DE102011115659A1 - Photovoltaischer Halbleiterchip - Google Patents

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Norwin Von Malm
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Abstract

Es wird ein photovoltaischer Halbleiterchip (1) mit einem Halbleiterkörper (2), der eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von elektrischer Energie vorgesehenen aktiven Bereich (20) aufweist, angegeben. Der aktive Bereich (20) ist zwischen einer ersten Halbleiterschicht (21) eines ersten Leitungstyps und einer zweiten Halbleiterschicht (22) eines vom ersten Leitungstyp verschiedenen zweiten Leitungstyps ausgebildet ist. Der Halbleiterkörper (2) ist auf einem Trägerkörper (5) angeordnet. Die erste Halbleiterschicht (21) ist auf der dem Trägerkörper (5) abgewandten Seite der zweiten Halbleiterschicht (22) angeordnet. Der Halbleiterkörper (2) weist zumindest eine Ausnehmung (25) auf, die sich vom Trägerkörper (5) durch die zweite Halbleiterschicht (22) hindurch erstreckt. Zumindest bereichsweise zwischen dem Trägerkörper (5) und dem Halbleiterkörper (2) ist eine erste Anschlussstruktur (31) angeordnet, die in der Ausnehmung (25) mit der ersten Halbleiterschicht (21) elektrisch leitend verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung betrifft einen photovoltaischen Halbleiterchip.
  • Für den effizienten Betrieb von Halbleiterchips für die Photovoltaik müssen die generierten Ladungsträger möglichst effektiv abgeführt werden. Insbesondere bei der konzentrierten Photovoltaik mit 1000-fach oder stärker konzentrierter Sonnenstrahlung können die abzuführenden Stromdichten sehr hoch werden und beispielsweise in einem Bereich von 30–50 A/cm2 liegen.
  • Eine Aufgabe ist es, einen Halbleiterchip mit einem effizienten Ladungsträgertransport und einer hohen Effizienz der Energieerzeugung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch einen photovoltaischen Halbleiterchip mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • In einer Ausführungsform weist ein photovoltaischer Halbleiterchip einen Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschichtenfolge auf. Die Halbleiterschichtenfolge weist einen zur Erzeugung von elektrischer Energie vorgesehenen aktiven Bereich auf, der zwischen einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps und einer zweiten Halbleiterschicht eines vom ersten Leitungstyp verschiedenen zweiten Leitungstyps ausgebildet ist. Der Halbleiterkörper mit der Halbleiterschichtenfolge ist auf einem Trägerkörper angeordnet. Die erste Halbleiterschicht ist auf der dem Trägerkörper abgewandten Seite der zweiten Halbleiterschicht angeordnet. Der Halbleiterkörper mit der Halbleiterschichtenfolge weist zumindest eine Ausnehmung auf, die sich vom Trägerkörper durch die zweite Halbleiterschicht hindurch erstreckt. Zumindest bereichsweise ist zwischen dem Trägerkörper und dem Halbleiterkörper eine erste Anschlussstruktur angeordnet, die in der Ausnehmung mit der ersten Halbleiterschicht elektrisch verbunden ist.
  • Unter einem photovoltaischen Halbleiterchip wird insbesondere ein Halbleiterchip verstanden, in dem bei Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Sonnenstrahlung, im aktiven Bereich durch Strahlungsabsorption erzeugte Ladungsträgerpaare, also Elektronen und Löcher, räumlich getrennt werden, so dass an externen Kontakten des Halbleiterchips eine elektrische Spannung abfällt.
  • Die erste Anschlussstruktur ist außerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildet und weiterhin dafür vorgesehen, die erste Halbleiterschicht von einer dem Trägerkörper zugewandten Hauptfläche des Halbleiterkörpers her elektrisch zu kontaktieren. Eine vom Trägerkörper abgewandte Hauptfläche des Halbleiterkörpers kann frei von elektrischen Kontakten sein. Die Gefahr einer die Effizienz vermindernden Abschattung des aktiven Bereichs durch strahlungsundurchlässige Kontaktschichten kann so vermieden werden.
  • Bei Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere konzentrierter Sonnenstrahlung, können im aktiven Bereich generierte Ladungsträger des ersten Leitungstyps, also Elektronen im Falle einer n-leitenden ersten Halbleiterschicht oder Löcher im Fall einer p-leitenden ersten Halbleiterschicht, über die erste Anschlussstruktur abgeführt werden. Vorzugsweise weist der Halbleiterkörper eine Mehrzahl von Ausnehmungen auf, in denen die erste Halbleiterschicht jeweils mit der ersten Anschlussstruktur verbunden ist. Je höher die Anzahl der Ausnehmungen ist, desto geringer kann die mittlere Entfernung sein, die generierte Ladungsträger in der ersten Halbleiterschicht zurücklegen müssen, bevor sie zu einer der Ausnehmungen gelangen.
