WO2019158430A1 - Dispositif à semi-conducteur avec structure de passivation des surfaces recombinantes - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a semiconductor device, of the type comprising a pn junction, said pn junction comprising a first and a second substantially planar layers, respectively formed of a first and a second material including doping of opposite sign, said first and second layers being in contact with each other, defining a stacking direction, each of the first and second layers comprising a lateral edge, said lateral edges being substantially in an extension of one another according to the stacking direction.
- Semiconductor devices such as LEDs or solar cells, are frequently used to inject or collect large current densities. This results in Joule losses and temperature rises. For this purpose, it is advantageous to reduce the size of the surfaces of the devices, which makes it possible to reach higher current densities.
- a semiconductor device 10 of the state of the art comprises a pn junction 12, said pn junction comprising a first 16 and a second 17 substantially plane layers, in contact with one another. on the other and including doping of opposite sign.
- Lateral currents 52 flowing in the first layer 16 reach a peripheral surface 26 of the junction p-n 12.
- recombinations 54 may occur.
- the ratio between the peripheral defect density and the useful area is increased, which decreases the efficiency of the devices.
- GaAs gallium arsenide
- the subject of the invention is a semiconductor device of the aforementioned type, further comprising a passivation structure, such that the first layer is disposed between said passivation structure and the second layer in the stacking direction.
- said passivation structure being configured to generate in the first layer of the pn junction a substantially annular depletion zone near the lateral edge of said first layer, said depletion zone surrounding a non-depleted central zone.
- the semiconductor device comprises one or more of the following characteristics, taken individually or in any technically possible combination:
- the passivation structure is configured so as to generate a depletion zone completely traversing the first layer in the stacking direction;
- the passivation structure is configured to generate a continuous depletion zone along a periphery of the first layer
- the passivation structure comprises a passivation ring, formed of at least one band closed on itself and stacked with the pn junction, a minimum width of said passivation ring, perpendicular to the stacking direction, being preferentially greater or equal to 1 ⁇ m, more preferably greater than or equal to 20 ⁇ m and even more preferably greater than or equal to 50 ⁇ m;
- the passivation ring comprises a first and a second stacked strip formed respectively of an electrically conductive material and an electrically insulating material, each of the first and second strips being closed on itself, the second strip being arranged between the first band and the first layer in the stacking direction, the passivation structure further comprising an electrode stacked with the pn junction at the central area and a means for applying an electrical voltage between the first band and the electrode, so as to generate the depletion zone;
- the passivation ring comprises a strip formed of a material comprising fixed electric charges
- a total thickness of the first and second layers in the stacking direction is less than or equal to 10 pm, more preferably less than or equal to 5 pm.
- FIG. 1, already described, is a partial view, in section, of a semiconductor device of the state of the art
- FIG. 2 is a view from above of a semiconductor device according to a first embodiment of the invention
- Figures 3 and 4 are partial views, in section, of the device of Figure 1, respectively in a first and a second configurations;
- Figure 5 is a sectional view of a device according to a second embodiment of the invention.
- FIG. 6 is a partial view, in section, of a device according to a third embodiment of the invention.
- FIG. 2, 3 and 4 show a device 1 10 semiconductor according to a first embodiment of the invention.
- FIG. 5 and FIG. 6 respectively represent semiconductor devices 210 and 310, according to a second and a third embodiment of the invention.
- the semiconductor device 1 10, 210, 310 comprises in particular a pn junction 12 and a passivation structure 1 13, 313.
- the semiconductor device 1 10, 210, 310 further comprises a first 14 and a second 15 electrodes.
- the first 14 and second 15 electrodes of the semiconductor device 310 are not shown in FIG.
- the p-n junction 12 similar to the p-n junction of FIG. 1, comprises a first 16 and a second 17 substantially plane main layers.
- An orthonormal basis (X, Y, Z) is considered, the direction Z being substantially perpendicular to the first 16 and second 17 main layers.
- the first 16 and second 17 main layers are in contact with each other, stacked in the direction Z. In the remainder of the description, it is considered that the first layer 16 is above the second layer 17.
- the first 16 and second 17 main layers are respectively formed of a first 19 and a second 20 materials including doping of opposite sign.
- the first 19 and second 20 materials are based on gallium arsenide (GaAs).
- first 19 and second 20 materials are respectively n-doped and p-doped.
- the opposite can also be done as a variant.
- doping n or “doping p” is understood to mean the fact of introducing, into a semiconductor material, impurities so as to increase at equilibrium, respectively the electron concentration and the hole concentration. Furthermore, in the present description, the term “doping” is understood in the broad sense and alternative embodiments implement first 19 and / or second intrinsic semiconductor materials.
- Each of the first 16 and second 17 main layers comprises a lateral edge 22, 24. Said lateral edges are substantially in an extension of one another along Z, forming a peripheral surface 26 of the pn junction 12.
- the peripheral surface 26 is substantially parallel to Z.
- the peripheral surface may be inclined along Z, for example at an angle of between 0 ° and 30 °.
- the peripheral surface has a non-rectilinear shape according to Z.
- the lateral edges 22, 24 of the main layers of the device 1 10 have a substantially circular shape, so as to minimize the perimeter / area ratio of the pn junction 12.
