本發(fā)明涉及一種可擴(kuò)展的(skalierbar)電壓源。

背景技術(shù)：

由US 4 127 862、US 6 239 354 B1、DE 10 2010 001 420 A1、由Nader M.Kalkhoran等人寫的文章《Cobalt disilicide intercell ohmic contacts for multijunction photovoltaic energy converters》(用于多結(jié)光電能量轉(zhuǎn)換器的硅化鈷電池間的歐姆接觸)，應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)(Appl.Phys.Lett.)64，1980(1994)以及由A.Bett等人寫的文章《III-V Solar cells under monochromatic illumination》(單色光照射下的III-V族太陽(yáng)能電池)，2008年第33屆IEEE光電專家會(huì)議(PVSC'08，33rd IEEE)論文集，第1-5頁(yè)，ISBN：978-1-4244-1640-0已知了可擴(kuò)展的電壓源或由III-V族材料構(gòu)成的太陽(yáng)能電池。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在此背景下，本發(fā)明的任務(wù)在于：給出一種裝置，所述裝置對(duì)現(xiàn)有技術(shù)作出進(jìn)一步改進(jìn)。

所述任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的可擴(kuò)展的電壓源來(lái)解決。本發(fā)明的有利的實(shí)施方式是從屬權(quán)利要求的主題。

根據(jù)本發(fā)明的主題提出可擴(kuò)展的電壓源，所述可擴(kuò)展的電壓源具有數(shù)量為N的相互串聯(lián)連接的部分電壓源，所述部分電壓源構(gòu)造為半導(dǎo)體二極管，其中所述部分電壓源中的每一個(gè)具有一個(gè)半導(dǎo)體二極管，所述半導(dǎo)體二極管具有p-n結(jié)，所述半導(dǎo)體二極管具有p摻雜的吸收層(Absorptionsschicht)，其中p吸收層被p摻雜的鈍化層鈍化，所述p摻雜的鈍化層具有比所述p吸收層的帶隙更大的帶隙，所述半導(dǎo)體二極管具有n吸收層，其中所述n吸收層被n摻雜的鈍化層鈍化，所述n摻雜的鈍化層具有比所述n吸收層的帶隙更大的帶隙，并且各個(gè)部分電壓源的部分電源電壓相互間具有小于20％的偏差；在每?jī)蓚€(gè)彼此相繼的部分電壓源之間構(gòu)造有一個(gè)隧道二極管，其中所述隧道二極管具有多個(gè)半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層具有比所述p/n吸收層的帶隙更大的帶隙，并且具有更大帶隙的半導(dǎo)體層分別由具有經(jīng)改變的化學(xué)計(jì)量的材料和/或不同于所述半導(dǎo)體二極管的p/n吸收層的元素成分的材料組成；所述部分電壓源和所述隧道二極管單片地集成在一起并且共同構(gòu)成具有上側(cè)及下側(cè)的第一堆疊(Stapel)，并且所述部分電壓源的數(shù)量N大于等于3；光在上側(cè)處入射到所述第一堆疊上，并且堆疊上側(cè)處的照射面的尺寸基本上是所述第一堆疊在上側(cè)處的面的尺寸，并且所述第一堆疊具有小于12μm的總厚度；在300K的情況下，只要所述第一堆疊被光子流照射，則所述第一堆疊具有大于3伏特的電源電壓，其中在從所述第一堆疊的上側(cè)向所述第一堆疊的下側(cè)的光入射方向上，半導(dǎo)體二極管的p吸收層和n吸收層的總厚度從最上面的二極管向著最下面的二極管增加，并且所述電壓源在堆疊的下側(cè)附近具有環(huán)繞的、臺(tái)階形的邊緣。

要注意的是，表述“基本上”結(jié)合堆疊上側(cè)處的照射面與第一堆疊在上側(cè)處的面的尺寸的比較應(yīng)理解為，面積的區(qū)別尤其小于20％，或者優(yōu)選小于10％，或者優(yōu)選小于5％，或者最優(yōu)選兩個(gè)面積相等。