  • Zweckmäßigerweise grenzt die erste Anschlussstruktur in der Ausnehmung unmittelbar an die erste Halbleiterschicht an.
  • Zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses ist die erste Anschlussstruktur zweckmäßigerweise von der zweiten Halbleiterschicht, insbesondere im Bereich der Ausnehmung, elektrisch isoliert.
  • Die zweite Halbleiterschicht ist vorzugsweise elektrisch leitend mit einer zweiten Anschlussstruktur verbunden. Die zweite Anschlussstruktur ist vorzugsweise zwischen dem Halbleiterkörper und dem Trägerkörper angeordnet. Es können also sowohl die erste Anschlussstruktur als auch die zweite Anschlussstruktur bereichsweise zwischen dem Halbleiterkörper und dem Trägerkörper ausgebildet sein.
  • Die zweite Anschlussstruktur ist für die Ladungsträgerabfuhr aus der zweiten Halbleiterschicht vorgesehen. Die zweite Anschlussstruktur grenzt vorzugsweise zumindest bereichsweise unmittelbar an ein Halbleitermaterial vom zweiten Leitungstyp, also vom Leitungstyp der zweiten Halbleiterschicht, an. Die zweite Halbleiterschicht kann unmittelbar an die zweite Anschlussstruktur angrenzen oder über Zwischenschichten, insbesondere über weitere Schichten des Halbleiterkörpers, mit der zweiten Anschlussstruktur elektrisch leitend verbunden sein.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung überlappt die zweite Anschlussstruktur in Aufsicht auf den Halbleiterchip mit der ersten Anschlussstruktur. Insbesondere kann in Aufsicht auf den Halbleiterchip die Summe der von der ersten Anschlussstruktur bedeckten Fläche des Trägerkörpers und der von der zweiten Anschlussstruktur bedeckten Fläche des Trägerkörpers die gesamte Fläche des Trägerkörpers übersteigen.
  • Die erste Anschlussstruktur und die zweite Anschlussstruktur können also großflächig ausgebildet werden, so dass der Ladungsträgerabtransport unter Bestrahlung besonders effizient erfolgen kann.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Anschlussstruktur bereichsweise zwischen der ersten Anschlussstruktur und dem Halbleiterkörper angeordnet. Insbesondere kann die zweite Anschlussstruktur unmittelbar an den Halbleiterkörper angrenzen. Vorzugsweise sind mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 70%, der dem Trägerkörper zugewandten Hauptfläche des Halbleiterkörpers mit der zweiten Anschlussstruktur bedeckt.
  • Weiterhin bevorzugt weist die zweite Anschlussstruktur eine Spiegelschicht auf. Die Spiegelschicht ist dafür vorgesehen, den durch den Halbleiterkörper hindurch tretenden Anteil der auftreffenden Strahlung in den Halbleiterkörper zurück zu reflektieren. Vorzugsweise beträgt die Reflektivität der Spiegelschicht zumindest in einem Wellenlängenbereich des zu absorbierenden Spektralbereichs mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 70%.
  • Mittels der Spiegelschicht kann der beim einfachen Durchgang nicht absorbierte Anteil der Sonnenstrahlung in den Halbleiterkörper zurück reflektiert werden. Aufgrund des so erzielbaren zumindest zweifachen Durchgangs durch den Halbleiterkörper kann eine gleich hohe Gesamtabsorption auch mit dünneren Halbleiterschichten erzielt werden.
  • Solche dünnen Halbleiterschichten können vergleichsweise hoch dotiert werden, ohne dass sich die damit einhergehende reduzierte Ladungsträgerbeweglichkeit negativ auf die Effizienz des photovoltaischen Halbleiterchips auswirkt. Eine höhere Dotierkonzentration bewirkt weiterhin eine größere Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage VOC).
  • Weiterhin kann eine Strahlungsabsorption im Trägerkörper mittels der Spiegelschicht vermieden werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterchip frei von einem Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers. Der Trägerkörper dient der mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers. Nach der vorzugsweise epitaktischen Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge auf dem Aufwachssubstrat ist dieses nicht mehr erforderlich und kann daher vollständig entfernt oder aber auch nur bereichsweise gedünnt oder entfernt werden. Der Trägerkörper muss also nicht die hohen kristallinen Anforderungen an ein Aufwachssubstrat erfüllen, sondern kann im Hinblick auf andere Eigenschaften, beispielsweise eine hohe thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit und/oder eine hohe mechanische Stabilität gewählt werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält der Halbleiterkörper ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial.
