專利名稱：類鉆碳電子裝置及其制造方法
技術領域：
本發明提供一種類鉆碳材料，以及制造與使用類鉆碳材料的裝置和方法。因此，本
發明涉及物理、化學、電子與材料科學領域。
背景技術：
太陽能科技在過去數十年間已有長足進展，因此對于作為許多應用上的可能電力 來源提供了顯著的貢獻。盡管材料與制造方法已有明顯改進，太陽能電池的效率仍低于理 論效率，現有太陽能電池僅具有約26%的最大效率。許多不同的方法已被用來增進效率 并已獲得部分成果。例如，先前技術已利用光捕捉結構以及埋入式電極來使導電金屬網格 (conductive metal grid)所覆蓋的表面積最大化。其他方法則利用后側接觸結構而使電 洞_電子對的重新結合發生于電池的后側。 然而，上述及其它方法仍存在有一些問題，如效率普通、制造復雜度、材料成本、可 靠度和輻射劣化等。因此，可由能量來源吸收相對少量能源而達到高電流輸出，并且適用于 實際應用的材料，該類材料仍為現今研究發展所極欲追求。
發明內容
因此，鑒于現有技術存在的弊端，本發明開發了一種可提高電子裝置(如太陽能 電池、熱電轉換裝置及其它電子裝置)的性能的材料以及由該材料構成的裝置及其制造方法。 本發明的目的在于提供一種可提高電子裝置(如太陽能電池、熱電轉換裝置及其
它電子裝置)的性能的材料、該材料組成的裝置以及制造方法。
為了達到上述目的，本發明提供了一種鉆碳電子裝置，其包含 —導電類鉆碳陽極； —鄰接于該類鉆碳陽極的非晶形電荷載子分隔層；以及
—鄰接于該電荷載子分隔層且相對于該類鉆碳陽極的陰極。 上述的類鉆碳電子裝置中，所述的導電類鉆碳材料為具有30至90原子百分比的 sp3鍵結碳含量、0至30原子百分比的氫含量以及10至70原子百分比的sp2鍵結碳含量 的材料。其中，優選該sp2鍵結碳的含量為足以提供該導電類鉆碳的材料大于約0. 7的可 見光透射率(transmissivity)。 上述類鉆碳電子裝置為一種可提高電子裝置(如太陽能電池、熱電轉換裝置及其 它電子裝置)的性能的材料構成的裝置，達到了提升效率、降低了制造的復雜度、節省了材 料成本、提高了可靠度等效果。 本發明所述的類鉆碳電子裝置，可預想到許多不同材料可用以作為非晶形電荷分 隔層。例如其中一實施例中，該非晶形電荷載子分隔層可包括非晶形半導體層。盡管任何 非晶形半導體材料皆可能使用，特定的實施例包括硅、砷化鎵(gallium arsenid)、磷化銦 嫁(gallium indium phosphide)、氣4七,因嫁(gallium indium nitrid)、石西4七,因f同(copperindium diselenide)、碲化鎘(cadmiumtelluride)及其復合或組成物。該非晶形電荷載子 分隔層的一特定實施例為非晶形硅。此外，在某些實施例中，該非晶形電荷載子分隔層包括 摻雜物。該非限定的摻雜物可包括磷、砷、鉍、銻、硼、鋁、鎵、銦、鉈及其上述摻雜物的組成 物。 在本發明的優選實施例中，所述的類鉆碳電子裝置中，該非晶形電荷載子分隔層 更優選為P_n或p-i-n接面；該類鉆碳電子裝置優選為太陽能電池。 在本發明的另一優選實施例中，所述的類鉆碳電子裝置中，該非晶形電荷載子分 隔層優選進一步包含多個p-n或p-i-n接面以形成多接面太陽能電池；該非晶形電荷載子 分隔層還優選包含具有成分變化的含碳和硅材料。 其中電荷載子分隔層實質上為平面化，S卩，其實質上可使本發明的裝置平面化。
本發明還提供了一種類鉆碳電子裝置的制造方法，該方法包含
形成一陰極于非晶形電荷載子分隔層上；以及 耦合一導電類鉆碳陽極于該非晶形電荷載子分隔層上且相對于該陰極。 上述制造方法中，該導電類鉆碳陽極的耦合優選進一步包括形成該導電類鉆碳陽
極于該電荷載子分隔層上且相對于該陰極。 上述制造方法或是其可先分離地形成于該分隔層之上并隨后結合于該分隔層。 此外，在其中 一實施例中，該陰極可為 一導電類鉆碳陰極。 該導電類鉆碳陽極與該陰極的形成優選發生于低于75(TC的溫度下。 在本發明的實施例中，所述的制造方法進一步包含摻雜該非晶形電荷載子分隔層
以形成p-n或p-i-n接面。 本發明所述的制造方法中，該陰極的形成除了優選發生于低于75(TC的溫度下，還 優選包括氣相沉積工藝來形成。 此處已相當廣泛地敘述了本發明的重要特征，因此有助于進一步了解后續的詳細 說明，且可更深入地體會本發明對此技術領域的貢獻。 本發明的其它特征可于后續的詳細說明并伴隨著附圖與權利要求的范圍而更加 清楚地呈現出來，也可由本發明的實施例而推導得知。
圖1 :依據先前技術的現有硅太陽能電池的側視剖面圖； 圖2 :依據本發明的一實施例的類鉆碳復合太陽能電池的側視剖面圖； 圖3 :依據本發明的另一實施例的具有成分變化的類鉆碳復合太陽能電池的側視
剖面圖； 圖4 :用以說明粗糙度尺寸和形狀的類鉆碳材料的掃瞄式電子顯微鏡(SEM)圖。 附圖標號10——結晶硅太陽能電池12—一抗反射層14—一硅層16—一陽極區域18—一陰極區域20—一絕緣內層22——導電金屬網格24—一陰極26—一太陽能電池28—一非晶形半導體層
