專利名稱：用于形成了至少一個通孔的半導體結構的方法和設備的制作方法
用于形成了至少一個通孔的 半導體結構的方法和設備相關申請的交叉引用在此將Korevaar和Johnson的名稱為"METHOD AND APPARATUS FOR A SEMICONDUCTOR STRUCTURE (用于半導體結構的方法和設備)，，的非臨時申請no._ (代理巻號No. 218409-1 )全文引入以供參考。技術領域文中描述的實施例總體上涉及一個或多個太陽能模塊。更具體而 言，所述實施例涉及基于至少一個形成了至少一個通孔的半導體結構 的一個或多個太陽能模塊。憶"依托異質結的存在的器件是本領域公知的。就文中的使用情況而 言，"異質結"通常由具有某種導電類型(例如，P型)的層或區(qū)域與 具有相反導電類型(例如，n型)的層或區(qū)域之間的接觸形成，由此 形成了"p-n"結。這些器件的例子可以包括薄膜晶體管、雙極晶體管和 光生伏打器件(即太陽能電池)。一般來講，光生伏打器件將諸如太陽光輻射、白熱輻射或熒光輻 射的輻射轉化為電能。太陽光是大多數(shù)器件的典型輻射源?？梢酝ㄟ^ 公知的"光生伏打效應"實現(xiàn)電能的轉換。根據(jù)這一現(xiàn)象，落在光生伏 打器件上的輻射能夠進入器件的吸收器區(qū)域，從而生成電子空穴對， 有時將其統(tǒng)稱為光生電荷栽流子。 一般而言，電子和空穴在吸收器區(qū) 域內擴散，并在接觸位置匯集。人們對于太陽能電池這種清潔的可再生能源的可靠形式具有越來 越高的興趣，因而在提高電池性能方面做了大量工作。典型地， 一種 提高電池性能的方式是提高器件的光電轉換效率。通常以器件生成的 電流量與落在其有源表面區(qū)域上的光能的比率衡量轉換效率。典型的 光生伏打器件在模塊級別上只能顯示出大約15%或更低的轉換效率。光電轉換效率的小幅提高，例如，1%或不足1%都意味著光生伏打技 術的重大進步。為了提高光生伏打轉換效率，可以使促進電池效率降低的各種條 件降至最低。兩種這樣的促進總電池效率的降低的不利影響可以包括 電荷載流子復合和陰影損耗。因此， 一般來講，如果在這些方面之一 或在所有的這些方面都有所改進，將提高光生伏打轉換效率，在下文 中將對此做進一步說明。光生伏打器件的性能可能在很大程度上取決于每一半導體層的成 分和微結構。例如，由結構缺陷或雜質原子引起的缺陷可能存留在單 晶半導體層的表面上或其主體內部，并且可能促進電荷載流子復合。 此外，多晶半導體材料含有具有隨機取向的晶粒，晶粒邊界將引發(fā)大 量的體缺陷和表面缺陷。這種類型的各種缺陷的存在可能是光生伏打器件中的不利影響的 來源。例如，很多電荷載流子在靠近異質結的缺陷部位復合，而不是 按照其既定的路徑繼續(xù)前往集電極。因此，它們可能變成電流載流子 的損失。電荷載流子的復合可能是光電轉換效率降低的主要因素之可以通過鈍化技術在某種程度上使表面缺陷的負面影響降至最 低。例如，可以在襯底表面上形成一層本征(即非摻雜)非晶半導體 材料。 一般來講，這一本征層的存在減少了電荷載流子在襯底表面處 的復合，由此提高了光生伏打器件的性能。盡管本征層的引入可以在某種程度上解決復合問題，但是仍然存 在某些不可忽視的缺點。例如，本征層的存在盡管在某些方面有利， 但是可能導致另一個界面的形成，即，處于本征層和上覆的非晶層之 間的界面。這一新的界面又可能成為另 一 陷獲并累積雜質和亂真污染 物的部位，并且可能導致電荷載流子的額外復合。例如，在多層結構 的制造過程中，淀積步驟之間的中斷可能為污染物的進入創(chuàng)造機會， 這是我們不希望看到的。此外，由于帶隙的變化而導致的界面處的陡 峭的能帶彎曲可能導致高密度的界面狀態(tài)，這是另一種可能的復合 源。除了與電荷載流子復合問題相關的設計考慮之外，還應當考慮陰 影效應，其也可能制約器件性能。陰影效應泛指由光生伏打器件的前表面上相對大的匯流條的存在導致的陰影。匯流條通常起著器件的一 個導電電極的作用。不利的是，由于在器件的前表面上放置匯流條， 可能在接觸區(qū)內阻擋相當大的一部分入射光線。通常將所述光遮擋稱 為"暗影"或"陰影"。陰影阻礙了由有源材料構成的下方區(qū)域接收入射 輻射，從而減少了電荷栽流子的生成。顯然，電荷載流子的減少能夠 降低光生伏打器件的效率。此外，在器件的正面具有接觸可能提高模塊制造的復雜性。通常， 模塊可能包括很多器件。與所述正面具有接觸的器件通常還具有位于 背面的接觸。處于器件兩面上的接觸可能提高模塊制造的復雜性，并 由此提高其造價?？紤]到這些問題，改進的光生伏打器件一定會在本領域大受歡 迎。所述器件應當使半導體層之間的各個界面區(qū)域內的電荷載流子復 合問題以及與(例如)由相對大的正面接觸導致的陰影相關的問題最 小化。此外，所述器件應當顯示出確保良好的光生伏打性能，例如良 好的光電轉換效率的電特性。