  • III-V-Verbindungshalbleitermaterialien sind zur Strahlungsabsorption von Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich besonders geeignet. Beispielsweise kann mit nitridischem Halbleitermaterial, insbesondere mit (Alx Iny Ga1-x-y N), eine der Bandlücke entsprechende Grenzwellenlänge (cut-off wavelength) im ultravioletten, blauen oder grünen Spektralbereich erzielt werden. Phosphidisches Halbleitermaterial, insbesondere Alx Iny, Ga1-x-y P, eignet sich für eine Grenzwellenlänge im gelben bis roten Spektralbereich, arsenidisches Halbleitermaterial, insbesondere (Alx Iny Ga1-x-y As), für eine Grenzwellenlänge im roten und infraroten (Alx Iny Ga1-x-y As) Spektralbereich. Hierbei gilt jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere mit x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 und/oder y ≠ 0.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen der zweiten Halbleiterschicht und dem Trägerkörper ein zweiter zur Erzeugung von elektrischer Energie vorgesehener aktiver Bereich ausgebildet. Eine Bandlücke des zweiten aktiven Bereichs ist vorzugsweise kleiner als eine Bandlücke des ersten aktiven Bereichs. Strahlung mit einer Wellenlänge, die oberhalb einer der Bandlücke des ersten aktiven Bereichs entsprechenden Grenzwellenlänge liegt, kann so vom zweiten aktiven Bereich absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt werden. Insbesondere können der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich monolithisch in den Halbleiterkörper integriert sein. Das heißt, der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich können in einem gemeinsamen Epitaxieschritt nacheinander abgeschieden werden.
  • Die Anzahl der aktiven Bereiche innerhalb des Halbleiterkörpers beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 und einschließlich 10. Bei mehreren aktiven Bereichen sind die aktiven Bereiche bevorzugt jeweils zwischen einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps und einer zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Leitungstyps angeordnet. Vorzugsweise grenzt die erste Anschlussstruktur unmittelbar an die erste Halbleiterschicht an, die dem aktiven Bereich zugeordnet ist, der am weitesten vom Trägerkörper entfernt angeordnet ist. Entsprechend grenzt die zweite Anschlussstruktur unmittelbar an die zweite Halbleiterschicht an, die dem aktiven Bereich zugeordnet ist, der dem Trägerkörper am nächsten liegt.
  • Zweckmäßigerweise sind der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich elektrisch miteinander in Serie verschaltet. Insbesondere kann zwischen dem ersten aktiven Bereich und dem zweiten aktiven Bereich ein Tunnelbereich ausgebildet sein. Bei mehr als zwei aktiven Bereichen ist vorzugsweise zwischen zwei benachbarten aktiven Bereichen jeweils ein Tunnelbereich angeordnet.
  • In einer Ausgestaltungsvariante erstreckt sich die Ausnehmung vollständig durch den Halbleiterkörper, also auch vollständig durch die erste Halbleiterschicht, hindurch. Bei dieser Ausgestaltungsvariante ist die erste Halbleiterschicht vorzugsweise mit einer strahlungsdurchlässigen Anschlussschicht überdeckt, die mit der ersten Anschlussstruktur elektrisch leitend verbunden ist. Vorzugsweise enthält die strahlungsdurchlässige Anschlussschicht ein TCO-Material.
  • Transparente leitende Oxide (transparent conductive oxides, kurz „TCO”) sind transparente, leitende Materialien, in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO2 oder In2O3 gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn2SnO4, CdSnO3, ZnSnO3, MgIn2O4, GaInO3, Zn2In2O5 oder In4Sn3O12 oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können auch p- oder n-dotiert sein.
  • Die strahlungsdurchlässige Anschlussschicht ist also außerhalb des Halbleiterkörpers angeordnet. Bei der Herstellung kann diese nach Abschluss der Epitaxie der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers auf dem Halbleiterkörper ausgebildet werden, beispielsweise mittels Sputterns oder Aufdampfens.
  • Mittels der strahlungsdurchlässigen Anschlussschicht kann eine homogene und effiziente Ladungsträgerabfuhr aus der ersten Halbleiterschicht auch bei einer vergleichsweise geringen elektrischen Querleitfähigkeit der ersten Halbleiterschicht und/oder einer kurzen mittleren freien Weglänge der Ladungsträger in der ersten Halbleiterschicht erzielt werden.
  • In einer alternativen Ausgestaltungsvariante endet die Ausnehmung in der ersten Halbleiterschicht, so dass sich die Ausnehmung nicht vollständig durch den Halbleiterkörper hindurch erstreckt. Die Ausnehmung stellt also ein Sackloch dar.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der aktive Bereich in einen ersten Teilbereich und in einen vom ersten Teilbereich beabstandeten zweiten Teilbereich unterteilt. Die aktiven Bereiche der Teilbereiche gehen also bei der Herstellung aus derselben Halbleiterschichtenfolge hervor. In einer lateralen Richtung, also in einer in einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers verlaufenden Richtung, sind der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich voneinander beabstandet. Vorzugsweise sind die aktiven Bereiche der Teilbereiche elektrisch miteinander verschaltet, insbesondere zumindest teilweise elektrisch in Serie verschaltet. Durch eine Serienschaltung kann die vom Halbleiterchip zur Verfügung gestellte Spannung im Betrieb erhöht werden.