還要注意的是，用于照射堆疊上側(cè)的“光”的表述應(yīng)理解為具有吸收層的吸收范圍內(nèi)的波長(zhǎng)光譜的光?？梢岳斫?，具有一個(gè)確定的、即吸收的波長(zhǎng)的——也就是吸收層的吸收范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的單色光也是適合的。

可以理解，優(yōu)選以確定波長(zhǎng)的光照射所述第一堆疊的整個(gè)上側(cè)，即整個(gè)表面或幾乎整個(gè)表面。應(yīng)注意，深入的研究以出人意料的方式表明：與現(xiàn)有技術(shù)不同地，借助當(dāng)前的單片堆疊方式以有利的方式得到了3V以上的電源電壓。

根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：通過(guò)多個(gè)部分電壓源的串聯(lián)連接也能夠制造具有4伏以上或更大的電壓值的電壓源，借助單片集成結(jié)構(gòu)能夠制造簡(jiǎn)單的且成本上有利的及可靠的電壓源。另一優(yōu)點(diǎn)是：借助堆疊形式的布置與迄今硅二極管的側(cè)向布置相比實(shí)現(xiàn)了較大的面積節(jié)省。尤其由發(fā)射二極管或光源僅需照射所述堆疊的小得多的接收面。

在一種擴(kuò)展構(gòu)型中，各個(gè)部分電壓源的部分電源電壓相互間偏差小于10％。由此實(shí)質(zhì)地改進(jìn)了作為可擴(kuò)展的電壓源、尤其作為參考電壓源的適用性。可以理解，術(shù)語(yǔ)“可擴(kuò)展”涉及整個(gè)堆疊的電源電壓的幅值。

在另一種擴(kuò)展構(gòu)型中，所述半導(dǎo)體二極管分別具有相同的半導(dǎo)體材料，其中，在此二極管的半導(dǎo)體材料具有相同的晶體組成(kristalline Zusammensetzung)，優(yōu)選化學(xué)計(jì)量幾乎相同，或者優(yōu)選化學(xué)計(jì)量完全相同。同樣有利的是，所述第一堆疊被布置在襯底上。在一種實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體材料和/或所述襯底由III-V族材料組成。尤其優(yōu)選的是，所述襯底包括鍺或砷化鎵，和/或，所述襯底上的半導(dǎo)體層具有砷和/或磷。換句話說(shuō)，所述半導(dǎo)體層包括含砷的層和含磷的層，即由GaAs或AlGaAs或InGaAs組成的層作為砷化物層的示例以及InGaP作為磷化物層的示例。

優(yōu)選的是，在所述第一堆疊的下側(cè)上構(gòu)造第二電壓連接端，尤其是，所述第二電壓連接端構(gòu)造成穿過(guò)襯底。

在另一種實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體二極管由與所述襯底相同的材料組成。優(yōu)點(diǎn)是，尤其這兩部分的膨脹系數(shù)相同。有利的是，所述半導(dǎo)體二極管基本上由III-V族材料組成。尤其優(yōu)選地使用GaAs。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，在所述第一堆疊的上側(cè)上構(gòu)造有第一電壓連接端，所述第一電壓連接端被構(gòu)造為邊緣附近的環(huán)繞的金屬接觸部或被構(gòu)造為邊緣處的單個(gè)接觸面。

此外優(yōu)選的是，所述第一堆疊具有小于2mm²或小于1mm²的基面。研究已表明：有利的是，所述基面以四邊形構(gòu)造。優(yōu)選所述堆疊的基面以正方形構(gòu)造。

進(jìn)一步的研究已表明，為了達(dá)到特別高的電壓有利的是，構(gòu)造第二堆疊并且將兩個(gè)堆疊相互串聯(lián)地連接，從而所述第一堆疊的電源電壓和所述第二堆疊的電源電壓相加。優(yōu)選地，所述第一堆疊與所述第二堆疊并排布置在共同的載體上。

