CN103843138A - 光电半导体芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有半导体本体（2）的光电半导体芯片（1），所述半导体本体具有带有设为用于产生电能的有源区域（20）的半导体层序列。有源区域（20）构成在第一导电类型的第一半导体层（21）和不同于第一导电类型的第二导电类型的第二半导体层（22）之间。半导体本体（2）设置在载体本体（5）上。第一半导体层（21）设置在第二半导体层（22）的背离载体本体（5）的一侧上。半导体本体（2）具有至少一个凹部（25），所述凹部从载体本体（5）延伸穿过第二半导体层（22）。至少局部地在载体本体（5）和半导体本体（2）之间设置有第一连接结构（31），所述第一连接结构在凹部（25）中与第一半导体层（21）导电地连接。

Description

光电半导体芯片
技术领域
本专利申请涉及一种光电半导体芯片。
背景技术
为了用于光电池的半导体芯片的有效运行，必须尽可能有效地导出产生的载流子。尤其在具有1000倍或更强的汇聚的太阳辐射的聚光式光电池中，待导出的电流密度能够非常高并且例如位于30-50A/cm2的范围中。
发明内容
一个目的是，提出一种具有有效的载流子运输和高效率的能量产生的半导体芯片。
所述目的通过具有权利要求1的特征的光电半导体芯片实现。其他的设计方案和适宜方案是从属权利要求的主题。
在一个实施形式中，光电半导体芯片具有带有半导体层序列的半导体本体。半导体层序列具有设为用于产生电能的有源区域，所述有源区域构成在第一导电类型的第一半导体层和不同于第一导电类型的第二导电类型的第二半导体层之间。具有半导体层序列的半导体本体设置在载体本体上。第一半导体层设置在第二半导体层的背离载体本体的一侧上。具有半导体层序列的半导体本体具有至少一个凹部，所述凹部从载体本体延伸穿过第二半导体层。至少局部地在载体本体和半导体本体之间设置有第一连接结构，所述第一连接结构在凹部中与第一半导体层电连接。
光电半导体芯片尤其理解为下述半导体芯片：在所述半导体芯片中，在用电磁辐射、尤其太阳辐射辐照的情况下，在有源区域中通过辐射吸收而产生的载流子对、即电子和空穴在空间上分开，使得在半导体芯片的外部接触部上电压下降。
第一连接结构在半导体本体之外构成并且此外设为用于：从半导体本体的朝向载体本体的主面电接触第一半导体层。半导体本体的背离载体本体的主面能够不具有电接触部。因此，能够避免有源区域的由于辐射不能穿透的接触层而产生的降低效率的遮暗的风险。
在电磁辐射、尤其汇聚的太阳辐射射入时，在有源区域中产生的第一导电类型的载流子，即在n型传导的第一半导体层的情况下的电子，或者在p型传导的第一半导体层的情况下的空穴，经由第一连接结构导出。优选地，半导体本体具有多个凹部，在所述凹部中，第一半导体层分别与第一连接结构连接。凹部的数量越大，所产生的载流子在其到达凹部中的一个之前在第一半导体层中必须经过的平均距离就能够是越小的。
适宜地，第一连接结构在凹部中直接邻接于第一半导体层。
为了避免电短路，第一连接结构适宜地与第二半导体层、尤其在凹部的区域中电绝缘。
第二半导体层优选导电地与第二连接结构连接。第二连接结构优选设置在半导体本体和载体本体之间。因此，不仅第一连接结构、而且第二连接结构能够局部地构成在半导体本体和载体本体之间。
第二连接结构设为用于从第二半导体层中导出载流子。第二连接结构优选至少局部地直接邻接于第二导电类型的、即第二半导体层的导电类型的半导体材料。第二半导体层能够直接邻接于第二连接结构或者经由中间层、尤其经由半导体本体的其他层与第二连接结构导电地连接。
在一个优选的改进方案中，第二连接结构在半导体芯片的俯视图中与第一连接结构交叠。尤其，在半导体芯片的俯视图中，载体本体的由第一连接结构覆盖的面积和载体本体的由第二连接结构覆盖的面积的总和超过载体本体的总面积。
因此，第一连接结构和第二连接结构能够大面积地构成，使得载流子运输能够在辐照的条件下特别有效地进行。