30——n摻雜區域32——P摻雜區域34—一陽極40—一氣相沈積非晶形硅膜42——層44——層46——層48——層50——層52——一導電類鉆碳膜
具體實施例方式
以下結合附圖詳細說明本發明，但不限定本發明的實施范圍。 在揭示與說明本發明之前，必須了解本發明不限于此處所揭示的特定結構、方法 步驟或材料，但可延伸至所屬技術領域普通技術人員所認知的均等物。應了解的是，此處所 用的名詞也僅用于描述特定的實施例，而非意欲用于限制本發明。 必須留意的是，本說明書和附加的權利要求的范圍中，除非文中有另外清楚地敘 明，該單數形式"一"與"該"均包含了多個的指稱。因此，例如"以誠"的指稱即包含一或多 層，"一添加物"是指包含一或多個該材料，以及"一陰極電弧技術"即包含一或多種該技術。
定義 在描述及主張本發明時，下列名詞將會依據以下建立的定義來使用。 此處所使用的"電荷載子分隔層"其含義是指任何對于自由電子流提供電
位障壁的材料或層。非限制性的實例包括p-n接面(p-njunctions) 、 p-i-n接面
(p-i-njunctions)、電解液、薄膜接面(thin film junctions,例如薄介電膜)以及上述材
料的類似物。 此處所使用的"電極"意指一用于使一電路中的至少兩點間產生電性接觸的導電 體。 此處所使用的"sp3鍵結碳"意指以實質上對應于碳的鉆石同位素的晶體結構(即 純sp3鍵結)來鍵結于鄰近碳原子的碳原子，且進一步包含以扭曲四面體配位sp3鍵結的 碳原子，例如非晶形鉆石和類鉆碳。 此處所使用的"sp2鍵結碳"意指以實質上對應于碳的石墨同位素的晶體結構來鍵 結于鄰近碳原子的碳原子。 此處所使用的"鉆石"意指一碳原子的結晶結構，其中碳原子是以四面體配位的 晶格彼此鍵結，即已知的sp3鍵結。特別是，各碳原子皆為四個其它的碳原子所環繞與鍵 結，且位于一規則四面體的尖端。另外，任兩碳原子間的鍵結長度在室溫狀態下為1.54埃 (angstrom)，且任兩鍵結間的角度為109度(degree) 28分(minute) 16秒(second)，盡管實 驗結果可能有少許變化。鉆石的結構與性質，包括其物理與電子性質均為本技術領域中所 熟知。 此處所使用的"扭曲四面體配位，，(distorted tetrahedral coordination)意指 一碳原子的四面體鍵結配位為不規則的，或是偏離上述鉆石的正常四面體配位。該扭曲一 般是由于某些鍵結的伸長與其它鍵結的縮短，以及鍵結間角度的變化。此外，該四面體的扭 曲會導致碳特征與性質的變化，而有效地使其特征介于以sp3鍵結的碳(如鉆石)以及以 sp2鍵結的碳(如石墨)的特征間。 一碳原子以扭曲四面體配位鍵結的材料例子為非晶形 鉆石(amorphous diamond)。扭曲配位的廣泛變化一般出現于非晶形鉆石中。
此處所使用的"類鉆碳"(diamond-like carbon)其含義是指 一 含碳 (carbonaceous)材料，其是以碳原子作為其主要元素，且有顯著量的碳原子以扭曲四面體 配位鍵結。類鉆碳(DLC) —般可由物理氣相沈積(PVD， PhysicalV即or D印osition，也稱 為物理氣相沉積，簡稱PVD)工藝來形成，盡管化學氣相沈積(CVD)或其它工藝如氣相沈積 亦可使用。值得留意的是，多種其它元素可包含于該類鉆碳材料中以作為雜質或摻雜物 (dopant)，該元素不限于下列元素，包括氫(hydrogen)、硫(sulfur)、磷(phosphorous)、硼 (boron)、氮(nitrogen)、硅(silcon)與鴇(tungsten)等。 此處所使用的"非晶形鉆石"意指類鉆碳種類，其以碳原子作為其主要元素，且有 顯著量的碳原子以扭曲四面體配位鍵結。在其中實施例中，非晶形鉆石中的含碳量可達至 少約90%，且至少約20%的碳以扭曲四面體配位鍵結。非晶形鉆石亦具有較鉆石為高的原 子濃度176atoms/cm3。另外，非晶形鉆石和鉆石材料在熔化時會收縮。
此處所使用的"透射率(transmissivity)"意指光穿過一材料的部分。透射率定 義為透射的光強度與總入射光強度的比值，其可介于0至1. 0間。 此處所使用的"氣相沈積的"(v即or d印osited)意指使用氣相沈積技術形成的材 料。"氣相沈積"(v即or exposition)意指一透過氣相而沈積材料于一基材上的工藝。氣 相沈積工藝可包括任何工藝如化學氣相沈積(CVD)與物理氣相沈積(PVD)。各氣相沈積方 法的廣泛變化均可為熟悉該技術的普通技術人員所實施。氣相沈積方法的例子包括熱燈 絲化學氣相沈積(hot filament CVD)、射頻等離子化學氣相沈積(rf-CVD)、激光化學氣相 沈積(laser CVD， LCVD)、激光剝蝕(laser ablation)、密合披覆鉆石涂覆工藝(conformal diamond coati卿rocesses)、有機金屬化學氣相沈積(metal-organic CVD， M0CVD)、濺鍍 (sputtering)、熱蒸發物理氣相沈積(thermal ev即oration PVD)、離子化金屬物理氣相沈 積(ionized PVD， MPVD)、電子束物理氣相沈積(electron beam PVD， EBPVD)、反應性物理 氣相沈積(reactive PVD)及其它類似方法。 此處所使用的"粗糙度"(aspersity)意指一表面的粗糙程度，其以該表面構造的 許多不同特征來描述。許多不同的量測結果可用以作為表面粗糙度的指標，例如表面尖峰 或凸起的高度，以及凹入的凹谷或凹陷的深度。另外，粗糙度的量測包括該表面一特定區域 的尖峰或凹谷的數目(亦即尖峰或凹谷的密度)，以及該尖峰或凹谷間的距離。
