用于無需物理隔離的多電池單元器件的方法和結構的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]本公開涉及在公共襯底上的多電池單元光電半導體器件。在產生大量光電流的公共襯底上使用多個單片電池單元相比于在相同面積被制造為單電池單元或多個互連的單電池單元器件是更期望的。使用單片多電池單元構造通過連接成串聯串的多個電池單元線性地增加了輸出電壓并且降低了輸出電流。由于內阻，損耗與電流平方成比例減小，在高水平照明中多電池單元器件的整體內部功率損耗大大降低。
[0002]在公共襯底上的多電池單元器件的制造中，各個電池單元必須彼此電隔離開。在現有技術中，通過使用電池單元之間的物理電介質阻擋形成電隔離，這增加了制造成本和復雜性。本文描述的發明提供了可以在公共襯底上形成的多個二極管串，而無需使用物理隔離。本公開的發明不需要使用物理隔離阻擋來實現多電池單元單片器件中的各電池單元之間的電隔離。本發明適合用于包含半導體材料的器件，其中二極管可以制造為分立的P和N結。
[0003]在現有技術中，多電池單元器件使用物理溝槽來實現各電池單元之間的電隔離。最實用的溝槽制造工藝需要并入多個外延層到多電池單元器件中。對多個外延層的需求進一步增加了超出溝槽成本的工藝成本，而且因為多個外延層具有復雜的制造要求，其實現一般需要高技能的技術人員的參與。
【發明內容】
[0004]本發明使得制造多電池單元器件無需電介質溝槽來隔離各個P-N結電池單元。每個個體P-N結電池單元包括由于吸收光子產生的電子和空穴和由于它們被P區和N區收集導致的濃度梯度形成的P型材料和N型材料之間的擴散場和吸收區。為了簡化本發明的說明書和權利要求，術語“擴散場”用于總結和包括由于光子產生載流子和通過擴散過程載流子運動到收集區導致的所有載流子運動。擴散過程由于濃度梯度(如少數載流子的情況)或者電荷中性的要求(如多數載流子的情況)而發生。本發明的確切的機制是干擾或阻斷作為多數載流子電流的寄生電流，該機制與擴散場有關，因為實驗顯示寄生電流的干擾或阻斷在其中電極定向為錯誤的方向的情況下不發生。由歐姆接觸在P型材料和N型材料上收集空穴和電子，并導致跨越P-N結電池單元的正向偏置電壓和輸出光電流。多電池單元器件依賴于以端至端結構布置的叉指P-N結電池單元圖案，以用于有效收集光生載流子。電隔離通過如下方式配置多個P-N結電池單元來實現:由跨P-N結電池單元的正向偏置電流流動或光電流流動產生的擴散場橫向于P-N結電池單元之間的總電流流動的方向、由多電池單元歐姆接觸和吸收區之間的電壓差產生的電場的方向、多電池單元器件的兩個外部連接之間的寄生電流流動的方向。因此，在多電池單元器件輸出和多電池單元器件輸入之間的方向的任何電場和寄生電流具有在由P-N結電池單元生成的光電流上可忽略的影響——這是由于它們之間的橫向關系。該橫向關系電隔離電池單元。
[0005]這種實現的一個優點是在公共襯底上生產多電池單元器件的較低的制造復雜性。它提供了無需使用外延技術和溝槽隔離的產生多電池單元器件的唯一已知的方式。本發明可以使用于制造具有薄外延層的半絕緣襯底上的多電池單元器件中，其中設置了結電池單元，從而允許靠近集電結電池單元的吸收。這個簡單的外延層比需要物理溝槽工藝的外延層具有小得多的復雜度和更少的花費。
[0006]在本發明的描述中，術語二極管指的是常規的光電實例，其中具有吸收區用于在具有N型和P型材料上的歐姆接觸的器件中吸收光子，也指的是具有多個交替N型和P型歐姆接觸到器件內的吸收區的實例。后面的實例通常指的是叉指結構，其中多個N型歐姆接觸在叉指結構的第一端部處連接到第一公共匯流條結構，多個P型歐姆接觸在與叉指結構的第一端部相對的叉指結構的第二端部處連接到第二公共匯流條結構。因為結構的設計布局最小化載流子在它被在歐姆接觸處收集前必須漂移的距離，叉指結構通常用于提高光生載流子收集效率。
[0007]無需電池單元之間物理隔離制造的多電池單元器件呈現了示意為多電池單元器件的電池單元之間的電阻性連接的不期望的寄生電流。大約一半的重摻雜叉指區與吸收區的極性相同并被用于形成與它的歐姆接觸。另一半重摻雜叉指區與吸收區的極性相反，形成了電池單元二極管。到公共襯底的歐姆連接形成在無物理隔離時的潛在寄生電阻性路徑。沒有如本發明描述的方法，該寄生路徑將傳導與器件的期望輸出相反的電流。
