TW201813051A - 不具實體隔離之用於多單元裝置的方法和結構 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於製造在一共同的基板上之多單元的裝置，其係比單一單元裝置更為所想要的，尤其是在光伏應用中。多單元的裝置係以較低的電流、較高的輸出電壓、以及較低的內部功率損失來操作。習知技術的多單元的裝置係使用實體隔離以達成在單元之間的電性隔離。為了在一共同的基板上製造一種多單元的裝置，該些個別的單元必須是彼此電性隔離開。在該習知技術中，隔離一般都需要在該些單元之間產生一實體介電阻障，此係增加製程的複雜度及成本。所揭露的發明係在無實體隔離下來達成電性隔離，其係藉由交指的接面之適當的定向以使得存在於該交指區域中的擴散場實質避免一將會是與該裝置的輸出相反的顯著的寄生電流之形成。

Description

不具實體隔離之用於多單元裝置的方法和結構
所揭露的發明係有關於在一共同的基板上之多單元光伏半導體裝置。
多個單石單元在一其中產生大的光電流之共同的基板上的使用是比相同的面積被製造為單一單元或是多個互連的單一單元裝置更為所期望的。單石多單元結構的使用係降低輸出電流，並且以在一串聯的串中連接的單元數目線性地增加輸出電壓。因為內部電阻的損失係成比例於該電流的平方而被降低，因此在高位準的照明下的多單元裝置中的整體內部的功率損失係大為降低。
在多單元裝置於一共同的基板上的製造中，個別的單元必須彼此電性隔離開。在習知技術中，電性隔離係藉由在該些單元之間使用實體介電阻障而被產生，其係增加製造成本及複雜度。在此所述的本發明係提供可以在無使用實體隔離下形成在一共同的基板上之多個二極體串。所揭露的發明並不需要使用一實體隔離阻障以達成在一多單元的單石裝置中的單元之間的電性隔離。本發明係可應用於包含半導體材料的裝置，其中二極體可以利用離散的PN接面來加以製造。
在習知技術中，多單元的裝置係利用實體溝槽以達成在單元 之間的電性隔離。大多數實際的溝槽製程都需要納入多個磊晶層到一多單元的裝置中。對於多個磊晶層的需求係在該溝槽製造成本之外進一步增加處理成本，並且其實施一般需要高度熟練的技術專家之參與，因為該多個磊晶層係具有複雜的製造要求。
本發明係使得一種多單元的裝置能夠在不需要介電溝槽來隔離個別的PN接面單元下加以製造。每一個別的PN接面單元係包含在該P型及N型材料之間，由於藉由光子的吸收所產生的電洞與電子以及產生自其藉由該P及N區域收集的濃度梯度而形成的一吸收區域以及一擴散場。為了在本發明的此說明中以及在該申請專利範圍中的單純性之目的，該術語"擴散場"係被用來概述且包含由於載子藉由光子的產生以及載子藉由該擴散過程至該些收集區域的運動所發生的所有載子運動。該擴散過程的發生是因為一如同少數載子的情形之濃度梯度、或是如同多數載子的情形之電荷中和的需求。在本發明中，干擾或是阻擋該寄生電流(其係為多數載子電流)之確切的機構係和該擴散場相關的，因為實驗係展示在其中該電極方位是在錯誤的方向上的情形中，該寄生電流的干擾或阻擋並不會發生。該電洞與電子係藉由在該P型及N型材料上的歐姆接點來加以收集，並且產生一輸出光電流以及一橫跨該PN接面單元的順向偏壓電壓。該多單元的裝置係依賴交指的PN接面單元的一圖案，該些PN接面單元係為了有效率的收集光產生的載子而以端至端的配置來加以設置。電性隔離係藉由用以下的此種方式配置多個PN接面單元來加以達成：藉由橫跨該些PN接面單元的光電流流動或是順向偏壓電流流動所產生的該些擴散場係垂直於 在PN接面單元之間的總電流流動的方向、由在該多單元的歐姆接點至該些吸收體區域之間的電壓差所產生的電場方向、以及在該多單元的裝置的兩個外部的連接之間的寄生電流流動的方向。因此，在該多單元的裝置的輸出以及該多單元的裝置的輸入之間的方向上之任何寄生的電流及電場對於藉由該些PN接面單元所產生的光電流都具有可忽略的影響，這是因為介於兩者之間的橫向關係之緣故。此橫向關係電性隔離該些單元。