在一个优选的改进方案中，第二连接结构局部地设置在第一连接结构和半导体本体之间。尤其，第二连接结构能够直接邻接于半导体本体。优选地，半导体本体的至少50%、特别优选至少70%的朝向载体本体的主面用第二连接结构覆盖。
此外，第二连接结构优选具有镜层。镜层设为用于：将射入的辐射的穿过半导体本体的部分向回反射到半导体本体中。优选地，镜层的反射率至少在待吸收的光谱范围的波长范围中为至少50%、特别优选至少70%。
借助于镜层能够在简单的穿过时将太阳辐射的未被吸收的部分向回反射到半导体本体中。由于能这样实现的至少两次穿过半导体本体，也能够借助较薄的半导体层实现同样高的总吸收率。
这样薄的半导体层能够相对高地被掺杂，而随之降低的载流子移动性不会负面地作用于光电半导体芯片的效率。更高的掺杂浓度还产生更大的开路电压（Open Circuit Voltage VOC）。
此外，能够借助于镜层避免在载体本体中吸收辐射。
在另一优选的设计方案中，半导体芯片不具有用于半导体本体的半导体层序列的生长衬底。载体本体用于半导体本体的半导体层序列的机械稳定。在半导体层序列优选外延地沉积在生长衬底上之后，不再需要所述生长衬底进而能够将其完全地移除或者然而也能够仅局部地打薄或移除。因此，载体本体不必满足对生长衬底的高的结晶要求，而是能够在其他特性方面例如选择高的导热能力和/或导电能力和/或高的机械稳定性。
在一个优选的设计方案中，半导体本体包含III-V族化合物半导体材料。
III-V族化合物半导体材料特别适合于在红外的、可见的和紫外的光谱范围中的辐射的辐射吸收。例如，能够借助于氮化物半导体材料、尤其借助于AlxInyGa1-x-yN实现在紫外的、蓝色的或绿色的光谱范围中的对应于带隙的截止波长（cut-off wavelength）。磷化物半导体材料、尤其AlxInyGa1-x-yP适合于在黄色至红色的光谱范围中的截止波长；砷化物半导体材料、尤其AlxInyGa1-x-yAs适合于在红色的和红外的光谱范围中的截止波长。在此，分别适用的是0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1，尤其其中x≠1，y≠1，x≠0和/或y≠0。
在另一优选的设计方案中，在第二半导体层和载体本体之间构成有设为用于产生电能的第二有源区域。第二有源区域的带隙优选小于第一有源区域的带隙。因此，具有大于对应于第一有源区域的带隙的截止波长的波长的辐射能够被第二有源区域吸收并且转换为电能。尤其，第一有源区域和第二有源区域能够单片地集成到半导体本体中。也就是说，第一有源区域和第二有源区域能够在共同的外延步骤中依次地沉积。
在半导体本体之内的有源区域的数量优选为1和10之间，其中包含边界值。在多个有源区域中，有源区域优选分别设置在第一导电类型的第一半导体层和第二导电类型的第二半导体层之间。优选地，第一连接结构直接邻接于第一半导体层，所述第一半导体层与距载体本体最远地设置的有源区域相关联。相应地，第二连接结构直接邻接于第二半导体层，所述第二半导体层与距载体本体最近的有源区域相关联。
适宜地，第一有源区域和第二有源区域彼此电串联连接。尤其，能够在第一有源区域和第二有源区域之间构成有隧道区域。在多于两个有源区域的情况下，优选在两个相邻的有源区域之间分别设置有隧道区域。
在一个设计方案变型中，凹部完全地延伸穿过半导体本体，即也完全地穿过第一半导体层。在该设计方案变型中，第一半导体层优选由辐射能穿透的连接层遮盖，所述连接层与第一连接结构导电地连接。优选地，辐射能穿透的连接层包含TCO材料。
透明导电氧化物（transparent conductive oxides，简称“TCO”）是透明的、传导的材料，通常是金属氧化物，例如氧化锌、氧化锡、氧化镉、氧化钛、氧化铟或铟锡氧化物（ITO）。除了二元金属氧化物，例如ZnO、SnO2或In2O3以外，三元金属氧化物，例如Zn2SnO4、CdSnO3、ZnSnO3、MgIn2O4、GaInO3、Zn2In2O5或In4Sn3O12或者不同的透明导电氧化物的混合物也属于TCO族。此外，TCO不强制性对应于化学计量的组成并且也能够是p型掺杂的或n型掺杂的。