此處所使用的"金屬的"(metallic)意指一金屬或是兩種或多種金屬的合金。 金屬材料的廣泛變化已為本領域普通技術人員所熟知，如鋁(aluminum)、銅(co卯or)、 絡(chromium) 、 l失(iron)、鋼(steel)、不f秀鋼(stainless steel)、,太(titanium)、鴉 (tungsten)、鋅(zinc)、鋯(zirconium)、鉬(molybdenum)等，也包含上述材料的合金與化 合物。 此處所使用的"介電質"(dielectric)意指任何電性阻抗的材料。介電質材料可 包含以下任意數目種類的材料但不限于以下所述，如玻璃、聚合物、陶瓷、石墨、堿金族與堿 土族金屬的鹽類以及上述材料的組成或復合物。 此處所使用的"真空"意指低于10-2托(torr)的壓力條件。 此處所使用的"電耦合"(electrically coupled)意指結構間的連結關系，其可使 電流可在結構的至少部分間流動。此定義意圖包含結構間具有實體上的接觸，以及結構間 并未具有實體上的接觸。 一般而言，兩電耦合的材料可于兩材料間具有電位能或真實的電流。例如，兩平板以一電阻實體連結即為具有實體上的接觸，而可使電流于兩材料間流動。相對地，當兩平板以一介電質材料分隔時即為不具有實體上的接觸，但是當連接于一交流電源上時，即可以電容性的方式使電流于兩者間流動。進一步而言，當足夠的能量提供時，電子可依據介電質的絕緣性質而穿透或跳越介電質材料。 此處所使用的"鄰接"意指靠近或接近至足以達到所預期的效果。雖然在本發明的各層間最普遍和最佳為直接的實體接觸，但鄰接的描述可廣泛至容許分隔的特征。
此處所使用的"熱電轉換(thermoelectric conversion)"是關于熱能轉換為電能或電能轉換為熱能或熱能流。 此處所使用的用詞"實質上"意指動作、特征、性質、狀態、結構、物品或結果達到完
全或接近完全的程度。例如一物品"實質上"為封閉，意指該物品完全封閉或接近完全封閉。
在某些狀況中，其相較于絕對完全真確上可允許的偏差程度取決于特定的文意關系。然而，
一般而言該完全的接近程度將會與達到絕對及全然地完全時有同樣的結果。"實質上"同樣
可使用于負面的含義，代表完全地或接近完全地缺乏動作、特征、性質、狀態、結構、物品或
結果。例如，一組成中"實質上不具有"顆粒即指完全不具有顆粒，或是接近完全不具有顆
粒以致于其效果與完全不具有顆粒時相同。換言之，當一組成中"實質上不具有"某成分或
元素時，只要不會產生可量測出的效應，實際上組成中仍可含有該成分或元素。 此處所使用的用詞"約"是通過提供一特定值可"稍微高于"或"稍微低于"數值范
圍的端點，而為數值范圍的端點提供彈性。 此處所使用的多個個物品、結構組件、組成元素和/或材料，為方便起見可以一般表列的方式呈現。然而，這些表列應被解釋為表列中的每一組件均被視為一分離且獨特的對象。因此，該表列中的個別組件不應僅基于其被呈現于共同群組中且無對相反情況作出指示，即被解釋為同一表列任何其它對象實際上的均等物。 濃度、數量與其它數值數據可以范圍的形式來表示或呈現。該范圍形式僅因其便利性與簡潔性而被使用，因此其應被彈性解釋為非僅包含范圍界限所明示描述的數值，且亦包含該范圍所含括的所有個別數值或次范圍，有如個別數值或次范圍被明示描述一般。舉例而言，數值范圍"約1至約5"應被解釋為非僅包含明示描述的約1至約5，也應包含該數值范圍中所含括的個別數值與次范圍。因此，該數值范圍包含了個別數值如2、3與4以及次范圍如由1至3、由2至4與由3至5等，還有個別的1、2、3、4與5。同樣的原則亦應用在僅描述一數值作為最小值或最大值的范圍。另外，無論所描述的范圍的廣度或特征大小，這樣的解釋應一體適用。
本發明 圖1說明依據先前技術的現有結晶硅太陽能電池10。抗反射層12用以避免多余的光由下方的硅層14表面反射。該抗反射層最常為氮化硅(siliconnitride)且為電絕緣的，雖然其它材料亦可被使用。圖l所示的硅太陽能電池通常稱為p-i-n太陽能電池，因為該陽極區域16及陰極區域18的n及p摻雜設置于一絕緣內層20的各側。 一導電金屬網格22埋設于該硅層中。該金屬網格一般由銀于約80(TC下燒結而形成，或是其它導電金屬如銅或鎳。該金屬網格以一顯著距離埋設于該絕緣層中，例如一般為約400至500微米(ym)。 一導電金屬如銀或其它合適的材料亦可用于作為該陰極24。雖然在設計太陽能電池時有許多其它重要考慮，其皆在本領域普通技術人員的知識范圍內。另外，前述描述對關于本發明的不同實施例與對該技術領域的貢獻的后續討論提供合適的背景。
