩種不同層厚度的至少兩種不同材料，其中至少一種材料包含Al。含鋁反射器可包括例如元素週期表第III族和第V族的半導體材料，例如，AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、InGaAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。含鋁窗層可具有例如100 nm至5微米的厚度。
無鋁層可以覆蓋並且與含鋁層相鄰。無鋁層可具有例如1 nm至200 nm、1 nm至100 nm、5 nm至75 nm、10 nm至50 nm、或10 nm至30 nm的厚度。無鋁層可包括例如GaAs或InGaP。無鋁層可以是功能層，例如窗層或太陽能電池的反射鏡。
更詳細地參考圖3A，提供p-摻雜的鍺基板302並在原子層沉積之前清潔以去除自然氧化物。可以例如在諸如AsH3環境或PH3環境的氣體環境中清潔基板。該清潔步驟還允許第V族原子擴散到鍺的上部區域。發射器區域形成為上部鍺區域並且摻雜有包括砷或磷的第V族元素，將鍺基板轉換成活性n-p接面，具有p-摻雜區域和覆蓋p-摻雜區域的n-摻雜區域。在圖3A所示的四電池的實施方式中，該電池稱為“J4”。在基板清潔、磊晶生長和後生長退火處理期間，熱暴露會影響第V族擴散的程度。在一些實施方式中，磷化物層或砷化物層可以沉積在基板302的頂表面上，沉積條件允許第V族原子擴散到基板302中以形成n-摻雜區域。在p-摻雜的鍺接面302上可以磊晶地生長成核層304。在鍺接面302的頂表面上可以磊晶地生長成核層304。成核層可以是例如InGaP。然而，其他成核層是已知的並且在第6,380,601 B1號美國專利和第7,339,109 B2號美國專利中揭露，儘管在這些公開中揭露的成核層未應用於基於稀氮的多接面電池。與稀氮材料一起使用的成核層記錄在第2018/0053874號美國申請公開和於2018年2月15日提交的第62/630,937號美國臨時申請中，每個上述申請藉由引用整體併入。成核層可以包括例如InGaP、InGaPSb、InAlP、AlP、AlPSb、GaPSb、AlGaPSb、InAlPSb、InAlPBi、InAlPSbBi、AlInGaP、AlInGaPSb、AlInGaPBi、AlInGaPSbBi、AlP、AlPSb、AlPBi、AlPSbBi、AlAsSb、AlAsBi、AlAsSbBi、AlN、AlNSb、AlNBi或AlNSbBi。成核層304可以具有例如小於200 nm、小於100 nm、小於50 nm、小於20 nm、小於10 nm或小於1 nm的厚度。成核層304可以是例如2 nm至20 nm、2 nm至10 nm、2 nm至5 nm或4 nm至10 nm厚。成核層304可以是n-摻雜。然後，在成核層304上可以磊晶地生長緩衝層306。緩衝層可以包括(In)GaAs。(In)GaAs緩衝層可以是例如100 nm至900 nm厚、200 nm至800 nm厚、300 nm至700 nm厚或400 nm至600 nm厚。緩衝層306可以是n-摻雜。成核層和緩衝層的至少一部分可以使用MOCVD生長。
在一些實施方式中，在緩衝層306的至少一部分的生長之後，可以將樣品轉移到MBE室以用於稀氮子電池或接面的後續生長。在一些實施方式中，在後續層的沉積之前，可以藉由使用MBE生長幾奈米（例如，2 nm至100 nm）的(In) GaAs來完成緩衝層306，以確保生長中斷發生在緩衝層中並且不與諸如覆蓋穿遂接面的結構直接相鄰。在完成緩衝層之後，則可以在緩衝層306上磊晶地生長穿遂接面308。穿遂接面308可以包括兩個InGaAs層，其中，第一層308A具有高n-型摻雜位準，並且第二層308B具有高p-型摻雜位準。形成穿遂接面所需的成份、厚度和摻雜位準在本領域中是已知的。例如，n-摻雜劑可以包括Si、Se和Te，並且n-型摻雜位準可以在1 × 1019 cm-3 至2 × 1020 cm-3 的範圍內。p-型摻雜劑可以包括C，並且可以使用大於約1 × 1019 cm-3 和至多2 × 1020 cm-3 的摻雜位準。穿遂接面中摻雜層的厚度可以在約5 nm至40 nm之間。
然後，子電池301（稱為“J3”）磊晶地沉積在穿遂接面308上。子電池301包括p-摻雜InGaAs背表面場層310、p-摻雜GaInNAsSb基底層312A、固有或非目標摻雜基底層312B和n-摻雜InGaAs發射器層314。p-摻雜層312A和層312B可以分別包括Ga1-xInxNyAs1-y-zSbz，其中，0 ≤ x ≤ 0.24、0.001 ≤ y ≤ 0.07且0.001 ≤ z ≤ 0.2，或者其中，0.08 ≤ x ≤ 0.24、0.02 ≤ y ≤ 0.05且0.001 ≤ z ≤ 0.02，或者其中，0.07 ≤ x ≤ 0.18、0.025 ≤ y ≤ 0.04且0.001 ≤ z ≤ 0.03，或者其中，0 ≤ x ≤ 0.4、0 ＜ y ≤ 0.07且0 ＜ z ≤ 0.04。p-摻雜基底層312A可以具有分級的摻雜分佈，摻雜位準從與背表面場310的介面至與基底層312B的介面遞減。基層312B中的摻雜可以在1 × 1019 cm-3 至1 × 1015 cm-3 之間指數地分級，例如在1 × 1018 cm-3 至5 × 1015 cm-3 之間、或者在2 × 1017 cm-3 至7 × 1015 cm-3 之間，其中，最小摻雜位準大於或等於層的背景摻雜位準。基底層312B可以是固有層或者非目標摻雜層，背景摻雜濃度小於約1 × 1016 cm-3 或小於約5 × 1015 cm-3 或小於約1 × 1015 cm-3 。基底層312B還可以以1 × 1016 cm-3 或更小的固定摻雜位準摻雜。子電池301可具有在約1微米至4微米之間的厚度。