發(fā)明內容半導體結構的一個示范性實施例可以包括(a) 具有一種導電類型的半導體襯底，其具有前表面和后表面， 并且包括穿過所述半導體襯底的至少一個通孔，其中，采用導電材料 填充所述至少一個通孔；以及(b) 設置在所述半導體襯底的前表面或后表面的至少一部分上的 半導體層，其中，就一種或多種所選的摻雜劑而言，所述半導體層在其深度范圍內是成分遞變的，并且將所述導電材料配置為將所述半導 體層電連接至設置在所述襯底的所述表面上或上方的至少一個接觸。 半導體結構的另 一示范性實施例可以包括(a) 具有一種導電類型的半導體襯底，其具有前表面和后表面， 并且穿過所述半導體村底形成了至少一個通孔；以及(b) 設置在所述半導體襯底的前表面和后表面的至少一部分上的 半導體層，其中，就一種或多種所選的摻雜劑而言，所述半導體層在其深度范圍內是成分遞變的。半導體結構的又一示范性實施例可以包括(a) 具有一種導電類型的半導體襯底，其具有前表面和后表面， 并且穿過所述半導體襯底形成了至少一個通孔，其中，采用導電材料 填充所述至少一個通孔；(b) 設置在所述半導體襯底的前表面上的作為半導體層的第一 層，其中，就一種或多種所選的摻雜劑而言，所述第一半導體層在其 深度范圍內是成分遞變的，所述第一層包括n型或p型納米晶體材料、n型或p型微米晶體材料、n型 或p型多晶材料、n+或p+外延層或其組合； n型或p型非晶層； 本征層；a-Si:H、 a-SiC:H、 a-SiGe:H或其組合；或者 iac-Si:H、 iuc-SiC:H、 ju c-SiGe:H或其組合；(c) 設置在所述半導體襯底的后表面的區(qū)域上的作為絕緣層的第 二層，其中，所述第二絕緣層包括絕緣材料；以及將所述導電材料配置為將所述半導體層電連接至設置在所述村底 的所述表面上或上方的至少一個接觸。又一示范性實施例是一種制作光生伏打器件的方法。所述方法可 以包括具有任意順序的下述步驟(I) 將第一半導體層設置在半導體襯底的前表面上，其中，就一 種或多種所選的摻雜劑而言，所述第一半導體層任選在其深度范圍內 是成分遞變的，所述第一半導體層包括納米晶體材料、微米晶體材料、 多晶材料、n+外延層或非晶層。(II) 將第二半導體層設置在位于所述半導體襯底的所述后表面的至少一個第一區(qū)域上；(III) 將第三半導體層設置在所述半導體襯底的所述后表面的至少 一個第二區(qū)域上，其中，所述第三半導體層在其深度范圍內是成分遞 變的，即，在與襯底之間的界面處基本是本征的，由此遞變至在相對側基本導電；(IV) 形成穿過襯底的多個通孔；(V) 采用導電材料填充所述多個通孔中的每者；(VI) 在所述第二半導體層上形成至少一個正面接觸；以及(VII) 在所述第三半導體層上形成至少一個背面接觸。又一實施例是一種半導體結構，其可以包括(a) 具有一種導電類型的半導體襯底，其具有前表面和后表面， 并且穿過所述半導體襯底形成了至少一個通孔，其中，采用導電材料 填充所述至少一個通孔；(b) 設置在所述半導體襯底的前表面上的作為半導體層的第一 層，其中，就一種或多種所選的摻雜劑而言，所述第一半導體層在其 深度范圍內是成分遞變的，所述第一層包括n型或p型納米晶體材料、n型或p型微米晶體材料、n型 或p型多晶材料、n+或p+外延層或其組合； n型或p型非晶層； 本征層；a-Si:H、 a-SiC:H、 a-SiGe:H或其組合；或者 juc隱Si:H、 jnc-SiC:H、 ju c-SiGe:H或其組合；層的第二層，其中，所述第二半導體層^"括半導電^料；以及' 將所述導電材料配置為將所述半導體層電連接至設置在所述襯底的所述表面上或上方的至少一個接觸。又一示范性實施例是一種半導體結構，其可以包括(a) 具有一種導電類型的半導體襯底，其具有前表面和后表面， 并且穿過所述半導體村底形成了至少一個通孔，其中，采用導電材料 填充所述至少一個通孔；(b) 設置在所述半導體襯底的前表面上的作為半導體層的第一 層，其中，就一種或多種所選的摻雜劑而言，所述第一半導體層在其 深度范圍內是成分遞變的，所述第一層包括n型或p型納米晶體材料、n型或p型微米晶體材料、n型 或p型多晶材料、n+或p+外延層或其組合； n型或p型非晶層； 本征層；a-Si:H、 a-SiC:H、 a-SiGe:H或其組合；或者 yc-Si:H、 MC-SiC:H、 ju c-SiGe:H或其組合；(c) 所述半導體襯底包括擴散到所述后表面內的摻雜區(qū)；以及 將所述導電材料配置為將所述半導體層電連接至設置在所述襯底的所述表面上或上方的至少一個接觸。一般地，文中討論的實施例能夠提供鈍化技術，從而使表面缺陷 的負面影響降至最低，并且所述實施例能夠具有更小的吸收系數(shù)，從 而使結構內的損耗性光吸收降至最低。具體地，晶體硅的吸收系數(shù)通 常比非晶硅的吸收系數(shù)小得多。因此，利用晶體硅層能夠使更多的光 在為器件性能起作用的區(qū)域內得到吸收。這些實施例還可以提供場效應，從而使電荷載流子的復合降至最低。具體地，器件中的n+或p+擴 散區(qū)能夠有效地使少數(shù)載流子離開表面。在半導體結構內結合這樣的 場能夠排斥少數(shù)載流子。或者，可以將成分遞變層結合到所述結構內， 從而避免了與采用單獨的分立本征層和導電層相關的缺點。此外，本 發(fā)明還能夠提供抗反射特性，以提高器件性能。 一種這樣的增強抗反 射的示范性特性是紋理化。通常優(yōu)選使半導體結構的正面具有紋理。 因此，可以預期半導體結構的層具有低吸收、良好的鈍化和抗反射特 性。此外，在半導體結構的背面設置正面和背面接觸能夠降低成本，提高設計靈活性。