- the invention makes it possible to reduce the peripheral recombination effects, variations (not shown) of the invention include side edges 22, 24 having any shape, for example substantially square or rectangular.
- the semiconductor device 1 10, 210, 310 has an upper surface 30.
- the upper surface 30 of the devices 1 10 and 310 is formed by the first main layer 16 of the pn junction 12.
- the device 210 further comprises secondary layers, stacked along Z with the first 16 and second 17 main layers.
- the device 210 for example a solar cell, comprises in particular a window layer 32 disposed over the first main layer 16 and forming the upper surface 30.
- the window layer 32 includes a doping of the same sign as the first main layer 16.
- the window layer 32 is made of a semiconductor material whose bandgap, or gap, is greater than the bandgap width of the first material 19 forming the first main layer 16.
- the device 210 further comprises a substrate layer 34, as well as an intermediate layer 36 disposed between the second main layer 17 and said substrate layer 34.
- each layer 34, 36 is made of a semiconductor material including a doping of the same sign as the second main layer 17, here a p-doping.
- the intermediate layer 36 is made of a semiconductor material whose bandgap, or gap, is greater than the bandgap width of the second material 20 forming the second main layer 17.
- the first electrode 14 of the devices 1 10 and 210 is in contact with the upper surface 30.
- Said first electrode has for example a cross shape arranged in a plane (X, Y ) to leave free a majority proportion of said upper surface 30.
- Other shapes are possible for the first electrode 14, such as a linear shape.
- the first electrode 14 of the device 1 10 is metal.
- the first electrode 14 of the device 210 comprises an upper layer 40 of metal and a contact layer 42, made of a semiconductor material and disposed between the upper layer 40 and the upper surface 30. .
- the second electrode 15 of the devices 1 10 and 210 forms a lower surface of said devices.
- Said second electrode 15 is preferably made of metal, or else formed of a transparent conductive oxide such as ZnO.
- the passivation structure 1 13, 313 of the semiconductor device 1 10, 210, 310 has the function of generating, in the first main layer 16 of the pn junction, a depletion zone 50 (FIGS. 4 and 6), substantially adjacent to the lateral edge 22.
- This depletion zone 50 increases the electrical resistance, and thus prevents the lateral currents 52 from reaching the peripheral surface 26 of the pn junction 12, so as to avoid surface recombinations 54. depletion zone 50 will be described more precisely below.
- the passivation structure 1 13, 313 comprises a passivation ring 160, 360, formed of at least one band closed on itself and stacked along Z with the pn junction 12.
- the passivation ring 160, 360 is in particular arranged on the upper surface 30, surrounding a non-depleted central zone 61 of said pn junction 12.
- a minimum width 62 of the passivation ring 160, 360 is greater than a diffusion length of the carriers whose passivation structure serves to cut the lateral transport. This diffusion length depends on the properties of the material constituting the p-n junction 12. For gallium arsenide, said diffusion length is of the order of 1 ⁇ m to a few tens of micrometers.
- the minimum width 62 of the passivation ring 160, 360 is greater than or equal to 1 ⁇ m, preferably greater than or equal to 20 ⁇ m and more preferably greater than or equal to 50 ⁇ m.
- the passivation ring 160, 360 is disposed at a distance 64 from the peripheral surface 26 of the pn junction 12. This distance corresponds to a part of the pn junction disconnected by the depletion zone 50. The distance 64 is therefore preferably the lowest possible, according to the constraints of realization.
- the passivation ring 360 of the device 310 comprises a strip formed of a material 66 comprising fixed electrical charges. Said charges spontaneously generate the depletion zone 50 under the passivation ring 360.
- the material 66 is an aluminum oxide containing negative charges, in particular synthesized by the process described in document B. Hoex et. al., Appl. Phys. Lett. 91, 12107 (2007).
- the passivation ring 160 includes a first 70 and a second 72 stacked strips, respectively formed of an electrically conductive material and an electrically insulating material. Each of the first 70 and second 72 strips is closed on itself, the second strip 72 being arranged along Z between the first band 70 and the first main layer 16.
- the passivation structure 1 13 of the devices 1 10 and 210 comprises a dipole 74 intended to apply a voltage at the level of the first band 70.
- Said voltage is for example applied between the passivation ring 160 and the first 14 or the second electrode of the device 1 10, 210.
- said first 14 or second electrode is included in the passivation structure 1 13.
- the voltage is applied relative to the first electrode 14, which, as well as the passivation ring 160, is located on the upper surface 30 of the device 1 10, 210.
- the passivation structure 1 13, 313 is configured to generate a continuous depletion zone 50 along the peripheral surface 26.
- the passivation ring 360 formed of the material 66 comprising fixed electrical charges has one or more discontinuities along the peripheral surface 26.
- the depletion zone 50 will now be described more precisely, on the basis of FIG. 4.
- a depletion layer 81, 82 is formed spontaneously around the interface between the first 16 and second 17 layers.
- Said depletion web comprises a first 81 and a second 82 portions, respectively disposed in the first 16 and in the second 17 layers.
- the distribution of depletion layer 81, 82 between the region p and the region n, ie the respective thicknesses of the first 81 and second 82 portions, depends in particular on the doping of the p-n junction 12.