然後，在子電池301上可以磊晶地生長穿遂接面316。穿遂接面316包括兩個InGaAs層，一個具有高p-型摻雜，另一個具有高n-型摻雜。用於形成穿遂接面的成份、厚度和摻雜位準在本領域中是已知的。例如，典型的n-摻雜劑包括Si、Se和Te，並且n-型摻雜位準可以在1 × 1019 cm-3 至最多2 × 1020 cm-3 之間的範圍內。p-型摻雜劑包括C，並且可以使用大於1 × 1019 cm-3 和至多2 × 1020 cm-3 的摻雜位準。穿遂接面中摻雜層的厚度可以在約5 nm至40 nm之間。
然後，在穿遂接面316上磊晶地形成子電池303（稱為“J2”）。子電池303包括含Al背表面場層318。背表面場層318還用作氫氣障層。圖3A示出了作為單層的層318。然而，應該理解的是，背表面場層318可以包括一個以上的材料層。為了達到氫氣障作用，層318包括Al。例如，層318可以包括AlGaAs或InAlP，並且可以晶格匹配或贗配應變到基板。層318的厚度可以是例如在100 nm至5微米之間。在一些實施方式中，層318可以包括由GaAs、InGaAs或InGaP層覆蓋的含Al層，其厚度例如在1 nm至50 nm之間、或者在2 nm至10 nm之間、或者在2 nm至5 nm之間。
在層318（或層318的至少一部分）的生長之後，將晶片轉移到MOCVD室以沉積層318的剩餘部分（如果需要）和其餘層以完成多接面電池。藉由沉積基底320、發射器322和前表面場層324完成子電池303。然後，磊晶地生長穿遂接面326。用於形成穿遂接面的成份、厚度和摻雜位準在本領域中是已知的。舉例來說，所示穿遂接面326包括GaAs層和AlGaAs層。然而，應該理解可以使用其他材料。例如，穿遂接面可以包括InGaP層和/或AlGaAs層。用於穿遂接面層的n-摻雜劑的示例包括Si、Se和Te，並且可以使用範圍在1 × 1019 cm-3 至最多2 × 1020 cm-3 之間的n-型摻雜位準。p-型摻雜劑包括C，並且可以使用範圍在1 × 1019 cm-3 至最多2 × 1020 cm-3 之間的摻雜位準。穿遂接面中摻雜層的厚度可以在5 nm至40 nm之間。然後，磊晶地生長子電池305（J1），依次沉積背表面場層328、基底層330、發射器層332、前表面場層334和接觸層336。
圖3B示出了氫擴散障壁層的替代實施方式。在穿遂接面316的生長完成之後，沉積反射器307。反射器307作為單層示出。然而，應當理解的是，反射器層可以包括具有不同成份、厚度和摻雜位準的一個或多個層，以提供適當的光學和/或電學功能，以及改善介面品質、電子傳輸、空穴傳輸和/或其他光電性質。反射器307可包括具有不同折射率的材料交替層。層之間的折射率差和層厚度在所需波長範圍內提供反射性。反射器307包括具有不同折射率和至少兩種不同層厚度的至少兩種不同材料，其中至少一種材料包括Al。反射器307可包括例如週期表第III族和第V族的半導體材料，例如，AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、InGaAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。反射器的示例是分散式布拉格反射器（DBR）。DBR可以包括多個交替的AlGaAs/GaAs層，厚度選擇為在給定的波長範圍內提供所需的反射性。也可以使用其他反射器設計。反射器307可以設計成反射由覆蓋子電池303吸收的波長。反射器307還可以用作氫擴散障壁層。可以藉由MBE生長反射器307的至少一部分，之後將磊晶晶片轉移到MOCVD室。在一些實施方式中，可以藉由MOCVD生長完成，之後可以藉由MOCVD生長覆蓋背表面場318和其餘的層。
如圖3C所示，氫氣障層還可以位於InGaAs穿遂接面316的下面。在該實施方式中，由MBE生長的窗層309覆蓋發射器314並位於穿遂接面316的下面。窗層309作為單層示出。然而，應當理解的是，窗層309可以包括一個以上的材料層。為了達到氫擴散障壁層的作用，窗層包括Al，例如AlGaAs或AlInP，並且厚度可以在100 nm至5微米之間，例如，100 nm至4 µm、100 nm至2 µm、100 nm至1 µm、或者100 nm至500 nm。在一些實施方式中，窗層309可以包括由GaAs、InGaAs或InGaP層覆蓋的含Al層，其厚度在1 nm至50 nm之間、在2 nm至10 nm之間、或者在2 nm至5 nm之間。在窗層309或窗層309的至少一部分的MBE生長之後，可使用MOCVD生長來完成窗層（如果需要）並用於完成裝置的其餘層。
圖3D示出了氫擴散障壁層在穿遂接面316下面的又一實施方式。在該實例中，圖3A中所示的發射極層314由包括Al的發射極層315代替。發射器層309作為單層示出。然而，應當理解的是，發射極層315可以包括一個以上的材料層。為了達到氫擴散障壁層的作用，發射極層包括Al，例如AlGaAs或AlInP，並且厚度可以在100 nm至5微米之間。在一些實施方式中，發射極層315可以包括由GaAs、InGaAs或InGaP層覆蓋的含Al層，其厚度在1 nm至50 nm之間、在2 nm至10 nm之間、或者在2 nm至5 nm之間。MBE可用於生長層315的至少一部分。可以使用MOCVD生長來完成層315的生長（如果需要）並用於完成裝置的其餘層。
稀氮材料只有在以特定方式處理時才是高效率太陽能材料。例如，需要熱處理來啟動材料。確定退火所需的熱處理的具體工藝步驟並非易事。
通常，熱處理，例如快速熱處理（RTA）是指在600℃至900℃範圍內的溫度下暴露5秒至3小時的時間長度。在一些情況下，對溫度和時間不存在限制。表1總結了藉由沉積方法或熱退火條件的典型熱處理參數。 表1：熱處理方法、溫度和暴露時間
