用于大型背接触太阳能电池的双深度通孔器件和工艺制造技术

公开了双深度晶片通孔半导体器件及用于制造双深度晶片通孔半导体器件的方法。特别地，公开了仅背接触多结光伏电池和用于制造这种电池的工艺流程。该双深度晶片通孔多结光伏电池包括用于将前表面外延层互连至背表面上的接触焊盘的晶片通孔。在蚀刻晶片通孔之前，基板被减薄至小于150μm。双深度晶片通孔使用两步湿蚀刻工艺来形成，该工艺在异质外延III‑V半导体层之间的蚀刻速率没有显著差异的情况下非选择性地移除半导体材料。低应力钝化层用于降低半导体器件的热机械应力。旁路二极管集成在由双深度晶片通孔结构形成的背侧上的凹部中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于大型背接触太阳能电池的双深度通孔器件和工艺
本公开涉及光伏电池、用于制造光伏电池的方法、用于组装太阳能板的方法以及包括光伏电池的太阳能板。特别地，本公开涉及具有晶片通孔和集成至背侧上的分立旁路二极管的多结光伏电池。所述多结光伏电池包括双深度晶片通孔，用于将前表面外延层互连至背表面上的接触焊盘并且用于在背侧上提供允许安装旁路二极管的凹部。双深度晶片通孔使用两步湿蚀刻工艺来形成，该工艺移除基板的部分，然后在异质外延III-V半导体层之间的蚀刻速率没有显著差异的情况下非选择性地移除半导体材料。低应力钝化层用于提高器件在宽温度范围内的可靠性。消除晶片的前侧上的接触部允许单侧焊接或引线接合。
技术介绍
多结光伏电池由于其高效率而被应用于地面和空间太阳能转换领域。这种电池具有形成二极管并且串联在一起的多个结或子电池。这些结构是通过在半导体基板上外延生长多个层来实现的。堆叠中的每个子电池具有独特的带隙，并且被优化以吸收太阳光谱的不同部分，从而提高太阳能转换效率。这些子电池选自具有不同光学、电学和物理性质以便吸收太阳光谱的不同部分的各种半导体材料。材料被布置成使得子电池的带隙从顶部子电池(最靠近电池从其接收光的前表面)至底部子电池(最远离前表面)逐渐变小。因此，高能光子在顶部子电池中被吸收，且较低能量的光子通过达到较低的子电池，并且在那里被吸收。在每个子电池中，产生电子-空穴对，并且在太阳能电池中的欧姆接触部处收集电流。用于形成子电池的半导体材料包括例如锗和来自周期表上第III族和第V族的一种或多种元素的合金。这些合金的示例包括例如磷化铟镓、磷化铟、砷化镓、砷化铝镓、砷化铟镓及稀释氮化物。对于三元和四元化合物半导体，可以使用宽泛的合金比例。在美国专利第8,575,473号、美国专利第8,697,481号和美国专利第9,214,580号中描述了使用多个异质外延层的多结太阳能电池的示例。使用传统的光伏电池，用于对空间卫星供电的太阳能阵列通常是手工组装的，这导致了高成本，并带来了可靠性问题的风险。目前几乎所有可用的空间光伏电池都采用了用于相邻电池的焊接互连片，并且每个单独光伏电池上都有焊接或单片集成的旁路二极管。通过旁路二极管、互连部和盖玻璃组装的光伏电池在航空航天工业中被称为“盖玻璃互连电池”或“CIC”。这些CIC通常使用手动工艺步骤进行组装。市售CIC的机械设计在过去二十年中没有实质性的改变。在晶片的前侧和背侧上有电接触部，需要焊接来将太阳能电池的两侧上的器件互连。为了减少与CIC和太阳能阵列组件两者中使用的昂贵的手动互连工艺步骤相关的总体步骤的数量，业界已经转向使用4英寸和6英寸的Ge基板的越来越大的CIC。通常，光伏电池占光伏发电模块总成本的约20％。更高的光伏电池效率意味着更具成本效益的模块。然后需要更少的光伏器件来产生相同量的输出功率，并且通过更少的器件产生更高的功率会降低系统成本，例如与结构硬件、组装工艺、用于电气连接的布线等相关的成本。此外，通过使用高效率的光伏电池来产生相同的功率，组装安装需要更小的表面积、更少的支撑结构和更低的劳动力成本。光伏组件是航天器电源系统的重要组成部分。