  • Alternativ oder ergänzend können Teilbereiche des Halbleiterchips elektrisch parallel zueinander verschaltet sein. Durch eine Parallelverschaltung kann der im Betrieb zur Verfügung stehende elektrische Strom erhöht werden.
  • Vorzugsweise weist der Halbleiterchip einen Verbindungsbereich auf, in dem der erste Anschlussbereich des ersten Teilbereichs mit dem zweiten Anschlussbereich des zweiten Teilbereichs elektrisch verbunden sind. Die elektrische Serienverschaltung erfolgt also innerhalb des Halbleiterchips. Auf eine aufwändige externe Verschaltung der einzelnen Teilbereiche, beispielsweise mittels Drahtverbindungen, kann verzichtet werden.
  • Zur externen elektrischen Kontaktierung weist der Halbleiterchip vorzugsweise einen ersten elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt auf. Die Kontakte bilden also die Spannungspole des photovoltaischen Halbleiterchips.
  • In einer Ausgestaltungsvariante ist zumindest einer der elektrischen Kontakte auf einer dem Halbleiterkörper zugewandten Seite des Trägerkörpers angeordnet. Es können auch beide elektrischen Kontakte auf dieser Seite angeordnet sein. Eine oberseitige, also strahlungseintrittsseitige, Kontaktierung des Halbleiterchips wird so vereinfacht. Der oberseitige Kontakt beziehungsweise die oberseitigen Kontakte sind in diesem Fall zweckmäßigerweise in lateraler Richtung neben dem Halbleiterkörper angeordnet.
  • Mit anderen Worten sind der elektrische Kontakt beziehungsweise die elektrischen Kontakte und der Halbleiterkörper überlappungsfrei auf dem Trägerkörper angeordnet. Die externe elektrische Kontaktierung kann also von der Oberseite des Halbleiterchips erfolgen, ohne dass die Kontakte eine Abschattung des aktiven Bereichs beziehungsweise der aktiven Bereiche verursachen.
  • Alternativ oder ergänzend kann einer der elektrischen Kontakte, insbesondere können beide elektrischen Kontakte auf einer dem Halbleiterkörper abgewandten Seite des Trägerkörpers angeordnet sein. Bei einer Anordnung beider elektrischer Kontakte auf dieser Seite des Trägerkörpers kann die Kontaktierung des Halbleiterchips vereinfacht seitens der der Strahlungseintrittsfläche abgewandten Rückseite des Halbleiterchips erfolgen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Anschlussstruktur und/oder die zweite Anschlussstruktur mittels einer auf dem Trägerkörper ausgebildeten Schicht gebildet. Bei der Herstellung des Halbleiterchips können die erste Anschlussstruktur und/oder die zweite Anschlussstruktur also zumindest teilweise bereits auf dem Trägerkörper ausgebildet sein, bevor der Halbleiterkörper mit der Halbleiterschichtenfolge an dem Trägerkörper befestigt wird. Die Herstellung des Halbleiterchips kann so vereinfacht werden.
  • Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
  • Es zeigen:
  • Die 1A und 1B ein erstes Ausführungsbeispiel für einen photovoltaischen Halbleiterchip in schematischer Schnittansicht (1A) und schematischer Aufsicht (1B); und
    die 2 bis 5 jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen photovoltaischen Halbleiterchip.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • In den 1A und 1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel für einen photovoltaischen Halbleiterchip 1 gezeigt. Der Halbleiterchip weist einen Halbleiterkörper 2 mit einer Halbleiterschichtenfolge auf. Die vorzugsweise epitaktisch, etwa mittels MBE oder MOVPE, abgeschiedene Halbleiterschichtenfolge bildet den Halbleiterkörper. In einer vertikalen Richtung, also einer in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers 2 verlaufenden Richtung erstreckt sich der Halbleiterkörper zwischen einer Hauptfläche 28 und einer Strahlungseintrittsfläche 29.
  • Seitens der Hauptfläche 28 ist der Halbleiterkörper 2 an einem Trägerkörper 5 angeordnet. Der Halbleiterkörper 2 ist mittels einer Verbindungsschicht 51, beispielsweise einem Lot oder einer elektrisch leitfähigen Klebeschicht, mit dem Trägerkörper 5 elektrisch leitend verbunden.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Halbleiterkörper 2 exemplarisch drei übereinander gestapelte aktive Bereiche 20, 20a, 20b auf. Die aktiven Bereiche sind jeweils zwischen einer ersten Halbleiterschicht 21, 21a, 21b und einer zweiten Halbleiterschicht 22, 22a, 22b angeordnet. Die ersten Halbleiterschichten können n-leitend und zweiten Halbleiterschichten p-leitend ausgebildet sein oder umgekehrt.