因此，辐射能穿透的连接层设置在半导体本体之外。在制造时，所述连接层在半导体本体的半导体层序列的外延结束之后构成在半导体本体上，例如借助于溅镀或蒸镀。
借助于辐射能穿透的连接层，也在第一半导体层的横向导电能力相对小和/或载流子在第一半导体层中的平均自由路程长度短时能够实现从第一半导体层中进行均匀的且有效的载流子导出。
在一个替选的设计方案变型中，凹部在第一半导体层中终止，使得凹部不完全地延伸穿过半导体本体。因此，凹部是盲孔。
在另一优选的设计方案中，有源区域划分为第一子区域和与第一子区域隔开的第二子区域。因此，子区域的有源区域在制造时由相同的半导体层序列产生。在横向方向上，即在半导体本体的半导体层的主延伸平面中伸展的方向上，第一子区域和第二子区域彼此隔开。优选地，子区域的有源区域彼此电连接，尤其至少部分地电串联连接。通过串联连接能够在运行时提高由半导体芯片提供的电压。
替选地或补充地，半导体芯片的子区域能够电学上彼此并联连接。通过并联连接能够提高在运行时提供的电流。
优选地，半导体芯片具有连接区域，在所述连接区域中，第一子区域的第一连接区域与第二子区域的第二连接区域电连接。因此，电串联连接在半导体芯片之内进行。能够放弃各个子区域的例如借助于线连接进行的耗费的外部连接。
为了外部的电接触，半导体芯片优选具有第一电接触部和第二电接触部。因此，接触部形成光电半导体芯片的电压极。
在一个设计方案变型中，电接触部中的至少一个设置在载体本体的朝向半导体本体的一侧上。两个电接触部也能够都设置在这一侧上。半导体芯片的上侧的、即辐射入射侧的接触被简化。一个上侧的接触部或者多个上侧的接触部在此情况下适宜地在横向方向上设置在半导体本体旁边。
换言之，一个电接触部或多个电接触部和半导体本体无交叠地设置在载体本体上。因此，外部的电接触能够从半导体芯片的上侧进行，而接触部不造成一个或多个有源区域的遮暗。
替选地或补充地，电接触部中的一个、尤其两个电接触部能够设置在载体本体的背离半导体本体的一侧上。在将两个电接触部设置在载体本体的这一侧上时，半导体芯片的接触能够简化地从半导体芯片的背离辐射入射面的背侧一侧进行。
在另一优选的设计方案中，第一连接结构和/或第二连接结构借助于构成在载体本体上的层构成。因此，在制造半导体芯片时，在具有半导体层序列的半导体本体固定在载体本体上之前，第一连接结构和/或第二连接结构能够至少部分地已经构成在载体本体上。因此，半导体芯片的制造能够被简化。
附图说明
从实施例的结合附图进行的下文的描述中得到其他的特征、设计方案和适宜方案。
附图示出：
图1A和1B示出光电半导体芯片的第一实施例的示意剖面图（图1A）和示意俯视图（图1B）；以及
图2至5分别示出光电半导体芯片的另一实施例。
相同的、同类的或起相同作用的元件在附图中设有相同的附图标记。
附图和附图中示出的元件彼此间的大小关系不能够视为合乎比例的。更确切地说，为了更好的可示出性和/或为了更好的理解，能够夸大地示出各个元件。
具体实施方式
在图1A和1B中示出光电半导体芯片1的第一实施例。半导体芯片具有带有半导体层序列的半导体本体2。优选外延地、例如借助于MBE或MOVPE沉积的半导体层序列形成半导体本体。在竖直方向上，即在垂直于半导体本体2的半导体层的主延伸平面伸展的方向上，半导体本体在主面28和辐射入射面29之间延伸。
在主面28一侧，半导体本体2设置在载体本体5上。半导体本体2借助于连接层51、例如焊料或导电的粘结层与载体本体5导电地连接。
在示出的实施例中，半导体本体2示例地具有三个相叠地堆叠的有源区域20、20a、20b。有源区域分别设置在第一半导体层21、21a、21b和第二半导体层22、22a、22b之间。第一半导体层能够n型传导地构成并且第二半导体层能够p型传导地构成或反之。