在閱讀了下述詳細說明并參考了附圖之后，本發(fā)明的優(yōu)點和特征 將變得顯而易見，其中圖1是示出了根據(jù)一個示范性實施例的包括多個半導體結構的模 塊的示意圖。圖2是示出了根據(jù)一個示范性實施例的半導體結構的示意性截面圖。圖3是示出了根據(jù)另一個示范性實施例的半導體結構的示意性截 面圖。圖4是示出了根據(jù)又一個示范性實施例的半導體結構的示意性截 面圖。圖5是示出了根據(jù)又一個示范性實施例的半導體結構的示意性截 面圖。圖6是如圖2所示的半導體結構的前表面的正面平面圖。
具體實施方式
如圖1所示，太陽能電池模塊50的一個示范性實施例可以包括 多個半導體結構或光生伏打器件100。盡管示出了結構100，但是也 可以獨立地利用(例如)文中描述的其他結構。如圖2所示，示范性半導體結構100可以包括半導體襯底120、 第一半導體層200、第二半導體層220、第三半導體層230、第四半導 體240、至少一個電接觸270、透明導電層304和多個金屬圖案310。 通常，半導體結構100可以包括正面104和背面106,并且可以包括 或形成至少一個通孔或多個通孔110。典型地，所述多個通孔110貫 穿層304和200、襯底120,并且分別貫穿層220和240。希望半導體 結構100形成第一通路孔114和第二通路孔116。在一個示范性實施 例中，采用諸如鋁(Al)、銀(Ag)或銅(Cu)的導電材料118填充 多個通孔110。半導體村底120可以包括前表面124和后表面132。此外，后表 面132可以由至少一部分136界定，其可以包括一區(qū)域即第一區(qū)域 142、另一區(qū)域即第二區(qū)域148以及又一區(qū)域即第三區(qū)域154。通常， 使位于4十底120和通孔114之間的界面160連同處于所述至少一個通 孔110和半導體襯底120之間的其他類似界面一起鈍化，從而使電荷 載流子復合降至最低。襯底120通常具有大約50微米到大約600微 米的厚度。襯底120可以是諸如單晶材料或多晶材料的晶體硅，其包 括一種或多種摻雜劑，例如p型或n型，具體部分取決于對太陽能電 池模塊50的電要求。通常，單晶襯底包括大的單晶，其可以包括一 個以上的晶體，只要每一晶體得到充分的尺寸設置，從而使電子和空 穴不會在層內經歷任何晶粒邊界即可。多晶材料具有大晶粒，但是每 一晶粒的寬度通常小于襯底120的厚度。本領域技術人員通曉有關所 有的這些類型的硅襯底的細節(jié)。希望襯底120是n型晶體硅。在圖2 所示的示范性實施例中，半導體襯底為n型晶體材料?？梢匀芜x使半 導體襯底的前表面和后表面帶有紋理，以增強光陷荻，在下文中將對 at匕予以討論。通常，在襯底120的前表面124上形成第一半導體層200。可以 在一定程度上影響第一半導體層200的厚度，從而使襯底120的前表 面124處的電荷載流子的復合降至最低。通常，層200的厚度小于等 于250埃左右。在某些特定情況下，層200可以具有處于大約50埃到大約300埃的范圍內的厚度?？梢栽跓o需不合適的操作的情況下確 定指定情況下最為適當?shù)暮穸?，例如，可以通過執(zhí)行與包括半導體結 構100的太陽能電池模塊50的光電轉換效率相關的測量，或者通過 確定所述結構自身的最佳厚度達到目的。通常，在半導體襯底120上的半導體結構100的正面上形成第一 半導體層200,其可以是非晶材料或晶體材料。所述晶體材料可以包 括外延層或膜、多晶材料、微米晶體材料或者納米晶體材料。此外， 第一半導體層200不管是非晶材料還是晶體材料都可以是摻雜或本征的。通常，外延層或膜延續(xù)村底120的晶向，并具有與襯底120類似 的晶體分布，因此除了摻雜之外，幾乎無法將其與襯底120區(qū)分開。 多晶層通常是這樣一種膜，其可以含有大晶體，但所述晶體具有更為 隨機的未必取決于襯底120的晶向的取向。微米晶體層或膜通常是晶 體非晶混合膜，其可以含有處于微米量級(大約0.5到大約5微米) 的晶粒。由于這些微米晶體膜較薄，因此晶粒通常是二維可見的，其 中，在晶體之間的空間內存在非晶相。納米晶體層或膜與微米晶體膜 類似，但是其通常具有小得多的晶體尺寸。典型排序的區(qū)域具有處于 大約1納米到大約10納米之間的尺寸，其嵌在主要為非晶的基體內。 非晶材料通常是結構無序的膜?？梢葬娪胣型或p型摻雜劑摻雜這些 晶體層中的任何一個，或者其可以是本征的。在這一示范性實施例中，襯底120摻有一種或多種n型摻雜劑。 第一半導體層200可以是晶體硅，或者具體而言，可以是納米晶體硅 (nc-Si:H)、微米晶體硅(jac-Si:H)、微米晶體硅碳化物(jnc國SiC:H)、 微米晶體硅鍺(nc-SiGe:H)或者其組合?