重量更轻且体积更小的光伏模块总是优选的，因为将卫星发射至轨道中的上升成本非常昂贵。光伏电池的有效表面积利用对于空间电源应用来说特别重要，以减少与大型光伏阵列相关的质量和燃料损失。反映一个太阳能阵列在给定发射质量下可以产生的功率的更高的比功率(光伏阵列质量产生的瓦特)可以通过更高效率的光伏电池来实现，因为对于相同的功率输出，光伏阵列的大小和重量会更小。此外，更高的比功率可以使用在给定大小和形状的光伏阵列上更密集地布置的更小的电池来实现。多结光伏电池的互连通常是通过将互连带焊接至器件的p侧和n侧的前侧和背侧接触部来完成的。使用这些方法互连多结光伏电池可能成本高昂。为了最小化互连成本，可能期望使用更大面积的光伏电池来减少针对给定面板面积需要形成的互连的数量。这会导致表面积利用率降低。互连焊接通常是CIC组件中最为精细的操作。在CIC工艺中，光伏电池必须安装在支撑件上，并且使用大量的手动劳动进行互连。例如，产生第一单独的CIC，其每个前侧互连部单独地焊接至每个电池，并且每个盖玻璃单独地安装。然后，这些CIC串联地互连以通常以基本上手动的方式形成串，包括在电池的背侧上的焊接或焊合步骤。然后，将这些串施加至面板或基板，并且在包括施加粘合剂、布线和其他组装步骤的工艺中互连。在焊接工艺步骤中，在模块中安装之后，由于在工艺期间发生的损坏，电池可能会破裂或随后开裂。最近，提出采用通孔结构的太阳能电池，以便在晶片的一侧上进行电连接。传统的太阳能电池设计需要金属化来形成顶表面电极，其通常是由金属指状物或线构成的规则网格。这些结构导致遮蔽损失，因为金属栅格线会阻止光在其下方被吸收。这会减少太阳能电池的有效面积。晶片通孔(TWV)是器件的顶(前)和底(背)表面之间的电互连部。TWV广泛用于微电子应用中，并且被提出用于太阳能电池，以减少遮蔽损失以及促进后续封装。这种方法的示例已知为表面安装的盖玻璃电池(SMCC)。在美国专利第9,680,035号和美国申请公开第2017/0213922号中描述了SMCC器件的示例和TWV的相关处理，它们中的每个以其全部内容通过引用并入。SMCC是具有TWV、全部背侧表面安装的接触部和集成在晶片水平处的盖玻璃的光伏电池。然而，这种工艺适用于小于约2平方厘米且具有薄基板的较小面积的电池，并且需要目前尚未测试以建立长期的可靠性的表面安装技术。此外，对于大面积的应用，热膨胀系数(CTE)应与电池所安装至的印刷电路板(PCB)的CTE相匹配。具有足够低CTE的大面积PCB要么不可用，要么价格昂贵。因此，需要为生产由多个相互连接的光伏电池形成的面板所需的集成和焊接步骤提供更简单的工艺流程。在所有的电接触部都位于光伏电池的背侧上时，可以通过消除前侧焊接步骤来简化连接工艺。此外，还可以在基板中集成旁路二极管，允许仅仅在器件的一侧上进行工业标准焊接工艺。需要可以使用可与标准太阳能铺设处理兼容的单侧焊接工艺来互连的多结太阳能电池结构和器件。
技术实现思路
根据本专利技术，一种双深度晶片通孔结构包括：具有前基板表面和背基板表面的基板，其中所述基板具有20μm至200μm的厚度；位于所述前基板表面之上的多个异质外延层；位于所述多个异质外延层的部分之上并且电连接至所述多个异质外延层的前表面接触部；位于所述前表面接触部和所述多个异质外延层之上的光学粘合剂；位于所述光学粘合剂之上的盖玻璃；位于所述背基板表面的部分之下并且电连接至所述背基板表面的背表面接触焊盘；位于所述背基板表面之下并且与所述背基板表面绝缘的前表面接触焊盘；以及将所述前表面接触焊盘和所述前表面接触部互连的双深度晶片通孔，其中所述双深度晶片通孔包括：侧壁和沿着侧壁形成的低应力钝化层，以及位于所述钝化层之上的晶片通孔金属。根据本专利技术，半导体器件包括根据本专利技术的双深度晶片通孔结构。根据本专利技术，多结光伏电池包括根据本专利技术的双深度晶片通孔结构。...