  • Die aktiven Bereiche können jeweils mittels eines pn-übergangs oder auch mittels einer intrinsischen, also undotierten, Halbleiterschicht zwischen der ersten Halbleiterschicht 21, 21a, 21b und der zugeordneten zweiten Halbleiterschicht 22, 22a, 22b, ausgebildet sein.
  • Zwischen zwei benachbarten Bereichen ist jeweils ein Tunnelbereich 23, 23a angeordnet. Die Tunnelbereiche weisen jeweils eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps 231, 231a und eine zweite Schicht eines zweiten Leitungstyps 232, 232a auf. Die Schichten des Tunnelbereichs sind vorzugsweise hoch dotiert ausgebildet, also mit einer Dotierung von mindestens 1·1019 cm–3. Mittels der Tunnelbereiche sind die aktiven Bereiche elektrisch in Serie verschaltet.
  • Der Halbleiterkörper 2 weist eine Mehrzahl von Ausnehmungen 25 auf, die sich von der Hauptfläche 28 in den Halbleiterkörper 2 hinein erstreckt. Die Ausnehmungen 25 verlaufen durch alle aktiven Bereiche des Halbleiterkörpers und erstrecken sich bis in die der Strahlungseintrittsfläche 29 nächstgelegene erste Halbleiterschicht 21 des Halbleiterkörpers 2. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Anschlussstruktur 31 mittels einer an die erste Halbleiterschicht 21 angrenzenden ersten Schicht 311 und einer zweiten Schicht 312 gebildet. Davon abweichend kann aber auch eine einschichtige Ausgestaltung zweckmäßig sein.
  • Mittels der ersten Anschlussstruktur 31 ist die erste Halbleiterschicht 21 über die Verbindungsschicht 51 und den Trägerkörper 5 elektrisch leitend mit einem ersten elektrischen Kontakt 61 verbunden.
  • Eine Seitenfläche 250 der Ausnehmungen 25 ist zumindest im Bereich der aktiven Bereiche 20, 20a, 20b und der zweiten Halbleiterschichten 22, 22a, 22b von einer Isolationsschicht 41 bedeckt. Ein elektrischer Kurzschluss der aktiven Bereiche durch die erste Anschlussstruktur 31 kann so vermieden werden.
  • Die dem Trägerkörper 5 nächstgelegene zweite Halbleiterschicht 22b ist mit einer zweiten Anschlussstruktur 32 elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise grenzt die zweite Anschlussstruktur 32 großflächig, das heißt mit einer Flächenbelegung von mindestens 50%, unmittelbar an die zweite Halbleiterschicht 20b an.
  • Die zweite Anschlussstruktur 32 verläuft bereichsweise zwischen der ersten Anschlussstruktur 31 und dem Halbleiterkörper 2. Sowohl die erste Anschlussstruktur 31 als auch die zweite Anschlussstruktur 32 können den Trägerkörper 5 also großflächig, insbesondere mit einem Flächenanteil von jeweils mehr als 50%, bedecken. Eine effiziente Ladungsträgerabfuhr der in den aktiven Bereichen getrennten Ladungsträger kann so besonders effizient erfolgen.
  • Die zweite Anschlussstruktur 32 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine erste Schicht 321 und eine zweite Schicht 322 auf. Davon abweichend kann die zweite Anschlussstruktur aber auch nur einschichtig ausgebildet sein oder mehr als zwei Schichten aufweisen. Vorzugsweise weist die zweite Anschlussstruktur eine Schicht auf, die als eine Spiegelschicht für die in den aktiven Bereichen 20, 20a, 20b zu absorbierenden Strahlung ausgebildet ist. Insbesondere kann die an den Halbleiterkörper 2 angrenzende erste Schicht 321 als Spiegelschicht ausgebildet sein. Für einen verringerten Kontaktwiderstand kann es aber auch zweckmäßig sein, die zweite Schicht als Spiegelschicht auszubilden und die erste Schicht als eine strahlungsdurchlässige Schicht auszubilden, die vorwiegend der elektrischen Kontaktierung dient. Die Reflektivität der Spiegelschicht für Strahlung im sichtbaren Spektralbereich beträgt vorzugsweise mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 70%. Vorzugsweise enthält die Spiegelschicht der zweiten Anschlussstruktur Silber, Aluminium, Rhodium, Palladium, Gold, Chrom oder Nickel oder eine metallische Legierung mit zumindest einem der genannten Materialien.