；蛘?，第一半導體層可以 是非晶硅，或者具體而言，可以是氫化非晶硅(a-Si:H)、非晶硅碳化 物(a-SiC:H)、非晶硅鍺(a-SiGe:H )或者其組合。層200優(yōu)選為a-Si:H 或HC-Si:H。此外，第一半導體層200可以包括如下所述的多個層或 者子層。如果半導體層200包括多個層，那么通常所有的層或者是非 晶材料或者是晶體材料。如果所述多個層是晶體材料，那么每一層可 以具有相同或不同類型的晶體材料。而且，所述第一半導體層200可 以是"成分遞變"的，或者可以在界面處包括摻雜，在下文中將對其 予以討論。如圖2所示，成分遞變204的半導體層200可以包括抵達深度"D，， 的摻雜劑。具體講，半導體層200在與襯底120之間的界面210處可 以沒有或只有少量摻雜劑，在相對區(qū)域214處可以具有增大的量的摻 雜劑。"成分遞變，， 一詞意在描述作為層200的深度"D"的函數(shù)的摻 雜劑濃度的變化(即"漸變，，)。在某些實施例中，所述漸變基本上連 續(xù)，但是未必總是這種情況。例如，濃度變化速度自身可以在整個深 度內發(fā)生變化，在某些區(qū)域內略微增大，在其他區(qū)域內略微減小。但 是，總體漸變總是以摻雜劑濃度沿朝向襯底120的方向降低為特征。 此外，在有些情況下，摻雜劑濃度可以針對所述深度的某一部分保持 恒定，但是所述部分可能非常小。使任何以及所有的這些變化和漸變 均由"遞變" 一次涵蓋。針對指定半導體層的特定摻雜劑濃度分布將 取決于各種因素，例如，摻雜劑的類型和對半導體器件的電要求，以 及其微結構和厚度。通常，不管具體的摻雜分布如何，在與襯底之間 的界面210處，摻雜劑濃度都基本為零。因此，在界面210處存在本 征區(qū)，其作用在于使電荷栽流子的復合降至最低。在非晶層200的相 對的上表面上，在相對的區(qū)域214內基本是導電的。該區(qū)域內的特定 摻雜劑濃度將取決于對半導體器件的具體要求。就多晶或單晶硅襯底 120而言，作為一個非限制性實例，相對側可以具有處于大約lx 10"cm-s到大約lxlO"cm^的范圍內的摻雜劑濃度。在2005年10月 31日提交的J. Johnson和V. Manivannan的美國專利申請No. 11/263159中對這些類型的層的成分遞變的纟既念也給出了一般說明。成分遞變的 優(yōu)點在于在(例如)襯底120和層200之間的界面處提供了場效應， 而不存在與利用單獨的分立本征層和導電層相關的缺點。如圖2所示， 第一半導體層200為非晶硅層，其具有的p型摻雜劑是成分遞變的。遞變層200的厚度也取決于各種因素，例如，所采用的摻雜劑的 類型、襯底的導電類型、漸變分布情況、相對側124處的摻雜劑濃度 和層200的光帶隙。通常，層200的厚度小于等于250埃左右。在某 些特定的實施例中，遞變層200具有處于大約30埃到大約180埃的 范圍內的厚度?？梢栽诓徊扇〔缓线m的操作的情況下確定指定情況下 最為適當?shù)暮穸?，例如，通過執(zhí)行與器件的光電轉換效率相關的測量 以及與器件的開路電壓(Voc)和短路電路(Isc)相關的測量達到目 的?？梢栽诖宓?20的后表面132的至少部分136上，希望在一區(qū)域 即第一區(qū)域142上形成第二半導體層220。第二半導體層220可以與 襯底120形成界面222，并且具有相對側224?？梢栽诎雽w襯底120的后表面132的至少部分136上，希望在 又一區(qū)域即第三區(qū)域"4上形成第四半導體層240。第一區(qū)域"2和 第三區(qū)域154可以具有相同或不同的尺寸，優(yōu)選具有相同的尺寸。類 似地，第四半導體層240可以與半導體襯底120形成界面242,并具 有相對側244。第二半導體層220和第四半導體層240可以是非晶或 晶體硅層。第二半導體層220和第四半導體層240可以獨立地采取如 上文針對第一半導體層200所述的一種類型的晶體層。此外，這些層 220和240可以獨立地采取摻雜或本征的形式。例如，第二半導體層 220和第四半導體層240可以是遞變的。在襯底120為n型襯底的例 子中，層220和240可以擇一含有擴散層，如果希望通過場效應將電 子從該區(qū)域排斥出去的話。因此，層220和240可以任選摻有遞變或 擴散層。第二半導體層220和第四半導體層240的示范性材料可以包 括遞變(i-p) a-Si-H、本征a-Si:H或p型a-Si:H，或者上文中針對第 一半導體層200討論的優(yōu)選層?；蛘?，在另一個實施例中，采用包括 諸如Si02的絕緣材料的相應層替代第二半導體層220和第四半導體層 240,因此它們是絕緣層。在優(yōu)選實施例中，這些絕緣層具有鈍化特 征。如下文所述，半導體襯底120的前表面和后表面124和132可以 任選具有紋理，以增強光陷獲?？梢栽诎雽w襯底120的后表面132的部分136上，希望在另一 區(qū)域即第二區(qū)域148上形成第三半導體層230。