可調電壓源的制作方法

本發明涉及一種可調(skalierbar)電壓源。

背景技術：

由us4127862、us6239354b1、de102010001420a1、由naderm.kalkhoran等人所著的《cobaltdisilicideintercellohmiccontactsformultijunctionphotovoltaicenergyconverters》，應用物理學快報(appl.phys.lett.)64，1980(1994)以及由a.bett等人所著的《iii-vsolarcellsundermonochromaticillumination》，2008年第33屆ieee光電專家會議(pvsc'08，33rdieee)論文集，第1-5頁，isbn：978-1-4244-1640-0已知可調電壓源或由iii-v族材料構成的太陽能電池。

技術實現要素：

在此背景下，本發明的任務在于，說明一種裝置，所述裝置對現有技術進行擴展。

所述任務通過具有權利要求1的特征的可調電壓源來解決。本發明的有利的構型是從屬權利要求的主題。

根據本發明的主題提出可調電壓源，所述可調電壓源具有：數量為n的相互串聯連接的部分電壓源，所述部分電壓源構造為半導體二極管，其中，所述部分電壓源中的每一個具有一個半導體二極管，所述半導體二極管具有p-n結，并且所述半導體二極管具有p摻雜的吸收層，其中，p吸收層被p摻雜的鈍化層鈍化，所述p摻雜的鈍化層具有比所述p吸收層的帶隙更大的帶隙，并且所述半導體二極管具有n吸收層，其中，所述n吸收層被n摻雜的鈍化層鈍化，所述n摻雜的鈍化層具有比所述n吸收層的帶隙更大的帶隙，并且各個部分電壓源的部分電源電壓相互間具有小于20％的偏差，并且在每兩個彼此相繼的部分電壓源之間構造有一個隧道二極管，其中，所述隧道二極管具有多個半導體層，所述多個半導體層具有比所述p/n吸收層的帶隙更高的帶隙，并且具有更高帶隙的半導體層分別由具有經改變的化學計量的材料和/或不同于所述半導體二極管的所述p/n吸收層的元素成分的材料制成，所述部分電壓源和所述隧道二極管單片地集成在一起并且共同構成具有上側和下側的第一堆疊(stapel)，并且所述部分電壓源的數量n大于等于2，并且光在所述上側處射到所述第一堆疊上，并且在堆疊上側處的照射面的尺寸基本上相應于所述第一堆疊在所述上側處的面的尺寸，并且所述第一堆疊具有小于12μm的總厚度，并且在300k的情況下，如果以光子流照射所述第一堆疊，則所述第一堆疊具有大于2.2伏特的電源電壓，其中，在從所述第一堆疊的上側向所述堆疊的下側的光入射方向上，所述半導體二極管的p吸收層和n吸收層的總厚度從最上面的二極管朝最下面的二極管增加并且在所述第一堆疊的所述下側附近構造有環繞的臺階并且所述臺階的高度大于100nm。

應注意，主要與堆疊上側處的照射面與第一堆疊在上側處的面的尺寸的比較有關的表述被理解為：所述面中的區別尤其小于20％或優選小于10％或優選小于5％或最優選所述兩個面相等。

應注意，所述表述——用于照射堆疊上側的“光”——被理解為如下的光：所述“光”具有在吸收層的吸收范圍中的波長上的光譜。可以理解，單色光也是合適的，所述單色光具有確定的吸收波長、也就是說在吸收層的吸收范圍中的波長。

可以理解，優選以確定波長的光照射所述第一堆疊的整個上側，即整個表面或幾乎整個表面。應注意，深入的研究以出人意料的方式表明：與現有技術不同地，借助當前的單片堆疊方案以有利的方式得到了2.2v以上的電源電壓。應注意，以下將術語“二極管”和“半導體二極管”作為同義詞使用。

根據本發明的裝置的一個優點在于：通過多個部分電壓源的串聯連接也能夠制造具有3伏以上或更大的電壓值的電壓源，借助單片集成結構能夠制造簡單的且成本上有利的及可靠的電壓源。另一優點是：借助堆疊形式的布置與迄今硅二極管的橫向布置相比實現了較大的面積節省。尤其由發射二極管或光源僅僅必須照射所述堆疊的小得多的接收面。

在一種擴展方案中，各個部分電壓源的部分電源電壓相互間偏差小于10％。由此，顯著改進了作為可調電壓源、尤其作為參考電壓源的可應用性。可以理解，術語“可調”涉及整個堆疊的電源電壓的高度。

在另一種擴展方案中，所述半導體二極管分別具有相同的半導體材料，其中，在此，所述二極管的半導體材料具有相同的結晶組成，并且化學計量優選幾乎相等或優選精確相等。也有利的是，將所述第一堆疊布置在襯底上。在一種實施方式中，所述半導體材料和/或所述襯底由iii-v族材料制成。尤其優選的是，所述襯底包括鍺或砷化鎵，和/或，所述襯底上的半導體層具有砷和/或磷。換句話說，所述半導體層包括含砷的層和含磷的層，即由gaas或algaas或ingaas組成的層作為砷化物層的示例以及ingap作為磷化物層的示例。

