半導(dǎo)體元件的接合方法及接合結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供在界面確保優(yōu)良的導(dǎo)電性及透明性并將半導(dǎo)體元件接合的方法以及基于該接合方法的接合結(jié)構(gòu)。提供在界面確保優(yōu)良的導(dǎo)電性并且能夠進(jìn)行有利于元件特性的光學(xué)特性的設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體元件的接合方法以及基于該接合方法的接合結(jié)構(gòu)。將未被有機(jī)分子覆蓋的導(dǎo)電性納米粒子無光學(xué)損失地配置于半導(dǎo)體元件的表面，使另一個半導(dǎo)體元件壓接于該導(dǎo)電性納米粒子上。
【專利說明】半導(dǎo)體元件的接合方法及接合結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元件的接合方法及接合結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]通過將各個半導(dǎo)體元件接合，能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體裝置的高性能化。代表性的是，在作為光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體元件的太陽能電池中，通過使具有不同帶隙的太陽能電池層疊并多接合化，能夠使其吸收較寬范圍的太陽光譜，提高光電轉(zhuǎn)換效率。
[0003]這種多接合太陽能電池一般是在GaAs基板或Ge基板上統(tǒng)一生長II1-V族半導(dǎo)體單電池(GaAs類)而形成的單片堆疊結(jié)構(gòu)，在該情況下，作為底電池適用在長波長帶具有靈敏度的Ge或InGaAs類，能夠獲得發(fā)電效率超過40%的性能。但是，這些材料的組合是晶格失配類，因此生長技術(shù)煩雜且成為成本增加的主要原因。
[0004]另一方面，最近受到注目的智能堆疊結(jié)構(gòu)利用將多個單電池機(jī)械性地自由接合的結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒏鞣N單電池容易地組合，從高性能/低成本化的觀點(diǎn)出發(fā)，這是新一代太陽能電池的關(guān)鍵技術(shù)。在智能堆疊結(jié)構(gòu)中，在各太陽能電池的接合界面處實(shí)現(xiàn)不僅確保導(dǎo)電性還確保透明性的接合結(jié)構(gòu)這一點(diǎn)是重要的。另外，與確保透明性同等重要或者更重要的是實(shí)現(xiàn)有利于太陽能電池特性的光學(xué)特性。
[0005]以往，作為包括太陽能電池的半導(dǎo)體元件的接合方法，公知例如如專利文獻(xiàn)1、2所示，通過導(dǎo)電性粘接劑、即包含微米尺寸的粒子狀金屬化合物、金屬納米絲的有機(jī)高分子樹脂進(jìn)行接合的方法。
[0006]另外，例如如專利文獻(xiàn)3所記載的那樣，報(bào)告了一種利用被直徑尺寸為100納米以下的有機(jī)分子覆蓋的導(dǎo)電性納米粒子，基于利用納米尺寸化帶來的熔點(diǎn)降低進(jìn)行導(dǎo)電性納米粒子間的低溫?zé)Y(jié)的半導(dǎo)體元件的接合方法。
[0007]但是在上述方法中，由于以下理由，在半導(dǎo)體元件界面上難以實(shí)現(xiàn)確保導(dǎo)電性和透明性的接合結(jié)構(gòu)。另外，也難以實(shí)現(xiàn)有利于太陽能電池特性的光學(xué)特性。
[0008]首先，在專利文獻(xiàn)1、2中，由于因接合后的裝置動作時從元件自身發(fā)出的熱、外部氣溫變化等而引起的有機(jī)高分子樹脂的熱膨脹，可能會產(chǎn)生粒子狀金屬化合物、金屬納米絲的非接觸而導(dǎo)致導(dǎo)電性降低或失活。另外，為了維持透光性，需要降低粒子狀金屬化合物、金屬納米絲的濃度，這會對導(dǎo)電性產(chǎn)生不良影響。
[0009]接著，在專利文獻(xiàn)3中，出于提高操作性的目的，通常將所使用的直徑100納米以下的導(dǎo)電性納米粒子利用由有機(jī)分子構(gòu)成的保護(hù)膜進(jìn)行覆蓋。但是，為了獲得接合后良好的導(dǎo)電性，需要進(jìn)行在燒結(jié)后不殘留這些有機(jī)分子的工作。
[0010]另外，如上所述，為了在界面維持透明性及透光性，需要降低導(dǎo)電性納米粒子濃度，使其在界面均勻地存在，防止生成大的導(dǎo)電性納米粒子燒結(jié)體。但是，粒子濃度的降低會導(dǎo)致燒結(jié)頻率的降低，因此接合本身會變得困難。