通常，第二區(qū)域148 可以比第一區(qū)域142和第三區(qū)域154大得多。希望第三半導體層230 成分遞變232至深度"D1，，。第三半導體層230可以與襯底120形成 界面234,并具有相對區(qū)域236。典型地，使界面234處的摻雜劑濃 度降至最低或不存在，并在相對區(qū)域236內增大。在這一示范性實施 例中，成分遞變層230是具有遞變的n型摻雜劑的非晶層。遞變非晶 層230可以包括處于界面234處的基本本征的部分，處于相反區(qū)域236 處的具有一種或多種n型摻雜劑的基本導電的部分。層230可以包括 本征到n型成分遞變。如上所述，襯底120通常是n型襯底。但是，應當理解，如果襯底120為p型村底，那么文中描述的各種層將具有相反類型，即，p 型層將是n型層，n型層將是p型層。例如，如果襯底120是p型襯 底120,那么第一半導體層200將為n型，第二和第四半導體層220 和240也將任選為n型，第三半導體層230將為p型。類似地，如果 襯底120為p型襯底，那么還將對擴散區(qū)進行反轉。盡管圖中未示出，但是可以將電極層設置在第二半導體層220、 第三半導體層230和第四半導體層240中的每者上。但是，這樣的電 極層是任選的。如果存在的話，希望電極層由諸如氧化銦錫的透明導 電氧化物形成。通常，結構ioo包括至少一個電接觸270、優(yōu)選包括多個正面接觸272和至少一個背面接觸280。所述多個正面接觸272可以包括第 一正面4妄觸274和第二正面接觸276?？梢詫⒚恳唤佑|274和2%分 別形成于第二半導體層220和第四半導體層240上，或者形成于電極 層上，如果存在電極層的話。至少一個電接觸270可以起著導電電極 的作用，從而將由模塊50生成的電流傳送至預期位置。所述至少一 個接觸270可以由各種導電材料形成，例如銀(Ag )、鋁(Al )、銅(Cu )、 鉬(Mo)、鵪(W)、鈦(Ti)、把(Pd)或其組合。盡管在圖2中將 第一和第二接觸274和276中的每者示為材料層，但是其相應的形狀 和尺寸可以發(fā)生相當大的改變。可以采用各種技術，例如等離子體淀 積、絲網印刷、真空蒸發(fā)(有時采用掩模)、濺射、氣動分配或者諸 如噴墨打印的直接技術形成每一電接觸274和276。此外，可以在第三半導體層230上形成至少一個背面接觸280。 所述至少一個背面接觸280可以與所述多個正面接觸272成交指分 布。希望在半導體層220、 230和240之間形成至少一個隔離溝槽2卯。 還可以將所述至少一個接觸270與接觸280隔離。在這一優(yōu)選實施例 中，通過與第二半導體層220隔開的第三半導體層230和與第三半導 體層230隔開的第四半導體層240形成了第一隔離溝槽292。因此， 第一隔離溝槽292和第二隔離溝槽296形成于層220、 230和240以 及它們相應的覆蓋接觸274、 280和276之間。希望分別采用諸如二 氧化硅的第一電絕緣材料294和第二電絕緣材料298填充每一隔離溝 槽292和296。因此，所述多個正面接觸272能夠與所述背面接觸280 電隔離。此外，半導體結構100還可以包括透明或者抗反射層304。根據(jù) 這一示范性實施例，將層304設置在位于結構100的正面或者光接收 側104的第一半導體層200上。層304可以為半導體結構100提供抗 反射(AR)特性，并且可以包括諸如金屬氧化物的各種材料。非限制 性實例包括二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiN)、氧化鋅(ZnO)、摻雜 ZnO和氧化銦錫(ITO)。層304可以通過諸如濺射或蒸發(fā)的各種常規(guī) 技術形成。其厚度將取決于各種因素，包括所期望的AR特性。層304 通常具有處于大約200埃到大約2000埃的范圍內的厚度。通常，將金屬圖案310設置在正面導電層304上，將接觸274和 276設置在光生伏打器件100的背面。由諸如鋁的高度導電材料118 完成多個金屬圖案310與接觸274和276之間的電互連，所述高度導 電材料U8至少部分填充穿過襯底120形成的通孔114和116。可以 通過多種技術中的任何一種形成通孔114和116，包括蝕刻(例如， 濕法化學蝕刻或等離子體蝕刻)、機械磨蝕、利用激光器的鉆孔或超 聲技術。激光燒蝕是一種能夠實現(xiàn)太陽能電池處理的所有目標的快速 處理工藝，因此在很多種應用中都優(yōu)選采用激光燒蝕。例如，可以采 用Q開關Nd:YAG激光器射束形成通孔114和116。通孔114和116 可以從結構100的背面106穿過層220、 ^"底120、層200和層304 形成，從而從光生伏打器件100的前表面露出。 一旦形成了通孔114 和116,可以通過設置諸如銅(Cu)的高度導電材料118,使之部分 或全部填充通孔114和116來完成電互連。希望4吏處于(例如)通孔 114和襯底120之間的界面160鈍化，以避免電荷載流子復合。此外，可以在圍繞所述至少一個通孔110的層304上形成多個金 屬圖案310。