【技术保护点】
1.一种双深度晶片通孔结构，包括：/n具有前基板表面和背基板表面的基板，其中所述基板具有20μm至200μm的厚度；/n位于所述前基板表面之上的多个异质外延层；/n位于所述多个异质外延层的部分之上并且电连接至所述多个异质外延层的前表面接触部；/n位于所述前表面接触部和所述多个异质外延层之上的光学粘合剂；/n位于所述光学粘合剂之上的盖玻璃；/n位于所述背基板表面的部分之下并且电连接至所述背基板表面的背表面接触焊盘；/n位于所述背基板表面之下并且与所述背基板表面绝缘的前表面接触焊盘；以及/n将所述前表面接触焊盘和所述前表面接触部互连的双深度晶片通孔，其中所述双深度晶片通孔包括：/n侧壁和沿着所述侧壁形成的低应力钝化层；以及/n位于所述钝化层之上的晶片通孔金属。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180713 US 62/697,7971.一种双深度晶片通孔结构，包括：
具有前基板表面和背基板表面的基板，其中所述基板具有20μm至200μm的厚度；
位于所述前基板表面之上的多个异质外延层；
位于所述多个异质外延层的部分之上并且电连接至所述多个异质外延层的前表面接触部；
位于所述前表面接触部和所述多个异质外延层之上的光学粘合剂；
位于所述光学粘合剂之上的盖玻璃；
位于所述背基板表面的部分之下并且电连接至所述背基板表面的背表面接触焊盘；
位于所述背基板表面之下并且与所述背基板表面绝缘的前表面接触焊盘；以及
将所述前表面接触焊盘和所述前表面接触部互连的双深度晶片通孔，其中所述双深度晶片通孔包括：
侧壁和沿着所述侧壁形成的低应力钝化层；以及
位于所述钝化层之上的晶片通孔金属。


2.如权利要求1所述的双深度晶片通孔结构，其中所述低应力钝化层包含聚酰亚胺。


3.如权利要求1所述的双深度晶片通孔结构，其中所述低应力钝化层具有在-100℃至50℃的温度范围内的、从1ppm/℃至10ppm/℃的热膨胀的系数。


4.如权利要求1所述的双深度晶片通孔结构，其中所述低应力钝化层具有在±40％内与所述基板的平均热膨胀系数及所述多个异质外延层的平均热膨胀系数相匹配的热膨胀系数。


5.如权利要求1所述的双深度晶片通孔结构，其中所述低应力钝化层具有1μm至40μm的厚度。


6.如权利要求1所述的双深度晶片通孔结构，其中所述侧壁是光滑的。


7.如权利要求1所述的双深度晶片通孔结构，其中所述背基板表面没有点蚀。


8.如权利要求1所述的双深度晶片通孔结构，还包括安置在所述宽区域通孔内的、或者与所述背基板表面齐平或者从所述背基板表面略微突出的旁路二极管，并且所述旁路二极管电连接至所述双深度晶片通孔。


9.如权利要求1所述的双深度晶片通孔结构，其中所述双深度晶片通孔包括：
从所述背基板表面延伸至所述前表面接触焊盘的第一通孔；以及从所述背基板表面延伸至所述基板内的一深度的第二宽区域通孔，
其中，所述第一通孔的宽度小于所述第二截断通孔的所述宽度。


10.如权利要求9所述的双深度晶片通孔结构，其中所述宽区域通孔包括旁路二极管。


11.如权利要求10所述的双深度晶片通孔结构，其中所述旁路二极管电互连至所述晶片通孔金属和背表面接触焊盘。


12.如权利要求9所述的双深度晶片通孔结构，其中所述宽区域通孔包括：
位于所述晶片通孔金属之上的粘合剂；以及
安装在所述粘合剂上的旁路二极管。


13.如权利要求12所述的双深度晶片通孔结构，其中所述粘合剂包括导电粘合剂。


14.如权利要求13所述的双深度晶片通孔结构，其中所述导电粘合剂将所述旁路二极管互连至所述晶片通孔金属。


15.如权利要求10所述的双深度晶片通孔结构，其中所述旁路二极管焊接或引线接合至所述晶片通孔金属、所述背表面接触部或者所述晶片通孔金属和所述背表面接触部两者。


16.如权利要求1所述的双...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·张，
申请(专利权)人：阵列光子学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US