- the depletion layer 81, 82 is inherently weakly conductive.
- the lateral currents 52 described above flow in the non-depleted zone 83 of the first layer 16, or quasi-neutral zone, situated above the first portion 81.
- the extension w n of the space charge area in the region n is given by the relation:
- e sc is the dielectric constant of the first 19 or second material of the corresponding layer.
- Said dielectric constant is defined by the product of the relative dielectric constant of the material E SCT and the vacuum permittivity e 0 , equal to 8.8542.10 12 Fm 1 .
- E SCT the relative dielectric constant of the material
- e 0 the vacuum permittivity of the material
- N a is the concentration of acceptor dopants, responsible for doping p.
- n E is the intrinsic carrier density of the semiconductor.
- ni 3.10 6 cm -3 .
- the depletion zone 50 implemented according to the invention integrally crosses Z, the quasi-neutral zone 83, in order to completely block the lateral currents 52 in the first layer 16 of the p-n junction.
- w is the thickness of the depletion zone 50.
- the maximum maximum value w max of the thickness w is substantially equal to:
- Eg being the bandgap of the material, where N D is the concentration of donor or acceptor dopants.
- N D is the concentration of donor or acceptor dopants.
- the thickness 84 of the first layer 16 is therefore preferably less than 183 nm.
- the electric field E isolated present in the insulating layer 72 is defined by the relation:
- £ i solon s is the dielectric constant of the insulating material, defined by the product of the relative dielectric constant £ iselantr material and the permittivity of vacuum 3 ⁇ 4.
- e- isoantr takes values substantially equal to 9.
- w is the thickness of the depletion zone 50.
- a material has a boundary breakdown field beyond which it becomes conductive. It is therefore appropriate to dimension the device so that the field in the insulator is less than this breakdown field.
- a very low interface state density at the interface 85 between the first main layer 16 and the insulating layer 72 leads to satisfactory sizing ranges.
- Such a very low interface state density is reached for example between the GaAs and G Al 2 0 3 deposited by ALD (atomic layer deposition), or between the Si and the Si0 2 , as described in the document JA del Alamo "Nanometer-scale electronics with III-V compound semiconductors," Nature, vol. 479, no. 7373, pp. 317-323, Nov. 201 1.
- a total thickness of the first 16 and second 17 main layers according to Z is preferably less than or equal to 10 ⁇ m, more preferably less than or equal to 5 ⁇ m and is example of the order of 3 pm. This range of thicknesses is particularly preferred in the semiconductor technology based on gallium arsenide.
- the first band 70 of the passivation ring is formed of a first layer of titanium, deposited on the second strip 72 of aluminum oxide, as well as a second layer of gold, deposited on the first layer of titanium.
- the second electrode 15 is formed of a first silver layer, deposited on the substrate 34, as well as a second layer of gold deposited on the first silver layer.
- the InGaP gap is larger than the GaAs gap.
- the window layer 32 passes the upper surface 30 of the solar cell 210 while preventing, in the case of n-doping, the diffusion of holes towards this surface 30.
- the intermediate layer 36 prevents the diffusion of electrons from the second main layer 17 to the substrate 34.
- the n-type doping and the p-type doping are, for example, carried out by introducing impurities, respectively based on sulfur and zinc-based.
- the n and p dopings are inverted with respect to Table 1.
- a method of making and using solar cell 210 will now be described. First, the different layers mentioned in Table 1 are made on the substrate layer 34 by known methods.
- the insulating material of the second band 72 of the passivation ring 160 is for example deposited by ALD.
- the dipole 74 is then connected respectively to the first band 70 of the passivation ring 160, and to the first layer 40 of the first electrode.
- the p-n junction 12 is in the same configuration as in FIG. 3, with no depletion zone at the right of the passivation ring 160.
- a potential difference is then applied between said first band 70 and said first layer 40, so as to deplete the first main layer 16 as majority carriers in the right of the passivation ring 160. If the first main layer 16 is doped n, it is appropriate to apply, at the level of the passivation ring 160, a potential lower than that of the first electrode 14. The inverse is suitable for a first main layer 16 doped p.
- the local depletion of the first main layer 16 as majority carriers forms the depletion zone 50, which blocks the lateral currents 52 and eliminates most of the recombinations 54 at the peripheral surface 26 of the solar cell 210.
- the pn junction 12 is in the same configuration as in FIG. 4.
- the depletion zone 50 disappears.
- the depletion zone 50 of the device 310 is permanent.
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif à semi-conducteur (110), comportant une jonction p-n (12), ladite jonction p-n comprenant une première (16) et une deuxième (17) couches sensiblement planes, au contact l'une de l'autre, définissant une direction d'empilement (Z), chacune des première et deuxième couches comprenant un bord latéral (22, 24), lesdits bords latéraux étant sensiblement dans un prolongement l'un de l'autre selon la direction d'empilement. Le dispositif comporte en outre une structure de passivation (113), telle que la première couche (16) est disposée entre ladite structure de passivation et la deuxième couche (17) selon la direction d'empilement, ladite structure de passivation étant configurée de sorte à générer dans la jonction p-n une zone de déplétion sensiblement annulaire à proximité du bord latéral des première et deuxième couches, ladite zone de déplétion entourant une zone centrale non déplétée.