  • Ein lateral seitlich des Halbleiterkörpers 2 angeordneter Bereich des zweiten Anschlussbereichs 32 bildet einen zweiten externen Kontakt 62. Bei Bestrahlung des photovoltaischen Halbleiterchips 1, beispielsweise durch konzentrierte Sonnenstrahlung, kann an den Kontakten 61, 62 eine elektrische Spannung abgegriffen werden.
  • Die Strahlungseintrittsfläche 29 und eine den Halbleiterkörper 2 in lateraler Richtung begrenzende Seitenfläche 285 sind mit einer Passivierungsschicht 4 bedeckt. Die Passivierungsschicht 4 schützt den Halbleiterkörper vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit und dient weiterhin der Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses der aktiven Bereiche 20, 20a, 20b.
  • Bei der Herstellung kann die Seitenfläche 285 mittels eines Strukturierungsverfahrens ausgebildet werden. Insbesondere kann die Strukturierung im Waferverbund erfolgen, nachdem die Halbleiterschichtenfolge, aus der die Halbleiterkörper hervorgehen, bereits an einem Träger befestigt ist, aus dem bei der Vereinzelung in Halbleiterchips die Trägerkörper gebildet werden. Alternativ können die Seitenflächen 285 ausgebildet werden, bevor die Halbleiterschichtenfolge mit dem Träger verbunden wird.
  • Für die Passivierungsschicht eignet sich insbesondere ein dielektrisches strahlungsdurchlässiges Material wie ein Oxid, beispielsweise Siliziumoxid oder ein Nitrid, beispielsweise Siliziumnitrid.
  • Der Halbleiterkörper 2 basiert vorzugsweise auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Die Bandlücken der aktiven Bereiche 20, 20a, 20b sind so ausgebildet, dass die Bandlücken mit zunehmendem Abstand von der Strahlungseintrittsfläche 29 abnehmen. Strahlung mit einer Wellenlänge, die oberhalb der Grenzwellenlänge des der Strahlungseintrittsfläche nächstgelegenen aktiven Bereichs liegt und somit von diesem nicht absorbiert wird, kann von einem der nachgeordneten aktiven Bereiche absorbiert werden und so zur Erzeugung der elektrischen Energie beitragen.
  • Die Strahlungseintrittsfläche 29 des Halbleiterkörpers 2 ist vollständig frei von externen elektrischen, insbesondere strahlungsundurchlässigen metallischen, Kontaktstrukturen, so dass eine Abschattung der aktiven Bereiche 20, 20a, 20b vermieden werden kann.
  • Ein Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 2 ist vollständig entfernt und in 1A daher nicht dargestellt. Der Trägerkörper 5 übernimmt die Funktion der mechanischen Stabilisierung der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 2, so dass das Aufwachssubstrat hierfür nicht mehr erforderlich ist.
  • Für den Trägerkörper 5 eignet sich beispielsweise ein Halbleitermaterial, etwa Germanium oder Silizium. Das Halbleitermaterial kann zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit dotiert sein.
  • Das in 2 in Schnittansicht dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu sind die Ausnehmungen 25 so ausgebildet, dass sie sich vollständig durch den Halbleiterkörper 2 hindurch erstrecken. In Aufsicht auf den Halbleiterchip sind die Ausnehmungen 25, wie in 1B dargestellt, so ausgebildet, dass die Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers 2 trotz der Ausnehmungen 25 zusammenhängende Halbleiterschichten darstellen.
  • Weiterhin weist der Halbleiterchip 2 auf der Strahlungseintrittsfläche 29 eine strahlungsdurchlässige Anschlussschicht 315 auf, die im Bereich der Ausnehmungen 25 elektrisch leitend mit der ersten Anschlussstruktur 31 verbunden ist. Für die strahlungsdurchlässige Anschlussschicht eignet sich insbesondere ein TCO-Material, beispielsweise ITO oder ZnO. Es kann aber auch ein anderes der im allgemeinen Teil genannten TCO-Materialien Anwendung finden.
  • Weiterhin weisen die Ausnehmungen 25 im Unterschied zu dem in 1A dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einen sich zum Trägerkörper 5 hin verjüngenden Querschnitt auf. Derartige Ausnehmungen können beispielsweise mittels eines nasschemischen oder trockenchemischen Verfahrens ausgebildet werden, nachdem die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 2 bereits an dem Trägerkörper 5 befestigt ist und das Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge entfernt ist. Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend können die Seitenflächen der Ausnehmungen 25 jedoch auch senkrecht verlaufen. Auch ein zum Trägerkörper 5 hin größer werdender Querschnitt für die Ausnehmungen 25 kann Anwendung finden.
  • Die elektrische Isolation zwischen der ersten Anschlussstruktur 31 und der zweiten Anschlussstruktur 32 erfolgt mittels einer zweiten Isolationsschicht 42 zwischen diesen Anschlussstrukturen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen photovoltaischen Halbleiterchip 1 ist schematisch in 3 dargestellt. Dieses dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel.