有源区域能够分别借助于pn结或借助于固有本征的、即未掺杂的半导体层构成在第一半导体层21、21a、21b和相关联的第二半导体层22、22a、22b之间。
在两个相邻的有源区域之间分别设置有隧道区域23、23a。隧道区域分别具有第一导电类型的第一半导体层231、231a和第二导电类型的第二半导体层232、232a。隧道区域的层优选高掺杂地构成，即具有至少1*1019cm-3的掺杂。借助于隧道区域将有源区域电串联地连接。
半导体本体2具有多个凹部25，所述凹部从主面28延伸进入到半导体本体2中。凹部25伸展穿过半导体本体的所有有源区域并且延伸至半导体本体2的最接近辐射入射面29的第一半导体层21中。在示出的实施例中，第一连接结构31借助于邻接于第一半导体层21的第一层311和第二层312构成。然而，与其不同地，单层的设计方案也能够是适宜的。
借助于第一连接结构31，第一半导体层21经由连接层51和载体本体5导电地与第一电接触部61连接。
凹部25的侧面250至少在有源区域20、20a、20b的和第二半导体层22、22a、22b的区域中由绝缘层41覆盖。因此，能够避免有源区域的由于第一连接结构31引起的电短路。
最接近载体本体5的第二半导体层22b与第二连接结构32导电地连接。优选地，第二连接结构32大面积地，也就是说以至少50%的面积覆盖直接邻接于第二半导体层20b。
第二连接结构32局部地在第一连接结构31和半导体本体2之间伸展。不仅第一连接结构31、而且第二连接结构32能够大面积地，尤其分别以大于50%的面积份额覆盖载体本体5。因此，能够特别有效地进行在有源区域中分开的载流子的有效的载流子导出。
在所述实施例中，第二连接结构32具有第一层321和第二层322。然而，与其不同的，第二连接结构也能够仅单层地构成或者具有多于两层。优选地，第二连接结构具有构成为用于在有源区域20、20a、20b中待吸收的辐射的镜层的层。尤其，邻接于半导体本体2的第一层321能够构成为镜层。然而，对于减少的接触电阻适宜的也能够是：第二层构成为镜层并且第一层构成为辐射能穿透的层，所述层主要用于电接触。用于辐射的镜层在可见的光谱范围中的反射率优选为至少50%，特别优选至少70%。优选地，第二连接结构的镜层包含银、铝、铑、钯、金、铬或镍或具有至少一种所述材料的金属合金。
第二连接区域32的横向地设置在半导体本体2的侧向的区域形成第二外部的接触部62。在例如通过汇聚的太阳辐射来辐照光电半导体芯片1时，能够在接触部61、62上截取电压。
辐射入射面29和对半导体本体2在横向方向上限界的侧面285由钝化层4遮盖。钝化层4保护半导体本体免受外部影响、如湿气并且还用于避免有源区域20、20a、20b的电短路。
在制造时，侧面285能够借助于结构化方法构成。尤其，在从中产生半导体本体的半导体层序列已经固定在载体上之后，能够在晶片复合体中进行结构化，其中从所述载体中在分割成半导体芯片时形成载体本体。替选地，在半导体层序列与载体连接之前，能够构成侧面285。
对于钝化层适合的尤其是介电的辐射能穿透的材料，例如氧化物、例如氧化硅或氮化物、例如氮化硅。
半导体本体2优选基于III-V族化合物半导体材料。有源区域20、20a、20b的带隙构成为，使得带隙随着距辐射入射面29的距离增加而减小。具有大于最接近辐射入射面的有源区域的截止波长进而不被所述有源区域吸收的波长的辐射能够由设置在下游的有源区域中的一个吸收进而促进电能的产生。
半导体本体2的辐射入射面29完全地不具有外部的电的、尤其辐射不能穿透的金属的接触结构，使得能够避免有源区域20、20a、20b的遮暗。
用于半导体本体2的半导体层序列的生长衬底完全地被移除并且因此在图1A未被示出。载体本体5承担半导体本体2的半导体层序列的机械稳定的功能，使得对此不再需要生长衬底。
对于载体本体5例如适合的是半导体材料，例如锗或硅。半导体材料能够被掺杂以用于提高导电能力。