熱處理能夠損壞稀氮J3子電池的表面形態，該表面形態必須具有足夠的品質以在MOCVD反應器中進行附加的磊晶生長。儘管可以在後續磊晶生長之前（圖1A）或者在完成所有的磊晶生長之後（圖1B）熱處理稀氮J3子電池，但是不清楚哪種實踐最適合生產高效率裝置。熱處理後霧度的增加並不少見，並且是結構缺陷的標識。在MOCVD生長之前的熱處理將在稀氮J3子電池中產生具有霧度的區域，該區域可以使在稀氮J3子電池上生長的後續磊晶層中的結構缺陷成核。這些缺陷可以在整個裝置結構中傳播，從而降低裝置性能。另外，生長的磊晶晶片在MOCVD反應器中的暴露可以提供足夠的熱負荷來啟動稀氮J3子電池，這將使附加的熱處理變得多餘。
對在活性鍺基板（圖2）上生長的多接面太陽能電池的另一個考慮是設計上部接面的結構和生長條件，使得熱負荷保持在閾值以下，否則會導致底部稀氮子電池由於磷過量擴散到活性鍺基板中而退化。這種退化降低了開路電壓（Voc）和底部鍺接面的轉換效率。在上部接面的生長期間限制熱負荷可以藉由以下一種或多種措施的組合來實現：（i）降低生長溫度；（ii）藉由提高生長率來縮短生長時間；以及（iii）藉由減少上部接面的一些層的厚度來縮短生長時間。
在鍺或GaAs基板（圖2）上生長的多接面太陽能電池中的另一個考慮是設計在稀氮接面（在鍺實施方式中是4J太陽能電池中的J3，在GaAs實施方式中是3J太陽能電池上的J3）上方的J2接面和J1接面磊晶結構和磊晶生長條件，以在J2和J1的MOCVD生長期間施加足夠的熱負荷以使稀氮接面完全退火。在這種情況下，稀氮接面在上部接面的MOCVD生長期間在原位完全退火，並且不需要附加的非原位熱處理（圖1E）。在上部接面的MOCVD生長期間提供適當的熱負荷以使稀氮接面充分退火可以藉由以下一種或多種措施的組合來實現：（i）在上部接面的MOCVD生長期間降低生長溫度；（ii）藉由提高生長率來縮短MOCVD的生長時間；以及（iii）藉由減少上部接面中一些層的厚度來縮短MOCVD生長時間。在J2和J1生長期間過度熱負荷對稀氮的過度退火不僅會退化稀氮接面，而且在鍺上的4J太陽能電池的情況下還會退化底部接面。
作為替代方案，還可以在J2和J1子電池的MOCVD生長期間施加足夠的熱負荷，以使稀氮J3子電池部分地退火或欠退火。在上部接面的MOCVD生長期間提供適當的熱負荷以使稀氮接面在原位部分地退火或欠退火可以藉由結合上述與生長溫度、速率和時間有關的一個或多個措施來實現。在完成所有磊晶生長之後，可以使用包括例如RTA（快速熱退火）、烘箱烘烤或管式爐退火的幾種可行的方法中的一種方法進行非原位的附加熱退火。
表2和圖4描述了生長的測試結構，並用各種工藝和熱處理參數測試以確定最佳方案。 表2：在MOCVD生長之前/之後的測試結構和熱處理
圖4示出了用於熱處理評估的測試結構的示意圖。實驗細節也在表2中示出。測試結構4-1、4-2、4-3和4-4各自在鍺接面上具有稀氮接面層。測試結構4-1、4-2和4-3各自具有藉由MOCVD生長的頂部(In)GaAs層，而測試結構4-4沒有這樣的頂部(In)GaAs層。儘管測試結構4-1和4-4在稀氮的MBE生長之後都暴露於藉由RTA的熱處理，但是只有4-1被轉移到MOCVD中以進行(In)GaAs生長。如圖5所示，這兩種結構的稀氮接面的量子效率（QE）表明，暴露於MOCVD反應器使稀氮接面的性能退化。
測試結構4-1在稀氮接面的MBE生長之後暴露於RTA的熱處理，而測試結構4-2在MOCVD生長之後也暴露於RTA的熱處理。如圖5所示，這兩種結構的稀氮子電池的QE表明，在MBE生長之後（在MOCVD生長之前）應用熱處理導致更好的性能。
測試結構4-3未暴露於熱處理，並且當與圖5中所示的其他測試結構的QE相比時，測試結構4-3的稀氮接面表現出顯著降低的QE。
測試結構的二次離子質譜（SIMS）分析表明，在MOCVD反應器中處理的結構中存在高位準的氫。僅由MBE產生的結構具有相對低位準的氫。本領域技術人員已經注意到，氨MBE中的氫位準比MOCVD生長過程中的氫位準低幾個數量級。在MOCVD生長期間，氫氣來自兩個來源：（1）氫氣載體；以及（2）砷化氫或磷化氫在半導體表面的裂化，在此期間共價鍵斷裂並釋放出氫。氫可以擴散到稀氮接面中並在稀氮材料中產生摻雜鈍化補償或缺陷。
為了測試該假設，將測試結構6-1、6-2和6-3暴露於不同的MOCVD環境並且在表3和圖6中描述。 表3：測試結構和MOCVD環境
測試結構6-3在MOCVD中暴露於砷化氫並表現出比測試結構6-1和6-2更低的QE，測試結構6-1和6-2分別未暴露於MOCVD或暴露於僅氮氣的MOCVD環境中（圖6和圖7）。
氫污染的另一種解決方案是用障壁層保護稀氮。氫吸收劑是能夠在低壓（小於1個大氣壓）下結合氫氣的材料，並且可以在多接面太陽能電池的設計中採用。儘管通常實踐是藉由在磊晶後生長後應用熱處理來釋放吸收的氫（圖1B至圖1D和圖10），但這樣做會進一步惡化已經由氫擴散改變的摻雜分佈，導致甚至更差的裝置性能。在具有稀氮層的多接面太陽能電池的任何實施方式中，在從MBE的低氫環境移除磊晶晶片之前，氫吸收劑材料蓋住稀氮。一旦進入MOCVD，氫吸收劑藉由在其表面吸收氫氣來保護下面的稀氮的品質。
在本公開的4J實施方式中，AlGaAs用作氫氣障層。AlGaAs的厚度範圍為100nm至5微米，例如，100nm至2µm、100nm至1µm、100nm至500nm或100nm至200nm。AlGaAs可包括例如AlxGa1-xAs，其鋁含量為0.05 ＜ x ≤ 1，例如0.05 ＜ x ≤ 0.8、或0.05 ＜ x ≤ 0.6、或0.05 ＜ x ≤ 0.5、或0.05 ＜ x ≤ 0.4、 0.05 ＜ x ≤ 0.3或0.1 ＜ x ≤ 0.4。如果鋁含量足夠高，則可以使用薄的鋁材料層，並且如果鋁的百分比低，則可以使用厚的鋁材料層。除AlGaAs之外，可用作氫氣障層的其他鋁材料包括AlGaAsSb、AlGaAsBi、AlInP、AlInGaP、AlInGaPSb、AlInGaPBi、AlInGaAs、AlInGaAsSb、AlInGaAsBi、AlN、AlNSb和AlNBi。至少一個含鋁層可包括AlGaAs或InAlP。含鋁材料可包括，例如，5 mol%至100 mol%、10 mol%至80 mol%、20 mol%至60 mol%、25 mol%至55 mol%、30 at%至50 mol%或35 mol%至45 mol%的鋁，其中，mol%基於含鋁材料中第III族原子的分量。表4和圖8描述了測試結構，每個測試結構具有根據圖3A和圖14中所示的實施方式的設置在穿遂接面上方的鋁障壁層，鋁障壁層在MOCVD反應器中暴露於氮氣（測試結構8-1）或砷化氫（測試結構8-2）。兩種結構8-1和8-2都表現出良好且可比較的稀氮QE，表明障壁層有效地防止氫污染。在沒有鋁障壁層的情況下，稀氮由於砷化氫暴露而被損壞（表3、以及圖6和圖7）。使用測試結構8-1作為參考，鋁障壁層的存在保護了測試結構8-2中的稀氮的品質（圖9）。 表4：具有鋁障壁層的測試結構和MOCVD環境