  • Im Unterschied hierzu sind der erste Kontakt 61 und der zweite Kontakt 62 auf der dem Halbleiterkörper 2 zugewandten Seite des Trägerkörpers 5 angeordnet. Beide Kontakte sind also von der Oberseite des Halbleiterchips zugänglich. In Aufsicht auf den Halbleiterchip sind beide Kontakte überlappungsfrei mit dem Halbleiterkörper 2 auf dem Trägerkörper angeordnet, so dass eine Abschattung der Strahlungseintrittsfläche 29 durch die Kontakte vermieden werden kann. Eine derartige Anordnung der Kontakte ist insbesondere auch für die im Zusammenhang mit den 1A, 1B und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiele geeignet.
  • In diesem Ausführungsbeispiel kann für den Trägerkörper 5, wie im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschrieben, ein elektrisch leitfähiges Material verwendet werden.
  • Alternativ kann auch ein elektrisch isolierendes Material Anwendung finden, beispielsweise ein undotiertes Halbleitermaterial oder eine Keramik.
  • Weiterhin sind die erste Anschlussstruktur 31 und die zweite Anschlussstruktur 32 bereichsweise mittels auf dem Trägerkörper 5 aufgebrachten Schichten gebildet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite Schicht 312 der ersten Anschlussstruktur 31 als eine auf dem Trägerkörper 5 ausgebildete Schicht ausgeführt. Zwischen der zweiten Schicht 312 und dem Trägerkörper 5 ist eine Isolationsschicht 52 ausgebildet, die die zweite Schicht 312 und den Trägerkörper 5 elektrisch voneinander isoliert.
  • Die zweite Anschlussstruktur 32 ist mittels einer ersten Schicht 321, einer zweiten Schicht 322, einer dritten Schicht 323 und einer vierten Schicht 324 gebildet. Die vierte Schicht 324 ist als eine auf dem Trägerkörper 5 ausgebildete Schicht ausgeführt, wobei zwischen der vierten Schicht 324 und der Schicht 312 der ersten Anschlussstruktur 31 eine weitere Isolationsschicht 53 angeordnet ist.
  • Bei der Herstellung des Halbleiterchips kann ein Teil der ersten Anschlussstruktur 31 und der zweiten Anschlussstruktur 32 also bereits vorgefertigt auf dem Trägerkörper 5 ausgebildet werden, bevor der Halbleiterkörper mit der Halbleiterschichtenfolge 2 an dem Trägerkörper befestigt und elektrisch leitend verbunden wird.
  • Das in 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 3 beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel.
  • Im Unterschied hierzu ist der Halbleiterchip 1 als ein oberflächenmontierbarer Halbleiterchip ausgeführt, bei dem sich beide elektrische Kontakte auf der der Strahlungseintrittsfläche 29 abgewandten Rückseite des Halbleiterchips 1 befinden. Die Kontakte 61, 62 sind also auf der dem Halbleiterkörper 2 abgewandten Seite des Trägerkörpers 5 ausgebildet. Der Trägerkörper 5 weist Durchkontaktierungen 55 auf, über die der erste Kontakt 61 mit der ersten Anschlussstruktur 31 und der zweite Kontakt 62 mit der zweiten Anschlussstruktur 32 elektrisch leitend verbunden sind.
  • Weiterhin sind im Unterschied zu dem dritten Ausführungsbeispiel die Ausnehmungen 25 teilweise mit einem elektrisch isolierenden Füllmaterial 24 befüllt. Als Füllmaterial eignet sich beispielsweise Polyimid oder BCB. Mittels des Füllmaterials kann die mechanische Stabilität des Halbleiterchips erhöht werden.
  • Das in 5 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1A und 1B beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist der Halbleiterkörper 2 zumindest zwei Teilbereiche 26, 27 auf. Die aktiven Bereiche dieser Teilbereiche sind in Aufsicht auf den Halbleiterchip in lateraler Richtung vollständig voneinander getrennt.
  • In einem Verbindungsbereich 33 ist die zweite Anschlussstruktur 32 des ersten Teilbereichs 26 mit der ersten Anschlussstruktur 31 des zweiten Teilbereichs 27 elektrisch in Serie verschaltet. An den externen elektrischen Kontakten 61, 62 fällt im Betrieb des Halbleiterchips 1 also die Summe der Einzelspannungen der Teilbereiche 26, 27 ab.
  • Mit der beschriebenen Ausgestaltung kann also die Betriebsspannung des Halbleiterchips erhöht werden, wobei die elektrische Verschaltung der Teilbereiche innerhalb des Halbleiterchips erfolgt. Eine aufwändige externe Kontaktierung, beispielsweise über Drähte ist somit nicht erforderlich.