在一種擴(kuò)展構(gòu)型中，所述第一堆疊的電源電壓與所述第二堆疊的電源電壓偏差小于15％。

此外優(yōu)選的是，在堆疊的最下面的半導(dǎo)體二極管的下面構(gòu)造有半導(dǎo)體鏡。研究已表明：能夠?qū)⒍鄠€(gè)堆疊并排構(gòu)造在一個(gè)半導(dǎo)體晶片或半導(dǎo)體襯底片上，其方式是，在整面地、優(yōu)選外延地制造所述層之后，實(shí)施所謂的臺(tái)面蝕刻為此，借助掩膜工藝產(chǎn)生漆掩膜，然后優(yōu)選實(shí)施濕化學(xué)蝕刻以產(chǎn)生臺(tái)面溝槽。所述臺(tái)面蝕刻優(yōu)選終止在襯底中或終止在襯底上。

在一種實(shí)施方式中，在各個(gè)二極管的p吸收層與n吸收層之間構(gòu)造有本征層。這里，本征層應(yīng)理解為具有低于1E16 1/cm²、優(yōu)選小于5E15 1/cm²、最優(yōu)選小于1.5E15 1/cm²的摻雜的半導(dǎo)體層。

在一種擴(kuò)展構(gòu)型中優(yōu)選的是，每個(gè)堆疊在下側(cè)附近具有環(huán)繞的、臺(tái)階形的邊緣，其中在兩個(gè)堆疊直接相鄰的情況下在堆疊結(jié)構(gòu)的外側(cè)上構(gòu)成環(huán)繞的邊緣作為共同的環(huán)繞邊緣，從而所述電壓源具有環(huán)繞的邊緣。

邊緣優(yōu)選是階臺(tái)形的或者構(gòu)造為階臺(tái)。在此，邊緣或階臺(tái)的表面優(yōu)選大部分具有平面，其中，邊緣或階臺(tái)的表面的法線構(gòu)造為平行或幾乎平行于第一堆疊的表面的法線或者相應(yīng)堆疊的表面的法線。要注意的是，邊緣或階臺(tái)的側(cè)面構(gòu)造為基本或恰好垂直于邊緣或階臺(tái)的表面。

邊緣或階臺(tái)的棱邊分別與第一堆疊的四個(gè)側(cè)面中的每一個(gè)或者分別多個(gè)堆疊的側(cè)面距離至少5μm且最大500μm。棱邊到直接相鄰的側(cè)面的距離范圍分別優(yōu)選在10μm與300μm之間。所述距離范圍尤其在50μm與250μm之間。

第一堆疊的側(cè)面和尤其堆疊的所有側(cè)面優(yōu)選構(gòu)造為平的，并且尤其構(gòu)造為垂直的或幾乎垂直的。側(cè)面上的法線相對(duì)于相鄰邊緣面的法線或者堆疊表面的法線優(yōu)選在80°與110°之間的角度范圍內(nèi)，即，側(cè)面的法線與直接相鄰的邊緣面的法線彼此基本正交。所述角度范圍優(yōu)選在85°與105°之間。

附圖說(shuō)明

以下參照附圖來(lái)詳細(xì)解釋本發(fā)明。在此，相同的部分標(biāo)以相同的名稱。所示出的實(shí)施方式是高度示意性的，即距離和側(cè)向延展與垂直延展不是按比例的，只要沒有其他說(shuō)明，相互間也不具有可推導(dǎo)的幾何關(guān)系。其中示出了：

圖1：根據(jù)本發(fā)明的具有一個(gè)堆疊的可擴(kuò)展的電壓源的第一實(shí)施方式，

圖2：具有多個(gè)堆疊的可擴(kuò)展的電壓源的第二實(shí)施方式，

圖3：具有總共5個(gè)二極管的一種實(shí)施形式，所述5個(gè)二極管具有不同的吸收區(qū)厚度，

圖4：具有環(huán)繞的臺(tái)階形的階臺(tái)的堆疊。

具體實(shí)施方式

圖1的示圖表示第一實(shí)施方式的示意圖，所述第一實(shí)施方式具有可擴(kuò)展的電壓源VQ，所述可擴(kuò)展的電壓源VQ具有第一堆疊ST1，所述第一堆疊具有上側(cè)和下側(cè)并且具有數(shù)量N等于3的二極管。所述第一堆疊ST1具有由第一二極管D1和第一隧道二極管T1和第二二極管D2和第二隧道二極管T2和第三二極管D3構(gòu)成的串聯(lián)電路。在堆疊ST1的上側(cè)處構(gòu)造有第一電壓連接端VSUP1，并且在堆疊ST1的下側(cè)處構(gòu)造有第二電壓連接端VSUP2。在此，所述第一堆疊ST1的電源電壓VQ1由各個(gè)二極管D1至D3的部分電壓組成。為此，所述第一堆疊ST1經(jīng)受光子流——即光L。