在本發明的其中一實施例中，一類鉆碳電子裝置可包括一導電類鉆碳陽極、一鄰 接于該類鉆碳陽極的非晶形電荷載子分隔層以及一鄰接于該電荷載子分隔層且相對于該 類鉆碳陽極的陰極。在其中一特定實施例中，該導電類鉆碳陽極可包含一類鉆碳材料，該材 料具有由約0ii Q-cm至約80ii Q-cm的電阻率(在2(TC下)，所以該材料具有導電性。在 另一實施例中，該類鉆碳材料的電阻率可為約Oii Q-cm至約40y Q-cm。另外，該類鉆碳材 料可具有由約0. 5至約1. 0的可見光透射率。該導電率與可見光透射率可為sp2及sp3鍵 結碳含量、氫含量與選擇性導電添加物的函數。例如，sp2鍵結碳含量的增加可提高導電率 但會減少透射率。相反地，氫含量和/或sp3鍵結碳含量的增加可導致透射率的提高及導 電率的降低。導電率及透射率亦為添加物如摻雜物或導電物質的弓I入所影響。
本發明的導電類鉆碳材料可使用于許多不同的應用，如但不限于太陽能電極、LED 電極或其它應用如導電性及透明電極，其亦具有化學鈍性及抗幅射損害性且容易制造。
根據本發明的一實施例，一類鉆碳電子裝置可包括一類鉆碳陽極，該陽極具有一 導電類鉆碳材料，包括約30原子百分比(atom% )至約90原子百分比的sp3鍵結碳含量、 約0原子百分比至約30原子百分比的氫含量，以及約10原子百分比至約70原子百分比的 sp2鍵結碳含量。 一電荷載子分隔層可耦合鄰接該類鉆碳陽極。另外，一陰極可鄰接該電荷 載子分隔層且相對于該類鉆碳陽極。應提及的是，該"陽極"與"陰極"的用詞意欲為可相 互替換的，且僅用以表示兩電極間的極性差異。 請參照圖2所示，該類鉆碳電子裝置可為一太陽能電池26。在本發明的此實 施例中，該非晶形電荷載子分隔層可為一非晶形半導體層28。該非晶形半導體層可由 任何合適的材料所形成，如但不限于硅、砷化鎵(galliumarsenide)、磷化銦鎵(gallium indium phosphide)、氣{七,因嫁(gallium indiumnitride)、石西{七,因f同(copper indium diselenide)、碲化鎘(cadmium telluride)及上述材料的復合物或組成物。在其中一特定 實施例中，該電荷載子分隔層可包含非晶形硅。結晶基(Crystalline-based)的電荷載子 分隔層可特別用于形成太陽能電池。完全非晶形的電荷載子分隔層可用于熱電轉換裝置， 例如可將熱轉換為電的裝置。 合適的電荷載子分隔層可使用許多不同方法形成，如但不限于氣相沈積、外延生 長(或稱為磊晶生長)(印itaxial growth)或類似方法。最常見的是，可使用一來自于現 有商業來源的起始材料如現有的非晶形硅芯片。該芯片(也稱晶圓)可由切削一硬質硅晶 錠或晶胚(boule)而形成。該芯片可經由拋光而具有一光滑表面。另一方面，該半導體材 料可使用氣相沈積或其它適合技術直接形成于一所欲的基材或陰極上。另外，該芯片或半 導體的表面可經蝕刻而粗糙化該表面，和/或可包括其它特征如金字塔形凹陷(pyramidal expression)或延伸部而增加該裝置的功能性表面積。 本發明的類鉆碳電子裝置可使該電荷載子分隔層的厚度有顯著的降低。此功效 的其中一原因為任何埋設的金屬網格電極的減少或降低。本發明的類鉆碳陽極可使該半 導體實質上為平面化。例如，本發明的裝置可不具有任何存在于現有硅太陽能電池的溝槽 和/或金屬網格材料。作為一般的原則而言，本發明的電荷載子分隔層可具有由約10微米 (y m)至約300微米的厚度，且優選為由約50微米(ii m)至約150微米，其中約100微米為 目前的最佳厚度。導電類鉆碳材料的使用亦可避免那些較薄的半導體層產生翹曲現象。
該電荷載子分隔層最常配置為p-i-n或p-n接面。例如，圖2顯示p-i_n接面，其中該電荷載子分隔層包含半導體層，半導體層的各側摻雜有P或n摻雜材料。n摻雜區域30可利用現有半導體層28的摻雜而形成。合適的n摻雜物可包括，但不限于磷(phosphorous)、石申(arsenic)、鉍(bismuth)、銻(antimony)及上述材茅斗的組成物。同樣地，P摻雜區域32可利用摻雜摻雜物于半導體層而形成。合適的p摻雜物可包括，但不限于硼(boron)、鋁(aluminum)、鎵(gallium)、銦(indium)、鉈(thallium)及上述材料的組成物。摻雜物的摻雜程度可經由過程中摻雜物濃度、溫度或其它類似參數來控制，該電荷載子分隔層可利用p-n配置的方式交替地形成分離的層。特別是，n摻雜半導體層可形成鄰接于P摻雜半導體層以形成該電荷載子分隔層。該半導體材料可利用如下的方式加以選擇性地摻雜，但不限于離子布植(ion implantation)、驅入擴散(drive-in diffusion)、場效摻雜(field-effect doping)、電化學摻雜(electrochemicaldoping)、氣相沈禾只(v即orexposition)或其它類似方法。另外，該摻雜可通過與半導體材料的共沈積而達成。例如，硼來源氣體可與硅或其它半導體來源氣體同時存在于氣相沈積腔室。 本發明的類鉆碳電子裝置可包括陽極34，其包含導電類鉆碳材料。本發明的導電類鉆碳材料代表獨特種類的類鉆碳材料，其具有本案中所認明的性質如低電阻率及高透射率等。如前所述，這些性質至少部分與下列變量有關，如氫含量、sp2與sp3鍵結碳含量以及可選擇的添加物或摻雜物。最常見的是，該類鉆碳材料可利用合適的氣相沈積工藝形成于半導體層上。此外，在其中特定實施例中，該類鉆碳材料可為非晶形鉆石。