此實施方式的一優點是對於在一共同的基板上產生一種多單元的裝置之較低的製造複雜度。其係提供在不使用磊晶技術及溝槽隔離下產生一種多單元的裝置之唯一所知的方式。本發明可被利用在一具有接面單元被設置於其中的一薄的磊晶層的半絕緣基板上之多單元的裝置的製造中，其係容許吸收能夠靠近到該些收集的接面單元。該簡單的磊晶層係遠比該實體溝槽製程所需的該些磊晶層較不複雜而且較不昂貴的。
在本發明在此的說明中，該術語二極體係指習知的光伏的情形，其中在N型及P型材料上具有歐姆接點之裝置中係有一用於吸收光子的吸收區域，並且其亦指其中在該裝置內有多個交替的N型及P型歐姆接點至一吸收區域的情形。後者的情形通常是被稱為一種交指的(interdigitated)結構，其中多個N型歐姆接點係在該交指的結構的一第一端連接至一第一共同的匯流條(bus bar)配置，並且多個P型歐姆接點係在與該交指的結構的該第一端相對的該交指的結構的一第二端連接至一第二共同的匯流條配置。一交指的結構一般是被採用來增加光產生的載子之收集效率，因為該結構的設計佈局係最小化一載子在該些歐姆接點處被收集之前所必須漂移的距離。
一種在單元之間無實體隔離下加以製造之多單元的裝置係呈現非所要的寄生電流，該些寄生電流係被概要地表示為在該多單元的裝置的單元之間的一電阻性連接。大約一半的重度摻雜的交指區域是與該吸收體相同的極性，並且被用來與其形成一歐姆接點。另一半的重度摻雜的交指區域是與該吸收體相反的極性，此係形成該單元二極體。在無實體隔離下，至該共同的基板的歐姆連接係形成可能的寄生電阻性路徑。在無本發明所敘述的方法下，此寄生的路徑將會傳導一與該裝置之所要的輸出相反的電流。
所揭露的發明係使用以一種配置加以置放之交指的PN接面單元的一圖案，藉此可以是光產生或是偏壓產生的該些擴散場係作用以電性隔離該些個別的接面單元，藉此在個別的接面單元之間無實體隔離下產生一種多單元的裝置。該些PN接面單元可以藉由擴散、離子植入或是台面(mesa)蝕刻來加以形成。明確地說，在該些交指的接觸區域之間的該些擴散場及電流係被導引成垂直於從單元至單元通過該裝置的電流流動方向。藉由根據本發明的裝置所達成的隔離已經利用製造出的裝置，根據實驗地加以證明。當擴散場係垂直於寄生電流的路徑加以形成時，該寄生電流的影響係被最小化，並且電性隔離係大致等同於由實體隔離所提供者。然而，在一非所要的替代配置中，在該些交指的接觸接面區域之間的場及電流係被定向成平行於從單元到單元通過該裝置的電流流動的方向，因而平行於該寄生的電阻性路徑。在此種非所要的配置中，該些交指區域將會傳導一與該裝置之所要的輸出相反的大電流，因而該裝置並不作用為一種多單元的裝置。
所揭露的發明係提供用於在一基體非磊晶基板中達成多單元的功能之唯一已知的手段，而不須走向大為薄化該基板並且在其中形成溝槽的極端。
在較佳實施例中，該基板係從由一均質基體半導體材料、具有一磊晶層的一基板、以及具有一薄磊晶層的一半絕緣材料所構成的群組中加以選出。
在較佳實施例中，PN接面進一步被形成在該基板上的一磊晶層中，使得光子吸收發生在靠近一收集接面處用以最小化再結合損失。
在較佳實施例中，藉由將該PN接面的一長度製造成比相鄰單元的一間隔還長，在該基板中的一寄生電阻進一步被增加。
100‧‧‧多單元裝置
110‧‧‧P型吸收區域
112‧‧‧P型吸收區域
114‧‧‧P型吸收區域
116‧‧‧半絕緣基板起始晶圓
118‧‧‧二氧化矽
120‧‧‧金屬化層
122‧‧‧P+歐姆接點區域
124‧‧‧N+歐姆接點區域