[0011]另一方面，雖然并不是上述這樣的將太陽能電池等半導(dǎo)體元件彼此接合的技術(shù)，但還研究了將兩親性嵌段共聚物作為模板，在基板表面上二維地排列金屬納米粒子，進(jìn)行向能夠期待量子尺寸效果的元件等的應(yīng)用(參照專利文獻(xiàn)4、5)。但是，完全沒有對經(jīng)由排列于表面的金屬(導(dǎo)電性)納米粒子而不使用有機(jī)分子等粘接劑、粘接用材料地將半導(dǎo)體元件彼此導(dǎo)電性地接合的方式進(jìn)行研究。
[0012]另外，雖然并不是上述這樣的將太陽能電池等半導(dǎo)體元件彼此接合的技術(shù)，但還研究了利用具有任意三維形狀圖案的印模，將通過蒸鍍法等堆積的金屬等的薄膜轉(zhuǎn)印到其他基板表面來制作納米結(jié)構(gòu)(非專利文獻(xiàn)I)，進(jìn)行向傳感器元件等的應(yīng)用(非專利文獻(xiàn)2)。但是，關(guān)于使用該印模的技術(shù)，完全沒有對經(jīng)由排列于表面的金屬(導(dǎo)電性)納米粒子而不使用有機(jī)分子等粘接劑、粘接用材料地將半導(dǎo)體元件彼此導(dǎo)電性地接合的方式進(jìn)行研究。
[0013]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0014]專利文獻(xiàn)
[0015]專利文獻(xiàn)1:日本特開2003-309352號公報(bào)
[0016]專利文獻(xiàn)2:日本特開2011-138711號公報(bào)
[0017]專利文獻(xiàn)3:日本特開2004-107728號公報(bào)
[0018]專利文獻(xiàn)4:日本特開2006-88310號公報(bào)
[0019]專利文獻(xiàn)5:W02005/122998 號
[0020]非專利文獻(xiàn)
[0021]非專利文獻(xiàn) 1:Loo et al., Journal of the American ChemicalSociety, 124(2002), 7654.[0022]非專利文獻(xiàn)2:Hatab et al.，ACS Nano, 2 (2008)，377.
【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]發(fā)明要解決的課題
[0024]本發(fā)明是為了彌補(bǔ)如上所述的將半導(dǎo)體彼此接合的現(xiàn)有方法的弱點(diǎn)而開發(fā)的方法，其目的在于提供一種在界面確保優(yōu)良的導(dǎo)電性及透明性地將半導(dǎo)體元件接合的方法以及基于該接合方法的接合結(jié)構(gòu)。
[0025]另外，本發(fā)明的其他目的在于提供一種在界面確保優(yōu)良的導(dǎo)電性并且能夠進(jìn)行有利于元件特性的光學(xué)特性的設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體元件的接合方法以及基于該接合方法的接合結(jié)構(gòu)。
[0026]用于解決課題的方案
[0027]在為了達(dá)到上述目的而進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)研究的過程中，本申請發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，即便在將未被有機(jī)分子覆蓋的導(dǎo)電性納米粒子排列于所接合的半導(dǎo)體元件界面的情況下，也能夠不使用通常使用的有機(jī)分子等的粘接劑及粘接用材料地將兩個半導(dǎo)體元件接合，并且能夠?qū)雽?dǎo)體元件之間導(dǎo)電連接。本發(fā)明的接合方法基于以上述目的為前提的上述認(rèn)知，其特征在于，將未被有機(jī)分子覆蓋的導(dǎo)電性納米粒子的單層排列于半導(dǎo)體元件的表面，在其上壓接另一個半導(dǎo)體元件。
[0028]S卩，本發(fā)明具有如下特征。
[0029](I) 一種半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于，將未被有機(jī)分子覆蓋的導(dǎo)電性納米粒子排列于一個半導(dǎo)體元件表面，在該導(dǎo)電性納米粒子之上壓接另一個半導(dǎo)體元件。[0030](2)根據(jù)上述⑴所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于，導(dǎo)電性納米粒子在上述半導(dǎo)體元件表面的排列是以嵌段共聚物薄膜作為模板而形成的。
[0031](3)根據(jù)上述(1)所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于，導(dǎo)電性納米粒子在上述半導(dǎo)體元件表面的排列通過利用具備形狀圖案的印模的轉(zhuǎn)印方法而形成。
[0032](4)根據(jù)上述(1)~(3)中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于，上述導(dǎo)電性納米粒子的尺寸為100納米以上500納米以下。