Description
Dispositif à semi-conducteur
avec structure de passivation des surfaces recombinantes
La présente invention concerne un dispositif à semi-conducteur, du type comportant une jonction p-n, ladite jonction p-n comprenant une première et une deuxième couches sensiblement planes, respectivement formées d’un premier et d’un deuxième matériaux incluant des dopages de signe opposé, lesdites première et deuxième couches étant au contact l’une de l’autre, définissant une direction d’empilement, chacune des première et deuxième couches comprenant un bord latéral, lesdits bords latéraux étant sensiblement dans un prolongement l’un de l’autre selon la direction d’empilement.
Les dispositifs à semi-conducteurs, tels que les LED ou les cellules solaires, sont fréquemment utilisés pour injecter ou collecter des densités de courant importantes. Il en résulte des pertes par effet Joule et des élévations de température. A cet effet, il est avantageux de réduire la taille des surfaces des dispositifs, ce qui permet d’atteindre des densités de courant plus élevées.
Cependant, les bords des dispositifs à semi-conducteurs présentent des défauts qui conduisent à des recombinaisons. En particulier, comme représenté à la figure 1 , un dispositif à semi-conducteur 10 de l’état de la technique comporte une jonction p-n 12, ladite jonction p-n comprenant une première 16 et une deuxième 17 couches sensiblement planes, au contact l’une de l’autre et incluant des dopages de signe opposé. Des courants latéraux 52 circulant dans la première couche 16 atteignent une surface périphérique 26 de la jonction p-n 12. Au niveau des défauts de ladite surface périphérique, des recombinaisons 54 peuvent intervenir. Pour des dispositifs à semi- conducteurs de surface réduite, le ratio entre la densité de défauts périphérique et la surface utile se trouve augmenté, ce qui diminue l’efficacité des dispositifs.
Pour résoudre ce problème, il est connu de déposer des couches passivantes, par exemple à base d’éléments soufrés pour les matériaux lll-V, sur les surfaces périphériques 26 des jonctions p-n. Ces couches permettent de diminuer le taux de recombinaisons. Une telle solution est notamment décrite dans le document B. Brennan et. al., Appt. Surf. Sci. 257, 201 1 , 4082-4090 ou dans le document A. Gin et. al., Appl. Phys. Lett. 84, 2004, 2037-2039.
Cependant, des matériaux tels que l’arséniure de gallium (GaAs) sont associés à des vitesses très élevées de recombinaisons en surface. L’efficacité des couches passivantes est dès lors insuffisante.
La présente invention a pour but de proposer une méthode de passivation plus efficace des surfaces périphériques des dispositifs à semi-conducteurs.
A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif à semi-conducteur du type précité, comportant en outre une structure de passivation, telle que la première couche est disposée entre ladite structure de passivation et la deuxième couche selon la direction d’empilement, ladite structure de passivation étant configurée de sorte à générer dans la première couche de la jonction p-n une zone de déplétion sensiblement annulaire à proximité du bord latéral de ladite première couche, ladite zone de déplétion entourant une zone centrale non déplétée.
Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le dispositif à semi-conducteur comporte l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la structure de passivation est configurée de sorte à générer une zone de déplétion traversant intégralement la première couche selon la direction d’empilement ;
- la structure de passivation est configurée de sorte à générer une zone de déplétion continue le long d’une périphérie de la première couche ;
- la structure de passivation comporte un anneau de passivation, formé d’au moins une bande refermée sur elle-même et empilée avec la jonction p-n, une largeur minimale dudit anneau de passivation, perpendiculairement à la direction d’empilement, étant préférentiellement supérieure ou égale à 1 pm, plus préférentiellement supérieure ou égale à 20 pm et encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 50 pm ;
- l’anneau de passivation comprend une première et une deuxième bandes empilées, formées respectivement d’un matériau électriquement conducteur et d’un matériau électriquement isolant, chacune des première et deuxième bandes étant refermée sur elle-même, la deuxième bande étant disposée entre la première bande et la première couche selon la direction d’empilement, la structure de passivation comportant en outre une électrode empilée avec la jonction p-n au niveau de la zone centrale et un moyen d’application d’une tension électrique entre la première bande et l’électrode, de sorte à générer la zone de déplétion ;
-l’anneau de passivation comporte une bande formée d’un matériau comprenant des charges électriques fixes ;
- une épaisseur totale des première et deuxième couches selon la direction d’empilement est inférieure ou égale à 10 pm, plus préférentiellement inférieure ou égale à 5 pm.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 , déjà décrite, est une vue partielle, en section, d’un dispositif à semi- conducteur de l’état de la technique ;
- la figure 2 est une vue de dessus d’un dispositif à semi-conducteur selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
- les figures 3 et 4 sont des vues partielles, en section, du dispositif de la figure 1 , respectivement dans une première et dans une deuxième configurations ; la figure 5 est une vue en section d’un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ; et
- la figure 6 est une vue partielle, en section, d’un dispositif selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
Les figures 2, 3 et 4 représentent un dispositif 1 10 à semi-conducteur selon un premier mode de réalisation de l’invention. La figure 5 et la figure 6 représentent respectivement des dispositifs 210 et 310 à semi-conducteurs, selon un deuxième et un troisième modes de réalisation de l’invention.