提高氫含量有助于增加透射率。該氫含量可結合遍布于整個類鉆碳材料或實質上僅存在于材料的表面。在其中實施例中，任何氫含量可實質上僅存在于該類鉆碳材料的外表面。作為一般原則而言，在其中特定實施例中該氫含量的范圍可由約0原子百分比至30原子百分比。在另一特定實施例中，該氫含量的范圍可由約15原子百分比至25原子百分比。在又一實施例中，該導電類鉆碳材料可實質上不具有任何氫含量。然而，氫含量可通過在類鉆碳材料的沈積過程中提高氫氣濃度而增加。另一方而，一類鉆碳材料可使用氫氣予以熱處理以形成一類鉆碳的氫端鍵結表面層。 一般而言，沈積可利用氣相沈積工藝如化學氣相沈積而達成，盡管其它方法亦可為合適的。 增加氫含量亦可能伴隨著導電率的下降。因此，有時較理想的方式為引入相對少量的導電添加物以提高導電率。例如，導電金屬顆粒可結合于氫化的鉆碳材料中。另外，為了避免造成透射率過度降低，可使金屬顆粒粒徑和/或金屬顆粒濃度下降，適合的金屬顆粒可包括如銀、銅或其它相似材料。該顆粒可為任何合適的大小，雖然由約1納米至約1微米一般均為合適，而由約2納米至約100納米亦為合適，且約0. 1微米至約0. 6微米為優選的。較小的顆粒大小可使透射率增加，但該類鉆碳材料的導電率亦會遭受相對的下降。同樣地，金屬添加物的濃度范圍一般可由約2體積百分比(vol% )至約60體積百分比，雖然最佳的顆粒大小與濃度可隨特定的顆粒材料、sp2與sp3鍵結碳含量以及氫含量而有顯著的改變。 該導電類鉆碳材料的另一重要變量為sp3鍵結碳含量。有利的是，sp3鍵結碳含量的增加可導致透射率的提高，因為材料的鉆石特性上升。然而，其亦伴隨著導電率的下降。 一般而言，該陽極可為導電類鉆碳材料，且具有由約30原子百分比至約90原子百分比的sp3鍵結碳含量。在較高的sp3鍵結碳含量時，例如由約50原子百分比至約90原子百分比時，額外的添加物和/或摻雜物可加以引入用以增加導電率，而使材料可用以在裝置 中作為導電電極。例如，摻雜以氮或其它類似的摻雜物，可提供良好的效果而不會顯著降低 透射率。 另外，sp2鍵結碳含量可有利于增加透射率。然而，如同氫含量一般，sp2鍵結碳在 結晶結構中為石墨態而為非導電性。因此，應考慮適合的sp2鍵結碳含量平衡。作為一般 的原則而言，在其中實施例中該類鉆碳材料可具有由約10原子百分比至約70原子百分比 的sp2鍵結碳含量。在另一實施例中，該導電鉆石材料可具有由約35原子百分比至約60 原子百分比的sp2鍵結碳含量。然而，該特定含量可隨氫含量、sp3鍵結碳含量以及其它可 選擇的添加物和/或摻雜物而有顯著的改變。然而，該sp2鍵結碳含量優選可為足以使該 類鉆碳材料具有大于約0. 7的透射率，且最佳為大于約0. 9。 該類鉆碳材料可利用任何合適的方式制作，如許多不同的氣相沈積工藝。在本發 明的其中的一個實施例中，該類鉆碳材料可使用陰極電弧法形成。許多不同的陰極電弧工 藝對于所屬技術領域中具有通常知識的本領域普通技術人員已為習知，例如揭示于美國專 利第4， 448， 799、4， 511， 593、4， 556， 471、4， 620， 913、4， 622， 452、5， 294， 322、5， 458， 754及 6， 139，964號專利，上述各專利以引用文獻的方式結合于本案中。 —般而言，陰極電弧技術涉及碳原子的物理氣相沈積(PVD)于靶材或基材。該電 弧系利用大量的電流通過一作為陰極的石墨電極而產生，并以此電流氣化碳原子。若此碳 原子含有足夠的能量(即約100電子伏特(eV))，則其會撞擊靶材并附著于靶材表面以形成 含碳材料，例如非晶形鉆石。非晶形鉆石可涂覆于幾乎任何金屬基材上，且一般不會產生或 是實質上甚低的接觸電阻。 一般而言，撞擊的碳原子的動能可通過改變基材上的負偏壓而 加以調整，且沈積速率可利用電弧電流加以控制。控制上述及其它參數亦可調整碳原子四 面體配位的扭曲程度及幾何型態，或者是非晶形鉆石材料的配位(亦即例如，高負偏壓可 加速碳原子并增加sp3鍵結)。通過測量材料的拉曼光譜可決定其sp3/sp2的比例。然而， 應留意的是，非晶形鉆石層的扭曲四面體配位部分一般不是純粹的sp3或sp2，而是位于中 間值的鍵結范圍。另外，增加電弧電流可以提高靶材的撞擊率而具有高碳離子流率。同時， 亦可提高溫度而使沈積的碳轉換為更穩定的石墨態。因此，類鉆碳材料的最終配置與成分 (亦即能階、NEA及放射表面粗糙度(emission surface asperity))可通過調控材料形成 時的陰極電弧條件而加以控制。 此外，其它工藝亦可用以形成類鉆碳，包括不同的氣相沈積工藝如化學氣相沈積 或其它類似工藝。在制備較高結晶化的類鉆碳時，可使用化學氣相工藝。