126‧‧‧單元
128‧‧‧溝槽
130‧‧‧金屬化層
132‧‧‧P+歐姆接點區域
134‧‧‧N+歐姆接點區域
136‧‧‧單元
138‧‧‧溝槽
140‧‧‧金屬化層
142‧‧‧P+歐姆接點區域
144‧‧‧N+歐姆接點區域
146‧‧‧單元
150‧‧‧金屬化層
200‧‧‧多單元裝置
220‧‧‧金屬化
225‧‧‧單元
230‧‧‧金屬化
235‧‧‧單元
240‧‧‧金屬化
245‧‧‧單元
250‧‧‧金屬化
255‧‧‧單元
260‧‧‧金屬化(寄生的回授電阻器)
280‧‧‧總電流流動
290‧‧‧擴散場
300‧‧‧多單元裝置
320‧‧‧外部連接
322‧‧‧單元
330‧‧‧匯流條
332‧‧‧單元
340‧‧‧匯流條
342‧‧‧單元
350‧‧‧匯流條
352‧‧‧單元
360‧‧‧外部連接
380‧‧‧總電流流動
390‧‧‧擴散場電流流動
本發明的這些及其它特徵、特點及優點參照以下的說明、所附的申請專利範圍以及所附的圖式將會變成更佳的理解，其中：圖1A係描繪採用在單元之間提供實體隔離的溝槽之習知技術的多單元裝置之橫截面圖；圖1B係描繪該多單元裝置之一等效的示意表示圖：圖2A係描繪一種多單元裝置的佈局，其中一交指的圖案的方位並未提供藉由一橫向電場之有效的單元隔離；圖2B係描繪該多單元的裝置針對於在圖2A中所示的串之等效電路。
圖3A係描繪一種多單元裝置的佈局，其中一交指的圖案的方位確實提供藉由一橫向擴散場之有效的單元隔離；圖3B係描繪該多單元裝置之一等效電路圖；以及 圖4係描繪從一種無實體隔離並且具有一交指圖案的一方位配置之多單元裝置取得的實驗資料，該交指圖案的方位配置係提供藉由一橫向擴散場之有效的單元隔離。
轉到圖1A，圖1A係描繪在一半絕緣材料的基板上之一磊晶層。如同在圖1A中所示，習知技術在一共同的基板上之多單元裝置係需要該裝置藉由在單元之間形成一絕緣體或是一實體阻障來加以電性隔離。該基板材料之極高的電阻率係垂直地絕緣該單元。如同所描繪的，水平的絕緣通常是藉由切割溝槽以穿過一磊晶層而到該基板材料中來加以達成。
圖1A係描繪一種習知技術的多單元裝置100之橫截面圖，其係採用溝槽以用於在單元之間提供實體隔離。圖1B係描繪該多單元裝置100之一等效電路圖。圖1A係描繪形成在P型吸收區域110、112、114中的N+歐姆接點區域124、134、144以及P+歐姆接點區域122、132、142。這些區域原先是生長在一半絕緣基板起始晶圓116上的單一磊晶層。此種類型的高電阻率的材料之基板的使用係提供用於該些單元之垂直的隔離。如圖所示，該單一磊晶層已經藉由該些溝槽128、138而被區分成單元126、136、146。該溝槽係利用二氧化矽118而被襯墊，以提供水平的隔離以及頂表面的隔離。金屬化層120、130、140、150係提供用於該裝置100之外部及內部的連接。只有該串列的串連接被展示。在習知技術中有眾所周知的多單元的方法，其係利用溝槽128、138以及多個磊晶層，其係甚至比圖1A中所示的配置更複雜。此方法係利用通常是以一橫向的收集層著稱者。對照該習知技術的橫截面，本發明可以使用單一磊晶層，但是並不具有在溝 槽或是多層的磊晶製造中所牽涉到的複雜性。
轉到圖2A，圖2A係描繪一種多單元裝置200的接面佈局，其中一交指的圖案並未提供有效的電性或實體隔離。在該些單元225、235、245、255的擴散場290中的電流路徑以及總電流流動280是平行的，並且大致在和流過該裝置200之寄生的電流路徑以及該總電流流動280相同的方向上。該些單元係內部藉由金屬化230、240、250並且外部藉由金屬化220、260來加以邊緣到邊緣地連接。在圖2A中所示的串之等效的電路係被展示在圖2B中。在該寄生的回授電阻器260中的電流係劣化該裝置的輸出。此配置200並未提供隔離場，並且是無效的配置的一個例子。這是一種非常無效的隔離方法，並且給予劣質的結果。為了簡化起見，每個單元只展示有一對接面。然而，單元可以包括多個藉由匯流條連接之交指的接面。