Dans la suite de la description, les dispositifs 1 10, 210 et 310 seront décrits simultanément, les éléments similaires étant désignés par les mêmes numéros de référence.
Le dispositif à semi-conducteur 1 10, 210, 310 comporte notamment une jonction p-n 12 et une structure de passivation 1 13, 313. Le dispositif à semi-conducteur 1 10, 210, 310 comporte par ailleurs une première 14 et une deuxième 15 électrodes. Les première 14 et deuxième 15 électrodes du dispositif à semi-conducteur 310 ne sont pas représentées sur la figure 6.
La jonction p-n 12, similaire à la jonction p-n de la figure 1 , comprend une première 16 et une deuxième 17 couches principales, sensiblement planes. On considère une base orthonormée (X, Y, Z), la direction Z étant sensiblement perpendiculaire aux première 16 et deuxième 17 couches principales. Les première 16 et deuxième 17 couches principales sont au contact l’une de l’autre, empilées selon la direction Z. Dans la suite de la description, on considère que la première couche 16 est au-dessus de la deuxième couche 17.
Les première 16 et deuxième 17 couches principales sont respectivement formées d’un premier 19 et d’un deuxième 20 matériaux incluant des dopages de signe opposé. A titre d’exemple, les premier 19 et deuxième 20 matériaux sont à base d’arséniure de gallium (GaAs).
Dans la suite de la description, on considère que les premier 19 et deuxième 20 matériaux sont respectivement dopé n et dopé p. Cependant, l’inverse peut également être réalisé sous forme de variante.
On entend notamment, par « dopage n » ou « dopage p », le fait d’introduire, dans un matériau semi-conducteur, des impuretés de façon à augmenter à l’équilibre,
respectivement la concentration d’électrons et la concentration de trous. Par ailleurs, dans la présente description, le terme « dopage » est entendu au sens large et des variantes de réalisation mettent en œuvre des premier 19 et/ou deuxième 20 matériaux semi- conducteurs intrinsèques.
Chacune des première 16 et deuxième 17 couches principales comprend un bord latéral 22, 24. Lesdits bords latéraux sont sensiblement dans un prolongement l’un de l’autre selon Z, formant une surface périphérique 26 de la jonction p-n 12. Dans les modes de réalisation représentés, la surface périphérique 26 est sensiblement parallèle à Z. Selon une variante, la surface périphérique peut être inclinée selon Z, par exemple d’un angle compris entre 0° et 30°. Selon une autre variante, la surface périphérique a une forme non rectiligne selon Z.
Comme visible à la figure 2, les bords latéraux 22, 24 des couches principales du dispositif 1 10 ont une forme sensiblement circulaire, de sorte à minimiser le ratio périmètre/surface de la jonction p-n 12. Cependant, l’invention permettant de diminuer les effets de recombinaisons périphériques, des variantes (non représentées) de l’invention comprennent des bords latéraux 22, 24 ayant une forme quelconque, par exemple sensiblement carrée ou rectangulaire.
Le dispositif à semi-conducteur 1 10, 210, 310 comporte une surface supérieure 30. Dans les modes de réalisation des figures 2-4 et 6, la surface supérieure 30 des dispositifs 1 10 et 310 est formée par la première couche principale 16 de la jonction p-n 12.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, le dispositif 210 comprend en outre des couches secondaires, empilées selon Z avec les première 16 et deuxième 17 couches principales. Le dispositif 210, par exemple une cellule solaire, comprend notamment une couche fenêtre 32 disposée par-dessus la première couche principale 16 et formant la surface supérieure 30. La couche fenêtre 32 inclut un dopage de même signe que la première couche principale 16.
De préférence, la couche fenêtre 32 est réalisée dans un matériau semi- conducteur dont la largeur de bande interdite, ou gap, est plus élevée que la largeur de bande interdite du premier matériau 19 formant la première couche principale 16.
Le dispositif 210 comprend en outre une couche de substrat 34, ainsi qu’une couche intermédiaire 36 disposée entre la deuxième couche principale 17 et ladite couche de substrat 34. De préférence, chaque couche 34, 36 est réalisée dans un matériau semi- conducteur incluant un dopage de même signe que la deuxième couche principale 17, ici un dopage p.
De préférence, la couche intermédiaire 36 est réalisée dans un matériau semi- conducteur dont la largeur de bande interdite, ou gap, est plus élevée que la largeur de bande interdite du deuxième matériau 20 formant la deuxième couche principale 17.
Dans les modes de réalisation des figures 2-4 et 5, la première électrode 14 des dispositifs 1 10 et 210 est au contact de la surface supérieure 30. Ladite première électrode a par exemple une forme de croix disposée dans un plan (X, Y) de sorte à laisser libre une proportion majoritaire de ladite surface supérieure 30. D’autres formes sont possibles pour la première électrode 14, telles qu’une forme linéaire.
Dans le mode de réalisation des figures 2-4, la première électrode 14 du dispositif 1 10 est en métal. Dans le mode de réalisation de la figure 5, la première électrode 14 du dispositif 210 comporte une couche supérieure 40 en métal et une couche de contact 42, réalisée dans un matériau semi-conducteur et disposée entre la couche supérieure 40 et la surface supérieure 30.