[0008]本公開的發明使用位于擴散場的結構中的叉指P-N結電池單元圖案，其中光產生的或偏置產生的擴散場可以用于電隔離各個結電池單元從而形成無需個體結電池單元之間的物理隔離的多電池單元器件。P-N結電池單元可以通過擴散、離子注入或臺面刻蝕形成。具體地，叉指接觸區之間的電流和擴散場垂直定向于電流從電池單元到電池單元流動穿過器件的方向。根據本發明的器件實現的隔離已經通過制造的器件實驗證實。當擴散場形成為垂直于寄生電流的路徑時，寄生電流的影響被最小化并且電隔離接近等于由物理隔離提供的隔離。然而，在不期望的替換結構中，叉指接觸結區之間的電流和場被定向為平行于電流從電池單元到電池單元流動穿過器件的方向并平行于寄生電阻性路徑。在該不期望的結構中，叉指區將傳導與器件的期望的輸出相反的大電流，而器件不再充當多電池單元器件。
[0009]本公開的發明提供了無需極大地減薄襯底并在其中形成溝槽的用于實現體塊非外延襯底中的多電池單元功能的唯一已知的方式。
【附圖說明】
[0010]通過參考如下描述、附加的權利要求和附圖，本發明的這些和其他特征、方面和優點將變得更好理解，其中:
[0011]圖1A示出了使用溝槽用于提供電池單元之間的物理隔離的現有技術的多電池單元器件的截面圖；
[0012]圖1B示出了多電池單元器件的等效示意圖；
[0013]圖2A示出了多電池單元器件的布局，其中由于橫向電場，叉指圖案的定向不能提供有效的電池單元隔離；
[0014]圖2B示出了圖2A所示的串的多電池單元器件的等效電路。
[0015]圖3A示出了多電池單元器件的布局，其中由于橫向擴散場，叉指圖案的定向提供了有效的電池單元隔離；
[0016]圖3B示出了多電池單元器件的等效示意圖，和；
[0017]圖4示出了從多電池單元器件獲取的實驗數據，該多電池單元器件沒有物理隔離，具有通過橫向擴散場提供有效電池單元隔離的叉指圖案的定向結構。
【具體實施方式】
[0018]轉向圖1A，圖1A示出了半絕緣材料的襯底上的外延層。如圖1A所示，現有技術中在公共襯底上的多電池單元器件需要通過形成電池單元之間的物理阻擋或絕緣體來使器件電隔離。襯底材料極高的電阻率垂直地絕緣電池單元。如所示出的，水平絕緣通常通過切割溝槽穿過外延層進入襯底材料來實現。
[0019]圖1A示出了使用溝槽以提供電池單元之間的物理隔離的現有技術的多電池單元器件100的截面圖。圖1B示出了多電池單元器件100的等效示意圖。圖1A示出了在P型吸收區110、112、114中形成的N+歐姆接觸區124、134、144和P+歐姆接觸區122、132、142。這些區原本是在半絕緣襯底初始晶片116上生長的單外延層。使用這種高電阻率材料的襯底為電池單元提供了垂直隔離。如圖所示，單外延層被溝槽結構128、138分成電池單元126、136、146。這些溝槽內襯有二氧化硅118以提供水平隔離和頂表面隔離。金屬化層120、130、140、150提供用于器件100的外部連接和內部連接。僅示出了串聯串連接。眾所周知，現有技術中的多電池單元方法利用甚至比圖1A所示的結構更復雜的多個外延層和溝槽128、138。該方法使用了通常稱之為橫向收集層。與現有技術的橫截面相反，本發明可以使用單外延層，但是不涉及溝槽或多層外延制造的復雜性。
[0020]轉向圖2A，圖2A示例了多電池單元器件200的結布局，其中叉指圖案不提供有效的電隔離或物理隔離。電池單元225、235、245、255的擴散場290中的電流路徑和總電流流動280平行并且大體上與流過器件200的輸出電流280和寄生電流路徑的方向相同。電池單元通過金屬化230、240、250內部地邊緣到邊緣連接，通過金屬化220、260外部邊緣到邊緣連接。圖2B中示出了用于圖2A所示的串的等效電路。寄生反饋電阻260中的電流沒有被抵抗，這會降低器件的輸出。該結構200不提供隔離場并且是無效結構的一個例子。這是非常無效的隔離方法并給出較差的效果。為簡單起見，每個電池單元只示出了一對結。然而，電池單元可以包括由匯流條連接的多個叉指結。
[0021]轉向圖3A，圖3A示出了通過選擇放置和定向P-N叉指結