在本公開的4J實施方式（測試結構10-3）中，當磊晶後的熱處理和鋁障壁層都被實施時，觀察到優異的稀氮QE（表5、圖10至圖12）。測試結構10-1、10-2和10-3具有相同的半導體層。測試結構10-1僅藉由MBE生長，而測試結構10-2和10-3藉由混合方法製造。在混合磊晶之後，僅將測試結構10-3暴露於熱處理，這恢復了稀氮QE（圖10-2和圖10-3）。高品質的Jsc、Voc、填充因數和效率與磊晶後的熱處理以及鋁障壁層的存在相關（表6）。 表5：具有鋁障壁層的4J太陽能電池的結構和磊晶後的熱處理 表6：在AM0處用於混合生長的4J太陽能電池的性能資料
稀氮子電池的性能改變被認為是由從MOCVD生長環境到稀氮材料的氫擴散而導致的。稀氮半導體中氮氣的存在可以引入強的局部電位，這是由於與可吸引氫的As和Sb相比，N的電負性大。還已知來自MOCVD生長的氫擴散會導致諸如摻雜劑鈍化補償、引入孤立的供體，以及可能導致例如氮和氫的複合缺陷的其他缺陷。這些效應可以改變稀氮材料的摻雜分佈，引起子電池的電學和光學性能的退化。在具有稀氮層的多接面太陽能電池的任何實施方式中，在從MBE的低氫環境移除磊晶晶片之前，氫吸收劑材料（或擴散障壁層材料）蓋住稀氮。一旦進入MOCVD，氫吸收劑藉由在其表面或層內吸收氫氣並防止氫擴散到下面的稀氮層中來保護下面的稀氮的品質。包括覆蓋稀氮層的含鋁層的結構可以減小稀氮層中的摻雜劑鈍化-補償，例如，減小到小於1 × 1016 cm-3 、小於1 × 1015 cm-3 或小於稀氮層的背景摻雜位準。包括覆蓋稀氮層的含鋁層的結構可以減小將孤立供體和例如氮和氫的複合缺陷的其他缺陷引入到稀氮層中，例如，減小到小於1 × 1016 cm-3 、小於1 × 1015 cm-3 或小於稀氮層的背景摻雜位準。稀氮層的背景摻雜濃度（也稱為摻雜劑鈍化位準）可以小於1 × 1016 cm-3 或小於1 × 1015 cm-3 。可以使用電化學電容-電壓（ECV）分析來測量背景摻雜位準和摻雜鈍化位準。可以使用包括深能級瞬態光譜（DLTS）和熱刺激電流和電容測量（TSM）的技術來測量缺陷密度。稀氮層可具有缺陷密度，例如，小於1×1016 cm-3 、小於5×1016 cm-3 或小於1×1015 cm-3 。
本公開提供的高性能多接面太陽能電池的特徵在於，在使用1倍太陽光強AM0源在25℃的接面溫度下測量時，開路電壓Voc大於3.0V、填充因數大於75%、短路電流密度Jsc大於13 mA/cm2 、效率大於25%、Eg/q-Voc大於0.5。
本公開提供的高性能多接面太陽能電池的特徵在於開路電壓Voc大於3.25V、填充因數大於80%、短路電流密度Jsc大於14 mA/cm2 、效率大於28%，Eg/q-Voc大於0.5，使用1倍太陽光強AM0源在25℃的接面溫度下測量。
為了製造本公開提供的太陽能電池，在第一材料沉積室中多個層沉積在基板上。多個層可以包括蝕刻停止層、釋放層（即，設計成在施加特定工藝順序（例如化學蝕刻）時從基板釋放半導體層的層）、諸如橫向傳導層的接觸層、緩衝層或其他半導體層。例如，沉積的層順序可以是緩衝層、然後釋放層、再然後橫向傳導層或接觸層。接下來，可以將基板轉移到第二材料沉積室，其中，一個或多個接面沉積在現有半導體層的頂部上。然後可以將基板轉移到第一材料沉積室或第三材料沉積室，以用於沉積一個或多個接面，然後沉積一個或多個接觸層。在接面之間還形成穿遂接面。
基板和半導體層從一個材料沉積室到另一個材料沉積室的移動被稱為轉移。例如，可以將基板放置在第一材料沉積室中，然後可以沉積緩衝層和底部接面。然後可以將基板和半導體層轉移到第二材料沉積室，在那裡沉積其餘的接面。轉移可以在真空中、在空氣或其他氣體環境中的大氣壓下、或在其間的任何環境中發生。轉移還可以是在一個位置的材料沉積室（可以或可以不以某種方式相互連接）之間，或者可以包括在不同位置之間轉運基板和半導體層（這被稱為轉運）。可以用在真空下密封的、被氮氣或其他氣體包圍的或者被空氣包圍的基板和半導體層進行轉運。另外的半導體、絕緣層或其他層可以在轉移或轉運期間用作表面保護，並且在進一步沉積之前且在轉移或轉運之後被去除。
可以在第一材料沉積室中沉積稀氮接面，並且可以在第二材料沉積室中沉積(Al)(In)GaP和(Al)(In)GaAs接面，在接面之間形成穿遂接面。轉移發生在一個接面的生長的中間，使得該接面具有在一個材料沉積室中沉積的一個或多個層和在第二材料沉積室中沉積的一個或多個層。
為了製造本公開提供的太陽能電池，可以藉由分子束磊晶（MBE）在一個材料沉積室中沉積稀氮接面和穿遂接面的一些或全部層，並且可以藉由化學氣相沉積（CVD）在另一個材料沉積室中沉積太陽能電池的其餘層。例如，可以將基板放置在第一材料沉積室中，並且基板上可以生長包括成核層、緩衝層、發射器和窗層、接觸層和穿遂接面的層，隨後是一個或多個稀氮接面。如果存在多於一個稀氮接面，則在相鄰接面之間生長穿遂接面。可以生長一個或多個穿遂接面層，然後可以將基板轉移到第二材料沉積室，在第二材料沉積室中藉由化學氣相沉積生長其餘太陽能電池層。在某些實施方式中，化學氣相沉積系統是MOCVD系統。在相關實施方式中，將基板放置在第一材料沉積室中，並且可以藉由化學氣相沉積在基板上生長可以包括成核層、緩衝層、發射器和窗層、接觸層和穿遂接面的層。隨後，在已有的半導體層上生長兩個或更多個頂部接面，在接面之間生長穿遂接面。然後可以生長最頂部的稀氮接面（例如，窗層）的部分。然後將基板轉移到第二材料沉積室，在第二材料沉積室中可以沉積最頂部的稀氮接面的其餘半導體層，接著是另外三個稀氮接面，在這些另外的稀氮接面之間具有穿遂接面。
