[发明专利]半导体结构及其制造方法

说明书

本公开涉及半导体结构及其制造方法。该方法包括在第一元件的主表面上形成至少基本上由第一III‑V材料构成的第一接合层，以及在第二元件的主表面上形成至少基本上由第二III‑V材料构成的第二接合层。第一接合层和第二接合层设置在第一元件和第二元件之间，并且第一元件和第二元件在设置于第一接合层和第二接合层之间的接合界面处彼此附接。使用这种方法制造半导体结构。

技术领域

本公开的实施方式涉及制造半导体结构的方法，并且更特别地涉及在诸如多结光伏电池的半导体结构的制造期间用于将两个或更多个元件接合(bond)在一起的方法，以及使用这种方法形成的诸如多结光伏电池的半导体结构。

背景技术

太阳能是可以提供电能来源的丰富的资源。收集并利用太阳能的一种方法是通过光伏(PV)电池，其将太阳能直接转换成电能。能量的转换可以由半导体材料中的n型和p型导电区域制造的pn结二极管提供。这种pn结二极管产生当在半导体材料中形成电子-空穴对时所产生的光电流。作为对电磁辐射的光子照射在光伏电池上并且在光伏电池内被吸收的响应，形成这些电子-空穴对。

由半导体材料吸收的能量取决于其特征带隙能量。半导体材料的带隙能量可以定义为将外壳电子从其围绕核的轨道释放至自由状态所需的能量的量。在半导体材料中，将电子从价带激发至导带所需的能量基于两个电子状态之间的能量差而不同。不同的材料具有不同的特征带隙能量。带隙工程是控制材料的带隙能量的过程。用于光伏电池(PVs)中的传统硅基半导体材料具有大约1.1eV的带隙能量，这仅覆盖了太阳电磁辐射光谱的一小部分(例如，从约0.4eV至4.0eV)。

具有低于半导体材料的带隙能量的能量的电磁辐射的光子将不被吸收并转换为电能。具有高于带隙能量的能量的光子可以被吸收，但是所产生的电子-空穴对可以以热能(也即热)的形式快速地失去它们高于带隙能量的多余能量。因此，该多余能量不可用于转换为电能。

为了最大化光伏电池中的能量的吸收和转换，已经开发了多结(MJ)光伏器件。多结光伏器件由两个或多个子电池构成，每个子电池包括具有不同特征带隙能量的pn结二极管。因此，子电池中的每一个具有被设计为吸收太阳光谱内的不同波长的电磁辐射的带隙能量。因此，两个或多个子电池可以从太阳能光谱的不同部分吸收能量，导致更好地利用太阳能以及更高的运行效率。

多结光伏电池通常由在逐层沉积工艺中形成为垂直堆叠的两个或更多个子电池制造。每个子电池被设计成和相邻子电池相比吸收并转换太阳能光谱的不同部分。首先暴露于辐射能量的子电池通常具有最高的带隙能量，而位于第一子电池之下的子电池相应地具有较小的带隙能量。作为该布置的结果，在第一子电池中未被吸收的能量可以传输至多结光伏器件的另一下层子电池并且在其内转换为电子-空穴对，从而使得能够将更宽的太阳能光谱转换为电能。

然而，由于在不同材料的各层相互堆叠的顺序异质外延生长期间必须匹配子电池中的每一个的晶格，所以普通的多结光伏器件受到限制。相邻子电池的不同材料中的晶格之间的晶格失配可以导致降低光伏器件的效率的机械应变和晶格位错(也即，晶体结构中的缺陷)。结果，由于这种晶格匹配约束，可以用于典型的多结光伏电池中的材料受到限制。

为了克服由于在外延生长工艺期间多结光伏电池的两个或更多个子电池之间的晶格匹配问题而施加的限制，可以利用接合工艺。两个或更多个子电池接合在一起允许在可用于形成多结光伏电池的半导体材料的选择中的进一步的自由度。可以通过在不同衬底上形成两个或多个子电池并且随后通过接合工艺将两个或多个子电池彼此附接来克服晶格失配。