用于无需物理隔离的多电池单元器件的方法和结构的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本公开涉及在公共衬底上的多电池单元光电半导体器件。在产生大量光电流的公共衬底上使用多个单片电池单元相比于在相同面积被制造为单电池单元或多个互连的单电池单元器件是更期望的。使用单片多电池单元构造通过连接成串联串的多个电池单元线性地增加了输出电压并且降低了输出电流。由于内阻，损耗与电流平方成比例减小，在高水平照明中多电池单元器件的整体内部功率损耗大大降低。
[0002]在公共衬底上的多电池单元器件的制造中，各个电池单元必须彼此电隔离开。在现有技术中，通过使用电池单元之间的物理电介质阻挡形成电隔离，这增加了制造成本和复杂性。本文描述的发明提供了可以在公共衬底上形成的多个二极管串，而无需使用物理隔离。本公开的发明不需要使用物理隔离阻挡来实现多电池单元单片器件中的各电池单元之间的电隔离。本发明适合用于包含半导体材料的器件，其中二极管可以制造为分立的P和N结。
[0003]在现有技术中，多电池单元器件使用物理沟槽来实现各电池单元之间的电隔离。最实用的沟槽制造工艺需要并入多个外延层到多电池单元器件中。对多个外延层的需求进一步增加了超出沟槽成本的工艺成本，而且因为多个外延层具有复杂的制造要求，其实现一般需要高技能的技术人员的参与。
【发明内容】
[0004]本发明使得制造多电池单元器件无需电介质沟槽来隔离各个P-N结电池单元。每个个体P-N结电池单元包括由于吸收光子产生的电子和空穴和由于它们被P区和N区收集导致的浓度梯度形成的P型材料和N型材料之间的扩散场和吸收区。为了简化本发明的说明书和权利要求，术语“扩散场”用于总结和包括由于光子产生载流子和通过扩散过程载流子运动到收集区导致的所有载流子运动。扩散过程由于浓度梯度(如少数载流子的情况)或者电荷中性的要求(如多数载流子的情况)而发生。本发明的确切的机制是干扰或阻断作为多数载流子电流的寄生电流，该机制与扩散场有关，因为实验显示寄生电流的干扰或阻断在其中电极定向为错误的方向的情况下不发生。由欧姆接触在P型材料和N型材料上收集空穴和电子，并导致跨越P-N结电池单元的正向偏置电压和输出光电流。多电池单元器件依赖于以端至端结构布置的叉指P-N结电池单元图案，以用于有效收集光生载流子。电隔离通过如下方式配置多个P-N结电池单元来实现:由跨P-N结电池单元的正向偏置电流流动或光电流流动产生的扩散场横向于P-N结电池单元之间的总电流流动的方向、由多电池单元欧姆接触和吸收区之间的电压差产生的电场的方向、多电池单元器件的两个外部连接之间的寄生电流流动的方向。因此，在多电池单元器件输出和多电池单元器件输入之间的方向的任何电场和寄生电流具有在由P-N结电池单元生成的光电流上可忽略的影响——这是由于它们之间的横向关系。该横向关系电隔离电池单元。
[0005]这种实现的一个优点是在公共衬底上生产多电池单元器件的较低的制造复杂性。它提供了无需使用外延技术和沟槽隔离的产生多电池单元器件的唯一已知的方式。本发明可以使用于制造具有薄外延层的半绝缘衬底上的多电池单元器件中，其中设置了结电池单元，从而允许靠近集电结电池单元的吸收。这个简单的外延层比需要物理沟槽工艺的外延层具有小得多的复杂度和更少的花费。
[0006]在本发明的描述中，术语二极管指的是常规的光电实例，其中具有吸收区用于在具有N型和P型材料上的欧姆接触的器件中吸收光子，也指的是具有多个交替N型和P型欧姆接触到器件内的吸收区的实例。后面的实例通常指的是叉指结构，其中多个N型欧姆接触在叉指结构的第一端部处连接到第一公共汇流条结构，多个P型欧姆接触在与叉指结构的第一端部相对的叉指结构的第二端部处连接到第二公共汇流条结构。因为结构的设计布局最小化载流子在它被在欧姆接触处收集前必须漂移的距离，叉指结构通常用于提高光生载流子收集效率。
[0007]无需电池单元之间物理隔离制造的多电池单元器件呈现了示意为多电池单元器件的电池单元之间的电阻性连接的不期望的寄生电流。大约一半的重掺杂叉指区与吸收区的极性相同并被用于形成与它的欧姆接触。另一半重掺杂叉指区与吸收区的极性相反，形成了电池单元二极管。到公共衬底的欧姆连接形成在无物理隔离时的潜在寄生电阻性路径。没有如本发明描述的方法，该寄生路径将传导与器件的期望输出相反的电流。