太陽能電池可在生長後經過一次或多次熱退火處理。例如，熱退火處理包括施加400℃至1000℃的溫度10微秒至10小時。熱退火可以在包括空氣、氮氣、砷、砷化氫、磷、磷化氫、氫氣、合成氣體、氧氣、氦氣或前述材料的任何組合的狀態下執行。在某些實施方式中，可以在製造其餘的接面之前對堆疊的接面和相關穿遂接面進行退火。
本公開提供的方法包括形成申請專利範圍第1項的半導體裝置的方法，包括：沉積覆蓋稀氮層的至少一個含鋁層；以及沉積覆蓋至少一個含鋁層的至少一個半導體層，其中，稀氮層和至少一個含鋁層使用分子束磊晶（MBE）來沉積並且至少一個半導體層使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積。
本公開提供的方法包括用於形成半導體裝置的方法，包括：沉積覆蓋稀氮層的至少一個含鋁層；以及沉積覆蓋至少一個含鋁層的至少一個半導體層，其中，稀氮層和至少一個含鋁層使用分子束磊晶（MBE）來沉積並且至少一個半導體層使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積，以及其中，稀氮層具有小於1016 cm-3 的背景摻雜濃度。
雖然本文描述的實施方式是針對包含稀氮層的光伏電池，但所描述的結構和方法還可以用於：光電元件，包括太陽能電池、光電偵測器、光調變器和雷射器；以及電子裝置，例如異質接面雙極電晶體（HBT）、高電子遷移率電晶體（HEMT）、假型高速電子移動電晶體（PHEMT）和金屬半導體場效應電晶體（MESFET）。
本發明的各方案：
方案1. 半導體裝置，包括覆蓋稀氮層的鋁層。
方案2. 如方案1所述的半導體裝置，其中，鋁層包括AlGaAs、或AlGaAsSb、AlGaAsBi、AlInP、AlInGaP、AlInGaPSb、AlInGaPBi、AlInGaAs、AlInGaAsSb、AlInGaAsBi、AlN、AlNSb、和AlNBi。
方案3. 如方案1或2所述的半導體裝置，其中，鋁層包括AlGaAs。
方案4. 如方案1至3中任一方案所述的半導體裝置，其中，鋁層具有在100 nm至5 µm的範圍內的厚度。
方案5. 如方案1至4中任一方案所述的半導體裝置，其中，鋁層包括在5 mol%至40 mol%範圍內的鋁含量。
方案6. 如方案1至5中任一方案所述的半導體裝置，其中，鋁層包括：在30 mol%至50 mol%範圍內的鋁含量；以及在100 nm至300 nm的範圍內的厚度。
方案7. 如方案1至6中任一方案所述的半導體裝置，其中，稀氮層包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi或GaNAsSbBi。
方案8. 如方案1至7中任一方案所述的半導體裝置，其中，稀氮層包括GaInNAsSb。
方案9. 如方案1至8中任一方案所述的半導體裝置，其中，藉由分子束磊晶生長鋁層和稀氮層。
方案10. 如方案1至9中任一方案所述的半導體裝置，其中，半導體裝置包括多個半導體層；以及多個半導體層中的每個半導體層與其他半導體層中的每個半導體層基本上晶格匹配。
方案11. 如方案1至10中任一方案所述的半導體裝置，其中，半導體裝置包括多接面太陽能電池。
方案12. 如方案11所述的半導體裝置，其中，多接面太陽能電池包括：在稀氮層下面的基板；以及覆蓋鋁層的一個或多個接面。
方案13. 如方案12所述的半導體裝置，其中，基板包括GaAs、InP、GaSb、(Sn,Si)Ge或矽。
方案14. 如方案11至13中任一方案所述的半導體裝置，其中，一個或多個接面中的每個接面均包括AlInGaP或(Al)(In)GaAs。
方案15. 如方案12所述的半導體裝置，其中，基板包括(Sn,Si)Ge；稀氮層包括GaInNAsSb；以及一個或多個接面中的每個接面均包括AlInGaP或InAlGaAs。
方案16. 如方案11至15中任一方案所述的半導體裝置，其中，鋁層、稀氮層、基板以及一個或多個第二接面中的每一項彼此基本上晶格匹配。
方案17. 如方案12至16中任一方案所述的半導體裝置，其中，藉由分子束磊晶生長稀氮層和鋁層中的每一項；以及藉由金屬有機化學氣相沉積生長基板以及一個或多個接面中的每一項。
方案18. 如方案11至17中任一方案所述的半導體裝置，其中，多接面太陽能電池是四接面多接面太陽能電池，並且其特徵在於，在使用1倍太陽光強AM0源在25℃的接面溫度下測量時，開路電壓Voc大於3.0 V、填充因數大於75%、短路電流密度Jsc大於13 mA/cm2 、效率大於25%、Eg/q-Voc大於0.5。
方案19. 製造包括稀氮層的半導體裝置的方法，包括：提供基板；使用分子束磊晶生長覆蓋基板的稀氮層；使用分子束磊晶生長覆蓋稀氮層的鋁層；對基板、稀氮層、鋁層應用第一熱處理；使用金屬有機化學氣相沉積生長覆蓋退火鋁層的一個或多個半導體層；以及對基板、稀氮層、鋁層和一個或多個半導體層應用第二熱處理。
方案20. 如方案19所述的方法，其中，第一熱處理包括快速熱退火。
方案21. 如方案19至20中任一方案所述的方法，其中，快速熱退火包括施加600℃至900℃範圍內的溫度持續5秒至3小時。
方案22. 如方案19至21中任一方案所述的方法，其中，第二熱處理包括施加400℃至1000℃範圍內溫度10微秒至10小時。
方案23. 如方案19至22中任一方案所述的方法，其中，稀氮層包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi或GaNAsSbBi。
方案24. 如方案19至23中任一方案所述的方法，其中，稀氮層包括GaInNAsSb。