二極管D1至D3與隧道二極管T1及T2的第一堆疊ST1被實(shí)施為單片構(gòu)造的、優(yōu)選由相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的塊。

在圖2的示圖中構(gòu)造第一堆疊ST1和第二堆疊ST2的有利的相互串聯(lián)的另一種實(shí)施方式。以下僅解釋與圖1的示圖的區(qū)別。所述第二堆疊ST2如所述第一堆疊ST1那樣具有由三個(gè)二極管和構(gòu)造在這些二極管之間的隧道二極管組成的串聯(lián)電路。兩個(gè)堆疊ST1及ST2相互串聯(lián)地連接，從而只要兩個(gè)堆疊ST1與ST2經(jīng)受光子流L，則所述第一堆疊ST1的電源電壓VQ1與所述第二堆疊ST2的電源電壓VQ2相加。

在一種未示出的實(shí)施方式中，所述兩個(gè)堆疊ST1及ST2彼此具有不同數(shù)量的分別以串聯(lián)電路連接的二極管。在另一種未示出的實(shí)施方式中，至少第一堆疊ST1和/或第二堆疊ST2具有多于三個(gè)以串聯(lián)電路連接的二極管。由此能夠擴(kuò)展電壓源VQ的電壓幅值。優(yōu)選地，數(shù)量N在4與8之間的范圍中。在另一種未示出的實(shí)施方式中，所述兩個(gè)堆疊ST1及ST2相互并聯(lián)連接。

在圖3的示圖中示出了半導(dǎo)體層有利地相互串聯(lián)成所述第一堆疊ST1的實(shí)施方式。以下僅解釋與圖1的示圖的區(qū)別。所述第一堆疊ST1總共包括五個(gè)串聯(lián)連接的部分電壓源，所述部分電壓源被構(gòu)造為二極管D1至D5。光L入射到第一二極管D1的表面OB上。所述表面OB幾乎或完全被照射。在兩個(gè)彼此相繼的二極管D1-D5之間分別構(gòu)造有一個(gè)隧道二極管T1-T4。隨著各個(gè)二極管D1至D5離所述表面OB的距離增加，吸收區(qū)的厚度增大，從而最下面的二極管D5具有最厚的吸收區(qū)。所述第一堆疊ST1的總厚度總共小于等于12μm。在最下面的二極管D5的下面構(gòu)造有襯底SUB。

在圖4的示圖中示出了半導(dǎo)體層有利地相互串聯(lián)成所述第一堆疊ST1的實(shí)施方式，其具有環(huán)繞的臺(tái)階形的階臺(tái)。以下僅解釋與圖3的示圖的區(qū)別。在所述第一堆疊ST1的表面OB上，在邊緣R處構(gòu)造有金屬的第一連接接觸部K1。所述第一連接接觸部K1與所述第一電壓連接端VSUP1相連接，未示出。所述襯底SUB具有上側(cè)OS，其中所述襯底SUB的上側(cè)OS材料鎖合地與最下面的、即第五二極管D5連接。在此應(yīng)理解，在將第五二極管布置在所述襯底上以及材料鎖合地與所述襯底的上側(cè)OS連接之前，在所述襯底上外延地產(chǎn)生一個(gè)薄的核化層和一個(gè)緩沖層。所述襯底SUB的上側(cè)OS具有比所述第一堆疊ST1的下側(cè)處的面更大的表面。由此構(gòu)成了環(huán)繞的階臺(tái)STU。所述階臺(tái)STU的邊緣與第一堆疊ST1的直接相鄰的側(cè)面距離大于5μm且小于500μm，以附圖標(biāo)記STU的長(zhǎng)度示出。在所述襯底SUB的下側(cè)處構(gòu)造有整面的金屬的第二接觸部K2。所述第二連接接觸部K2與所述第二電壓連接端VSUP2相連接(未示出)。