Par ailleurs, dans les modes de réalisation des figures 2-4 et 5, la deuxième électrode 15 des dispositifs 1 10 et 210 forme une surface inférieure desdits dispositifs. Ladite deuxième électrode 15 est préférentiellement en métal, ou encore formée d’un oxyde transparent conducteur tel que le ZnO.
La structure de passivation 1 13, 313 du dispositif à semi-conducteur 1 10, 210, 310 a pour fonction de générer, dans la première couche principale 16 de la jonction p-n, une zone de déplétion 50 (figures 4 et 6), sensiblement annulaire, à proximité du bord latéral 22. Cette zone de déplétion 50 augmente la résistance électrique, et empêche donc les courants latéraux 52 d’atteindre la surface périphérique 26 de la jonction p-n 12, de sorte à éviter les recombinaisons de surface 54. La zone de déplétion 50 sera décrite plus précisément ci-après.
La structure de passivation 1 13, 313 comporte un anneau de passivation 160, 360, formé d’au moins une bande refermée sur elle-même et empilée selon Z avec la jonction p-n 12. L’anneau de passivation 160, 360 est notamment disposé sur la surface supérieure 30, entourant une zone centrale 61 non déplétée de ladite jonction p-n 12.
Dans un plan (X, Y), une largeur minimale 62 de l’anneau de passivation 160, 360 est supérieure à une longueur de diffusion des porteurs dont la structure de passivation a pour fonction de couper le transport latéral. Cette longueur de diffusion dépend des propriétés du matériau constituant la jonction p-n 12. Pour l’arséniure de gallium, ladite longueur de diffusion est de l’ordre de 1 pm à quelques dizaines de micromètres.
En conséquence, la largeur minimale 62 de l’anneau de passivation 160, 360 est supérieure ou égale à 1 pm, préférentiellement supérieure ou égale à 20 pm et plus préférentiellement supérieure ou égale à 50 pm.
L’anneau de passivation 160, 360 est disposé à une distance 64 de la surface périphérique 26 de la jonction p-n 12. Cette distance correspond à une partie de la jonction p-n déconnectée par la zone de déplétion 50. La distance 64 est donc préférentiellement la plus faible possible, selon les contraintes de réalisation.
Dans le mode de réalisation de la figure 6, l’anneau de passivation 360 du dispositif 310 comporte une bande formée d’un matériau 66 comprenant des charges électriques fixes. Lesdites charges génèrent spontanément la zone de déplétion 50 sous l’anneau de passivation 360.
A titre d’exemple, le matériau 66 est un oxyde d’aluminium contenant des charges négatives, notamment synthétisé par le procédé décrit dans le document B. Hoex et. al., Appl. Phys. Lett. 91 , 1 12107 (2007).
Dans les modes de réalisation des figures 2-4 et 5, l’anneau de passivation 160 comprend une première 70 et une deuxième 72 bandes empilées, formées respectivement d’un matériau électriquement conducteur et d’un matériau électriquement isolant. Chacune des première 70 et deuxième 72 bandes est refermée sur elle-même, la deuxième bande 72 étant disposée selon Z entre la première bande 70 et la première couche principale 16.
En outre, la structure de passivation 1 13 des dispositifs 1 10 et 210 comporte un dipôle 74 destiné à appliquer une tension au niveau de la première bande 70.
Ladite tension est par exemple appliquée entre l’anneau de passivation 160 et la première 14 ou la deuxième 15 électrode du dispositif 1 10, 210. En d’autres termes, ladite première 14 ou deuxième 15 électrode est incluse dans la structure de passivation 1 13.
De préférence, la tension est appliquée par rapport à la première électrode 14, qui, de même que l’anneau de passivation 160, est située sur la surface supérieure 30 du dispositif 1 10, 210.
Dans les modes de réalisation des figures 2-4, 5 et 6, la structure de passivation 1 13, 313 est configurée de sorte à générer une zone de déplétion 50 continue, le long de la surface périphérique 26. En variante au mode de réalisation de la figure 6, l’anneau de passivation 360, formé du matériau 66 comprenant des charges électriques fixes, présente une ou plusieurs discontinuités le long de la surface périphérique 26.
La zone de déplétion 50 va maintenant être décrite plus précisément, sur la base de la figure 4.
Dans une jonction p-n 12, une nappe de déplétion 81 , 82 se forme spontanément autour de l’interface entre les première 16 et deuxième 17 couches. Ladite nappe de déplétion comprend une première 81 et une deuxième 82 portions, disposées respectivement dans la première 16 et dans la deuxième 17 couches. La répartition de la
nappe de déplétion 81 , 82 entre la région p et la région n, soit les épaisseurs respectives des première 81 et deuxième 82 portions, dépend notamment du dopage de la jonction p- n 12.
La nappe de déplétion 81 , 82 est par nature faiblement conductrice. Les courants latéraux 52 décrits ci-dessus circulent dans la zone 83 non déplétée de la première couche 16, ou zone quasi-neutre, située au-dessus de la première portion 81 .