方案25. 如方案19至24中任一方案所述的方法，其中，基板、稀氮層、鋁層和一個或多個半導體層中的每一項與其他層中的每一項基本上晶格匹配。
方案26. 如方案19至25中任一方案所述的方法，其中，半導體裝置包括多接面太陽能電池。
方案27. 如方案19至26中任一方案所述的方法，其中，基板包括GaAs、InP、GaSb、(Sn,Si)Ge或矽；稀氮層包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi或GaNAsSbBi；以及一個或多個半導體層中的每個半導體層各自包括AlInGaP或(Al)(In)GaAs。
方案28. 如方案19至27中任一方案所述的方法，其中，基板包括GaAs、InP、GaSb、(Sn,Si)Ge或矽。
方案29. 如方案19至28中任一方案所述的方法，其中，一個或多個半導體層中的每個半導體層各自包括AlInGaP或(Al)(In)GaAs。
方案30. 如方案19至29中任一方案所述的方法，其中，基板包括Ge；稀氮層包括GaInNAsSb；以及或多個半導體層中的每個半導體層均包括AlInGaP或InAlGaAs。
方案1A. 半導體裝置，包括覆蓋稀氮層的至少一個含鋁層，其中，稀氮層具有小於1016 cm-3 的背景摻雜濃度。
方案2A. 如方案1A所述的半導體裝置，其中，至少一個含鋁層包括AlGaAs、AlGaAsSb、AlGaAsBi、AlInP、AlInGaP、AlInGaPSb、AlInGaPBi、AlInGaAs、AlInGaAsSb、AlInGaAsBi、AlN、AlNSb、或AlNBi。
方案3A. 如方案1A所述的半導體裝置，其中，至少一個含鋁層包括AlGaAs或InAlP。
方案4A. 如方案1A至3A中任一方案所述的半導體裝置，其中，至少一個含鋁層具有100 nm至5微米的厚度。
方案5A. 如方案1A至4A中任一方案所述的半導體裝置，其中，至少一個含鋁層包括目標摻雜劑。
方案6A. 如方案1A至5A中任一方案所述的半導體裝置，其中，稀氮層包括小於1016 原子/cm3 的摻雜劑鈍化位準。
方案7A. 如方案1A至5A中任一方案所述的半導體裝置，其中，稀氮層包括小於1015 原子/cm3 的摻雜劑鈍化位準。
方案8A. 如方案1A至7A中任一方案所述的半導體裝置，其中，至少一個含鋁層包括一個含鋁層。
方案9A. 如方案1A至7A中任一方案所述的半導體裝置，其中，至少一個含鋁層包括兩個含鋁層，其中兩個含鋁層中的每個含鋁層包括不同的含鋁合金。
方案10A. 如方案1A至9A中任一方案所述的半導體裝置，其中，稀氮層包括小於1016 cm-3 的缺陷密度。
方案11A. 如方案1A至10A中任一方案所述的半導體裝置，其中，至少一個含鋁層包括鋁合金，其中鋁合金包括在5 mol%至80 mol%範圍內的鋁含量，其中，mol%基於含鋁材料中第III族原子的分量。
方案12A. 如方案1A至11A中任一方案所述的半導體裝置，其中，至少一個含鋁層包括：鋁合金，其中鋁合金包括在30 mol%至50 mol%範圍內的鋁含量，其中，mol%基於含鋁材料中第III族原子的分量；以及在100 nm至300 nm範圍內的厚度。
方案13A. 如方案1A至12A中任一方案所述的半導體裝置，其中，使用分子束磊晶（MBE）沉積稀氮層和覆蓋的至少一個含鋁層。
方案14A. 如方案1A至13A中任一方案所述的半導體裝置，包括覆蓋至少一個含鋁層並與至少一個含鋁層相鄰的半導體層。
方案15A. 如方案14所述的半導體裝置，其中，半導體層包括GaAs、InGaAs或InGaP。
方案16A. 如方案14A至15A中任一方案所述的半導體裝置，其中，半導體層具有1 nm至50 nm的厚度。
方案17A. 如方案14A至16A中任一方案所述的半導體裝置，其中，使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）沉積半導體層。
方案18A. 如方案1A至13A中任一方案所述的半導體裝置，包括覆蓋至少一個含鋁層的至少一個半導體層。
方案19A. 如方案18A所述的半導體裝置，其中，使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）沉積至少一個半導體層。
方案20A. 如方案1A至19A中任一方案所述的半導體裝置，其中，半導體裝置包括多接面太陽能電池。
方案21A. 如方案20A所述的半導體裝置，其中，多接面太陽能電池包括第一接面以及覆蓋第一接面的第二接面，其中，第一接面包括包含稀氮層的第一基底層，第二接面包括第二基底層。
方案22A. 如方案21A所述的半導體裝置，其中，至少一個含鋁層覆蓋稀氮層並且位於第二基底層之下。
方案23A. 如方案20A所述的半導體裝置，其中，至少一個含鋁層選自含鋁蓋層、含鋁背表面場、含鋁反射器層、含鋁窗層以及任何前述項的組合。
方案24A. 如方案23A所述的半導體裝置，其中，含鋁蓋層、含鋁背表面場、含鋁反射器層和含鋁窗層中的每一項包括一個或多個含鋁層。
方案25A. 如方案23A至24A中的任一方案所述的半導體裝置，其中，含鋁蓋層包括AlGaAs或InAlP。
方案26A. 如方案25A所述的半導體裝置，其中，含鋁蓋層具有100 nm至5微米的厚度。
方案27A. 如方案23A至24A中的任一方案所述的半導體裝置，其中，含鋁背表面場層包括AlInGaP。
方案28A. 如方案27所述的半導體裝置，其中，含鋁背表面場層具有50 nm至300 nm的厚度。
方案29A. 如方案23A至24A中任一方案所述的半導體裝置，其中，含鋁反射器層是分散式布拉格反射器。
方案30A. 如方案29A所述的半導體裝置，其中，鋁反射器層包括AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、InGaAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。
