[发明专利]具有载流子寿命的自支撑厚度的单晶材料和方法

说明书

相关申请的交叉引用 

该非临时专利申请要求于2009年8月29日提交的U.S.临时专利申请No.61/093,248的优先权，且为了所有目的将其整体作为参考合并在此。 

背景技术

本发明通常涉及包括利用供光伏(photovoltaic)应用的层转移技术来形成太阳能电池结构的方法和结构的技术。然而将意识到，本发明具有更宽的应用范围；其还可以应用于其它类型的应用，例如用于集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、微机电系统(“MEMS”)、纳米技术结构、传感器、致动器、集成电路、生物和生物医学器件等的三维封装。 

有史以来，人类都是依赖于“太阳”来得到几乎所有有用形式的能量。这样的能量来自石油、辐射体、木材以及各种形式的热能。仅举一个例子，人类严重依赖于诸如煤和天然气这样的石油资源来满足各种需要。遗憾地是，石油资源已逐渐变得耗尽并且产生了一些其它问题。作为代替品，部分地，太阳能已经被提出用于减少对石油资源的依赖。仅举一个例子，太阳能可从通常由硅制成的“太阳能电池”得到。 

当硅太阳能电池暴露于来自太阳的太阳辐射时产生电力。辐射与硅原子相互作用并形成电子和空穴，它们迁移至硅本体中的p掺杂区和n掺杂区，并在掺杂区之间产生电压差和电流。根据应用，太阳能电池已经集成有汇集元件来提高效率。举例来说，太阳辐射利用可引导此辐射到有源光伏材料的一个或更多个部分的汇集元件来积累和聚集。尽管有效，但是这些太阳能电池仍然有许多限制。 

仅作为实例，太阳能电池依赖于初始材料，例如硅。这种硅通常利用多晶硅(有时称为多结晶硅)和/或者单晶硅材料制成。通常这些材料 很难制造。多晶硅电池通常通过制造多晶硅板形成。虽然可以有效地形成这些板，但它们没有用于高效太阳能电池的优化特性。单晶硅具有适合高级太阳能电池的特性。然而，这种单晶硅昂贵，而且它也难以以有效率的和成本有效的方式用于太阳能应用。通常，由于利用较少的硅材料因此薄膜太阳能电池不那么昂贵，但是与由单晶硅衬底制成的更昂贵的体硅电池相比，它们的非晶(amorphous)或多晶结构效率较低。一些技术曾试图利用单晶硅薄膜，然而总的说来没有成功。即，这些技术通常利用机械设备，例如线锯、抛光器和研磨机，这些通常将缺陷引入到薄硅膜中。试图克服这些以及其他局限性中的所有或者一些，太阳能电池工业将希望拥有具有相对薄的厚度(10-150μm)和高载流子寿命的自支撑(free-standing)单晶硅材料的改善的制造技术，以制造效率超过20％的光伏电池。 

由上述可以看出，用于制造成本有效且高效的大衬底的技术是期望的。 

发明内容

根据本发明，提供了针对制造光伏材料的技术。尤其是，该发明提供了包括利用供光伏应用的层转移技术形成太阳能电池的方法和结构的技术。然而将认识到，该发明具有更宽的应用范围；它还可以应用于其它类型的应用，例如集成半导体器件、光子器件、压电器件、平板显示器、MEMS、纳米技术结构、传感器、致动器、集成电路、生物和生物医学器件等的三维封装。 

在具体实施例中，本发明提供了制造一定厚度的硅材料的方法。该方法包括提供具有表面区域的硅锭(ingot)材料。该方法还包括穿过表面区域将具有大约1-5MeV和更大能量的多个粒子引入到一深度，以定义解理区域和在解理区域和表面区域之间的可分离材料的厚度。另外，该方法包括处理硅锭材料以在解理区域的附近处释放可解理材料的厚度。该方法还包括使形成以具有大约10微秒和更小的载流子寿命为特征的自支撑厚度的材料，第一厚度的范围从大约20微米到大约150微米且具有小于大约百分之一的厚度变化。另外，该方法包括利用蚀刻工艺处理自支撑厚度的材料。此外，该方法包括在自支撑厚度的材料上执行热处理工艺以使载流子寿命恢复到大于大约200微秒。在该蚀刻工艺之后所述自支撑厚度的材料具有范围从约16微米到约120微米的厚度。