[0033](5)根據(jù)上述(1)或(2)所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于，上述導(dǎo)電性納米粒子的尺寸為10納米以上200納米以下。
[0034](6)根據(jù)上述(1)~(5)中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于，上述導(dǎo)電性納米粒子的排列間隔是導(dǎo)電性納米粒子尺寸的2倍以上10倍以下的距離。
[0035](7)根據(jù)上述(1)~(6)中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于，上述導(dǎo)電性納米粒子由Pd、Au、Ag、Pt、N1、Al、In、Ιη203、Zn、ZnO或者它們的復(fù)合體構(gòu)成。
[0036](8)根據(jù)上述(1)~(7)中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于，上述半導(dǎo)體元件是使用結(jié)晶Si類、非晶Si類、微結(jié)晶Si類、有機(jī)類或黃銅礦類材料的單接合太陽能電池或者由在GaAs、InP、GaSb或Ge基板上等層疊的兩接合以上構(gòu)成的太陽能電池。
[0037](9) 一種半導(dǎo)體元件的接合結(jié)構(gòu)，是一對半導(dǎo)體元件的接合結(jié)構(gòu)，在兩個半導(dǎo)體元件的接合面夾有未被有機(jī)分子覆蓋的導(dǎo)電性納米粒子。
[0038](10)根據(jù)上述(9)所述的半導(dǎo)體元件的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于，夾在兩個半導(dǎo)體元件的接合面的導(dǎo)電性納米粒子是單層。
[0039](11)根據(jù)上述(9)或(10)所述的半導(dǎo)體元件的接合結(jié)構(gòu)，一對半導(dǎo)體元件在接合面具有半導(dǎo)體層或?qū)щ妼印?br> [0040](12) 一種半導(dǎo)體元件層疊體，在相鄰的半導(dǎo)體元件之間具備上述(9)~(11)中任一項(xiàng)所述的接合結(jié)構(gòu)，從半導(dǎo)體元件層疊體的層疊方向的一個端面開始到接合面中至少位于最遠(yuǎn)位置的接合面為止具備透光性。
[0041](13)根據(jù)上述(12)所述的半導(dǎo)體元件層疊體，半導(dǎo)體元件具有光電轉(zhuǎn)換功能。
[0042](14)根據(jù)上述(13)所述的半導(dǎo)體元件層疊體，具有光電轉(zhuǎn)換功能的半導(dǎo)體元件是太陽能電池。
[0043]發(fā)明效果
[0044]根據(jù)本發(fā)明的接合方法，能夠獲得導(dǎo)電性及透明性優(yōu)良的半導(dǎo)體元件接合結(jié)構(gòu)。特別是，在應(yīng)用于具有不同帶隙的多個太陽能電池的層疊、多接合化的情況下，能夠吸收較寬范圍的太陽光譜，提高光電轉(zhuǎn)換效率。進(jìn)而，能夠利用納米結(jié)構(gòu)帶來的光學(xué)特性，通過其光約束效果也能夠提高光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]圖1是表示利用本發(fā)明的接合方法的實(shí)施方式中的半導(dǎo)體元件的接合結(jié)構(gòu)的剖面的示意圖。
[0046]圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施例中所使用的嵌段共聚物薄膜的原子間力顯微鏡像的六邊形狀排列的示例圖。
[0047]圖3是通過本發(fā)明的實(shí)施例中所使用的形狀圖案印模制作出的金屬納米結(jié)構(gòu)的六邊形狀排列的示例圖。
[0048]圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制作而成的GaAs/CIGSe類兩接合太陽能電池的接合結(jié)構(gòu)的剖面的示意圖。
[0049]圖5(a)是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制作而成的GaAs/CIGSe類兩接合太陽能電池的IV特性，圖5 (b)是未夾有鈀納米粒子的GaAs/CIGSe類兩接合太陽能電池的IV特性。
[0050]圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制作而成的GaAs/InP類兩接合太陽能電池的接合結(jié)構(gòu)的剖面的示意圖。
[0051]圖7(a)是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制作而成的GaAs/InP類兩接合太陽能電池的IV特性，圖7(b)是未夾有金納米粒子的GaAs/InP類兩接合太陽能電池的IV特性。