方案31A. 如方案23A至24A中任一方案所述的半導體裝置，其中，含鋁窗層包括AlGaAs或AlInP。
方案32A. 如方案31A所述的半導體裝置，其中，含鋁窗層具有100 nm至5微米的厚度。
方案33A. 如方案20A所述的半導體裝置，其中，使用分子束磊晶（MBE）來沉積稀氮層和至少一個含鋁層並且使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積至少一個半導體層。
方案34A. 如方案1A至19A中任一方案所述的半導體裝置，其中，半導體裝置包括太陽能電池、光電偵測器、光調變器、雷射器或電晶體。
方案35A. 形成如方案1A至34A中任一方案所述的半導體裝置的方法，包括：沉積覆蓋稀氮層的至少一個含鋁層；以及沉積覆蓋至少一個含鋁層的至少一個半導體層，其中，使用分子束磊晶（MBE）來沉積稀氮層和至少一個含鋁層並且使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積至少一個半導體層。
方案36A. 形成半導體裝置的方法，包括：沉積覆蓋稀氮層的至少一個含鋁層；以及沉積覆蓋至少一個含鋁層的至少一個半導體層，其中，使用分子束磊晶（MBE）來沉積稀氮層和至少一個含鋁層並且使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積至少一個半導體層，以及其中，稀氮層具有小於1016 cm-3 的背景摻雜濃度。
應該注意的是，存在實施本文公開的實施方式的替代方案。因此，所提出的實施方式應被理解為是說明性的而非限制性的。此外，申請專利範圍不受限於本文中所給出的具體細節，而應當被界定為其全部範圍及其等同方案。
圖2：
3J‧‧‧三接面
4J‧‧‧四接面
5J‧‧‧五接面
圖3A：
336‧‧‧InGaAs接觸
334‧‧‧FSF（前表面場）
332‧‧‧發射器
330‧‧‧基底
328‧‧‧BSF（背表面場）
326‧‧‧穿遂接面
324‧‧‧FSF（前表面場）
322‧‧‧發射器
320‧‧‧基底
318‧‧‧BSF（背表面場）和氫氣障
316‧‧‧穿遂接面和保護蓋層、穿遂接面
314‧‧‧發射器
312B‧‧‧基底
312A‧‧‧基底
310‧‧‧BSF（背表面場）
308、308B、308A‧‧‧穿遂接面
306‧‧‧緩衝層
304‧‧‧成核層
302‧‧‧基板，基底
305、303、301‧‧‧子電池
圖3B：
336‧‧‧InGaAs 接觸
334‧‧‧FSF（前表面場）
332‧‧‧發射器
330‧‧‧基底
328‧‧‧BSF（背表面場）
326‧‧‧穿遂接面
324‧‧‧FSF（前表面場）
322‧‧‧發射器
320‧‧‧基底
318‧‧‧BSF（背表面場）
307‧‧‧反射器和氫氣障
316‧‧‧穿遂接面和保護蓋層、穿遂接面
314‧‧‧發射器
312B‧‧‧基底
312A‧‧‧基底
310‧‧‧BSF（背表面場）
308、308B、308A‧‧‧穿遂接面
306‧‧‧緩衝層
304‧‧‧成核層
302‧‧‧基板，基底
305、303、301‧‧‧子電池
圖3C：
336‧‧‧InGaAs 接觸
334‧‧‧FSF（前表面場）
332‧‧‧發射器
330‧‧‧基底
328‧‧‧BSF（背表面場）
326‧‧‧穿遂接面
324‧‧‧FSF（前表面場）
322‧‧‧發射器
320‧‧‧基底
318‧‧‧BSF（背表面場）
316‧‧‧穿遂接面和保護蓋層、穿遂接面
309‧‧‧窗和氫氣障
314‧‧‧發射器
312B‧‧‧基底
312A‧‧‧基底
310‧‧‧BSF（背表面場）
308、308B、308A‧‧‧穿遂接面
306‧‧‧緩衝層
304‧‧‧成核層
302‧‧‧基板，基底
305、303、301‧‧‧子電池
圖3D：
336‧‧‧InGaAs 接觸
334‧‧‧FSF（前表面場）
332‧‧‧發射器
330‧‧‧基底
328‧‧‧BSF（背表面場）
326‧‧‧穿遂接面
324‧‧‧FSF（前表面場）
322‧‧‧發射器
320‧‧‧基底
318‧‧‧BSF（背表面場）
316‧‧‧穿遂接面和保護蓋層、穿遂接面
315‧‧‧發射器
312B‧‧‧基底
312A‧‧‧基底
310‧‧‧BSF（背表面場）
308、308B、308A‧‧‧穿遂接面
306‧‧‧緩衝層
304‧‧‧成核層
302‧‧‧基板，基底
305、303、301‧‧‧子電池
圖4～5：
測試結構‧‧‧4-1、4-2、4-3、4-4
圖6～7：
測試結構‧‧‧6-1、6-2、6-3
圖8～9：
測試結構‧‧‧8-1、8-2
圖10～12：
測試結構‧‧‧10-1、10-2、10-3
圖13：
1308‧‧‧頂部接觸層
1307‧‧‧子電池
1306‧‧‧穿遂接面
1305‧‧‧子電池
1304‧‧‧穿遂接面
1303‧‧‧Al層（蓋/H障壁）
1302‧‧‧稀氮子電池
1301‧‧‧GaAs基板
1312‧‧‧MOCVD生長
1311‧‧‧MBE生長
圖14：
1411‧‧‧頂部接觸層
1410‧‧‧子電池
1409‧‧‧穿遂接面
1408‧‧‧子電池
1407‧‧‧Al層（蓋/H障壁）
1406‧‧‧穿遂接面
1405‧‧‧稀氮子電池
1404‧‧‧穿遂接面
1403‧‧‧III-V緩衝
1402‧‧‧成核層
1401‧‧‧下面的Ge層和Ge子電池
1413‧‧‧MOCVD生長
1412‧‧‧MBE生長
1411‧‧‧MOCVD生長
本領域技術人員應理解，本文描述的附圖僅用於說明的目的。附圖不旨在限制本公開的範圍。
圖1A至圖1E示出了根據本公開提供的方法的工藝流程步驟。
圖2示出了在3J、4J和5J（三接面、四接面和五接面）多接面太陽能電池中接面成份的示例。
圖3A至圖3D示出了根據本發明的可以存在於包括AlInGaP/(Al)(In)GaAs/GaInNAsSb/Ge的4J多接面太陽能電池的實施方式中的某些層的成份和功能的總結。