[0008]本公开的发明使用位于扩散场的结构中的叉指P-N结电池单元图案，其中光产生的或偏置产生的扩散场可以用于电隔离各个结电池单元从而形成无需个体结电池单元之间的物理隔离的多电池单元器件。P-N结电池单元可以通过扩散、离子注入或台面刻蚀形成。具体地，叉指接触区之间的电流和扩散场垂直定向于电流从电池单元到电池单元流动穿过器件的方向。根据本发明的器件实现的隔离已经通过制造的器件实验证实。当扩散场形成为垂直于寄生电流的路径时，寄生电流的影响被最小化并且电隔离接近等于由物理隔离提供的隔离。然而，在不期望的替换结构中，叉指接触结区之间的电流和场被定向为平行于电流从电池单元到电池单元流动穿过器件的方向并平行于寄生电阻性路径。在该不期望的结构中，叉指区将传导与器件的期望的输出相反的大电流，而器件不再充当多电池单元器件。
[0009]本公开的发明提供了无需极大地减薄衬底并在其中形成沟槽的用于实现体块非外延衬底中的多电池单元功能的唯一已知的方式。
【附图说明】
[0010]通过参考如下描述、附加的权利要求和附图，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中:
[0011]图1A示出了使用沟槽用于提供电池单元之间的物理隔离的现有技术的多电池单元器件的截面图；
[0012]图1B示出了多电池单元器件的等效示意图；
[0013]图2A示出了多电池单元器件的布局，其中由于横向电场，叉指图案的定向不能提供有效的电池单元隔离；
[0014]图2B示出了图2A所示的串的多电池单元器件的等效电路。
[0015]图3A示出了多电池单元器件的布局，其中由于横向扩散场，叉指图案的定向提供了有效的电池单元隔离；
[0016]图3B示出了多电池单元器件的等效示意图，和；
[0017]图4示出了从多电池单元器件获取的实验数据，该多电池单元器件没有物理隔离，具有通过横向扩散场提供有效电池单元隔离的叉指图案的定向结构。
【具体实施方式】
[0018]转向图1A，图1A示出了半绝缘材料的衬底上的外延层。如图1A所示，现有技术中在公共衬底上的多电池单元器件需要通过形成电池单元之间的物理阻挡或绝缘体来使器件电隔离。衬底材料极高的电阻率垂直地绝缘电池单元。如所示出的，水平绝缘通常通过切割沟槽穿过外延层进入衬底材料来实现。
[0019]图1A示出了使用沟槽以提供电池单元之间的物理隔离的现有技术的多电池单元器件100的截面图。图1B示出了多电池单元器件100的等效示意图。图1A示出了在P型吸收区110、112、114中形成的N+欧姆接触区124、134、144和P+欧姆接触区122、132、142。这些区原本是在半绝缘衬底初始晶片116上生长的单外延层。使用这种高电阻率材料的衬底为电池单元提供了垂直隔离。如图所示，单外延层被沟槽结构128、138分成电池单元126、136、146。这些沟槽内衬有二氧化硅118以提供水平隔离和顶表面隔离。金属化层120、130、140、150提供用于器件100的外部连接和内部连接。仅示出了串联串连接。众所周知，现有技术中的多电池单元方法利用甚至比图1A所示的结构更复杂的多个外延层和沟槽128、138。该方法使用了通常称之为横向收集层。与现有技术的横截面相反，本发明可以使用单外延层，但是不涉及沟槽或多层外延制造的复杂性。
[0020]转向图2A，图2A示例了多电池单元器件200的结布局，其中叉指图案不提供有效的电隔离或物理隔离。电池单元225、235、245、255的扩散场290中的电流路径和总电流流动280平行并且大体上与流过器件200的输出电流280和寄生电流路径的方向相同。电池单元通过金属化230、240、250内部地边缘到边缘连接，通过金属化220、260外部边缘到边缘连接。图2B中示出了用于图2A所示的串的等效电路。寄生反馈电阻260中的电流没有被抵抗，这会降低器件的输出。该结构200不提供隔离场并且是无效结构的一个例子。这是非常无效的隔离方法并给出较差的效果。为简单起见，每个电池单元只示出了一对结。然而，电池单元可以包括由汇流条连接的多个叉指结。
[0021]转向图3A，图3A示出了通过选择放置和定向P-N叉指结