類鉆碳的化學氣相沈積(CVD) —般可將一碳源氣體在高溫下引入一設有沈積基 材的腔室中而達成，該基材例如半導體或電價載子分隔層。類鉆碳一般系利用物理氣相沈 積而加以沈積，其涉及使碳原子在較低的沈積與電漿溫度(例如IO(TC)下撞擊基材。由于 此類PVD法的低溫條件，碳原子非位于熱平衡的位置上。因此，該薄膜可能較不穩定而有較 高的內應力。另一方面，CVD工藝可用以沈積類鉆碳。若沈積溫度較高(例如80(TC)時，鉆 石將成長為結晶化的CVD鉆石薄膜。一合適的CVD工藝例子為通過在部分真空(millitorr) 下裂解乙炔(C2H2與氫氣的射頻13. 6MHz) CVD。另一方面，脈沖式DC可用以取代射頻CVD。 在非晶形鉆石的情況中，陰極電弧或激光剝蝕(laserablation)的沈積可形成合適的層。 導電類鉆碳材料可用以作為陽極，且亦可選擇性地作為本發明裝置的陰極。
陽極和/或陰極的形成可進一步透過密合披覆類鉆碳層的沈積而更為便利。密合 披覆類鉆碳涂覆工藝相較于現有鉆石層工藝可提供數個優點。密合披覆鉆石涂覆可實施于 大范圍的不同基材，包含非平面基材。 一生長平面可在鉆石生長條件下且無偏壓存在下進 行預處理而形成一碳層。該鉆石生長條件可為現有的鉆石氣相沈積條件而無須施加偏壓。 因此，可形成厚度一般可低于100埃(angstroms)的碳薄膜。該預處理步驟可在任何生長 溫度下實施，例如由約20(TC至約90(TC，盡管低于約50(TC的較低溫度為優選。
在不限于任何特定理論的情況下，該碳薄膜似乎可在短時間內形成，如在1小時 內，且為氫端鍵結(hydrogen terminated)的非晶形碳。 隨著該碳薄膜的形成，該生長表面而后可施以鉆石生長條件以形成該類鉆碳或非 晶形鉆石層。該鉆石生長條件可為通常使用于傳統氣相沈積鉆石生長的條件。然而，與 現有非晶形鉆石薄膜生長不同的是，使用上述預處理步驟制造的非晶形鉆石會導致一密 合披覆非晶形鉆石膜，其一般實質上于整個生長表面上開始生長且實質上不需保溫時間 (incubation time)。 該類鉆碳材料的其中有利于電子放射的實施例為許多碳原子是以扭曲四面體配 位的方式鍵結的示例。四面體配位使碳原子保留sp3的鍵結特性從而可提供多個有效能 階，其是由于碳原子鍵結在扭曲四面體配位中的鍵結長度差異化所致。 在本發明的其中實施例中，該電子裝置的上外露層是配置為可促進能量吸收的形 式。 特別如圖2所示，該外層的表面積可利用向外延伸的成型特征如金字塔形而加以 提升。然而，其它形狀的成型特征亦適用于本發明。此不但增加暴露于光或其它能量來源 的表面積，且相較于該裝置總面積亦提供較高的接面表面積。另外，該類鉆碳材可具有進一 步增加表面積的表面粗糙度，其發揮于較上述說明的金字塔形特征為小的尺度上。
圖4為適用于本發明的類鉆碳材料的顯微鏡圖。該特征一般具有數十微米的大 小，但類鉆碳材料可具有納米范圍的粗糙度。在其中實施例中，該類鉆碳材料具有高度由 約10至約10， 000納米的表面粗糙度。在另一實施例中，該類鉆碳材料可具有由約10至約 1， 000納米的粗糙度高度。在又一實施例中，該類鉆碳材料可具有一約800納米的粗糙度高 度。在又一個實施例中，該粗糙度高可為約100納米。另外，在其中實施例中該粗糙度可具 有每平方公分(厘米)放射面積至少約1百萬的尖峰密度。在另一實施例中，該尖峰密度 可為每平方公分面積至少約1億的尖峰密度。在又一實施例中，該尖峰密度可為每平方公 分面積至少約10億的尖峰密度。在另外一個實施例中，該粗糙度可包括約800納米的高度 與每平方公分放射面積至少約或大于1百萬的尖峰密度。在又一實施例中，該粗糙度可包 括約1， 000納米的高度與每平方公分面積至少約或大于10億的尖峰密度。
如前所述，許多不同的摻雜物可強化或控制本發明的導電類鉆碳材料的導電率。 最常使用的合適摻雜物可包括硼、氮、硅、磷、鋰、導電金屬或上述摻雜物的組成物，盡管其 它材料亦可為有效的。 硼摻雜的類鉆碳材料可具有高透射率且亦為可導電的。例如，氫化硼摻雜的類鉆 碳材料可利用包含碳源及硼源氣體的射頻化學氣相沈積工藝而形成。非限定的碳源氣體實 例可包括甲烷與乙烯。同樣地，非限定的硼源氣體實例可包括BH3與B^^盡管其它硼氣體 亦可使用。此本發明的氫化硼摻雜鉆石材料與其它類鉆碳材料可作為導電層、鈍化層與抗反射層。因此，可減少使用現有的SiN抗反射層。同樣地，可減少或完全不使用鈍化步驟及 技術。該類鉆碳材料可強化其對于機械刮損和化學侵蝕的抗性。另外，在形成硼摻雜類鉆 碳材料時可加入選擇性的金屬材料。例如，可在氣相沈積時引入銀或其它金屬蒸氣。