圖4示出了測試結構和應用於各測試結構的熱處理的示意圖。
圖5示出了圖4中描述的測試結構的量子效率。
圖6示出了測試結構、磊晶環境和應用於各測試結構的熱處理的示意圖。
圖7示出了圖6中描述的測試結構的量子效率。
圖8示出了測試結構障壁層結構和應用於各測試結構的熱處理的示意圖。
圖9示出了圖8中描述的測試結構的量子效率。
圖10示出了測試結構以及應用於各測試結構的生長方法和熱處理的示意圖。
圖11示出了圖10中描述的測試結構的稀氮J3子電池的量子效率。
圖12示出了圖10中描述的測試結構的稀氮J3子電池的量子效率。
圖13示出了包括稀氮層和覆蓋在稀氮層上的鋁層的多接面太陽能電池的實施方式的截面圖。
圖14示出了包括稀氮層和覆蓋在稀氮層上的含鋁層的多接面太陽能電池的另一實施方式的截面圖。

Claims (20)

  1. 一種半導體裝置，包括覆蓋一稀氮層的至少一個含鋁層，其中，該稀氮層具有小於1016 cm-3 的背景摻雜濃度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，該至少一個含鋁層包括AlGaAs、AlGaAsSb、AlGaAsBi、AlInP、AlInGaP、AlInGaPSb、AlInGaPBi、AlInGaAs、AlInGaAsSb、AlInGaAsBi、AlN、AlNSb或AlNBi。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中該至少一個含鋁層包括AlGaAs或InAlP。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，該稀氮層包括小於1016 原子/cm3 的摻雜劑鈍化位準。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，該至少一個含鋁層包括一個含鋁層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，該至少一個含鋁層包括兩個含鋁層，其中，該些含鋁層中的每個含鋁層包括不同的含鋁合金。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，該稀氮層包括小於1016 cm-3 的缺陷密度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，該至少一個含鋁層包括一鋁合金，其中，該鋁合金包括在5 mol%至80 mol%範圍內的鋁含量，其中，mol%基於含鋁材料中第III族原子的分量。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，使用分子束磊晶（MBE）來沉積該稀氮層和覆蓋的該至少一個含鋁層。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，包括覆蓋該至少一個含鋁層並與該至少一個含鋁層相鄰的一半導體層。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的半導體裝置，其中，該半導體層包括GaAs、InGaAs或InGaP。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的半導體裝置，其中，該半導體層具有1 nm至50 nm的厚度。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的半導體裝置，其中，使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積該半導體層。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，該半導體裝置包括一多接面太陽能電池。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的半導體裝置，其中，該多接面太陽能電池包括一第一接面和覆蓋該第一接面的一第二接面，其中，該第一接面包括包含該稀氮層的一第一基底層，該第二接面包括一第二基底層。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的半導體裝置，其中，該至少一個含鋁層覆蓋該稀氮層並且位於該第二基底層之下。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的半導體裝置，其中，使用分子束磊晶（MBE）來沉積該稀氮層和該至少一個含鋁層並且使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積該至少一個半導體層。
  18. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中，該半導體裝置包括一太陽能電池、一光電偵測器、一光調變器、一雷射器或一電晶體。
  19. 一種形成申請專利範圍第1項所述的半導體裝置的方法，包括： 沉積覆蓋該稀氮層的該至少一個含鋁層；以及 沉積覆蓋該至少一個含鋁層的至少一個半導體層， 其中，使用分子束磊晶（MBE）來沉積該稀氮層和該至少一個含鋁層並且使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積該至少一個半導體層。
  20. 一種用於形成半導體裝置的方法，包括： 沉積覆蓋一稀氮層的至少一個含鋁層；以及 沉積覆蓋該至少一個含鋁層的至少一個半導體層， 其中，使用分子束磊晶（MBE）來沉積該稀氮層和該至少一個含鋁層並且使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積該至少一個半導體層，以及 其中，該稀氮層具有小於1016 cm-3 的背景摻雜濃度。
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