A titre d’exemple, l’extension wn de la zone de charge d’espace dans la région n, soit ici l’épaisseur de la première portion 81 , est donnée par la relation :
De même, l’extension wp de la zone de charge d’espace dans la région p, soit ici l’épaisseur de la deuxième portion 82, est donnée par la relation :
Ces relations peuvent se trouver dans des références telles que H. Mathieu and H. Fanet, Physique des semiconducteurs et des composants électroniques: cours et exercices corrigés, chapitre 2 (Dunod, 2009).
esc est la constante diélectrique du premier 19 ou second 20 matériau de la couche correspondante. Ladite constante diélectrique est définie par le produit de la constante diélectrique relative du matériau ESCT et de la permittivité du vide e0, égale à 8,8542.10 12Fm 1. Par exemple, pour le GaAs, SC>T = il, S.
j¾ est la concentration de dopants donneurs, responsables du dopage n, Na est la concentration de dopants accepteurs, responsables du dopage p.
nÉ est la densité de porteurs intrinsèques du semiconducteur. Pour le GaAs, ni = 3.106 cm-3.
q est la charge élémentaire, égale à 1 ,602.10 19C ; k est la constante de Boltzmann, égale à 1 ,38.1023JK 1.
Dans le cas d’une jonction p-n 12 en GaAs, avec des dopages Nd=2.1017cm 3 et Na=2.1018cm 3, on obtient par exemple wn = 88 nm et wp = 8,8 nm.
De préférence, la zone de déplétion 50 mise en oeuvre selon l’invention traverse intégralement selon Z, la zone quasi-neutre 83, afin de bloquer complètement les courants latéraux 52 dans la première couche 16 de la jonction p-n.
w est l’épaisseur de la zone de déplétion 50. La valeur maximale maximale wmax de l’épaisseur w est sensiblement égale à :
Eg étant la largeur de bande interdite du matériau, ND étant la concentration de dopants donneurs ou accepteurs. Pour une couche de GaAs dopé n à 2.1017cm 3, l’épaisseur maximale wmax de la zone de déplétion 50 est sensiblement wmax = 95 nm.
Afin de bloquer complètement les courants latéraux 52, dans le cas où la première couche principale 16 est de type n, il convient donc que ladite première couche principale 16 ait une épaisseur totale 84 selon Z inférieure à
Selon les exemples ci- dessus, l’épaisseur 84 de la première couche 16 est donc de préférence inférieure à 183 nm.
Par ailleurs, le champ électrique EisolŒnt présent dans la couche isolante 72 est défini par la relation :
£ isolons est la constante diélectrique du matériau isolant, définie par le produit de la constante diélectrique relative du matériau £iselantr et de la permittivité du vide ¾. Par exemple, pour IΆI203, e-isoïantr prend des valeurs sensiblement égales à 9.
w est l’épaisseur de la zone de déplétion 50.
Un matériau possède un champ de claquage limite au-delà duquel il devient conducteur. Il convient donc de dimensionner le dispositif de façon à ce que le champ dans l’isolant soit inférieur à ce champ de claquage. Le champ de claquage de l’AI203 se situe entre 5 et 10 MV/cm. Si l’on considère une couche de GaAs dopée n à 2.1017cm 3, dont l’épaisseur maximale de la zone de déplétion 50 est wmax = 95 nm, le champ résultant gi30 tat maximal dans une couche isolante 72 d’AI203 est de 0.38 MV/cm.
Une densité d’états d’interface très faible à l’interface 85 entre la première couche principale 16 et la couche isolante 72 conduit à des plages de dimensionnement satisfaisantes. Une telle densité d’états d’interface très faible est atteinte par exemple entre le GaAs et G Al203 déposé par ALD ( atomic layer déposition), ou entre le Si et le Si02, comme décrit dans le document J. A. del Alamo,“Nanometre-scale electronics with III— V compound semiconductors,” Nature, vol. 479, no. 7373, pp. 317-323, Nov. 201 1.
D’une manière générale, l’invention est particulièrement adaptée aux jonctions p-n 12 minces. Plus particulièrement, dans le dispositif 1 10, 210, 310, une épaisseur totale des première 16 et deuxième 17 couches principales selon Z est préférentiellement inférieure ou égale à 10 pm, plus préférentiellement inférieure ou égale à 5 pm et est par
exemple de l’ordre de 3 pm. Cette gamme d’épaisseurs est notamment préférée dans la technologie des semi-conducteurs à base d’arséniure de gallium.
Un exemple de réalisation, correspondant au mode de réalisation de la figure 5, va maintenant être décrit plus en détails à l’aide du tableau 1 ci-dessous. Ledit tableau récapitule les matériaux des différentes couches du dispositif 210, ainsi que leurs épaisseurs selon Z :
Tableau 1
Dans l’exemple ci-dessus, la première bande 70 de l’anneau de passivation est formée d’une première couche de titane, déposé sur la deuxième bande 72 d’oxyde d’aluminium, ainsi que d’une deuxième couche d’or, déposée sur la première couche de titane.
Dans l’exemple ci-dessus, la deuxième électrode 15 est formée d’une première couche d’argent, déposée sur le substrat 34, ainsi que d’une deuxième couche d’or, déposée sur la première couche d’argent.