依據本發明，電子裝置可包括一類鉆碳電子陽極和/或陰極，其基本上為導電類 鉆碳所構成。此在形成太陽能電池時特別有用。在此情況下，該太陽能電池的陽極可無須 使用任何金屬網格或其它任何會減損透射度的材料。現有的金屬導線可形成于該類鉆碳陽 極的周緣，而可用以結合該電子裝置而作為一完整電路的一部分。另一方面，該陽極可通過 沈積類鉆碳于一金屬層如銀膏或其它合適的導電層上而形成。 本發明的導電類鉆碳陽極或陰極可為任何具功能性的厚度。然而，該陽極一般可 具有由約0. 01微米至約10微米的厚度。 另外，該陰極可使用任何合適的導電材料制成。非限定的合適導電材料實例可包 括銀、金、錫、銅、鋁及上述材料的合金。另一方面，該陰極的至少一部分可由導電類鉆碳材 料所形成。盡管使用與前述相同的參數設定，陰極的透射率常為較不重要的。因此，相較于 陽極側較高的sp2碳鍵結含量常為可容許的，亦無須任何添加物或摻雜物。
在本發明的又一詳細實施例中，該電荷載子分隔層可形成多接面太陽能電池。該 多接面可配置為具有多種能階。 一般而言，包含單一接面的材料可吸收某一特定能階的光。 通過連續制備與配置多個接面于該裝置中，每一接面可具有不同的能階。因此，大部分比例 的入射能量中可轉換為可用的功如電力。較高能階的材料可設置于較低能階材料的上方， 亦即較接近于陽極與光入射側。該電荷載子分隔層可具有多個p-n或p-i-n接面以形成多 接面太陽能電池。每一層的能階可通過改變摻雜物濃度、種類和/或半導體材料如硅、鎵基 材料以及類似材料來加以調整。 另一方面，該電荷載子分隔層可包括具有成分變化的材料，包括碳及半導體。此方 法具有可減少鄰接層間的熱應力不吻合或通過削減分離層的優點。該電荷載子分隔層可包 含一具有成分變化的碳及半導體材料。例如，該電荷載子分隔層可由純非晶形硅變化至碳 化硅(例如在10/20/30/40/50%硅的分離層或通過一材料的連續變化)，而使一碳化硅層 鄰接于該陽極的類鉆碳材料。 可選擇地，每一層可漸進地摻雜而在較高的碳含量下具有較高的能階。成分的變 化可通過(例如)改變氣源濃度或對應濺鍍靶材的沖擊能量從而達到目的。
在本發明的其中一實施例中，該成分變化材料可包括至少四分離的成分變化層。 一般而言，可形成由4至約10個變化層，優選為由4至約6層。另一方面，使用氮化銦鎵的 全光譜太陽能電池亦可適于本發明的應用。 作為本發明的另一優點，每一陽極、陰極與電荷載子分隔層皆可在低于約75(TC， 優選為低于65(TC的溫度下形成或制備。此低溫工藝可避免或顯著降低翹曲現象。此外，非 晶形鉆石具有高幅射硬度因此可抵抗經長時間所產生的老化與劣化。相對地，一般半導體 材料容易因紫外光而劣化，且經長時間傾向變為較不可靠。 使用非晶形或類鉆碳材料進一步具有下列優點，即可降低各層間的熱不相吻合。 例如，硅、碳化硅及類鉆碳皆具有約4卯m廣C的熱膨脹系數(在接近本發明所使用的工藝溫 度時)，其可大幅減少工藝間與后的熱應力不吻合。此效應亦減少分層現象，因為當實質上 該裝置的所有層在熱循環及其可能用途上皆具有類似的熱膨脹性質時，各層間的界面仍可維持界面強度。依據本發明所形成的太陽能電池可具有由約18%至25%的轉換效率，盡管 通過具判斷力的最佳化與基于本發明的教示的材料選擇可能進一步獲致更佳的性能。例 如，具變化和/或多接面的實施例可使效率超越現有太陽能電池的效率(15-18%)達約 10%。 目前以半導體為基礎的太陽能電池(單晶及多晶) 一般包括深埋于光吸收側的銀 網格以及與該深埋銀網格相交于背側的全覆面鋁層。當硅層變薄時，燒結銀粉以形成連續 體，以及使銀擴散越過上方抗反射層及背側鋁層的加工溫度(例如800°C )可導致翹曲現 象。此由于硅的熱膨脹系數遠低于銀或鋁所致。然而，當類鉆碳取代鋁時，類鉆碳的熱膨脹 系數可與硅匹配。由于鋁通常覆蓋該硅層的整個背側，該導電類鉆碳并不會扭曲該非晶形 硅薄層。特別是，該硅或半導體層無須在現行的高溫(例如約80(TC)下加工。另外，類鉆 碳可與硅形成優異的奧姆接觸，進而使額外的銀涂覆無須經過銀的高溫燒結，而僅需要例 如約30(TC的低溫燒結。 另外，該類鉆碳電子裝置整體可為堅硬的組成，且各層可與鄰接層和/或組件形 成連續的密切接觸。上述的組件可采用各種不同的配置且可以不同的材料制成。各層皆可 使用任意數目的已知技術而形成，例如但不限于氣相沈積、薄膜沈積、預成型固體、粉末化 層、網版印刷或其它類似技術。在其中一實施例中，各層以氣相沈積技術，例如PVD、 CVD或 任何其它已知的薄膜沈積工藝而形成。在其中一實施例中，該PVD工藝優選為濺鍍或陰極 電弧的工藝。 所屬技術領域中具有通常知識者將迅速了解其它可或應加入于圖2的組成的組 件，以達成特定的目的或制造特定的裝置。舉非限定的實例而言，連結導線可放置于陰極與 陽極間以形成完整的電路，且可使電流通過而可用以啟動一或多個裝置(未顯示)或執行 其它工作。 在選擇性的步驟中，該類鉆碳電子裝置可在真空爐中進行熱處理。熱處理可改善 不同材料的界面間的熱與電的性質。該類鉆碳電子裝置可施以熱處理以結合界面的邊界并 減少材料的缺陷。 一般熱處理溫度可介于由約20(TC至由約80(TC之間，而優選為35(TC至 由約50(TC之間，其取決于所選擇的特定材料。 下列實例說明依據本發明來制造電子裝置的不同方法。然而，應理解的是以下所 述的內容僅為本發明的原理應用的示范或說明。許多的修改與不同的成分、方法與系統可 由本領域普通技術人員在不偏離本發明的精神與范圍下而設計。附加的申請專利范圍意欲 包含如此的修改與安排。因此，雖然本發明已于上述內容中特定地描述，下列實例將提供進 一步的細節以與本發明的數個特定實施例產生連結。