將參考圖6對所述多個金屬圖案310做進一步的詳細說 明。圖3示出了作為另一示范性實施例的半導體結構400。(在該圖中 以及后面的附圖中，將不再為與前面的附圖中類似或相同的4艮多元件 提供附圖標記，或者為其提供與前面的附圖中相同的附圖標記。)半 導體結構400包括襯底120、第一半導體層200、第三半導體層230、 至少一個電接觸270、透明導電層304和多個金屬圖案310。襯底120、 第一半導體層200、第三半導體層230、至少一個電接觸270和金屬 圖案310與上文所述的基本類似。半導體結構400可以包括正面404和背面406。來看背面406, 第二半導體結構400可以具有擴散到后表面132內的第一摻雜區(qū)420 和第二摻雜區(qū)440,以替代圖2所示的第二半導體層220和第四半導 體層240。如果襯底120為n型，則希望這些區(qū)域具有一定濃度的p 型摻雜劑，即，相應的擴散p+區(qū)足以提供排斥電子的場效應。此外， 可以在第三半導體層230與至少一個電接觸270之間形成至少一個隔 離溝槽490,具體而言形成第一隔離溝槽492和第二隔離溝槽496。 可以任選采用諸如二氧化硅的電絕緣材料填充這些隔離溝槽492和 496。在備選實施例中，正面接觸274和276與相應的擴散區(qū)420和440之間可以夾入相應的電極層。參考圖4,示范性的第三半導體結構500可以包括正面504和背 面506。除了可以采用所期望的摻雜劑摻雜界面542之外，第三半導 體結構500與圖3所示的半導體結構400基本類似。在這個例子中， 如果半導體層200具有遞變的p型摻雜劑，那么界面542也可以包括 p型摻雜劑。參考圖5，具有正面604和背面606的第四半導體結構600與半 導體結構100基本類似，只是其包括多個層620。具體地，所述多個 層620替代了第一半導體層200。所述多個層可以包括第一半導 體層或子層630以及第二半導體層或子層640。類似地，如上所述， 層630和640 二者都可以是非晶材料或晶體材料。就特定類型的晶體 層而言，這些層可以獨立地采取上述晶體層。在這一具體實施例中， 如果襯底是n型襯底120,那么所述多個層620可以包括p型摻雜劑。參考圖6,多個金屬圖案310被示為處于半導體結構100的正面 104上。典型地，每一金屬圖案310可以包括至少一條網格線314。 這些網格線可以由任何適當?shù)膶щ姴牧蠘嫵?，并且一般從通?14延 伸出來。如圖所示，可以采用星狀金屬網格的簡單示意圖，但是也可 以利用任何其他形狀的網格?？梢圆捎媒饘偬畛渫?14,所述金屬 一般穿過半導體結構100延伸，并接觸位于半導體結構100的正面104 上的金屬圖案310。與典型地淀積于半導體結構100的正面104上的 匯流條相比，這樣的金屬圖案310能夠降低陰影量。因此，可以預期 這樣的結構100能夠提供更為有效的太陽能電池模塊50。通過在淀積其他半導體層之前，對襯底120執(zhí)行常規(guī)處理步驟。例如，可以對襯底120進行清潔處理，并將其放在真空室(例如，如 下文所述的等離子體反應室)內。之后，將該室加熱到足以去除任何 位于襯底120的表面或內部的水分的溫度。通常，處于大約120到大 約240°C的范圍內的溫度足以去除任何水分。之后，有時可以向該室 引入氫氣，并使襯底120暴露于等離子體放電之下，從而對其做進一 步的表面清潔。但是，有關清潔和預處理步驟的很多種變化都是可能 的。通常通過等離子體淀積涂覆形成于襯底上的各種半導體層。很多 不同類型的等離子體淀積都是可能的。非限制型實例包括化學氣相淀 積(CVD)、真空等離子體噴涂(VPS)、低壓等離子體噴涂(LPPS)、 等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)、射頻等離子體增強化學氣相 淀積(RFPECVD)、擴展熱等離子體化學氣相淀積(ETPCVD)、電子 回旋共振等離子體增強化學氣相淀積(ECRPECVD)、感應耦合等離 子體增強化學氣相淀積(ICPECVD)和空氣等離子體噴涂(APS)。 也可以采用'減射技術，例如，反應賊射。此外，也可以采用這些才支術 中的任意技術的組合。本領域技術人員通曉所有這些淀積技術的一般 操作細節(jié)。在某些優(yōu)選實施例中，可以采用PECVD工藝形成各種半 導體層?？梢酝ㄟ^本領域技術人員公知的方法形成上述半導體結構。具體 地，可以通過化學氣相淀積(CVD)實現(xiàn)形成各種晶體層的方法。例 如，在美國專利No. 7075052B2 ( Shima等人)中提供了這樣的方法。 此外，在襯底內建立擴散摻雜劑區(qū)域對于本領域技術人員而言也是公 知的?？梢酝ㄟ^低壓化學氣相淀積(LPCVD)并繼之以高溫擴散步驟 建立這樣的擴散區(qū)，例如，美國專利No. 6110772 (Takada等人)公 開了這一方案?？梢酝ㄟ^各種技術實現(xiàn)(例如)半導體層200的成分遞變。通常 在分離的步驟中開始每一層的淀積。通常通過在等離子體淀積過程中 調制摻雜劑水平實現(xiàn)遞變。