[0052]圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制作而成的非晶硅/結(jié)晶硅類兩接合太陽能電池的接合結(jié)構(gòu)的剖面的示意圖。
[0053]圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制作而成的GaAs/InP類兩接合太陽能電池的接合結(jié)構(gòu)的剖面的示意圖。
[0054]圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制作而成的GaAs/InP類兩接合太陽能電池的IV特性。
【具體實(shí)施方式】
[0055]下面，使用【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的詳情。
[0056]圖1是表示利用本發(fā)明的接合方法的半導(dǎo)體元件的接合結(jié)構(gòu)的剖面的示意圖。在圖1中，接合結(jié)構(gòu)101由底半導(dǎo)體元件102和頂半導(dǎo)體元件103構(gòu)成，它們之間以存在導(dǎo)電性納米粒子104的狀態(tài)進(jìn)行接合。
[0057]底半導(dǎo)體元件102和頂半導(dǎo)體元件103優(yōu)選在各自的接合面上具有半導(dǎo)體層或?qū)щ妼?，在該情況下，一方的接合面的半導(dǎo)體層和/或?qū)щ妼优c另一方的接合面的半導(dǎo)體層和/或?qū)щ妼咏?jīng)由導(dǎo)電性納米粒子104而導(dǎo)電連接。
[0058]相互接合的半導(dǎo)體元件的數(shù)量并不限于一對，但在半導(dǎo)體元件層疊體中，優(yōu)選設(shè)定成能夠確保所需的透光性的范圍的數(shù)量。作為接合的半導(dǎo)體元件，優(yōu)選列舉出具有透光性的元件、光電轉(zhuǎn)換元件。作為光電轉(zhuǎn)換元件，優(yōu)選是太陽能電池這樣的將光轉(zhuǎn)換成電能的元件，但也可以是相反地將電能轉(zhuǎn)換成光的元件。
[0059]作為太陽能電池，可以列舉出GaAs類太陽能電池、CIS類(黃銅礦類)太陽能電池、由在GaAs、InP、GaSb或Ge基板上等層疊的一接合或兩接合以上構(gòu)成的太陽能電池等化合物類太陽能電池、Si結(jié)晶太陽能電池、非晶硅太陽能電池、微晶硅太陽能電池等硅類太陽能電池、有機(jī)類太陽能電池及染料敏化太陽能電池等。
[0060]作為導(dǎo)電性納米粒子，可以列舉出Pd、Au、Ag、Pt、N1、Al、Zn、In等金屬納米粒子及Ζη0、Ιη203等金屬氧化物納米粒子等。為了獲得良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)電性納米粒子的尺寸優(yōu)選為10納米以上，更優(yōu)選為20納米以上，進(jìn)而優(yōu)選為30納米以上。另一方面，為了抑制納米粒子導(dǎo)致的光的吸收/散射，導(dǎo)電性納米粒子的尺寸優(yōu)選為100納米以下，更優(yōu)選為80納米以下，進(jìn)而優(yōu)選為60納米以下，但只要是200納米以下(更優(yōu)選為150納米以下，進(jìn)而優(yōu)選為120納米以下)，相比超過200納米的粒子，就能夠抑制光的吸收/散射。另一方面，為了促進(jìn)納米粒子導(dǎo)入帶來的光約束效果，優(yōu)選為120納米以上、500納米以下，更優(yōu)選為150納米以上、300納米以下，進(jìn)而優(yōu)選為180納米以上、250納米以下。另外，本發(fā)明中的“導(dǎo)電性納米粒子的尺寸D”(在下文中有時將該尺寸D稱為“平均尺寸”)定義如下。
[0061]D=(XDi)/n
[0062][其中，D是導(dǎo)電性納米粒子的尺寸，Di是存在于預(yù)定觀察區(qū)域中的任意粒子的粒子徑(=(長徑+短徑)/2)，n是存在于該觀察區(qū)域的粒子的個數(shù)(η是統(tǒng)計(jì)處理上足夠大的數(shù)，通常為20以上)]
[0063]導(dǎo)電性納米粒子沒有被有機(jī)分子等的保護(hù)膜、粘接劑以及粘接用材料覆蓋，并且，各個獨(dú)立的粒子形成均勻地排列的單層。例如，如圖2、圖3所示，可以排列成在任意一個粒子的周圍，六個粒子形成六邊形的(偽)六邊形狀排列等。為了使光良好地透過，導(dǎo)電性納米粒子的排列間隔優(yōu)選具有納米粒子的尺寸的至少2倍以上的距離(更優(yōu)選為3倍以上)。另一方面，為了確保所需的導(dǎo)電性，優(yōu)選為10倍以下(更優(yōu)選為7倍以下)。例如，如果導(dǎo)電性納米粒子的尺寸是40納米，則排列間隔為80納米以上、400納米以下。此時，導(dǎo)電性納米粒子與上下的半導(dǎo)體元件形成歐姆接合，并且在界面均勻地排列，因此能夠獲得優(yōu)良的導(dǎo)電性。另外，粒子間的凝集得以抑制，因而還能夠獲得優(yōu)良的透光性。另一方面，例如，如果導(dǎo)電性納米粒子的尺寸是200納米，則排列間隔為400納米以上、2000納米以下。此時，導(dǎo)電性納米粒子與上下的半導(dǎo)體元件形成歐姆接合，并且在界面均勻地排列，因此能夠獲得優(yōu)良的導(dǎo)電性。另外，通過納米粒子和納米粒子排列的光學(xué)特性，還能夠獲得有利于元件特性的光約束效果。另外，本發(fā)明中的“導(dǎo)電性納米粒子的排列間隔L”定義如下。