  • In dem Ausführungsbeispiel sind lediglich exemplarisch zwei Teilbereiche gezeigt. Davon abweichend kann der Halbleiterchip aber auch mehr als zwei Teilbereiche aufweisen. Die Teilbereiche können zumindest teilweise miteinander in Serie und/oder teilweise mit parallel zueinander elektrisch verschaltet sein.
  • Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen photovoltaischen Halbleiterchips zeichnen sich insbesondere durch eine effiziente Ladungsträgerabfuhr aus, so dass auch bei hohen Stromdichten, wie sie bei konzentrierter Sonnenstrahlung auftreten, eine effektive Erzeugung von elektrischer Energie erfolgen kann. Weiterhin kann mittels der Kontaktierung über die Ausnehmungen eine abschattungsfreie Ausgestaltung der Strahlungseintrittsfläche des Halbleiterchips erzielt werden.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (15)

  1. Photovoltaischer Halbleiterchip (1) mit einem Halbleiterkörper (2), der eine Halbleiterschichtenfolge mit einem zur Erzeugung von elektrischer Energie vorgesehenen aktiven Bereich (20) aufweist, wobei der aktive Bereich (20) zwischen einer ersten Halbleiterschicht (21) eines ersten Leitungstyps und einer zweiten Halbleiterschicht (22) eines vom ersten Leitungstyp verschiedenen zweiten Leitungstyps ausgebildet ist, wobei – der Halbleiterkörper (2) auf einem Trägerkörper (5) angeordnet ist; – die erste Halbleiterschicht (21) auf der dem Trägerkörper (5) abgewandten Seite der zweiten Halbleiterschicht (22) angeordnet ist; – der Halbleiterkörper (2) zumindest eine Ausnehmung (25) aufweist, die sich vom Trägerkörper (5) durch die zweite Halbleiterschicht (22) hindurch erstreckt; und – zumindest bereichsweise zwischen dem Trägerkörper (5) und dem Halbleiterkörper (2) eine erste Anschlussstruktur (31) angeordnet ist, die in der Ausnehmung (25) mit der ersten Halbleiterschicht (21) elektrisch leitend verbunden ist.
  2. Halbleiterchip nach Anspruch 1, wobei die zweite Halbleiterschicht elektrisch leitend mit einer zweiten Anschlussstruktur (32) verbunden ist.
  3. Halbleiterchip nach Anspruch 2, wobei die zweite Anschlussstruktur bereichsweise zwischen dem Halbleiterkörper und dem Trägerkörper angeordnet ist.
  4. Halbleiterchip nach Anspruch 2 oder 3, wobei die zweite Anschlussstruktur in Aufsicht auf den Halbleiterchip mit der ersten Anschlussstruktur überlappt.
  5. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die zweite Anschlussstruktur bereichsweise zwischen der ersten Anschlussstruktur und dem Halbleiterkörper angeordnet ist.
  6. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die zweite Anschlussstruktur eine Spiegelschicht aufweist.
  7. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip frei von einem Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers ist.
  8. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der zweiten Halbleiterschicht und dem Trägerkörper ein weiterer zur Erzeugung von elektrischer Energie vorgesehener aktiver Bereich (20a) ausgebildet ist.
  9. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Ausnehmung vollständig durch den Halbleiterkörper hindurch erstreckt.
  10. Halbleiterchip nach Anspruch 9, wobei die erste Halbleiterschicht zumindest bereichsweise mit einer strahlungsdurchlässigen Anschlussschicht (315) überdeckt ist, die mit der ersten Anschlussstruktur elektrisch leitend verbunden ist.
  11. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der aktive Bereich in einen ersten Teilbereich (26) und in einen vom ersten Teilbereich beabstandeten zweiten Teilbereich (27) unterteilt ist und die aktiven Bereiche der Teilbereiche elektrisch in Serie verschaltet sind.
  12. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip einen ersten elektrischen Kontakt (61) und einen zweiten elektrischen Kontakt (62) aufweist und zumindest einer der elektrischen Kontakte auf einer dem Halbleiterkörper zugewandten Seite des Trägerkörpers angeordnet ist.
  13. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Halbleiterchip einen ersten elektrischen Kontakt (61) und einen zweiten elektrischen Kontakt (62) aufweist und die elektrischen Kontakte auf einer dem Halbleiterkörper abgewandten Seite des Trägerkörpers angeordnet sind.
  14. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Anschlussstruktur und/oder die zweite Anschlussstruktur mittels einer auf dem Trägerkörper ausgebildeten Schicht gebildet ist.
  15. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial enthält.
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VAN RIESEN, S. [u.a.]: GaAs-Monolithically Interconnected Modules (MIMS) with an Efficiency above 20%. In: Proceedings of the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2004, S. 150 – 153.

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