[发明专利]包括改进的磷属元素化物半导体膜的光伏器件的制造方法

说明书

优先权

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2012年1月31日提交的美国临时申请No.61/592,946的优先权，所述申请题为“METHOD OF MAKING PHOTOVOLTAIC DEVICES INCORPORATING IMPROVED PNICTIDE SEMICONDUCTOR FILMS(包括改进的磷属元素化物半导体膜的光伏器件的制造方法)”，其中该申请的全文为了所有目的以其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及形成适合用于微电子器件的磷属元素化物组合物的方法。更具体地，本发明涉及其中组合使用包括至少两阶段蚀刻和至少一次氧化的处理的方法，从而不仅清洁所述磷属元素化物膜表面，而且使得所述膜表面高度光滑而具有减少的电子缺陷。

背景技术

磷属元素化物基半导体包括IIB/VA族半导体。磷化锌(Zn₃P₂)是一种IIB/VA族半导体。磷化锌和类似的磷属元素化物基半导体材料在薄膜光伏器件中作为光活性吸收体具有很大的潜力。例如，磷化锌据报告具有1.5eV的直接带隙、在可见光区域中的高光吸收度(例如，大于10⁴至10⁵cm^-1)和长的少数载流子扩散长度(约5至约10μm)。这将允许高的电流收集效率。还有，例如Zn和P的材料是丰富的和低成本的。

已知磷化锌是p-型或n-型的。迄今为止，制造p-型磷化锌要容易得多。制备n-型磷化锌，特别是使用适于工业规模的方法，仍然是具有挑战性的。这阻碍了基于磷化锌的p-n同质结的制造。因此，使用磷化锌的太阳能电池最通常用Mg肖特基接触(Schottky contact)或p/n异质结构造。示例性的光伏器件包括整合了基于p-Zn₃P₂/Mg的肖特基接触的那些并表现出约5.9％的太阳能转换效率。由于包含Zn₃P₂和金属例如Mg的结(junction)所得到约0.8eV的势垒高度，这样的二极管的效率理论上将开路电压限制到约0.5伏。

可是，预期由通过分别具有p和n型电导性的相同半导体材料的连续区域来形成结的p/n同质结电池得到提高的效率和开路电压。p/n同质结的一个示例性优点是最小化能带结构中的不连续性而同时总的组成保持相同。并且，相邻的p/n材料的折射率将匹配，从而最小化反射损失。还有，热膨胀系数将匹配以最小化潜在的分层风险。

一些研究者提出，p-型磷化锌层在与镁接触的同时加热的情况下能够原位形成p/n同质结。参见，例如，美国专利No.4,342,879。其他研究者已经利用分子束外延制备了n-型磷化锌。还尝试了制造n-型磷化锌的其他途径。然而，至少部分由于膜质量差、缺乏对膜化学计量的控制和/或缺乏对形成高质量p/n结的控制，这类方法通常得到光伏性能差的器件(如果有的话)。

很多研究和开发工作集中在改善包括磷属元素化物基半导体的光电子器件、特别是光伏器件的电子性能。一种挑战涉及磷属元素化物膜在沉积时的表面质量。经常，这种表面的表面质量由于例如粗糙度、电子缺陷、晶体结构缺陷、污染等的问题对于进一步器件形成是不适宜的。因此，实施一种或多种处理以改善表面质量。例如，机械抛光具有使粗糙表面平面化的益处，但是倾向于损害表面晶体结构。氢等离子体处理清理杂质，但是损害表面晶体结构。利用蚀刻组合物例如甲醇中的Br₂的常规蚀刻技术已经用于消除抛光和等离子体的损害、自然氧化物和其他杂质例如外来污染碳，然而由此产生的表面的电子质量低。因此，仍然需要提供具有改进的电子特性的磷属元素化物膜的方案。

发明内容