優選的是，在所述第一堆疊的下側上構造第二電壓連接端，尤其是，所述第二電壓連接端穿過襯底地構造。

在另一種實施方式中，所述半導體二極管由與所述襯底相同的材料制成。優點是，尤其這兩部分的膨脹系數相同。有利的是，所述半導體二極管基本上由iii-v族材料制成。尤其優選使用gaas。

在一種優選的實施方式中，在所述第一堆疊的上側上構造有第一電壓連接端作為邊緣附近的環繞的金屬接觸部或作為邊緣處的單個接觸面。

此外優選的是，所述第一堆疊具有小于2mm²或小于1mm²的基面。研究已表明：有利的是，所述基面以四邊形構造。優選所述堆疊的基面以正方形構造。

進一步的研究已表明，為了實現特別高的電壓，有利的是，構造第二堆疊并且將所述兩個堆疊相互串聯連接，從而所述第一堆疊的電源電壓和所述第二堆疊的電源電壓相加。優選地，所述第一堆疊與所述第二堆疊并排布置在共同的載體上。

在一種擴展方案中，所述第一堆疊的電源電壓與所述第二堆疊的電源電壓偏差小于15％。

此外優選的是，在堆疊的最下面的半導體二極管的下面構造有半導體鏡。研究已表明：能夠將多個堆疊并排構造在一個半導體晶片或半導體襯底片上，其方式是，在全面積地、優選外延地制造所述層之后，實施所謂的臺面蝕刻為此，借助掩膜工藝產生漆掩膜，然后優選實施濕化學蝕刻以產生臺面溝槽。所述臺面蝕刻優選終止在襯底中或終止在襯底上。

在一種擴展方案中優選的是，每個堆疊在下側附近具有環繞的、凸臺形的邊緣，其中，在兩個堆疊直接相鄰的情況下在堆疊結構的外側上構成環繞的邊緣作為共同的環繞邊緣，從而所述電壓源具有環繞的邊緣。

所述邊緣優選是臺階形的或構造為臺階。在此，所述邊緣的或所述臺階的表面優選最大部分地具有平坦的面，其中，所述邊緣的或所述臺階的表面的法線與第一堆疊的表面的法線或與相應堆疊的表面的法線平行地或幾乎平行地構造。應注意的是，所述邊緣的或所述臺階的側面主要或精確地垂直于所述邊緣的或所述臺階的表面地構造。所述臺階的高度大于100nm，也就是說，所述環繞的側面具有大于100nm的高度，以便達到足夠的機械穩定。所述臺階尤其具有小于1000μm的高度。

所述邊緣的或所述臺階的棱邊分別距離第一堆疊的四個側面的中的每一個或分別距離所述多個堆疊的側面至少5μm且最大500μm。優選地，所述棱邊分別至所述直接鄰接的側面的距離范圍在10μm至300μm之間。所述距離范圍尤其在50μm至250μm之間。

優選地，第一堆疊的側面和所述堆疊的尤其所有側面平坦地且尤其垂直或幾乎垂直地構造。這些側面上的法線與鄰接的邊緣面的法線相比或與堆疊表面的法線相比在80°至100°的角度范圍中，也就是說，一個側面的法線與直接鄰接的邊緣面的法線基本上互相正交。所述角度范圍優選地處于85°至105°之間。

在一種擴展方案中，在至少一個半導體二極管中的p吸收層與n吸收層之間構造有本征層。在一種實施方式中，所述本征層構造在最下面的半導體二極管中。在另一種擴展方案中，所述本征層構造在所有半導體二極管中。在此，本征層應理解為具有低于1e161/cm²、優選小于5e151/cm²、最優選小于1.5e151/cm²的摻雜的半導體層。

在一種實施方式中，在鍺襯底上布置有恰好兩個半導體二極管，其中，所述半導體二極管分別包括與所述鍺襯底柵格匹配的ingaas化合物作為吸收材料。

附圖說明

以下參照附圖來詳細闡述本發明。在此，相同的部分標以相同的標記。所示出的實施方式是高度示意性的，即距離和橫向延展與豎直延展不是按比例的，并且只要不另作說明，相互間也不具有可推導的幾何關系。其中示出：

圖1：根據本發明的具有一個堆疊和兩個部分電壓源的可調電壓源的第一實施方式；

圖2：具有多個堆疊的可調電壓源的第二實施方式，所述多個堆疊具有各兩個部分電壓源；

圖3：根據本發明的具有一個堆疊的可調電壓源的第三實施方式，所述堆疊具有三個部分電壓源；

圖4：具有多個堆疊的可調電壓源的第四實施方式，所述多個堆疊具有各三個部分電壓源；

圖5：具有總共五個二極管的實施方式，所述五個二極管具有不同厚度的吸收區；

圖6：具有環繞的凸臺形的臺階的堆疊。

具體實施方式

圖1的示圖示出具有兩個部分電壓源的第一實施方式的示意性視圖，其具有可調電壓源vq，所述可調電壓源具有第一堆疊st1，所述第一堆疊具有上側和下側并且具有數量n等于2的二極管。所述第一堆疊st1具有由第一二極管d1和第一隧道二極管t1和第二二極管d2構成的串聯電路。在堆疊st1的上側處構造有第一電壓連接端vsup1，并且在堆疊st1的下側處構造有第二電壓連接端vsup2。在此，所述第一堆疊st1的電源電壓vq1由各個二極管d1至d2的部分電壓組成。為此，所述第一堆疊st1經受光子流、即光l。