轉到圖3A，圖3A係描繪根據所揭露的發明之一種多單元裝置300的俯視圖，其係藉由PN交指的接面之選擇性的設置及方位來提供有效的電性隔離。圖3A係描繪以一種串聯配置連接的四個單元322、332、342、352。該些單元322、332、342、352分別具有並聯連接的交指的接面。這些單元或子單元係藉由匯流條330、340、350來加以連接，以建立輸出電壓並且最小化內部的損失。該些單元係具有外部連接320、360。圖3B係描繪該多單元裝置300之一等效的電路圖。如同在圖3A中所繪，該擴散場電流流動390係垂直於該總電流流動380、一存在於該基板中的電場以及該寄生的路徑的方向。在無使用實體隔離下，該擴散場及擴散場電流流動390的此種垂直的方位係與在該基板中的電場相反，並且產生大致等同於由例如是溝槽的實體隔離所提供的電性隔離。
轉到圖4，圖4係展示根據所揭露的發明，在無實體隔離下被製造在一共同的基體基板上的一串五個二極體之順向及逆向的特徵。該三個曲線係從三個個別的二極體串加以產生的。所達成的電壓係和鍺材料之預期的順向電壓一致的。單一鍺二極體在順向偏壓中將會具有一大約200mV的電壓，因而如同在圖4中所示，根據實驗展示之來自該串二極體的大約1伏特的累計的電壓是將會是從一串五個電性隔離的二極體被偏壓在順向方向上所預期的。若電性隔離尚未被達成，則該被測試的串(在一共同的基板上)之輸出將會看起來像是單一被順向偏壓的二極體，其係具有一串聯的內部電阻器，而產生一較低的電壓輸出。
如同在此提供的本發明之說明係主要地根據一光伏裝置的操作，然而本發明並不限於光伏裝置，而是良好地等同適用於任何目的之一被順向偏壓的二極體串。
如在根據所記載技術之圖3A中被採用配置之功效以及在圖2中被採用配置之無效已經藉由實驗加以驗證。根據一實驗樣本，在藉由該習知技術的實體隔離以及由所揭露的發明提供之場致能的電性隔離之間，在效能上並沒有顯著的差異。一般而言，根據本發明的電性隔離係藉由提供一種交指的二極體配置來加以改善，其中在該單元的P+區域及該單元的N+區域之間的間隔距離”d”相對於該接面的長度”l”而言是小的。在該單元的P+區域及該單元的N+區域之間的一小的間隔距離”d”是較佳的，因而一高擴散場加以獲得。在一較佳實施例中，該間隔距離”d”標稱是5到50微米，並且該單元的長度”l”是該間隔距離”d”的至少十倍。概括而言，這些尺寸及其尺寸比例係提供一高的阻擋場及一弱的寄生的場。該 些單元322、332、342、352同樣具有一寬度”w”。
在嘗試於無實體隔離下改善一種在一基體基板上的多單元裝置之輸出電流的過程中，一些單元佈局係根據實驗地被測試。如同在圖3A及3B中所繪的佈局係獲得優異的結果，其中該裝置幾何係在單元之間無實體隔離下提供多單元的功能。在本發明的一較佳實施例中，該些個別的單元係藉由接面的一種交指的結構來加以形成，其中相似的接面係藉由匯流條來加以連接。在單元之間的匯流條連接係以一種方式交替在P與N之間以形成一個二極體串，該二極體串係具有一從開頭到結束的尺寸。在一單元內之個別的接面係具有一平行於該二極體串的從開頭到結束的尺寸的方向之長的尺寸。該些接面可以是藉由擴散、離子植入、蕭特基能障、或是其它已知的製程來加以形成。本發明的較佳實施例係替代地被敘述為一種在一共同的基板上之多個單元的裝置，其中每個單元的接面及歐姆接點區域係具有長的交指的指狀部之形式，並且這些指狀部之長的方向係平行於由該些指狀部中的某些個的歐姆接點至該共同的基板所形成之寄生的路徑的長的方向，並且這些指狀部之長的方向係平行於該二極體串之從開頭到結束的路徑。