實施例1 圖3說明依據本發明的具成分變化的太陽能電池。氣相沈積非晶形硅膜40作為 光電基材。該非晶形硅膜系透過化學氣相沈積涂覆于硅-碳層上。層42、44、46、48與50
分別具有硅-碳比為io : 90、20 : 80、30 : 70、40 : 60與50 : so(碳化硅)。各層系加
以摻雜而使該成分變化部分代表單一的p-n接面。導電類鉆碳膜52(厚度約IO微米)沈 積于該碳化硅層50。該類鉆碳在乙炔的部分真空及13. 6MHz的條件下形成該也為光可透射 的類鉆碳。所獲得的太陽能電池具有能階為1. leV的硅層至3. 3eV的碳化硅層，其可涵蓋 大部分的可見光范圍，例如紅光為約leV而藍光為約3eV。
當然，應理解的是上述的安排僅用以說明本發明理論的應用。許多的修改與其它 的安排可由本領域技術人員在不偏離本發明的精神與范圍下所設計出來，且附加的權利要 求范圍意欲包含如此的修改與安排。 因此，當本發明已于上述內容中特定與詳盡地描述，以與目前被認為是本發明的 最實際與最佳的實施例產生連結時，以下所述的內容對于本領域普通技術人員將為明顯 的在不偏離本發明的精神與理論下所進行修改不限于以下所述，包括尺寸、材料、形狀、形 式、功能以及操作、組合與結合的方式的改變。
權利要求
一種類鉆碳電子裝置，其包含導電類鉆碳陽極；鄰接于該類鉆碳陽極的非晶形電荷載子分隔層；以及鄰接于該電荷載子分隔層且相對于該類鉆碳陽極的陰極。
2. 如權利要求1所述的類鉆碳電子裝置，其中所述的導電類鉆碳為具有30至90原子 百分比的sp3鍵結碳含量、0至30原子百分比的氫含量以及10至70原子百分比的sp2鍵 結碳含量的材料。
3. 如權利要求2所述的類鉆碳電子裝置，其中該sp2鍵結碳的含量為足以給該導電類 鉆碳的材料提供大于0. 7的可見光透射率。
4. 如權利要求1所述的類鉆碳電子裝置，其中該導電類鉆碳材料為導電非晶形鉆石。
5. 如權利要求1所述的類鉆碳電子裝置，其中該非晶形電荷載子分隔層為非晶形半導 體層。
6. 如權利要求5所述的類鉆碳電子裝置，其中該非晶形半導體層包括選自由硅、砷化 鎵、磷化銦鎵、氮化銦鎵、硒化銦銅、碲化鎘及其復合或組成物所構成的群組中的非晶形材 料。
7. 如權利要求6所述的類鉆碳電子裝置，其中該非晶形電荷載子分隔層為非晶形硅。
8. 如權利要求1所述的類鉆碳電子裝置，其中該非晶形電荷載子分隔層包括摻雜物。
9. 如權利要求8所述的類鉆碳電子裝置，其中該摻雜物包括選自由磷、砷、鉍、銻、硼、 鋁、鎵、銦、鉈及其上述摻雜物的組成物所構成的群組中的材料。
10. 如權利要求l所述的類鉆碳電子裝置，其中該非晶形電荷載子分隔層為p-n或 P+n接面。
11. 如權利要求10所述的類鉆碳電子裝置，其中該類鉆碳電子裝置為太陽能電池。
12. 如權利要求11所述的類鉆碳電子裝置，其中該非晶形電荷載子分隔層還包含多個 p-n或p-i-n接面以形成多接面太陽能電池。
13. 如權利要求1所述的類鉆碳電子裝置，其中該非晶形電荷載子分隔層包含具有成 分變化的含碳和硅的材料。
14. 如權利要求1所述的類鉆碳電子裝置，其中電荷載子分隔層實質上為平面化。
15. —種類鉆碳電子裝置的制造方法，其包含 形成陰極于非晶形電荷載子分隔層上；以及耦合導電類鉆碳陽極于該非晶形電荷載子分隔層上且相對于該陰極。
16. 如權利要求15所述的制造方法，其中該導電類鉆碳陽極的耦合還包括形成該導電 類鉆碳陽極于該電荷載子分隔層上且相對于該陰極。
17. 如權利要求16所述的制造方法，其中該導電類鉆碳陽極和該陰極的形成是發生在 低于75(TC的溫度下。
18. 如權利要求17所述的制造方法，其中該陰極為導電類鉆碳陰極。
19. 如權利要求15所述的制造方法，其中還包含摻雜該非晶形電荷載子分隔層以形成 p-n或p_i_n接面o
20. 如權利要求15所述的制造方法，其中該陰極的形成包括氣相沉積工藝。
全文摘要
本發明提供了一種鉆碳電子裝置，其包含導電類鉆碳陽極；鄰接于該類鉆碳陽極的非晶形電荷載子分隔層；以及鄰接于該電荷載子分隔層且相對于該類鉆碳陽極的陰極，該導電類鉆碳的材料具有大約30至90原子百分比的sp3鍵結碳含量、大約0至30原子百分比的氫含量以及大約10至70原子百分比的sp2鍵結碳含量；其為一種可提高電子裝置，達到了提升效率、降低了制造的復雜度、節省了材料成本、提高了可靠度等效果。
文檔編號H01L31/068GK101728449SQ200810174978
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月31日 優先權日2008年10月31日
發明者宋健民 申請人:宋健民