Le gap du InGaP est supérieur au gap du GaAs. Ainsi, la couche fenêtre 32 passive la surface supérieure 30 de la cellule solaire 210 en prévenant, dans le cas d’un dopage n, la diffusion de trous vers cette surface 30. De même, la couche intermédiaire 36 prévient la diffusion d’électrons de la deuxième couche principale 17 vers le substrat 34.
Dans le GaAs, le dopage de type n et le dopage de type p sont par exemple réalisé par l’introduction d’impuretés, respectivement à base de soufre et à base de zinc.
Selon une variante de réalisation, les dopages n et p sont inversés par rapport au tableau 1.
Un procédé de réalisation et d’utilisation de la cellule solaire 210 va maintenant être décrit. Tout d’abord, les différentes couches mentionnées dans le tableau 1 sont réalisées sur la couche de substrat 34, par des procédés connus. Le matériau isolant de la deuxième bande 72 de l’anneau de passivation 160 est par exemple déposé par ALD.
Le dipôle 74 est ensuite relié, respectivement à la première bande 70 de l’anneau de passivation 160, et à la première couche 40 de la première électrode. A ce stade, la jonction p-n 12 est dans la même configuration qu’à la figure 3, sans zone de déplétion au droit de l’anneau de passivation 160.
Une différence de potentiel est alors appliquée entre ladite première bande 70 et ladite première couche 40, de sorte à appauvrir la première couche principale 16 en porteurs majoritaires au droit de l’anneau de passivation 160. Si la première couche principale 16 est dopée n, il convient d’appliquer, au niveau de l’anneau de passivation 160, un potentiel inférieur à celui de la première électrode 14. L’inverse convient pour une première couche principale 16 dopée p.
L’appauvrissement local de la première couche principale 16 en porteurs majoritaires forme la zone de déplétion 50, qui bloque les courants latéraux 52 et élimine l’essentiel des recombinaisons 54 au niveau de la surface périphérique 26 de la cellule solaire 210. A ce stade, la jonction p-n 12 est dans la même configuration qu’à la figure 4.
Lorsque le dipôle 74 est débranché de la cellule solaire 210, la zone de déplétion 50 disparaît. Au contraire, dans le mode de réalisation représenté à la figure 6, la zone de déplétion 50 du dispositif 310 est permanente.
Claims
1.- Dispositif à semi-conducteur (1 10, 210, 310) comportant une jonction p-n (12), ladite jonction p-n comprenant une première (16) et une deuxième (17) couches sensiblement planes, respectivement formées d’un premier (19) et d’un deuxième (20) matériaux incluant des dopages de signe opposé,
lesdites première et deuxième couches étant au contact l’une de l’autre, définissant une direction d’empilement (Z),
chacune des première et deuxième couches comprenant un bord latéral (22, 24), lesdits bords latéraux étant sensiblement dans un prolongement l’un de l’autre selon la direction d’empilement,
ledit dispositif étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre une structure de passivation (1 13, 313), telle que la première couche (16) est disposée entre ladite structure de passivation et la deuxième couche (17) selon la direction d’empilement,
ladite structure de passivation étant configurée de sorte à générer dans la première couche (16) de la jonction p-n une zone de déplétion (50) sensiblement annulaire à proximité du bord latéral (22) de ladite première couche, ladite zone de déplétion entourant une zone centrale (61 ) non déplétée.
2.- Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 1 , dans lequel la structure de passivation (1 13, 313) est configurée de sorte à générer une zone de déplétion traversant intégralement la première couche (16) selon la direction d’empilement.
3.- Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la structure de passivation est configurée de sorte à générer une zone de déplétion (50) continue le long d’une périphérie (26) de la première couche.
4.- Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 3, dans lequel la structure de passivation comporte un anneau de passivation (160, 360), formé d’au moins une bande refermée sur elle-même et empilée avec la jonction p-n (12),
une largeur minimale (62) dudit anneau de passivation, perpendiculairement à la direction d’empilement, étant préférentiellement supérieure ou égale à 1 pm, plus préférentiellement supérieure ou égale à 20 pm et encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 50 pm.
5.- Dispositif à semi-conducteur (1 10, 210) selon la revendication 4, dans lequel l’anneau de passivation (160) comprend une première (70) et une deuxième (72) bandes empilées, formées respectivement d’un matériau électriquement conducteur et d’un matériau électriquement isolant, chacune des première et deuxième bandes étant refermée sur elle-même, la deuxième bande (72) étant disposée entre la première bande (70) et la première couche (16) selon la direction d’empilement,
la structure de passivation (1 13) comportant en outre : une électrode (14, 15) empilée avec la jonction p-n au niveau de la zone centrale (61 ) ; et un moyen (74) d’application d’une tension électrique entre la première bande et l’électrode, de sorte à générer la zone de déplétion (50).
6.- Dispositif à semi-conducteur (310) selon la revendication 4, dans lequel l’anneau de passivation (360) comporte une bande formée d’un matériau (66) comprenant des charges électriques fixes.
7.- Dispositif à semi-conducteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une épaisseur totale des première (16) et deuxième (17) couches selon la direction d’empilement (Z) est inférieure ou égale à 10 pm, plus préférentiellement inférieure ou égale à 5 pm.
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
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NENP | Non-entry into the national phase |
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