[0064][數(shù)式I]
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于， 將未被有機(jī)分子覆蓋的導(dǎo)電性納米粒子排列于一個半導(dǎo)體元件表面，在該導(dǎo)電性納米粒子之上壓接另一個半導(dǎo)體元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于， 導(dǎo)電性納米粒子在上述半導(dǎo)體元件表面的排列是以嵌段共聚物薄膜作為模板而形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于， 導(dǎo)電性納米粒子在上述半導(dǎo)體元件表面的排列通過利用具備形狀圖案的印模的轉(zhuǎn)印方法而形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于， 上述導(dǎo)電性納米粒子的尺寸為100納米以上500納米以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于， 上述導(dǎo)電性納米粒子的尺寸為10納米以上200納米以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于， 上述導(dǎo)電性納米粒子的排列間隔是導(dǎo)電性納米粒子尺寸的2倍以上10倍以下的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1?6中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于， 上述導(dǎo)電性納米粒子由Pd、Au、Ag、Pt、N1、Al、In、In2O3> Zn、ZnO或者它們的復(fù)合體構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1?7中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件的接合方法，其特征在于， 上述半導(dǎo)體元件是使用結(jié)晶Si類、非晶Si類、微晶Si類、有機(jī)類或黃銅礦類材料的單接合太陽能電池或者由在GaAs、InP、GaSb或Ge基板上等層疊的兩接合以上構(gòu)成的太陽能電池。
9.一種半導(dǎo)體元件的接合結(jié)構(gòu)，是一對半導(dǎo)體元件的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于， 在兩個半導(dǎo)體元件的接合面夾有未被有機(jī)分子覆蓋的導(dǎo)電性納米粒子。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體元件的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于， 夾在兩個半導(dǎo)體元件的接合面的導(dǎo)電性納米粒子是單層。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的半導(dǎo)體元件的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于， 一對半導(dǎo)體元件在接合面具有半導(dǎo)體層或?qū)щ妼印?br> 12.—種半導(dǎo)體元件層疊體，在相鄰的半導(dǎo)體元件之間具備權(quán)利要求9?11中任一項(xiàng)所述的接合結(jié)構(gòu)，其特征在于， 從半導(dǎo)體元件層疊體的層疊方向的一個端面開始到接合面中至少位于最遠(yuǎn)位置的接合面為止具備透光性。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體元件層疊體，其特征在于， 半導(dǎo)體元件具有光電轉(zhuǎn)換功能。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體元件層疊體，其特征在于， 具有光電轉(zhuǎn)換功能的半導(dǎo)體元件是太陽能電池。
【文檔編號】H01L31/04GK103890976SQ201280050852
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月17日
【發(fā)明者】水野英范, 牧田紀(jì)久夫 申請人:獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所