在典型的實施例中，將諸如硅烷(SiH4) 的硅前體氣體引入到襯底120所處的真空室內。也可以隨硅前體氣體 一起引入諸如氫氣的稀釋氣體。前體氣體的流速可以發(fā)生相當大的變 化，但是對于典型的測試反應器而言，其通常處于大約10sccm到大 約300sccm的范圍內，但是由于淀積室構造的不同可能發(fā)生顯著變化。在淀積的初始階段，不存在摻雜劑前體。因此，如上所述，處于與襯底120之間的界面附近的區(qū)域基本是本征的("非摻雜的")，因此其 起著使襯底120的表面鈍化的作用。例如，隨著向等離子體混合物內添加摻雜劑前體，繼續(xù)淀積過程， 以形成層200。前體的選擇當然取決于所選的摻雜劑?？梢岳弥T如 V族元素的n型摻雜劑，例如磷(P)、砷(As)或銻(Sb);或者諸 如III族元素的p型摻雜劑，例如，硼(B)。諸如用于p型摻雜劑的 二硼烷氣體(B2H6)和用于n型摻雜劑的膦(PH3)的運載體(vehicle) 能夠輸送所選的摻雜劑。運載體氣體可以是純凈的，或者可以采用諸 如氬氣、氫氣或氦氣的載氣(carrier gas)將其稀釋。對摻雜劑氣體的添加進行仔細地控制，以提供所期望的摻雜分布 情況。本領域技術人員通曉能夠用來執(zhí)行這一任務的氣體測量設備， 例如，質量流量控制器?？梢赃x擇與上述漸變方案基本匹配的摻雜劑 氣體送給速率。因此，就非常一般的做法而言，在淀積過程中，摻雜 劑氣體的送給速率將逐漸增大。但是，可以將很多種特定的送給速率 的變化擬定到淀積方案內。參考圖2，如前所述，通過該處理在相對 區(qū)域2M內形成了基本導電的材料。相對區(qū)域214內的材料的摻雜劑 類型通常與襯底120的摻雜劑類型相反。因此，半導體層200的至少 一部分與襯底120形成了異質結。例如，在襯底120為n型硅襯底的 當前示范性實施例中，遞變層200為本征到p型遞變非晶硅。也就是 說，層200是遞變的，因而處于界面210處的材料是本征的，處于相 對區(qū)域214處的材料摻有p型摻雜劑。如上所述，所述多個正面接觸272通常與所述至少一個背面接觸 280電隔離。在圖2所示的示范性實施例中，形成隔離溝槽292和296, 從而使位于背面106的每一正面接觸274和276與位于背面106的至 少一個背面接觸280電隔離。根據(jù)一個示范性實施例，可以通過常規(guī) 技術在背面106上設置連續(xù)的導電材料(例如，金屬)層。 一旦設置 了接觸金屬之后，可以穿過所述金屬層以及下面的層220、 230和240 形成溝槽292和296,以隔離正面和背面接觸274、 276和280。在文中描述的每一實施例中，可以使正面和背面接觸均位于器件 的背面，從而使與設置在前表面上的接觸相關的陰影損耗降至最低， 其中，位于前表面上的接觸可能阻擋入射光線。有利地，將正面和背面接觸形成在器件的背面上能夠提供更加有效的器件。如上所述，在文中描述的每一實施例中，所述遞變層去除了分立 的多層之間的至少一個界面，即，可能發(fā)生電荷栽流子復合的界面。 可以認為摻雜劑濃度在單個層中的遞變提供了具體器件的能帶隙中的 定域態(tài)的連續(xù)變化，由此消除了陡峭的帶彎曲。此外，如前所述，通 過所述遞變層還可以獲得器件制造過程中的優(yōu)點。例如，可以使淀積 步驟之間的中斷減到最少，從而減少污染物進入的機會。可以將所述半導體結構結合到太陽能電池模塊的形式當中。例地相互電連接，以形成太陽能電池模塊。(本領域的普通技術人員通 曉域所述電連接等相關的細節(jié)。)這樣的模塊能夠比單獨的結構提供 大得多的能量輸出。在各種參考文獻，例如，美國專利No. 6^7434 (Morizane等人) 中均描述了太陽能模塊的非限制性實例。可以通過各種技術形成所述 模塊。例如，可以將若干個結構夾在玻璃層之間，或者夾在玻璃層和 (例如)由EVA (乙烯-乙酸乙烯共聚物)構成的透明樹脂薄板之間。 因此，根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，太陽能電池模塊含有至少一個結構， 如前所述，所述結構自身包括與半導體襯底相鄰的成分遞變層。遞變 層的使用可以改善光電轉換效率等模塊特性，并由此提高太陽能模塊 的總性能。一般而言，本領域技術人員通曉與太陽能模塊的主要部件相關的 很多其他細節(jié)，例如，各種襯底材料、背板(backing)材料和模塊框 架。其他細節(jié)和考慮事項也是公知的，例如進出模塊的線連接(例如， 引向電逆變器的線連接)；以及各種模塊封裝技術。這些書面說明通過舉例公開了本發(fā)明，包括最佳實施模式，并且 還能夠使任何本領域技術人員實現(xiàn)并利用本發(fā)明。本發(fā)明的專利保護 范圍由權利要求界定，其可以包括本領域技術人員能夠想到的其他例存在差別，或者如果此類的其他例子:括^:利要求^字:語言不存 在實質差別的等效結構要素，那么應當確定所述的此類其他例子落在 本權利要求的范圍內。