二極管d1至d2與隧道二極管t1的第一堆疊st1被實施為單片構造的、優選由相同的半導體材料構成的塊。

在圖2的示圖中構造有第一堆疊st1和第二堆疊st2的有利的接連排列(aneinanderreihung)的另一種實施方式。兩個堆疊st1和st2分別具有兩個部分電壓源。以下僅闡述與圖1的示圖的區別。所述第二堆疊st2如所述第一堆疊st1那樣具有由兩個二極管和構造在這兩個二極管之間的隧道二極管組成的串聯電路。兩個堆疊st1及st2相互串聯連接，從而如果兩個堆疊st1與st2經受光子流l，則所述第一堆疊st1的電源電壓vq1與所述第二堆疊st2的電源電壓vq2相加。

圖3的示圖示出具有三個部分電壓源的第一實施方式的示意性視圖，其具有可調電壓源vq，所述可調電壓源具有第一堆疊st1，所述第一堆疊具有上側和下側并且具有數量n等于3的二極管。所述第一堆疊st1具有由第一二極管d1和第一隧道二極管t1和第二二極管d2和第二隧道二極管t2和第三二極管d3構成的串聯電路。在堆疊st1的上側處構造有第一電壓連接端vsup1，并且在堆疊st1的下側處構造有第二電壓連接端vsup2。在此，所述第一堆疊st1的電源電壓vq1基本上由各個二極管d1至d3的部分電壓組成。為此，所述第一堆疊st1經受光子流、即光l。

二極管d1至d3與隧道二極管t1及t2的第一堆疊st1被實施為單片構造的、優選由相同的半導體材料構成的塊。

在圖4的示圖中構造有第一堆疊st1和第二堆疊st2的有利的接連排列的另一種實施方式。在此，兩個堆疊st1和st2分別具有三個部分電壓源。以下僅闡述與圖3的示圖的區別。所述第二堆疊st2如所述第一堆疊st1那樣具有由三個二極管和構造在這三個二極管之間的隧道二極管組成的串聯電路。兩個堆疊st1及st2相互串聯連接，從而如果兩個堆疊st1與st2經受光子流l，則所述第一堆疊st1的電源電壓vq1與所述第二堆疊st2的電源電壓vq2相加。

在一種未示出的實施方式中，所述兩個堆疊st1及st2彼此具有不同數量的分別以串聯電路連接的二極管。在另一種未示出的實施方式中，至少第一堆疊st1和/或第二堆疊st2具有多于三個以串聯電路連接的二極管。由此可調節電壓源vq的電壓幅值。優選地，數量n在4與8之間的范圍中。在另一種未示出的實施方式中，所述兩個堆疊st1及st2相互并聯連接。

在圖5的示圖中示出半導體層有利地接連排列成所述第一堆疊st1的實施方式。以下僅闡述與圖1的示圖的區別。所述第一堆疊st1總共包括五個串聯連接的部分電壓源，所述部分電壓源構造為二極管d1至d5。光l射到第一二極管d1的表面ob上。所述表面ob幾乎或完全被照亮。在兩個彼此相繼的二極管d1-d5之間分別構造有一個隧道二極管t1-t4。隨著各個二極管d1至d5與所述表面ob的距離增加，吸收區的厚度增大，從而最下面的二極管d5具有最厚的吸收區。所述第一堆疊st1的總厚度總共小于等于12μm。在最下面的二極管d5的下面構造有襯底sub。

在圖6的示圖中示出半導體層有利地接連排列成所述第一堆疊st1的實施方式，其具有環繞的凸臺形的臺階。以下僅闡述與圖3的示圖的區別。在所述第一堆疊st1的表面ob上，在邊緣r處構造有金屬的第一連接接觸部k1。所述第一連接接觸部k1與所述第一電壓連接端vsup1連接——未示出。所述襯底sub具有上側os，其中，所述襯底sub的上側os材料鎖合地與最下面的二極管、即第五二極管d5連接。在此應理解，在將第五二極管布置在所述襯底上以及材料鎖合地與所述襯底的上側os連接之前，在所述襯底上外延地產生一個薄的成核層(nukleationsschicht)和一個緩沖層。所述襯底sub的上側os具有比在所述第一堆疊st1的下側處的面更大的表面。由此構成了環繞的臺階stu。臺階stu的邊緣距離所述臺階的第一堆疊st1的直接鄰接的側面多于5μm且少于500μm，示出為所述附圖標記stu的長度。臺階stu的側面的高度大于100nm。在所述襯底sub的下側處構造有全面積的金屬的第二接觸部k2。所述第二連接接觸部k2與所述第二電壓連接端vsup2連接——未示出。