Claims (22)

  1. 一種在無單元的實體隔離下對該些單元提供電性隔離之多單元裝置，其係包括：一基板；用於在該多單元裝置上的兩個外部連接之歐姆接點，該多單元裝置係具有一電位、一在該基板中的電場、以及一在該兩個外部連接之間的多單元電流流動；複數個單元，其被製造在該基板上並且彼此間隔開地，以便該些單元的側邊係相鄰的而在該些單元之間無實體隔離；該複數個單元的每個單元係包含一PN接面，以用於在該PN接面的P型材料以及N型材料之間致能一由光產生的載子或是偏壓產生的載子的存在所引起之擴散場，其中該P型材料及該N型材料呈交指狀；一匯流排結構，具有匯流排部分以承載該多單元電流流動，各匯流排部分自該複數個單元之一者的一第一側在該基板上延伸至該複數個單元之另一者的一相鄰側，以便該些單元並非實體地隔離；並且每個單元的該PN接面係被定向成使得在每個PN接面內的該擴散場相對於該多單元電流流動、一寄生電流流動、以及在該基板中介於該兩個外部連接之間的該電場係處於一垂直的方位，導致該些單元之間的電性隔離。
  2. 如申請專利範圍第1項之多單元裝置，其中該複數個單元的該PN接面係並聯連接的。
  3. 如申請專利範圍第1項之多單元裝置，其中該P型材料及該N型材料為矩形的並且介於該複數個單元的每個單元的該PN接面的一P+區域及一N+區域之間的一間隔係小於該複數個單元的每個單元的一長度而形成使得該擴散場為強大的。
  4. 如申請專利範圍第1項之多單元裝置，其中介於該複數個單元的每個單元的該PN接面的一P+區域及一N+區域之間的一間隔係小於該複數個單元的每個單元的一寬度。
  5. 如申請專利範圍第1項之多單元裝置，其中該些單元的每個PN接面的一長度係大於在各別單元的一P+區域及一N+區域之間的一間隔的10倍。
  6. 如申請專利範圍第1項之多單元裝置，其中該基板係從由一均質基體半導體材料、具有一磊晶層的一基板、以及具有一薄磊晶層的一半絕緣材料所構成的群組中加以選出。
  7. 如申請專利範圍第1項之多單元裝置，其中該多單元裝置是一光伏裝置。
  8. 一種用於在一多單元裝置中在無單元的實體隔離下對該些單元提供電性隔離之方法，其係包括：提供用於在該多單元裝置上的兩個外部連接之歐姆接點，該多單元裝置係具有一電位、一在一基板中的電場、以及一在該兩個外部連接之間的電流流動；在該基板上以一互連配置並且和彼此間隔開地製造複數個單元；形成該複數個單元的每個單元以包含一PN接面，該PN接面係具有一 由光產生的載子或是偏壓產生的載子的存在所引起之擴散場；以及定向每個單元的該PN接面，以使得在每個PN接面內的該擴散場單元係垂直於一多單元電流流動、一寄生電流流動、以及在該基板中介於該兩個外部連接之間的該電場，而在至少一對相鄰單元之間無實體隔離，用以實質地產生該等單元的所有隔離；並且提供一匯流排，延伸介於相鄰單元的對立側之間，用以承載該多單元電流流動。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該PN接面係藉由一從由擴散、離子植入以及台面蝕刻所構成的群組中選出的製程來加以形成。
  10. 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包括在該基板上的一磊晶層中形成PN接面，使得光子吸收係發生在靠近一收集接面處，以用於最小化再結合損失。
  11. 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包括藉由將該PN接面的一長度製造成比相鄰單元的一間隔還長，來增加在該基板中的一寄生電阻。