部件列表50 太陽能電池模塊100 半導體結構或光生伏打器件104 正面106 背面110 至少一個通孔或多個通孔114 第一通孔116 第二通孔118 導電材料(Cu)120半導體襯底(例如，n型單晶層)124 前表面132 后表面136 至少一部分142 —區(qū)域(第一區(qū)域)148另一區(qū)域(第二區(qū)域)l54又一區(qū)域(第三區(qū)域)160界面(村底與通孔之間的)200 (第一實施例)(第一)半導體層，包括n型或p型晶體硅襯底，例如外延層、微米晶體層、多晶層、 納米晶體層、a-Si:H層、a-SiC:H層、a-SiGe:H層、pc-Si:H層、 pc-SiC:H層或pc-SiGe:H層。n型或p型非晶層。 204 成分遞變(半導體材料及摻雜劑)"D，，深度 210 界面 214 相對區(qū)域 220 第二半導體層 222 界面 224 相對側230 第三半導體層232 成分遞變"D1"深度234 界面236 相對區(qū)域240 第四半導體層242 界面244 相對側透明電極層(任選)270 至少一個(電)接觸272 至少一個正面接觸，希望是多個正面接觸274 第一正面接觸276 第二正面接觸280 至少一個背面接觸2卯 至少一個隔離溝槽292 第一隔離溝槽294 第一電絕緣材料296 第二隔離溝槽298 第二電絕緣材料304 透明導電層(透明導電氧化物-抗反射特性)材料SiN310 多個金屬圖案312 第一金屬圖案314 至少一條網格線316 第二金屬圖案318 第三金屬圖案320 第四金屬圖案400 (第二實施例)第二半導體結構404 正面406 背面420 第一擴散區(qū)440 第二擴散區(qū)490 至少一個隔離溝槽492 第一隔離溝槽496 第二隔離溝槽電極層500 第三半導體結構504 正面506 背面542 摻雜界面600 第四半導體結構604 正面606 背面620 多個層630 第一正面半導體層或子層640 第二正面半導體層或子層
權利要求
1.一種半導體結構(100)，包括(a)具有一導電類型的半導體襯底(120)，其具有前表面(124)和后表面(132)，并包括至少一個穿過所述半導體襯底(120)的通孔(110)，其中，采用導電材料(118)填充所述至少一個通孔(110)；以及(b)設置在所述半導體襯底(120)的所述前表面或后表面(124或132)的至少部分(136)上的半導體層(200)，其中，就一種或多種所選的摻雜劑而言，所述半導體層(200)在其深度范圍內是成分遞變的，并且將所述導電材料(118)配置為將所述半導體層(200)電連接至設置在所述襯底(120)的表面(132)上或者上方的至少一個接觸(270)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的半導體結構(100),其中，所述半導 體層(200)包括晶體層(200)。
3. 根據(jù)權利要求2所述的半導體結構(100)，其中，所述晶體 層(200)包括多個相同或不同的晶體層(620)。
4. 根據(jù)權利要求2所述的半導體結構(100),其中，所述晶體 層(200 )包括納米晶體材料、微米晶體材料、多晶材料、外延層或 其組合。
5. 根據(jù)權利要求1所述的半導體結構(100),其中，所述半導 體層(200)包括n型或p型摻雜劑。
6. 根據(jù)權利要求1所述的半導體結構(100)，其中，所述半導 體層(200 )和所述半導體襯底(120)之間的界面(210)包括所選 的n型或p型摻雜劑。
7. 根據(jù)權利要求1所述的半導體結構(100)，其中，所述半導 體襯底(120)包括單晶材料或多晶材料。
8. 根據(jù)權利要求1所述的半導體結構(100)，其中，所述半導 體層(200)包括非晶層(200)。
9. 根據(jù)權利要求8所述的半導體結構(100)，其中，所述非晶 層(200)包括a-Si:H、 a-SiC:H、 a-SiGe:H或其組合。10.根據(jù)權利要求4所述的半導體結構(100),其中，所述晶體 層(200 )包括jLic-Si:H、 juc-SiC:H、 ju c-SiGe:H或其組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導體結構，作為一個示范性實施例的半導體結構可以包括具有一種導電類型的半導體襯底，其具有前表面和后表面，并包括至少一個穿過所述半導體襯底的通孔，其中，采用導電材料填充所述至少一個通孔；以及設置在所述半導體襯底的所述前表面或后表面的至少部分上的半導體層，其中，就一種或多種所選的摻雜劑而言，所述半導體層在其深度范圍內是成分遞變的，并且將所述導電材料配置為將所述半導體層電連接至設置在所述襯底的表面上或者上方的至少一個正面接觸。
文檔編號H01L27/142GK101232030SQ200810003798
公開日2008年7月30日 申請日期2008年1月23日 優(yōu)先權日2007年1月23日
發(fā)明者B·A·科爾瓦爾, J·N·約翰遜 申請人:通用電氣公司