在图2中以剖视图示出的第二实施例基本上对应于结合图1A和1B描述的第一实施例。与此不同的，凹部25构成为，使得其完全地延伸穿过半导体本体2。在半导体芯片的俯视图中，如在图1B中示出的凹部25构成为，使得半导体本体2的半导体层除了凹部25以外是连续的半导体层。
此外，半导体芯片2在辐射入射面29上具有辐射能穿透的连接层315，所述连接层在凹部25的区域中导电地与第一连接结构31连接。对于辐射能穿透的连接层尤其适合的是TCO材料，例如ITO或ZnO。然而，也能够应用其他的在本文的概论部分中提到的TCO材料。
此外，不同于在图1A中示出的第一实施例，凹部25具有朝向载体本体5变细的横截面。在半导体本体2的半导体层序列已经固定在载体本体5上并且用于半导体层序列的生长衬底被移除之后，这样的凹部例如能够借助于湿化学或干化学法构成。然而，与所描述的实施例不同，凹部25的侧面也能够垂直地伸展。对于凹部25也能够应用朝向载体本体5变大的横截面。
在第一连接结构31和第二连接结构32之间的电绝缘借助于在所述连接结构之间的第二绝缘层42来进行。
光电半导体芯片1的另一实施例示意地在图3中示出。所述第三实施例基本上对应于结合图1A和1B所描述的第一实施例。
与此不同的是，第一接触部61和第二接触部62设置在载体本体5的朝向半导体本体2的一侧上。因此，两个接触部能够从半导体芯片的上侧接触。在半导体芯片的俯视图中，两个接触部与半导体本体2不重叠地设置在承载本体上，使得能够避免辐射入射面29的由于接触部引起的遮暗。接触部的这种设置方式尤其也适合于结合图1A、1B和2所描述的实施例。
在所述实施例中，对于如结合图1A和1B所描述的载体本体5能够应用能导电的材料。
替选地，也能够应用电绝缘材料，例如不掺杂的半导体材料或陶瓷。
此外，第一连接结构31和第二连接结构32局部地借助于施加在载体本体5上的层构成。在示出的实施例中，第一连接结构31的第二层312实施为在载体本体5上构成的层。在第二层312和载体本体5之间构成有绝缘层52，所述绝缘层将第二层312和载体本体5彼此电绝缘。
第二连接结构32借助于第一层321、第二层322、第三层323和第四层324构成。第四层324实施为在载体本体5上构成的层，其中在第四层324和第一连接结构31的层312之间设置有另一绝缘层53。
因此，在制造半导体芯片时，在具有半导体层序列的半导体本体2固定在载体本体上并且导电地连接之前，第一连接结构31的和第二连接结构32的一部分已经以预制的方式构成在载体本体5上。
在图4中示出的第四实施例基本上对应于结合图3所描述的第三实施例。
与此不同的是，半导体芯片1实施为能表面安装的半导体芯片，其中两个电接触部位于半导体芯片1的背离辐射入射面29的背侧上。因此，接触部61、62构成在载体本体5的背离半导体本体2的一侧上。载体本体5具有贯通接触部55，经由所述贯通接触部，第一接触部61与第一连接结构31导电地连接并且第二接触部62与第二连接结构32导电地连接。
此外，不同于第三实施例，凹部25部分地填充有电绝缘的填充材料24。作为填充材料适合的例如是聚酰胺或BCB。借助于填充材料能够提高半导体芯片的机械稳定性。
在图5中示出的第五实施例基本上对应于结合图1A和1B所描述的第一实施例。与此不同的，半导体本体2具有至少两个子区域26、27。所述子区域的有源区域在半导体芯片的俯视图中在横向方向上完全地彼此隔开。
在连接区域33中，第一子区域26的第二连接结构32与第二子区域27的第一连接结构31电学上串联连接。因此，在外部的电接触部61、62上，在半导体芯片1运行时，子区域26、27的单电压的总和下降。
因此，借助于所描述的设计方案，能够提高半导体芯片的运行电压，其中子区域的电连接在半导体芯片之内进行。因此，不需要例如经由金属线的、耗费的外部接触。
在该实施例中，仅示例地示出两个子区域。与此不同的，半导体芯片然而也能够具有多于两个子区域。子区域能够至少部分地彼此串联和/或部分地彼此并联地电连接。
在实施例中描述的光电半导体芯片的特征尤其在于有效的载流子导出，使得也在如在汇聚的太阳辐射下产生的高的电流密度下，能够实现有效地产生电能。此外，能够借助于经由凹部进行的接触实现半导体芯片的辐射入射面的无遮暗的设计方案。