  12. 一種在無單元的實體隔離下對該些單元提供電性隔離之多單元裝置，其係包括：用於在該多單元裝置上的兩個外部連接之歐姆接點，該多單元裝置係具有一電位、一在一基板中的電場、以及一在該兩個外部連接之間的電流流動；複數個單元，製造在該基板上，該等單元係彼此間隔開並且藉由延伸介於相鄰單元的對立側之間的一各別匯流排而互連；該複數個單元的每個單元係具有一由光產生的載子或是偏壓產生的載 子的一存在所引起之擴散場；以及每個單元係被配置且定向成對其它單元提供電性隔離，其中該擴散場係垂直於一多單元電流流動、一寄生電流流動以及在該基板中介於該兩個外部連接之間的該電場。
  13. 如申請專利範圍第12項之多單元裝置，其中該複數個單元相對於在該基板中的該電場之方位係對該複數個單元的每個單元提供電性隔離。
  14. 如申請專利範圍第12項之多單元裝置，其中介於該複數個單元的每個單元的該P+區域以及該N+區域之間的一間隔係小於各別單元的一長度。
  15. 如申請專利範圍第12項之多單元裝置，其中介於該複數個單元的每個單元的該P+區域及該N+區域之間的一間隔係小於各別單元的一寬度。
  16. 如申請專利範圍第12項之多單元裝置，其中該複數個單元的每個單元的一長度係大於在該單元的一P+區域及一N+區域之間的一間隔的10倍。
  17. 一種多單元裝置，其係包括：一基板；第一歐姆接點和第二歐姆接點，其在該基板上以用提供外部連接，而在該第一歐姆接點和該第二歐姆接點之間具有一電流流動；第一匯流條和第二匯流條，其在該基板上，而分別被直接地連接至該第一歐姆接點和該第二歐姆接點；第一單元和第二單元，其在該基板上且分別被直接地連接至該第一匯流條和該第二匯流條，每個單元具有呈交指狀的複數個延長的P型區域和 複數個延長的N型區域，以形成複數個PN接面；以及在該基板上的至少一個中間匯流條，延伸介於該第一單元的一第一側及該第二單元的一相鄰側之間，其中該些PN接面被定向且配置成提供一擴散場，其對該些單元提供電性隔離。
  18. 如申請專利範圍第17項之多單元裝置，其進一步在該第一單元和該第二單元之間包括複數個單元在該基板上，其中該至少一個中間匯流條是複數個匯流條，而該些匯流條中的一個匯流條被連接在相鄰單元之間。
  19. 一種半導體裝置，其係包括：一基板；第一匯流條，其在該基板上，該第一匯流條沿著一第一軸延伸；第一單元，其在該基板上，而被直接地連接至該第一匯流條的一第一側；及第二單元，其在該基板上，而被直接地連接至該第一匯流條的一第二側，使得該第一匯流條自該第一單元延伸至該第二單元；其中每個單元具有沿著一第二軸呈交指狀的複數個延長而連續的P型區域和複數個延長而連續的N型區域，該第二軸係垂直於該第一軸，該P型區域及該N型區域具有一小的間隔距離，以形成複數個PN接面，其沿著該第二軸產生一高擴散場對該第一單元和該第二單元提供電性隔離，而該些單元不具有實體隔離。
  20. 如申請專利範圍第19項之半導體裝置，其進一步包括被連接至該第一單元的一第二匯流條，以及被連接至該第二單元的一第三匯流條。
  21. 如申請專利範圍第20項之半導體裝置，其進一步包括一第三單元在該基板上，而被連接至該第三匯流條，其中該第三單元具有呈交指狀的複數個P型區域和複數個N型區域，以形成複數個PN接面，該複數個PN接面被定向且配置成對該第三單元提供電性隔離，而不具有實體隔離。
  22. 如申請專利範圍第20項之半導體裝置，其進一步包括被連接至該第二匯流條的一第一歐姆接點，以及被連接至該第三匯流條的一第二歐姆接點，以用提供外部連接，而在該第一歐姆接點和該第二歐姆接點之間具有一電流流動。
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