本专利申请要求德国专利申请102011115659.7的优先权，其公开内容通过参引结合于此。
本发明不受根据实施例的描述的限制。更确切地说，本发明包括每个新的特征以及特征的任意组合，这尤其包含在权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身并未详尽地在权利要求中或实施例中说明时也如此。

Claims (15)

1.一种具有半导体本体（2）的光电半导体芯片（1），所述半导体本体具有带有设为用于产生电能的有源区域（20）的半导体层序列，其中所述有源区域（20）构成在第一导电类型的第一半导体层（21）和不同于所述第一导电类型的第二导电类型的第二半导体层（22）之间，其中
-所述半导体本体（2）设置在载体本体（5）上；
-所述第一半导体层（21）设置在所述第二半导体层（22）的背离所述载体本体（5）的一侧上；
-所述半导体本体（2）具有至少一个凹部（25），所述凹部从所述载体本体（5）延伸穿过所述第二半导体层（22）；以及
-至少局部地在所述载体本体（5）和所述半导体本体（2）之间设置有第一连接结构（31），所述第一连接结构在所述凹部（25）中与所述第一半导体层（21）导电地连接。
2.根据权利要求1所述的半导体芯片，
其中所述第二半导体层导电地与第二连接结构（32）连接。
3.根据权利要求2所述的半导体芯片，
其中所述第二连接结构局部地设置在所述半导体本体和所述载体本体之间。
4.根据权利要求2或3所述的半导体芯片，
其中所述第二连接结构在所述半导体芯片的俯视图中与所述第一连接结构交叠。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的半导体芯片，
其中所述第二连接结构局部地设置在所述第一连接结构和所述半导体本体之间。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的半导体芯片，
其中所述第二连接结构具有镜层。
7.根据上述权利要求中任一项所述的半导体芯片，
其中所述半导体芯片不具有用于所述半导体本体的所述半导体层序列的生长衬底。
8.根据上述权利要求中任一项所述的半导体芯片，
其中在所述第二半导体层和所述载体本体之间构成设为用于产生电能的另一有源区域（20a）。
9.根据上述权利要求中任一项所述的半导体芯片，
其中所述凹部在所述第一半导体层中终止。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体芯片，
其中所述凹部完全地延伸穿过所述半导体本体并且所述第一半导体层至少局部地由辐射能穿透的连接层（315）遮盖，所述连接层与所述第一连接结构导电地连接。
11.根据上述权利要求中任一项所述的半导体芯片，
其中所述有源区域划分为第一子区域（26）和与所述第一子区域隔开的第二子区域（27），并且所述子区域的所述有源区域电串联连接。
12.根据上述权利要求中任一项所述的半导体芯片，
其中所述半导体芯片具有第一电接触部（61）和第二电接触部（62），并且所述电接触部中的至少一个设置在所述载体本体的朝向所述半导体本体的一侧上。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的半导体芯片，
其中所述半导体芯片具有第一电接触部（61）和第二电接触部（62），并且所述电接触部设置在所述载体本体的背离所述半导体本体的一侧上。
14.根据上述权利要求中任一项所述的半导体芯片，
其中所述第一连接结构和/或所述第二连接结构借助于构成在所述载体本体上的层形成。
15.根据上述权利要求中任一项所述的半导体芯片，
其中所述半导体本体包含III-V族化合物半导体材料。
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